Principales tipos de convertidores de frecuencia

Principales tipos de convertidores de frecuencia

Existen diferentes métodos para ajustar la tensión de salida del convertidor de frecuencia. Se pueden usar tres procesos diferentes:

  1. Variar el voltaje del circuito intermedio Uz.
  2. Trabajar con un puente de diodos de entrada y con un chopper o troceador en la etapa intermedia Uz, de manera que se varía el voltaje en e inversor.
  3. Mediante bloques de pulsos de voltaje en el inversor.

PAM (modulación por amplitud de pulsos)

En el primer sistema de inversor, la parte de entrada consta de un puente rectificador controlado por tiristores, que hace que en el circuito intermedio la variación del valor de Uz (bus de corriente continua o bus DC) pueda ser ajustada en función del ángulo de disparo de los tiristores, con lo que se produce la tensión en valor eficaz (o RMS) justo en la salida del inversor al motor, que está formado por transistores de salida. Mediante estos transistores, y dando a cada uno el tiempo de duración de conducción apropiado, generamos la frecuencia de salida que deseamos. Esta técnica se denomina PAM (modulación por amplitud de pulsos).

La principal desventaja de este sistema es la generación de reactiva en la red, debido a que se juega con el cos de la entrada en el puente rectificador.

La segunda forma de efectuar la inversión de corriente continua a corriente alterna se basa en el uso de la entrada del variador de un puente rectificador no controlado (puente diodos). Sin embargo, se usa otra etapa intermedia de conversión, el chopper, de forma que la tensión intermedia Uz1 = constante, pero la variación se efectúa con la tensión Uz2, a la salida del chopper, mientras que la frecuencia se vuelve a variar mediante el inversor transistorizado. La ventaja frente al anterior sistema es un mejor cos, cercano a uno. Desventajas: mayores pérdidas al trabajar con otro conversor energético y respuesta dinámica más lenta. Este sistema también se denomina PAM.

PWM (modulación por anchura de pulsos)

La tercera forma de conversión es la denominada PWM (modulación por anchura de pulsos). La etapa de entrada de la red se basa en un rectificador no controlado (6 diodos normalmente), con la consiguiente mejora del cos. El circuito de etapa intermedia Uz = constante, por lo que se ejecuta una variación en la salida del puente inversor, de forma que, la tensión y la frecuencia varían proporcionalmente y, a la vez, en los transistores de salida. Usando paquetes de pulsos y efectuando una modulación entre una señal senoidal y otra triangular se consigue el efecto deseado. La amplitud de la señal senoidal nos determina el voltaje en valor eficaz (o RMS) de salida, y la frecuencia de salida es la misma que aplicamos a la salida del inversor hacia el motor. La frecuencia de la señal triangular es variable, desde unos pocos kHz hasta unos 15 kHz, y nos determina el número de conmutaciones por segundo de los transistores de salida. La respuesta dinámica del sistema es buena, ya que el proceso de frecuencia y voltaje es controlado en un mismo punto (el inversor). Las desventajas que aparecen si operamos con frecuencias altas son problemas de generación de RFI, algún calentamiento en el motor por efecto de saturación en el hierro y pérdida en el cobre. Si se reduce la frecuencia de conmutación, el problema es de ruido acústico porque la frecuencia es muy molesta al oído humano.

En este imagen se muestra el esquema básico de bloques, de cómo está construido un variador.

El puente rectificador a 50 Ha nos transforma la corriente alterna procedente de la red, en tensión directa o continua, acumulándola sobre un circuito intermedio de almacenamiento de energía, compuesto por los condensadores electrolíticos.

Después, pasa al inversor de corriente, compuesto normalmente por un puente de 6 transistores de potencia (IGBT), el cual transforma esta tensión almacenada en continua, en voltaje y frecuencia variables en alterna. Se debe usar la técnica de modulación PWM citada anteriormente mediante una lógica de conmutación adecuada sobre dichos transistores de potencia, y todo ello elaborado y vigilado por la circuiteria de control y protecciones correspondientes (usando tanto electrónica analógica como digital, mediante microcontroladores muy potentes). Ver la siguiente imagen:

En resumen, de acuerdo con todo lo dicho anteriormente, se cuentan las siguientes etapas claramente diferenciadas entre sí:

  • Puente rectificador de entrada: transforma la corriente alterna de red en continua.
  • Circuito intermedio de almacenamiento (condensadores y bobina).
  • Etapa final de salida inversora: transforma la corriente continua almacenada en corriente alterna, variable en tensión y frecuencia.

Donde U1, U2, U3son las tensiones simples respecto al polo negativo del bus DC.

U1- U2 es la tensión compuesta resultante de su diferencia, siento esta U1- 2.