El variador de frecuencia es el elemento central del control de velocidad de motores de inducción en minería, celulosa, alimentos y utilities. Comprender cómo convierte la energía de la red en una tensión de frecuencia y amplitud ajustables es la base para seleccionarlo, parametrizarlo y diagnosticarlo. Este artículo describe su arquitectura de potencia y compara el control escalar V/f con el control vectorial orientado al campo.
El sistema de accionamiento según IEC 61800
La serie IEC 61800 define el sistema de accionamiento eléctrico de velocidad ajustable como PDS (Power Drive System), compuesto por el motor y el módulo convertidor completo, CDM (Complete Drive Module). El CDM, a su vez, incluye el módulo de accionamiento básico, BDM (Basic Drive Module), que contiene la electrónica de potencia y el control, más los elementos auxiliares, como filtros de entrada y salida o reactancias [1]. Esta división es relevante porque la IEC 61800-9-2 asigna clases de eficiencia energética tanto al CDM (IE0 a IE2) como al PDS completo (IES0 a IES2) [2].
La razón de variar la frecuencia está en la velocidad síncrona del motor de inducción:
- nₛ = 120·f / p, donde f es la frecuencia de alimentación (Hz) y p el número de polos.
- s = (nₛ − n) / nₛ, donde s es el deslizamiento (slip) y n la velocidad del rotor.
Un motor de 4 polos a 50 Hz tiene una velocidad síncrona de 1.500 min⁻¹. Al modificar f, el variador desplaza la curva par-velocidad completa y permite operar con deslizamiento reducido en todo el rango [3].
Etapa rectificadora
La configuración más extendida en baja tensión es el puente rectificador de diodos de 6 pulsos (six-pulse diode bridge). Es robusto y simple, pero absorbe una corriente no senoidal con armónicos de órdenes 5, 7, 11 y 13, tema tratado en el artículo sobre armónicos y calidad de energía [3].
Como alternativa, el front-end activo, AFE (Active Front End), emplea un puente de IGBT controlado por PWM: absorbe corriente prácticamente senoidal, opera con factor de potencia cercano a la unidad y devuelve a la red la energía de frenado, lo que resulta valioso en correas descendentes y equipos de elevación.
Circuito intermedio o bus DC
El bus DC (DC link) almacena energía en un banco de condensadores que filtra la tensión rectificada y desacopla la red del inversor. Con un puente de 6 pulsos, su tensión media es aproximadamente:
- U_DC ≈ 1,35 · U_L, donde U_L es la tensión eficaz entre líneas de la red. En vacío, la tensión tiende al valor de cresta √2 · U_L.
Para una red de 400 V, el bus opera en torno a 540 V. Tres funciones complementan esta etapa [3]:
- Precarga (pre-charge): limita la corriente inicial de los condensadores mediante una resistencia que luego se puentea.
- Chopper de frenado (brake chopper): transistor que conecta una resistencia cuando la tensión del bus sube durante la desaceleración.
- Resistencia de frenado (braking resistor): disipa como calor la energía regenerada que el rectificador no puede devolver a la red.
Inversor IGBT y modulación PWM
El inversor está formado por seis transistores bipolares de compuerta aislada, IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), en tres ramas. Mediante modulación por ancho de pulso, PWM (Pulse Width Modulation), conmutan la tensión del bus y generan pulsos cuyo valor medio sigue una senoide de la frecuencia y amplitud deseadas; la inductancia del motor hace que la corriente sea prácticamente senoidal [4].
Una frecuencia de conmutación (switching frequency) mayor, típicamente de algunos kHz, reduce el rizado de corriente y el ruido acústico, a cambio de más pérdidas en el convertidor. Destacan dos técnicas:
- PWM senoidal (sinusoidal PWM): compara una referencia senoidal por fase con una portadora triangular.
- Modulación vectorial espacial, SVM (Space Vector Modulation): sintetiza el vector de tensión a partir de los ocho estados posibles del inversor y aprovecha mejor la tensión del bus, con una componente fundamental hasta un 15 % mayor que el PWM senoidal en la zona lineal [4].
Los flancos rápidos de tensión (dv/dt) producen sobretensiones por onda reflejada en cables largos, mayor solicitación del aislamiento y corrientes por los rodamientos. La IEC TS 60034-25, que reemplazó a la IEC TS 60034-17, entrega criterios para evaluar estos efectos y define motores aptos para alimentación por convertidor [5].
Control escalar V/f
En el control escalar, el variador mantiene constante la relación entre tensión y frecuencia (V/f). Como el flujo magnético del estator es aproximadamente proporcional a U/f, esta estrategia conserva el flujo nominal y, con él, la capacidad de par en el rango de velocidad base [6]. Se emplean dos curvas principales:
- Curva lineal: flujo constante, adecuada para cargas de par constante.
- Curva cuadrática: reduce la tensión a baja velocidad en cargas de par cuadrático, como bombas centrífugas y ventiladores, lo que disminuye las pérdidas magnéticas.
El refuerzo de tensión (voltage boost) compensa la caída en la resistencia del estator a baja frecuencia, y la compensación de deslizamiento (slip compensation) eleva la frecuencia según la corriente de carga. El control V/f es sencillo, no exige un modelo preciso del motor y permite alimentar varios motores en paralelo.
Control vectorial orientado al campo
El control vectorial, o control orientado al campo, FOC (Field Oriented Control), descompone la corriente del estator en dos componentes ortogonales referidas al flujo del rotor: la componente de flujo (i_d) y la componente de par (i_q). Con ello, el motor de inducción se controla de forma análoga a un motor de corriente continua con excitación independiente, con regulación desacoplada del flujo y del par [6] [7].
Existen dos variantes:
- Sin sensor (sensorless): estima velocidad y posición del flujo a partir de tensiones, corrientes y un modelo del motor identificado en la puesta en marcha.
- Lazo cerrado con encoder: mide la velocidad del eje y permite par nominal a velocidad cero; estos sensores se tratan en el artículo sobre encoders y resolvers.
Ambas variantes ofrecen una respuesta dinámica de par muy superior al control escalar y un par elevado a baja velocidad.
Comparación de métodos de control
| Criterio | Control V/f | Vectorial sin sensor | Vectorial con encoder |
|---|---|---|---|
| Precisión de velocidad | Del orden del deslizamiento nominal; mejora con compensación | Fracción del deslizamiento nominal | Determinada por la resolución del encoder |
| Par a baja velocidad | Limitado; depende del refuerzo de tensión | Alto, hasta frecuencias bajas | Par nominal incluso a velocidad cero |
| Respuesta dinámica | Lenta | Rápida | Muy rápida |
| Puesta en marcha | Simple; datos de placa | Requiere identificación del motor | Identificación del motor y ajuste del encoder |
| Aplicaciones típicas | Bombas, ventiladores, varios motores en paralelo | Correas, mezcladores, extrusoras, compresores | Elevación, bobinadoras, posicionamiento |
Beneficios del variador de frecuencia
- Ahorro energético: en cargas de par cuadrático la potencia varía aproximadamente con el cubo de la velocidad, por lo que una reducción moderada de velocidad ahorra más energía que estrangular el caudal; ver el artículo sobre perfiles de carga mecánica [2].
- Arranque y parada suaves: rampas que limitan la corriente de arranque y los esfuerzos sobre acoplamientos, reductores y tuberías.
- Control de proceso: la velocidad se convierte en una variable manipulada continua para lazos de presión, caudal, nivel o tensión de banda.
- Frenado controlado: disipativo mediante chopper o regenerativo mediante front-end activo.
Conclusión
El variador combina rectificador, bus DC e inversor PWM con un algoritmo de control que define su desempeño. El control V/f resuelve con simplicidad el bombeo y la ventilación, mientras que el control vectorial, sin sensor o con encoder, entrega la precisión, el par a baja velocidad y la dinámica del manejo de materiales y el posicionamiento. Las normas IEC 61800-2, IEC 61800-9-2 e IEC TS 60034-25 proporcionan el marco para especificar el sistema completo, evaluar su eficiencia y asegurar la compatibilidad entre convertidor y motor.
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Referencias
[1] IEC. IEC 61800-2:2021 Adjustable speed electrical power drive systems – Part 2: General requirements – Rating specifications for adjustable speed AC power drive systems. Ed. 3.0. Ginebra: International Electrotechnical Commission, 2021.
[2] IEC. IEC 61800-9-2:2023 Adjustable speed electrical power drive systems (PDS) – Part 9-2: Ecodesign for motor systems – Energy efficiency determination and classification. Ed. 2.0. Ginebra: International Electrotechnical Commission, 2023.
[3] N. Mohan, T. M. Undeland y W. P. Robbins. Power Electronics: Converters, Applications, and Design. 3.ª ed. Hoboken: John Wiley & Sons, 2003.
[4] D. G. Holmes y T. A. Lipo. Pulse Width Modulation for Power Converters: Principles and Practice. Piscataway: IEEE Press / Wiley-Interscience, 2003.
[5] IEC. IEC TS 60034-25:2022 Rotating electrical machines – Part 25: AC electrical machines used in power drive systems – Application guide. Ed. 4.0. Ginebra: International Electrotechnical Commission, 2022.
[6] B. K. Bose. Modern Power Electronics and AC Drives. Upper Saddle River: Prentice Hall PTR, 2002.
[7] W. Leonhard. Control of Electrical Drives. 3.ª ed. Berlín: Springer, 2001.