Electrónica de potencia: Inversores y convertidores DC-DC
Introducción: El reto de la conversión de corriente
Los módulos solares están montados, la batería está lista para funcionar, el sol brilla. La base para una instalación solar está dada. Pero falta un componente importante: El inversor y sus múltiples funciones.
El reto en las instalaciones solares:
- Las células solares generan corriente continua (DC)
- Los electrodomésticos necesitan corriente alterna (AC)
- Las baterías almacenan de nuevo corriente continua (DC)
Para resolver esto se emplea electrónica de potencia. En este artículo descubrirá cómo funcionan los diferentes componentes.
Visión general: Componentes de electrónica de potencia
Tanto en la tecnología solar como en todos los dispositivos modernos, nada funciona sin electrónica de potencia. Para instalaciones solares y baterías se emplean diversos componentes, cada uno con funciones específicas en la conversión de corriente:
| Componente | Función |
|---|---|
| Inversor | DC → AC (continua a alterna) |
| Rectificador | AC → DC (alterna a continua) |
| Elevador (Boost) | Tensión DC baja → Tensión DC alta |
| Reductor (Buck) | Tensión DC alta → Tensión DC baja |
| BMS | Sistema de gestión de batería |
Unidireccional y bidireccional
Estos componentes pueden ser unidireccionales (en una dirección) o bidireccionales (en ambas direcciones):
- Unidireccional: Solo posible de continua a alterna
- Bidireccional: Ambas direcciones posibles (¡importante para almacenamiento por batería!)
El inversor: Corazón de la instalación solar
Los inversores convierten la corriente continua generada por los módulos solares en corriente alterna. Esto ocurre mediante interruptores controlados electrónicamente, los llamados interruptores de potencia.
Principio de funcionamiento: El "troceado"
- La corriente continua se conecta y desconecta muy rápidamente
- Mediante diferentes duraciones de conmutación se crea un patrón
- De los valores medios de los "trocitos de corriente continua" surge corriente alterna
- La frecuencia es normalmente de 50 Hz (Europa)
El resultado es corriente alterna conforme a la red, adecuada para todas las aplicaciones domésticas.
Funciones importantes del inversor
Además de la pura conversión de corriente, los inversores modernos asumen otras tareas importantes para el funcionamiento seguro y eficiente de la instalación solar:
| Función | Descripción |
|---|---|
| Sincronización con la red | Frecuencia y fase se ajustan a la red |
| Protección anti-isla | Desconecta en caso de fallo de red (protección del personal) |
| Limitación de potencia | Limitación por software (p. ej., regla del 70%) |
| Monitorización | Vigilancia y diagnóstico de fallos |
Rendimiento
Los inversores modernos alcanzan un rendimiento del 96–98%. Las pérdidas se producen por:
- Pérdidas de conmutación en los semiconductores
- Autoconsumo de la electrónica
- Generación de calor
El rectificador: La contraparte
Un rectificador es lo opuesto al inversor: Convierte corriente alterna en corriente continua.
Principio de funcionamiento
En la rectificación se "recorta" parcialmente la corriente alterna:
- Solo se utilizan los "picos" positivos de la corriente alterna
- La media da una corriente continua aproximadamente constante
- La conmutación de alta frecuencia suaviza el resultado
Aplicación en instalaciones solares
Los rectificadores se necesitan cuando:
- Una batería acoplada en AC se carga desde la red
- Se quiere almacenar temporalmente exceso de electricidad de la red
Convertidores DC-DC: Ajustar la tensión
Los convertidores DC-DC (convertidores de corriente continua) modifican el nivel de tensión de la corriente continua sin convertirla en corriente alterna.
Elevador (Boost-Converter)
Convierte baja tensión en alta tensión.
Estructura:
- Fuente de baja tensión
- Bobina
- Diodo
- Interruptor de potencia
- Condensador
Principio de funcionamiento:
- Interruptor cerrado: La corriente fluye por la bobina, se acumula campo magnético
- Interruptor abre: El campo magnético colapsa, genera corriente
- Condensador se carga: La tensión elevada se almacena en el condensador
Este proceso se repite a muy alta frecuencia para obtener una tensión estable.
Reductor (Buck-Converter)
Convierte alta tensión en baja tensión.
Principio de funcionamiento:
- Interruptor cerrado: La corriente fluye hacia la bobina y el condensador
- Interruptor abre: El campo magnético colapsa, la polaridad cambia
- Carga alternante: Mediante cambios constantes de polaridad surge una tensión más baja
Convertidor DC-DC bidireccional (Buck-Boost)
Combina ambas funciones – puede elevar y reducir la tensión. Importante para:
- Carga de batería en diferentes estados de carga
- Adaptación a tensión variable de los módulos solares
Entender los componentes
Para mejor comprensión, aquí los componentes más importantes:
Bobina
Un conductor eléctrico enrollado que:
- Genera un campo magnético cuando fluye corriente
- Permite que la corriente siga fluyendo brevemente al interrumpir
Analogía: Como una rueda de agua inerte que sigue girando después de cerrar el agua.
Diodo
Deja pasar la corriente solo en una dirección. Funciona como una válvula antirretorno.
Condensador
Almacena energía en forma de campo eléctrico. Consiste en dos placas metálicas enfrentadas. Sirve como almacenamiento intermedio para tensión estable.
Interruptor de potencia
Interruptores electrónicos basados en semiconductores:
- Velocidad de conmutación extremadamente alta
- Tamaño reducido
- Controlados por corriente de mando
MPPT: Máxima potencia de la instalación solar
El Maximum-Power-Point-Tracker (MPPT) suele estar integrado en el inversor. Su función: obtener siempre la máxima potencia de la instalación solar, independientemente del tiempo o la carga.
¿Por qué es necesario?
La potencia eléctrica es: P = U × I (Tensión × Corriente)
Cada módulo solar tiene una curva característica individual que cambia por:
- Sombreado
- Cambios de temperatura
- Irradiación variable
El algoritmo "Perturb and Observe"
- La tensión se aumenta o reduce ligeramente (perturbación)
- Se mide el cambio de potencia resultante (observación)
- ¿Fue mayor la potencia? → Continuar en esa dirección
- ¿Fue menor? → Cambiar de dirección
Así el MPPT encuentra continuamente el punto de máxima potencia – incluso con condiciones cambiantes.
Sistema de gestión de batería (BMS)
Los almacenamientos de batería modernos disponen de un sistema inteligente de regulación y monitorización para un funcionamiento seguro.
Funciones principales del BMS
El BMS cumple numerosas funciones imprescindibles para el funcionamiento seguro y duradero de la batería:
| Función | Descripción |
|---|---|
| Monitorización | Tensión, corriente, temperatura de cada celda |
| Equilibrado de celdas | Carga uniforme de todas las celdas |
| Detección de estado | Calcular SoC, SoH, SoP |
| Protección | Contra sobrecarga, sobrecalentamiento, cortocircuito |
| Comunicación | Enviar datos a otros sistemas |
Indicadores importantes de la batería
El BMS monitoriza diversos indicadores que informan sobre el estado actual de la batería. Estas abreviaturas estandarizadas se encuentran frecuentemente en documentación técnica:
| Abreviatura | Significado | Pregunta |
|---|---|---|
| SoC | State of Charge | ¿Cuánto está cargada la batería? |
| SoH | State of Health | ¿Cuán sana está la batería? |
| SoP | State of Power | ¿Cuánta potencia puede entregar? |
| SoS | State of Safety | ¿Cuán cerca del límite de seguridad? |
| SoF | State of Function | ¿Cuán funcional está la batería? |
El BMS monitoriza estos indicadores continuamente y decide sobre medidas para la continuidad del funcionamiento.
Conclusión
En resumen: La electronica de potencia es el vinculo entre modulos solares, bateria y red domestica. Los inversores convierten DC en AC, los rectificadores inversamente AC en DC. Los convertidores DC-DC ajustan niveles de tension, el MPPT optimiza la produccion y el BMS protege la bateria. Sin estos componentes no seria posible ninguna instalacion solar moderna.
¿Que sucede cuando todas las funciones se reunen en un solo dispositivo? Mas informacion en el articulo El todoterreno: Inversor hibrido.
La serie completa "Almacenamiento de energía para instalaciones solares"
- De ancas de rana a baterías: ¿Cómo funciona un almacenamiento de energía? – Fundamentos
- Litio vs. Plomo: ¿Qué batería para la instalación solar? – Comparación de tecnologías
- Electrónica de potencia: Inversores y convertidores DC-DC – Está aquí
- El todoterreno: Inversor híbrido – Todo en un dispositivo
- ¿AC o DC? Topologías de sistemas para instalaciones solares – Conceptos de instalación
Fuentes
- Peter Hofmann: Hybridfahrzeuge (Springer Vienna, 2010)
- SMA: Solar-Wechselrichter Grundwissen
- HTW Berlin: Effizienz Hybridwechselrichter
- Elektronik-Kompendium: Grundlagen