La historia del convertidor.
A fines de la década de 1800, el electricista pionero estadounidense Thomas Edison (1847–1931) dejó su laboratorio para demostrar que la corriente continua (DC) es una mejor manera de suministrar electricidad que la corriente alterna (AC), que era un nuevo sistema compatible su rival serbio Nikola Tesla (1856-1943). Edison intentó todo tipo de formas inteligentes para convencer a las personas de que la CA es demasiado peligrosa: desde la electrolimpieza del elefante hasta el uso de corriente alterna en una silla eléctrica para controlar la pena de muerte. A pesar de esto, el sistema de Tesla ganó ese día, y desde entonces el mundo ha estado trabajando bastante en la red eléctrica.
El único problema es que, aunque muchos de nuestros dispositivos están diseñados para funcionar con corriente alterna, los generadores de baja potencia a menudo producen una constante. Esto significa que si desea ejecutar algo como un gadget alimentado con CA desde una batería de CC en una casa móvil, necesita un dispositivo que convierta CC a un inversor de CA, como se le llama.
Electricidad AC y DC
Cuando los profesores de ciencias explican la idea básica de la electricidad como una corriente de electrones, generalmente hablan de la corriente continua (CC). Descubrimos que los electrones son un poco como una línea de hormigas que va junto con paquetes de energía eléctrica al igual que las hormigas llevan hojas. Esta es una buena analogía para algo como una linterna básica, donde tenemos un circuito (un circuito eléctrico continuo) que conecta la batería, la lámpara y el interruptor, y la energía eléctrica se transporta sistemáticamente de la batería a la lámpara hasta que se agota toda la energía de la batería.
En grandes electrodomésticos, la electricidad funciona de manera diferente. La fuente de alimentación, que proviene de la toma de corriente de la pared, se basa en la corriente alterna (CA), donde la electricidad cambia en la dirección de 50-60 veces por segundo (es decir, a una frecuencia de 50-60 Hz). Es difícil entender cómo AC produce energía cuando cambia constantemente de opinión acerca de a dónde va. Si los electrones que salen del tomacorriente de pared caen unos pocos milímetros por el cable, entonces necesita invertir la dirección y regresar, ¿cómo llegan a la lámpara de la mesa para que se ilumine?
La respuesta es en realidad bastante simple. Imagina que hay electrones entre la lámpara y la pared. Al hacer clic en un interruptor, todos los electrones que llenan el cable vibran de un lado a otro en los filamentos de la lámpara, y esta combinación rápida convierte la energía eléctrica en calor y la lámpara se enciende. Los electrones no tienen que girar en un círculo para transferir energía: en la UA, simplemente "funcionan en su lugar".
¿Qué es un inversor?
Uno de los legados de Tesla (y su socio comercial George Westinghouse, jefe de Westinghouse Electrical Company) es que la mayoría de los dispositivos que tenemos en nuestros hogares están diseñados específicamente para operar con energía de CA. Los dispositivos que necesitan corriente continua pero que consumen electricidad de una toma de CA necesitan un equipo adicional, llamado rectificador, generalmente de componentes electrónicos, llamados diodos, para convertir la CA en CC.
El inversor hace el trabajo opuesto, y es bastante fácil de entender su esencia. Supongamos que tiene una batería en la linterna y el interruptor está cerrado, por lo que DC siempre fluye a lo largo del circuito en la misma dirección que el auto de carreras alrededor de la pista. Ahora, si extrae la batería y la gira, suponiendo que sea de una manera diferente, es casi seguro que todavía dará luz y no notará ninguna diferencia en la iluminación que reciba, pero la corriente eléctrica fluirá de manera opuesta.
Supongamos que tenías brazos rápidos como un rayo y que fueran lo suficientemente ágiles para girar la batería 50-60 veces por segundo. Entonces se convertiría en un tipo de inversor mecánico , convirtiendo la potencia de CC de la batería en corriente alterna a una frecuencia de 50–60 Hz.
Por supuesto, los inversores que compra en tiendas de electricidad no funcionan así, aunque algunos de ellos son realmente mecánicos: usan interruptores electromagnéticos que cambian rápidamente a la dirección actual. Los inversores como este a menudo producen una llamada salida rectangular: la corriente fluye en una dirección, o viceversa, o cambia instantáneamente entre dos estados.
Tales cambios repentinos en la dirección son peligrosos para ciertos tipos de equipos eléctricos. Con la alimentación normal de CA, gradualmente va de un lado a otro en forma de onda sinusoidal.
Los inversores electrónicos pueden usarse para crear este tipo de salida de CA que varía suavemente desde una entrada de CC. Usan componentes electrónicos, llamados inductores y condensadores, para aumentar y disminuir la corriente de salida que la señal de salida nítida y rectangular de encendido / apagado que se obtiene con un inversor básico.
Los inversores también pueden usarse con transformadores para cambiar un cierto voltaje de entrada de CC a un voltaje de salida de CA completamente diferente (mayor o menor), pero la potencia de salida siempre debe ser menor que la potencia de entrada. De la ley de conservación de la energía se desprende que un inversor y un transformador no pueden producir más energía de la que consumen, y se debe perder algo de energía en forma de calor, ya que la electricidad fluye a través de varios componentes eléctricos y electrónicos. En la práctica, la eficiencia del inversor a menudo supera el 90 por ciento, aunque la física básica nos dice que parte de la energía, sea la que sea, siempre se pierde en algún lugar.
Principio de funcionamiento del dispositivo.
Imagina que tienes una batería de CC y alguien te da una bofetada en el hombro y te pide que produzcas una alternativa en su lugar. ¿Cómo lo harías? Si toda la corriente que genera fluye en una dirección, ¿qué le parece agregar un simple interruptor a su salida? Encender y apagar la corriente puede proporcionar rápidamente pulsos de CC que podrían hacer al menos la mitad del trabajo. Para hacer la CA correcta, necesitará un interruptor que le permita cancelar completamente la corriente y hacerlo entre 50 y 60 veces por segundo. Visualízate a ti mismo como una batería humana que cambia los contactos de ida y vuelta más de 3000 veces por minuto.
De hecho, un inversor mecánico antiguo se reduce a una unidad de conmutación conectada a un transformador. Y dado que los dispositivos electromagnéticos que cambian la corriente alterna de bajo voltaje a la corriente de alto voltaje o viceversa, utilizan dos bobinas de alambre (llamadas primarias y secundarias) alrededor de un núcleo de hierro común.
En un inversor mecánico, el motor eléctrico o algún otro mecanismo de conmutación automática invierte la corriente entrante de ida y vuelta básicamente al cambiar los contactos y genera alternancia en el modo secundario. El dispositivo de conmutación funciona de la misma manera que en un timbre eléctrico. Cuando la alimentación está encendida, magnetiza el interruptor, lo saca y lo apaga muy rápidamente. El resorte devolverá el interruptor nuevamente al encenderlo, y luego repetirá el proceso una y otra vez.
La frecuencia de conmutación se establece mediante las señales de control generadas por el circuito de control (controlador). El controlador también puede resolver tareas adicionales:
- Regulación de la tensión.
- Sincronización de la frecuencia de conmutación de las teclas.
- Protéjalos de la sobrecarga.
Clasificación inversor
Los inversores pueden ser muy grandes y masivos, especialmente si tienen paquetes de baterías incorporados, por lo que pueden trabajar de forma autónoma. También generan mucho calor, por lo que tienen grandes radiadores (aletas de metal) y, a menudo, ventiladores de refrigeración. Los inversores más pequeños son cajas más portátiles del tamaño de una radio de automóvil que puede enchufar en una toma de encendedor de cigarrillos para producir CA para cargar computadoras portátiles o teléfonos móviles.
Al igual que los dispositivos difieren en la potencia que consumen, los inversores difieren en la potencia que producen. Como norma, para estar seguro, necesitará un inversor, diseñado para un cuarto por encima de la potencia máxima del dispositivo que desea usar. Esto sugiere que algunos aparatos (por ejemplo, refrigeradores y congeladores o lámparas fluorescentes) consumen la máxima potencia cuando se encienden por primera vez. Si bien los inversores pueden proporcionar la máxima potencia durante cortos períodos de tiempo, es importante tener en cuenta que no están diseñados para funcionar a la máxima potencia durante mucho tiempo.
Por el principio de funcionamiento, los inversores se dividen en:
- Autónomo
- Inversores de tensión (AIN).
- Inversores de corriente (AIT).
- Inversores resonantes (AIR).
- Dependientes (inversores accionados por red).
Los aparatos pesados en nuestros hogares que utilizan grandes cantidades de energía (cosas como calentadores eléctricos, lámparas incandescentes, hervidores o refrigeradores) no les importa realmente qué tipo de onda reciben: todo lo que quieren es energía y cómo pueden hacerlo. mas Los dispositivos electrónicos, por otro lado, son mucho más delicados y prefieren la entrada más suave que reciben de la onda sinuidal .
Muchos inversores funcionan como dispositivos independientes con una batería que son completamente independientes de la red.- Otros, los denominados inversores interactivos de utilidad o inversores conectados a la red, están diseñados específicamente para conectarse a la red todo el tiempo. Como regla general, se utilizan para transferir electricidad desde algo como un panel solar a la red con el voltaje y la frecuencia adecuados.
Esto es genial si tu objetivo principal es crear tu propio poder. Pero esto no es tan útil si a veces desea ser independiente de la red, o necesita una fuente de alimentación de respaldo en caso de una falla, porque si su conexión a la red se interrumpe y no genera electricidad usted mismo (por ejemplo, es de noche y su energía solar). los paneles están inactivos), el inversor también está bajando y usted está completamente sin energía, independientemente de que genere su fuerza o no.
Por esta razón, algunas personas usan dispositivos bimodales o bidireccionales que pueden funcionar tanto en modo offline como en modo de red (aunque no simultáneamente). Como tienen partes adicionales, suelen ser más voluminosas y más caras.
Los dispositivos de conmutación grandes para aplicaciones de transferencia de energía, instalados antes de 1970, usaban principalmente válvulas de arco de mercurio. Los inversores modernos suelen ser de estado sólido (inversores estáticos). El método de diseño moderno incluye componentes ubicados en la configuración del puente H. Este diseño también es bastante popular entre los dispositivos de pequeños consumidores.
Utilizando la impresión 3D y los nuevos semiconductores, los investigadores del Laboratorio Nacional de Oak Ridge del Departamento de Energía crearon un inversor de energía que podría hacer que los autos eléctricos sean más livianos, más potentes y más eficientes.