El Convertidor de Frecuencia

Controlar la velocidad de un motor trifásico (ya sea un motor de inducción o un ’servo’), se basa en alterar la frecuencia de la corriente trifásica que alimenta al motor.
Existen diversas tecnologías y métodos para poder controlar el voltaje, corriente y frecuencia suministrados al motor, pero el más popular es el de la modulación de la amplitud del pulso (Pulse Width Modulation (PWM)). La mayoría de los convertidores comerciales que nos vamos a encontrar utilizan este método.
¿Qué hace un convertidor de frecuencia?
La mayoría de los convertidores de frecuencia, buscan ‘transformar’ la corriente alterna en una corriente ‘no alterna’ (es decir… prácticamente continua) y una vez transformada en continua, esta será troceada según las necesidades del motor.
El convertidor de frecuencia hace lo siguiente:

1. Rectificar la corriente alterna suministrada por la red eléctrica: L1,L2,L3.
   
2. “Almacenar” la corriente continua en el Bus de Continua (DC BUS)
   
3. Dosificar la energía “almacenada” en el Bus de continua al motor
   

El siguiente esquema es el circuito de potencia (simplificado) de un variador trifásico de alterna:


El Circuito Rectificador
Este circuito acostumbra a ser un puente de diodos y se limita a convertir las corriente trifásica en continua.
L1,L2, L3 son las bornas del variador en las que conectamos la alimentación de potencia.
PREGUNTA: ¿Puedo conectar un variador trifásico a una linea monofásica? Viendo el esquema anterior… desde el punto de vista teórico parece ser que sí… Evidentemente la potencia que le llegará al motor será inferior… En un equipo real… sinembargo… nos encontraremos con que en ocasiones no es posible…, o nos da una alarma de pérdida de ‘fase’, o… es parametrizable.
El Bus de Continua
El Bus de continua es el ‘depósito’ de energía del variador… y es normalmente accesible en las bornas del convertidor (DC +, DC -).
El esquema anterior está muy simplificado, sólo aparece un condensador para mininimizar el rizado de corriente, en realidad tenemos muchos más elementos…
El DC BUS es una parte fundamental del convertidor. Al igual que los seres humanos tenemos un máximo y un mínimo de presión arterial (ese tema… lo ‘dominan’ las abuelitas…), el convertidor, en su DC BUS ha de trabajar entre un máximo y un mínimo de voltaje.

• Por debajo del voltaje mímimo, el convertidor no es capaz de suministrar la energía necesaria al motor y normalmente debería aparecernos algun tipo de alarma de bajo voltaje.
  
• Por encima del voltaje máximo, el convertidor estaría suministrando demasiada energía al motor, aunque… esta no acostumbra a ser la causa de este fenómeno ya que… el variador, tiene sus propios sistemas de protección en el circuito rectificador y, la propia instalación . En la inmensa mayoría de ocasiones, un elevado voltaje en el DC Bus nos estará indiando que el motor esta regenerando energía hacia el variador, es decir…, el motor no trabaja como motor, sino como generador elétrico (transforma la energía mecánica del eje en energía eléctrica!) Por suerte… existen métodos y sistemas para ‘deshacernos’ del exceso de voltaje del DC BUS.
  

El Circuito Inversor
Hasta ahora, lo que hemos visto podría ser perfectamente aplicable a una fuente de alimentación AC/DC, como la que tienen nuestros ordenadores, bueno… conectada a una corriente trifásica, pero la esencia es la misma.
El circuito Inversor, es la pieza clave del convertidor de frecuencia, pues es el encargado de dosificar la energía almacenada en el DC BUS, de hecho… en la literatura anglosajona se acostumbra a designar al convertidor de frecuencia como ‘inverter’.
¿Cómo dosifica la energía el circuito inversor?
El circuito se compone de módulos transistores (con diodos en antiparalelo para permitir la regeneración). Estos transistores trabajan como conmutadores de alta frecuencia y potencia, los transistores tipo IGBT’s encajan perfectamente en esta función.
El objetivo de este circuito inversor es crear una onda de voltaje PWM.
De un modo tosco…, podríamos decir que el inversor se dedica a trocear el voltaje del DC BUS , de modo que durante un tiempo dejará que el BUS alimente una de las fases de salida y, un tiempo después conmutará a otra fase de salida y así sucesivamente.
Podemos hacer el símil un deposito de agua con tres grifos y repartieramos el agua abriendo y cerrando totalmente cada uno de los grifos en un orden y tiempo establecidos, de este modo puedo modular la salida del deposito haciendo un control ‘todo/nada’ de cada uno de los grifos.
Si en lugar de un deposito de agua hablamos del DC BUS, y los tiempos de conmutación vienen dados por un microprocesador con un patrón ordenado , trabajando a frecuencias de conmutación de de KHz … entonces… ya tenemos la ‘base’ de un convertidor de frecuencia.
El convertidor da siempre el mismo voltaje (el del DC BUS), con lo que ‘juega’ es con el tiempo, dentro de un periodo de la frecuencia deseada de alimentación del motor , en que se alimenta cada fase. La modulación PWM puede tener más o menos finura, habitualmente se utilizan modulaciones fijadas por un patron triangular o preferentemente sinusoidal para el conseguir un resultado final más suave.
¿Qué implicaciones tiene el uso de tecnlogía PWM?
El uso de variadores de frecuencia, es en realidad… una pequeña trampa… que hacemos para alimentar a un motor que en realidad (a no ser que esté diseñado para PWM) espera una señal sinusoidal de entre 50 y 60 Hz
¿Es PWM una señal sinusoidal? -No!
El voltaje PWM es una señal digital, y utilizando un osciloscopio no veremos una senoide, sino una señal bastante sucia… eso sí, con el periodo de la frecuencia sinusoidal deseada.


La onda de corriente, en cambio, debido al bobinado del motor sí que se muestra en una forma bastante parecida a una senoide.
Ruido
Los convertidores de frecuencia son una fuente de ruido electromagnético.
Se trata de de ondas conducidas de gran potencia y, por su frecuencia (en la salida del variador) son una fuente de ondas radiadas, lo que nos obligará a tener un cuidado especial a la hora de cablear y apantallar el cableado de salida de potencia de un variador.
Quizás en este post he querido explicar demasiadas cosas… , tal vez no demasiado bien, sin profundizar demasiado y con muy pocas palabras.
En la práctica (vida real) , no nos importa demasiado cómo funciona internamente un variador ni que tipo de modulación tiene, (aunque siempre es bueno saberlo) , pero…basta con que nos queden claras algunas.
CONCLUSIONES:

• El variador de frecuencia convierte la alimentación de la red a otra frecuencia basándose en la rectificación y posterior conmutación a alta frecuencia.
  
• El variador de frecuencia (a no ser que sea un MATRIX) tiene una etapa intermedia donde almacena energía llamada DC BUS, el voltaje del DC BUS es un parámetro muy importante para el funcionamiento del variador, como veremos en otros posts más adelante…
  
• El voltaje de salida de un variador no es senoidal sinó PWM (no así la corriente).
  
• Un variador de frecuencia es una potencial fuente de ruido electromagnético por lo que debermos ser muy cuidadosos en lo referente a filtros, reactancias, apantallamientos,…
  

En futuros posts, profundizaremos en algunos aspectos particulares del variador y los modos de regulación de un motor eléctrico.