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¿Qué es un INVERSOR y cómo funciona?- Onda cuadrada y Onda senoidal pura
¿Qué es un INVERSOR y cómo funciona?- Onda cuadrada y Onda senoidal pura
Los Inversores han logrado un papel esencial gracias al éxito de difusión del vehículo eléctrico, y en general de todas las tecnologías involucradas en las energías renovables.
Entonces, ¿qué es un inversor y para qué sirve?
En el mundo de la electrónica, un inversor es un dispositivo electrónico con un modo entrada y de salida que es capaz de cambiar una tensión de corriente continua de entrada a una tensión simétrica de corriente alterna de salida, con la magnitud y frecuencia deseada por el usuario.
Tal y como ya os contamos en el video anterior sobre la historia y el funcionamiento del motor eléctrico, el enchufe habitual que tenemos en nuestros domicilios abastece de corriente alterna. Se usa generalmente para alimentar dispositivos o aparatos de grandes dimensiones tal como electrodomésticos, etc.
Cuando observemos la corriente alterna, podremos apreciar un patrón en el que la tensión va alternando entre sus picos máximos y mínimos simétricos, pasando por un valor nulo.
La corriente alterna se podría comparar con el nivel del mar, y sus condiciones opuestas de marea alta y marea baja. Durante el recorrido a niveles de marea extremos, el agua del par tendrá que fluir por niveles intermedios, en los que también tendrá que cambiar de dirección.
En cambio, las baterías comunes abastecen de corriente continua, y representan el ejemplo típico de generadores de corriente de tensión continua. Su principal característica es presentar una polaridad fija en sus abrazaderas, llamado comúnmente como polo positivo y negativo. Este tipo de corriente es usada mayormente por dispositivos como tarjetas electrónicas, paneles solares, etc.
En teoría, la corriente continua se mantiene siempre en máxima tensión, y su flujo discurre siempre en una dirección única siguiendo una línea recta. Como analogía, podríamos imaginarnos un rio, o un canal que fluye continuamente en línea recta, siguiendo una sola dirección y con un flujo constante.
Es por esta razón que encontramos varios tipos de inversores en el mercado. JAES ofrece en su catálogo una amplia selección de inversores de los principales fabricantes.
Una clase de Inversor más compleja resulta necesaria cuando estos están integrados dentro de variadores de frecuencia, o dentro de unidades de control de velocidad, usadas para el control de la velocidad, el par y la dirección de los motores de corriente alterna.
Tal y como pudimos observar en el video anterior, donde cubrimos la dimensión de las bombas centrífugas, una manera práctica para cambiar la rotación del propulsor de la bomba sería usar un convertidor de frecuencia y mantener inalterados los parámetros de diseño.
Así pues, es muy común encontrar inversores para el control de bombas, ventiladores, compresores y básicamente cualquier aparato que genere rotación.
Como podemos visualizar en esta animación, el inversor esta acoplado a un rectificador, entonces la corriente alterna es convertida en corriente continua, y después de nuevo en corriente alterna. Lo más interesante, es que los drivers internos van a cambiar la frecuencia y en consecuencia la forma de la onda sinusoidal. Esta configuración va a permitir el control preciso del rendimiento del motor conectado a una carga mecánica como un compresor, etc.
En este video descubriremos cómo obtener corriente eléctrica senoidal pura de salida a partir de una corriente continua de entrada.
La corriente alterna invierte regularmente su dirección. Es por ello que el valor medio de la corriente alterna durante un ciclo es cero.
Antes de proceder con la construcción de la onda senoidal, veamos qué es una onda cuadrada.
En este diseño 3D, podemos contemplar la reconstrucción de un circuito con 4 interruptores y una tensión de acceso. Este circuito es conocido como Puente de Diodos. La salida está representada entre los puntos A y B.
Para facilitar el análisis de este circuito, sustituyamos esta carga por esta carga hipotética.
En este caso, el modo de entrada está representado por una pila común, mientras esto es la carga hipotética.
Como podemos observar, hay un flujo de corriente solo si los interruptores 1 y 3 están conectados, mientras 2 y 4 están desconectados. Ahora, basta con invertir y observar el flujo de corriente.
Está claro que, en este caso, el flujo de corriente es opuesto, al igual que la tensión de salida a través de la carga.
Esta es la técnica de base que produce una onda cuadrada alterna.
La frecuencia de la corriente alterna en nuestros domicilios es de 50 Hertzios, esto significa que vamos a tener que encender y apagar el interruptor 100 veces por segundo, lo que resulta imposible de hacer de forma manual, o usando interruptores mecánicos.
Es por esta razón, que van a entrar en juego los interruptores con semiconductor, los transistores MOSFET. Estos transistores son capaces de hacer la función de encendido y apagados miles de veces por segundo usando señales de control. Estas señales pueden ajustar adecuadamente el encendido y apagado de los transistores.
Entonces, ¿qué es un inversor y para qué sirve?
En el mundo de la electrónica, un inversor es un dispositivo electrónico con un modo entrada y de salida que es capaz de cambiar una tensión de corriente continua de entrada a una tensión simétrica de corriente alterna de salida, con la magnitud y frecuencia deseada por el usuario.
Tal y como ya os contamos en el video anterior sobre la historia y el funcionamiento del motor eléctrico, el enchufe habitual que tenemos en nuestros domicilios abastece de corriente alterna. Se usa generalmente para alimentar dispositivos o aparatos de grandes dimensiones tal como electrodomésticos, etc.
Cuando observemos la corriente alterna, podremos apreciar un patrón en el que la tensión va alternando entre sus picos máximos y mínimos simétricos, pasando por un valor nulo.
La corriente alterna se podría comparar con el nivel del mar, y sus condiciones opuestas de marea alta y marea baja. Durante el recorrido a niveles de marea extremos, el agua del par tendrá que fluir por niveles intermedios, en los que también tendrá que cambiar de dirección.
En cambio, las baterías comunes abastecen de corriente continua, y representan el ejemplo típico de generadores de corriente de tensión continua. Su principal característica es presentar una polaridad fija en sus abrazaderas, llamado comúnmente como polo positivo y negativo. Este tipo de corriente es usada mayormente por dispositivos como tarjetas electrónicas, paneles solares, etc.
En teoría, la corriente continua se mantiene siempre en máxima tensión, y su flujo discurre siempre en una dirección única siguiendo una línea recta. Como analogía, podríamos imaginarnos un rio, o un canal que fluye continuamente en línea recta, siguiendo una sola dirección y con un flujo constante.
Es por esta razón que encontramos varios tipos de inversores en el mercado. JAES ofrece en su catálogo una amplia selección de inversores de los principales fabricantes.
Una clase de Inversor más compleja resulta necesaria cuando estos están integrados dentro de variadores de frecuencia, o dentro de unidades de control de velocidad, usadas para el control de la velocidad, el par y la dirección de los motores de corriente alterna.
Tal y como pudimos observar en el video anterior, donde cubrimos la dimensión de las bombas centrífugas, una manera práctica para cambiar la rotación del propulsor de la bomba sería usar un convertidor de frecuencia y mantener inalterados los parámetros de diseño.
Así pues, es muy común encontrar inversores para el control de bombas, ventiladores, compresores y básicamente cualquier aparato que genere rotación.
Como podemos visualizar en esta animación, el inversor esta acoplado a un rectificador, entonces la corriente alterna es convertida en corriente continua, y después de nuevo en corriente alterna. Lo más interesante, es que los drivers internos van a cambiar la frecuencia y en consecuencia la forma de la onda sinusoidal. Esta configuración va a permitir el control preciso del rendimiento del motor conectado a una carga mecánica como un compresor, etc.
En este video descubriremos cómo obtener corriente eléctrica senoidal pura de salida a partir de una corriente continua de entrada.
La corriente alterna invierte regularmente su dirección. Es por ello que el valor medio de la corriente alterna durante un ciclo es cero.
Antes de proceder con la construcción de la onda senoidal, veamos qué es una onda cuadrada.
En este diseño 3D, podemos contemplar la reconstrucción de un circuito con 4 interruptores y una tensión de acceso. Este circuito es conocido como Puente de Diodos. La salida está representada entre los puntos A y B.
Para facilitar el análisis de este circuito, sustituyamos esta carga por esta carga hipotética.
En este caso, el modo de entrada está representado por una pila común, mientras esto es la carga hipotética.
Como podemos observar, hay un flujo de corriente solo si los interruptores 1 y 3 están conectados, mientras 2 y 4 están desconectados. Ahora, basta con invertir y observar el flujo de corriente.
Está claro que, en este caso, el flujo de corriente es opuesto, al igual que la tensión de salida a través de la carga.
Esta es la técnica de base que produce una onda cuadrada alterna.
La frecuencia de la corriente alterna en nuestros domicilios es de 50 Hertzios, esto significa que vamos a tener que encender y apagar el interruptor 100 veces por segundo, lo que resulta imposible de hacer de forma manual, o usando interruptores mecánicos.
Es por esta razón, que van a entrar en juego los interruptores con semiconductor, los transistores MOSFET. Estos transistores son capaces de hacer la función de encendido y apagados miles de veces por segundo usando señales de control. Estas señales pueden ajustar adecuadamente el encendido y apagado de los transistores.
La forma de la onda cuadrada representa la primera aproximación de la salida senoidal.
Se puede reconocer fácilmente a los antiguos inversores de ondas cuadradas a causa de su clásico zumbido durante su funcionamiento. Lo mismo sucede con ventiladores u otros aparatos que utilizan potencias de onda cuadrada, puesto que a menudo sus componentes internos se calientan mucho.
En cambio, los inversores modernos producen una onda senoidal pura de salida. Veamos en detalle como lo hacen.
La técnica se llama PWM (del inglés Pulse Width Modulation) es decir Modulación por Ancho de Pulsos.
El objetivo de la modulación por ancho de pulsos es simple:
Se genera un impulso cuadrado de ancho temporal y de tensión variable de manera a componer una forma muy similar a una senoidal.
Ésta es ahora la parte más complicada: ¿Qué ocurre si medimos estos impulsos durante un corto intervalo de tiempo? Os sorprenderá ver que la forma promedia de los impulsos parece muy similar a la curva senoidal.
En esta situación, ¿cómo podemos emitir estos impulsos? ¿Cómo conseguimos encontrar una manera práctica para extrapolar un promedio?
Veamos ahora cómo se ponen en marcha estos impulsos en un inversor. Para esta finalidad se emplean los comparadores.
Los comparadores cotejan una onda senoidal con ondas triangulares. Un comparador usa una onda senoidal y el otro comparador usa una onda sinusoidal invertida. El primer comparador controla los interruptores i1 y i2, mientras que el segundo comparador controla los interruptores i3 y i4.
Los interruptores i1 y i2 establecen el nivel de tensión en el punto A, mientras que los otros dos interruptores establecerán el nivel de tensión en el punto B. Por ello, se puede ver que la bifurcación de salida de un comparador está equipado con un razonamiento exclusivo. Esto significa que cuando i1 esté abierto, i2 estará cerrado y al revés.
Todo ello significa que no vamos a poder encender nunca i1 e i2 al mismo tiempo, ya que ello causaría un cortocircuito al circuito de corriente continua.
Al encender i1, que da tensión al punto A, y encender i2, se obtendrá una tensión equivalente a cero. Lo mismo ocurrirá con el punto B.
La lógica de conmutación de la Modulación por Ancho de Pulsos es simple:
Cuando el valor de la onda senoidal es superior al de la onda triangular, el comparador emite un señal, de lo contrario el señal es cero.
Contemplemos ahora la variación de tensión. La señal de control de 1 enciende el MOFET. Se nos ensenan los impulsos de tension emitidos en el punto A.
Basta con aplicar la misma lógica de conmutación, y observar los impulsos de tension generados en el punto B.
Desde el momento que estemos trazando la tensión de salida entre el punto A y B, se podrá obtener la tension neta de la diferencia entre A y B.
Éste es el tren de impulsos que necesitamos para crear esta onda senoidal. Cuanto más pequeña y precisa sea la onda triangular, más preciso será el tren de impulsos.
La pregunta es ahora: ¿cómo logramos implementar de manera practica el promedio, para volverlo perfectamente potencia eléctrica alterna sinusoidal?
Pues se usan elementos pasivos reactivos como inductores y condensadores para suavizar la forma de onda de la potencia. A estos elementos se les llama filtros pasivos.
Los inductores actúan sobre la corriente, mientras que los condensadores actúan sobre la tension. Es la combinación entre estos componentes pasivos que forma los susodichos filtros. Estos toman el rumbo de la onda más gradual, y reducen el curso a escala no típica de las conversiones de Modulación por Ancho de Pulsos.
La tecnología Inverter que os hemos estado explicando hasta ahora se compone de dos únicos niveles de voltaje.
Pero ¿qué sucedería si usáramos un nivel de tension alternativo?
Esto nos daría una mejor aproximación a la onda senoidal y nos llevaría a una reducción del error instantáneo.
Tecnologías de alta precisión como las turbinas eólicas y los vehículos eléctricos emplean esta tecnología Inverter de varios niveles.
Los inversores usados en los coches eléctricos tienen una frecuencia y un ancho modulables, para así poder ajustar la velocidad y la potencia del vehículo.
Si este video te fue útil, rogamos nos lo haga saber dejando un like y un comentario. Además, agradeceríamos que lo compartiera. No se olviden de suscribirse al canal y les recomendamos de visitar nuestra página web www.jaescompany.com para estar al corriente de nuestros proyectos futuros.
Se puede reconocer fácilmente a los antiguos inversores de ondas cuadradas a causa de su clásico zumbido durante su funcionamiento. Lo mismo sucede con ventiladores u otros aparatos que utilizan potencias de onda cuadrada, puesto que a menudo sus componentes internos se calientan mucho.
En cambio, los inversores modernos producen una onda senoidal pura de salida. Veamos en detalle como lo hacen.
La técnica se llama PWM (del inglés Pulse Width Modulation) es decir Modulación por Ancho de Pulsos.
El objetivo de la modulación por ancho de pulsos es simple:
Se genera un impulso cuadrado de ancho temporal y de tensión variable de manera a componer una forma muy similar a una senoidal.
Ésta es ahora la parte más complicada: ¿Qué ocurre si medimos estos impulsos durante un corto intervalo de tiempo? Os sorprenderá ver que la forma promedia de los impulsos parece muy similar a la curva senoidal.
En esta situación, ¿cómo podemos emitir estos impulsos? ¿Cómo conseguimos encontrar una manera práctica para extrapolar un promedio?
Veamos ahora cómo se ponen en marcha estos impulsos en un inversor. Para esta finalidad se emplean los comparadores.
Los comparadores cotejan una onda senoidal con ondas triangulares. Un comparador usa una onda senoidal y el otro comparador usa una onda sinusoidal invertida. El primer comparador controla los interruptores i1 y i2, mientras que el segundo comparador controla los interruptores i3 y i4.
Los interruptores i1 y i2 establecen el nivel de tensión en el punto A, mientras que los otros dos interruptores establecerán el nivel de tensión en el punto B. Por ello, se puede ver que la bifurcación de salida de un comparador está equipado con un razonamiento exclusivo. Esto significa que cuando i1 esté abierto, i2 estará cerrado y al revés.
Todo ello significa que no vamos a poder encender nunca i1 e i2 al mismo tiempo, ya que ello causaría un cortocircuito al circuito de corriente continua.
Al encender i1, que da tensión al punto A, y encender i2, se obtendrá una tensión equivalente a cero. Lo mismo ocurrirá con el punto B.
La lógica de conmutación de la Modulación por Ancho de Pulsos es simple:
Cuando el valor de la onda senoidal es superior al de la onda triangular, el comparador emite un señal, de lo contrario el señal es cero.
Contemplemos ahora la variación de tensión. La señal de control de 1 enciende el MOFET. Se nos ensenan los impulsos de tension emitidos en el punto A.
Basta con aplicar la misma lógica de conmutación, y observar los impulsos de tension generados en el punto B.
Desde el momento que estemos trazando la tensión de salida entre el punto A y B, se podrá obtener la tension neta de la diferencia entre A y B.
Éste es el tren de impulsos que necesitamos para crear esta onda senoidal. Cuanto más pequeña y precisa sea la onda triangular, más preciso será el tren de impulsos.
La pregunta es ahora: ¿cómo logramos implementar de manera practica el promedio, para volverlo perfectamente potencia eléctrica alterna sinusoidal?
Pues se usan elementos pasivos reactivos como inductores y condensadores para suavizar la forma de onda de la potencia. A estos elementos se les llama filtros pasivos.
Los inductores actúan sobre la corriente, mientras que los condensadores actúan sobre la tension. Es la combinación entre estos componentes pasivos que forma los susodichos filtros. Estos toman el rumbo de la onda más gradual, y reducen el curso a escala no típica de las conversiones de Modulación por Ancho de Pulsos.
La tecnología Inverter que os hemos estado explicando hasta ahora se compone de dos únicos niveles de voltaje.
Pero ¿qué sucedería si usáramos un nivel de tension alternativo?
Esto nos daría una mejor aproximación a la onda senoidal y nos llevaría a una reducción del error instantáneo.
Tecnologías de alta precisión como las turbinas eólicas y los vehículos eléctricos emplean esta tecnología Inverter de varios niveles.
Los inversores usados en los coches eléctricos tienen una frecuencia y un ancho modulables, para así poder ajustar la velocidad y la potencia del vehículo.
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