CURSO BASICO DE INVERSORES PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO Y

CURSO BASICO DE INVERSORES. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO Y APLICACIONES FONDAMENTALES 1

INVERSORES DE POTENCIA Definición. Un Inversor (en energía eléctrica), se define como: “una máquina, aparato, o sistema que convierte energía de corriente directa en energía de corriente alterna” 2

INVERSORES DE POTENCIA Breve historia de su origen. El termino Inversor (Inverter) fue acuñado probablemente por David Prince (Ingeniero norteamericano), quien lo usó por primera vez, en la literatura pública, en un artículo para la revista GE, titulado “El Inversor”, en el año 1925. En 1925, Prince definió el Inversor como lo inverso del Rectificador. Para hacer eso el se baso en que su audiencia tenía una clara abstracción mental del Rectificador. El termino Rectificador estuvo en uso común por más de dos décadas antes de 1925. Este daba a entender cualquier aparato estacionario o conmutador giratorio para transformar corriente alterna en directa.

INVERSORES DE POTENCIA Breve historia de su origen. Los convertidores giratorios, más tarde conocidos como Convertidores Sincrónicos, estuvieron en uso por el 1892 para convertir energía alterna en energía directa. Los convertidores giratorios fueron fabricados hasta los 1950, cuando se hicieron disponibles los Diodos de Germanio. Cuando funcionaron para convertir energía de DC en energía de AC, los Convertidores Giratorios fueron apodados “Inversores Giratorios” La distinción entre Rectificador y Convertidor era a veces vaga, quizás incluso arbitraria, pero a menudo basada en el uso de partes estáticas frente a partes giratorias. 4

INVERSORES DE POTENCIA Breve historia de su origen. Aquí debemos aclarar que aun hoy en día, los Inversores empleados en los sistemas de transmisión de energía HVDC (alto voltaje de corriente directa o High Voltage Direct Current ) se confunden en su denominación con el término Convertidores de Potencia (los Inversores son la parte fundamental de los Convertidores de potencia). Además es común que muchos llaman Inversores a los Variadores de Velocidad (VSD). Aunque el inversor fue desarrollado y demostrado durante los años 1930, su completo potencial no fue realizado debido a las limitaciones que tenían tanto el Tiratrón como el Ignitron, ambos estaban sujetos a prolongados tiempos de recuperación, necesidad de recuperar la capacidad dieléctrica en la región del arco. Como resultado ellos estuvieron sujetos a fallas eléctricas. Ellos eran también sensibles a la temperatura ambiente, la orientación, y a vibraciones mecánicas.

INVERSORES DE POTENCIA Breve historia de su origen. La introducción del Tiristor, (llamado Rectificador Controlado de Silicio = “Silicon Controlled Rectifier” o SCR), en 1957 fue el mayor paso hacia la verdadera apertura del campo a la aplicación masiva de la electrónica de potencia y, en particular, al uso de Inversores de conmutación forzada. En 1960 se realizaron las primeras aplicaciones. Pero la evolución continuó y fueron satisfechas otras exigencias con la introducción de los Mosfet y los IGBt 6

INVERSORES DE POTENCIA Explicación teórica y grafica elemental Para una mejor comprensión del funcionamiento de un inversor utilizaremos el esquema de un inversor en puente tipo H

INVERSORES DE POTENCIA Explicación teórica y grafica elemental Este Inversor en Puente tipo H usa cuatro conmutadores (1, 2, 3 y 4) que son rectificadores controlados (transistores bipolares, Tiristores, Mosfet o IGBt), con sus correspondientes circuitos de disparo (aquí no representados). Cuando conmutamos 1 y 4, la corriente directa pasa por el primario del transformador de arriba hacia abajo. Cuando conmutan 2 y 3, la corriente directa pasa por el primario de abajo hacia arriba Esto da por resultado que en el secundario del trasformador se induce una corriente alterna pulsante. Los circuitos de disparo imponen la frecuencia deseada, y la relación de transformación define el voltaje en el secundario. Así tendremos en el secundario una energía eléctrica de un voltaje y una frecuencia deseada según la aplicación. 8

INVERSORES DE POTENCIA Desarrollo de los inversores. Bajo el principio explicado ha existido un gran desarrollo de las aplicaciones de los inversores, siendo una de las mayores el desarrollo de los variadores de velocidad, que es el uso mas frecuente e importante en la actualidad donde se emplean tanto los rectificadores como los inversores. Aunque se emplean también como inversores autónomos Imagen de Inversores autónomos

INVERSORES DE POTENCIA Desarrollo de los inversores. Una aplicación muy común de los inversores son las fuentes de respaldo de energía o fuentes de alimentación no interrumpibles para equipos tecnológicos conocidas como UPS, esta pueden ser de 2 tipos üSistema en “standby” El interruptor estático está encendido durante el modo normal de operación, por lo tanto, la carga es suministrada desde la línea de CA directamente, sin ningún tipo de acondicionamiento de la energía. Al mismo tiempo, el rectificador AC / DC carga la batería. Cuando se produce un corte de energía o la energía primaria está fuera de una tolerancia preestablecida, el interruptor estático se abre y el inversor DC / AC proporciona energía a la carga. El tiempo de transición desde la línea CA hasta el inversor es de ¼ de ciclo. Sus ventajas son bajo costo, diseño simple y pequeño tamaño. 10

INVERSORES DE POTENCIA üSistema en “standby” El rectificador/cargador suministra con-tinuamente alimentación de CA/CD al bus de CD. La potencia nominal de este con-vertidor debe diseñarse adecuadamente para suministrar energía a la carga y cargar el banco de baterías al mismo tiempo. Esta configuración permite un buen condicionamiento de la energía. Las principales ventajas de los UPS en línea son una tolerancia muy amplia a la variación de voltaje de entrada y regulación muy precisa de la tensión de salida. El tiempo de transferencia red-baterías es cero. Las principales desventajas de esta topo-logía son bajo factor de potencia, alto THD en la entrada y baja eficiencia. 11

INVERSORES DE POTENCIA A continuación, una representación gráfica de la configuración básica de un Variador de Velocidad , otra de las aplicaciones del empleo de inversores

INVERSORES DE POTENCIA Función de cada una de sus partes: ü Circuito Convertidor (Converter): para cambiar la alimentación comercial o industrial a DC. ü Circuito suavizador (Smoothing circuit): para suavizar la pulsación incluida en la DC (para eliminar el rizado). üCircuito Inversor (Inverter): para cambiar la DC a la AC de frecuencia variable. ü Circuito de control (Control circuit): circuito para el control principal del Inversor. üAquí debemos hacer notar que con el empleo de microprocesadores en el circuito de control, se añaden decenas de funciones que permiten parametrizar y ajustar el variador de velocidad con las prestaciones necesarias para cada aplicación. 13

INVERSORES DE POTENCIA Tendencia actual y futuro del empleo de los Inversores: Hoy en día existe la tendencia de la transmisión de Corriente Directa de alto Voltaje (High Voltage Direct Current (HVDC) Transmission). La conexión de líneas de transmisión de alto voltaje de corriente alterna tiene desventajas las cuales pueden imponer un cambia a la tecnología de DC: Ø Los elementos capacitivos e inductivos de líneas aéreas y los cables ponen límites a la capacidad y a la distancia de transmisión de las líneas de transmisión de AC Ø Esta limitación es de significado particular para los cables, fundamentalmente respecto a la distancia de transmisión Ø No es posible la conexión directa entre dos sistemas de AC con diferente frecuencia Ø La conexión directa entre dos sistemas de AC con la misma frecuencia o una nueva conexión dentro de una red sincronizada puede ser imposible debido a inestabilidad del sistema, niveles de cortocircuito demasiado altos o escenarios indeseados del flujo de potencia

INVERSORES DE POTENCIA Tendencia actual y futuro del empleo de los Inversores: Consecuentemente los ingenieros han estado comprometidos por generaciones en el desarrollo de una tecnología para la transmisión de DC como suplemento a la transmisión de AC. Y ya eso ha sido posible gracias a la evolución de los Inversores con IGBT preferiblemente para potencias de bajo rango y con Tiristores preferiblemente para potencias de alto rango. Siemens, por ejemplo, está ofertando convertidores generadores de voltaje para aplicaciones HVDC con rangos de hasta 250 MW bajo el nombre comercial de HVDCplus Power Link Universal Systems. 15

INVERSORES DE POTENCIA Tendencia actual y futuro del empleo de los Inversores: Las ventajas de la interconexión de DC sobre una interconexión de AC son: Ø La conexión de DC permite la transmisión de potencia entre redes eléctricas de diferente frecuencia o entre redes que no pueden ser sincronizadas por otras razones Ø Los parámetros inductivos y capacitivos no limitan la capacidad de transmisión o la máxima longitud de la línea aérea de DC (cable). La sección transversal del conductor se utiliza completamente porque no hay efecto superficial (skin effect) Ø Un sistema de control digital provee precisión y un control rápido del flujo de potencia activa Ø La modulación rápida de la transmisión de potencia de DC puede usarse para amortiguar oscilaciones de potencia en la red de AC y así mejorar la estabilidad del sistema

INVERSORES DE POTENCIA Otras aplicaciones: Ø Se utilizan para transformar la corriente directa tomada desde paneles solares o generadores eólicos y que se almacena en baterías, en corriente alterna para uso doméstico u otros usos. Con la batería de tu automóvil y un inversor, puedes convertir los 12 Voltios de CD en el voltaje de CA que necesitas para hacer funcionar tus equipos domésticos, este probablemente el uso más simple Ø Los inversores estáticos están siendo instalados cada vez más para cargas que requieren tensiones de CA que no se vean afectadas por interferencias de la red, por ejemplo: • Instalaciones de procesamiento de datos • Ordenadores de control de procesos • Instalaciones para seguridad aérea • Señalización y sistemas de alarma • Sistemas de telecomunicaciones • Alimentación y subestaciones