Explicación

11.1 Tipos de inversores (voltaje y corriente)

Figura 2
Inversor de un Toyota Prius. Imagen obtenida de http://alternativefuels.about.com/od/researchdevelopment/a/inverterconverters.htm
Solo para fines educativos

En la figura 2 observa el inversor utilizado en un Toyota Prius, el cual recibe el voltaje de las baterías y lo modifica para que pueda utilizarse en el motor del vehículo, a continuación se explicarán los fundamentos de esta conversión.

En un semiciclo el nodo positivo de la fuente alimenta el nodo superior de la carga, esto es que los nodos se conectan directamente. En el siguiente semiciclo, el nodo positivo de la fuente se conecta ahora con el nodo inferior de la carga, por lo que se cruzan los cables en esta conexión. Este proceso continua indefinidamente intercambiando las conexiones entre los nodos de la carga y la fuente. De esta manera el voltaje a la salida presenta el comportamiento mostrado en la figura 3.

Figura 3

Aquí se observa como la magnitud del voltaje de la fuente se mantiene, sólo que el sentido se invierte a la mitad del ciclo. Además se observa claramente como la fuente está conformada únicamente por su componente de directa, mientras que el voltaje de salida se compone solamente por la de alterna. Es importante considerar que para que el enunciado anterior se mantenga, la parte negativa y positiva de la salida deben mantener la misma forma de onda, de manera que las áreas bajo la curva se cancelen entre sí.

Los elementos que realizan las funciones que se describieron aquí forman parte del bloque intermedio de la figura 1 y se conocen como circuitos inversores, el análisis de estos se mostrará a continuación.

Una vez explicado el principio de funcionamiento básico de un inversor, ahora se presentan los dos tipos de inversores, de voltaje y corriente. En la figura 4 se observa cual es la configuración de un inversor de voltaje monofásico.

Figura 4
Fuente: Rashid, M. (2004). Electrónica de potencia: circuitos, dispositivos y aplicaciones (3ª ed.). México: Pearson Educación.

Como se explicó anteriormente, se logra un voltaje de alterna al cambiar el sentido del voltaje sobre la carga. En el semiciclo positivo se activan las compuertas Q1 y Q2, esto hace que la corriente pueda fluir sobre estas y se presente un voltaje positivo (utilizando la convención de signos mostrada en la figura 4. La parte negativa se logra desconectando las compuertas anteriores y activando Q3 y Q4, por lo que ahora se presenta un voltaje de la misma magnitud pero en sentido contrario. En ocasiones se desea tener lapsos intermedios con valores de cero, los cuales se logran al poner en corto circuito ambas terminales de la carga, esto es, logrando que la diferencia de voltaje que se presenta en los nodos de la carga sea cero, este valor se puede obtener activando Q1 y Q3 o Q2 y Q4 simultáneamente. Por último, es importante tomar en cuenta que si se activarán Q1 y Q4 o Q2 y Q3 al mismo tiempo, se produciría un corto circuito en la carga, por lo que la fuente de poder que administra el voltaje se podría dañar, por lo que es fundamental evitar ese tipo de combinaciones en el circuito.

Ahora bien, ya que se ha descrito el funcionamiento del circuito es normal preguntarse, ¿Cuál es la función que tienen los diodos? Bueno, como sabes, las cargas inductivas no permiten cambios bruscos de corriente, por lo que al cerrar las compuertas en cierta combinación, la corriente almacenada buscará continuar su flujo por donde le sea posible. Este camino es contemplado por los diodos. Te invito a analizar el flujo que se presenta en cada sentido.

Existen también aquellos inversores enfocados al control de la corriente de la carga, estos presentan una estructura similar en puente H (conocido así por la forma de “H” que toma el convertidor monofásico, apoyarse en esta visualización con la figura 4). Sólo que en esta ocasión, para que la corriente deje de circular por la carga, la corriente circula por las dos compuertas de una misma rama. Dado que este tipo de estructuras no son tan comunes, se invita al estudiante interesado a investigar acerca de este y otros tipos de estructuras inversoras de voltaje.

11.2 Parámetros de desempeño

Como se ha visto con otros inversores, para medir el desempeño de un convertidor es necesario establecer criterios que definan el nivel de funcionamiento del mismo. Por esto, para los inversores de voltaje se tienen los siguientes parámetros:

Haz clic en cada concepto para ver a detalle.

Valor rms del voltaje y corriente de salida

Como su nombre lo indica, hace referencia al valor efectivo de estas señales.

Valor rms de la componente fundamental de voltaje y corriente de salida

De igual manera que el punto anterior, pero en esta ocasión se dejan de lado las armónicas que pueda contener la señal, ya que no se desean el sistema por los efectos nocivos que pueden tener sobre las cargas.

Potencia de salida de la componente fundamental

Tomando en cuenta los valores fundamentales, puedes obtener la potencia que realiza trabajo sobre el la carga.

Distorsión armónica total

En este parámetro se busca ver que tanto difiere la señal de una senoidal, que es la forma de onda ideal que se quisiera tener. Este valor se obtiene con la siguiente ecuación

Factor armónico

Este valor representa el peso que tiene la armónica n con respecto a la fundamental, se obtiene por

Armónica de menor orden

Esta indica la primer armónica después de la fundamental con un valor mayor al 3% de la fundamental, esta nos indica la armónica que tendrá un mayor impacto sobre la carga, además de que determinar cuál es esta armónica nos ayuda a determinar qué tipo de daño puede causar, como calentamiento o vibración. Normalmente este valor se obtiene con ayuda de equipos de medición que puedan mostrar el espectro de frecuencia de una señal.

11.3 Control de voltaje de inversores

A principios del tema se observaron las secuencias para poder establecer un voltaje de alterna, sin embargo no se podía controlar el voltaje de salida, ya que sólo se tenía el mostrado en la figura 3.

Se han diseñado diferentes métodos para controlar el valor a la salida de un inversor de voltaje, pero se han podido distinguir dos principales vertientes:

El control por ancho de pulso o PWM por sus siglas en inglés (Pulse Width Modulation), que utiliza pulsos de amplitudes similares pero variando la duración de los mismos.

El control por amplitud de pulso o PAM por sus siglas en inglés (Pulse Amplitude Modulation), el cual involucra el uso de pulsos mismo ancho con diferentes amplitudes.

El primero de estos es utilizado en aplicaciones de no tan alta potencia como control de máquinas eléctricas, ya que se realizan conmutaciones en alta frecuencia que causarían pérdidas más notorias en los dispositivos semiconductores. Mientras que en el segundo se manejan frecuencias más bajas pero con aplicaciones de mayor potencia como transmisión.
Es por esto que nuestro enfoque se presenta en los controles por ancho de pulso.

Como se mencionó antes, el control de voltaje por PWM se puede lograr al hacer que el pulso tenga valores de cero antes de continuar con el siguiente, por lo que para la figura 3 se tendría que al variar el voltaje podrías tener formas de onda como las que se presentan en la figura 5.

Figura 5

Donde a la duración del pulso se le conoce como δ en relación a π, el voltaje de salida de esta forma de onda puede ser encontrado con la siguiente ecuación.

Donde Vs es el voltaje de entrada. Como sabes que una forma de onda puede ser descompuesta en su fundamental y armónicas, este voltaje de salida también puede ser descrito como se muestra a continuación.

Observa que en la sumatoria sólo se presentan los números impares, esto se debe a que según las series de Fourier, si una forma de onda es simétrica, la descomposición en armónicas no presenta elementos pares. Nuestro principal interés radica comúnmente en el valor del voltaje de la fundamental, teniendo como valor efectivo.