inversor de potencia

Un inversor de potencia típico requiere una fuente de alimentación de CC estable capaz de suministrar la corriente suficiente para satisfacer las necesidades de potencia del sistema. La tensión de entrada depende del diseño y la finalidad del inversor. Algunos ejemplos son:

• 12 V CC, para inversores domésticos y comerciales más pequeños que normalmente funcionan con una batería recargable de plomo-ácido de 12 V o una toma de corriente de automóvil. ^{[ 3 ]}
• 24, 36 y 48 V CC, que son estándares comunes para los sistemas de energía domésticos.
• De 200 a 400 V CC, cuando la energía proviene de paneles solares fotovoltaicos.
• De 300 a 800 V CC, cuando la energía proviene de baterías de vehículos eléctricos para alimentar los motores o en sistemas de vehículo a red.
• Cientos de miles de voltios, donde el inversor forma parte de un sistema de transmisión de energía de corriente continua de alto voltaje .

Un inversor puede producir una onda cuadrada , una onda sinusoidal , una onda sinusoidal modificada, una onda sinusoidal pulsada o una onda modulada por ancho de pulso (PWM) casi sinusoidal, según el diseño del circuito. Los tipos comunes de inversores producen ondas cuadradas o cuasi-cuadradas. Una medida de la pureza de una onda sinusoidal es la distorsión armónica total (THD). ^{[ 4 ]} Las normas técnicas para redes de distribución de energía comerciales requieren menos del 3 % de THD en la forma de onda en el punto de conexión del cliente. La norma IEEE 519 recomienda menos del 5 % de THD para sistemas conectados a una red eléctrica.

Existen dos diseños básicos para generar voltaje doméstico a partir de una fuente de CC de bajo voltaje. El primero utiliza un convertidor elevador conmutado para producir CC de mayor voltaje y luego la convierte a CA. El segundo método convierte CC a CA a nivel de batería y utiliza un transformador de frecuencia de línea para generar el voltaje de salida. ^{[ 5 ]}

onda cuadrada

Una onda cuadrada con un ciclo de trabajo del 50 % es una de las formas de onda más simples que puede producir un inversor, pero añade aproximadamente un 48,3 % de distorsión armónica total (THD) a su onda sinusoidal fundamental . ^{[ 4 ]} Por lo tanto, una salida de onda cuadrada puede producir zumbidos indeseados al conectarse a equipos de audio y es más adecuada para aplicaciones de baja sensibilidad, como iluminación y calefacción.

Onda sinusoidal

Un inversor de potencia que produce una forma de onda de CA sinusoidal de múltiples pasos se denomina inversor de onda sinusoidal . Para distinguir con mayor claridad los inversores con salidas de mucha menor distorsión que los inversores de onda sinusoidal modificada (de tres pasos), los fabricantes suelen utilizar la expresión « inversor de onda sinusoidal pura ». Casi todos los inversores de consumo que se venden como «inversores de onda sinusoidal pura» no producen una salida de onda sinusoidal suave, sino simplemente una salida menos irregular que los inversores de onda cuadrada (de dos pasos) y de onda sinusoidal modificada (de tres pasos). Sin embargo, esto no es crítico para la mayoría de los dispositivos electrónicos, ya que manejan la salida bastante bien.

Cuando los inversores de potencia sustituyen a la red eléctrica convencional, es deseable una salida de onda sinusoidal, ya que muchos productos eléctricos están diseñados para funcionar de forma óptima con una fuente de alimentación de CA de onda sinusoidal. La compañía eléctrica proporciona una onda sinusoidal, generalmente con pequeñas imperfecciones, pero a veces con una distorsión significativa.

Los inversores de onda sinusoidal con más de tres pasos en la salida de onda son más complejos y tienen un costo significativamente mayor que los de onda sinusoidal modificada (con solo tres pasos) o de onda cuadrada (un paso) con la misma capacidad de manejo de potencia. Los dispositivos de fuente de alimentación conmutada (SMPS), como las computadoras personales o los reproductores de DVD, funcionan con energía de onda sinusoidal modificada. Los motores de CA que funcionan directamente con energía no sinusoidal pueden generar calor adicional, presentar características de velocidad-par diferentes o producir más ruido audible que cuando funcionan con energía sinusoidal.

Onda sinusoidal modificada

La onda sinusoidal modificada es la suma de dos ondas cuadradas , una de las cuales se retrasa un cuarto de período con respecto a la otra. El resultado es una secuencia repetida de escalones de voltaje: cero, pico positivo, cero, pico negativo y nuevamente cero. La forma de onda de voltaje resultante se aproxima mejor a la forma de una onda sinusoidal que una sola onda cuadrada. La mayoría de los inversores de potencia de consumo económicos generan una onda sinusoidal modificada en lugar de una onda sinusoidal pura.

Si se elige la forma de onda para que sus valores de voltaje pico duren la mitad del tiempo del ciclo, la relación entre el voltaje pico y el voltaje RMS es la misma que para una onda sinusoidal. El voltaje del bus de CC puede regularse activamente, o bien se pueden modificar los tiempos de "encendido" y "apagado" para mantener el mismo valor RMS de salida hasta el voltaje del bus de CC y compensar así las variaciones de dicho voltaje. Al cambiar el ancho del pulso, se puede modificar el espectro armónico. La menor distorsión armónica total (THD) para una onda sinusoidal modificada de tres pasos es del 30 % cuando los pulsos tienen un ancho de 130 grados en cada ciclo eléctrico. Este valor es ligeramente inferior al de una onda cuadrada. ^{[ 6 ]}

La relación entre el tiempo de encendido y apagado se puede ajustar para variar la tensión RMS manteniendo una frecuencia constante mediante una técnica denominada modulación por ancho de pulso (PWM). Los pulsos de puerta generados se aplican a cada interruptor de acuerdo con el patrón desarrollado para obtener la salida deseada. El espectro armónico en la salida depende del ancho de los pulsos y de la frecuencia de modulación. Se puede demostrar que la distorsión mínima de una forma de onda de tres niveles se alcanza cuando los pulsos se extienden más de 130 grados de la forma de onda, pero la tensión resultante aún tendrá aproximadamente un 30 % de THD, superior a los estándares comerciales para fuentes de alimentación conectadas a la red. ^{[ 7 ]} Al operar motores de inducción, los armónicos de tensión generalmente no son un problema; sin embargo, la distorsión armónica en la forma de onda de corriente introduce calentamiento adicional y puede producir pares pulsantes. ^{[ 8 ]}

Numerosos aparatos eléctricos funcionan correctamente con inversores de potencia de onda sinusoidal modificada, especialmente aquellos con cargas resistivas como las bombillas incandescentes tradicionales. Los aparatos con fuente de alimentación conmutada funcionan prácticamente sin problemas, pero si incluyen un transformador de red, este puede sobrecalentarse dependiendo de su capacidad nominal.

Sin embargo, la carga puede funcionar con menor eficiencia debido a los armónicos asociados a una onda sinusoidal modificada, lo que produce un zumbido durante su funcionamiento. Esto también afecta la eficiencia del sistema en su conjunto, ya que la eficiencia de conversión nominal del fabricante no tiene en cuenta los armónicos. Por lo tanto, los inversores de onda sinusoidal pura pueden ofrecer una eficiencia significativamente mayor que los inversores de onda sinusoidal modificada.

La mayoría de los motores de CA funcionarán con inversores MSW, aunque con una reducción de eficiencia de aproximadamente un 20 % debido al contenido armónico. Sin embargo, pueden generar bastante ruido. Un filtro LC en serie sintonizado a la frecuencia fundamental podría ser útil. ^{[ 9 ]}

Una topología común de inversor de onda sinusoidal modificada, presente en inversores de potencia para el consumidor, es la siguiente: Un microcontrolador integrado conmuta rápidamente los MOSFET de potencia a alta frecuencia, aproximadamente 50  kHz. Los MOSFET se alimentan directamente de una fuente de CC de bajo voltaje (como una batería). Esta señal pasa luego por transformadores elevadores (generalmente se colocan varios transformadores pequeños en paralelo para reducir el tamaño total del inversor) para producir una señal de mayor voltaje. La salida de los transformadores elevadores se filtra mediante condensadores para generar una fuente de CC de alto voltaje. Finalmente, esta fuente de CC se modula mediante pulsos con MOSFET de potencia adicionales, controlados por el microcontrolador, para producir la señal final de onda sinusoidal modificada.

Los inversores más complejos utilizan más de dos voltajes para generar una aproximación escalonada a una onda sinusoidal. Esto permite reducir aún más los armónicos de voltaje y corriente, así como la distorsión armónica total (THD), en comparación con un inversor que utiliza únicamente pulsos alternos positivos y negativos; sin embargo, estos inversores requieren componentes de conmutación adicionales, lo que incrementa su costo.

PWM de onda casi sinusoidal

Algunos inversores utilizan modulación por ancho de pulsos (PWM) para generar una forma de onda que, tras un filtro de paso bajo, reproduce la onda sinusoidal. Estos inversores solo requieren una fuente de alimentación de CC, al igual que los diseños MSN, pero la conmutación se produce a una frecuencia mucho mayor, generalmente de varios kHz, lo que permite suavizar la variación del ancho de los pulsos y generar la onda sinusoidal. Si se utiliza un microprocesador para generar la temporización de la conmutación, se puede controlar con precisión el contenido armónico y la eficiencia.

La frecuencia de salida de CA de un inversor de potencia suele ser la misma que la frecuencia estándar de la red eléctrica, 50 o 60 hercios . Las excepciones incluyen los variadores de frecuencia para motores , donde una frecuencia variable resulta en un control de velocidad variable, y las aplicaciones aeroespaciales, donde se utilizan 400 Hz. ^{[ 10 ]}

Además, si se va a acondicionar aún más la salida del dispositivo o circuito (por ejemplo, elevándola), entonces la frecuencia puede ser mucho mayor para lograr una buena eficiencia del transformador.

La tensión de salida de CA de un inversor de potencia suele estar regulada para que sea la misma que la de la red eléctrica, normalmente 120 o 240 VCA a nivel de distribución, incluso cuando hay variaciones en la carga que alimenta el inversor. Esto permite que el inversor alimente numerosos dispositivos diseñados para la alimentación estándar de la red.

Algunos inversores también permiten seleccionar o variar continuamente el voltaje de salida.

Un inversor de potencia suele tener una potencia nominal expresada en vatios o kilovatios. Esta indica la potencia disponible para el dispositivo que alimenta y, de forma indirecta, la potencia que necesitará de la fuente de CC. Los dispositivos más pequeños, tanto de consumo como comerciales, diseñados para simular la alimentación de la red eléctrica, suelen tener una potencia de entre 150 y 3000 vatios.

No todas las aplicaciones de inversores se centran única o principalmente en el suministro de energía; en algunos casos, la frecuencia y/o las propiedades de la forma de onda son utilizadas por el circuito o dispositivo posterior.

Un inversor convierte la corriente continua (CC) procedente de fuentes como baterías o pilas de combustible en corriente alterna (CA). Esta corriente puede tener cualquier voltaje requerido; en particular, puede alimentar equipos de CA diseñados para funcionar con la red eléctrica o rectificarse para producir CC con el voltaje deseado.

Un sistema de alimentación ininterrumpida (UPS) utiliza baterías y un inversor para suministrar corriente alterna (CA) cuando no hay suministro eléctrico de la red. Cuando se restablece el suministro eléctrico, un rectificador suministra corriente continua (CC) para recargar las baterías.

Los circuitos inversores diseñados para producir un rango de voltaje de salida variable se utilizan frecuentemente en controladores de velocidad de motor. La alimentación de CC para la sección inversora puede obtenerse de una toma de corriente alterna normal o de otra fuente. Se utiliza un circuito de control y retroalimentación para ajustar la salida final de la sección inversora, que determinará la velocidad del motor que opera bajo su carga mecánica. Las necesidades de control de velocidad de motor son numerosas e incluyen: equipos industriales accionados por motor, vehículos eléctricos, sistemas de transporte ferroviario y herramientas eléctricas. (Véase también: variador de frecuencia ). Se desarrollan estados de conmutación para voltajes positivos, negativos y cero según los patrones dados en la Tabla 1. Los pulsos de puerta generados se aplican a cada interruptor de acuerdo con el patrón desarrollado y, de esta manera, se obtiene la salida.

Los inversores conectados a la red están diseñados para inyectar energía al sistema de distribución eléctrica. ^{[ 15 ]} Transfieren de forma síncrona con la línea y presentan el menor contenido armónico posible. Además, por motivos de seguridad, necesitan un mecanismo para detectar la presencia de la red eléctrica y evitar así el suministro peligroso de energía a la red durante un apagón.

Los síncronos inversores son inversores diseñados para simular un generador rotativo y pueden utilizarse para ayudar a estabilizar las redes eléctricas. Se pueden diseñar para reaccionar más rápidamente que los generadores convencionales a los cambios en la frecuencia de la red, lo que permite a los generadores convencionales responder a variaciones muy repentinas en la demanda o la producción.

Los inversores de gran tamaño, con una potencia nominal de varios cientos de megavatios, se utilizan para suministrar energía desde los sistemas de transmisión de corriente continua de alta tensión a los sistemas de distribución de corriente alterna.

Un inversor solar es un componente de equilibrio del sistema (BOS) de un sistema fotovoltaico y puede utilizarse tanto en sistemas conectados a la red como en sistemas aislados (autónomos). Los inversores solares cuentan con funciones especiales adaptadas para su uso con paneles fotovoltaicos , como el seguimiento del punto de máxima potencia y la protección anti- isla .

Los microinversores solares se diferencian de los inversores convencionales en que cada panel solar cuenta con un microinversor individual. Esto puede mejorar la eficiencia general del sistema. La energía generada por varios microinversores se combina y, a menudo, se inyecta a la red eléctrica .

En otras aplicaciones, un inversor convencional puede combinarse con un banco de baterías mantenido por un controlador de carga solar. Esta combinación de componentes se conoce comúnmente como generador solar. ^{[ 16 ]}

Los inversores solares también se utilizan en los sistemas fotovoltaicos de las naves espaciales .

Los inversores convierten la corriente alterna de baja frecuencia a corriente continua para su uso en calentamiento por inducción . Para ello, primero rectifican la corriente alterna para obtener corriente continua. El inversor transforma entonces la corriente continua en corriente alterna de alta frecuencia. Gracias a la reducción del número de fuentes de corriente continua, la estructura se vuelve más fiable y la tensión de salida presenta una mayor resolución debido al aumento del número de pasos, lo que permite alcanzar con mayor precisión la tensión sinusoidal de referencia. Esta configuración se ha popularizado recientemente en aplicaciones de alimentación de CA y variadores de velocidad. Este nuevo inversor evita la necesidad de diodos de sujeción o condensadores de equilibrio de tensión adicionales.

Existen tres tipos de técnicas de modulación con cambio de nivel, a saber:

• Disposición de oposición de fase (POD)
• Disposición de oposición de fase alternativa (APOD)
• Disposición de fase (PD)

En la transmisión de energía HVDC , la corriente alterna se rectifica y se transmite corriente continua de alta tensión a otro lugar. En el punto de recepción, un inversor en una estación convertidora HVDC transforma la energía nuevamente en corriente alterna. El inversor debe estar sincronizado con la frecuencia y la fase de la red eléctrica y minimizar la generación de armónicos.

Las armas de electrochoque y las pistolas Taser cuentan con un inversor CC/CA para generar decenas de miles de voltios de CA a partir de una pequeña batería de 9 V CC . Primero, los 9 V CC se convierten a 400–2000 V CA mediante un transformador compacto de alta frecuencia, que luego se rectifica y se almacena temporalmente en un condensador de alto voltaje hasta alcanzar un voltaje umbral preestablecido. Cuando se alcanza dicho umbral (establecido mediante un entrehierro o un TRIAC), el condensador descarga toda su carga en un transformador de impulsos que la eleva hasta su voltaje de salida final de 20–60 kV . Una variante de este principio también se utiliza en dispositivos electrónicos de destello y repelentes de insectos , aunque estos se basan en un multiplicador de voltaje con condensador para lograr su alto voltaje.

Las aplicaciones típicas de los inversores de potencia incluyen:

• Dispositivos portátiles de consumo que permiten al usuario conectar una batería , o un conjunto de baterías, al dispositivo para producir corriente alterna y alimentar diversos aparatos eléctricos como luces, televisores, electrodomésticos de cocina y herramientas eléctricas.
• Se utiliza en sistemas de generación de energía, como en compañías eléctricas o sistemas de generación solar, para convertir la corriente continua (CC) en corriente alterna (CA).
• Utilizar dentro de cualquier sistema electrónico más grande donde exista una necesidad de ingeniería para derivar una fuente de CA a partir de una fuente de CC. Por ejemplo, un dispositivo electrónico alimentado por CC puede contener un pequeño inversor para alimentar una retroiluminación electroluminiscente o fluorescente , que requiere CA de alta frecuencia,
• Conversión de frecuencia de la red eléctrica : si un usuario en un  país con una frecuencia de 50 Hz necesita una  fuente de alimentación de 60 Hz para alimentar equipos que requieren una frecuencia específica, como un motor pequeño o algunos dispositivos electrónicos, es posible convertir la frecuencia utilizando un inversor con una  salida de 60 Hz a partir de una fuente de CC, como una  fuente de alimentación de 12 V conectada a la  red eléctrica de 50 Hz.

En un circuito inversor sencillo, la alimentación de CC se conecta a un transformador a través de la toma central del devanado primario. Un relé se acciona rápidamente para permitir que la corriente fluya de regreso a la fuente de CC siguiendo dos trayectorias alternas a través de un extremo del devanado primario y luego del otro. La alternancia en la dirección de la corriente en el devanado primario del transformador produce corriente alterna (CA) en el circuito secundario.

La versión electromecánica del interruptor incluye dos contactos fijos y un contacto móvil con resorte. El resorte mantiene el contacto móvil contra uno de los contactos fijos, y un electroimán lo atrae hacia el contacto fijo opuesto. La corriente en el electroimán se interrumpe por la acción del interruptor, de modo que este conmuta rápidamente de forma continua. Este tipo de interruptor inversor electromecánico, también conocido como vibrador o zumbador, se utilizaba antiguamente en las radios de válvulas de los automóviles. Un mecanismo similar se ha empleado en timbres, zumbadores y máquinas de tatuar .

A medida que estuvieron disponibles con la potencia adecuada, los transistores y otros tipos de interruptores semiconductores se incorporaron a los diseños de circuitos inversores. Para ciertas potencias, especialmente en sistemas grandes (de varios kilovatios), se utilizan tiristores (SCR). Los SCR ofrecen una gran capacidad de manejo de potencia en un dispositivo semiconductor y se pueden controlar fácilmente en un rango de disparo variable.

El interruptor del inversor simple descrito anteriormente, cuando no está conectado a un transformador de salida, produce una forma de onda de voltaje cuadrada debido a su naturaleza simple de encendido y apagado, a diferencia de la forma de onda sinusoidal que es la forma de onda habitual de una fuente de alimentación de CA. Mediante el análisis de Fourier , las formas de onda periódicas se representan como la suma de una serie infinita de ondas sinusoidales. La onda sinusoidal que tiene la misma frecuencia que la forma de onda original se denomina componente fundamental. Las demás ondas sinusoidales, llamadas armónicos , que se incluyen en la serie tienen frecuencias que son múltiplos enteros de la frecuencia fundamental.

El análisis de Fourier se puede utilizar para calcular la distorsión armónica total (THD). La distorsión armónica total (THD) es la raíz cuadrada de la suma de los cuadrados de las tensiones armónicas dividida por la tensión fundamental:

${\displaystyle {\text{THD}}={{\sqrt {V_{2}^{2}+V_{3}^{2}+V_{4}^{2}+\cdots +V_{n}^{2}}} \over V_{1}}}$

Existen diversas topologías de circuitos de potencia y estrategias de control utilizadas en el diseño de inversores. ^{[ 17 ]} Los distintos enfoques de diseño abordan diversos problemas que pueden ser más o menos importantes según el uso previsto del inversor. Por ejemplo, un motor eléctrico en un automóvil en movimiento puede convertirse en una fuente de energía y, con la topología de inversor adecuada (puente H completo), cargar la batería del automóvil al desacelerar o frenar. De manera similar, la topología adecuada (puente H completo) puede invertir los roles de "fuente" y "carga", es decir, si, por ejemplo, el voltaje es mayor en el lado de la "carga" de CA (al agregar un inversor solar, similar a un grupo electrógeno, pero de estado sólido), la energía puede fluir de regreso a la "fuente" de CC o batería.

Basándose en la topología básica del puente H , existen dos estrategias de control fundamentales distintas: el convertidor de puente de frecuencia variable básico y el control PWM. ^{[ 18 ]} En la imagen de la izquierda del circuito del puente H, el interruptor superior izquierdo se denomina "S1", y los demás se denominan "S2, S3, S4" en sentido contrario a las agujas del reloj.

En el convertidor de puente de frecuencia variable básico, los interruptores pueden operar a la misma frecuencia que la corriente alterna (CA) de la red eléctrica. Sin embargo, la frecuencia de apertura y cierre de los interruptores determina dicha frecuencia. Cuando S1 y S4 están activados y los otros dos desactivados, la carga recibe un voltaje positivo, y viceversa. Es posible controlar el estado de activación/desactivación de los interruptores para ajustar la magnitud y la fase de la CA. También se pueden controlar para eliminar ciertos armónicos. Esto incluye controlar los interruptores para crear muescas, o regiones de estado cero, en la forma de onda de salida, o bien sumar las salidas de dos o más convertidores en paralelo desfasados ​​entre sí.

Otro método que se puede utilizar es la modulación por ancho de pulsos (PWM). A diferencia del convertidor de puente de frecuencia variable básico, en la estrategia de control PWM, solo dos interruptores, S3 y S4, pueden operar a la frecuencia del lado de CA o a cualquier frecuencia baja. Los otros dos conmutarían mucho más rápido (normalmente a 100  kHz) para generar voltajes cuadrados de la misma magnitud pero con diferente duración, lo que se comporta como un voltaje de magnitud variable en una escala temporal mayor.

Estas dos estrategias generan armónicos diferentes. En la primera, mediante el análisis de Fourier, la magnitud de los armónicos sería 4/(pi*k) (donde k es el orden de los armónicos). Por lo tanto, la mayor parte de la energía armónica se concentra en los armónicos de orden inferior. En cambio, en la estrategia PWM, la energía de los armónicos se encuentra en frecuencias más altas debido a la conmutación rápida. Sus diferentes características armónicas conllevan diferentes requisitos de THD y eliminación de armónicos. De forma similar a la "THD", el concepto de "calidad de la forma de onda" representa el nivel de distorsión causado por los armónicos. La calidad de la forma de onda de la CA producida directamente por el puente H mencionado anteriormente no sería tan buena como deseamos.

La calidad de la forma de onda puede abordarse de diversas maneras. Se pueden utilizar condensadores e inductores para filtrarla . Si el diseño incluye un transformador , el filtrado puede aplicarse al lado primario, al secundario o a ambos. Los filtros de paso bajo permiten el paso de la componente fundamental a la salida, limitando el paso de las componentes armónicas. Si el inversor está diseñado para suministrar energía a una frecuencia fija, se puede utilizar un filtro resonante . En el caso de un inversor de frecuencia variable, el filtro debe ajustarse a una frecuencia superior a la frecuencia fundamental máxima.

Dado que la mayoría de las cargas contienen inductancia, a menudo se conectan rectificadores de retroalimentación o diodos antiparalelos a través de cada interruptor semiconductor para proporcionar una ruta para la corriente máxima de carga inductiva cuando el interruptor está apagado. Los diodos antiparalelos son algo similares a los diodos de libre circulación que se utilizan en los circuitos convertidores CA/CC.

El análisis de Fourier revela que una forma de onda, como una onda cuadrada, que es antisimétrica respecto al punto de 180 grados contiene solo armónicos impares: el 3.º, 5.º, 7.º, etc. Las formas de onda con escalones de ciertas anchuras y alturas pueden atenuar ciertos armónicos inferiores a costa de amplificar los superiores. Por ejemplo, al insertar un escalón de voltaje cero entre las secciones positiva y negativa de la onda cuadrada, se pueden eliminar todos los armónicos divisibles por tres (3.º, 9.º, etc.). Esto deja solo el 5.º, 7.º, 11.º, 13.º, etc. La anchura requerida de los escalones es un tercio del periodo para cada uno de los escalones positivos y negativos, y un sexto del periodo para cada uno de los escalones de voltaje cero. ^{[ 20 ]}

Modificar la onda cuadrada como se describió anteriormente es un ejemplo de modulación por ancho de pulso (PWM). La modulación o regulación del ancho de un pulso de onda cuadrada se utiliza a menudo para regular o ajustar la tensión de salida de un inversor. Cuando no se requiere control de tensión, se puede seleccionar un ancho de pulso fijo para reducir o eliminar armónicos específicos. Las técnicas de eliminación de armónicos se aplican generalmente a los armónicos más bajos, ya que el filtrado es mucho más práctico a altas frecuencias, donde los componentes del filtro pueden ser mucho más pequeños y económicos. Los esquemas de control PWM basados ​​en múltiples anchos de pulso o portadora producen formas de onda compuestas por muchos pulsos estrechos. La frecuencia representada por el número de pulsos estrechos por segundo se denomina frecuencia de conmutación o frecuencia portadora . Estos esquemas de control se utilizan a menudo en inversores de control de motor de frecuencia variable, ya que permiten un amplio rango de ajuste de la tensión y la frecuencia de salida, a la vez que mejoran la calidad de la forma de onda.

Los inversores multinivel ofrecen otro método para la cancelación de armónicos. Proporcionan una forma de onda de salida con múltiples escalones en varios niveles de voltaje. Por ejemplo, es posible generar una onda más sinusoidal mediante entradas de corriente continua con rieles divididos a dos voltajes, o entradas positivas y negativas con una conexión a tierra central . Al conectar los terminales de salida del inversor en secuencia entre el riel positivo y tierra, el riel positivo y el negativo, el riel de tierra y el negativo, y finalmente ambos al riel de tierra, se genera una forma de onda escalonada en la salida del inversor. Este es un ejemplo de un inversor de tres niveles: los dos voltajes y tierra. ^{[ 21 ]}

Los inversores resonantes generan ondas sinusoidales mediante circuitos LC para eliminar los armónicos de una onda cuadrada simple. Normalmente, constan de varios circuitos LC resonantes en serie y en paralelo, cada uno sintonizado a un armónico diferente de la frecuencia de la red eléctrica. Esto simplifica la electrónica, pero los inductores y condensadores suelen ser grandes y pesados. Su alta eficiencia hace que este enfoque sea popular en grandes sistemas de alimentación ininterrumpida ( SAI) en centros de datos, donde el inversor funciona continuamente en modo "en línea" para evitar cualquier transitorio de conmutación en caso de pérdida de energía. (Véase también: Inversor resonante ).

Un método muy similar utiliza un transformador ferroresonante, también conocido como transformador de voltaje constante , para eliminar los armónicos y almacenar suficiente energía para mantener la carga durante algunos ciclos de corriente alterna. Esta propiedad los hace útiles en fuentes de alimentación de reserva para eliminar el transitorio de conmutación que, de otro modo, se produciría durante un fallo de alimentación mientras el inversor, normalmente inactivo, arranca y los relés mecánicos conmutan a su salida.

Los inversores trifásicos se utilizan para aplicaciones de accionamiento de frecuencia variable y para aplicaciones de alta potencia, como la transmisión de energía HVDC . Un inversor trifásico básico consta de tres interruptores monofásicos, cada uno conectado a uno de los tres terminales de carga. Para el esquema de control más básico, el funcionamiento de los tres interruptores se coordina de manera que un interruptor opere en cada punto de 60 grados de la forma de onda de salida fundamental. Esto crea una forma de onda de salida de línea a línea que tiene seis pasos. La forma de onda de seis pasos tiene un paso de voltaje cero entre las secciones positiva y negativa de la onda cuadrada, de modo que los armónicos que son múltiplos de tres se eliminan como se describió anteriormente. Cuando se aplican técnicas PWM basadas en portadora a formas de onda de seis pasos, la forma general básica, o envolvente , de la forma de onda se conserva de manera que el tercer armónico y sus múltiplos se cancelan. El propósito principal del inversor conectado a la red es suministrar energía de la red eléctrica a hogares/oficinas y alimentar la generación de energía solar a la red eléctrica ^{[ 22 ].}

Para construir inversores con mayor potencia, se pueden conectar dos inversores trifásicos de seis pasos en paralelo para obtener una mayor corriente o en serie para una mayor tensión. En ambos casos, las formas de onda de salida se desfasan para obtener una forma de onda de 12 pasos. Si se combinan inversores adicionales, se obtiene un inversor de 18 pasos con tres inversores, etc. Si bien los inversores se suelen combinar para aumentar la tensión o la corriente, también se mejora la calidad de la forma de onda.

Desde finales del siglo XIX hasta mediados del siglo XX, la conversión de corriente continua a corriente alterna se realizaba mediante convertidores rotativos o grupos electrógenos (grupos M-G). A principios del siglo XX, se empezaron a utilizar tubos de vacío y tubos de gas como interruptores en circuitos inversores. El tipo de tubo más utilizado fue el tiratrón . Para la inversión a escala de red, se utilizaron válvulas de arco de mercurio desde la década de 1950 hasta la de 1970. ^{[ 24 ]}

Los orígenes de los inversores electromecánicos explican la fuente del término inversor . Los primeros convertidores de CA a CC utilizaban un motor de CA de inducción o síncrono conectado directamente a un generador (dinamo), de modo que el conmutador del generador invertía sus conexiones en los momentos precisos para producir CC. Un desarrollo posterior es el convertidor síncrono, en el que los devanados del motor y del generador se combinan en una sola armadura, con anillos colectores en un extremo y un conmutador en el otro, y un único marco de campo. El resultado en ambos casos es entrada de CA y salida de CC. Con un grupo M-G, la CC puede considerarse generada por separado de la CA; con un convertidor síncrono, en cierto sentido, puede considerarse como "CA rectificada mecánicamente". Con el equipo auxiliar y de control adecuado, un grupo M-G o un convertidor rotativo puede funcionar en sentido inverso, convirtiendo CC en CA. Por lo tanto, un inversor es un convertidor invertido. ^{[ 25 ]}

Dado que los primeros transistores no estaban disponibles con las especificaciones de voltaje y corriente suficientes para la mayoría de las aplicaciones de inversores, fue la introducción en 1957 del tiristor o rectificador controlado de silicio (SCR) lo que inició la transición a los circuitos inversores de estado sólido .

Los requisitos de conmutación de los SCR son un factor clave en el diseño de circuitos con SCR. Los SCR no se apagan ni conmutan automáticamente al desactivarse la señal de control de puerta. Solo se apagan cuando la corriente directa se reduce por debajo de la corriente de mantenimiento mínima, que varía según el tipo de SCR, mediante algún proceso externo. En el caso de los SCR conectados a una fuente de alimentación de CA, la conmutación se produce de forma natural cada vez que se invierte la polaridad de la tensión de la fuente. Los SCR conectados a una fuente de alimentación de CC suelen requerir un mecanismo de conmutación forzada que reduce la corriente a cero cuando se requiere la conmutación. Los circuitos con SCR más sencillos emplean la conmutación natural en lugar de la forzada. Con la incorporación de circuitos de conmutación forzada, los SCR se han utilizado en los tipos de circuitos inversores descritos anteriormente.

En aplicaciones donde los inversores transfieren energía de una fuente de CC a una fuente de CA, es posible utilizar circuitos rectificadores controlados de CA a CC que operan en modo de inversión. En este modo, un circuito rectificador controlado funciona como un inversor conmutado por línea. Este tipo de operación se puede utilizar en sistemas de transmisión de energía HVDC y en el frenado regenerativo de sistemas de control de motores.

Otro tipo de circuito inversor SCR es el inversor de entrada de fuente de corriente (CSI). Un inversor CSI es el dual de un inversor de fuente de tensión de seis pasos. Con un inversor de fuente de corriente, la fuente de alimentación de CC se configura como una fuente de corriente en lugar de una fuente de tensión . Los SCR del inversor se conmutan en una secuencia de seis pasos para dirigir la corriente a una carga de CA trifásica como una forma de onda de corriente escalonada. Los métodos de conmutación del inversor CSI incluyen la conmutación de carga y la conmutación de condensadores en paralelo. Con ambos métodos, la regulación de la corriente de entrada ayuda a la conmutación. Con la conmutación de carga, la carga es un motor síncrono que funciona con un factor de potencia adelantado.

A medida que se han ido desarrollando con mayores tensiones y corrientes nominales, los semiconductores como los transistores o los IGBT , que pueden apagarse mediante señales de control, se han convertido en los componentes de conmutación preferidos para su uso en circuitos inversores.

Los circuitos rectificadores suelen clasificarse según el número de pulsos de corriente que fluyen hacia el lado de CC del rectificador por ciclo de tensión de entrada de CA. Un rectificador monofásico de media onda es un circuito de un pulso y un rectificador monofásico de onda completa es un circuito de dos pulsos. Un rectificador trifásico de media onda es un circuito de tres pulsos y un rectificador trifásico de onda completa es un circuito de seis pulsos. ^{[ 26 ]}

En los rectificadores trifásicos, a veces se conectan dos o más rectificadores en serie o en paralelo para obtener mayores tensiones o corrientes. Las entradas de los rectificadores se alimentan mediante transformadores especiales que proporcionan salidas con desfase. Esto produce una multiplicación de fases. Se obtienen seis fases con dos transformadores, doce fases con tres transformadores, y así sucesivamente. Los circuitos rectificadores correspondientes son rectificadores de 12 pulsos, rectificadores de 18 pulsos, etc.

Cuando los circuitos rectificadores controlados operan en modo de inversión, también se clasifican según el número de pulsos. Los circuitos rectificadores con un mayor número de pulsos presentan un menor contenido armónico en la corriente alterna de entrada y una menor ondulación en la tensión continua de salida. En modo de inversión, los circuitos con un mayor número de pulsos presentan un menor contenido armónico en la forma de onda de la tensión alterna de salida.

Los grandes dispositivos de conmutación para aplicaciones de transmisión de energía instalados hasta 1970 utilizaban predominantemente válvulas de arco de mercurio . Los inversores modernos suelen ser de estado sólido (inversores estáticos). Un método de diseño moderno presenta componentes dispuestos en una configuración de puente H. Este diseño también es bastante popular en dispositivos de consumo de menor escala. ^{[ 27 ] [ 28 ]}