Composición y principio de funcionamiento de un convertidor de frecuencia

1. Introducción

Un convertidor de frecuencia (también llamado variador de frecuencia, VFD) es un dispositivo de control de potencia que convierte una alimentación de CA de frecuencia fija en una salida de CA con frecuencia y tensión ajustables. La mayoría de los convertidores en uso hoy en día adoptan el método de conversión CA‑CC‑CA (con control VVVF o vectorial). Primero convierten la CA de red en CC mediante un rectificador, y luego convierten esa CC en una alimentación de CA con frecuencia y tensión controlables para alimentar el motor.

El circuito de un convertidor de frecuencia consta generalmente de cuatro partes: rectificador, enlace de CC, inversor y control. La sección rectificadora suele ser un puente trifásico no controlado, y la sección inversora es un puente trifásico con IGBT y salida por modulación por ancho de pulsos (PWM).

2. Circuito rectificador

2.1 Función y cometido
El circuito rectificador convierte la CA de red (típicamente 50 o 60 Hz) en CC. En los convertidores de propósito general, el rectificador es un puente trifásico. Su función es rectificar la tensión de red, que luego es filtrada por el enlace de CC para proporcionar la alimentación CC necesaria tanto para el inversor como para los circuitos de control.

2.2 Configuración y tipos
Los rectificadores comunes incluyen los no controlados (por ejemplo, con diodos) y los controlados (por ejemplo, con tiristores).

• No controlado: estructura sencilla, bajo coste, pero la tensión de salida no es ajustable.

• Controlado: la tensión de salida se puede ajustar mediante el ángulo de disparo.
  La entrada del puente rectificador recibe la alimentación trifásica a través de una red de condensadores de absorción y varistores. Esta red absorbe los armónicos de alta frecuencia y las sobretensiones transitorias de la red, protegiendo así el convertidor de daños.

2.3 Parámetros clave
Cuando la tensión de alimentación es de 380 V trifásicos, la tensión inversa máxima de los dispositivos rectificadores suele ser de 1200‑1600 V, y la corriente rectificada máxima es el doble de la corriente nominal del convertidor.

3. Enlace de CC (circuito intermedio de CC)

3.1 Función y cometido
El enlace de CC filtra y almacena energía de la salida CC rectificada. Suaviza la tensión CC pulsante y entrega una tensión estable (o suavizada) al inversor. El enlace de CC actúa como un dispositivo de almacenamiento de energía: el motor toma energía del circuito intermedio a través del inversor. Durante la desaceleración o el frenado, también puede almacenar la energía regenerativa devuelta por el motor.

3.2 Configuración y tipos
El enlace de CC suele estar formado por condensadores de filtro y bobinas (inductores). Los condensadores suavizan el rizado de la tensión, mientras que las bobinas limitan la velocidad de variación de la corriente y mejoran la estabilidad del circuito.

Existen tres tipos de circuitos intermedios:

• Convertir la tensión rectificada en corriente CC.

• Suavizar la tensión CC pulsante para el inversor.

• Transformar una tensión CC fija en una tensión CC variable.

3.3 Tipos de fuente de corriente frente a fuente de tensión
Según el elemento de almacenamiento de energía en el enlace de CC, los convertidores se clasifican en:

• Tipo de fuente de corriente – utiliza una gran inductancia como elemento de almacenamiento. La potencia reactiva es amortiguada por esta inductancia, y la energía regenerativa puede devolverse directamente a la red.

• Tipo de fuente de tensión – utiliza un gran condensador como elemento de almacenamiento. La potencia reactiva de la carga es amortiguada por el condensador, pero la energía reactiva no puede devolverse fácilmente a la red de CA.

4. Circuito inversor

4.1 Función y cometido
El circuito inversor, bajo el control de la sección de control, convierte la tensión CC del enlace de CC en una alimentación de CA con frecuencia y tensión ajustables arbitrariamente. La salida del inversor es la salida del convertidor, por lo que es uno de los circuitos centrales del convertidor de frecuencia.

4.2 Configuración y principio de funcionamiento
El circuito inversor suele estar compuesto por varios dispositivos de conmutación de potencia, como IGBT o MOSFET. Mediante el control de la activación y desactivación de estos interruptores, la potencia CC puede convertirse en CA de diferentes frecuencias y tensiones.

La topología de inversor más común es un puente trifásico con seis dispositivos de conmutación (GTR, IGBT, GTO, etc.). Conmutándolos regularmente en la secuencia adecuada, se obtiene una salida trifásica de CA a cualquier frecuencia deseada.

El circuito de control genera las correspondientes señales PWM según las consignas de frecuencia y tensión. Ajustando el ciclo de trabajo y la frecuencia de las señales PWM se regula la tensión y la frecuencia de salida de la CA.

4.3 Circuitos auxiliares
El circuito inversor siempre incorpora un circuito de libre circulación (diodos en antiparalelo), que proporciona una vía para que la energía regenerativa del motor asíncrono retorne al circuito de CC cuando disminuye la frecuencia. Además, para evitar cortocircuitos por conducción simultánea de dos interruptores del mismo brazo, los convertidores de uso general incluyen circuitos de snubber y otras protecciones auxiliares para garantizar el funcionamiento normal y proteger los dispositivos en condiciones de fallo.

Para convertidores de pequeña y mediana capacidad, los componentes del circuito principal suelen integrarse en módulos integrados o módulos de potencia inteligentes (IPM), que integran internamente el rectificador, el inversor, los sensores, los circuitos de protección y los circuitos de excitación de compuerta.

5. Circuito de control

5.1 Función y cometido
El circuito de control es la parte central del convertidor de frecuencia. Envía señales al rectificador, al enlace de CC y al inversor, y al mismo tiempo recibe señales de realimentación de estas secciones. Basándose en las entradas de control externas (por ejemplo, frecuencia deseada, tensión deseada) y las señales de realimentación (por ejemplo, velocidad del motor, corriente), el circuito de control genera las señales de conmutación para los dispositivos del inversor según un determinado algoritmo de control, logrando así un control preciso de la frecuencia y tensión de salida.

Las principales tareas del circuito de control incluyen: conmutación del inversor, regulación del rectificador y diversas funciones de protección.

5.2 Configuración y métodos de control
El circuito de control suele comprender una unidad aritmética, circuitos de detección, circuitos de entrada/salida de señales de control y circuitos de excitación de compuerta. Sus métodos de control pueden ser analógicos o digitales. Hoy en día, muchos convertidores adoptan un control totalmente digital basado en microordenador, donde el hardware se mantiene tan simple como sea posible y las diversas funciones se implementan mediante software.

Los métodos de control más comunes son:

• Control V/f – ajusta simultáneamente la frecuencia y la tensión.

• Control por frecuencia de deslizamiento – una versión mejorada del control V/f.

• Control vectorial – descompone la corriente del estator de un motor de CA en una componente generadora de flujo y otra generadora de par, controlando cada una por separado, de modo que el motor de CA alcance prestaciones de regulación de velocidad similares a las de un motor de CC.

• Control directo de par (DTC) – toma el par como variable controlada directamente; es una nueva tecnología de variación de velocidad en CA desarrollada después del control vectorial.

6. Resumen

La secuencia completa de funcionamiento de un convertidor de frecuencia puede resumirse como sigue:

1. Rectificación – la CA de red se introduce en el convertidor; el rectificador la convierte en CC pulsante.

2. Procesamiento por el enlace de CC – los condensadores de filtro suavizan la CC pulsante hasta obtener una tensión relativamente estable, al tiempo que almacenan energía.

3. Inversión – el circuito de control genera señales PWM que gobiernan la conmutación de los dispositivos del inversor, convirtiendo la CC de nuevo en CA con frecuencia y tensión ajustables.

4. Control de velocidad del motor – cambiando la frecuencia de salida de CA, se controla con precisión la velocidad del motor ($\mathrm{<span\; style="color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);\; font-family:\; arial,\; helvetica,\; sans-serif">n</span>}<span\; style="color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);\; font-family:\; arial,\; helvetica,\; sans-serif">=</span>\frac{\mathrm{<span\; style="color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);\; font-family:\; arial,\; helvetica,\; sans-serif">60</span>}\mathrm{<span\; style="color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);\; font-family:\; arial,\; helvetica,\; sans-serif">f</span>}}{\mathrm{<span\; style="color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);\; font-family:\; arial,\; helvetica,\; sans-serif">p</span>}}$.  donde $\mathrm{<span\; style="color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);\; font-family:\; arial,\; helvetica,\; sans-serif">f</span>}$ es la frecuencia de alimentación y $\mathrm{<span\; style="color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);\; font-family:\; arial,\; helvetica,\; sans-serif">p</span>}$ el número de pares de polos del motor).

Estas cuatro secciones trabajan conjuntamente para realizar la función esencial del convertidor de frecuencia: transformar la alimentación de red de frecuencia fija en una fuente de CA con frecuencia y tensión regulables.