Controlador inversor

El sistema de control del inversor consta de dos circuitos funcionales. Uno de ellos es el "generador de ondas de origen" para voltaje de CA y el otro es el "generador de CA" que produce una onda de voltaje de CA objetivo. El Generador de Ondas de Origen genera una serie de pulsos cuyas alturas son idénticas pero el generador selecciona los anchos; la serie de pulsos es "Origin Wave" para la onda de CA objetivo. La amplitud de cada pulso se decide mediante un cálculo especial que se ilustrará más adelante.
Y el generador de CA modifica la onda de origen a la onda de CA. Este circuito tiene varios pares de interruptores en su interior. Para una explicación sencilla, considere el caso en el que sólo existe un par de dos interruptores en el circuito de función. Uno de los terminales de un interruptor está conectado a una fuente de voltaje de CC (V+) y el otro interruptor, al nivel de tierra. Otros terminales de ambos interruptores están conectados entre sí, lo que constituye el terminal de salida del generador de CA. Cada interruptor está controlado por ondas de modificación de Origin Wave. Esta configuración puede producir tres niveles de voltaje como nivel de voltaje CC (V+), nivel de tierra y un nivel intermedio entre V+ y tierra.
Esta explicación está dedicada solo a dos interruptores, pero está claro que más interruptores y un control de interruptor más sofisticado crearán ondas de CA más complicadas a partir de los niveles simples de CC y GND.

Curva sinusoidal
En muchos casos, las ondas de CA objetivo serían curvas sinusoidales. Por ejemplo, un sistema de control de motor requerirá una onda sinusoidal para impulsar un motor porque las curvas sinusoidales ideales deberían proporcionar la rotación más silenciosa o el menor consumo de energía. Otro ejemplo es un acondicionador de energía que generará una onda sinusoidal de 60 Hz en las líneas eléctricas de uso comercial.
La onda de origen de la curva sinusoidal se genera de la siguiente manera.
En primer lugar, conviene hacer alguna definición. El nivel de salida máximo y mínimo del Generador de CA son +V y -V, respectivamente. Y la amplitud de la curva sinusoidal como salida es menor que el valor 2 x V.
A continuación se prepara un triángulo isósceles. La altura del triángulo es 2 x V y se repite a lo largo del eje horizontal (eje de tiempo) y la base es un intervalo de tiempo fijo. La curva sinusoidal se coloca en el gráfico junto con los triángulos en el fondo.
Comparando los valores de los triángulos con los de la curva sinusoidal, defina 'uno' si la curva sinusoidal es mayor que el triángulo y 'cero' si no. Eso obtendría una secuencia de pulsos de altura unitaria, que es la onda de origen de la curva sinusoidal.
La onda de origen (señal S) presenta el hecho de que el pulso más ancho aparece en el valor más grande de la curva sinusoidal. Para comprender mejor si los pulsos se modificarán para llenar el espacio vecino sin cambiar el área del pulso, aparece una forma de curva sinusoidal (Señal Sa). Como es fácil de imaginar, la forma se acerca más a una curva sinusoidal cuando el triángulo isósceles se vuelve más pronunciado (la base es más pequeña). Tenga en cuenta que Signal Sa no es una onda real sino una onda conceptual.
La tecnología para generar una onda como la Origin Wave, que consta de pulsos de altura constante y ancho variable, se llama PWM (Pulse Ancho Modulación). El control del inversor se realiza con tecnología PWM.

Control de retroalimentación
La función fundamental del control del inversor es que el generador Origin Wave produce una onda PWM Origin y el generador AC generará una onda sinusoidal transformada por Origin Wave. Esto no es todo en la implementación real. El sistema de control tiene en su interior un motor u otro dispositivo que en el mundo eléctrico se llamaría "carga". Cuando la carga está funcionando, distorsiona la onda sinusoidal de la salida del generador de CA; la amplitud de la onda sinusoidal puede disminuir, la fase puede cambiar ligeramente o la frecuencia puede ser inestable, etc.
Debería haber más funciones en el sistema para adquirir la curva ideal de la onda sinusoidal. Una función de monitorización de la onda de salida del generador de CA (es la entrada de la carga). A continuación, la señal monitoreada debe compararse con la forma de onda ideal. Como resultado, si la amplitud de la señal monitoreada es menor, la salida del generador de ondas de origen, los pulsos PWM, debería ser más larga y viceversa. Después de repetir este proceso, la onda de salida está bastante cerca de la onda ideal y trata de mantener la forma de onda en la misma forma.
Dicho bucle descrito anteriormente, en términos generales, se conoce también como sistema de "control de retroalimentación". Gracias al control de retroalimentación, el control del inversor se puede aplicar a una variedad de valores de carga diferentes.

Circuitos necesarios para el control del inversor.
Un circuito monitor para monitorear la salida del generador de CA, un generador de triángulo isósceles, un circuito comparador de la señal monitoreada y el triángulo isósceles (un generador de señal S), un comparador de la señal S de la señal monitoreada y la señal ideal S del ideal onda sinusoidal, un almacenamiento de la señal ideal S, un generador de pulsos PWM y, por supuesto, el propio generador de CA.
El circuito de monitoreo para la salida del generador de CA sería un convertidor AD que convierte la señal analógica monitoreada en valores digitales. Esta conversión facilita la comparación de magnitudes entre los valores de conversión y los valores del triángulo isósceles (valores digitales).
Se utiliza un circuito contador para formar el triángulo isósceles. El contador debe contar los pulsos con una frecuencia de reloj bastante rápida, y se incrementa hasta un valor de conteo predefinido y disminuye después de alcanzar el valor de conteo; lo que genera el triángulo isósceles.
La comparación se haría mediante un circuito calculador digital.
La señal S de la curva seno ideal se almacena en una memoria de almacenamiento.
Y los pulsos PWM serán generados por un circuito especial dedicado a controlar una serie de pulsos PWM.

Objetivos de control
Los principales objetivos del control electrónico del inversor de potencia son regular la tensión o corriente de salida, sincronizar con la red o la carga, minimizar la distorsión armónica y las pérdidas de conmutación, y asegurar la estabilidad y confiabilidad del sistema. Dependiendo de la aplicación y las condiciones de operación, se pueden aplicar diferentes estrategias y técnicas de control para lograr estos objetivos. Algunos de los más comunes son la modulación de ancho de pulso (PWM), el control de histéresis, la modulación de vector espacial (SVM) y el control de caída.

Métodos de control
Los métodos de control de los inversores electrónicos de potencia se pueden clasificar en dos categorías: lineales y no lineales. Los métodos de control lineal utilizan controladores de retroalimentación lineal, como controladores proporcional-integral (PI) o proporcional-integral-derivativo (PID), para regular el voltaje o la corriente de salida. Son simples y fáciles de implementar, pero tienen limitaciones en términos de robustez, ancho de banda y rendimiento dinámico. Los métodos de control no lineal utilizan controladores de retroalimentación no lineal, como el control de modo deslizante (SMC) o el control de lógica difusa (FLC), para regular el voltaje o la corriente de salida.

Bucles de control
Los bucles de control de los inversores electrónicos de potencia se pueden dividir en dos niveles: interior y exterior. El bucle de control interno es responsable de generar las señales de conmutación para los interruptores del inversor, basándose en las señales de referencia y de retroalimentación. El bucle de control externo es responsable de generar las señales de referencia para el bucle de control interno, en función del voltaje o corriente de salida deseada. El bucle de control interno normalmente opera a una frecuencia más alta que el bucle de control externo, para garantizar una respuesta rápida y precisa.

Desafíos de control
El control de inversores electrónicos de potencia enfrenta varios desafíos, como variaciones de parámetros, no linealidades, incertidumbres, perturbaciones y restricciones. Estos factores pueden afectar el rendimiento y la estabilidad del sistema y requieren técnicas de control adaptativas y robustas. Además, el control de los inversores electrónicos de potencia también implica compensaciones entre objetivos contradictorios, como la eficiencia, la calidad y la confiabilidad. Estas compensaciones requieren optimización y técnicas de control multiobjetivo.

Una forma sencilla de comprender cómo un inversor convierte energía de CC en CA es considerar el circuito del inversor como 2 pares de 2 interruptores para un total de cuatro interruptores. Los interruptores están emparejados de modo que cuando los interruptores 1 y 3 están cerrados, los interruptores 2 y 4 están abiertos. Luego, cuando 1 y 3 están abiertos, 2 y 4 están cerrados. Cada par de interruptores hará que la corriente cambie de dirección cuando esté cerrado.

En realidad, los interruptores no se utilizan en un circuito inversor. En lugar de interruptores, los transistores como los transistores bipolares de puerta aislada (IGBP) o los transistores de efecto de campo semiconductores de óxido metálico (MOSFET) funcionan como interruptores.

Esos transistores también permiten que la corriente suba y baje gradualmente a medida que se abren y cierran. Esto es necesario para que la salida de corriente tenga forma de onda sinusoidal. Si los transistores se abrieran y cerraran instantáneamente, la salida del inversor sería una onda cuadrada, que no funcionará de manera segura como corriente alterna para muchos dispositivos.

Por último, el inversor deberá aumentar el nivel de voltaje a 120 VCA. Un inversor utiliza un transformador elevador para lograrlo.