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Inverters Technology

An inverter is a device to create the AC from a DC power supply. Let's see the basic principle with the single-phase DC as the simplest example.

Inverters have become an important adjunct to electrical systems. People need and want to take their computers and other “Hi-Tech” equipment with them in their home on wheels. Adding an inverter makes the use of any electronic equipment very safe and easy.

Recreational vehicle or RV owners can choose from a variety of electronic inverters varying in capacity, technology, and price. In order to make good purchase decisions, consumers need to be aware of the different types of inverters available as well as optional features.

Inverter types can be broadly categorized as mechanical or electronic.

The mechanical type is the early motor generator, which consists of a DC motor that powers an AC generator.  The output waveform is a sine wave with low harmonic distortion. The overall efficiency is between 50% and

70%, idle power consumption is high, and surge capability is poor. DC voltage and current ripple caused by the production of AC is minimal. This type of inverter is no longer used in RV applications, but modern versions are popular in utility, trade, and emergency applications.

Electronic inverters can be further categorized by output waveform, switch type, switching technology and frequency. In order to create alternating current from direct current, the straight line 12 VDC is put through an oscillating circuit, which creates 12 volt alternating current. Other control circuits regulate the frequency of the oscillating AC current to 60 cycles per second. The AC output may be square wave, modified square wave (modified sine wave), multi-step sine wave, or sine wave. A special waveform described as semi sine wave is also possible, but it is not usually seen in RV applications.

The earliest switches used to oscillate 12 VDC were mechanical vibrators. Essentially oscillating mechanical relays, they were inefficient and unreliable, but there were no alternatives until the development of semiconductors (transistors) in the 1960s.

Silicon Controlled Rectifiers (SCRs) were the first solid state relays and functioned as electronic latching relays.

Next, Darlington transistors were used. SCRs and Darlington transistors were far more reliable than the mechanical vibrator but had their own disadvantages. The Metal Oxide Semi-conducting Field Effect Transistor (MOSFET or FET) was the answer for switching problems. FETs have a number of advantages such as low "on" resistance, and ability to handle high current. They are easy to connect in a circuit, and they work well in parallel connections. The parallel connections increase the current carrying ability and lower the "on" resistance even more. One manufacturer describes them as ideal for medium power applications (1,000 watts to 5,000 watts). Some inverters use IGBTs (Insulated Gate Bi-Polar transistors).

These are newer, high power, low loss switching transistors.

 

Tecnología de los inversores

Un inversor es un dispositivo para crear una corriente alterna a partir de una corriente continua. Veamos el principio básico con una corriente continua de una fase única como el ejemplo más sencillo.

Los inversores se han transformado en un importante dispositivo adjunto para los sistemas eléctricos. La gente necesita y quiere tener sus computadoras y otro equipamiento de “alta tecnología” consigo en sus casas cobre ruedas. El agregado de un inversor  hace el uso de cualquier equipamiento electrónico muy seguro y fácil.

Los usuarios de vehículo recreativos (o RV) pueden elegir dentro de una variedad de inversores electrónicos variando en capacidad, tecnología y precio. A fin de hacer buenas decisiones de compra, los consumidores necesitan estar conscientes de los diferentes tipos de inversores disponibles así como las características opcionales.

Los inversores pueden ser ampliamente categorizados como mecánicos o electrónicos. El tipo mecánico es el motor generador básico, que consiste en un motor de corriente continua que energiza a un generador de corriente alterna. La salida de onda es del tipo sinusoidal con baja distorsión de armónicas. La  eficiencia del conjunto está entre el 50% y el 70%, el consumo sin carga es elevado, y la capacidad de transitorios es baja. El voltaje de corriente continua y el rizado causado por la producción de corriente alterna en mínima. Este tipo de inversor no se usa mas en aplicaciones de vehículo recreativo, pero las versiones modernas son populares en utilitarios, comercio, y aplicaciones de emergencia.

Los inversores electrónicos pueden además ser categorizados por la forma de onda de salida, tipo de conmutación, tecnología de conmutación y frecuencia. A fin de crear una corriente alterna a partir de una corriente continua, una línea directa de 12 V de corriente continua es pasada por un circuito oscilador, el que crea una corriente alterna de 12 V. Otros circuitos de control regulan la frecuencia de la corriente alterna oscilante a 60 ciclos por segundo (ó 50 ciclos por segundo según el país en que se encuentre). La salida de corriente alterna puede ser una onda cuadrada, onda cuadrada modificada (onda senoidal modificada), onda senoidal de varios pasos u onda senoidal. Una forma de onda especial descripta como onda semi senoidal es también posible, pero esta no es usualmente vista en aplicaciones de vehículo recreativo.

Los primeros conmutadores  usados para hacer oscilar una corriente de 12 V eran vibradores mecánicos. Esencialmente relés mecánicos oscilantes, estos eran ineficientes y no confiables, pero no había alternativas hasta el desarrollo de los semiconductores (transistores) en los 1960s. Los rectificadores controlados de silicio (SCRs) fueron los primeros relés de estado sólido y funcionaban como relés electrónicos biestables.

A continuación, fueron usados los transistores Darlington. Los transistores Darlington y los SCR fueron mucho más confiables que los vibradores mecánicos pero tenían sus propias desventajas. El transistor semiconductor de efecto de campo de metal óxido (MOSFET o FET) fue la respuesta a los problemas de conmutación. Los FET tienen un número de ventajas tales como baja resistencia en estado de conducción, y la habilidad de manejar elevadas corrientes. Son fáciles de conectar en un circuito, y trabajan bien con conexiones paralelas. Las conexiones paralelas incrementan aún más la habilidad de transporte de corriente y la baja resistencia en conducción. Un fabricante los describe como ideales para aplicaciones de potencia media (1.000 a 5.000 vatios). Algunos inversores usan IGBTs (transistores de compuerta bipolar aislada).

Hay en la actualidad transistores más nuevos, de alta potencia y bajas pérdidas de conmutación.

A common circuit topology referred to as "push-pull" is used to produce a square wave output - Una topología común de circuitos conocida como "push-pull" es usada para producir una salida de ondas cuadradas.

Figure1. Push-pull topology. Square Wave Output. Topología "push-pull". Salida de onda cuadrada.

Temas relacionados : Inversores de potencia

Switch Types

There are two main types of switching topologies: Push-Pull and H Bridge. (Note: the term "topology" refers to design layout or landscape).

The Push-Pull (Figure 1) uses a transformer with a center tap attached to the battery positive. Two transistor switches connect the windings of the transformer to the battery negative.

Tipos de conmutador.

Hay dos tipos principales de topologías de conmutación: Push-Pull (por su designación conocida en Inglés) y puente H. (Nota: el término “topología“se refiere a la distribución de diseño o aspecto). El Push-Pull (figura 1) usa un transformador con una derivación central adjunta al positivo de la batería. Dos conmutadores o llaves a transistor conectan los bobinados del transformador al negativo de la batería.

Figure 2. H-Bridge Topology - Topología puente H

Figure 2.A - Method to create AC - Método para crear corriente alterna

Figure 2.B - 1Hz AC waveform - Forma de onda de corriente alterna de 1Hz

Figure 2.C - Frequency - Frecuencia

Figure 2.D Voltage waveform of E/2 --- Figure 2.E. Method to change voltage

Figura 2.D Forma de onda del voltaje E/2 --- Figura 2.E. Método para cambiar el voltaje

 

The transistors alternately close in a flip-flop pattern every 8 milliseconds. This changes the direction of the current 120 times per second and creates 60-cycle alternating current. This type of circuit is suitable for a square wave inverter. When used in a modified sine wave inverter, a special transformer with an additional winding to provide "off" time shorting must be added. In addition, an extra transistor switch is needed to activate the shorting winding. Heart Interface products do not use this tertiary winding. Off time is accomplished by shorting the primary winding.

In figure 2A., when the switches S1 and S4 are turned ON, the current flows in the lamp in the direction of A.

When the switches S2 and S3 are turned ON, the current flows in the lamp in the direction of B.

If these operations are repeated by a certain period, the AC is created since the direction of the current flowing in the lamp alters.

Method to change frequency: In figure 2A. The frequency changes by changing the period to turn ON and OFF the switches S1 to S4.

For example, if the switches S1 and S4 are turned ON for 0.5 second and S2 and S3 for 0.5 second and this operation is repeated, the AC with one alternation per second, i.e., the AC with a frequency of 1[Hz] is created. (Figure 2.B)

Generally, if S1/S4 and S2/S3 are respectively turned ON for the same period and the total time for one cycle is t0 second(s), the frequency f becomes f=1/t0 [Hz]. (Figure 2.C)

Method to change voltage : The voltage changes by turning ON and OFF the switches with a shorter period.

For example, if the switches S1 and S4 are turned ON for the half period, the output voltage is E/2, half of the DC voltage E.

To obtain a higher voltage, turn ON for the longer period. To obtain a lower voltage, turn ON for the shorter period. (Figures 2.D, 2.E)

This control method is generally used and called PWM (Pulse Width Modulation) since it controls pulse width. The frequency to be referenced to determine the time for pulse width is called a carrier frequency.

 

Los transistores alternativamente cortan en un formato flip-flop cada 8 milisegundos. Esto cambia la dirección de la corriente 120 veces por segundo y crea una corriente alterna de 60 cyclos. Este tipo de circuito es adecuado para un inversor de onda cuadrada. Cuando es usado en un inversor de onda senoidal modificada, debe ser agregado un transformador especial con un bobinado adicional para proporcionar el cortocircuito en el tiempo de corte . Adicionalmente, un transistor de conmutación extra es necesario para activar el bobinado de cortocircuito

En la figura 2A, cuando las llaves o conmutadores S1 y S4 están accionadas, la corriente fluye por la lámpara en la dirección de A.

Cuando las llaves S2 y S3 están accionadas, con corriente fluye por la lámpara en la dirección de B.

Si estas operaciones son repetidas por un cierto período de tiempo, la corriente alterna es creada dado que la dirección de la corriente fluyendo por la lámpara se altera.

Método para cambiar la frecuencia: En la figura 2A. La frecuencia cambio al cambiar el período de conducción y de corte de las llaves S1 a S4.

Por ejemplo, si las llaves S1 y S4 están accionadas por 0,5 segundos y S2 y S3 por 0,5 segundos, y esta operación es repetida, se crea una corriente alterna de una alternancia por segundo, o sea, una corriente alterna de 1 Hz. (figura 2.B)

Generalmente, si S1/S4 y S2/S3 están respectivamente conduciendo (ON) por el mismo período y el tiempo total para un ciclo es de t0 segundo(s), la frecuencia f se vuelve f=1/t0 [Hz]. (Figura 2.C).

Método para cambiar el voltaje: El voltaje cambia conectando o desconectando las llaves con un corto período. Por ejemplo, si las llaves S1 y S4 son accionadas por medio período, el voltaje de salida es E/2, o sea la mitad del voltaje de corriente continua E.

Para obtener un voltaje mas elevado, accione las llaves por un período mas largo. Para obtener un voltaje mas bajo, accione por menos tiempo. (Figuras 2.D y 2.E)

Este método de control es generalmente usado y llamado “modulación de ancho de pulso” ya que el mismo controla el ancho del pulso. La frecuencia a la que se hace referencia para determinar el tiempo para el ancho de pulso es llamada frecuencia de portadora.

Figure 3. H-Bridge Sate Diagram - Diagrama de estados del puente H

The H Bridge design (Figure 2) has four transistors that turn off and on in pairs. Since transistor pairs are used in series, current flows through two transistors and power loss doubles. This design was not used until high efficiency FETs were available. Efficiency was further improved by using FETs in parallel. With improved transistor efficiency, the H bridge offered significant advantages over the older push-pull design. The transformer requires only one primary winding and no off time shorting winding is needed. Off time shorting occurs by switching on the bottom pair of transistors.

The oscillating AC is created by switching diagonal pairs. Figure 3 displays the H Bridge switching sequence.

The H Bridge design is used with either FET or IGBT transistors and in both high and low frequency, multi-step sine wave, MSW, and sine wave inverters.

El diseño de puente H (figura 2) tiene cuatro transistores y se desconecta y conecta en pares. Dado que los pares de transistores son usados en serie, la corriente fluye a través de dos transistores y la pérdida de potencia se duplica. Este diseño no fue usado hasta que FETs de alta eficiencia estuvieron disponibles. La eficiencia fue posteriormente mejorada al usar FETS en paralelo. Con eficiencia del transistor mejorada, el puente H ofreció significativos avances sobre el antiguo diseño Push-Pull. El transformador requiere solo un bobinado primario y no hace falta bobinado de cortocircuito en tiempo de desconexión. El cortocircuito de desconexión ocurre en la conmutación en el par inferior de transistores.

La corriente alterna oscilante es creada al conmutar los pares diagonales. La figura 3 muestra la secuencia de conmutación del puente H. El diseño de puente H es usado en inversores tanto con transistores FET como IGBT, y en frecuencia alta como en baja, onda senoidal de pasos múltiples, MSW y de onda senoidal.

 

Figure 4. DC voltage ripple - 2000 watt quasi-square wave inverter/carger - Brand A. - Voltaje de rizado de corriente continua - Cargador/inversor de 2000 vatios onda semi cuadrada - Rama A.

The basic configuration of an inverter is as follows. - La configuración básica de un inversor es la siguiente.

 

Each part of an inverter has the following function:

  • Converter: Circuit to change the commercial power supply to the DC
  • Smoothing circuit:  Circuit to smooth the pulsation included in the DC
  • Inverter: Circuit to change the DC to the AC with variable frequency
  • Control circuit:  Circuit to mainly control the inverter part

Frequency

When we describe inverters as using high or low frequency design, we are referring to the switching frequency used to oscillate the 12 VDC.

Low frequency inverters create 60 cycle AC and then step-up transformers create 120 VAC, however, low frequency transformers are large and heavy. High frequency inverters oscillate the DC at frequencies ranging from 25,000 to 200,000 Hz (cycles per second). The transformers used to create 120 VAC in high frequency applications, on the other hand, are small and light weight.

Like a starter-headlight as example, an inverter draws high amperage from the battery bank; however, the draw fluctuates between zero and the maximum current. This fluctuation occurs 120 times every second. An ammeter can not reflect these rapidly pulsating changes and deceptively shows a steady draw. The pulsating draw with high transient spikes cause a corresponding voltage ripple (Figure 4) in the DC electrical system, and can cause buzzing in audio equipment, interference in radio and television reception, and interference with other electronic equipment.

High transient current spikes and ripple voltage also occur on the low frequency charger side and, based on technical testing, appear to be significant factors in the increased battery temperature elevations often encountered during charging. Reliable high output chargers with high frequency design are difficult to engineer. However, once accomplished, the high frequency chargers offer the possibility of ripple-free charging.  One of the major advantages to the high frequency sine wave design is the presence of a DC energy storage bus. The bus stores the high voltage DC used to create the 120 VAC and reduces ripple current, and therefore, the ripple voltage from the DC system. (Figure 5).

 

Cada parte de un inversor tiene la siguiente función:

  • Conversor: Es el circuito que cambia la tensión comercial de línea a corriente continua.
  • Circuito de filtrado: Es el circuito que filtra o reduce las variaciones  por pulsos incluidas en la corriente continua.
  • Inversor: Es el circuito que cambia la corriente continua a corriente alterna con la frecuencia variable.
  • Circuito de control: Es el circuito de control principal de la parte inversora.

Frecuencia

Cuando describimos los inversores usando diseño de frecuencia alta o baja, nos referimos a la frecuencia de conmutación usada para hacer oscilar los 12V de corriente continua.

Los inversores de baja frecuencia crean una corriente alterna de 60 ciclos y después transformadores elevadores crean los 120 V de corriente alterna, sin embargo, los transformadores de baja frecuencia son grandes y pesados. Los inversores de alta frecuencia hacen oscilar a la corriente continua a frecuencias que van de los 25.000 a 200.000 Hz (ciclos por segundo). Los transformadores usados para crear los 120 V de corriente alterna en aplicaciones de alta frecuencia, por otro lado, son pequeños y livianos. Como es el caso de un destellador de luz de posición del automóvil como ejemplo, un inversor extrae un elevado amperaje del banco de baterías; sin embargo, dicho consumo fluctúa entre cero y la máxima corriente. Esta fluctuación ocurre 120 veces cada segundo. Un amperímetro no puede reflejar estos cambios pulsantes tan rápidos y lamentablemente muestra una corriente estable de consumo. El consumo con elevadas alteraciones transitorias causan un correspondiente rizado de voltaje (figura 4) en el sistema eléctrico de corriente continua, y pueden producir zumbidos en el equipo de audio, interferencia en la recepción de radio y televisión, e interferencia con otro equipamiento electrónico.

Elevadas alteraciones transitorias de corriente y en el rizado del voltaje ocurren además en el lado de cargador de baja frecuencia y, basándose en ensayos técnicos, aparecen como factores significativos en incrementos de elevaciones de temperatura de la batería encontrados con frecuencia durante la carga. Cargadores con alta salida confiables con diseño de alta frecuencia son difíciles de diseñar. Sin embargo, una vez alcanzados, los cargadores de alta frecuencia ofrecen la posibilidad de cargas libres de rizado. Una de las mayores ventajas en el diseño de una onda senoidal de alta frecuencia es la presencia de un bus de almacenamiento de energía de corriente continua. El bus almacena la corriente continua de alta frecuencia usada para crear los 120 voltios de corriente alterna y reduce la corriente de rizado, y por lo tanto, el voltaje de rizado desde el sistema de corriente continua (figura 5).

 

Figure 5. DC voltage ripple - PROsine 2.5 inverter/charger - Rizado de voltaje de corriente continua para un inversor/cargador PROsine 2.5

See: INVERTERS, POWER INVERTERS in Product Catalogs

Square Wave Output

In the first electronic square wave inverters (Figure 6), the mechanical vibrator used a push pull circuit to oscillate the current. When SCR (Silicon Controlled Rectifier) became available, they replaced the mechanical vibrators but still used the push pull design. This design essentially consists of two transistors that alternately switch on and off (Figure 7). As one switch opens, the other closes, and the current through the transformer changes direction. This cycle continues and the result is a square wave alternating current (Figure 8). In a square wave inverter, peak voltage equals RMS voltage and varies directly with battery voltage. Therefore, when the battery voltage is low, the peak AC output voltage and RMS voltage are also low. This type of inverter has high harmonic distortion (50%) and marginal efficiency (60% to 80%). A square wave inverter often cannot properly power electronic equipment and motors tend to run hotter. Surge capability ranges from poor to good depending upon other design features.

Salida de onda cuadrada.

En los primeros inversores electrónicos con onda cuadrada (figura 6), el vibrador mecánico usaba un circuito push-pull para hacer oscilar la corriente. Cuando el rectificador controlado de silicio (SCR) se volvió disponible, estos reemplazaron a los vibradores mecánicos pero aún usaban en diseño push-pull. El diseño esencialmente consiste en dos transistores que alternativamente se conectan y desconectan (figura 7). Cuando una llave se abre, la otra se cierra, y la corriente a través del transformador cambia de dirección.

Este ciclo continúa y el resultado es una corriente alternante de onda cuadrada  (figura 8). En un inversor de onda cuadrada, el voltaje de pico se iguala al voltaje RMS y varía directamente con el voltaje de la batería. Por lo tanto, cuando el voltaje de batería es bajo, el pico de voltaje de corriente alterna y el voltaje RMS también son bajos. Este tipo de inversor tiene una elevada distorsión armónica (50%) y una eficiencia marginal (60% a 80%). Un inversor de onda cuadrada no puede alimentar apropiadamente un equipamiento electrónico y los motores tienden es calentarse. La capacidad a los transitorios va desde pobre a buena dependiendo de otros factores de diseño.

Figure 6. The following topologies are based in low frequency switching of the low voltage DC side, applying the resulting DC pulses to a step-up transformer. Two common topologies are the push-pull, and the H-Bridge. The push-pull topology is suitable for production of square and modified square output waveforms, while the H-Bridge es useful for producing modified square wave and sine wave outputs.

The general flow of a low frequency transformer based inverter is shown by the figure below.

Las siguientes topologías están basadas en la conmutación en baja frecuencia del lado de bajo voltaje de corriente continua, aplicando los pulsos de corriente continua resultantes a un transformador elevador. Dos topologías comunes son la “push-pull”, y el puente H. La topología push-pull es adecuada para la producción de salida de formas de onda cuadrada y cuadrada modificada, mientras que el puente H es útil para producir salidas de onda cuadrada modificada y onda senoidal.

El flujo general de un transformador de baja frecuencia basado en inversor es mostrado en la figura de abajo.

 

 

Figure 7. After a period of approximately 8 ms (one half of 60 Hz AC cycle), the switches flip-flop. The top switch opens and then the bottom switch closes allowing current to flow in the opposite direction.

This cycle continues and higher voltage AC power is the result.

Luego de un periodo de aproximadamente 8 ms (una medio del ciclo de 60 Hz de corriente alterna), los conmutadores pasan a estado biestable. La llave superior se abre y luego la llave inferior se cierra permitiendo que la corriente circule en la dirección opuesta.

Este ciclo continúa y una potencia de corriente alterna de alto voltaje es el resultado.

Figure 8. Square Wave Output Wave

Salida de onda cuadrada

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