El proveedor de la unidad de retroalimentación le recuerda que, desde la aparición de los motores de inducción automáticos, los generadores de CA ya han experimentado el funcionamiento con frecuencia variable. Cambie la velocidad del generador y ajuste su frecuencia de salida. Antes de la aparición de los transistores de alta velocidad, esta era una de las principales formas de modificar la velocidad del motor; sin embargo, debido a que la velocidad del generador reducía la frecuencia de salida en lugar del voltaje, la variación de frecuencia era limitada.
Por lo tanto, echemos un vistazo a los componentes del convertidor de frecuencia y veamos cómo funcionan realmente juntos para cambiar la frecuencia y la velocidad del motor.
Componentes del inversor - rectificador
Debido a la dificultad de cambiar la frecuencia de las ondas sinusoidales de CA en modo CA, la primera tarea de un convertidor de frecuencia es convertir la forma de onda en CC. Para que parezca CA, es relativamente fácil operar en CC. El primer componente de todos los convertidores de frecuencia es un dispositivo llamado rectificador o convertidor. El circuito rectificador del convertidor de frecuencia convierte la corriente alterna en corriente continua, y su modo de funcionamiento es prácticamente el mismo que el de un cargador de batería o una máquina de soldadura por arco. Utiliza un puente de diodos para restringir la onda sinusoidal de CA y evitar que se mueva en una sola dirección. El resultado es que la forma de onda de CA completamente rectificada es interpretada por el circuito de CC como una forma de onda de CC local. Un convertidor de frecuencia trifásico acepta tres fases de entrada de CA independientes y las convierte en una única salida de CC.
La mayoría de los convertidores de frecuencia trifásicos también admiten alimentación monofásica (230 V o 460 V), pero debido a que solo tienen dos ramas de entrada, la potencia de salida (HP) del convertidor de frecuencia debe reducirse debido a que la corriente continua generada se reduce proporcionalmente. Por otro lado, un inversor monofásico auténtico (un inversor monofásico que controla un motor monofásico) utiliza una entrada monofásica y genera una salida de CC proporcional a la entrada.
Hay dos razones por las que los motores trifásicos se utilizan con mayor frecuencia que los componentes de contador monofásicos para el funcionamiento con velocidad variable. En primer lugar, tienen un rango de potencia más amplio. Por otro lado, los motores monofásicos suelen requerir intervención externa para empezar a girar.
Componentes del inversor - Bus de CC
El segundo componente del bus de CC no se observa en ningún convertidor de frecuencia, ya que no afecta directamente su funcionamiento. Sin embargo, siempre está presente en convertidores de frecuencia de propósito general de alta calidad. El bus de CC utiliza condensadores e inductores para filtrar la tensión de ondulación de CA en la potencia de CC convertida y luego entra en la sección del inversor. También incluye un filtro para evitar la distorsión armónica, que puede realimentarse a la fuente de alimentación del inversor. Los convertidores de frecuencia más antiguos requieren filtros de línea independientes para completar este proceso.
Componentes del inversor - Inversor
A la derecha de la ilustración se muestran los órganos internos del convertidor de frecuencia. El inversor utiliza tres conjuntos de transistores de conmutación de alta velocidad para generar pulsos trifásicos de CC que simulan ondas sinusoidales de CA. Estos pulsos no solo determinan el voltaje de la onda, sino también su frecuencia. El término "inversor" significa "inversión", lo que simplemente significa el movimiento ascendente y descendente de la forma de onda generada. Los convertidores de frecuencia modernos utilizan una técnica llamada "modulación por ancho de pulso" (PWM) para regular el voltaje y la frecuencia.
Hablemos entonces de los IGBT. IGBT significa "transistor bipolar de puerta aislada", que es el componente de conmutación (o impulso) del inversor. Los transistores (que sustituyen a las válvulas de vacío) desempeñan dos funciones en la electrónica. Pueden actuar como amplificadores y aumentar la señal, o como interruptores, simplemente encendiéndola y apagándola. Los IGBT son una versión moderna que proporciona velocidades de conmutación más altas (3000-16000 Hz) y reduce la generación de calor. Una mayor velocidad de conmutación puede mejorar la precisión de la simulación de ondas de CA y reducir el ruido del motor. La reducción del calor generado implica que el disipador de calor es más pequeño, por lo que el convertidor de frecuencia ocupa un área menor.
Forma de onda PWM del inversor
Forma de onda generada por el inversor PWM comparada con una onda sinusoidal de CA real. La salida del inversor consiste en una serie de pulsos rectangulares de altura fija y ancho ajustable.
En este caso particular, hay tres conjuntos de pulsos: un conjunto ancho en el medio y un conjunto estrecho al principio y al final de las partes positivas y negativas del ciclo de CA.
La suma de las áreas de los pulsos es igual a la tensión efectiva de la onda CA real. Si se eliminan las partes del pulso por encima (o por debajo) de la forma de onda de comunicación real y se rellena el área en blanco debajo de la curva con ellas, se observará una coincidencia casi perfecta. Precisamente así, el convertidor de frecuencia puede controlar la tensión del motor. La suma del ancho de pulso y el ancho del espacio entre ellos determina la frecuencia de la forma de onda que detecta el motor (de ahí el término PWM o modulación por ancho de pulso). Si el pulso es continuo (es decir, sin espacios en blanco), la frecuencia seguirá siendo correcta, pero la tensión será mucho mayor que la de una onda sinusoidal CA real.
Según el voltaje y la frecuencia requeridos, el convertidor de frecuencia modificará la altura y el ancho del pulso, así como el ancho del espacio entre ambos. Algunos se preguntarán cómo esta "falsa" CA (en realidad CC) opera un motor de inducción de CA.
Después de todo, ¿es necesario que una corriente alterna induzca la corriente y el campo magnético correspondiente en el rotor del motor? Por lo tanto, la CA causará inducción de forma natural, ya que su dirección cambia constantemente, mientras que la CC no funcionará con normalidad una vez activado el circuito.
Sin embargo, si la CC se enciende y se apaga, puede detectar corriente. Para quienes son más antiguos, el sistema de encendido de los automóviles (antes del encendido de estado sólido) solía tener un conjunto de puntos en el distribuidor. El propósito de estos puntos es pasar de los "pulsos" de la batería a las bobinas (transformadores). Esto induce una carga en la bobina y luego eleva el voltaje a un nivel que permite que la bujía se encienda. El amplio pulso de CC que se ve en la figura anterior está compuesto de cientos de pulsos individuales, y el movimiento de apertura y cierre de la salida del inversor permite la inducción de CC.
Voltaje efectivo
Un factor que hace compleja la corriente alterna es que su voltaje cambia constantemente: de cero a un voltaje positivo máximo, luego de vuelta a cero, luego a un voltaje negativo máximo y finalmente de vuelta a cero. ¿Cómo determinar el voltaje real aplicado al circuito? La ilustración a continuación muestra una onda sinusoidal de 60 Hz y 120 V. Cabe destacar que su voltaje pico es de 170 V. Si su voltaje real es de 170 V, ¿cómo podemos decir que es una onda de 120 V?
Un factor que hace compleja la corriente alterna es su constante cambio de voltaje: de cero a un voltaje positivo máximo, luego de vuelta a cero, luego a un voltaje negativo máximo y finalmente de vuelta a cero. ¿Cómo determinar el voltaje real aplicado al circuito?
Cabe señalar que una onda sinusoidal de 60 Hz y 120 V tiene un voltaje pico de 170 V. Si su voltaje real es de 170 V, ¿cómo podemos decir que es una onda de 120 V?
En un ciclo, comienza en 0 V, aumenta a 170 V y luego vuelve a caer a 0. Continúa cayendo a -170 y luego vuelve a subir a 0. El área del rectángulo verde con un límite superior de 120 V es igual a la suma de las áreas de las partes positivas y negativas de la curva.
Entonces, ¿120 V es el nivel promedio? Si promediáramos todos los valores de voltaje en cada punto del ciclo, el resultado sería aproximadamente 108 V, por lo que no puede ser la respuesta. Entonces, ¿por qué se mide este valor con VOM a 120 V? Está relacionado con lo que llamamos "voltaje efectivo".
Si se desea medir el calor generado por la corriente continua que fluye a través de una resistencia, se observará que es mayor que el calor generado por la corriente alterna equivalente. Esto se debe a que la corriente alterna (CA) no mantiene un valor constante durante todo el ciclo. Si se realiza en condiciones controladas en el laboratorio, se observa que una corriente continua específica produce un aumento de calor de 100 grados, lo que resulta en un aumento de 70,7 grados en el equivalente de CA o un 70,7 % del valor de CC.
Por lo tanto, el valor efectivo de la CA es el 70,7 % del de la CC. También se puede observar que el valor efectivo del voltaje de CA es igual a la raíz cuadrada de la suma de los cuadrados de los voltajes en la primera mitad de la curva. Si el voltaje pico es 1 y se necesitan medir varios voltajes de 0 a 180 grados, el voltaje efectivo será el voltaje pico de 0 a 707 grados. 0,707 veces el voltaje pico de 170 en la figura equivale a 120 V. Este voltaje efectivo también se conoce como voltaje RMS o voltaje de raíz cuadrada media.
Por lo tanto, el voltaje pico es siempre 1.414 del voltaje efectivo. La corriente de 230 V CA tiene un voltaje pico de 325 V, mientras que 460 tiene un voltaje pico de 650 V. Además de la variación de frecuencia, incluso si el voltaje es independiente de la velocidad de operación del motor de CA, el convertidor de frecuencia también debe cambiar el voltaje. Dos ondas sinusoidales de 460 V CA. La curva roja es de 60 Hz y la curva azul es de 50 Hz. Ambas tienen un voltaje pico de 650 V, pero 50 Hz es mucho más ancho. Puede ver fácilmente que el área dentro de la primera mitad de la curva de 50 Hz (0-10 ms) es mayor que la primera mitad de la curva de 60 Hz (0-8.3 ms). Además, como el área bajo la curva es directamente proporcional al voltaje efectivo, su voltaje efectivo es mayor. A medida que disminuye la frecuencia, el aumento del voltaje efectivo se vuelve más severo.
Si se permite que los motores de 460 V funcionen a estos voltajes más altos, su vida útil puede reducirse considerablemente. Por lo tanto, el convertidor de frecuencia debe ajustar constantemente el voltaje de pico en relación con la frecuencia para mantener un voltaje efectivo constante. Cuanto menor sea la frecuencia de operación, menor será el voltaje de pico, y viceversa. Ahora debería comprender bien el principio de funcionamiento del convertidor de frecuencia y cómo controlar la velocidad del motor. La mayoría de los convertidores de frecuencia permiten a los usuarios ajustar manualmente la velocidad del motor mediante interruptores multiposición o teclados, o utilizar sensores (de presión, caudal, temperatura, nivel de líquido, etc.) para automatizar el proceso.