Inversor autónomo THD: ¿Por qué es más crítica la «carga ligera»?

Para un inversor aislado, el punto de THD (distorsión armónica total) más desfavorable no siempre se produce a carga nominal. Con frecuencia aparece a carga ligera, también denominada «carga reducida». La razón no radica en que la carga sea mayor, sino en que la carga ligera amplifica los «errores fijos» presentes en la etapa de potencia y en el bucle de control.

1. Comprensión del THD en inversores aislados

1.1 ¿Qué es el THD?

La distorsión armónica total (THD) mide cuánto se desvía la forma de onda de voltaje de salida de una onda senoidal pura. Un THD menor indica un voltaje de salida más limpio y más senoidal.

1.2 El concepto erróneo habitual

Muchos ingenieros suponen que el THD más desfavorable se produce a carga nominal máxima, cuando el inversor entrega su potencia máxima. En realidad, la distorsión más acusada suele aparecer a carga ligera, normalmente por debajo del 10–20 % de la capacidad nominal.

1.3 Por qué la carga ligera es relevante

La distorsión armónica total (THD) en carga ligera es más crítica porque, a bajos niveles de corriente, los comportamientos no ideales en la etapa de potencia y el bucle de control no disminuyen proporcionalmente. Estos errores fijos representan una fracción mayor de la salida, lo que degrada la calidad de la forma de onda.

2. Los errores fijos representan una proporción mayor a baja corriente

2.1 Efecto del condensador del filtro de salida

El condensador del filtro de salida del inversor se carga y descarga en cada ciclo de conmutación. En carga ligera, la corriente de carga es pequeña, por lo que el voltaje del condensador no puede descender hasta cero con suficiente rapidez antes del cruce por cero.

Esto genera fácilmente una zona plana alrededor del cruce por cero y produce armónicos de bajo orden.

2.2 Voltaje de error por tiempo muerto

El tiempo muerto también provoca un voltaje de error: en carga ligera, la corriente fundamental es pequeña, por lo que el error por tiempo muerto se vuelve mayor en relación con la fundamental. Cerca del cruce por cero de la corriente, es difícil determinar la polaridad de la corriente y puede producirse una limitación en corriente nula.

2.3 No linealidad del dispositivo

La caída de tensión por conducción del dispositivo y la no linealidad del inductor de filtrado tampoco disminuyen linealmente con la corriente de carga. Por lo tanto, el mismo tiempo muerto, la caída de tensión y el efecto del condensador tienen un impacto más visible en la forma de onda a bajas corrientes.

3. Sin limitación de red — los armónicos se acoplan hacia atrás

3.1 Funcionamiento conectado a red frente a funcionamiento aislado

Cuando está conectada a la red, la red grande presenta una impedancia armónica baja. Las corrientes armónicas procedentes de cargas no lineales son absorbidas principalmente por la red, y la distorsión de tensión en el punto de acoplamiento común se mantiene reducida.

En funcionamiento aislado, el inversor debe actuar como fuente de tensión de baja impedancia por sí mismo. No existe una red externa que absorba las perturbaciones armónicas.

3.2 Interacción con cargas no lineales

Las cargas no lineales, como los rectificadores no controlados y las fuentes de alimentación conmutadas, consumen corrientes pulsantes que contienen armónicos de orden 5.º, 7.º y otros. Estas corrientes armónicas circulan a través de la impedancia de salida del inversor y generan tensión armónica en la tensión de salida.

A carga ligera, la corriente fundamental es pequeña, pero la «participación de corriente armónica» de una fuente de alimentación conmutada pequeña puede no ser pequeña. Como resultado, la distorsión de voltaje puede volverse más evidente.

Este es uno de los mecanismos fundamentales detrás de la «distorsión de forma de onda del inversor fuera de red».

4. Puntos ciegos del bucle de control a carga ligera

4.1 Ganancia armónica limitada

El bucle cerrado de voltaje normalmente tiene ganancia limitada en las frecuencias armónicas quinta y séptima. A carga ligera, la relación entre la perturbación armónica y la fundamental cambia, y el control PI convencional muestra con mayor facilidad una capacidad insuficiente de supresión.

4.2 Estrategias avanzadas de control

El control repetitivo y el control resonante pueden incrementar la ganancia en las frecuencias armónicas. Sin embargo, si no se adaptan a corrientes pequeñas a carga ligera, al bloqueo en cruce por cero y a la compensación del tiempo muerto, la DTH a carga ligera puede convertirse en un punto ciego fuera de las pruebas estándar.

4.3 Requisitos del PCS formador de red

Como fuente de tensión, un sistema de conversión de potencia formador de red (PCS) tiene una calidad de potencia que depende directamente de si su impedancia de salida a frecuencias armónicas es lo suficientemente baja y «rígida».

5. Implicaciones prácticas para los usuarios

5.1 Qué buscar al seleccionar un modelo

Al seleccionar un modelo, no se debe prestar atención únicamente a la «distorsión armónica total (THD) en carga nominal». Los sistemas aislados de la red suelen operar con carga ligera durante la noche, con tasas de carga bajas o en modo de espera.

Una pregunta más adecuada es: ¿permanece estable la forma de onda de tensión cuando la carga es ligera, no lineal o cambia entre cargas mixtas? Esto se acerca más a la experiencia real que la THD resistiva en carga completa.

5.2 Capacidad de formación de red del PCS

Para un PCS formador de red, la calidad de la forma de onda de tensión con cargas no lineales no es una función adicional. Es una capacidad básica inherente a su función como fuente de tensión.

5.3 Escenarios de aplicación

6. Conclusión

La distorsión armónica total (THD) a baja carga es más crítica porque, a baja carga, el inversor aislado pierde el «efecto de dilución» que una corriente elevada ejerce sobre los factores no ideales. Al mismo tiempo, debe asumir por sí solo la responsabilidad de la impedancia armónica de una fuente de tensión.

Al preguntar sobre la THD de un inversor aislado, no se limite a la carga nominal: pregunte si la forma de onda se mantiene estable tanto a baja carga como bajo cargas no lineales.

Esta es la verdadera pregunta detrás de la «distorsión de forma de onda en inversores aislados».

7. Preguntas Frecuentes

P: ¿Por qué es peor la THD a baja carga que a carga nominal en los inversores aislados?

A baja carga, errores fijos como la caída de tensión por tiempo muerto, la distorsión de «plano superior» del condensador y la no linealidad de los dispositivos representan una fracción mayor de la forma de onda de salida. Sin una corriente fundamental elevada que «diluya» estos efectos, la distorsión se vuelve más evidente.

P: ¿Qué debo tener en cuenta al elegir un inversor aislado respecto a la THD?

No confíe únicamente en la especificación de THD a carga nominal. Solicite al fabricante los datos de THD a cargas del 10 %, 20 % y 50 % con cargas no lineales. Esto refleja mejor las condiciones reales de funcionamiento.

P: ¿Cómo afecta la conexión a la red al rendimiento del THD?

Cuando está conectado a la red, esta proporciona una ruta de baja impedancia para las corrientes armónicas, absorbiendo eficazmente la distorsión. En modo aislado, el inversor debe gestionar por sí mismo toda la supresión de armónicos.

P: ¿Qué técnicas de control ayudan a mejorar el THD a baja carga?

El control repetitivo, el control resonante (PR) y la compensación adaptativa del tiempo muerto pueden mejorar todos ellos la supresión de armónicos. Sin embargo, deben ajustarse específicamente para condiciones de baja carga y de cruce por cero.

P: ¿Es importante el THD a baja carga en todos los sistemas aislados?

Sí. La mayoría de los sistemas aislados pasan mucho tiempo a baja carga: espera nocturna, electrónica de bajo consumo o funcionamiento parcial. Un THD deficiente a baja carga puede afectar equipos sensibles y reducir la fiabilidad del sistema.