La característica principal de los motores trifásicos, especialmente para los de tipo asíncrono es su fiabilidad, por lo que su uso está muy extendido. Sin embargo, uno de los inconvenientes de estas máquinas es su velocidad de rotación constante, la cual depende de la frecuencia de la tensión aplicada. Este artículo ilustra cómo variar esta frecuencia y con ello, controlar la velocidad de giro del motor en un rango suficientemente amplio.

Hasta no hace mucho, la única forma de variar a frecuencia de la tensión de control de un motor trifásico, consistía en el uso de un conversor rotatorio, Sin embargo, la aparición de los semiconductores de potencia ha hecho posible el desarrollo de cambiadores de frecuencia estáticos que convierten la tensión alterna de una determinada frecuencia, a otra de frecuencia distinta. Estos dispositivos sirven también para cambiar el número de fases, como por ejemplo, convertir una corriente monofásica en trifásica, Aparte de su aplicación con motores, estos cambiadores de l’recuencia resultan también muy útiles en fuentes de alimentación de stand-by o auxiliares, y en el circuito de control de os osciladores, En estas aplicaciones, se convierte la tensión de salida de una hatería (la cual puede variar ampliamente) en una tensión alterna de nivel y frecuencia constantes.
 

Fig. 1 Representación esquemática de cómo hacer funcionar un motor trifásico a partir de una alimentación monofásica, controlándolo con un cambiador de frecuencia.  

Un regulador de frecuencia que controle la velocidad de un motor trifásico ha de poseer una tensión de salida cuyo nivel y frecuencia sean variables. Un cambio proporcional en el nivel y frecuencia aplicados al motor permiten variar la velocidad de giro de éste de forma constante, tal como se nuestra esquemática mente en la Fig. 1.
El control de velocidad ofrece muchas ventajas, corno son el ahorro de energía, bajo costo de mantenimiento, así com una optimización que resulta en una mayor flexibilidad de operación.

Cambiadores de Frecuencia

Todos los cambiadores de frecuencia trabajan basándose en el mismo principio: La tensión de control (normalmente 240V 0 415V 50 Hz)se rectifica, filtra y se aplica al motor mediante un inversor (conversor cc a ca) tal como se muestra de forma esquemática en la Fig. 2.
El diseño de las distintas etapas depende del tipo de cambiador de frecuencia. En la Fig. 3, por ejemplo, se muestra (de forma muy simplificada) la etapa de potencia de regulador de frecuencia pequeño.
El rectificador consiste normalmente en uno de tipo puente. La fuente de alimentación queda cargada sólo por la corriente absorbida, independientemente del régimen del motor. Con esto se obtiene un factor de potencia optimizada, que es prácticamente constante (cos j) = 0.97) para todos los rangos de carga y velocidad.
El circuito de filtrado suele ser un filtro paso bajo LC, cuya inductancia protege la red de los transitorios que se generan. Los grandes valores de capacitancia que se necesitan para cargas grandes se obtienen conectan do en serie y paralelo un número adecuado de condensadores electro líticos de alta tensión, tal como se muestra en la Fig. 4. Las resistencias que se añaden sirven para garantizar una división correcta de la tensión.
El inversor consiste en tres pares de transistores configurados en estrella. Las tres fases del motor se conectan cíclicamente a intervalos de 120°, a los terminales positivo y negativo del filtro, con lo que se induce un campo rotatorio en el motor. El control apropiado del inversor permite controlar de forma precisa la frecuencia de salida. Generalmente, los motores trifásicos pueden funcionar para hasta dos veces su velocidad. Esto significa por ejemplo, que un motor trifásico de cuatro polos puede trabajar hasta a 3000 rey/mm. Esto no puede conseguirse, sin embargo, variando sólo la frecuencia.

Fig. 2 Diagrama de bloques de un cambiador de frecuencia básico. 

 

 

 

  Fig. 3 Circuito básico de la etapa de potencia para un cambiador de fase pequeño.

 

Para obtener un momento constante, el flujo magnético en el estator del motor ha de estar en relación con la frecuencia seleccionada. Por ello, la tensión del motor ha de aumentarse o reducirse. según el caso, de forma directamente proporcional a la frecuencia. Cuando la frecuencia es mayor que la frecuencia nominal del motor (50 Hz) la tensión no puede aumentar, dado que el cambiador de frecuencia no puede generar un potencial mayor que la tensión aplicada. Ello tiene corno consecuencia una reducción del flujo magnético y por lo tanto del momento. Por lo tanto no es posible trabajar por encima de la frecuencia nominal para el momento nominal.
La relación básica entre la frecuencia de la alimentación, el factor de la velocidad actual del motor con respecto a la velocidad nominal, n/n1 y el factor entre la tensión actual del motor y la tensión noninal, U/U1 viene reflejada en la curva característica de la Fig. 5, mientras que la relación entre n/n1 y el factor entre el momento actual y el momento nominal, M/M1, se muestra en la Fig. 6.

 Fig.4  La capacitancia del filtro puede consistir en conjuntos de condensadores más pequeños conectados en serie y paralelo

 Fig. 5 Curva característica de la tensión del motor frente a la velocidad de rotación y la frecuencia de la fuente.

La etapa de potencia del inversor viene precedida por una etapa de control, la cual, entre otras cosas, contiene los circuitos que generan el campo rotatorio de frecuencia variable.

Para una frecuencia del campo rotatorio de 50 Hz. la frecuencia de reloj deberá ser de 300 Hz, Algunos fabricantes de componentes suministran integrados especializados para a generación de campos rotatorios, aunque lo último en el campo del diseño con adelantadores de fase es el uso de microprocesadores. Como ya se ha explicado, la tensión de salida ha de aumentar en forma directamente proporcional a la frecuencia, Existen distintas fornas de variar a tensión de salida. A continuación describiremos las dos más importantes: modulación por amplitud de impulsos (PAM) y modulación por duración de impusos (PDM).

Modulación por amplitud de impulsos

Para la variación de la tensión de salida, utilizando la técnica PAM. se utiliza un conmutador periódico (electrónico) a continuación del filtro de rizado, que se abre y se cierra a una frecuencia determinada por la etapa de control (véase Fig. 8), Con ello se obtiene una tensión continua variable que está en relación directa con el factor de trabajo de la señal de control.
El nivel de tensión puede ajustarse de forma proporcional a la frecuencia, de forma que se garantice que la relación entre tensión de salida y frecuencia de salida permanece constante. Para un motor de 400V la relación ha de ser 400V 50 Hz = 8V por Hz.

Fig. 8 Cambiador de frecuencia que utiliza modulación por amplitud de impulsos.

Fig. 9 Tensión de salida de un cambiador de frecuencia PAM formada por seis pulsos por período: (a) para tensión y frecuencia de fuente máximas y (b) para la mitad de la tensión y frecuencia de fuente máximas. 

Para el tipo de cambiador de frecuencia que aquí se describe, la tensión de salida se forma a partir de seis pulsos por período (véase Fig. 9). Dicha tensión no es senoidal: aparte de la componente fundamental de frecuencia contiene una serie de armónicos, de los cuales el 50 70, 110 y 13° son los más importantes. Estos armónicos generan momentos espúreos en el motor, produciendo pérdidas adicionales de energía.

Debido a la inductancia del estator, la corriente a través del motor es mucho más senoidal que la tensión. Si la tensión se obtiene a partir de un número mayor de pulsos por periodo, la forma de la señal mejora sensiblemente.  La amplitud de los armónicos es mucho más pequeña en este caso, con lo que se consigue que el motor trabaje con mucha mas precisión.
El cambiador de frecuencia PAM puede diseñarse también con un rectificador controlado, en lugar de un conmutador periódico, tal como se muestra en la Fig. 11. La amplitud de la tensión que cae en el filtro de rizado puede entonces variarse controlando el ángulo de fase. El mayor inconveniente que presenta este método es la realimentación sobre la red, que se manifiesta en un factor de potencia bajo y en armónicos relativamente importantes. Estos armónicos han de filtrarse ya que de lo contrario podrían surgir problemas con el suministrador de fluido eléctrico.

Modulación por duración de impulsos

Los cambiadores de frecuencia que utilizan modulación por duración de impulsos no hacen uso de conmutadores periódicos ni rectificadores controlados, por lo que la tensión que cae en el filtro de rizado posee muy pocas variaciones y su valor depende solamente de la tensión de alimentación y de la carga.
El nivel y la forma de la tensión de salida quedan determinados exclusivamente por la anchura de los pulsos a la salida del inversor.
El fundamento de este tipo de modulación es la comparación entre una señal senoidal y otra triangular. La frecuencia de la señal triangular es mucho mayor que la de la senoidal.(Véase Fig. 12). El tren de pulsos resultante constituye la señal de control.
Al igual que en el caso anterior, debido a la acción integradora de la inductancia del estator, puede considerarse la corriente como una señal senoidal pura.

 Fig. 11 Cambiador de frecuencia PAM con rectificador controlado.

 Fig. 12 Tensión de salida de un cambiador de frecuencia PDM: (a) tensión y frecuencia de fuente máximas; (b) mitad de los valores de tensión y frecuencia de fuente máximas.

La tensión de la señal senoidal determina la frecuencia de salida del cambiador de frecuencia, y con ello la velocidad del motor. Cuando la frecuencia de la señal triangular sea constante, se generarán pulsos que dependerán de la frecuencia de salida. Para frecuencias de salida bajas, el número de pulsos por período resulta relativamente alto, con lo que se genera una corriente prácticamente senoidal en el motor. A medida que aumenta la frecuencia de salida, la forma de la señal de la corriente se va deteriorando.

Pueden utilizarse transistores de con mutación para tensiones altas en la etapa de potencia de los inversores, siempre y cuando la tensión de salida no supere los 50 kVA. Algunos fabricantes suministran módulos que contienen los seis transistores que se necesitan para un circuito puente de tres fases.

Cuando la tensión de salida supera los 50 kVA, han de utilizarse tiristores. La fig. 13 ilustra el circuito para una fase de la etapa de potencia de un inversor basado en tiristores. Los otros dos circuitos son idénticos. Dado que los tiristores no se desactivan fácilmente, se necesitarán algunos componentes adicionales.

Cada circuito de fase requiere cuatro tiristores, de los cuales dos, Thl y Th2, conmutan la corriente a través del motor. Los otros dos, Th3 y Th4, son necesarios para el denominado proceso de conmutación que describimos a continuación.

 

 

Fig. 13 Diagrama del circuito de una sola fase de un cambiador de frecuencia basado en tiristores, llamado también cambiador de frecuencia basado en tensión. 

 

 

Fig. 15 Esquema eléctrico de la etapa de potencia de un cambiador de frecuencia basado en corriente 

Conmutación
Durante la conducción en directa todas las uniones del tiristor están polarizadas en directa. Para poder desactivar el dispositivo hay que retirar los portadores de carga y ello suele conseguirse aplicando una tensión inversa en el tiristor. Este proceso recibe el nombre de conmutación. Vamos a describir el proceso con la ayuda del circuito que se muestra en la Fig. 14, el cual forma parte del circuito mostrado en la Fig. 13.
El circuito simplificado de la Fig. 14 consta de dos tiristores, un circuito de conmutación LC que forma un circuito resonante serie, y dos dio dos.
Para poder desactivar Th1, hay que disparar Th3. Al principio, el condensador se carga tal como se indica en (1). Con ello se genera una corriente de forma senoidal en el circuito LC. El primer semiperíodo de dicha corriente fluye a través de Th3, el cual, a su vez, se dispara. Cuando la corriente alcanza su paso por cero, Th3 se desactiva y la polaridad de C se invierte (2). El siguiente semiperíodo de la corriente fluye a través del diodo y Th o a través del motor. Por un breve instante, a corriente del motor fluye a través del circuito LC, por lo que no fluye corriente a través de Thl, con lo que este se apaga. El resto de componentes de la Hg. 13 sirven para proteger los semiconductores de potencia o para contribuir al proceso de conmutación. El funcionamiento de este tipo de inversor depende de la tensión que cae en el motor, por lo que al inversor se le denomina como inversor de tensión. E nivel de la corriente a través del motor depende solamente de la carga que presenta éste.
También resulta posible basar el cambiador de frecuencia en el proceso de la corriente, en cuyo caso la carga del motor determina la tensión que cae en éste. Este tipo de cambiador de frecuencia se denomina cambiador de frecuencia basado en corriente.
El diseño de la etapa de potencia de un cambiador de frecuencia basado en corriente se muestra, de forma muy simplificada, en la Fig. 15. Notese que el filtro de rizado no contiene condensador alguno. El rectificador controlado de la entrada determina el valor eficaz de la corriente a través del filtro de rizado. El inductor filtra la corriente continua. Antes de ser llevada al estator del motor, la corriente que atraviesa el filtro es dividida en el inversor de forma que se garantice la inducción de un campo rotatorio. Las curvas de corriente y tensión en el motor se muestran en la Fig. 16. Obsérvese que en este tipo de cambiador de frecuencia, la forma de onda de la corriente es rectangular, mientras que la de la tensión es prácticamente senoidal.

 Fig. 14 Circuito de conmutación simplificado (detalle de la Fig. 13).

 Fig. 16 Corriente que atraviesa, y tensión que cae, en un motor trifásico controlado mediante un cambiador de frecuencia basado en corriente.

Debido al rectificador controlado, el factor de potencia a la entrada de un cambiador de frecuencia basado en corriente no permanece constante, sino que varía en función de la carga. Por otra parte, este tipo de cambiador de frecuencia no puede utilizarse para motores que funcionen en paralelo, dado que el condensador de conmutación del inversor ha de ser adaptado al régimen del motor.
Dado que en un cambiador de frecuencia basado en corriente, el motor forma parte del circuito de conmutación, no puede utilizarse este tipo de cambiador, contrariamente a lo que sucede con el cambiador de frecuencia basado en tensión, en ausencia de motor. Por otra parte, el diseño del inversor de un cambiador de frecuencia basado en comente resulta mucho más sencillo que el de un modelo basado en tensión. Además, el proceso de conmutación se efectúa solamente con el inversor y el campo rotatorio del motor, sin necesidad de componentes adicionales.
Sin embargo. la gran ventaja de un cambiador de frecuencia basado en corriente no es su diseño, sino la posibilidad de realimentar la potencia mecánica a la fuente, sin necesidad de componentes adicionales. Así pues, cuando el motor trabaja como generador, la corriente que lo
atraviesa se invierte y es ¡levada al rectilicador controlado a través del filtro de rizado. El rectificador funciona entonces como inversor el cual a su vez devuelve la energía a la fuente.

Eficiencia

La eficiencia de los cambiadores de frecuencia modernos descritos en este artículo es muy alta. Dependiendo del diseño y la tecnología empleada, se encuentra entre un 93% y un 97%. En la Fig. 17 se muestran algunas curvas de eficiencia típicas para algunos cambiadores de frecuencia basados en tensión, trabajando simultáneamente con varias cargas.
La disipación global incluye pérdidas en diodos. tiristores, indtictores y etapas de control. Sin embargo, el mayor porcentaje de la disipación se produce en el proceso de conmutación. Por lo tanto, la disipación global depende en gran medida del número de conmutaciones por unidad de tiempo. Así pues, aunque el muestreo con muchos pulsos reduce el contenido de armónicos, incrementa por otra parte la disipación.
Para frecuencias por debajo de los l0 Hz, la caída de potencial en la resistencia del bobinado del motor reduce el flujo eléctrico y el momento. Bajo estas circunstancias puede compensarse este efecto aumentando la tensión de salida de forma mayor a la proporcional como se refleja en la curva característica de la Fig. 18.

 Fig. 17 Curvas de eficiencia típicas de un cambiador de frecuencia basado en tensión.

 Fig. 18 Característica de tensión/frecuencia para frecuencias bajas.

 Finalmente

Si intenta aplicar a un diseño propio las explicaciones y observaciones expuestas en este artículo. recuerde siempre que algunos de los componentes están previstos para cargas muy grandes. Bajo ningún concepto, por ejemplo, deben conectarse los grandes condensadores, previstos para el filtro de rizado, directa mente a la red u otra fuente de afta tensión dado que en el momento de la primera conmutación fórman un cortocircuito. Dichos condensado res de alta capacidad han de cargarse a través de una resistencia apropiada. Sólo después de haber sido cargados pueden ser conectados a la fuente de entrada y aún en este caso, a través del circuito de protección adecuado.
La tensión que cae en el filtro de rizado alcanza los valores de pico de fuente de alimentación. El (Los) condensador(es) pueden contener una carga letal aún después de haber desconectado la fuente.
El proceso de conmutación produce grandes picos de tensión, lo que deberá tenerse en cuenta a la hora de realizar pruebas y mediciones.
Como norma general, todos los componentes de la etapa de potencia poseen su potencial con respecto a tierra. Solamente los cambiado res de frecuencia muy pequeños pueden aislarse (le la fuente (red) con un transformador separador. También esto ha de tenerse en cuenta a la hora de realizar pruebas y mediciones. Además, los instrumemos de medida cuyo potencial cero’ esté conectado a la carcasa del instrumento (como sucede con muchos osciloscopios), han de conectarse a la red mediante un transformador separador. Existe en ese caso un potencial entre la carcasa y tierra. QUEDE AVISADO de que en algunas circunstancias puede resultar peligroso tocar la carcasa.
Los picos de tensión en el inversor pueden alcanzar valores que excedan el margen de aislamiento del instrumento de medida. Por ello es importante conocer y observar estrictamente la tensión máxima de entrada y la tensión máxima permitida con respecto a tierra o la carcasa. Por otra parte, para determinar si un instrumento resulta apropiado para realizar cierto tipo de mediciones, ha de conocerse su principio de funcionamiento. Esto adquiere especial importancia cuando se trata de medir tensiones y corrientes alternas, cuya forma de onda es distinta a la usada para calibrar el instrumento.