Los inversores han tomado un papel prominente en el mundo tecnológico moderno debido al repentino aumento de los autos eléctricos y las tecnologías de energía renovable. Los inversores convierten la corriente continua en corriente alterna y también se utilizan en fuentes de alimentación ininterrumpidas, el control de máquinas eléctricas y la filtración de potencia activa. Este artículo te explicará cómo obtener una salida de energía eléctrica de forma puramente sinusoidal a partir de una entrada de corriente continua, de manera lógica y paso a paso.
Produciendo una corriente alterna cuadrada
Una corriente alterna periódicamente invierte su dirección, por lo que el valor promedio de una corriente alterna a lo largo de un ciclo será cero. Antes de pasar a la producción de una onda sinusoidal, veamos cómo se produce una corriente alterna cuadrada. De hecho, los inversores antiguos solían producir una simple onda cuadrada como salida. Construyamos un circuito interesante como se muestra, con cuatro interruptores y un voltaje de entrada.
Este circuito se conoce como inversor de puente completo. La salida se dibuja entre los puntos A y B para facilitar el análisis del circuito. Reemplacemos esta carga real con una carga hipotética y notemos el flujo de corriente cuando los interruptores S1 y S4 están encendidos y los interruptores S2 y S3 están apagados.
Ahora, hagamos lo contrario y observemos el flujo de corriente. Está claro que el flujo de corriente es opuesto en este caso, al igual que el voltaje de salida a través de la carga. Esta es la técnica básica que produce una corriente alterna cuadrada.
El desafío de generar una onda sinusoidal
Todos sabemos que la frecuencia de la corriente alterna disponible en nuestros hogares es de 60 Hertz, lo que significa que debemos encender y apagar el interruptor 120 veces en un segundo, lo cual no es posible de forma manual o utilizando interruptores mecánicos.
Introducimos interruptores de semiconductor como mosfets para este propósito, ya que pueden encenderse y apagarse miles de veces por segundo con la ayuda de señales de control. La salida de onda cuadrada es una aproximación de alta frecuencia de salida de onda sinusoidal.
Los inversores antiguos solían producirlos, es por eso que escuchas un zumbido cuando enciendes tu ventilador eléctrico u otros electrodomésticos utilizando energía de onda cuadrada. También calientan los equipos eléctricos. Los inversores modernos producen una salida sinusoidal pura. Veamos cómo lo logran.
Modulación por ancho de pulso
Se utiliza una técnica llamada modulación por ancho de pulso para este propósito. La lógica de la modulación por ancho de pulso es simple: generar el voltaje de corriente continua en forma de pulsos de diferentes anchos en regiones donde se necesitan amplitudes más altas, se generarán pulsos de mayor ancho.
Los pulsos para la onda sinusoidal se ven así. Ahora viene la parte complicada: ¿qué sucederá si promediamos estos pulsos en un intervalo de tiempo pequeño? Te sorprenderá ver que la forma de los pulsos promediados se parece mucho a la curva sinusoidal. Cuanto más fino sea el pulso, mejor será la forma de la curva sinusoidal.
La pregunta real es cómo generar estos pulsos y cómo promediarlos de manera práctica. Veamos cómo se implementan en un inversor real. Se utilizan dos comparadores para este propósito. Los comparadores comparan una onda sinusoidal con ondas triangulares. Un comparador utiliza una onda sinusoidal normal y el otro comparador utiliza una onda sinusoidal invertida.
El primer comparador controla los interruptores S1 y S2, y el segundo comparador controla los interruptores S3 y S4. Los interruptores S1 y S2 determinan el nivel de voltaje en el punto A y los otros dos interruptores determinan el nivel de voltaje en el punto B. Puedes ver que una rama de la salida del comparador está conectada a una puerta lógica NOT. Esto se asegurará de que cuando S1 esté encendido, S2 estará apagado y viceversa. Esto también significa que nunca podremos encender S1 y S2 al mismo tiempo, lo que causaría un cortocircuito en el circuito de corriente continua.
Encender S1 proporciona un voltaje de celda en el punto A y encender S2 proporciona un voltaje de cero en el mismo punto. Lo mismo ocurre para el punto B. La lógica de conmutación de la modulación por ancho de pulso es simple: cuando el valor de la onda sinusoidal es más alto que la onda triangular, el comparador produce una señal uno; de lo contrario, produce una señal cero.
Ahora observa la variación de voltaje en el primer comparador según esta lógica. Según esta lógica, el mosfet se encenderá y se generarán los pulsos de voltaje mostrados en el punto A. Aplica la misma lógica de conmutación y observa los pulsos de voltaje generados en el punto B.
Como estamos dibujando el voltaje de salida entre los puntos A y B, el voltaje neto será la diferencia entre A y B. Este es el tren de pulsos exacto que necesitamos para crear la onda sinusoidal. Cuanto más fino sea la onda triangular, más precisa será la forma del tren de pulsos.
Suavizando la forma de onda
Ahora la siguiente pregunta es cómo implementar el promedio de manera práctica para que sea exactamente sinusoidal. Se utilizan elementos de almacenamiento de energía como inductores y condensadores para suavizar el flujo de corriente. Se les llama filtros pasivos.
Los inductores se utilizan para suavizar la corriente y los condensadores se utilizan para suavizar el voltaje. Con un puente inversor, una buena técnica de modulación por ancho de pulso y un filtro pasivo, puedes generar un voltaje sinusoidal y operar todos tus electrodomésticos sin problemas.
Los inversores de múltiples niveles
La tecnología de inversores de varios niveles se utiliza en aplicaciones de alta precisión como turbinas eólicas y autos eléctricos. Los inversores utilizados en los autos eléctricos tienen un control inteligente de frecuencia y amplitud: la frecuencia controla la velocidad del auto eléctrico y la amplitud controla la potencia. De esta manera, los inversores actúan como el cerebro de los autos eléctricos al producir una potencia eléctrica ideal para las condiciones de conducción.
Esperamos que este artículo te haya proporcionado una buena introducción al funcionamiento de los inversores.
