Comparación entre tecnologías de variadores de frecuencia (1ª PARTE)

El variador PWM es uno de los controladores más comúnmente usados que trabajan bien con motores que van del rango ½ a 500 hp. Una razón para esta popularidad es que es altamente fiable, y refleja la menor cantidad de armónicos volviendo a su fuente de potencia. La mayoría de las unidades están calificadas a 230 – 460 V, trifásico. Proporcionan salidas de 2 Hz a 400 Hz.

    

Tres tipos de variadores de frecuencia ofrecen ciertas ventajas y desventajas dependiendo de la aplicación del motor. También hablamos del variador de vector de flujo.

Mientras que todos los variadores de frecuencia variable (VFDs) controlan la velocidad de un motor de inducción AC variando el voltaje suministrado del motor y la frecuencia de la energía, no hacen uso del mismo diseño. Hay tres tipos de diseños VFD principales comúnmente usados hoy: Modulación de anchura de pulso (PWM), inversor de fuente de corriente (CSI), e inversor de fuente de voltaje (VSI). Recientemente, el variador de vector de flujo es también popular.

Comparemos estas tecnologías

Diseño PWM

El variador PWM es el controlador más comúnmente usado porque trabaja bien con motores cuyo rango de trabajo va de ½ hp a 500 hp. Un motivo significativo para su popularidad es que es altamente fiable, asequible y refleja al menos la cantidad de armónicos que vuelven a su fuente de potencia. La mayoría de las unidades están clasificadas 230 0 460 V, trifásicas, y proporcionan frecuencias de salida que van de 2 Hz a 400 Hz.

El voltaje de la línea de alimentación AC pasa a la sección del convertidor que causa que un convertidor de puente de diodo y grandes condensadores DC se crean y mantienen un voltaje del bus DC fijo y estable. El voltaje DC pasa a la sección del inversor usualmente equipado con transistores bipolares de puerta aislada (IGBTs), que regulan tanto el voltaje como la frecuencia al motor para producir una onda próxima a la sinusoidal.

El término modulación de anchura de pulso explica cómo cada transición de la salida de voltaje alterno es actualmente una serie de pulsos cortos de anchura variable. Variando la anchura de los pulsos en cada medio ciclo, la potencia promedio producida tiene una salida similar a un seno. El número de transiciones desde el positivo al negativo por segundo determina la frecuencia actual al motor.

Las velocidades de conmutación de IGBTs en un variador PWM puede tener un rango que va de 2 kHz a 15 kHz. Los diseños PWM más nuevos de hoy usan IGBTs de potencia, que operan en estas tres frecuencias. Teniendo más pulsos en cada ciclo, el silbido del motor asociado con las aplicaciones del VFD se reducen debido a que los devanados del motor están ahora oscilando a una frecuencia que va más allá del espectro del oído humano. Asimismo, la forma de onda de la corriente al motor se alisa cuando los picos de corriente se eliminan.

La tecnología PWMs tiene las siguientes ventajas:

• Excelente factor de potencia de entrada debido a un voltaje del bus DC fijo.
• No se produce cogging (fuerza no uniforme) en los inversores de seis pasos.
• Eficiencias más altas: 92 al 96 %
• Compatibilidad con aplicaciones multimotor.
• Capacidad para asumir pérdidas de entre 3 y 5 Hz.
• Bajos costes iniciales.

Las siguientes son desventajas, sin embargo, que deberíamos considerar.

• Calentamiento del motor y descomposición del aislamiento en algunas aplicaciones debido a la conmutación de transistores de alta frecuencia.
• No hay operación regenerativa.
• Armónicos de potencia del lado de línea (dependiendo de la aplicación y tamaño del variador).

Diseño CSI

La fuente de potencia entrante al diseño del CSI se convierte en voltaje DC en una sección del convertidor SCR, que regula la potencia entrante y produce un voltaje del bus DC variable. Este voltaje se regula por el disparo del SCRs en lo necesario para mantener el ratio voltio/hercio apropiado. SCRs se usan también en la sección del inversor para producir la salida de frecuencia variable al motor. Los variadores CSI son inherentemente reguladores de corriente y requieren un gran inductor interno para operar, además de una carga de motor.

La tecnología CSI tiene las siguientes ventajas:

·         Fiabilidad debido a la operación de limitación de corriente inherente.

·         Capacidad de potencia regenerativa.

·         Circuitería simple.

La siguientes son desventajas en el uso de tecnología CSI.

·         Gran generación de armónicos a la fuente de potencia.

·         Cogging por debajo de 6 Hz debido a la producción de ondas cuadradas.

·         Uso de inductores grandes y costosos.

·         Golpes de alto voltaje a los devanados del motor.

·         Dependencia de la carga; pobres aplicaciones multimotor.

·         Pobre factor de potencia debido a la sección de convertidores SCR.

Ver 2ª PARTE