Un inversor de corriente , inversor o inversor es un dispositivo o circuito electrónico de potencia que cambia la corriente continua (CC) a corriente alterna (CA). [1] La frecuencia de CA resultante depende del dispositivo particular empleado. Los inversores hacen lo contrario de los rectificadores , que originalmente eran grandes dispositivos electromecánicos que convertían CA en CC. [2]
El voltaje de entrada , el voltaje y la frecuencia de salida y el manejo general de la energía dependen del diseño del dispositivo o circuito específico. El inversor no produce energía; la energía es proporcionada por la fuente de CC.
Un inversor de potencia puede ser completamente electrónico o tal vez una combinación de efectos mecánicos (como un aparato giratorio) y circuitos electrónicos.Los inversores estáticos no utilizan piezas móviles en el proceso de conversión.
Los inversores de potencia se utilizan principalmente en aplicaciones de energía eléctrica donde existen altas corrientes y voltajes; Los circuitos que realizan la misma función para señales electrónicas, que suelen tener corrientes y voltajes muy bajos, se denominan osciladores . Los circuitos que realizan la función opuesta, convertir CA en CC, se denominan rectificadores .
Un dispositivo o circuito inversor de energía típico requiere una fuente de energía de CC estable capaz de suministrar suficiente corriente para las demandas de energía previstas del sistema. El voltaje de entrada depende del diseño y propósito del inversor. Ejemplos incluyen:
Un inversor puede producir una onda cuadrada , una onda sinusoidal , una onda sinusoidal modificada, una onda sinusoidal pulsada o una onda modulada por ancho de pulso (PWM) casi sinusoidal, según el diseño del circuito. Los tipos comunes de inversores producen ondas cuadradas o casi cuadradas. Una medida de la pureza de una onda sinusoidal es la distorsión armónica total (THD). [4] Las normas técnicas para redes comerciales de distribución de energía exigen menos del 3% de THD en la forma de onda en el punto de conexión del cliente. El estándar IEEE 519 recomienda menos del 5% de THD para sistemas conectados a una red eléctrica.
Hay dos diseños básicos para producir voltaje de enchufe doméstico a partir de una fuente de CC de menor voltaje, el primero de los cuales utiliza un convertidor elevador de conmutación para producir CC de mayor voltaje y luego lo convierte a CA. El segundo método convierte CC en CA al nivel de la batería y utiliza un transformador de frecuencia de línea para crear el voltaje de salida. [5]
Esta es una de las formas de onda más simples que puede producir un diseño de inversor y es más adecuada para aplicaciones de baja sensibilidad como iluminación y calefacción. La salida de onda cuadrada puede producir "zumbidos" cuando se conecta a un equipo de audio y generalmente no es adecuada para dispositivos electrónicos sensibles. Una onda cuadrada con un ciclo de trabajo del 50 % equivale a una onda sinusoidal con un THD del 48 %. [4]
Un dispositivo inversor de potencia que produce una forma de onda de CA sinusoidal de múltiples pasos se denomina inversor de onda sinusoidal . Para distinguir más claramente los inversores con salidas de mucha menos distorsión que los diseños de inversores de onda sinusoidal modificada (de tres pasos), los fabricantes suelen utilizar la frase inversor de onda sinusoidal pura . Casi todos los inversores de consumo que se venden como "inversores de onda sinusoidal pura" no producen ninguna salida de onda sinusoidal suave, [ cita necesaria ] solo una salida menos entrecortada que la onda cuadrada (de dos pasos) y la onda sinusoidal modificada ( inversores de tres pasos). Sin embargo, esto no es crítico para la mayoría de los dispositivos electrónicos, ya que manejan bastante bien la salida.
Cuando los dispositivos inversores de potencia sustituyen la alimentación de línea estándar, es deseable una salida de onda sinusoidal porque muchos productos eléctricos están diseñados para funcionar mejor con una fuente de alimentación de CA de onda sinusoidal. La red eléctrica estándar proporciona una onda sinusoidal, normalmente con imperfecciones menores pero a veces con una distorsión significativa.
Los inversores de onda sinusoidal con más de tres pasos en la salida de onda son más complejos y tienen un costo significativamente mayor que los de onda sinusoidal modificada, con solo tres pasos, o los tipos de onda cuadrada (un paso) con el mismo manejo de potencia. Los dispositivos de fuente de alimentación de modo conmutado (SMPS), como computadoras personales o reproductores de DVD, funcionan con energía de onda sinusoidal modificada. Los motores de CA operados directamente con energía no sinusoidal pueden producir calor adicional, pueden tener diferentes características de velocidad-par o pueden producir más ruido audible que cuando funcionan con energía sinusoidal.
La onda sinusoidal modificada es la suma de dos ondas cuadradas , una de las cuales se retrasa un cuarto del período respecto de la otra. El resultado es una secuencia de pasos de voltaje repetidos de cero, pico positivo, cero, pico negativo y nuevamente cero. La forma de onda de voltaje resultante se aproxima mejor a la forma de una onda de voltaje sinusoidal que a una única onda cuadrada. La mayoría de los inversores de corriente de consumo económicos producen una onda sinusoidal modificada en lugar de una onda sinusoidal pura.
Si se elige que la forma de onda tenga sus valores de voltaje máximo durante la mitad del tiempo del ciclo, la relación de voltaje pico a voltaje RMS es la misma que para una onda sinusoidal. El voltaje del bus de CC se puede regular activamente o se pueden modificar los tiempos de "encendido" y "apagado" para mantener la misma salida de valor RMS hasta el voltaje del bus de CC para compensar las variaciones de voltaje del bus de CC. Al cambiar el ancho del pulso, se puede cambiar el espectro armónico. El THD más bajo para una onda sinusoidal modificada de tres pasos es del 30% cuando los pulsos tienen un ancho de 130 grados en cada ciclo eléctrico. Esto es ligeramente menor que el de una onda cuadrada. [6]
La relación entre el tiempo de encendido y apagado se puede ajustar para variar el voltaje RMS mientras se mantiene una frecuencia constante con una técnica llamada modulación de ancho de pulso (PWM). Los pulsos de puerta generados se envían a cada interruptor de acuerdo con el patrón desarrollado para obtener la salida deseada. El espectro armónico en la salida depende del ancho de los pulsos y de la frecuencia de modulación. Se puede demostrar que la distorsión mínima de una forma de onda de tres niveles se alcanza cuando los pulsos se extienden más de 130 grados de la forma de onda, pero el voltaje resultante todavía tendrá alrededor del 30% de THD, más alto que los estándares comerciales para fuentes de energía conectadas a la red. [7] Cuando se operan motores de inducción, los armónicos de voltaje generalmente no son motivo de preocupación; sin embargo, la distorsión armónica en la forma de onda actual introduce un calentamiento adicional y puede producir pares pulsantes. [8]
Numerosos elementos de equipos eléctricos funcionarán bastante bien en dispositivos inversores de potencia de onda sinusoidal modificada, especialmente cargas que son de naturaleza resistiva, como las bombillas incandescentes tradicionales. Los artículos con una fuente de alimentación conmutada funcionan casi en su totalidad sin problemas, pero si el artículo tiene un transformador de red, este puede sobrecalentarse dependiendo de qué tan marginal sea su clasificación.
Sin embargo, la carga puede operar de manera menos eficiente debido a los armónicos asociados con una onda sinusoidal modificada y producir un zumbido durante la operación. Esto también afecta la eficiencia del sistema en su conjunto, ya que la eficiencia de conversión nominal del fabricante no tiene en cuenta los armónicos. Por lo tanto, los inversores de onda sinusoidal pura pueden proporcionar una eficiencia significativamente mayor que los inversores de onda sinusoidal modificada.
La mayoría de los motores de CA funcionarán con inversores MSW con una reducción de eficiencia de aproximadamente el 20% debido al contenido de armónicos. Sin embargo, pueden resultar bastante ruidosos. Un filtro LC en serie sintonizado a la frecuencia fundamental puede resultar útil. [9]
Una topología de inversor de onda sinusoidal modificada común que se encuentra en los inversores de potencia de consumo es la siguiente: un microcontrolador integrado enciende y apaga rápidamente los MOSFET de potencia a alta frecuencia, como ~50 kHz. Los MOSFET se alimentan directamente de una fuente de CC de bajo voltaje (como una batería). Luego, esta señal pasa a través de transformadores elevadores (generalmente muchos transformadores más pequeños se colocan en paralelo para reducir el tamaño total del inversor) para producir una señal de voltaje más alto. Luego, los condensadores filtran la salida de los transformadores elevadores para producir un suministro de CC de alto voltaje. Finalmente, el microcontrolador pulsa esta fuente de CC con MOSFET de potencia adicional para producir la señal de onda sinusoidal modificada final.
Los inversores más complejos utilizan más de dos voltajes para formar una aproximación de múltiples pasos a una onda sinusoidal. Estos pueden reducir aún más los armónicos de tensión y corriente y el THD en comparación con un inversor que utiliza únicamente pulsos alternos positivos y negativos; pero tales inversores requieren componentes de conmutación adicionales, lo que aumenta el costo.
Algunos inversores utilizan PWM para crear una forma de onda que puede filtrarse con un filtro de paso bajo para recrear la onda sinusoidal. Estos sólo requieren un suministro de CC, al igual que los diseños de MSN, pero la conmutación se realiza a una velocidad mucho más rápida, normalmente muchos kHz, de modo que la anchura variable de los pulsos se puede suavizar para crear la onda sinusoidal. Si se utiliza un microprocesador para generar el tiempo de conmutación, el contenido armónico y la eficiencia se pueden controlar estrechamente.
La frecuencia de salida de CA de un dispositivo inversor de energía suele ser la misma que la frecuencia de la línea eléctrica estándar, 50 o 60 hercios . La excepción son los diseños para accionamiento de motores, donde una frecuencia variable da como resultado un control de velocidad variable.
Además, si la salida del dispositivo o circuito se va a acondicionar aún más (por ejemplo, aumentarla), entonces la frecuencia puede ser mucho mayor para una buena eficiencia del transformador.
El voltaje de salida de CA de un inversor de potencia a menudo se regula para que sea el mismo que el voltaje de la línea de red, generalmente 120 o 240 VCA en el nivel de distribución, incluso cuando hay cambios en la carga que impulsa el inversor. Esto permite que el inversor alimente numerosos dispositivos diseñados para alimentación de línea estándar.
Algunos inversores también permiten voltajes de salida seleccionables o continuamente variables.
Un inversor de corriente suele tener una potencia nominal general expresada en vatios o kilovatios. Esto describe la energía que estará disponible para el dispositivo que impulsa el inversor e, indirectamente, la energía que se necesitará de la fuente de CC. Los dispositivos comerciales y de consumo populares más pequeños diseñados para imitar la potencia de la línea suelen oscilar entre 150 y 3000 vatios.
No todas las aplicaciones de inversores se ocupan única o principalmente del suministro de energía; en algunos casos, la frecuencia o las propiedades de forma de onda son utilizadas por el circuito o dispositivo siguiente.
El tiempo de ejecución de un inversor alimentado por baterías depende de la energía de la batería y de la cantidad de energía que se extrae del inversor en un momento dado. A medida que aumenta la cantidad de equipos que utilizan el inversor, el tiempo de ejecución disminuirá. Para prolongar el tiempo de ejecución de un inversor, se pueden agregar baterías adicionales al inversor. [10]
Fórmula para calcular la capacidad de la batería del inversor: [11]
Capacidad de la batería (Ah) = Carga total (en vatios) × Tiempo de uso (en horas) / Voltaje de entrada (V)
Al intentar agregar más baterías a un inversor, existen dos opciones básicas de instalación:
Un inversor convierte la electricidad de CC de fuentes como baterías o pilas de combustible en electricidad de CA. La electricidad puede tener cualquier voltaje requerido; en particular, puede operar equipos de CA diseñados para funcionar con red eléctrica o rectificados para producir CC a cualquier voltaje deseado.
Un sistema de alimentación ininterrumpida (UPS) utiliza baterías y un inversor para suministrar energía de CA cuando la red eléctrica no está disponible. Cuando se restablece la red eléctrica, un rectificador suministra energía CC para recargar las baterías.
Los circuitos inversores diseñados para producir un rango de voltaje de salida variable se utilizan a menudo en los controladores de velocidad del motor. La alimentación de CC para la sección del inversor puede derivarse de un tomacorriente de pared de CA normal o de alguna otra fuente. Los circuitos de control y retroalimentación se utilizan para ajustar la salida final de la sección del inversor que, en última instancia, determinará la velocidad del motor que opera bajo su carga mecánica. Las necesidades de control de la velocidad del motor son numerosas e incluyen cosas como: equipos impulsados por motores industriales, vehículos eléctricos, sistemas de transporte ferroviario y herramientas eléctricas. (Ver relacionado: variador de frecuencia ) Los estados de conmutación se desarrollan para voltajes positivo, negativo y cero según los patrones dados en la Tabla 1 de conmutación. Los pulsos de puerta generados se entregan a cada interruptor de acuerdo con el patrón desarrollado y, por lo tanto, el se obtiene la salida.
Se puede utilizar un inversor para controlar la velocidad del motor del compresor para impulsar un flujo de refrigerante variable en un sistema de refrigeración o aire acondicionado para regular el rendimiento del sistema. Este tipo de instalaciones se conocen como compresores inverter . Los métodos tradicionales de regulación de la refrigeración utilizan compresores de una sola velocidad que se encienden y apagan periódicamente; Los sistemas equipados con inversor tienen un variador de frecuencia que controla la velocidad del motor y, por tanto, el compresor y la salida de refrigeración. La CA de frecuencia variable del inversor acciona un motor de inducción o sin escobillas , cuya velocidad es proporcional a la frecuencia de la CA que alimenta, por lo que el compresor puede funcionar a velocidades variables; al eliminar los ciclos de arranque y parada del compresor se aumenta la eficiencia. Un microcontrolador normalmente monitorea la temperatura en el espacio que se va a enfriar y ajusta la velocidad del compresor para mantener la temperatura deseada. La electrónica adicional y el hardware del sistema añaden costos al equipo, pero pueden generar ahorros sustanciales en los costos operativos. [12] Los primeros aires acondicionados inverter fueron lanzados por Toshiba en 1981, en Japón. [13]
Los inversores conectados a la red están diseñados para alimentar el sistema de distribución de energía eléctrica. [14] Se transfieren sincrónicamente con la línea y tienen el menor contenido armónico posible. También necesitan un medio para detectar la presencia de energía de la red pública por razones de seguridad, para no continuar suministrando energía peligrosamente a la red durante un corte de energía.
Los inversores sincrónicos son inversores diseñados para simular un generador giratorio y pueden utilizarse para ayudar a estabilizar las redes. Pueden diseñarse para reaccionar más rápido que los generadores normales a los cambios en la frecuencia de la red y pueden brindar a los generadores convencionales la oportunidad de responder a cambios muy repentinos en la demanda o la producción.
Se utilizan grandes inversores, con una potencia de varios cientos de megavatios, para suministrar energía desde sistemas de transmisión de corriente continua de alto voltaje a sistemas de distribución de corriente alterna.
Un inversor solar es un componente de equilibrio del sistema (BOS) de un sistema fotovoltaico y se puede utilizar tanto para sistemas conectados a la red como fuera de la red (independientes). Los inversores solares tienen funciones especiales adaptadas para su uso con paneles fotovoltaicos , incluido el seguimiento del punto de máxima potencia y la protección contra islas .
Los microinversores solares se diferencian de los inversores convencionales en que a cada panel solar se le conecta un microinversor individual. Esto puede mejorar la eficiencia general del sistema. Luego, la salida de varios microinversores se combina y, a menudo, se alimenta a la red eléctrica .
En otras aplicaciones, se puede combinar un inversor convencional con un banco de baterías mantenido por un controlador de carga solar. Esta combinación de componentes a menudo se denomina generador solar. [15]
Los inversores solares también se utilizan en sistemas fotovoltaicos de naves espaciales .
Los inversores convierten la energía CA principal de baja frecuencia en una frecuencia más alta para usarla en calentamiento por inducción . Para hacer esto, primero se rectifica la energía CA para proporcionar energía CC. Luego, el inversor cambia la alimentación de CC a alimentación de CA de alta frecuencia. Debido a la reducción en el número de fuentes de CC empleadas, la estructura se vuelve más confiable y el voltaje de salida tiene una resolución más alta debido a un aumento en el número de pasos, de modo que se puede lograr mejor el voltaje sinusoidal de referencia. Esta configuración se ha vuelto muy popular recientemente en aplicaciones de suministro de energía de CA y variadores de velocidad ajustable. Este nuevo inversor puede evitar diodos de sujeción adicionales o condensadores de equilibrio de voltaje.
Hay tres tipos de técnicas de modulación con desplazamiento de nivel, a saber:
Con la transmisión de energía HVDC , la energía de CA se rectifica y la energía de CC de alto voltaje se transmite a otra ubicación. En la ubicación receptora, un inversor en una estación convertidora HVDC convierte la energía nuevamente en CA. El inversor debe estar sincronizado con la frecuencia y fase de la red y minimizar la generación de armónicos.
Las armas de electrochoque y las Taser tienen un inversor CC/CA para generar varias decenas de miles de V CA a partir de una pequeña batería de 9 V CC. Primero, los 9 V CC se convierten a 400-2000 V CA con un transformador compacto de alta frecuencia, que luego se rectifica y se almacena temporalmente en un condensador de alto voltaje hasta que se alcanza un voltaje umbral preestablecido. Cuando se alcanza el umbral (establecido mediante un entrehierro o TRIAC), el condensador vierte toda su carga en un transformador de impulsos que luego la eleva hasta su voltaje de salida final de 20 a 60 kV. También se utiliza una variante del principio en flashes electrónicos y eliminadores de errores , aunque dependen de un multiplicador de voltaje basado en capacitor para lograr su alto voltaje.
Las aplicaciones típicas de los inversores de potencia incluyen:
En un circuito inversor simple, la energía CC se conecta a un transformador a través de la derivación central del devanado primario. Un interruptor de relé se cambia rápidamente hacia adelante y hacia atrás para permitir que la corriente regrese a la fuente de CC siguiendo dos caminos alternativos a través de un extremo del devanado primario y luego del otro. La alternancia de la dirección de la corriente en el devanado primario del transformador produce corriente alterna (CA) en el circuito secundario.
La versión electromecánica del dispositivo de conmutación incluye dos contactos estacionarios y un contacto móvil sostenido por resorte. El resorte sujeta el contacto móvil contra uno de los contactos estacionarios y un electroimán tira del contacto móvil hacia el contacto estacionario opuesto. La corriente en el electroimán se interrumpe por la acción del interruptor, de modo que el interruptor cambia continuamente y rápidamente hacia adelante y hacia atrás. Este tipo de interruptor inversor electromecánico, llamado vibrador o zumbador, alguna vez se usó en radios de automóviles con tubos de vacío . Un mecanismo similar se ha utilizado en timbres, timbres y máquinas de tatuar .
A medida que estuvieron disponibles con potencias nominales adecuadas, se han incorporado transistores y varios otros tipos de interruptores semiconductores en los diseños de circuitos inversores. Ciertas clasificaciones, especialmente para sistemas grandes (muchos kilovatios), utilizan tiristores (SCR). Los SCR proporcionan una gran capacidad de manejo de potencia en un dispositivo semiconductor y pueden controlarse fácilmente en un rango de disparo variable.
El interruptor en el inversor simple descrito anteriormente, cuando no está acoplado a un transformador de salida, produce una forma de onda de voltaje cuadrada debido a su naturaleza simple de encendido y apagado, a diferencia de la forma de onda sinusoidal que es la forma de onda habitual de una fuente de alimentación de CA. Utilizando el análisis de Fourier , las formas de onda periódicas se representan como la suma de una serie infinita de ondas sinusoidales. La onda sinusoidal que tiene la misma frecuencia que la forma de onda original se llama componente fundamental. Las otras ondas sinusoidales, llamadas armónicas , que se incluyen en la serie tienen frecuencias que son múltiplos integrales de la frecuencia fundamental.
El análisis de Fourier se puede utilizar para calcular la distorsión armónica total (THD). La distorsión armónica total (THD) es la raíz cuadrada de la suma de los cuadrados de las tensiones armónicas dividida por la tensión fundamental:
Hay muchas topologías de circuitos de potencia y estrategias de control diferentes que se utilizan en los diseños de inversores. [16] Los diferentes enfoques de diseño abordan diversas cuestiones que pueden ser más o menos importantes dependiendo de la forma en que se pretende utilizar el inversor. Por ejemplo, un motor eléctrico en un automóvil en movimiento puede convertirse en una fuente de energía y, con la topología de inversor adecuada (puente H completo), puede cargar la batería del automóvil al desacelerar o frenar. De manera similar, la topología correcta (puente H completo) puede invertir los roles de "fuente" y "carga", es decir, si, por ejemplo, el voltaje es mayor en el lado de "carga" de CA (agregando un inversor solar). , similar a un grupo electrógeno, pero de estado sólido), la energía puede fluir de regreso a la "fuente" de CC o batería.
Según la topología básica del puente H , existen dos estrategias de control fundamentales diferentes llamadas convertidor de puente básico de frecuencia variable y control PWM. [17] Aquí, en la imagen izquierda del circuito del puente H, el interruptor superior izquierdo se denomina "S1" y los demás se denominan "S2, S3, S4" en orden antihorario.
En el convertidor puente básico de frecuencia variable, los interruptores pueden funcionar con la misma frecuencia que la CA de la red eléctrica. Sin embargo, es la velocidad a la que los interruptores se abren y cierran lo que determina la frecuencia de CA. Cuando S1 y S4 están encendidos y los otros dos están apagados, la carga recibe voltaje positivo y viceversa. Podríamos controlar los estados de encendido y apagado de los interruptores para ajustar la magnitud y la fase de CA. También podríamos controlar los interruptores para eliminar ciertos armónicos. Esto incluye controlar los interruptores para crear muescas, o regiones de estado 0, en la forma de onda de salida o agregar las salidas de dos o más convertidores en paralelo que estén desfasados entre sí.
Otro método que se puede utilizar es PWM. A diferencia del convertidor puente de frecuencia variable básico, en la estrategia de control PWM, solo dos interruptores S3, S4 pueden operar a la frecuencia del lado de CA o a cualquier baja frecuencia. Los otros dos cambiarían mucho más rápido (normalmente 100 KHz) para crear voltajes cuadrados de la misma magnitud pero con diferente duración, lo que se comporta como un voltaje con magnitud cambiante en una escala de tiempo mayor.
Estas dos estrategias crean diferentes armónicos. Para el primero, mediante Análisis de Fourier, la magnitud de los armónicos sería 4/(pi*k) (k es el orden de los armónicos). Por tanto, la mayor parte de la energía de los armónicos se concentra en los armónicos de orden inferior. Mientras tanto, para la estrategia PWM, la energía de los armónicos se encuentra en frecuencias más altas debido a la rápida conmutación. Sus diferentes características de armónicos conducen a diferentes requisitos de THD y eliminación de armónicos. Similar a "THD", el concepto "calidad de forma de onda" representa el nivel de distorsión causado por los armónicos. La calidad de la forma de onda de la CA producida directamente por el puente H mencionado anteriormente no sería tan buena como deseamos.
La cuestión de la calidad de la forma de onda se puede abordar de muchas maneras. Se pueden utilizar condensadores e inductores para filtrar la forma de onda. Si el diseño incluye un transformador , el filtrado se puede aplicar al lado primario o secundario del transformador o a ambos lados. Se aplican filtros de paso bajo para permitir que el componente fundamental de la forma de onda pase a la salida limitando al mismo tiempo el paso de los componentes armónicos. Si el inversor está diseñado para proporcionar energía a una frecuencia fija, se puede utilizar un filtro resonante . Para un inversor de frecuencia ajustable, el filtro debe sintonizarse a una frecuencia que esté por encima de la frecuencia fundamental máxima.
Dado que la mayoría de las cargas contienen inductancia, a menudo se conectan rectificadores de retroalimentación o diodos antiparalelos a través de cada interruptor semiconductor para proporcionar un camino para la corriente máxima de carga inductiva cuando el interruptor está apagado. Los diodos antiparalelos son algo similares a los diodos de rueda libre utilizados en los circuitos convertidores CA/CC.
El análisis de Fourier revela que una forma de onda, como una onda cuadrada, que es antisimétrica alrededor del punto de 180 grados, contiene sólo armónicos impares, el tercero, el quinto, el séptimo, etc. Las formas de onda que tienen pasos de ciertos anchos y alturas pueden atenuar ciertos armónicos más bajos. a expensas de amplificar los armónicos más altos. Por ejemplo, al insertar un paso de voltaje cero entre las secciones positiva y negativa de la onda cuadrada, se pueden eliminar todos los armónicos que son divisibles por tres (3.º, 9.º, etc.). Eso deja solo el 5, 7, 11, 13, etc. El ancho requerido de los pasos es un tercio del período para cada uno de los pasos positivos y negativos y un sexto del período para cada uno de los pasos de voltaje cero. [19]
Cambiar la onda cuadrada como se describe anteriormente es un ejemplo de modulación por ancho de pulso. La modulación o regulación del ancho de un pulso de onda cuadrada se utiliza a menudo como método para regular o ajustar el voltaje de salida de un inversor. Cuando no se requiere control de voltaje, se puede seleccionar un ancho de pulso fijo para reducir o eliminar los armónicos seleccionados. Las técnicas de eliminación de armónicos se aplican generalmente a los armónicos más bajos porque el filtrado es mucho más práctico en frecuencias altas, donde los componentes del filtro pueden ser mucho más pequeños y menos costosos. Los esquemas de control PWM basados en múltiples anchos de pulso o portadoras producen formas de onda que se componen de muchos pulsos estrechos. La frecuencia representada por el número de pulsos estrechos por segundo se llama frecuencia de conmutación o frecuencia portadora . Estos esquemas de control se utilizan a menudo en inversores de control de motores de frecuencia variable porque permiten una amplia gama de ajustes de frecuencia y voltaje de salida y, al mismo tiempo, mejoran la calidad de la forma de onda.
Los inversores multinivel proporcionan otro enfoque para la cancelación de armónicos. Los inversores multinivel proporcionan una forma de onda de salida que presenta múltiples pasos en varios niveles de voltaje. Por ejemplo, es posible producir una onda más sinusoidal al tener entradas de corriente continua de riel dividido en dos voltajes, o entradas positivas y negativas con una tierra central . Al conectar los terminales de salida del inversor en secuencia entre el riel positivo y tierra, el riel positivo y el riel negativo, el riel de tierra y el riel negativo, y luego ambos al riel de tierra, se genera una forma de onda escalonada en la salida del inversor. Este es un ejemplo de un inversor de tres niveles: los dos voltajes y tierra. [20]
Los inversores resonantes producen ondas sinusoidales con circuitos LC para eliminar los armónicos de una onda cuadrada simple. Normalmente hay varios circuitos LC resonantes en serie y en paralelo, cada uno sintonizado a un armónico diferente de la frecuencia de la línea eléctrica. Esto simplifica la electrónica, pero los inductores y condensadores tienden a ser grandes y pesados. Su alta eficiencia hace que este enfoque sea popular en grandes fuentes de alimentación ininterrumpida en centros de datos que hacen funcionar el inversor continuamente en modo "en línea" para evitar cualquier conmutación transitoria cuando se pierde la energía. (Ver relacionado: Inversor resonante )
Un enfoque estrechamente relacionado utiliza un transformador ferroresonante, también conocido como transformador de voltaje constante , para eliminar armónicos y almacenar suficiente energía para sostener la carga durante algunos ciclos de CA. Esta propiedad los hace útiles en fuentes de alimentación de reserva para eliminar el transitorio de conmutación que de otra manera ocurre durante una falla de energía mientras el inversor normalmente inactivo arranca y los relés mecánicos cambian a su salida.
Una propuesta sugerida en la revista Power Electronics utiliza dos voltajes como una mejora con respecto a la tecnología comercializada común, que solo puede aplicar voltaje del bus de CC en cualquier dirección o apagarlo. La propuesta añade tensiones intermedias al diseño común. Cada ciclo ve la siguiente secuencia de voltajes entregados: v1, v2, v1, 0, −v1, −v2, −v1, 0. [18]
Los inversores trifásicos se utilizan para aplicaciones de accionamiento de frecuencia variable y para aplicaciones de alta potencia, como la transmisión de energía HVDC . Un inversor trifásico básico consta de tres interruptores de inversor monofásicos, cada uno de ellos conectado a uno de los tres terminales de carga. Para el esquema de control más básico, la operación de los tres interruptores se coordina de modo que un interruptor opere en cada punto de 60 grados de la forma de onda de salida fundamental. Esto crea una forma de onda de salida línea a línea que tiene seis pasos. La forma de onda de seis pasos tiene un paso de voltaje cero entre las secciones positiva y negativa de la onda cuadrada, de modo que los armónicos que son múltiplos de tres se eliminan como se describe anteriormente. Cuando se aplican técnicas PWM basadas en portadora a formas de onda de seis pasos, la forma general básica, o envolvente , de la forma de onda se conserva de modo que se cancelan el tercer armónico y sus múltiplos.
Para construir inversores con potencias nominales más altas, se pueden conectar dos inversores trifásicos de seis pasos en paralelo para una corriente nominal más alta o en serie para una tensión nominal más alta. En cualquier caso, las formas de onda de salida están desfasadas para obtener una forma de onda de 12 pasos. Si se combinan inversores adicionales, se obtiene un inversor de 18 pasos con tres inversores, etc. Aunque los inversores generalmente se combinan con el fin de lograr mayores clasificaciones de voltaje o corriente, la calidad de la forma de onda también mejora.
En comparación con otros aparatos eléctricos domésticos, los inversores son de gran tamaño y volumen. En 2014, Google junto con IEEE iniciaron un concurso abierto llamado Little Box Challenge , con un premio en metálico de 1.000.000 de dólares, para construir un inversor de energía (mucho) más pequeño. [21]
Desde finales del siglo XIX hasta mediados del siglo XX, la conversión de energía de CC a CA se logró mediante convertidores rotativos o conjuntos motor-generador (conjuntos MG). A principios del siglo XX, los tubos de vacío y los tubos llenos de gas comenzaron a utilizarse como interruptores en circuitos inversores. El tipo de tubo más utilizado fue el tiratrón .
Los orígenes de los inversores electromecánicos explican el origen del término inversor . Los primeros convertidores de CA a CC utilizaban un motor de CA síncrono o de inducción conectado directamente a un generador (dinamo), de modo que el conmutador del generador invertía sus conexiones exactamente en los momentos correctos para producir CC. Un desarrollo posterior es el convertidor síncrono, en el que los devanados del motor y del generador se combinan en una armadura, con anillos colectores en un extremo y un conmutador en el otro y un solo marco de campo. El resultado con cualquiera de ellos es entrada de CA y salida de CC. Con un conjunto MG, se puede considerar que la CC se genera por separado de la CA; con un convertidor síncrono, en cierto sentido se puede considerar "CA rectificada mecánicamente". Con el equipo auxiliar y de control adecuado, un conjunto MG o un convertidor rotativo se pueden "hacer funcionar hacia atrás", convirtiendo CC en CA. Por tanto, un inversor es un convertidor invertido. [22]
Dado que los primeros transistores no estaban disponibles con suficientes voltajes y corrientes nominales para la mayoría de las aplicaciones de inversores, fue la introducción en 1957 del tiristor o rectificador controlado por silicio (SCR) lo que inició la transición a los circuitos inversores de estado sólido .
Los requisitos de conmutación de los SCR son una consideración clave en los diseños de circuitos SCR. Los SCR no se apagan ni conmutan automáticamente cuando se apaga la señal de control de la puerta. Solo se apagan cuando la corriente directa se reduce por debajo de la corriente de mantenimiento mínima, que varía con cada tipo de SCR, a través de algún proceso externo. Para los SCR conectados a una fuente de alimentación de CA, la conmutación ocurre naturalmente cada vez que se invierte la polaridad del voltaje de la fuente. Los SCR conectados a una fuente de alimentación de CC generalmente requieren un medio de conmutación forzada que fuerce la corriente a cero cuando se requiere la conmutación. Los circuitos SCR menos complicados emplean conmutación natural en lugar de conmutación forzada. Con la adición de circuitos de conmutación forzada, los SCR se han utilizado en los tipos de circuitos inversores descritos anteriormente.
En aplicaciones donde los inversores transfieren energía de una fuente de alimentación de CC a una fuente de alimentación de CA, es posible utilizar circuitos rectificadores controlados de CA a CC que funcionen en modo de inversión. En el modo de inversión, un circuito rectificador controlado funciona como un inversor de línea conmutada. Este tipo de operación se puede utilizar en sistemas de transmisión de energía HVDC y en operación de frenado regenerativo de sistemas de control de motores.
Otro tipo de circuito inversor SCR es el inversor de entrada de fuente de corriente (CSI). Un inversor CSI es el doble de un inversor de fuente de voltaje de seis pasos. Con un inversor de fuente de corriente, la fuente de alimentación de CC se configura como una fuente de corriente en lugar de una fuente de voltaje . Los SCR del inversor se conmutan en una secuencia de seis pasos para dirigir la corriente a una carga de CA trifásica como una forma de onda de corriente escalonada. Los métodos de conmutación del inversor CSI incluyen conmutación de carga y conmutación de condensadores en paralelo. En ambos métodos, la regulación de la corriente de entrada ayuda a la conmutación. Con conmutación de carga, la carga es un motor síncrono operado con un factor de potencia adelantado.
A medida que están disponibles en voltajes y corrientes más altos, los semiconductores como transistores o IGBT que pueden apagarse mediante señales de control se han convertido en los componentes de conmutación preferidos para su uso en circuitos inversores.
Los circuitos rectificadores a menudo se clasifican por la cantidad de pulsos de corriente que fluyen hacia el lado de CC del rectificador por ciclo de voltaje de entrada de CA. Un rectificador monofásico de media onda es un circuito de un pulso y un rectificador monofásico de onda completa es un circuito de dos pulsos. Un rectificador trifásico de media onda es un circuito de tres pulsos y un rectificador trifásico de onda completa es un circuito de seis pulsos. [23]
Con los rectificadores trifásicos, a veces se conectan dos o más rectificadores en serie o en paralelo para obtener tensiones o corrientes nominales más altas. Las entradas del rectificador se alimentan de transformadores especiales que proporcionan salidas desfasadas. Esto tiene el efecto de multiplicación de fases. De dos transformadores se obtienen seis fases, de tres transformadores doce fases, y así sucesivamente. Los circuitos rectificadores asociados son rectificadores de 12 pulsos, rectificadores de 18 pulsos, etc.
Cuando los circuitos rectificadores controlados funcionan en el modo de inversión, también se clasificarán por número de impulsos. Los circuitos rectificadores que tienen un número de pulsos más alto tienen un contenido armónico reducido en la corriente de entrada de CA y una ondulación reducida en el voltaje de salida de CC. En el modo de inversión, los circuitos que tienen un mayor número de pulsos tienen un menor contenido de armónicos en la forma de onda del voltaje de salida de CA.
Los grandes dispositivos de conmutación para aplicaciones de transmisión de energía instalados hasta 1970 utilizaban predominantemente válvulas de arco de mercurio . Los inversores modernos suelen ser de estado sólido (inversores estáticos). Un método de diseño moderno presenta componentes dispuestos en una configuración Hbridge. Este diseño también es bastante popular entre los dispositivos de consumo de menor escala. [24] [25]
