DISEÑO Y DESARROLLO DE UN INVERSOR DE CORRIENTE DE ONDA PURA DE FABRICACIÓN NACIONAL

DISEÑO Y DESARROLLO DE UN INVERSOR DE CORRIENTE DE ONDA PURA DE FABRICACIÓN NACIONAL PARA SISTEMAS DE ENERGÍA RENOVABLE

DESIGN AND DEVELOPMENT OF A PURE SINE WAVE CURRENT INVERTER OF NATIONAL MANUFACTURING FOR RENEWABLE ENERGY SYSTEMS

FERNANDO J. VIZCAÍNO LINERO INVESTIGADOR INGETRONIK LTDA

OSCAR KATIME INVESTIGADOR INGETRONIK LTDA

 

RESUMEN

PALABRAS CLAVES: Investigación, Eólica, Solar, Energías-Alternativas.

El prototipo de inversor desarrollado, es un inversor de corriente tipo Onda Senoidal Pura, fuera de línea, cuyo rango de trabajo es 12V DC de entrada con salida AC es 110V AC +/­ 5% de tolerancia, con una frecuencia de trabajo de 60Hz y puertos USB de 2A para cargar dispositivos móviles.

La ventaja competitiva de este diseño respecto a los equipos que se importan es la adaptabilidad y la construcción modular de las partes internas, esta forma de construcción permite al dispositivo ajustarse a las condiciones ambientales y climáticas del ecosistema Colombiano, la electrónica interna modular fue diseñada con el fin de que con pequeñas modificaciones se pueda suministrar diferentes necesidades de energía eléctrica y al mismo tiempo permitir diagnósticos de posibles fallas así como reparaciones más rápidas. La construcción modular electrónica también permite al inversor trabajar con los voltajes predominantes en Colombia 12V, 24V y 48V.

Este equipo trabaja con una frecuencia de salida de 60Hz, dicha frecuencia es la utilizada en los electrodomésticos y equipos en Colombia; sin embargo, también se puede ajustar a 50Hz para las necesidades electrónicas de países donde es predominante esa frecuencia de trabajo eléctrico.

En las pruebas se trabajó con dos modelos de transformador, transformadores de LF (Baja Frecuencia) y HF (Alta Frecuencia), evaluando las ventajas de cada uno, para elegir el mejor diseño para el prototipo.

La carcasa externa está construida en hierro galvanizado y pintura electrostática para evitar la corrosión ambiental y extender la vida del equipo, también se diseñó con una base que permite instalarlo fácilmente en una superficie horizontal o vertical, como una pared, esta adaptación no se encuentra en la mayoría de equipos del mercado, haciendo que su montaje sea complicado y en muchos casos peligroso, al ser susceptible de movimientos involuntarios del inversor de corriente, que pueden fracturar los cables de conexión.

El equipo cuenta con un control de temperatura automatizado que se auto regula haciendo uso de ventiladores que se encienden secuencialmente según la temperatura del ambiente o con la temperatura propia de operación del equipo por consumo eléctrico, adicionalmente se incorporaron protecciones para salvaguardar tanto el estado del inversor de corriente como el del usuario final.

ABSTRACT

KEYWORDS: Research, Wind, Solar, Energy-Alternatives.

The inverter prototype developed, is a pure sine wave inverter, off-line, whose working range is 12V DC input with AC output is 110V AC + / 5% tolerance, with a working frequency of 60Hz and ports 2A USB to charge mobile devices.

The competitive advantage of this design with respect to the equipment that is imported is the adaptability and modular construction of the internal parts, this form of construction allows the device to adjust to the environmental and climatic conditions of the Colombian ecosystem, the internal modular electronics was designed with so that with small modifications, different electrical energy needs can be supplied and at the same time allow diagnoses of possible faults as well as faster repairs. The electronic modular construction also allows the inverter to work with the predominant voltages in Colombia 12V, 24V and 48V.

This equipment works with an output frequency of 60Hz, this frequency is the one used in electrical appliances and equipment in Colombia; however, it can also be set at 50Hz for the electronic needs of countries where that frequency of electrical work is predominant.

In the tests we worked with two transformer models, transformers of LF (Low Frequency) and HF (High Frequency), evaluating the advantages of each, to choose the best design for the prototype.

The outer casing is made of galvanized iron and electrostatic paint to avoid environmental corrosion and extend the life of the equipment, it was also designed with a base that allows it to be easily installed on a horizontal or vertical surface, such as a wall, this adaptation is not found in most of the equipment in the market, making assembly difficult and in many cases dangerous, as it is susceptible to involuntary movements of the power inverter, which can fracture the connection cables.

The equipment has an automatic temperature control that regulates itself using fans that are turned on sequentially according to the ambient temperature or with the operating temperature of the equipment due to electrical consumption, additionally protections were incorporated to safeguard both the inverter's status current as the end user.

INTRODUCCIÓN

El sector rural colombiano y en mayor porcentaje en la Región Caribe, se evidencia la necesidad de encontrar soluciones de energía alternativas (solares, eólicas, etc.) a las convencionales, debido a que el servicio de energía convencional solo dispone una cobertura parcial o en el peor de los casos no existe infraestructura para satisfacer la necesidad energética, en otros casos las comunidades rurales aunque se proveen del servicio convencional de energía, la baja disponibilidad y calidad del mismo, fuerza a los habitantes de estas comunidades aisladas a buscar opciones acordes a sus necesidades y presupuestos. Algunas de esas necesidades, entre las cuales vale resaltar, se encuentran propietarios de terrenos en los que se produce materia prima y productos primarios alimenticios (perecederos), la falta del servicio o la discontinuidad del mismo en caso de que dispongan del mismo afecta la calidad y la productividad.

Una solución a esta problemática es adquirir sistemas de energías alternativas para producir energía eléctrica y de esta manera satisfacer su necesidad energética, pero dicha solución implica en primera instancia altos costos de implementación, por ejemplo, entre los componentes que se usan para implementar sistemas de energías alternativas (solares o eólicas) se encuentra el inversor de corriente,  cuyo alto costo está directamente relacionado a que son importados y a que no existe producción nacional y es el usuario final quien debe asumir los sobrecostos producto de impuestos, aranceles, envíos, etc.

 

Adicionalmente, estos dispositivos no son fácilmente adaptables a los requerimientos del mercado nacional y debe añadirse los problemas de mantenimiento, calidad del equipo, reparaciones y garantías del producto.

Dicho lo anterior, son objetivos de este proyecto de investigación e innovación, construir un prototipo de Inversor de Corriente de fabricación nacional que permita disminuir los costos del dispositivo, así como impactar en la minimización del costo total de la implementación de un sistema de energía renovable (eólico y/o solar). Además, difundir el conocimiento obtenido a través de este proceso de investigación principalmente a aprendices SENA.

 

FUNDAMENTO TEÓRICO

Hoy en día casi todas nuestras necesidades eléctricas o electrónicas (televisores, equipos de sonido, cargadores de celular, etc) requieren de un trabajo conjunto entre la energía de corriente alterna (AC) y la de corriente directa (DC). A pesar de que transportar energía eléctrica AC es más eficiente, no ha sido tarea fácil llevar energía a muchas zonas en el planeta. Actualmente existen zonas que carecen de suministro eléctrico por diferentes razones (costo, condiciones del terreno, impacto ecológico), adicionalmente la mayoría de los países sufren por que la demanda actual de energía ya que supera la capacidad de generación y esta demanda sigue en aumento.

Países desarrollados han invertido en desarrollos de nuevas Técnicas y Tecnologías para remplazar el proceso de generación de energía "sucias", aquellas originadas a partir de combustibles fósiles, a energías alternativas y renovables con un bajo impacto a nivel ambiental, reduciendo cada día el costo de las mismas.

Cuando se habla de energías "Limpias" es inevitable pensar en el uso de equipos específicos que conviertan la energía generada en DC a AC o en AC a DC. Convertir energía AC en energía DC es relativamente sencillo, pero convertir energía DC a AC tiende a ser más complejo, este proceso se conoce como inverter (en inglés) o inversor de corriente.

Dentro de los equipos Inverter o inversores de corriente tenemos dos ramas que indican la tecnología que usa para convertir la energía DC en AC: Inversores Onda Modificada e Inversores de Onda pura.

Los inversores de onda modificada son equipos que entregan una onda de corriente generada electrónicamente, funcionan para todo equipo electrónico que no dependa de bobinas (motores eléctricos) para realizar un trabajo. La onda seno pura es un inversor más sofisticado y más costoso, cuya forma de onda se asemeja más a la energía de la toma eléctrica del hogar.

Actualmente existen dos técnicas que predominan este proceso de conversión la conversión lineal y la conversión conmutada. Esta última es las predominantes en el mercado actual puesto que suponen unas ventajas en cuanto a tamaño, eficiencia, costo, adaptabilidad.

En Colombia, las energías alternativas están en auge y gran parte de la demanda se satisface con equipos y productos importados; la mayoría de estos equipos fabricados en otros países vienen especificados y reglamentados para los equipos electrónicos de ese determinado país. Por ejemplo, en Europa el Voltaje de trabajo es 220V y la frecuencia de trabajo es de 50hz, en América el Voltaje de trabajo predominante es 110V y frecuencia de trabajo de 60hz.

El problema de tener que importar la mayoría de equipos, es que los principales proveedores diseñan inversores de acuerdo a los sistemas de energía que manejan en otras zonas, que no son compatibles con el colombiano. Al querer fabricar en masa estos dispositivos, los parámetros no se adaptan a lo que se necesita en Colombia y lo que hacen es intentar modificar un diseño ideado para parámetros extranjeros a los parámetros locales.

Por lo anterior, es común encontrar inversores pertenecientes a rangos de voltaje más altos (entre 135V a 155V), con frecuencias de trabajo fuera del 60hz; la razón es que los transformadores se calculan y diseñan para satisfacer una demanda energética diferente a la local, afectando la calidad de los equipos, problemas con los electrodomésticos habituales, conectados a sistemas de energías alternativas.

 

METODOLOGÍA

La metodología aplicada a esta investigación se define a través de las siguientes etapas:

• Revisión del estado del arte
• Formulación de la Hipótesis
• Experimentación y recolección de datos
• Construcción del prototipo
• Realización de pruebas
• Análisis de los resultados
• Definición de conclusiones

RESULTADOS

El prototipo desarrollado, es un inversor de corriente de la familia de onda senosoidal pura el cual es independiente y por tanto no está conectado a la red de suministro eléctrico, simplemente proviene exclusivamente de la energía generada a través de generadores fotovoltaico (Panel Solar + Batería o acumuladores), estos sistemas son comúnmente llamados Off Grid.

Dado que en Colombia el mercado se encuentra saturado de equipos importados de calidad variable, costos elevados y mantenimiento y/o reparación nacional casi nula por sus componentes; nuestro diseño presenta una gran adaptabilidad al momento de ser usados con acumuladores de 12, 24 y 48V DC con muy pocos cambios y sin elevados precios, también es un sistema que entrará a competir con la calidad y robustez de los mejores equipos del mercado (importados).

Dichos equipos importados que se encuentran en el mercado se les ha analizados en su tecnología, con base a estos estudios previos se realizaron pruebas con los dos modelos de trasformadores tanto de HF (alta frecuencia) como LF (baja frecuencia), a fin de determinar costo, calidad, robustez y eficiencia del prototipo final.     

Entre las características de robustez y versatilidad el prototipo cuenta con:

• Un puerto USB (Universal Serial Bus) de 5VDC y 2 amperios de corriente.
• Protecciones eléctricas (Fusible) de fácil remoción y remplazo para el usuario.
• Control automático de Temperatura por medio de ventiladores.
• Protección de puesta a tierra.
• Protección de polaridad invertida de DC (Batería o Acumuladores).
• Protección de corto circuito de AC (Short Circuit AC).
• Protección de baja carga y sobre carga de la batería (Low charge and high battery charge).
• Protección de Sobretensión (Potencia del inversor diseñado).
• Carcasa externa de fácil instalación y anclaje en superficies horizontales y verticales.

Estas características fueron implementadas con la finalidad de elevar el estándar comercial y hacerlo atractivo al usuario final, llevándolo a la vanguardia con poder realizar cargas dispositivos móviles, Tablet, etc. con el puerto USB, y sumado a esto previene el mal uso y malas conexiones por parte del usuario y aumenta la seguridad e integridad del prototipo.

Para lograr estos resultados, el equipo del proyecto ejecutó una serie de pruebas durante ocho meses siguiendo un protocolo estricto e identificando las etapas críticas del diseño.

De esta manera las etapas y circuitos del prototipo fueron construidas inicialmente en Placas Protoboard y Baquelas Universales, para posteriormente construirlas en Placas PCB‘s y llevar a cabo las pruebas finales. Para dicha construcción final los circuitos impresos fueron elaborados usando los softwares especializados EAGLE y PROTEUS. Ver Figuras 1, 2 y 3.

 Figura 1. Diseño de la Board de la PCB en el Software Proteus