Tipos de convertidores de frecuencia

Los dispositivos llamados convertidores de frecuencia se utilizan para convertir el voltaje de CA de la red con una frecuencia industrial de 50/60 Hz en voltaje de CA de una frecuencia diferente. La frecuencia de salida del convertidor de frecuencia puede variar ampliamente, normalmente de 0,5 a 400 Hz. Las frecuencias más altas son inaceptables para los motores modernos debido a la naturaleza de los materiales con los que están hechos los núcleos del estator y del rotor.

Cualquier tipo convertidor de frecuencia incluye dos partes principales: control y fuente de alimentación. La parte de control es un circuito de un microcircuito digital que proporciona el control de los interruptores de la unidad de potencia y también sirve para controlar, diagnosticar y proteger la unidad accionada y el convertidor mismo.

La sección de la fuente de alimentación incluye directamente los interruptores: potentes transistores o tiristores. En este caso, los convertidores de frecuencia son de dos tipos: con sección destacada de corriente continua o con comunicación directa. Los convertidores de acoplamiento directo tienen una eficiencia de hasta el 98 % y pueden operar con voltajes y corrientes significativos.En general, cada uno de los dos tipos de convertidores de frecuencia mencionados tiene ventajas y desventajas individuales, y puede ser racional aplicar uno u otro para diferentes aplicaciones.

Comunicación directa

Los convertidores de frecuencia con conexión galvánica directa fueron los primeros en aparecer en el mercado, su sección de potencia es un rectificador de tiristores controlados, en el que se abren a su vez ciertos grupos de tiristores de bloqueo, y los devanados del estator se conectan a su vez a la red. Esto significa que, en última instancia, el voltaje suministrado al estator tiene la forma de piezas de una onda sinusoidal de red que se alimentan en serie a los devanados.

El voltaje sinusoidal se convierte en un voltaje de diente de sierra en la salida. La frecuencia es más baja que la red eléctrica, de 0,5 a aproximadamente 40 Hz. Obviamente, el alcance de este tipo de convertidor es limitado. Los tiristores sin bloqueo requieren esquemas de control más complejos, lo que aumenta el costo de estos dispositivos.

Partes de la onda sinusoidal de salida generan armónicos más altos, y estos son pérdidas adicionales y sobrecalentamiento del motor con una disminución en el par del eje, además, no ingresan perturbaciones débiles a la red. Si se utilizan dispositivos de compensación, entonces nuevamente aumentan los costos, aumentan las dimensiones y el peso, y disminuye la eficiencia del convertidor.

Las ventajas de los convertidores de frecuencia con acoplamiento galvánico directo incluyen:

• la posibilidad de operación continua con voltajes y corrientes significativos;
• resistencia a la sobrecarga de impulsos;
• Eficiencia hasta 98%;
• aplicabilidad en circuitos de alta tensión de 3 a 10 kV e incluso superiores.

En este caso, los convertidores de frecuencia de alto voltaje son, por supuesto, más caros que los de bajo voltaje. Anteriormente, se usaban donde era necesario, es decir, convertidores de tiristores de acoplamiento directo.

Con conexión DC resaltada

Para los convertidores de frecuencia modernos, los convertidores de frecuencia con un bloque de CC resaltado se utilizan más para fines de regulación de frecuencia. Aquí, la conversión se realiza en dos pasos. En primer lugar, la tensión de red de entrada se rectifica y filtra, se suaviza y luego se alimenta al inversor, donde se convierte en corriente alterna con la frecuencia y tensión requeridas con la amplitud requerida.

La eficiencia de tal doble conversión disminuye y las dimensiones del dispositivo se vuelven ligeramente mayores que las de los convertidores con conexión eléctrica directa. La onda sinusoidal es generada aquí por un inversor autónomo de corriente y voltaje.

En los convertidores de frecuencia del enlace de CC, los tiristores de enganche o Transistores IGBT… Los tiristores de bloqueo se utilizaron principalmente en los primeros convertidores de frecuencia fabricados de este tipo, luego, con la aparición de los transistores IGBT en el mercado, fueron los convertidores basados ​​en estos transistores los que comenzaron a dominar entre los dispositivos de bajo voltaje.

Para encender el tiristor, es suficiente un pulso corto aplicado al electrodo de control, y para apagarlo, es necesario aplicar un voltaje inverso al tiristor o restablecer la corriente de conmutación a cero. Se requiere un esquema de control especial, complejo y dimensional. Los transistores IGBT bipolares tienen un control más flexible, un menor consumo de energía y una velocidad bastante alta.

Por este motivo, los convertidores de frecuencia basados ​​en transistores IGBT han permitido ampliar el rango de velocidades de control del convertidor: los motores de control vectorial asíncronos basados ​​en transistores IGBT pueden funcionar con seguridad a bajas velocidades sin necesidad de sensores de realimentación.

Los microprocesadores acoplados con transistores de alta velocidad producen menos armónicos altos en la salida que los convertidores de tiristores. Como resultado, las pérdidas resultan ser menores, los devanados y el circuito magnético se sobrecalientan menos, las pulsaciones del rotor a bajas frecuencias se reducen. Menos pérdidas en bancos de condensadores, en transformadores: aumenta la vida útil de estos elementos. Hay menos errores en el trabajo.

Si comparamos un convertidor de tiristores con un convertidor de transistores con la misma potencia de salida, el segundo pesará menos, tendrá un tamaño más pequeño y su funcionamiento será más confiable y uniforme. El diseño modular de los interruptores IGBT permite una disipación de calor más eficiente y requiere menos espacio para montar los elementos de potencia, además, los interruptores modulares están mejor protegidos de las sobretensiones de conmutación, es decir, la probabilidad de daño es menor.

Los convertidores de frecuencia basados ​​en IGBT son más caros porque los módulos de potencia son componentes electrónicos complejos de fabricar. Sin embargo, el precio está justificado por la calidad. Al mismo tiempo, las estadísticas muestran una tendencia a la baja de los precios de los transistores IGBT cada año.

El principio de funcionamiento del convertidor de frecuencia IGBT.

En la figura se muestra un esquema de un convertidor de frecuencia y gráficas de corrientes y tensiones de cada uno de los elementos. El voltaje de la red de amplitud y frecuencia constantes se alimenta al rectificador, que puede ser controlado o no controlado. Después del rectificador hay un condensador, un filtro capacitivo. Estos dos elementos, un rectificador y un condensador, forman una unidad de CC.

Desde el filtro, ahora se suministra un voltaje constante a un inversor de pulso autónomo en el que funcionan los transistores IGBT. El diagrama muestra una solución típica para convertidores de frecuencia modernos. La tensión continua se convierte en un pulso trifásico con frecuencia y amplitud ajustables.

El sistema de control da señales oportunas a cada una de las teclas, y las bobinas correspondientes se cambian secuencialmente a la conexión permanente. En este caso, la duración de conectar las bobinas a la conexión se modula a seno. Entonces, en la parte central del semiperíodo, el ancho del pulso es el más grande y en los bordes, el más pequeño. esta pasando aqui voltaje de modulación de ancho de pulso en los devanados del estator del motor. La frecuencia de PWM generalmente alcanza los 15 kHz, y las bobinas en sí mismas funcionan como un filtro inductivo, por lo que las corrientes a través de ellas son casi sinusoidales.

Si el rectificador se controla en la entrada, el cambio de amplitud se realiza controlando el rectificador y el inversor solo es responsable de la conversión de frecuencia. A veces, se instala un filtro adicional en la salida del inversor para amortiguar las ondas de corriente (muy rara vez se usa en convertidores de baja potencia).De cualquier manera, la salida es tensión trifásica y corriente CA con parámetros básicos definidos por el usuario.