Cómo Funciona un Inversor de CC a CA.

En este artículo echamos un vistazo a cómo funciona un inversor para convertir la corriente continua (CC) en corriente alterna (CA). Los inversores se utilizan dentro de matrices fotovoltaicas para proporcionar alimentación de CA para su uso en hogares y edificios. También se integran en los variadores de frecuencia (VFD) para lograr un control preciso del sistema de servicios de estructuras HVAC al controlar la velocidad, el par y la dirección de rotación de los motores de inducción de CA acoplados a ventiladores, bombas y compresores.

Tradicionalmente, la generación de electricidad ha involucrado máquinas rotativas para producir tensión y corrientes sinusoidales alternas (sistemas de CA). Con el desarrollo de la electrónica de potencia durante las últimas décadas, los dispositivos semiconductores ahora se utilizan con frecuencia para convertir la corriente continua (CC) en corriente alterna (CA) para alimentar los sistemas de corriente alterna convencionales.

Los dispositivos utilizados para convertir corriente continua CC a corriente alterna CA se llaman inversores. Y aquí veremos cómo funciona un inversor. Se utilizan en numerosas aplicaciones, incluidos sistemas fotovoltaicos, sistemas de almacenamiento de batería, unidades de tracción, unidades de velocidad variable y otras. Si bien se dice que convierten CC a CA, esto es una simplificación y, como veremos luego, la salida de cualquier inversor está formada por voltajes pulsados de corriente continua.

También te puede interesar: funcionamiento de un giróscopo.

Índice De Contenidos

    ¿Qué es un Inversor?

    Vamos a empezar por lo básico. Probablemente ya sabes que hay dos tipos diferentes de energía eléctrica, la de corriente continua (CC), que es suministrada por baterías y paneles solares, etc. Este tipo de energía es utilizada principalmente por pequeños productos digitales en las placas de circuitos. La otra energía es la Corriente Alterna (CA) que se suministra desde las tomas de corriente de sus hogares y se usa generalmente para alimentar electrodomésticos más grandes. Ambos tipos de poder tienen sus usos y limitaciones, por lo que a menudo necesitamos convertirlos entre los dos para maximizar su uso.

    Inversor CC - AC
    Inversor CC - AC

    Usa un Osciloscopio y lo compruebas.

    Un inversor es un dispositivo que se utiliza para convertir la corriente continua (CC) en corriente alterna (CA). Por supuesto con sus limitaciones, pero la conversión se hace de una manera funcional. Si usas un osciloscopio para observar la señal de estos dos tipos de energía, verás que la corriente continua se encuentra en su voltaje máximo y continúa en línea recta. Esto se debe a que la corriente fluye directamente en una sola dirección, por lo que se llama corriente continua. Es un poco como un río o canal, siempre está en su punto más alto y fluye en una dirección.

    Si usas el mismo osciloscopio para observar la corriente alterna, verás un patrón de onda donde el voltaje alterna entre sus dos voltajes pico en la mitad positiva y la mitad negativa de su ciclo. Esto es porque la corriente viaja de ida y vuelta. Es un poco como la marea del océano, donde alcanza su marea alta máxima y la marea baja máxima y la corriente del agua cambia de dirección entre estos dos picos. Esta “marea” se llama onda sinusoidal, y se le da ese nombre por el gran parecido a la gráfica de la función Seno(x).

    Así que un inversor simplemente convierte la corriente de CC a CA y esto es un invento muy útil. También puede convertir de CA a CC usando un rectificador y es común encontrar ambos en algunos dispositivos.

    Aplicaciones de un Inversor.

    Una aplicación común y bastante simple de los inversores se encuentra dentro de las matrices fotovoltaicas, ya que generan energía de CC, pero los electrodomésticos de su hogar utilizarán la energía de CA, por lo que es necesario convertirla para poder utilizarla. También puedes comprar inversores portátiles para tu automóvil, que te permiten utilizar la batería del automóvil para alimentar pequeños electrodomésticos.

    Una forma un poco más compleja de utilizarlos es cuando se integran en las unidades de frecuencia variable (VFD), también conocidas como unidades de velocidad variable (VSD) para controlar la velocidad, el par y la dirección de los motores de CA para lograr un control muy preciso que también ahorra energía. Los encontrarás en ventiladores, bombas y compresores, y básicamente en cualquier equipo que gire. Se utilizan en todas las industrias y ampliamente dentro de los sistemas HVAC para propiedades industriales y comerciales.

    En esta aplicación, sabiendo Cómo Funciona un Inversor, este está acoplado con un rectificador y la energía de CA que ingresa se convierte a CC, luego de nuevo a CA, pero los controladores cambiarán la frecuencia del patrón de onda sinusoidal. Al manipular esto, el comportamiento de los motores se puede controlar con precisión y, por lo tanto, cuando se conecta a un ventilador, bomba o compresor, esto también se puede controlar con precisión.

    Tipos de Inversor.

    La conversión de un voltaje de CC a una onda sinusoidal no es un proceso sencillo. El enfoque general es cortar (pulsar) el voltaje de CC para que se parezca aproximadamente a una onda sinusoidal. Esta forma de onda se puede filtrar para acercarla a la de una onda sinusoidal. El nivel y el costo asociado al que se aplican estas técnicas determinan la calidad final de cualquier onda sinusoidal producida.

    Cuando se consideran los inversores, la calidad de su salida a menudo se clasifica en estas tres categorías generales:

    • Inversor de onda cuadrada.
    • De onda sinusoidal modificada.
    • Inversor de onda sinusoidal pura.
    Cómo Funciona un Inversor
    Formas de onda en inversores.

    Comparación de varios tipos de formas de onda.

    Un inversor de onda cuadrada es muy simple, con el suministro de corriente alterna entre positivo y negativo. Dependiendo de los circuitos, la onda cuadrada simple se puede adaptar para dar una onda sinusoidal modificada. Al utilizar la modulación de ancho de pulso y las técnicas de filtrado, la forma de onda se puede refinar hasta que se parezca mucho a la de una onda sinusoidal pura.

    No hay un corte exacto que defina una onda sinusoidal pura y varios fabricantes tendrán especificaciones diferentes. En general, se argumenta que cuando la distorsión armónica total de la forma de onda del voltaje es inferior al 3%, para todos los propósitos prácticos, esto puede considerarse como una verdadera onda sinusoidal.

    Muchos equipos funcionarán bien en inversores de onda sinusoidal modificados, incluidos motores, electrodomésticos y otros dispositivos. Algunos tipos de cargas pueden ser problemáticos y requieren un convertidor de onda sinusoidal pura. Un ejemplo bien conocido de las cargas que requieren una onda sinusoidal pura son los dispositivos que incluyen circuitos de temporización electrónicos con oscilador de cristal que se basan en un cruce de cero de la onda sinusoidal para el funcionamiento.

    Los inversores de onda sinusoidal pura son más complejos y cuestan más. Es mejor seleccionar el tipo de inversor para que coincida con la aplicación para la que se utilizará.

    Cómo Funciona un Inversor.

    Cómo Funciona un Inversor. Consideremos un circuito simplificado donde se utiliza una fuente de CC para alimentar una carga de CA. Para convertir la CC en CA hay 4 interruptores. Los interruptores se emparejan de manera que los interruptores 2 y 3 se abren cuando 1 y 4 se cierran y viceversa. Esto forzará la corriente a través de la carga en una dirección alterna, por lo tanto, la carga experimentará una corriente alterna aunque sea de una fuente de CC.

    Si los interruptores 2 y 3 se cierran y los interruptores 1 y 4 se abren, esto hará que la corriente fluya a través del lado derecho de la lámpara. Si los interruptores 1 y 4 se cierran y 2 y 3 se abren, esto obligará a que la corriente fluya a través del lado izquierdo de la lámpara. Así que puedes ver que hay una fuente de corriente directa pero la lámpara experimenta una corriente alterna. Esta disposición o configuración es conocida como circuito Puente H. Esta definición la veremos mas adelante.

    Sin embargo, la lámpara no verá esto como una onda sinusoidal, ya que el cambio repentino solo dará como resultado una onda cuadrada. Las esquinas afiladas de la onda cuadrada pueden dañar el equipo eléctrico, por lo que es necesario suavizarlas.

    El cambio también es demasiado rápido para que lo haga un ser humano, si consideras la electricidad que recibes en las tomas de corriente de tu hogar, esto se suministrará a 50 o 60 Hz dependiendo de dónde te encuentres en el mundo. Esto significa que la corriente necesita revertir la dirección 50 o 60 veces por segundo. Para lograr la velocidad de conmutación requerida, los ingenieros utilizan componentes electrónicos especiales como diodos, IGBT, MOSFET, etc.

    Inversor utilizando IGBT.

    Consideremos un ejemplo de potencia trifásica para un motor. Puedes ver que este circuito tiene una fuente de CC y una carga de CA y para convertir la Corriente Continua en Corriente Alterna, hay un montón de IGBT que están conectados a un controlador. Este controlador enviará una señal a cada IGBT indicándole cuándo se debe abrir y cerrar. Estos IGBT están emparejados juntos.

    Cuando se enciende el circuito, puedes ver que el controlador está cambiando pares de IGBT para permitir que la corriente pase a través de ellos durante un período de tiempo establecido de modo que el motor experimente una corriente alterna, en este ejemplo, la corriente alterna está en 3 fases.

    ¿Cómo se utilizan los inversores para controlar la velocidad del motor?

    Si echamos un vistazo más de cerca a los IGBT, veremos que realmente se abren y cierran de forma pulsante varias veces por ciclo. Esto se conoce como modulación de ancho de pulso. Lo que sucede es que el ciclo se ha dividido en varios segmentos más pequeños, y el controlador le dice al IGBT cuánto tiempo debe cerrarse durante cada segmento.

    Al abrir y cerrar los interruptores a intervalos de tiempo de variación durante cada segmento de cada ciclo, los IGBT pueden permitir que diferentes cantidades de corriente fluyan a través del circuito y hacia el motor. El resultado de esto es que la potencia promedio en cada segmento resultará en un patrón de onda sinusoidal. Cuantos más segmentos se dividen en el ciclo, más suave será la onda sinusoidal y más cerca imitará una onda sinusoidal de CA real.

    El motor verá el valor promedio y, por lo tanto, experimentará una corriente alterna de onda sinusoidal.

    Modulación de ancho de pulso.

    La mayoría de los inversores utilizan una técnica llamada Modulación de ancho de pulso (PWM) para activar y desactivar el voltaje de CC. El ancho de cada pulso varía, de modo que el efecto eléctrico general es similar al de una onda sinusoidal. Esta técnica se aplica a menudo cuando se accionan motores de corriente alterna.

    Debe entenderse que la salida de este tipo de inversor no es una onda sinusoidal pura. Es una serie de pulsos CC. Esto puede hacer que sea inadecuado para ciertos tipos de equipos. En los casos que se necesite mejorar la onda, se utilizan más niveles de voltaje de entrada de CC para crear una forma de onda de salida que se asemeja más a una onda sinusoidal. Los inversores de tipo multinivel son más complejos y costosos de producir.

    También hay que aclarar que si las formas de onda PWM no son sinusoidales, se generarán armónicos. Para los inversores multinivel, cuantos más niveles se empleen, más se aproximará la salida a una onda sinusoidal y el contenido de armónicos será menor. Los inversores emplean con frecuencia el uso de transformadores, condensadores e inductores para filtrar la forma de onda PWM y reducir el contenido de armónicos.

    El controlador puede cambiar la cantidad de tiempo que los IGBT están abiertos para aumentar o disminuir la frecuencia y la longitud de onda para controlar la velocidad, el par y la dirección de los motores, y con algunos lazos de control adicionales, se puede usar para igualar exactamente la carga requerida para proporcionar una precisión Control de un sistema y desbloqueo de ahorro energético.

    Circuito Puente H.

    En su forma más simple, un inversor consiste en lo que se conoce como una disposición de Puente H. Normalmente un circuito monofásico Puente H utiliza transistores bipolares de puerta aislada (IGBT). El funcionamiento del puente es sencillo. El IGBT actúa como un interruptor (cuando se aplica una señal a la puerta, se enciende y luego se apaga cuando se elimina la señal). Al cerrar Q1 y Q4, se aplica un suministro de CC positivo a la carga. Q2 y Q3 resultarán en un suministro de CC negativo a través de la carga. Los circuitos de control se utilizan para generar las señales de compuerta necesarias para producir la forma de onda PWM requerida.

    Para evitar cortocircuitos (por ejemplo, cerrar Q1 y Q2 al mismo tiempo), al cambiar la polaridad, es necesario apagar un juego de IGBT antes de encender el siguiente. Durante la transición, todo el IGBT está apagado. Los diodos proporcionan una ruta necesaria para la corriente inductiva con el fin de limitar la acumulación de voltaje potencial durante el período de transición. El condensador proporciona suavizado para igualar cualquier variación en el suministro de CC.

    Al utilizar seis IGBT, es posible utilizar la disposición del puente para suministrar cargas trifásicas. Los arreglos en Puente H, también se implementan comúnmente utilizando transistores de unión bipolar (BJT) o transistores de efecto de campo de semiconductores de óxido metálico (MOSFET).

    Puente H
    Puente H

    Diagrama de Bloques del Inversor.

    El diagrama de bloques ilustra los componentes clave de un inversor de CC a CA.

    • Arreglo de paneles fotovoltaicos: La entrada no tiene ondulación o perturbaciones de frecuencia en la alimentación de CC, para proporcionar un voltaje limpio al circuito del inversor.
    • Inversor: Este es el circuito de alimentación principal. Es aquí donde la CC se convierte en una forma de onda PWM multinivel.
    • Carga y Utilidades eléctricas: La Salida del inversor es hacia las cargas y utilidades. Aquí ya la CC tiene características sinusoidales.
    Diagrama de bloques del inversor
    Diagrama de bloques del inversor

    Conclusión.

    Los inversores son dispositivos complejos, pero pueden convertir CC a CA para el uso general de la fuente de alimentación. Con los avances en electrónica de potencia y microprocesadores, la aplicación de inversores en muchos campos está aumentando. En general, los inversores nos permiten aprovechar la simplicidad de los sistemas de CC y utilizar equipos diseñados para que funcionen en un entorno de CA convencional. Esperamos te haya servido nuestra información y ya tengas una idea de cómo funciona un inversor .

    Deja una respuesta

    Tu dirección de correo electrónico no será publicada. Los campos obligatorios están marcados con *

    Subir