Tipos de inversores y el principio de funcionamiento | Operación de inversor de onda sinusoidal, onda cuadrada, onda sinusoidal modificada

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Recuerde que la función del inversor es convertir la corriente continua en corriente alterna. La mayoría de nuestras necesidades de electricidad son de corriente alterna compatible con los servicios públicos. El UPS en la mayoría de los sistemas está conectado directamente a la fuente de energía oa baterías de almacenamiento de respaldo si se usan.

A inversor de respaldo de batería es el que incluye un controlador de carga integrado. Si bien la mayoría de los inversores están destinados a sistemas y aplicaciones más pequeños, los más grandes se utilizan en operaciones industriales y comerciales, así como en parques solares a gran escala y algunas turbinas eólicas.

Principio de funcionamiento del inversor.

Un inversor toma el voltaje de salida de CC del sistema de energía renovable o de la batería de respaldo y lo convierte en CA.

En los sistemas de usuario a pequeña escala, la salida suele ser un voltaje de servicio estándar (120 V o 240 VCA en América del Norte) y puede ser un voltaje de salida monofásico o trifásico, según el sistema.

Estos inversores suelen estar diseñados para menos de 100 kW. La Figura 1a muestra algunos inversores más pequeños utilizados en sistemas residenciales y comerciales más pequeños.

Los microinversores están diseñados para producir energía CA solo desde un único panel solar e incluso pueden integrarse en el panel como un módulo integrado.

Muchos sistemas hoy en día están diseñados en torno a microinversores, especialmente cuando se trata de sombra parcial.

Los microinversores permiten monitorear cada panel por separado para ver el rendimiento del sistema e identificar cualquier problema.

Figura 1a Unidades inversoras

Algunos inversores grandes industriales y comerciales tienen una potencia nominal de 500 kW, y algunos inversores a escala de servicios públicos tienen una potencia nominal de más de 500 kW. En estos casos, el inversor puede tener una salida de varios cientos de voltios.

En muchos sistemas más nuevos, el voltaje de la red es de 1000 V CC. Estos sistemas de alta tensión reducen los costos de cableado y el número de conexiones, por lo que el costo de capital es menor y las pérdidas en los cables son menores durante la operación debido a la menor corriente.

Sistema inversor modular

Método para convertir la corriente continua de los paneles solares a corriente alterna en un amplio rango usándolo como enfoque modular en el que varios inversores de alto voltaje están sincronizados entre sí por un controlador maestro.

Una ventaja de este método es que se pueden agregar inversores a medida que aumenta la energía a la mitad del día y luego se desconectan cuando se acerca el sol. Por lo tanto, solo los inversores necesarios consumen energía. Esto hace que el proceso de conversión sea más eficiente y reduce el tiempo de funcionamiento de cada inversor para prolongar su vida útil.

También permite desconectar parte del sistema para mantenimiento o en caso de problema sin desconectar todo el sistema.

Figura 1b muestra inversores de 150 kW en un gran sistema de 4,5 megavatios controlado por un controlador maestro para seleccionar inversores en función de la potencia disponible. Este sistema en particular tiene voltajes de cadena (serie) de hasta 1000VCC.

Inversores modulares conectados a red

Figura 1b Unidades inversoras

Básicamente, un inversor enciende y apaga la salida de CC de la fuente de alimentación y procesa el resultado para crear una salida de CA.

La forma en que se realiza la conmutación y el procesamiento es diferente para los diferentes tipos de inversores, pero para la conmutación se utilizan transistores dipolo de puerta aislada (IGBT) o transistores de efecto de campo de óxido metálico (MOSFET).

Estos transistores son capaces de desarrollar nuevos inversores de potencia que son mucho más eficientes (algunos son más del 97%) que los antiguos inversores analógicos de conmutación.

Hay tres tipos básicos de inversores en términos de tipo de salida: onda sinusoidal, onda cuadrada y onda sinusoidal modificada, como se muestra en la Figura 2.

La amplitud de la onda sinusoidal y cuadrada modulada se puede diseñar para que tenga el mismo valor rms que la onda sinusoidal, de modo que las tres formas de onda puedan entregar la misma potencia a una carga.

Los inversores también están disponibles en versiones de red y sin red.

Inversores conectados a la red

Los inversores conectados a la red ofrecen la opción de usar energía de la red eléctrica o suministrar energía a la red. Los inversores de red procesan la forma de onda de conmutación y producen una salida de onda sinusoidal de baja distorsión compatible con la onda sinusoidal de la empresa de servicios públicos.

Lee:  Principio de funcionamiento del controlador de carga MPPT (Maximum Power Point Tracking).

Los inversores conectados a la red no deben producir una sola onda sinusoidal dentro de los límites aceptables; también deben estar sincronizados con la red e incluir interruptores de desconexión automática como requisito de seguridad para los trabajadores de servicios públicos en caso de falla de la red. Estos inversores utilizan circuitos de conmutación, incluida la modulación de ancho de pulso, para convertir la corriente continua en corriente alterna.

Tres tipos de formas de onda del inversor

Figura 2 Tres tipos de formas de onda del inversor

Además de estas características, la mayoría de los inversores incorporan lecturas de voltaje y nivel de potencia y puertos de comunicación para informar las características de rendimiento del sistema a un controlador o computadora.

tambiénalgunos inversores están conectados a Internet y pueden proporcionar información de rendimiento y herramientas de diagnóstico al usuario remoto e incluso pueden enviar un correo electrónico en caso de error del sistema.

Inversores aislados

Los inversores fuera de la red pueden tener una onda no sinusoidal o pueden tener una salida de onda sinusoidal. Generalmente se limitan a suministrar energía a cierto tipo de cargas y no son compatibles con la compañía eléctrica.

El inversor de onda cuadrada es el más simple y económico, pero hoy en día rara vez se usa. A inconveniencia Los inversores de onda cuadrada y de onda sinusoidal modificada producen ruido eléctrico (interferencia) que puede ser problemático para los equipos electrónicos.

el es contenido armónico de una onda cuadrada incluye un sineton fundamental en la frecuencia de la onda cuadrada y una serie de armónicos impares.

En general, armónico son las frecuencias en una forma de onda compuesta, que son múltiplos enteros de la frecuencia de repetición (fundamental).

La fundamental tiene la misma frecuencia que la onda cuadrada y cada armónico impar es un múltiplo impar de la frecuencia fundamental. La figura 3 muestra una frecuencia fundamental y dos armónicos impares que forman una onda cuadrada. (Hay más armónicos impares que no se muestran).

Los inversores de onda sinusoidal disponibles suelen tener menos del 3% de distorsión armónica, lo que significa que la potencia armónica se reduce significativamente.

Contenido armónico de una onda cuadrada

imagen 3 Contenido armónico de una onda cuadrada

Operación del inversor de onda cuadrada

Se utiliza un circuito de conmutación para convertir el voltaje de CC en un voltaje de onda cuadrada (o bipolar) de CA. Un método es usar el puente inversor (llamado puente H), que se muestra en la Figura 4.

Los símbolos de interruptor se utilizan para representar transistores de conmutación (IGBT o MOSFET) u otros tipos de dispositivos de conmutación electrónicos. En la Figura 4a, los interruptores S2 y S3 están encendidos durante un período específico y S1 y S4 están desactivados.

Para producir una onda cuadrada de 60 Hz, cada par de interruptores se enciende durante la mitad del período, o 8,33 ms.

Como puede ver, la corriente continua fluye a través de la carga creando un voltaje de salida positivo. En la Figura 4b, los otros interruptores están encendidos y apagados. La corriente está en la dirección opuesta a través de la carga y el voltaje de salida es negativo. Un ciclo completo de encendido/apagado de los interruptores produce una onda cuadrada alterna.

Los transistores son conmutados por un circuito de control. tiempos, que no se muestran por simplicidad. La distorsión armónica en una salida de onda cuadrada típica es de alrededor del 45 %, lo que se puede reducir un poco filtrando algunos de los armónicos.

Puente inversor

Figura 4 Puente inversor. El puente inversor (puente H) es un medio para producir una onda cuadrada a partir de un voltaje de CC.

Operación de inversor de onda sinusoidal modificada

La operación del puente H básico se mejora para producir la onda sinusoidal modulada mal llamada, que se muestra en la Figura 5. (Quizás un nombre mejor sería onda cuadrada modulada).

La onda resultante dista mucho de ser similar a una onda semilla a pesar de su nombre y no puede usarse para ciertos tipos de cargas. La forma de onda se crea a partir de una onda cuadrada y agrega un breve tiempo muerto entre las salidas positiva y negativa de la onda cuadrada.

Aunque la salida resultante no es necesariamente una onda sinusoidal, la distorsión armónica se reduce al 24 % en comparación con el 45 % de una onda cuadrada pura. Esto sigue siendo una cantidad significativa de distorsión. El filtrado puede reducir esta distorsión; sin embargo, el filtrado también reduce en gran medida la potencia de la carga y, en consecuencia, reduce la eficiencia.

Inversor de seno modificado

Figura 5 Conceptos de inversor de onda sinusoidal

Lee:  Aerogenerador de Eje Vertical (VAWT): Funcionamiento, Tipos, Ventajas y Desventajas

Tenga en cuenta que la llamada onda sinusoidal modulada con solo dos niveles se puede usar para impulsar muchos tipos de cargas, incluidos algunos dispositivos electrónicos (algunas fuentes de alimentación de computadora son una excepción) y no se puede usar para enviar a la red.

Los electrodomésticos con controles de velocidad electrónicos (como las licuadoras) o los electrodomésticos con temporizadores pueden tener problemas y pueden dañarse por la onda de semillas modulada.

Tan bueno como eso, nada puede funcionar con un motor tan eficientemente como un sineton puro. Además, las transiciones rápidas en la forma de onda pueden generar ruido. Esto puede causar zumbidos en los sistemas de altavoces. Debido a estos problemas, la onda sinusoidal modificada tiene un uso limitado.

Al incorporar otro nivel a la onda sinusoidal modulada de dos niveles, se produce una variación de la onda sinusoidal modulada más cercana a un sineton, como se muestra en la Figura 6.

Esto se logra con un circuito de conmutación más complejo. El resultado es un contenido armónico reducido con menos distorsión que el sineton modulado. Esta forma de onda a veces se llama onda casi sinusoidalaunque este término también se usa a veces para describir onda semilla modificada de dos niveles.

Una onda sinusoidal modulada de tres niveles que crea una onda modelo

Figura 6 Una onda sinusoidal modulada de tres niveles que crea una onda modelo

Funcionamiento inversor monofásico de onda senoidal

Los inversores de transformador son mucho más ligeros debido a la falta de un transformador y tienen eficiencias más altas que los inversores con transformadores.

Se utilizan en Europa, pero no tanto en los EE. UU. debido a los requisitos anteriores de NEC. Hasta 2005, el código NEC requería que todos los sistemas eléctricos solares tuvieran una conexión a tierra negativa.

Muchos ingenieros eléctricos han expresado su preocupación sobre la alimentación de sistemas eléctricos sin transformador en la red pública debido a la falta de aislamiento entre los circuitos de CC y CA.

Una onda cuadrada, una onda sinusoidal modulada y una onda imaginaria tienen algunos armónicos, que como saben son ondas sinusoidales con frecuencias que son múltiplos impares de la frecuencia fundamental y diferentes amplitudes.

Los armónicos son particularmente problemáticos en algunas aplicaciones, razón por la cual los inversores de onda sinusoidal de alta calidad son el tipo más utilizado.

Con PWM y filtrado de paso bajo, se puede formar una onda sinusoidal casi pura. El proceso PWM produce una forma de onda de pulso con anchos de pulso variables proporcionales a la amplitud de la señal (en este caso, una onda sinusoidal).

  • En el inversor, se utiliza una onda sinusoidal de referencia de baja potencia de 60 Hz y una onda triangular de mayor frecuencia para producir la forma de onda PWM.
  • Los valores de amplitud del sineton son muestreados por la onda triangular para producir la forma de onda PWM.
  • La señal PWM pasa a través de un filtro de paso bajo (igual al proceso matemático de integración) y reproduce la onda sinusoidal con poca distorsión, como se muestra en la Figura 7.

Modulación de ancho de pulso (PWM)

Imagen 7 Modulación de ancho de pulso

La distorsión se puede reducir aún más aumentando la frecuencia de la onda triangular en relación con la onda sinusoidal, pero el cambio adicional puede significar una ligera pérdida de eficiencia.

En la Figura 8 se muestra un diagrama de circuito de un inversor de onda sinusoidal monofásico. Son posibles otras variaciones.

El funcionamiento básico del inversor de onda sinusoidal.

El inversor de onda sinusoidal utiliza un generador de señal electrónica de baja potencia para producir una onda sinusoidal de referencia de 60 Hz y una onda cuadrada de 60 Hz, sincronizadas con la onda sinusoidal.

el es onda sinusoidal de referencia va al circuito PWM con una onda triangular que se usa para muestrear valores de onda sinusoidal para producir una salida de control PWM. Esta señal de control PWM opera un interruptor electrónico que convierte la entrada de CC en un voltaje PWM.

El voltaje PWM y la onda cuadrada de 60 Hz son entradas del puente H. La salida del puente H es un Voltaje PWM de CAcomo se muestra en la figura 8.

El filtro convierte el voltaje AC PWM en una onda sinusoidal de grado de servicio público que va a un transformador que lo aumenta para que lo use la carga.

Diagrama de circuito de un inversor de onda sinusoidal monofásico

Imagen 8 Diagrama de circuito de un inversor de onda sinusoidal monofásico

Operación de inversor trifásico

Hay inversores disponibles que producen una salida trifásica en lugar de una salida monofásica. Los hogares y las pequeñas empresas suelen utilizar energía monofásica o de fase dividida (dos fases opuestas).

La energía trifásica se usa para la distribución a través de líneas eléctricas y para clientes que usan motores grandes y otras cargas de alta corriente.

Nuestra discusión hasta ahora se ha limitado a la salida de una onda sinusoidal monofásica, como se muestra en la Figura 9a.

Lee:  Principio de funcionamiento de la turbina eólica de eje horizontal (HAWT) | Aerogeneradores de una, dos y tres palas

El suministro trifásico tiene tres ondas de Si, cada una separada por un tercio de ciclo (120°), como se muestra en la Figura 9b.

Comparación entre fuente de alimentación monofásica y fuente de alimentación trifásica

Figura 9 Comparación entre fuente de alimentación monofásica y fuente de alimentación trifásica

La corriente trifásica se utiliza para la distribución eléctrica porque es muy eficiente. Se utiliza en la industria porque los motores trifásicos y otra maquinaria funcionan de manera más suave y eficiente y duran más que los monofásicos porque la potencia no cambia con el tiempo.

Con un suministro trifásico, se puede suministrar mucha más energía con tres cables que con un suministro monofásico de dos cables (para cables del mismo tamaño).

Inversor monofásico vs trifásico

el es diferencia fundamental entre inversor monofásico e inversor trifásico el tipo de puente inversor utilizado.

La figura 10 muestra el concepto de un puente inversor modificado utilizado en inversores trifásicos. La entrada de CC se procesa para producir voltajes PWM divididos conectados a un puente inversor de tres patas con seis interruptores de transistor (los interruptores mecánicos se muestran para simplificar).

El control de interruptores activa cada interruptor secuencialmente durante 8,33 ms, lo que corresponde a medio ciclo de una señal de 60 Hz.

  • Todos los períodos de tiempo son iguales; es decir, t1 = t2 = t3 = t4 = t5 = t6 = 8,33 ms. Por ejemplolos interruptores S1 y S2 se encienden y apagan durante 8,33 ms, lo que crea un voltaje A PWM alterno.
  • A partir de un momento preciso durante t3, el interruptor S3 se activa para crear un desfase de 120° entre el voltaje PWM A y el voltaje PWM B.
  • Luego, S3 y S4 se encienden y apagan alternativamente, creando un voltaje AC PWM B.
  • Luego, en un momento preciso durante t5, el interruptor S5 se cierra para crear un cambio de fase de 120° entre el voltaje PWM B y el voltaje PWM C.
  • Luego, S5 y S6 se encienden y apagan alternativamente, creando un voltaje AC PWM C.

Utilice un puente inversor modificado para la generación trifásica

Imagen 10 Utilice un puente inversor modificado para la generación trifásica

  • Los voltajes PWM se filtran para producir ondas sinusoidales, como se mencionó anteriormente.
  • La salida final es una onda sinusoidal trifásica con una fase de 120° entre cada una de las ondas sinusoidales. Esta salida se utiliza para impulsar una carga trifásica balanceada como un motor trifásico.

Otra forma de crear una salida trifásica es mediante el uso de inversores monofásicos y una caja de sincronización trifásica, como se muestra en la Figura 11.

La caja de sincronización introduce un cambio de fase de 120° entre cada una de las tres entradas monofásicas y produce una salida trifásica que se sincroniza con la red.

Salida trifásica mediante tres inversores monofásicos

Imagen 11 Salida trifásica mediante tres inversores monofásicos

Preguntas de revisión

  1. ¿Para qué se utiliza un inversor de CC a CA?
  2. Nombra tres tipos de inversión según su poder.
  3. ¿Para qué se utiliza el puente H?
  4. ¿Qué es PWM? ¿Cómo se produce una forma de onda PWM para un inversor?
  5. ¿Cuál es la diferencia entre la corriente alterna monofásica y la corriente alterna trifásica?
  6. ¿Qué tipo de alimentación de CA se usa normalmente en los hogares y las pequeñas empresas?
  7. Nombre una ventaja de tres fases sobre una fase.

respuestas

  1. El inversor toma la salida de voltaje de CC de las baterías o la fuente de alimentación y la convierte en voltaje estándar de la red pública o voltaje trifásico.
  2. Onda extendida, sineton modulada y onda cuadrada
  3. Un puente H convierte la corriente continua en una onda cuadrada alterna o bipolar.
  4. PWM significa «modulación de ancho de pulso». Produce una forma de onda de pulso con un ancho de pulso proporcional a la amplitud de la onda sinusoidal comparando una onda sinusoidal de referencia con una onda triangular de alta frecuencia.
  5. Una sola fase tiene voltaje alterno; tres fases de tensión alterna están separadas por un tercio de ciclo cada una.
  6. Monofásico y split; La fase dividida tiene dos formas de onda que están desfasadas 180 entre sí.
  7. La trifásica es más eficiente para impulsar motores grandes y no requiere un devanado de arranque separado u otro método de arranque.
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