Inversor (ingeniería eléctrica)

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Un inversor es un dispositivo para convertir corriente continua en corriente alterna [1] con un cambio en el voltaje . Por lo general, es un generador de voltaje periódico , de forma cercana a una sinusoide , o una señal discreta.

Los inversores de tensión pueden utilizarse como un dispositivo independiente o formar parte de fuentes y sistemas de alimentación ininterrumpida de equipos con energía eléctrica CA.

Propiedades de los inversores

Los inversores de tensión permiten eliminar o al menos reducir la dependencia de los sistemas de información de la calidad de las redes de CA. Por ejemplo, en las computadoras personales , en caso de una falla repentina en la red, utilizando una batería de respaldo y un inversor que forma una fuente de alimentación ininterrumpida (UPS), puede asegurarse de que las computadoras funcionen para completar correctamente las tareas que se están resolviendo. En sistemas críticos más complejos, los dispositivos inversores pueden operar en un modo controlado a largo plazo en paralelo con la red o independientemente de ella.
Además de las aplicaciones "independientes", donde el inversor actúa como fuente de energía para los consumidores de CA, se han desarrollado ampliamente las tecnologías de conversión de energía, donde el inversor es un eslabón intermedio en la cadena de convertidores. La característica principal de los inversores de voltaje para tales aplicaciones es la alta frecuencia de conversión (decenas a cientos de kilohercios). Para una conversión de energía eficiente a alta frecuencia, se requiere una base de elementos más avanzada (interruptores de semiconductores, materiales magnéticos, controladores especializados).
Como cualquier otro dispositivo de potencia, el inversor debe tener una alta eficiencia, alta confiabilidad y características aceptables de peso y tamaño. Además, debe tener un nivel aceptable de componentes armónicos superiores en la curva de voltaje de salida (valor permisible de los coeficientes armónicos) y no crear un nivel de ondulación en los terminales de la fuente de alimentación que sea inaceptable para otros consumidores durante la operación.
Los sistemas de medición neta conectados a la red utilizan un inversor para alimentar la energía de paneles solares, turbinas eólicas, centrales hidroeléctricas y otras fuentes de energía verde a la red pública.

Funcionamiento del inversor

El funcionamiento del inversor de voltaje se basa en cambiar la fuente de voltaje de CC para cambiar periódicamente la polaridad del voltaje en los terminales de carga. La frecuencia de conmutación se establece mediante señales de control generadas por el circuito de control (controlador). El controlador también puede realizar tareas adicionales:

regulacion de voltaje;
sincronización de frecuencia de conmutación de teclas ;
protección contra sobrecarga, etc

Según el principio de funcionamiento, los inversores se dividen en:

autónomo;
- inversores de tensión (AVI), un ejemplo son los inversores de la mayoría de los SAI;
- inversores de corriente (AIT), un ejemplo es el convertidor de aeródromo soviético APChS-63U1 [2] ;
- inversores resonantes (AIR);
inversores dependientes accionados por la red , un ejemplo es el convertidor de potencia de las locomotoras eléctricas VL85 , EP1 , etc.

Métodos de implementación técnica de inversores y características de su trabajo

Las teclas del inversor deben ser controladas (encender y apagar por una señal de control), y también tener la propiedad de conducción de corriente bidireccional [3] . Como regla general, tales interruptores se obtienen derivando transistores con diodos de rueda libre. La excepción son los transistores de efecto de campo, en los que dicho diodo es un elemento interno de su estructura semiconductora.
La regulación del voltaje de salida de los inversores se logra cambiando el área del pulso de media onda. La regulación más simple se logra regulando la duración (ancho) del pulso de media onda. Este método es la versión más simple del método de señales de modulación de ancho de pulso (PWM).
La ruptura de la simetría de las medias ondas del voltaje de salida genera subproductos de conversión con una frecuencia por debajo de la fundamental, incluida la posibilidad de un componente de voltaje de CC que es inaceptable para los circuitos que contienen transformadores.
Para obtener modos controlados de operación del inversor, las claves del inversor y el algoritmo de control clave deben garantizar un cambio constante en las estructuras del circuito de potencia, llamado directo, en cortocircuito e inverso.
La potencia instantánea del consumidor pulsa a doble frecuencia. La fuente de alimentación primaria debe ser capaz de manejar corrientes de consumo pulsantes e incluso inversas. Los componentes variables de la corriente primaria determinan el nivel de interferencia en los terminales de la fuente de alimentación. $pag(t)$

Esquemas típicos de inversores de tensión

Hay una gran cantidad de opciones para construir circuitos inversores. Históricamente, los primeros fueron los inversores mecánicos, que en la era del desarrollo de la tecnología de semiconductores reemplazaron a los inversores más tecnológicos basados en elementos semiconductores y a los inversores digitales de tensión. Pero aún así, como regla, hay tres circuitos inversores de voltaje principales:

Puente IN sin transformador

Alcance: dispositivos de alimentación ininterrumpida con una potencia superior a 500 VA , instalaciones con un alto valor de tensión (220..360 V).

Con transformador de salida cero

Alcance: Dispositivos de alimentación ininterrumpida para ordenadores con alimentación (250.. 500 VA), a baja tensión (12..24 V), convertidores de tensión para sistemas de radiocomunicación móvil.

Circuito puente con transformador

Alcance: Dispositivos de alimentación ininterrumpida para consumidores responsables con una amplia gama de capacidades: unidades - decenas de kVA [4] .

El principio de la construcción de inversores

Inversores de onda cuadrada

La conversión de la tensión continua de la fuente primaria en alterna se realiza mediante un grupo de interruptores conmutados periódicamente de forma que se obtenga una tensión alterna en los terminales de carga y proporcione un modo de circulación controlada en el circuito de energía reactiva . En tales modos, se garantiza la proporcionalidad de la tensión de salida. Según el diseño del módulo de conmutación (módulo de interruptor de potencia del inversor) y el algoritmo para generar acciones de control, dicho factor puede ser la duración relativa de los pulsos de control del interruptor o el cambio de fase de las señales de control de grupos de interruptores en oposición. En el caso de modos no controlados de circulación de energía reactiva, la reacción del consumidor con los componentes reactivos de la carga afecta la forma del voltaje y su valor de salida [5] [6] .

Inversores de tensión de paso

El principio de construir un inversor de este tipo es que, con la ayuda de una conversión preliminar de alta frecuencia, se forman curvas de voltaje de paso unipolar, acercándose en forma a una curva sinusoidal unipolar con un período igual a la mitad del período del cambio de voltaje de salida del inversor. Las curvas de voltaje de paso unipolar se convierten luego, generalmente mediante un inversor de puente, en una curva de voltaje de salida de inversor multipolar.

Inversores de onda sinusoidal

El principio de construir un inversor de este tipo es que, con la ayuda de una conversión preliminar de alta frecuencia, se obtiene un voltaje de CC , cuyo valor es cercano al valor de amplitud del voltaje de salida sinusoidal del inversor. Este voltaje de CC es luego convertido, por regla general, por un inversor de puente en un voltaje alterno de forma casi sinusoidal, aplicando los principios apropiados para controlar los transistores de este inversor de puente (los principios del llamado " multipulso- modulación de ancho "). [7] [8] La idea de este PWM "múltiple" es que durante cada medio ciclo de la tensión de salida del inversor, el par de transistores correspondiente del puente inversor se conmutan a alta frecuencia (repetidamente) bajo ancho de pulso control. Además, la duración de estos impulsos de conmutación de alta frecuencia varía según una ley sinusoidal. Luego, utilizando un filtro de paso alto y paso bajo, se extrae la componente sinusoidal del voltaje de salida del inversor. [5] . Cuando se utiliza una fuente de tensión CC unipolar (están disponibles los niveles 0 y U d , donde U d es la tensión CC que alimenta al inversor), el valor efectivo del primer armónico de la tensión de fase

U_{\rm {ef}}^{(1)}=0.45U_{\rm {d}}

Cuando se utiliza una fuente de tensión DC bipolar (los niveles 0, -U d /2 y U d /2 están disponibles), el valor de amplitud del primer armónico de la tensión de fase

U_{\rm {m}}^{(1)}=0.5U_{d}

respectivamente, el valor efectivo

U_{\rm {ef}}^{(1)}=0.35U_{\rm {d}}

Inversores de tensión autoexcitados

Los inversores (osciladores) autoexcitados se encuentran entre los dispositivos de conversión de energía de CC más simples. La relativa sencillez de las soluciones técnicas con una eficiencia energética suficientemente elevada ha propiciado su uso generalizado en fuentes de alimentación de baja potencia en sistemas de automatización industrial y en la generación de señales de onda cuadrada, especialmente en aquellas aplicaciones en las que no es necesario controlar la potencia. proceso de transmisión. Estos inversores utilizan retroalimentación positiva, lo que garantiza su funcionamiento en el modo de autooscilaciones estables, y la conmutación de los transistores se realiza debido a la saturación del material del núcleo magnético del transformador. [9] [10] En relación con el método de conmutación de transistores, al saturar el material del núcleo magnético del transformador, existe una desventaja de los circuitos inversores, a saber, la baja eficiencia , que se explica por grandes pérdidas en los transistores. Por lo tanto, dichos inversores se utilizan a frecuencias que no superan los 10 kHz y una potencia de salida de hasta 10 W. Con sobrecargas significativas y cortocircuitos en la carga en cualquiera de los inversores con autoexcitación, las autooscilaciones se rompen (todos los transistores pasan al estado cerrado).

F

Inversores monofásicos

Hay varios grupos de inversores:

El primer grupo de inversores más caros proporciona un voltaje de salida sinusoidal .
El segundo grupo proporciona un voltaje de salida simplificado que reemplaza a la sinusoide . La señal más utilizada tiene la forma de un seno trapezoidal .

Para la gran mayoría de los electrodomésticos , no está permitido utilizar un voltaje alterno con una forma de onda simplificada. La onda sinusoidal es importante para los aparatos que contienen motores/transformadores y algunos equipos de telecomunicaciones, instrumentación, laboratorio, médicos y de audio profesional. La elección del inversor se basa en el consumo máximo de energía de la tensión estándar de 220 V /50 Hz .

Hay tres modos de funcionamiento del inversor:

Modo de larga duración. Este modo corresponde a la potencia nominal del inversor.
Modo de sobrecarga. En este modo, la mayoría de los modelos de inversores durante varias decenas de minutos (hasta 30) pueden entregar energía 1.2-1.5 veces más que la nominal.
Modo de inicio. En este modo, el inversor es capaz de entregar mayor potencia instantánea durante unos pocos milisegundos para arrancar motores y cargas capacitivas.

En unos pocos segundos, la mayoría de los modelos de inversores pueden entregar una potencia de 1,5 a 2 veces superior a la nominal. Se produce una fuerte sobrecarga a corto plazo , por ejemplo, al encender el frigorífico .

Un inversor de 150 W es suficiente para alimentar casi cualquier ordenador portátil desde la red eléctrica de a bordo del coche. 7,5 vatios son suficientes para alimentar y cargar teléfonos móviles, equipos de audio y fotografía.

Inversores trifásicos

Los inversores trifásicos se usan comúnmente para crear corriente trifásica para motores eléctricos , por ejemplo, para alimentar un motor de inducción trifásico . En este caso, los devanados del motor están conectados directamente a la salida del inversor.

Los inversores trifásicos de alta potencia se utilizan en convertidores de tracción en el accionamiento eléctrico de locomotoras , barcos a motor , trolebuses (por ejemplo, AKSM-321 ), tranvías , trenes de laminación , plataformas de perforación , en inductores (instalaciones de calentamiento por inducción [12] ) .

La figura muestra un diagrama de un convertidor de tracción de tiristores según el esquema Larionov -Star . En teoría, también es posible otro tipo de circuito del "triángulo de Larionov" de Larionov, pero tiene otras características (resistencia activa interna equivalente, pérdidas en el cobre, etc.).

Aplicaciones de inversores multinivel

Los inversores multinivel incluyen una matriz de semiconductores de potencia y fuentes de tensión de condensador cuya salida genera tensiones de forma de onda escalonada. La conmutación de interruptores permite la adición de voltajes de capacitores que logran altos voltajes de salida, mientras que los semiconductores de potencia solo tienen que manejar voltajes más bajos. La figura de la derecha muestra un diagrama de circuito de un segmento de una fase de inversores con un número diferente de niveles, para los cuales la potencia de los semiconductores está representada por un interruptor ideal con varias posiciones.

Un inversor de dos niveles genera un voltaje de salida con dos valores (niveles) relativos al terminal negativo del capacitor [Fig. (a)], mientras que un inversor de tres niveles genera tres voltajes, y así sucesivamente.

Imagine que m es el número de pasos de voltaje de fase en relación con el terminal negativo del inversor, entonces el número de pasos de voltaje entre dos fases de carga es k ,

${\ estilo de visualización k = 2 m + 1}$

y el número de pasos p en la tensión de fase de la carga trifásica en la conexión

${\ estilo de visualización p = 2k-1}$

Existen tres topologías diferentes para inversores multinivel: Bloqueado por diodo (Bloqueado en punto muerto); fijo en el condensador (condensadores montados); y elementos múltiples en cascada con suministros de CC independientes. Además, se han desarrollado o adoptado varias estrategias de modulación y control para inversores multinivel, incluidas las siguientes: modulación de forma de onda sinusoidal (PWM) multinivel, eliminación armónica selectiva multinivel y modulación de vector espacial (SVM) .

Los principales aspectos positivos de los inversores multinivel son los siguientes:

1) Pueden generar voltajes de salida con una distorsión extremadamente baja y un dv/dt más bajo.

2) Extraen corriente de entrada con muy baja distorsión.

3) Generan tensión de modo menos común (CM), reduciendo así la tensión en los cojinetes del motor. Además, mediante el uso de técnicas de modulación sofisticadas, se pueden eliminar los voltajes de CM.

4) Pueden operar a una frecuencia de conmutación más baja.

Topología de inversores multinivel en cascada

Las diferentes topologías de convertidores que se presentan aquí se basan en la conexión en serie de inversores monofásicos con fuentes de CC separadas. La figura de la derecha muestra el circuito de suministro de energía para una sección de fase de un inversor de nueve niveles con cuatro celdas en cada fase. La tensión de fase resultante se sintetiza sumando las tensiones generadas por las distintas secciones.

Cada inversor de puente completo monofásico genera tres voltajes de salida: + Vdc, 0 y - Vdc. Esto fue posible conectando condensadores en serie con el lado de CA a través de cuatro interruptores de alimentación. La salida de voltaje de CA resultante oscila entre -4 V CC y 4 V CC con nueve niveles y una forma de onda escalonada que es casi sinusoidal, incluso sin filtros.

Inversores electromecánicos

Véase también

Notas

↑ Diccionario de ciencias naturales. Glosario.ru. (enlace caído) (enlace caído desde 14-06-2016 [2323 días])
↑ TU 16-729.402-83. Convertidor de frecuencia estacionario de aeródromo tipo APChS-63U1 (IVEG.435426.001TU) . Consultado el 30 de octubre de 2016. Archivado desde el original el 31 de octubre de 2016. (indefinido)
↑ Jerrold Foutz. Tutorial de diseño de fuentes de alimentación conmutadas Introducción (inglés) (enlace no disponible) . www.smpstech.com (9 de diciembre de 1998). Consultado el 19 de abril de 2017. Archivado desde el original el 6 de abril de 2004.
↑ Andrei Nikitin, Oleg Starikov. Convertidores DC/DC SupIRBuck en sistemas de potencia distribuida . Noticias de Electrónica, No. 15 (2009). Consultado el 19 de abril de 2017. Archivado desde el original el 20 de abril de 2017. (indefinido)
↑ 12David Perreault . Notas de electrónica de potencia . Material de curso abierto del MIT (2007). Consultado el 19 de abril de 2017. Archivado desde el original el 5 de marzo de 2016.
↑ Fuentes de alimentación conmutadas . Fecha de acceso: 5 de diciembre de 2014. Archivado desde el original el 28 de febrero de 2015. (indefinido)
↑ Pressman, Abraham I.; Billings, Keith & Morey, Taylor (2009), Diseño de fuente de alimentación conmutada (tercera ed.), McGraw-Hill, ISBN 0-07-148272-5
↑ Rashid, Muhammad H. (2003), Electrónica de potencia: circuitos, dispositivos y aplicaciones , Prentice Hall, ISBN 0-13-122815-3
↑ Basso, Christophe (2008), Fuentes de alimentación conmutadas: simulaciones y diseños prácticos de SPICE , McGraw-Hill, ISBN 0-07-150858-9
↑ Erickson, Robert W. & Maksimovic, Dragan (2001), Fundamentos de electrónica de potencia (segunda ed.), ISBN 0-7923-7270-0
↑ Convertidores de voltaje para automóviles (3 partes) . Consultado el 25 de abril de 2012. Archivado desde el original el 22 de mayo de 2012. (indefinido)
↑ Calentamiento por inducción (enlace inaccesible) . Fecha de acceso: 29 de enero de 2009. Archivado desde el original el 5 de febrero de 2009. (indefinido)

Literatura

Bushuev V.M., Deminsky V.A., Zakharov L.F., Kozlyaev Yu.D., Kolkanov M.F. Suministro de energía de dispositivos y sistemas de telecomunicaciones. - M. : Hot line - Telecom, 2009. - 384 p. - ISBN 978-5-9912-0077-6 .
Kitaev V.E., Bokunyaev A.A., Kolkanov M.F. Fuente de alimentación para dispositivos de comunicación. - M. : Comunicación, 1975. - 328 p.
Irving M., Gottlieb. Fuentes de energía. Inversores, convertidores, estabilizadores lineales y de conmutación. = Fuentes de Alimentación, Reguladores de Conmutación, Inversores y Convertidores. - 2ª ed. - M. : Postmarket, 2002. - 544 p. - ISBN 5-901095-05-7 .
Raimundo Mack. Conmutación de fuentes de alimentación. Base de diseño teórico y guía de aplicación práctica = Desmitificación de las fuentes de alimentación conmutadas. — M. : Dodeka-ΧΧΙ, 2008. — 272 p. - ISBN 978-5-94120-172-3 .
Ugryumov EP Teoría y práctica del modelado evolutivo. - 2ª ed. - San Petersburgo. : BHV-Petersburg, 2005. - P. 800. - ISBN 5-94157-397-9 .
Veresov G.P. Alimentación de equipos radioelectrónicos domésticos . - M. : Radio y comunicación, 1983. - 128 p. — 60.000 copias. Archivado el 27 de julio de 2009 en Wayback Machine .
Kostikov V. G. Parfenov E.M. Shakhnov V. A. Fuentes de alimentación de medios electrónicos. Circuitos y diseño: libro de texto para escuelas secundarias. - 2. - M. : Hot line - Telecom, 2001. - 344 p. - 3000 copias. — ISBN 5-93517-052-3 .