El Convertidor de Frecuencia (I)

Controlar la velocidad de un motor trifásico (ya sea un motor de inducción o un ‘servo’), se basa en alterar la frecuencia de la corriente trifásica que alimenta al motor.

Existen diversas tecnologías y métodos para poder controlar el voltaje, corriente y frecuencia suministrados al motor, pero el más popular es el de la modulación de la amplitud del pulso (Pulse Width Modulation (PWM)). La mayoría de los convertidores comerciales que nos vamos a encontrar utilizan  este método.

¿Qué hace un convertidor de frecuencia?

La mayoría de los convertidores de frecuencia, buscan ‘transformar’ la corriente alterna en una corriente ‘no alterna’ (es decir… prácticamente continua) y una vez transformada en continua, esta será troceada según las necesidades del motor.

El convertidor de frecuencia hace lo siguiente:

  1. Rectificar la corriente alterna suministrada por la red eléctrica: L1,L2,L3.
  2. “Almacenar”  la corriente continua en el Bus de Continua (DC BUS)
  3. Dosificar la energía “almacenada” en el Bus de continua al motor

El siguiente esquema es el circuito  de potencia (simplificado) de un variador trifásico de alterna:

El Circuito Rectificador

Este circuito  acostumbra a ser un puente de diodos y se limita a convertir las corriente trifásica en continua.

L1,L2, L3 son las bornas del variador en las que conectamos la alimentación de potencia.

PREGUNTA:  ¿Puedo conectar un variador trifásico a una linea monofásica?  Viendo el esquema anterior… desde el punto de vista teórico parece ser que sí… Evidentemente la  potencia que le llegará al motor será inferior…  En un equipo real… sinembargo… nos encontraremos con que en ocasiones no es posible…, o nos da una alarma de pérdida de ‘fase’, o… es parametrizable.

El Bus de Continua

El Bus de continua es el ‘depósito’ de energía del variador…  y es normalmente accesible en las bornas del  convertidor (DC +, DC -).

El esquema anterior está muy simplificado, sólo aparece un condensador para mininimizar el rizado de corriente, en realidad tenemos muchos más elementos…

El DC BUS es una parte fundamental del convertidor. Al igual que los seres humanos tenemos un máximo y un mínimo de presión arterial (ese tema… lo ‘dominan’ las abuelitas…), el convertidor, en su DC BUS ha de trabajar entre un máximo y un mínimo de voltaje.

  • Por debajo del voltaje mímimo, el convertidor no es capaz de suministrar la energía necesaria al motor y normalmente debería aparecernos algun tipo de alarma de bajo voltaje.
  • Por encima del voltaje máximo, el convertidor estaría suministrando demasiada energía al motor, aunque… esta no acostumbra a ser la causa de este fenómeno ya que… el variador, tiene sus propios  sistemas de protección en el circuito rectificador y, la propia instalación . En la inmensa mayoría de ocasiones, un elevado voltaje en el DC Bus nos estará indiando que el motor esta regenerando energía hacia el variador, es decir…, el motor no trabaja como motor, sino como generador elétrico (transforma la energía mecánica del eje en energía eléctrica!) Por suerte… existen métodos y sistemas para ‘deshacernos’ del exceso de voltaje del DC BUS.

El Circuito Inversor

Hasta ahora, lo que hemos visto podría ser perfectamente aplicable a una fuente de alimentación AC/DC, como la que tienen nuestros ordenadores, bueno…  conectada a una corriente trifásica, pero la esencia es la misma.

El circuito Inversor, es la pieza clave del convertidor de frecuencia, pues  es el encargado de dosificar la energía almacenada en el DC BUS, de hecho… en la literatura anglosajona se acostumbra a designar al convertidor de frecuencia como ‘inverter’.

¿Cómo dosifica la energía el circuito inversor?

El circuito se compone de módulos transistores (con diodos en antiparalelo para permitir la regeneración). Estos transistores trabajan como conmutadores de alta frecuencia y potencia,  los transistores tipo IGBT‘s encajan perfectamente en esta función.

El objetivo de este circuito inversor es crear una onda de voltaje  PWM.

De un modo tosco…, podríamos decir que el inversor se dedica a trocear el voltaje del DC BUS , de modo que durante un tiempo dejará que el BUS alimente una de las fases de salida y, un tiempo después conmutará a otra fase de salida y así sucesivamente.

Podemos hacer el símil  un deposito de agua con tres grifos y repartieramos el agua abriendo y cerrando totalmente cada uno de los grifos en un orden y tiempo establecidos, de este modo puedo modular la salida del deposito haciendo un control ‘todo/nada’ de cada uno de los grifos.

Si en lugar de un deposito de agua hablamos del DC BUS, y los tiempos de conmutación vienen dados por un microprocesador con un patrón ordenado , trabajando a frecuencias de conmutación de  de KHz … entonces… ya tenemos la ‘base’ de un convertidor de frecuencia.

El convertidor da siempre el mismo voltaje (el del DC BUS), con lo que ‘juega’ es con el tiempo, dentro de un periodo de la frecuencia deseada de alimentación del motor , en que  se alimenta cada fase.  La modulación PWM  puede tener más o menos finura, habitualmente se utilizan modulaciones fijadas por un patron triangular o preferentemente sinusoidal  para el conseguir un resultado final más suave.

¿Qué implicaciones tiene el uso de tecnlogía  PWM?

El uso de variadores de frecuencia, es en realidad… una pequeña trampa… que hacemos para alimentar a un motor que en realidad (a no ser que esté diseñado para PWM) espera una señal sinusoidal de entre 50 y 60 Hz

¿Es PWM una señal sinusoidal?  -No!

El voltaje PWM es una señal digital, y utilizando un osciloscopio no veremos una senoide, sino una señal bastante sucia… eso sí, con el periodo de la frecuencia sinusoidal deseada.

File:Pwm signal.png

La onda de corriente, en cambio, debido al bobinado del motor sí que se muestra en una forma bastante parecida a una senoide.

Ruido

Los convertidores de frecuencia son una fuente de ruido electromagnético.

Se trata de de ondas conducidas de gran potencia y, por su frecuencia (en la salida del variador) son una fuente de ondas radiadas, lo que nos obligará a tener un cuidado especial a la hora de cablear y apantallar el cableado de salida de potencia de un variador.

Quizás en este post he querido explicar demasiadas cosas… , tal vez no demasiado bien, sin profundizar demasiado y con muy pocas palabras.

En la práctica (vida real) , no nos importa demasiado cómo funciona internamente un variador ni que tipo de modulación tiene, (aunque siempre es bueno saberlo) , pero…basta con que nos queden claras algunas.

CONCLUSIONES:

  • El variador de frecuencia convierte la alimentación de la red a otra frecuencia basándose en la rectificación y posterior conmutación a alta frecuencia.
  • El variador de frecuencia (a no ser que sea un MATRIX) tiene una etapa intermedia donde almacena energía llamada DC BUS, el voltaje del DC BUS es un parámetro muy importante para el funcionamiento del variador, como veremos en otros posts más adelante…
  • El voltaje de salida de un variador no es senoidal sinó PWM  (no así la corriente).
  • Un variador de frecuencia es una potencial fuente de ruido electromagnético por lo que debermos ser muy cuidadosos en lo referente a filtros, reactancias, apantallamientos,…

En futuros posts, profundizaremos en algunos aspectos particulares del variador y los modos de regulación de un motor eléctrico.

Acerca de Motion Control

Ingeniero Industrial OMRON ELECTRONICS EUROPE B.V.
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20 respuestas a El Convertidor de Frecuencia (I)

  1. Sash dijo:

    Hola

    Buen tema y buen comienzo, la verdad es que sí, el saber el funcionamiento de estos dispositivos requiere de bastantes noches en blanco y de un “alto” conocimiento en conceptos básicos de electrónica de potencia.

    Desde aquí me gustaría plantearte un tema que podrías tratar más adelante, pero que no viene nada mal (alomejor ya lo tienes pensado, pero por si acaso) y es, una vez conocidos los diversos dispositivos que ocmoponen un sistema de motion control, el saber escoger dispositivos a raíz de calcularlos segun las necesidades de la máquina. (dinámica, cinemática, y todas esas cosas raras)

    Yo ahora mismo estoy liado haciendo cálculos de fuerzas y pares resistivos y nones incluso jjj para saber como configurar correctamente los dispositivos.(de lo poco que conozco, que aún no he puesto en marcha ninguno :S)

    Un saludo y sigue adelante con este blog. Me encanta.

  2. Motion Control dijo:

    Hola,

    Muchas gracias por tu comentario (y el de otros compañeros)
    La verdad es que aunque el Blog en principio era sobre control de movimiento, quiero empezar desde lo más básico, aunque pueda resultar pesado…

    Pero agradezco mucho tu comentario, pues me ayuda a centrarme temas que puedan resultar de interés.

    El dimensionamiento de los accionamientos en función de la máquina y del ciclo de trabajo, es un tema clave y, aunque los fabricantes acostumbran a facilitar softwares de dimensionamiento de sus equipos, es cierto que es un tema muy interesante, conceptos como la inercia del sistema no sólo son importantes a la hora de elegir un motor, también tienen gran influencia en el ‘tuning’ del motor.

    En algún momento haré un post sobre este tema, agradezco tu comentario (que me motiva a seguir escribiendo) y lo tendré muy en cuenta

  3. Sash dijo:

    “La verdad es que aunque el Blog en principio era sobre control de movimiento, quiero empezar desde lo más básico, aunque pueda resultar pesado…”

    Como todo en esta vida, siempre hay que empezar por el principio para entender las consecuencias. 😉

    Un saludo.

  4. Beto dijo:

    Que interesante, que mejor que alguien que conoce el tema y que trabaja en ello para poder compartir sus conocimientos… a mi en lo particular este tema me atrae bastante aunque desconozco mucho del tema y al que me gustaría incursionar… he trabajado con software allen bradley y se que hay modulos de control de movimiento y es algo que me gustaria dominar….y que mejor que aprendiendo de este blog…. y como Sash me gustaría sugerir también, claro si es posible, tal vez un ejemplo y/o configuraciones de software, etc.

    Bueno me despido y gracias por la dedicación.

  5. David dijo:

    Muy bueno, una sugerencia para caundo puedas.¿Como afectan los variadores a los rodamientos??Que soluciones hay? y unas pregunta, ¿En ciertos variadores se modifica la tensión, como pueden ser para aplicaciones de par variable?¿Hay alguna forma de saber si la aplicación es de par variable una vez funcionando, viendo las intensidades a diferentes rpm?
    Si crees que las respuestas son para otros post, esperare.
    Un saludo y gran trabajo.

  6. WALFER FLORES dijo:

    QUE TAL. SOLO QUISIERA SABER SI ES POSIBLE CONECTAR UN VARIADOR A UNA MAQUINA QUE TIENE UN MOTOR DE 7 HP Y TAMBIEN UNA TARJETA ELECTRONICA, MI DUDA ES QUE TANTO PUDEN AFECTAR LOS ARMONICOS A LA TARJETA ELECTRONICA GRACIAS………

  7. silareloj dijo:

    hola muchas gracias por las explicaciones de las etapas de un vdf por que las personas muchas veces no conocen de que esta, compuesto un vdf,es por esto que encontre muy buena la explicacion .
    podria ser bueno explicar mas aplicaciones con vdf.
    chao hasta luego

  8. Eduardo dijo:

    Mi pregunta es porque al efectuar una medicion de corriente a la salida del variador me difiere en gran manera con lo que mido a la entrada, donde queda esa diferencia de corriente.Tambien en relidad no es un variador de frecuencia?. Muchas gracias me sirvio muchisimo la explicacion del funcionamiento

  9. Carlos Ortiz dijo:

    Muy buena explicación, considerar explicar cuando se viene el uso de encoders absolutos y/o diferenciales como también el código grey.
    Gracias y Saludos.

    Carlos

  10. Motion Control dijo:

    Idealmente siempre que fuera posible utilizaría encoder absolutos, puesto que ahorran la secuencia de homing, normalmente la versión con encoder incremental és algo más económica.
    Sobre el código grey, se utiliza para codificar datos del encoder de una manera que minimice los errores, el disco de encoder, acostumbra a estar codificado en gray.

  11. victor dijo:

    hola figate que tengo un inversor para 2hp y mi problema es que se apaga el de repente el motor principal tu que me sujieres que aga

  12. victor dijo:

    otrabes soy yo mira yo tengo un inversor para 2hp y esta alimentado a dos faces lo chistoso es que tengo un motor trifasico de 2hp y funciona perfectamente pero me funciona solamente como 2 hors y de repente se muere el sistema y yano me buelbe a dar marcha asta el dia sigiente y asi susesiba mente te agradeseria de antemano si me dieras una solucion al respecto yo soy estudiante y no tengo el medio de cultibarme con personas que enverdad ya ejersan el amplio sector electronico pirtu fina atencion mil gracias

  13. DAMIAN LABAS dijo:

    Muy buena! y simple la explicación del funcionamiento de un Conv.frec., sobre todo para gente como yo que es de otra especialidad.
    Bueno, quiero seguir aprendiendo y “pensando” en conjunto a todos los demás: ¿teóricamente, yo podría conectar y alimentar al conv.frec. con corriente contínua? 220v? (pues no se “enterarían” los diodos?… Si yo podría hacer eso, por ej con 18 ó 19 baterías 12V, o 9 de 24V en serie, podría comandar un motor asincrónico trif 3x220v (conex triang)?

  14. Motion Control dijo:

    Gracias por tu comentario
    Normalmente lo que se hace es alimentar directamente con DC al DC BUS, y no a través del puente rectificador. No todos los equipos lo permiten, pero muchos permiten este ‘truco’, pero hay que deshabilitar alarmas del drive (que espera ser alimentado por corriente alterna y no por el DC BUS. Consulta al fabricante de tu equipo cómo hacerlo…, posiblemente podrás hacerlo.

  15. Motion Control dijo:

    Es dificil diagnosticar… te sugiero que mires el código de alarma que te da el inversor y consultes su significado con el manual del equipo.

  16. RUBEN dijo:

    El motivo de la misiva , es una consulta
    Necesito saber si se consigue convertidor de frecuencia con entrada monofasica (220vca 50hz) y salida monofasica pero con una frecuencia del orden de los 10 MHz. Potencia estimada 100w
    Me interesa saber que modelo se puede conseguir y el costo si lo tienen

    Muchas gracias

  17. JUAN ALSAN dijo:

    Hola, acabo de conocer el blog me parece muy interesante y procurare seguirlo con asiduidad.
    Soy electricista y estoy muy interesado en el tema

  18. Motion Control dijo:

    Convertidores de frecuencia existen de muchos tipos y por supuesto también los existen con entrada monofásica y salida monofásica a diferente frecuencia. En este blog hablo de control de motores, pero por supuesto convertidores de frecuencia pueden ser perfectamente fuentes de alimentación.

  19. Jose Manuel dijo:

    Un analisis muy correcto¡¡¡¡

  20. walter casini dijo:

    como mido la tension de salida de un variador que no esta conestado a un motor , muchas gracias desde ya ….

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