Un inversor de potencia , un inversor o un dispositivo o circuito electrónico de potencia que convierte la corriente continua (CC) en corriente alterna (CA). [1] La frecuencia de CA resultante que se obtiene depende del dispositivo particular empleado. Los inversores hacen lo opuesto a los rectificadores , que originalmente eran grandes dispositivos electromecánicos que convertían la CA en CC. [2]
El voltaje de entrada , el voltaje y la frecuencia de salida, y la potencia total que se puede manejar dependen del diseño del dispositivo o circuito específico. El inversor no produce ninguna potencia; la potencia la proporciona la fuente de CC.
Un inversor de potencia puede ser completamente electrónico o una combinación de efectos mecánicos (como un aparato rotatorio) 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 hay corrientes y voltajes altos; los circuitos que realizan la misma función para señales electrónicas, que generalmente tienen corrientes y voltajes muy bajos, se denominan osciladores . Los circuitos que realizan la función opuesta, convirtiendo CA en CC, se denominan rectificadores.
Un dispositivo o circuito inversor de potencia típico requiere una fuente de alimentación de CC estable capaz de suministrar suficiente corriente para las demandas de potencia previstas del sistema. El voltaje de entrada depende del diseño y el propósito del inversor. Algunos 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 u ondas cuasi-cuadradas. Una medida de la pureza de una onda sinusoidal es la distorsión armónica total (THD). [4] Los estándares técnicos para las redes de distribución de energía comercial requieren 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 los sistemas que se conectan a una red eléctrica.
Existen dos diseños básicos para producir voltaje de enchufe doméstico a partir de una fuente de CC de voltaje más bajo. El primero de ellos utiliza un convertidor elevador de conmutación para producir una CC de voltaje más alto y luego la convierte en CA. El segundo método convierte la CC en CA a nivel de batería y utiliza un transformador de frecuencia de línea para crear el voltaje de salida. [5]
Una onda cuadrada con un ciclo de trabajo del 50 % es una de las formas de onda más simples que puede producir un diseño de inversor, pero agrega aproximadamente un 48,3 % de distorsión armónica total (THD) a su onda sinusoidal fundamental . [4] Por lo tanto, una salida de onda cuadrada puede producir ruidos de "zumbido" no deseados cuando se conecta a un equipo de audio y es más adecuada para aplicaciones de baja sensibilidad, como iluminación y calefacción.
Un dispositivo inversor de potencia que produce una forma de onda de CA sinusoidal de varios 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 (tres pasos), los fabricantes suelen utilizar la frase inversor de onda sinusoidal pura . Casi todos los inversores de grado de consumidor que se venden como "inversores de onda sinusoidal pura" no producen una salida de onda sinusoidal suave en absoluto, [ cita requerida ] solo una salida menos entrecortada que los inversores de onda cuadrada (dos pasos) y de onda sinusoidal modificada (tres pasos). Sin embargo, esto no es crítico para la mayoría de los dispositivos electrónicos, ya que manejan la salida bastante bien.
Cuando los dispositivos inversores de potencia sustituyen a la alimentación de la red eléctrica estándar, es conveniente 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 empresa de servicios públicos eléctrica estándar proporciona una onda sinusoidal, normalmente con pequeñas imperfecciones, 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 de onda cuadrada (un paso) con la misma capacidad de manejo de potencia. Los dispositivos de suministro de energía en modo conmutado (SMPS), como las computadoras personales o los reproductores de DVD, funcionan con energía de onda sinusoidal modificada. Los motores de CA que funcionan directamente con energía no sinusoidal pueden producir calor adicional, pueden tener diferentes características de velocidad-par o pueden producir un ruido más audible que cuando funcionan con energía sinusoidal.
La onda sinusoidal modificada es la suma de dos ondas cuadradas , una de las cuales tiene un retraso de un cuarto del período con respecto a 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 una onda cuadrada simple. La mayoría de los inversores de energía 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 pico durante la mitad del tiempo del ciclo, la relación entre el voltaje pico y el 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. La distorsión armónica total más baja para una onda sinusoidal modificada de tres pasos es del 30% cuando los pulsos tienen un ancho de 130 grados de cada ciclo eléctrico. Esto es ligeramente inferior al 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 por ancho de pulso (PWM). Los pulsos de compuerta generados se dan 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 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 sobre 130 grados de la forma de onda, pero el voltaje resultante todavía tendrá alrededor de un 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 de corriente introduce un calentamiento adicional y puede producir pares pulsantes. [8]
Numerosos equipos eléctricos funcionarán bastante bien con dispositivos inversores de potencia de onda sinusoidal modificada, especialmente cargas que son de naturaleza resistiva, como las bombillas incandescentes tradicionales. Los equipos con una fuente de alimentación conmutada funcionan casi sin problemas, pero si el equipo tiene un transformador de red, este puede sobrecalentarse dependiendo de su capacidad nominal.
Sin embargo, la carga puede funcionar de manera menos eficiente debido a los armónicos asociados con una onda sinusoidal modificada y producir un zumbido durante el funcionamiento. 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 funcionan con inversores MSW con una reducción de eficiencia de aproximadamente el 20 % debido al contenido armónico. Sin embargo, pueden ser bastante ruidosos. Un filtro LC en serie ajustado a la frecuencia fundamental puede resultar de ayuda. [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). Esta señal pasa luego por transformadores elevadores (generalmente se colocan muchos transformadores más pequeños en paralelo para reducir el tamaño general del inversor) para producir una señal de mayor voltaje. La salida de los transformadores elevadores luego se filtra mediante condensadores para producir una fuente de CC de alto voltaje. Finalmente, esta fuente de CC se pulsa con MOSFET de potencia adicionales por el microcontrolador para producir la señal de onda sinusoidal modificada final.
Los inversores más complejos utilizan más de dos voltajes para formar una aproximación de varios pasos a una onda sinusoidal. Estos pueden reducir aún más los armónicos de voltaje y corriente y la distorsión armónica total (THD) en comparación con un inversor que utiliza solo pulsos positivos y negativos alternados; pero estos inversores requieren componentes de conmutación adicionales, lo que aumenta el costo.
Algunos inversores utilizan PWM para crear una forma de onda que se puede filtrar con un filtro de paso bajo para recrear la onda sinusoidal. Estos solo requieren una fuente de alimentación de CC, como los diseños MSN, pero la conmutación se produce a una velocidad mucho más rápida, normalmente de muchos kHz, de modo que se puede suavizar el ancho variable de los pulsos para crear la onda sinusoidal. Si se utiliza un microprocesador para generar la sincronización de conmutación, se puede controlar de cerca el contenido armónico y la eficiencia.
La frecuencia de salida de CA de un dispositivo inversor de potencia suele ser la misma que la frecuencia de la red eléctrica estándar, 50 o 60 hercios . La excepción se da en los diseños para el accionamiento de motores, donde una frecuencia variable da como resultado un control de velocidad variable.
Además, si se debe acondicionar aún más la salida del dispositivo o circuito (por ejemplo, aumentarla), la frecuencia puede ser mucho mayor para lograr una buena eficiencia del transformador.
El voltaje de salida de CA de un inversor de potencia suele estar regulado para que sea el mismo que el voltaje de la red eléctrica, normalmente 120 o 240 V CA 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 la alimentación de la red eléctrica estándar.
Algunos inversores también permiten voltajes de salida seleccionables o continuamente variables.
Un inversor de potencia suele tener una potencia nominal general expresada en vatios o kilovatios. Esto describe la potencia que estará disponible para el dispositivo que el inversor está impulsando e, indirectamente, la potencia que se necesitará de la fuente de CC. Los dispositivos comerciales y de consumo más pequeños diseñados para imitar la potencia de la red suelen tener una potencia de entre 150 y 3000 vatios.
No todas las aplicaciones de inversores se ocupan únicamente o principalmente del suministro de energía; en algunos casos, las propiedades de frecuencia o forma de onda son utilizadas por el circuito o dispositivo siguiente.
El tiempo de funcionamiento de un inversor alimentado por baterías depende de la potencia 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 funcionamiento disminuirá. Para prolongar el tiempo de funcionamiento 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, hay dos opciones básicas para la instalación:
Un inversor convierte la electricidad de corriente continua (CC) procedente de fuentes como baterías o pilas de combustible en electricidad de corriente alterna (CA). La electricidad puede tener cualquier voltaje requerido; en particular, puede hacer funcionar equipos de CA diseñados para funcionar conectados a la red eléctrica o rectificarse para producir CC a cualquier voltaje deseado.
Un sistema de alimentación ininterrumpida (SAI) utiliza baterías y un inversor para suministrar corriente alterna cuando no hay suministro eléctrico. Cuando se restablece el suministro eléctrico, un rectificador suministra corriente continua para recargar las baterías.
Los circuitos inversores diseñados para producir un rango de voltaje de salida variable se utilizan a menudo dentro de los controladores de velocidad del motor. La energía de CC para la sección del inversor puede derivarse de una toma de corriente de pared de CA normal o 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 funciona bajo su carga mecánica. Las necesidades de control de velocidad del motor son numerosas e incluyen cosas como: equipos accionados 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 positivos, negativos y cero según los patrones dados en la Tabla 1 de conmutación. Los pulsos de compuerta generados se dan a cada interruptor de acuerdo con el patrón desarrollado y, por lo tanto, se obtiene la salida.
Un inversor se puede utilizar para controlar la velocidad del motor del compresor para impulsar el flujo variable de refrigerante en un sistema de refrigeración o aire acondicionado para regular el rendimiento del sistema. Estas instalaciones se conocen como compresores inversores . Los métodos tradicionales de regulación de la refrigeración utilizan compresores de una sola velocidad que se encienden y apagan periódicamente; los sistemas equipados con inversores tienen un variador de frecuencia que controla la velocidad del motor y, por lo tanto, el compresor y la salida de refrigeración. La CA de frecuencia variable del inversor impulsa un motor sin escobillas o de inducción , cuya velocidad es proporcional a la frecuencia de la CA que se alimenta, por lo que el compresor puede funcionar a velocidades variables; la eliminación de los ciclos de parada y arranque del compresor aumenta la eficiencia. Un microcontrolador generalmente 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 agregan costo al equipo, pero pueden resultar en ahorros sustanciales en los costos operativos. [12] Los primeros acondicionadores de aire inversores fueron lanzados por Toshiba en 1981, en Japón. [13]
Los inversores conectados a la red están diseñados para suministrar energía al sistema de distribución de energía eléctrica. [14] Transfieren energía de manera sincrónica con la línea y tienen el menor contenido armónico posible. También necesitan un medio para detectar la presencia de energía de la red por razones de seguridad, para no seguir suministrando energía de manera peligrosa a la red durante un corte de energía.
Los sincronconvertidores son inversores diseñados para simular un generador rotatorio y se pueden utilizar 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 dar a los generadores convencionales la oportunidad de responder a cambios muy repentinos en la demanda o la producción.
Se utilizan inversores grandes, 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 en sistemas conectados a la red como en sistemas independientes (autónomos). 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 el efecto isla .
Los microinversores solares se diferencian de los inversores convencionales en que se conecta un microinversor individual a cada panel solar. Esto puede mejorar la eficiencia general del sistema. La salida de varios microinversores se combina y, a menudo, se alimenta a la red eléctrica .
En otras aplicaciones, un inversor convencional se puede combinar con un banco de baterías mantenido por un controlador de carga solar. Esta combinación de componentes se conoce a menudo como generador solar. [15]
Los inversores solares también se utilizan en sistemas fotovoltaicos de naves espaciales .
Los inversores convierten la corriente alterna principal de baja frecuencia en una corriente de mayor frecuencia para su uso en el calentamiento por inducción . Para ello, primero se rectifica la corriente alterna para proporcionar corriente continua. A continuación, el inversor cambia la corriente continua a corriente alterna de alta frecuencia. Debido a la reducción de la cantidad de fuentes de corriente continua empleadas, la estructura se vuelve más fiable y el voltaje de salida tiene una resolución mayor debido a un aumento en la cantidad 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 corriente alterna y de accionamiento de velocidad ajustable. Este nuevo inversor puede evitar diodos de sujeción adicionales o condensadores de equilibrio de voltaje.
Existen tres tipos de técnicas de modulación por 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 de recepción, un inversor en una estación de conversión HVDC convierte la energía nuevamente en CA. El inversor debe estar sincronizado con la frecuencia y la fase de la red y minimizar la generación de armónicos.
Las armas de electrochoque y las pistolas Taser tienen un inversor de 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 en 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 por medio de un entrehierro o TRIAC), el condensador descarga toda su carga en un transformador de pulsos que luego la eleva hasta su voltaje de salida final de 20-60 kV. Una variante del principio también se utiliza en los flashes electrónicos y los matamoscas , aunque dependen de un multiplicador de voltaje basado en un condensador para lograr su alto voltaje.
Las aplicaciones típicas de los inversores de potencia incluyen:
En un circuito inversor simple, la corriente continua se conecta a un transformador a través de la toma central del devanado primario. Un interruptor de relé se conmuta rápidamente de un lado a otro para permitir que la corriente fluya de regreso a la fuente de corriente continua 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 fijos y un contacto móvil soportado por resorte. El resorte mantiene el contacto móvil contra uno de los contactos fijos y un electroimán tira del contacto móvil hacia el contacto fijo opuesto. La corriente en el electroimán se interrumpe por la acción del interruptor, de modo que el interruptor cambia continuamente de un lado a otro rápidamente. Este tipo de interruptor inversor electromecánico, llamado vibrador o zumbador, se utilizó en radios de automóviles con tubos de vacío . Un mecanismo similar se ha utilizado en timbres, zumbadores y máquinas de tatuajes .
A medida que se fueron incorporando transistores y otros tipos de interruptores semiconductores con potencias nominales adecuadas, se fueron incorporando a los diseños de circuitos inversores. En ciertas potencias nominales, especialmente para sistemas grandes (de muchos kilovatios), se utilizan tiristores (SCR). Los SCR proporcionan una gran capacidad de manejo de potencia en un dispositivo semiconductor y se pueden controlar fácilmente en un rango de activación variable.
El interruptor del 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 en oposición a la forma de onda sinusoidal que es la forma de onda habitual de una fuente de alimentación de CA. Mediante 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 denomina componente fundamental. Las otras ondas sinusoidales, llamadas armónicos , que se incluyen en la serie tienen frecuencias que son múltiplos enteros 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 los voltajes armónicos dividida por el voltaje fundamental:
Existen 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 según la forma en que se pretenda utilizar el inversor. Por ejemplo, un motor eléctrico de un automóvil en movimiento puede convertirse en una fuente de energía y puede, con la topología de inversor adecuada (puente H completo), cargar la batería del automóvil al desacelerar o frenar. De manera similar, la topología adecuada (puente H completo) puede invertir los roles de "fuente" y "carga", es decir, si, por ejemplo, el voltaje es más alto en el lado de la "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 la batería.
Basándose en la topología básica del puente H , existen dos estrategias de control fundamentales diferentes denominadas convertidor de puente de frecuencia variable básico 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 caso del convertidor de puente de frecuencia variable básico, los interruptores pueden funcionar a la misma frecuencia que la corriente alterna de la red eléctrica. Sin embargo, es la velocidad a la que se abren y se cierran los interruptores la que determina la frecuencia de la corriente alterna. Cuando S1 y S4 están encendidos y los otros dos 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 la corriente alterna. 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 desfasadas entre sí.
Otro método que se puede utilizar es el PWM. A diferencia del convertidor de 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 frecuencia baja. Los otros dos conmutarían mucho más rápido (normalmente 100 kHz) para crear voltajes cuadrados de la misma magnitud pero con una duración de tiempo diferente, lo que se comporta como un voltaje con magnitud cambiante en una escala de tiempo mayor.
Estas dos estrategias crean armónicos diferentes. Para la primera, a través del análisis de Fourier, la magnitud de los armónicos sería 4/(pi*k) (k es el orden de los armónicos). Por lo tanto, la mayoría 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 conmutación rápida. Sus diferentes características de armónicos conducen a diferentes requisitos de eliminación de armónicos y THD. De manera similar a "THD", el concepto de "calidad de forma de onda" representa el nivel de distorsión causado por los armónicos. La calidad de forma de onda de 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. Los filtros de paso bajo se aplican para permitir que el componente fundamental de la forma de onda pase a la salida mientras se limita 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 estar sintonizado a una frecuencia que esté por encima de la frecuencia fundamental máxima.
Dado que la mayoría de las cargas contienen inductancia, los rectificadores de retroalimentación o los diodos antiparalelos suelen estar conectados a través de cada interruptor semiconductor para proporcionar una ruta para la corriente de carga inductiva máxima cuando se apaga el interruptor. Los diodos antiparalelos son algo similares a los diodos de rueda libre que se utilizan en los circuitos convertidores de CA/CC.
El análisis de Fourier revela que una forma de onda, como una onda cuadrada, que es antisimétrica respecto del punto de 180 grados contiene solamente armónicos impares, el 3.º, 5.º, 7.º, etc. Las formas de onda que tienen pasos de ciertos anchos y alturas pueden atenuar ciertos armónicos inferiores a expensas de amplificar los armónicos superiores. 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 solamente el 5.º, 7.º, 11.º, 13.º, etc. El ancho requerido de los pasos es un tercio del período para cada uno de los pasos positivos y negativos y una sexta parte del período para cada uno de los pasos de voltaje cero. [19]
El cambio de la onda cuadrada como se describió 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 un 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 armónicos seleccionados. Las técnicas de eliminación de armónicos se aplican generalmente a los armónicos más bajos porque el filtrado es mucho más práctico a altas frecuencias, donde los componentes del filtro pueden ser mucho más pequeños y menos costosos. Los esquemas de control PWM basados en portadora o ancho de pulso múltiple producen formas de onda que se componen de muchos pulsos estrechos. La frecuencia representada por el número de pulsos estrechos por segundo se denomina frecuencia de conmutación o frecuencia portadora . Estos esquemas de control se utilizan a menudo en inversores de control de motor de frecuencia variable porque permiten un amplio rango de ajuste de frecuencia y voltaje de salida al mismo tiempo que 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, 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 con 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 sistemas de alimentación ininterrumpida en centros de datos que hacen funcionar el inversor continuamente en un modo "en línea" para evitar cualquier transitorio de conmutación cuando se corta la energía. (Ver relacionado: Inversor resonante )
Un método estrechamente relacionado utiliza un transformador ferroresonante, también conocido como transformador de voltaje constante , para eliminar los armónicos y almacenar suficiente energía para sostener la carga durante unos pocos ciclos de CA. Esta propiedad los hace útiles en las fuentes de alimentación de reserva para eliminar el transitorio de conmutación que de otro modo ocurre durante un corte de energía mientras el inversor normalmente inactivo se pone en marcha 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 de bus de CC en cualquier dirección o apagarlo. La propuesta agrega voltajes intermedios 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 inversores monofásicos, cada uno conectado a uno de los tres terminales de carga. Para el esquema de control más básico, el funcionamiento de los tres interruptores se coordina de modo que un interruptor funciona en cada punto de 60 grados de la forma de onda de salida fundamental. Esto crea una forma de onda de salida de 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 describió anteriormente. Cuando se aplican técnicas de PWM basadas en portadora a formas de onda de seis pasos, se conserva la forma general básica, o envolvente , de la forma de onda, de modo que se cancelan el tercer armónico y sus múltiplos.
Para construir inversores con mayores potencias nominales, se pueden conectar dos inversores trifásicos de seis pasos en paralelo para una mayor corriente nominal o en serie para una mayor tensión nominal. En ambos casos, las formas de onda de salida se desplazan en fase 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 suelen combinarse con el fin de lograr mayores tensiones o corrientes nominales, también se mejora la calidad de la forma de onda.
En comparación con otros aparatos eléctricos domésticos, los inversores son de gran tamaño y volumen. En 2014, Google , junto con el IEEE, inició un concurso abierto llamado Little Box Challenge , con un premio en metálico de 1.000.000 de dólares, para construir un inversor de potencia (mucho) más pequeño. [21]
Desde finales del siglo XIX hasta mediados del siglo XX, la conversión de corriente continua a corriente alterna se realizaba mediante convertidores rotativos o grupos electrógenos. A principios del siglo XX, se empezaron a utilizar tubos de vacío y tubos llenos de gas como interruptores en circuitos inversores. El tipo de tubo más utilizado era 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 invirtiera sus conexiones exactamente en los momentos adecuados 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 solo un marco de campo. El resultado con cualquiera de los dos es CA de entrada, CC de salida. Con un conjunto MG, la CC se puede considerar como generada por separado de la CA; con un convertidor síncrono, en cierto sentido se puede considerar como "CA rectificada mecánicamente". Si se cuenta con el equipo auxiliar y de control adecuado, un conjunto MG o un convertidor rotatorio se puede "hacer funcionar al revés", convirtiendo CC en CA. Por lo 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 compuerta. Solo se apagan cuando la corriente directa se reduce por debajo de la corriente mínima de mantenimiento, 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 se produce de forma natural cada vez que se invierte la polaridad del voltaje de la fuente. Los SCR conectados a una fuente de alimentación de CC suelen requerir un medio de conmutación forzada que fuerza la corriente a cero cuando se requiere la conmutación. Los circuitos SCR menos complicados emplean conmutación natural en lugar de conmutación forzada. Con la incorporación de circuitos de conmutación forzada, los SCR se han utilizado en los tipos de circuitos inversores descritos anteriormente.
En aplicaciones en las que 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 funcionan en modo de inversión. En el modo de inversión, un circuito rectificador controlado funciona como un inversor conmutado por línea. Este tipo de operación se puede utilizar en sistemas de transmisión de energía de alta tensión continua (HVDC) y en la 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 la conmutación de carga y la conmutación de capacitores en paralelo. Con ambos métodos, la regulación de la corriente de entrada asiste en la conmutación. Con la conmutación de carga, la carga es un motor síncrono operado con un factor de potencia adelantado.
A medida que se han vuelto disponibles en voltajes y corrientes más altos, los semiconductores como transistores o IGBT que se pueden apagar por medio de señales de control se han convertido en los componentes de conmutación preferidos para usar en circuitos inversores.
Los circuitos rectificadores suelen clasificarse 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 de media onda monofásico es un circuito de un pulso y un rectificador de onda completa monofásico es un circuito de dos pulsos. Un rectificador de media onda trifásico es un circuito de tres pulsos y un rectificador de onda completa trifásico es un circuito de seis pulsos. [23]
En el caso de los rectificadores trifásicos, a veces se conectan dos o más rectificadores en serie o en paralelo para obtener valores nominales de tensión o corriente más altos. Las entradas de los rectificadores se alimentan desde transformadores especiales que proporcionan salidas con desplazamiento de fase. Esto tiene el efecto de multiplicación de fases. Se obtienen seis fases de dos transformadores, doce fases de tres transformadores, y así sucesivamente. Los circuitos rectificadores asociados son rectificadores de 12 pulsos, rectificadores de 18 pulsos, etc.
Cuando los circuitos rectificadores controlados funcionan en modo de inversión, también se clasifican por número de pulsos. 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 número de pulsos más alto tienen un contenido armónico menor 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 de puente H. Este diseño también es bastante popular en dispositivos de consumo de menor escala. [24] [25]
