Cómo los inversores industriales generan CA a partir de un bus de CC

Un inversor industrial se entiende mejor como un sistema de conversión de energía, no como una caja que simplemente «convierte CC en CA». Su puente de semiconductores construye una forma de onda de tensión controlada a partir de un bus de CC, mientras que el control, la protección, el diseño térmico, el cable, el motor y la carga mecánica determinan si esa forma de onda produce un par útil de manera fiable. Dos inversores con la misma potencia nominal pueden comportarse de forma muy diferente cuando cambian la longitud del cable, la regeneración, la temperatura del envolvente o la inercia de la carga.

Esta perspectiva de sistema es importante porque muchos fallos de campo atribuidos al inversor se originan en otro lugar: una fuente de CC débil, un diseño deficiente de precarga, un motor inadecuado, un esfuerzo excesivo por ondas reflejadas, una capacidad de frenado insuficiente o una puesta a tierra que proporciona a la corriente de modo común un camino de retorno no controlado.

La fuente de CC, el puente de conmutación, el cable y la carga forman un único sistema eléctrico y deben diseñarse conjuntamente.

El bus de CC establece el límite de energía

La cadena de conversión normalmente comienza con un rectificador, una batería, una fuente fotovoltaica u otra fuente de CC. Un banco de condensadores estabiliza el enlace de CC y proporciona energía a corto plazo durante cambios rápidos de carga. La tensión del bus determina la tensión de salida fundamental máxima disponible en la etapa de conmutación; la capacitancia, la impedancia de la fuente, la capacidad nominal de corriente de rizado y la resistencia de precarga influyen en la respuesta del bus durante el arranque y ante cargas transitorias.

La precarga limita la corriente de irrupción que, de otro modo, fluiría hacia los condensadores descargados. Una vez que el bus alcanza un nivel aceptable, un contactor o un semiconductor puentea la resistencia. Un puente de precarga averiado puede sobrecalentar el circuito de precarga, mientras que un contactor que se cierra demasiado pronto puede dañar rectificadores, fusibles o condensadores. Por tanto, durante la puesta en servicio se deben registrar las tendencias de la tensión del bus y verificar la temporización de los estados de precarga y puenteo, en lugar de considerar que «variador listo» es una evidencia suficiente.

La conmutación de semiconductores sintetiza la forma de onda

Un puente H monofásico utiliza cuatro dispositivos controlados para aplicar una tensión de CC positiva o negativa a una carga. Un puente trifásico utiliza tres ramas. El controlador modula cada rama para que el componente fundamental tenga la frecuencia, la fase y la magnitud ordenadas. La modulación por ancho de pulso (PWM) no produce una onda sinusoidal perfecta en los terminales del puente; produce pulsos de tensión cuyo comportamiento medio y componente fundamental se aproximan a la salida de CA deseada.

Los controladores de puerta deben impedir que el interruptor superior y el inferior de una misma rama conduzcan simultáneamente. Se inserta un tiempo muerto deliberado entre sus transiciones para evitar la conducción cruzada. Un tiempo muerto demasiado corto puede provocar una corriente destructiva; uno demasiado largo distorsiona la salida, especialmente a baja tensión y baja velocidad. El control moderno compensa parte de esta distorsión, pero el resultado sigue dependiendo de las características de conmutación de los dispositivos y de la dirección de la corriente.

Los estados alternos del puente establecen la polaridad, mientras que la PWM controla la tensión y la frecuencia efectivas que recibe la carga.

La carga filtra algunos armónicos y experimenta otros

La inductancia de un motor suaviza gran parte de la corriente a la frecuencia de conmutación, por lo que la corriente puede parecer relativamente sinusoidal aunque la tensión en los terminales sea un tren de pulsos. Esto no hace inofensivos a los componentes de alta frecuencia. Las rápidas transiciones de tensión pueden acoplar corriente de modo común a través de la capacitancia del motor, aumentar las interferencias electromagnéticas y contribuir a daños por corrientes en los rodamientos. Los cables de motor largos también pueden crear una sobretensión por onda reflejada en los terminales del motor, porque el cable se comporta como una línea de transmisión y no como un conductor ideal.

La solución debe corresponder al mecanismo implicado. Un cable de motor apantallado y una conexión equipotencial correcta de 360 grados proporcionan un camino de retorno controlado para alta frecuencia. Un reactor dV/dt puede reducir la velocidad de aumento de la tensión; un filtro sinusoidal es más agresivo y puede estar justificado para cables muy largos o motores con capacidad de aislamiento limitada. Los reactores de salida, las bobinas de modo común, los rodamientos aislados o los dispositivos de puesta a tierra del eje resuelven partes diferentes del problema y no deben tratarse como accesorios intercambiables.

El control del par depende de algo más que de la frecuencia

En un motor de inducción, una estrategia básica de voltios por hercio modifica la tensión con la frecuencia para mantener un flujo útil. El control vectorial estima o mide el flujo y separa la corriente productora de par de la corriente magnetizante, lo que mejora la respuesta a baja velocidad y el rechazo de perturbaciones. Los motores de imanes permanentes requieren que el variador conozca las características eléctricas del motor y la posición del rotor con suficiente precisión para el modo de control seleccionado.

Los datos de la placa del motor, la frecuencia base, la corriente nominal, el tiempo de aceleración, la velocidad mínima y el método de refrigeración son datos de puesta en servicio, no simple documentación. Una rutina de autoajuste o identificación puede mejorar el modelo interno del motor, pero no puede corregir un motor subdimensionado, una mecánica agarrotada ni una estimación imprecisa de la inercia de la carga. Los ingenieros deben comparar la velocidad ordenada, la velocidad real, la corriente, la estimación del par y la tensión del bus durante ciclos representativos.

La regeneración cambia la dirección del flujo de energía

Durante la desaceleración o ante una carga arrastrante, el motor puede actuar como generador y devolver energía al bus de CC. Un rectificador de diodos normalmente no puede devolver esa energía a la alimentación, por lo que la tensión del bus aumenta. Un chopper y una resistencia de frenado convierten el excedente en calor; un frente activo puede devolverlo a la red; un bus de CC común puede compartirlo con otros ejes motorizados. La elección correcta depende de la energía del ciclo, la duración del frenado, los requisitos de la red eléctrica y el régimen térmico, no solo de la potencia máxima del motor.

Los disparos repetidos por sobretensión durante la desaceleración deben motivar un cálculo energético. Alargar la rampa puede ser aceptable, pero también puede ocultar un diseño de frenado insuficiente o comprometer el rendimiento de la máquina. Verifique la resistencia de la resistencia de frenado, la energía de los pulsos, la potencia media, la ventilación del envolvente y la protección contra sobretemperatura.

Ponga en servicio todo el rango operativo

Un plan de pruebas útil abarca el arranque en frío, la producción normal, la aceleración máxima, la desaceleración controlada de emergencia, una mecánica parada o atascada, la pérdida de fase cuando corresponda y la condición de envolvente más calurosa prevista. Compruebe la reducción de potencia del variador en función de la temperatura ambiente y la altitud. A una velocidad del motor baja y sostenida, recuerde que un ventilador montado en el eje puede proporcionar menos refrigeración aunque el variador siga produciendo un par elevado.

Los ajustes de protección deben coordinarse con los fusibles o disyuntores aguas arriba y con la capacidad térmica del motor. Los registros de fallo a tierra, sobrecorriente, sobretensión del bus y sobretemperatura deben conservarse junto con los valores de funcionamiento próximos al evento. Estas pruebas permiten distinguir un problema de aplicación de una etapa de potencia averiada.

Puede explorar equipos relevantes en Variadores y control de movimiento, mientras que las opciones de alimentación de control y fuentes de CC están organizadas en Fuentes de alimentación.

Perspectiva de ingeniería

La pregunta correcta al seleccionar un equipo no es «¿Este inversor produce la tensión de CA requerida?», sino «¿Puede el sistema fuente–convertidor–cable–motor–carga controlar la energía durante todos los estados anómalos previstos y plausibles?». La topología PWM es importante, pero las instalaciones fiables normalmente dependen de un trabajo disciplinado en el cableado, la refrigeración, la energía de frenado, la idoneidad del motor, la coordinación de las protecciones y las evidencias de diagnóstico.