Un líder mundial en la tecnología de conversión de potencia necesitaba un diseño de inversor que fuera flexible y fácilmente ajustable. Los inversores autónomos emplean la energía CC producida por los módulos solares u otras fuentes en una batería y la suministran como energía CA cuando se necesita. Los diseñadores han de ser capaces de conectar otros inversores añadidos por fase en paralelo, o bien para funcionar en modo trifásico en aplicaciones en las que los requisitos de energía del usuario varíen a lo largo del tiempo.

La energía se debe suministrar de manera eficiente y práctica, y los inversores deben ser pequeños y portátiles para permitir su uso allí donde no haya una toma de la red eléctrica y cuando sea fundamental disponer de una alimentación de reserva en caso de emergencia. Estos tipos de inversores también deben caracterizarse por un sencillo manejo y por un mantenimiento en el propio lugar donde se ha instalado.

El inversor del cliente acepta una tensión nominal de batería de 24V o 48V, solo pesa 8kg y suministra a la salida una potencia nominal de 2200 VA con una eficiencia máxima del 93%. Al unir la tecnología de carga y el inversor en una sola unidad se consiguen dos objetivos: tamaño reducido y portabilidad. El cliente utiliza una arquitectura de inversor basada en un transformador de alta frecuencia, y que comprende una etapa de potencia de alta frecuencia a la entrada, un transformador de alta frecuencia, un enlace intermedio de CC y una etapa de potencia a la salida. El inversor autónomo se basa en un transformador pequeño de alta frecuencia muy distinto a los transformadores voluminosos de baja frecuencia utilizados a menudo como alternativa.

El concepto de alta frecuencia significa que las cargas conectadas al inversor están conectadas de manera casi directa a la etapa de salida sin la atenuación presente muchas veces en diseños basados en transformadores de baja frecuencia. Por tanto, todas las fluctuaciones en el lado de la carga se pueden regular a través de la etapa de potencia a la salida. La implementación de esta arquitectura con eficiencia y una forma de onda de salida de alta calidad que cumpliera las especificaciones en cuanto a frecuencia, tensión y distorsión armónica representó un gran reto de diseño.

La conexión y conmutación de inversores autónomos en el lado de CA, en paralelo, representó un importante reto porque un inversor autónomo funciona como una fuente de tensión. Esto significa que genera su propia tensión de salida estable y regula la corriente en función de las cargas conectadas. Por tanto, cuando se conectan dos o más fuentes de tensión pero no están sincronizadas, las cargas son asimétricas y la corriente circula entre las fuentes, dando como resultado pérdidas de potencia y nula potencia activa. Este flujo de corriente también puede afectar negativamente a las fuentes de energía.

Una pequeña variación de fase entre dos fuentes de tensión también puede provocar esta situación asimétrica y dar como resultado una diferencia de tensión entre ellas que puede establecer una conexión directa de las fuentes de tensión en el lado de CA. Esto ocurre debido a su muy baja resistencia, lo cual a su vez produce un flujo de corriente muy elevado entre los inversores. El cliente implementó un algoritmo de control y comunicación muy rápido y preciso para resolver esta cuestión.

Un concepto de diseño modular cubrió los requisitos de funcionamiento de varios inversores autónomos en paralelo. Un inversor de reserva funciona como un inversor estándar (CC/CA) y carga las baterías a partir de una fuente de CA (CA/CC); la misma circuitería electrónica de potencia sirve como generador. Dado que en la actualidad el mercado no dispone de inversores que ofrezcan esta funcionalidad y se basan en una arquitectura con transformador de alta frecuencia, se hizo necesario desarrollar una estrategia completamente nueva de interface y control. La Figura 1 muestra el planteamiento del cliente para un sistema inversor formado por cuatro bloques funcionales diferentes atendidos por tres controladores de señal diferentes: CC/CC, CC/CA e Interface de Visualizador y Usuario.

El cliente buscó entre los Controladores de Señal Digital (Digital Signal Controllers, DSC) y seleccionó los DSC dsPIC, que disponen de periféricos aptos para Fuentes de alimentación, como los módulos PWM (Pulse-Width-Modulation) basados en contador, muestreo mediante realimentación basada en comparador analógico y convertidor A/D coordinado, junto con la multiplicación rápida en un solo ciclo de reloj. Estos DCS dsPIC30F pueden proporcionar las elevadas velocidades de ejecución que necesitan los algoritmos en lazo cerrado para los inversores del cliente.

No se necesitaron componentes externos, como un controlador de reinicialización, chips de memoria, un convertidor A/D y un controlador CAN (Controller Area Network), ya que vienen integrados en los DSC. Los DSC dsPIC30F ofrecen velocidades de ejecución de hasta 30 MIPS y garantizan el aumento de la eficiencia y la fiabilidad en el sistema inversor. Su sencilla actualización es otro punto fuerte ya que los DSC pueden funcionar con un amplio rango de tensiones de trabajo entre 2,5V y 5,5V.

El diseño del inversor fue flexible y modular; los DSC ofrecieron varias capacidades de Flash y RAM, así como diversas opciones de conectividad. En el bloque de la etapa de potencia CC/CC, el DSC dsPIC30F5015 controla la etapa de alta frecuencia entre la entrada de LA batería y el transformador de alta frecuencia. Este dispositivo también se utilizó para medir con precisión la tensión y la corriente de la  batería. En la etapa de potencia CC/CA, el dsPIC30F6010A se encargó de la circuitería de electrónica de potencia por medio de un lazo de control Proporcional Integral (PI) con patente en trámite.

Para el cuadro de instrumentos y los controles del visualizador del inversor, el dsPIC30F6010A se conecta al dsPIC30F5011 mediante el bus CAN. También ajusta los modos de funcionamiento del inversor según las instrucciones del usuario. El dsPIC30F5011 incorpora 66 Kbytes de memoria Flash y un interface CAN, y la memoria Flash integrada ayuda a almacenar todos los iconos gráficos para el interface de usuario multilingüe del inversor. Los usuarios pueden pasar por los diferentes modos de funcionamiento y menús con las teclas de navegación situadas en el cuadro.

Estos inversores de alta estabilidad y con rápidos tiempos de respuesta, basados en una tecnología de transformador de alta frecuencia y con diseño modular, se pueden conectar en paralelo. Se pueden conectar en paralelo hasta cinco inversores más por fase para funcionamiento trifásico, hasta un total de 15 inversores en un sistema.

El cliente pudo diseñar un inversor compacto y multifuncional que permite la alimentación autónoma sin necesidad de conexión a la red eléctrica pública gracias a los DSC dsPIC30F de Microchip.

Nota: El nombre y el logo de Microchip y dsPIC son marcas registradas de Microchip Technology Inc. en EE.UU. y en otros países. Las restantes marcas citadas pertenecen a sus respectivas compañías.

Autor:

Víctor Alcázar
Director de Desarrollo del Mercado
División de Microcontroladores de Altas Prestaciones
Microchip Technology Inc.

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