Invierta el circuito de rectificación, conecte un extremo a corriente continua (CC) y el otro extremo puede conducir a corriente alterna (CA). Se trata de un inversor, un dispositivo que convierte la corriente continua en corriente alterna.
La mayoría de las cargas comerciales, industriales y residenciales requieren alimentación de CA, pero la energía de CA no se puede almacenar en baterías y el almacenamiento en baterías es importante como energía de respaldo. Hoy en día, este defecto se puede solucionar mediante una fuente de alimentación de CC.
La polaridad de la energía CC no cambia con el tiempo como la energía CA, por lo que la energía CC se puede almacenar en baterías y supercondensadores. Entonces, primero podemos convertir la energía de CA en energía de CC y luego almacenarla en la batería. De esta manera, siempre que se necesite energía de CA para operar aparatos de CA, la energía de CC se convertirá nuevamente en energía de CA para operar aparatos de CA.
Según la fuente de entrada, el método de conexión, la forma de onda del voltaje de salida, etc. de la aplicación, los inversores se dividen en las siguientes 17 categorías principales.
1. Clasificar por fuente de entrada
La entrada de un inversor puede ser una fuente de voltaje o una fuente de corriente, por lo que se divide en inversores de fuente de voltaje (VSI) e inversores de fuente de corriente (CSI).
Inversor de fuente de voltaje (VSI)
Cuando la entrada del inversor es una fuente de voltaje de CC constante, el inversor se denomina inversor de fuente de voltaje.
La entrada del inversor de fuente de voltaje tiene una fuente de voltaje CC rígida con impedancia cero. De hecho, se puede ignorar la impedancia de una fuente de voltaje CC. Suponiendo que VSI funciona con una fuente de voltaje ideal (fuente de impedancia extremadamente baja), el voltaje de salida de CA está completamente determinado por el estado de los dispositivos de conmutación en el inversor y la fuente de alimentación de CC aplicada.
Inversor de fuente de corriente (CSI)
Cuando la entrada del inversor es una fuente de corriente CC constante, el inversor se denomina inversor de fuente de corriente.
La corriente rígida se suministra desde una fuente de alimentación de CC a CSI, donde la fuente de alimentación de CC tiene alta impedancia. Por lo general, se utilizan grandes inductores o corrientes de control de circuito cerrado para proporcionar corrientes rígidas. La onda de corriente resultante es rígida y no se ve afectada por la carga. La corriente de salida de CA está completamente determinada por los dispositivos de conmutación en el inversor y el estado de la fuente de alimentación de CC aplicada.
2. Clasificar por fase de salida
Según la tensión de salida y la fase de corriente, los inversores se dividen principalmente en dos categorías: inversores monofásicos e inversores trifásicos.
Inversor monofásico
Un inversor monofásico convierte la entrada de CC en salida monofásica. La tensión/corriente de salida de un inversor monofásico tiene una sola fase y su frecuencia nominal es la tensión nominal de 50 Hz o 60 Hz.
La tensión nominal se define como el nivel de tensión al que opera el sistema eléctrico. Existen diferentes voltajes nominales, a saber, 120 V, 220 V, 440 V, 690 V, 3,3 KV, 6,6 KV, 11 kV, 33 kV, 66 kV, 132 kV, 220 kV, 400 kV y 765 kV. La tensión nominal baja se puede lograr directamente mediante el uso de transformadores internos o inversores con circuitos elevadores y reductores, mientras que para la tensión nominal alta se utilizan transformadores elevadores externos.
Los inversores monofásicos se utilizan para cargas bajas. Las pérdidas monofásicas son mayores y la eficiencia monofásica es menor que la de los inversores trifásicos. Por lo tanto, los inversores trifásicos son la opción preferida para cargas elevadas.
Inversor trifásico
Un inversor trifásico convierte corriente continua en energía trifásica. Una fuente de alimentación trifásica proporciona tres canales de alimentación de CA con ángulos de fase uniformemente separados. La amplitud y frecuencia de las tres ondas generadas en el extremo de salida son las mismas, pero varían ligeramente debido a la carga, y cada onda tiene un cambio de fase de 120 grados entre sí.
Básicamente, un único inversor trifásico consta de tres inversores monofásicos, cada uno con una distancia de fase de 120 grados, y cada inversor monofásico está conectado a uno de los tres terminales de carga.
3. Clasificados por tecnología de conmutación.
Según la tecnología de conmutación, se puede dividir en dos tipos principales: inversores de conmutación de línea y de conmutación forzada. Además, pueden existir inversores de conmutación auxiliares e inversores de conmutación complementarios, pero como no son de uso habitual, aquí comentaremos brevemente los dos tipos principales.
inversión de línea
En este tipo de inversores, el voltaje de línea del circuito de CA se puede obtener a través de equipos; Cuando la corriente en el SCR experimenta características cero, el dispositivo se apaga. Este proceso de conmutación se denomina conmutación de línea y los inversores que funcionan según este principio se denominan inversores de conmutación de línea.
Conmutación forzada
En este tipo de conmutación no habrá punto cero en la fuente de alimentación. Es por eso que se necesitan algunas fuentes externas para rectificar el dispositivo. Este proceso de conmutación se denomina conmutación forzada y los inversores basados en este proceso se denominan inversores de conmutación forzada.
4. Clasificados por método de conexión.
Según el método de conexión de los tiristores en el circuito, se puede dividir en inversores en serie, inversores en paralelo e inversores en puente, entre los cuales los inversores en puente se dividen en medio puente, puente completo y puente trifásico.
Inversor serie
Un inversor en serie consta de un par de tiristores y circuitos RLC (resistencia, inductancia y capacitancia). Un tiristor está conectado en paralelo con el circuito RLC y un tiristor está conectado en serie entre la fuente de alimentación de CC y el circuito RLC. Este tipo de inversor se denomina inversor en serie porque la carga está conectada directamente en serie con la fuente de alimentación de CC con la ayuda de tiristores.
Los inversores en serie también se conocen como inversores de autoconmutación porque los tiristores de este tipo de inversor son autoconmutados por la carga. Otro nombre para este inversor es 'inversor de conmutación de carga'. La razón para darle este nombre es que LCR es una carga que proporciona conmutación.
Inversor paralelo
Un inversor en paralelo consta de dos tiristores, un condensador, un transformador de derivación central y un inductor. Los tiristores se utilizan para proporcionar un camino para el flujo de corriente, mientras que los inductores se utilizan para mantener constante la fuente de corriente. La conducción y el apagado de estos tiristores están controlados por los condensadores de conmutación conectados entre ellos.
Se llama inversor paralelo porque, en funcionamiento, el condensador está conectado en paralelo con la carga a través de un transformador.
Inversor de medio puente
Un inversor de medio puente requiere dos interruptores electrónicos para funcionar. Los interruptores pueden ser MOSFET, IJBT, BJT o tiristores.Un medio puente con tiristor e interruptores BJT requiere dos diodos adicionales, excepto para cargas resistivas puras, mientras que los MOSFET tienen diodos incorporados. En resumen, dos interruptores son suficientes para satisfacer cargas resistivas puras, mientras que otras cargas (inductores y condensadores) requieren dos diodos adicionales. Estos diodos se denominan diodos de retroalimentación o diodos de rueda libre.
El principio de funcionamiento de un inversor de medio puente es el mismo para todos los interruptores, pero aquí estamos hablando de un medio puente con interruptores de tiristores. Hay dos tiristores complementarios, lo que significa conducir un tiristor a la vez. Para cargas resistivas, el circuito funciona en dos modos. La frecuencia de conmutación determinará la frecuencia de salida. Cuando la frecuencia de salida es de 50 HZ, cada tiristor conduce una vez durante 20 ms.
Inversor de puente completo
Un inversor monofásico de puente completo tiene cuatro interruptores controlados que se utilizan para controlar la dirección del flujo de corriente en la carga. Este puente tiene 4 diodos de retroalimentación que pueden retroalimentar la energía almacenada en la carga a la fuente de alimentación. Estos diodos de retroalimentación solo funcionan cuando todos los tiristores están apagados y la carga no es puramente resistiva.
Para cualquier carga, solo funcionan 2 tiristores a la vez. Los tiristores T1 y T2 conducirán en un ciclo, mientras que T3 y T4 conducirán en otro ciclo. En otras palabras, cuando T1 y T2 están en estado ON, T3 y T4 están en estado OFF, mientras que cuando T3 y T4 están en estado ON, los otros dos están en estado OFF. Abrir dos o más tiristores a la vez puede provocar un cortocircuito, generar calor excesivo y quemar inmediatamente el circuito.
Inversor puente trifásico
Las cargas industriales y otras cargas pesadas requieren un suministro de energía trifásico. Para operar estas cargas pesadas desde dispositivos de almacenamiento u otras fuentes de energía de CC, se requiere un inversor trifásico. Para ello se puede utilizar un inversor puente trifásico.
Un puente inversor trifásico es otro tipo de inversor puente, que consta de 6 interruptores controlados y 6 diodos, como se muestra en la figura.
5. Clasificados por modo de funcionamiento
Según el modo de funcionamiento, los inversores se dividen en tres categorías principales:
Inversor independiente
El inversor independiente está conectado directamente a la carga y no será interrumpido por otras fuentes de energía. Inversor independiente o "inversor en modo fuera de red", el inversor suministra energía a la carga de forma independiente sin verse afectado por la red u otras fuentes de energía.
Estos inversores se denominan inversores en modo fuera de red porque no se ven afectados por la red pública. Estos inversores no se pueden conectar a la red pública porque no tienen capacidad de sincronización, donde la sincronización es el proceso de hacer coincidir la fase y la frecuencia nominal (50/60 Hz) de dos fuentes de alimentación de CA.
Inversor conectado a la red
Los inversores conectados a red o conectados a red (GTI) tienen dos funciones principales. Una función de los inversores conectados a la red es proporcionar energía de CA desde dispositivos de almacenamiento (fuentes de energía de CC) a cargas de CA, mientras que otra función de los inversores conectados a la red es proporcionar energía adicional a la red.
Los inversores conectados a la red, también conocidos como inversores interactivos de servicios públicos, inversores de interconexión de redes o inversores de retroalimentación de red, sincronizan la frecuencia y la fase de la corriente para adaptarse a la red pública. Al aumentar el nivel de voltaje del inversor, la energía se transmite desde la fuente de alimentación de CC a la red pública.
Inversor de doble pico
El inversor de doble pico puede funcionar como inversor conectado a la red y como inversor independiente. Estos inversores pueden inyectar energía adicional procedente de fuentes de energía renovables y dispositivos de almacenamiento a la red, y recuperar electricidad de la red cuando la energía generada por energías renovables es insuficiente. En otras palabras, estos inversores pueden funcionar como inversores independientes e inversores conectados a la red según los requisitos de la carga. Los inversores de doble pico son multifuncionales, incluidas las funciones de inversores independientes e inversores conectados a la red.
La función de un inversor de doble pico variará según la carga. Si hay un problema con la red eléctrica o cuando la potencia de la energía renovable es suficiente para cubrir la carga, se cambiará su función a inversor independiente (se convierte en inversor independiente). En este caso, el interruptor de transferencia desconectará el inversor de la red.
Una vez que la energía renovable comience a generar energía adicional, el modo de funcionamiento cambiará del modo independiente al modo conectado a la red. El inversor sincroniza su fase y frecuencia con el inversor y comienza a inyectar energía adicional a la red.
6. Clasificar por forma de onda de salida
El inversor ideal se refiere a un inversor que convierte señales de CC en salidas de CA sinusoidales puras. El problema de los inversores reales es que sus señales de salida no son puramente sinusoidales. Según la forma de onda de salida, los inversores se dividen en tres categorías:
Inversor de onda cuadrada
Estos son los inversores más simples para convertir corriente continua en corriente alterna, pero la forma de onda de salida no es la onda sinusoidal pura requerida. Estos inversores tienen ondas cuadradas en el extremo de salida. En otras palabras, estos inversores convierten la entrada de CC en CA en forma de ondas cuadradas. Mientras tanto, los inversores de onda cuadrada también son más baratos.
La estructura más simple de estos inversores puede ser un inversor de puente H. Como se muestra en la figura, el uso de interruptores SPDT (simple pulsación y doble tiro) antes del transformador puede lograr una versión más simple. Este transformador también ayudará a alcanzar cualquier nivel de voltaje de salida deseado.
El funcionamiento de un modelo determinado es extremadamente sencillo. Simplemente encender y apagar el interruptor cambiará simultáneamente la corriente en el terminal de salida. En otras palabras, cambiar unipolar de dos vías a la frecuencia deseada generará ondas cuadradas de CA en la salida de un inversor típico (es decir, un transformador de toma central). La distorsión armónica de una onda sinusoidal típica es de aproximadamente el 45%, que se puede reducir aún más mediante el uso de filtros para filtrar algunos armónicos.
Inversor de onda casi sinusoidal
Inversor de onda cuasi sinusoidal, también conocido como inversor de onda sinusoidal modificada con ondas sinusoidales escalonadas. En otras palabras, las señales de salida de estos inversores aumentan gradualmente en polaridad positiva. Después de alcanzar el pico positivo, la señal de salida disminuye gradualmente hasta alcanzar el pico negativo, como se muestra en la figura.
La estructura de un inversor de onda cuasi sinusoidal es mucho más simple que la de un inversor de onda sinusoidal pura, pero más compleja que la de un inversor de onda cuadrada pura.
Aunque la forma de onda de salida final de estos inversores no es una onda sinusoidal pura, la distorsión armónica de la salida aún se reduce al 24%. El filtrado reducirá aún más la distorsión, pero la cantidad de distorsión sigue siendo significativa. Por esta razón, estos inversores no son la opción preferida para accionar diversas cargas, incluidos circuitos electrónicos.
Las ondas cuasi sinusoidales pueden dañar permanentemente los dispositivos electrónicos con temporizadores en el circuito. Si se conecta a un inversor de onda casi sinusoidal, todos los aparatos eléctricos con motor no funcionarán tan eficientemente como los conectados a un inversor de onda sinusoidal pura. Además, las transiciones rápidas de formas de onda pueden provocar ruido. Debido a estos problemas, la aplicación de inversores de onda cuasi sinusoidal es limitada.
Inversor de onda sinusoidal pura
Un inversor sinusoidal puro convierte CC en CA sinusoidal casi pura. La forma de onda de salida de un inversor de onda sinusoidal pura todavía no es una onda sinusoidal ideal, pero es mucho más suave que la de los inversores de onda cuadrada y cuasi sinusoidal.
La forma de onda de salida de un inversor de onda sinusoidal pura tiene armónicos extremadamente bajos. Los armónicos son ondas sinusoidales con múltiplos impares de la frecuencia fundamental de diferentes amplitudes. Los armónicos son muy impopulares porque pueden causar problemas graves en varios aparatos eléctricos. Al utilizar varias técnicas de PWM y luego pasar la señal de salida a través de un filtro de paso bajo, estos armónicos se pueden reducir aún más.
La construcción y el funcionamiento de los inversores de onda sinusoidal pura son mucho más complejos que los inversores de onda cuadrada y los de onda cuadrada modificada.
Estos inversores son superiores a los dos primeros inversores porque la mayoría de los equipos eléctricos requieren ondas sinusoidales puras para funcionar mejor. Como se mencionó anteriormente, los inversores de onda cuadrada o cuasi sinusoidal pueden dañar los aparatos eléctricos, especialmente los equipados con motores. Por tanto, para uso práctico, se utiliza un inversor sinusoidal pura.
7. Clasificado por el número de niveles de salida.
El nivel de salida de cualquier inversor puede ser al menos dos o más. Según el número de niveles de salida, los inversores se dividen en dos categorías: inversores de dos niveles e inversores de varios niveles.
Inversor de dos niveles
Un inversor de dos niveles tiene dos niveles de salida. El voltaje de salida alterna entre positivo y negativo, y alterna a la frecuencia fundamental (50 Hz o 60 Hz).
Algunos de los llamados "inversores de dos niveles" tienen tres niveles en su forma de onda de salida. La razón para clasificar los inversores de tres niveles en esta categoría es que uno de los niveles es de voltaje cero. En realidad, el cero es el tercer nivel, pero todavía se clasifica como un inversor de dos etapas.
Un circuito inversor de dos niveles consta de una fuente y algunos interruptores que controlan la corriente o el voltaje. Debido a las limitaciones de las pérdidas de los interruptores y las capacidades nominales de los dispositivos, el funcionamiento de alta frecuencia de inversores de dos niveles en aplicaciones de alto voltaje está restringido. Sin embargo, el valor nominal del interruptor se puede aumentar mediante combinaciones en serie y en paralelo. El grupo de interruptores que proporciona un medio ciclo positivo en un inversor de dos niveles se denomina interruptor de grupo positivo, mientras que el otro grupo de interruptores que proporciona un medio ciclo negativo se denomina interruptor de grupo negativo.
Por las siguientes razones, no se prefiere un inversor de dos niveles. Los inversores requieren una cantidad mínima de interruptores y fuentes de energía para operar y convertir energía en pequeños pasos de voltaje. Un paso de voltaje más pequeño proporcionará formas de onda de alta calidad. Además, también puede reducir la tensión de voltaje (dv/dt) y los problemas de compatibilidad electromagnética en la carga. Por lo tanto, los inversores multinivel son la primera opción más práctica.
Inversor multinivel (MLI)
Un inversor multinivel convierte señales de CC en formas de onda escalonadas de varios niveles. La forma de onda de salida de un inversor multinivel no es directamente alternante positiva y negativa, sino alternante multinivel. Debido al hecho de que la suavidad de la forma de onda es directamente proporcional al número de niveles de voltaje. Por lo tanto, los inversores multinivel producirán formas de onda más suaves. Como se mencionó anteriormente, esta característica lo hace adecuado para aplicaciones prácticas.
Conclusión:
Este artículo presenta 17 tipos principales de inversores, pero, de hecho, existen muchas otras clasificaciones de inversores. Por ejemplo, los inversores multinivel también se pueden dividir en inversores de condensador volante (FCMI), inversores con abrazadera de diodo (DCMI) e inversores de puente H en cascada.
Desde una perspectiva de aplicación práctica, los inversores trifásicos son adecuados para aplicaciones de carga elevada, los inversores sinusoidales puros pueden proteger mejor los aparatos eléctricos y los inversores multinivel son opciones más prácticas.