Entendiendo los Inversores: Guía Completa para Estudiantes de Ingeniería Eléctrica y Electrónica

Introducción:

En este artículo explicamos qué es un inversor, su función y principio de operación. Los encontrarás en instalaciones fotovoltaicas para proporcionar CA en hogares y oficinas, y en «variadores de frecuencia» para controlar velocidad, par y dirección de motores de inducción CA en ventiladores, bombas y compresores.

¿Qué es un Inversor?

Partamos de lo básico. Conoces dos tipos de energía eléctrica: Corriente Continua (CC) y Corriente Alterna (CA). La CC se usa en linternas, paneles solares, baterías y pequeños dispositivos con circuitos. Pero para electrodomésticos mayores, la electricidad funciona distinto. La toma de pared suministra CA para alimentar la casa. Ambos tipos tienen limitaciones, por lo que a menudo convertimos uno en otro para maximizar su uso.

Un inversor es un dispositivo que convierte CC en CA. Con un osciloscopio, la CC muestra una línea recta continua (flujo unidireccional, tensión máxima). La CA muestra una onda sinusoidal con tensión alternando entre pico positivo y negativo en cada ciclo; la corriente va «ida y vuelta».

Funcionamiento de un Inversor

Para entenderlo, imagina un circuito donde una fuente de CC alimenta un dispositivo de CA. Para convertir CC a CA se usan cuatro interruptores. Se emparejan de modo que cuando 1 y 4 cierran, 2 y 3 abren, y viceversa. Así, la carga experimenta corriente alterna aunque esté conectada a CC.

Cuando un par abre, la corriente fluye por un lado del dispositivo; al abrir el otro par, por el lado contrario. El dispositivo experimenta corriente alterna.

No se obtiene una onda senoidal; la conmutación brusca genera una onda cuadrada, que puede dañar el dispositivo y debe suavizarse. Para ello, los ingenieros usan diodos, IGBT, MOSFET, etc.

Uso de IGBT en Inversores:

Un IGBT (Transistor Bipolar de Puerta Aislada) es un semiconductor de tres terminales. Considera el circuito para un motor.

Hay una fuente de CC, una carga CA y varios IGBT conectados a un controlador. Cada IGBT recibe señal del controlador indicando cuándo abrir/cerrar. Los IGBT van emparejados.

Al energizar, el controlador conmuta un par de IGBT permitiendo paso de corriente por tiempo limitado, haciendo que el motor experimente corriente alterna.

Uso de Inversores para Controlar Velocidad de Motor:

Los IGBT abren/cierran de forma pulsante varias veces por ciclo (modulación por ancho de pulso, PWM). El ciclo se divide en segmentos menores y el controlador indica cuánto tiempo permanece cerrado cada IGBT en cada segmento. Así, los IGBT dejan pasar cantidades variables de corriente.

La potencia media por segmento resulta en un patrón senoidal. Cuantos más segmentos, más suave la onda seno. El motor experimenta corriente alterna sinusoidal.

El controlador regula el tiempo de conducción de cada IGBT para controlar frecuencia y longitud de onda de la señal, gobernando velocidad, par y dirección del motor.

Usos de los Inversores:

Los inversores tienen muchas aplicaciones:

• Adaptadores de coche, aplicaciones domésticas, de oficina y sistemas de red grande.
• Común en arrays fotovoltaicos.
• Integrados en Variadores de Frecuencia para controlar velocidad, par y dirección de motores CA.
• En sistemas HVAC industriales y comerciales.
• Como SAI (Sistemas de Alimentación Ininterrumpida).
• En sistemas de energía solar.
• En ventiladores centrífugos, mezcladoras, bombas, transportadores, extrusoras, etc.