Convertidor de frecuencia: tipos, principio de funcionamiento, esquemas de conexión.

El rotor de cualquier motor eléctrico es accionado por fuerzas provocadas por un campo electromagnético giratorio dentro del devanado del estator. Su velocidad suele estar determinada por la frecuencia industrial de la red eléctrica.

Su valor estándar de 50 hercios implica cincuenta períodos de oscilación en un segundo. En un minuto, su número aumenta 60 veces y es 50×60 = 3000 revoluciones. El rotor gira el mismo número de veces bajo la influencia del campo electromagnético aplicado.

Si cambia el valor de la frecuencia de red aplicada al estator, puede ajustar la velocidad de rotación del rotor y la unidad conectada a él. Este principio es la base del control de los motores eléctricos.

Tipos de convertidores de frecuencia

Por diseño, los convertidores de frecuencia son:

1. tipo de inducción;

2. electrónico.

Motores asíncronos fabricados según el esquema con un rotor de fase y comenzó en modo generador, son representantes del primer tipo. Durante la operación, tienen baja eficiencia y se caracterizan por una baja eficiencia.Por lo tanto, no han encontrado una amplia aplicación en la producción y se usan muy raramente.

El método de conversión de frecuencia electrónica permite una regulación suave de la velocidad de las máquinas asíncronas y síncronas. En este caso, se puede aplicar uno de dos principios de control:

1. Según una característica predeterminada de la dependencia de la velocidad de rotación de la frecuencia (V / f);

2. método de control de vectores.

El primer método es el más simple y menos perfecto, y el segundo se utiliza para controlar con precisión las velocidades de rotación de equipos industriales críticos.

Características del control vectorial de conversión de frecuencia

La diferencia entre este método es la interacción, la influencia del dispositivo de control del convertidor en el «vector espacial» del flujo magnético que gira con la frecuencia del campo del rotor.

Los algoritmos para que los convertidores funcionen según este principio se crean de dos maneras:

1. control sin sensores;

2. regulación de caudal.

El primer método se basa en determinar una cierta dependencia de la alternancia de secuencias modulación de ancho de pulso (PWM) inversor para algoritmos preestablecidos. En este caso, la amplitud y la frecuencia de la tensión de salida del convertidor se controlan mediante la corriente de deslizamiento y la carga, pero sin utilizar la realimentación de la velocidad del rotor.

Este método se utiliza cuando se controlan varios motores eléctricos conectados en paralelo con el convertidor de frecuencia.El control de flujo involucra monitorear las corrientes de operación dentro del motor con su descomposición en componentes activos y reactivos y hacer ajustes a la operación del convertidor para establecer la amplitud, frecuencia y ángulo para los vectores de voltaje de salida.

Esto mejora la precisión del motor y aumenta los límites de su ajuste. El uso del control de flujo amplía las capacidades de los accionamientos que funcionan a bajas velocidades con altas cargas dinámicas, como los polipastos de grúa o las bobinadoras industriales.

El uso de la tecnología vectorial permite implementar el control dinámico del par motores asíncronos trifásicos. 

Circuito equivalente

Un circuito eléctrico simplificado básico de un motor de inducción se puede representar de la siguiente manera.

Se aplica un voltaje u1 a los devanados del estator, que tienen una resistencia activa R1 y una resistencia inductiva X1. Este, venciendo la resistencia del entrehierro Xv, se transforma en el devanado del rotor, provocando en él una corriente que vence su resistencia.

Circuito equivalente de un circuito vectorial

Su construcción ayuda a comprender los procesos que tienen lugar en el motor de inducción.

La energía de la corriente del estator se divide en dos partes:

• iµ — partición de formación de flujo;

• iw — componente generador de momento.

En este caso, el rotor tiene una resistencia activa dependiente del deslizamiento R2/s.

Para el control sin sensor, se mide lo siguiente:

• voltaje u1;

• actual i1.

Según sus valores, calculan:

• iµ — componente de flujo que forma el flujo;

• iw — par generador de valor.

El algoritmo de cálculo incluye ahora un circuito electrónico equivalente de un motor de inducción con reguladores de corriente, que tiene en cuenta las condiciones de saturación del campo electromagnético y las pérdidas de energía magnética en el acero.

Ambos componentes de los vectores de corriente, diferentes en ángulo y amplitud, giran junto con el sistema de coordenadas del rotor y se convierten en un sistema de orientación del estator estacionario.

De acuerdo con este principio, los parámetros del convertidor de frecuencia se ajustan de acuerdo con la carga del motor de inducción.

El principio de funcionamiento del convertidor de frecuencia.

Este dispositivo, también llamado inversor, se basa en un doble cambio en la forma de onda de la red eléctrica.

Inicialmente, el voltaje industrial se alimenta a un rectificador con potentes diodos que eliminan los armónicos sinusoidales pero dejan ondas en la señal. Para su remoción se dispone de un banco de capacitores con inductancia (filtro-LC), que le da una forma estable y suavizada a la tensión rectificada.

Luego, la señal va a la entrada del convertidor de frecuencia, que es un circuito puente trifásico de seis transistores de poder Serie IGBT o MOSFET con diodos de protección de voltaje de polaridad inversa. Los tiristores utilizados anteriormente para estos fines no tienen suficiente velocidad y funcionan con grandes perturbaciones.

Para activar el modo de "freno" del motor, se puede instalar en el circuito un transistor controlado con una resistencia potente que disipa energía. Esta técnica permite eliminar el voltaje generado por el motor para proteger los capacitores del filtro contra sobrecargas y daños.

El método de control de frecuencia vectorial del convertidor le permite crear circuitos que realizan el control automático de la señal de los sistemas ACS. Para ello se utiliza un sistema de gestión:

1. amplitud;

2. PWM (simulación de ancho de pulso).

El método de control de amplitud se basa en cambiar el voltaje de entrada, y PWM se basa en el algoritmo para cambiar los transistores de potencia a un voltaje de entrada constante.

Con la regulación PWM, se crea un período de modulación de la señal cuando el devanado del estator se conecta en estricto orden a los terminales positivo y negativo del rectificador.

Dado que la frecuencia de reloj del generador es bastante alta, en el devanado del motor eléctrico, que tiene resistencia inductiva, se suavizan a una onda sinusoidal normal.

Los métodos de control PWM maximizan la eliminación de pérdidas de energía y proporcionan una alta eficiencia de conversión debido al control simultáneo de frecuencia y amplitud. Están disponibles debido al desarrollo de las tecnologías de control de tiristores bloqueados por energía de la serie GTO o marcas bipolares de transistores IGBT de puerta aislada.

Los principios de su inclusión para controlar un motor trifásico se muestran en la foto.

Cada uno de los seis IGBT está conectado en circuito antiparalelo a su propio diodo de corriente inversa. En este caso, la corriente activa del motor de inducción pasa por el circuito de potencia de cada transistor y su componente reactivo se dirige a través de los diodos.

Para eliminar la influencia del ruido eléctrico externo en el funcionamiento del inversor y el motor, el circuito del convertidor de frecuencia puede incluir filtro de reducción de ruidoliquidación:

• interferencias de radio;

• descargas eléctricas causadas por equipos en funcionamiento.

Estos son señalados por el controlador y se utiliza cableado blindado entre el motor y los terminales de salida del inversor para reducir los golpes.

Para mejorar la precisión de funcionamiento de los motores asíncronos, el circuito de control de los convertidores de frecuencia incluye:

• entrada de comunicación con capacidades de interfaz avanzadas;

• controlador integrado;

• tarjeta de memoria;

• software;

• pantalla LED informativa que muestra los principales parámetros de salida;

• chopper de frenado y filtro EMC integrado;

• sistema de enfriamiento del circuito basado en soplado con ventiladores de mayor recurso;

• la función de calentamiento del motor por corriente continua y algunas otras posibilidades.

Diagramas de cableado operativo

Los convertidores de frecuencia están diseñados para trabajar con redes monofásicas o trifásicas. Sin embargo, si hay fuentes industriales de corriente continua con un voltaje de 220 voltios, entonces los inversores pueden alimentarse desde ellos.

Los modelos trifásicos están diseñados para tensión de red de 380 voltios y lo alimentan al motor eléctrico. Los inversores monofásicos se alimentan con 220 voltios y la salida es trifásica distribuida en el tiempo.

El esquema de conexión del convertidor de frecuencia al motor se puede realizar según los esquemas:

• estrellas;

• triángulo.

Los devanados del motor están ensamblados en “estrella” para el convertidor, alimentados por una red trifásica de 380 voltios.

De acuerdo con el esquema "delta", los devanados del motor se ensamblan cuando el convertidor de potencia está conectado a una red monofásica de 220 voltios.

Al elegir un método para conectar un motor eléctrico a un convertidor de frecuencia, debe prestar atención a la relación de potencia que un motor en funcionamiento puede crear en todos los modos, incluido un arranque lento y con carga, con las capacidades del inversor.

Es imposible sobrecargar constantemente el convertidor de frecuencia, y una pequeña reserva de su potencia de salida garantizará su funcionamiento a largo plazo y sin problemas.