Inversor (electrnica)

La funcin de un inversor es cambiar un voltaje de entrada de corriente continua a un voltaje simtrico de salida de corriente alterna, con la magnitud y frecuencia deseada por el usuario o el diseador. Los inversores se utilizan en una gran variedad de aplicaciones, desde pequeas fuentes de alimentacin para computadoras, hasta aplicaciones industriales para controlar altapotencia. Los inversores tambin se utilizan para convertir la corriente continua generada por los paneles solares fotovoltaicos, acumuladores o bateras, etc, en corriente alterna y de esta manera poder ser inyectados en la red elctrica o usados en instalaciones elctricas aisladas.

Un inversor simple consta de unosciladorque controla a untransistor, el cual se utiliza para interrumpir la corriente entrante y generar unaonda cuadrada.Esta onda cuadrada alimenta a untransformadorque suaviza su forma, hacindola parecer un poco ms unaonda senoidaly produciendo elvoltajede salida necesario. Las formas de onda de salida del voltaje de un inversor ideal debera ser sinusoidal. Una buena tcnica para lograr esto es utilizar la tcnica dePWMlogrando que la componente principal senoidal sea mucho ms grande que las armnicas superiores.

Los inversores ms modernos han comenzado a utilizar formas ms avanzadas de transistores o dispositivos similares, como lostiristores, lostriac's o losIGBT's.

Los inversores ms eficientes utilizan varios artificios electrnicos para tratar de llegar a una onda que simule razonablemente a una onda senoidal en la entrada del transformador, en vez de depender de ste para suavizar la onda.

Se pueden clasificar en general en dos tipos: 1) inversores monofsicos y 2) inversores trifsicos.

Se pueden utilizarcondensadoreseinductorespara suavizar el flujo de corriente desde y hacia el transformador.

Adems, es posible producir una llamada "onda senoidal modificada", la cual se genera a partir de tres puntos: uno positivo, uno negativo y uno detierra. Una circuitera lgica se encarga de activar los transistores de manera que se alternen adecuadamente. Los inversores de onda senoidal modificada pueden causar que ciertas cargas, como motores, por ejemplo; operen de manera menos eficiente.

Los inversores ms avanzados utilizan lamodulacin por ancho de pulsoscon una frecuencia portadora mucho ms alta para aproximarse ms a la onda seno omodulaciones por vectores de espaciomejorando la distorsin armnica de salida. Tambin se puede predistorsionar la onda para mejorar elfactor de potencia(cos ).

Los inversores de alta potencia, en lugar de transistores utilizan un dispositivo de conmutacin llamadoIGBT(Insulated Gate Bipolar transistor Transistor Bipolar de Puerta Aislada).

Los convertidores de corriente directa CD a corriente alterna CA se

conocen como inversores. La funcin de un inversor es cambiar un voltaje de

entrada en corriente directa CD a un voltaje simtrico de salida en corriente

alterna CA con magnitud y frecuencia deseadas. Tanto el voltaje de entrada

como la frecuencia de salida pueden ser fijos o variables. Si se modifica el

voltaje de entrada de CD y la ganancia del inversor se mantiene constante, es

posible obtener un voltaje variable de salida. Por otra parte, si el voltaje de

entrada en CD es fijo y por lo tanto no es controlable, se puede obtener un

voltaje de salida variable s se vara la ganancia del inversor. Esto por lo

general se hace utilizando algn tipo de modulacin, como es la modulacin

por ancho de pulso PWM que permite controlar tanto la ganancia como la

frecuencia del inversor. La ganancia del inversor se puede definir como la

relacin entre el voltaje de salida CA y el voltaje de entrada CD.En los inversores, las formas de onda del voltaje de salida deberan ser

senoidales. Sin embargo, en los inversores reales no son senoidales y

contienen ciertas armnicas. Para aplicaciones de baja y mediana potencia, se

pueden aceptar los voltajes de onda cuadrada o casi cuadrada; para

aplicaciones de alta potencia, son necesarias las formas de onda de baja

distorsin. Dada la disponibilidad de los dispositivos semiconductores de

potencia de alta velocidad, es posible reducir significativamente el contenido

armnico del voltaje de salida mediante diversas tcnicas de conmutacin.

Los inversores pueden clasificarse bsicamente en dos tipos:

Inversores monofsicos.

Inversores trifsicos.

Cada tipo de inversor puede utilizar dispositivos de conmutacin con

activacin y desactivacin controlada como lo son los transistores bipolares

BJT, los transistores bipolares de compuerta aislada IGBT, los transistores de

efecto de campo de metal-oxido MOSFET, los tiristores, entre otros.

Estos inversores utilizan por lo general seales de control moduladas por

ancho de pulso PWM, para producir un voltaje de salida de corriente alterna. El

voltaje y la corriente de entrada del inversor pueden ser fijos o variables, y

puede ser obtenido del voltaje de lnea o de un generador de voltaje de

corriente alterna a travs de un rectificador y un filtro. Tambin, puede ser

obtenido de una batera, una celda de combustible, o de un arreglo de celdas

solares.

A un inversor se le llama Inversor de Fuente de Voltaje VSI, si el voltaje

de entrada se mantiene constante y la corriente es variable; o Inversor de

Fuente de Corriente CSI si la corriente de entrada se mantiene constante y el

voltaje variable.

Los inversores son ampliamente usados y algunas de sus aplicaciones pueden

ser las siguientes:

Controladores de motores de corriente alterna.

Fuentes de poder ininterrumpibles (UPS).

Fuentes de Corriente alterna.

Generadores o compensadores estticos de potencia reactiva.

Convertidor en puente de onda completa

El convertidor en puente de onda completa de la figura 4.1a es el circuito bsico que se utiliza para convertir continua en alterna. A partir de una entrada de continua se obtiene una salida de alterna cerrando y abriendo interruptores en una determinada secuencia. La tensin de salida VO puede ser +Vcc, - Vcc, o cero, dependiendo de qu interruptores estn cerrados. Las figuras 4.1b a la 4.1e muestran los circuitos equivalentes de las combinaciones de interruptores.

Tabla 4.1.- Combinaciones de los interruptores del inversor

Figura 4.1.- (a) Puente convertidor de onda completa. (b) S1 y S2 cerrados. (c) S3 y S4 cerrados. (d) S1 y S3 cerrados. (e) S2 y S4 cerrados [5].

Se puede observar que S1 y S4 no deben estar cerrados al mismo tiempo, as como S2 y S3. De lo contrario se producira un cortocircuito en fuente de entrada. Los interruptores reales no se abren y se cierran instantneamente.

Por tanto, debe tenerse en cuenta los tiempos de transicin de la conmutacin al disear el control de los interruptores. El tiempo permitido para la conmutacin se denomina tiempo muerto.

Inversor de onda cuadrada

El convertidor en puente de onda cuadrada es el esquema de conmutacin ms sencillo para conseguir un voltaje de salida en forma de onda cuadrada.

Los interruptores conectan la carga a + Vcc cuando S1 y S2 estn cerrados y a Vcc cuando S3 y S4 estn cerrados [5]. La conmutacin peridica del voltaje de la carga entre +Vcc y Vcc genera en la carga un voltaje con forma de onda cuadrada. Aunque esta salida alterna no es sinusoidal, puede ser una onda de alterna adecuada para algunas aplicaciones.

La forma de onda de la corriente en la carga depende de los componentes de la carga. En una carga resistiva, la forma de onda de corriente corresponde con la forma de voltaje de salida. El comportamiento del inversor de onda cuadrada se puede observar en la figura 4.1. En la figura 4.2 se observan las formas de onda de salida de este inversor.

Figura 4.2.- Formas de onda del inversor de onda cuadrada

La forma de onda del voltaje de la salida de los inversores ideales debera ser sinusoidal. Sin embargo, las de los inversores prcticos no son sinusoidales y contienen ciertas armnicas. Con la disponibilidad de los dispositivos semiconductores de potencia de alta velocidad, se pueden minimizar los contenidos armnicos del voltaje de salida, o al menos reducirlos en forma importante, mediante tcnicas de conmutacin.Inversor de medio puente

La configuracin ms simple de un inversor monofsico es el inversor de medio puente, figura 1.1.

Figura 1.1 Inversor de Medio Puente

El circuito consiste en un par de dispositivos de conmutacin Q1 y Q2 conectados en serie a travs de una fuente de voltaje de corriente directa Vs, y una carga conectada entre el punto a y el punto central 0 en la unin de los dos capacitores C1 y C2, los cuales dividen el voltaje de entrada Vs.

Los dispositivos Q1 y Q2 conmutan en forma alterna en un ngulo para generar el voltaje de salida.

Mediante la figura 1.1 se puede explicar el principio de funcionamiento del inversor de medio puente. Inicialmente, se activa el transistor Q1 durante un tiempo To/2, el voltaje instantneo a travs de la carga Vo ser Vs/2. Despus, el transistor Q2 es activado por lo tanto Q1 desactivado durante un tiempo To/2. El voltaje Vs/2 aparece en la carga.

En la figura 1.2 se pueden observar las formas de onda del voltaje y la corriente en los dispositivos de conmutacin de inversor de medio puente con carga resistiva. En realidad, una pequea brecha (Td) o banda muerta es conservada entre conmutaciones como se indica en la figura 1.2 para prevenir un corto circuito en la estructura.

Figura 1.2. Formas de onda de un inversor de medio puente con carga resistiva.

El voltaje rms de salida V0 se puede encontrar a partir de:

El voltaje instantneo de salida v0 puede expresarse en una serie de Fourier como:

Donde =2f0 es la frecuencia del voltaje de salida en radianes/segundo. Para

n=1, la ecuacin proporciona el valor rms de la componente fundamental como: