¿Cómo funcionan juntas la frecuencia portadora y la modulación de ancho de pulso en un VFD para controlar la velocidad del motor de CA?

En un VFD, la frecuencia portadora es la frecuencia de conmutación de los dispositivos de potencia. Para comenzar con un ejemplo simple, considere el circuito de puente H que se muestra a continuación. Los cuatro transistores se pueden cambiar secuencialmente para producir una aproximación aproximada de una onda sinusoidal. Se requieren dos ciclos de conmutación de encendido/apagado para producir un ciclo de la forma de onda de salida, por lo que la frecuencia de conmutación es el doble de la frecuencia de salida. Si la frecuencia de salida cambia, la frecuencia portadora debe cambiar proporcionalmente.

Para controlar un motor de inducción, el voltaje debe controlarse para mantener una relación relativamente constante de voltaje a frecuencia. Para hacerlo con la modulación de ancho de pulso (PWM), se deben agregar uno o más eventos de conmutación al esquema, como se muestra a continuación. Agregar PWM para controlar el voltaje con este esquema hace que la frecuencia de conmutación sea seis veces mayor que la frecuencia de salida. La frecuencia de conmutación generalmente se selecciona para que sea mucho más de seis veces la frecuencia de salida para reducir el contenido armónico y proporcionar una forma de onda de salida efectiva de mejor calidad. Varios fabricantes describen sus esquemas de control de diferentes maneras. De una forma u otra, se calcula la forma de onda requerida para producir el rendimiento deseado del motor y los dispositivos se conmutan en consecuencia dentro de los límites que el diseño ha impuesto a la frecuencia de conmutación.

Es posible utilizar un mayor número de pulsos modulados a frecuencias de salida más bajas en comparación con el número utilizado a frecuencias de salida más altas. En ese caso, la frecuencia de conmutación como múltiplo de la frecuencia de salida podría aumentar y disminuir a medida que aumenta la frecuencia de salida, en lugar de solo aumentar en proporción a la frecuencia de salida. Existen otros factores en el esquema de control general y el diseño del VFD que agregan mayor complejidad a la relación entre la frecuencia de salida y la frecuencia de conmutación.

Los siguientes diagramas muestran dos posibles diseños de PWM basados ​​en una onda portadora triangular que intercepta una onda de reverencia sinusoidal. Estos muestran cómo se puede implementar una simulación de onda sinusoidal PWM de voltaje variable proporcional con una frecuencia portadora que es un múltiplo de la frecuencia sinusoidal o con una frecuencia portadora constante.

Tenga en cuenta que la velocidad de conmutación es solo el recuento de transiciones de encendido/apagado y apagado/encendido por segundo. La duración de "encendido" y la duración de "apagado" se pueden ajustar en un amplio rango sin cambiar la frecuencia de conmutación.

En:

J. Zubek, A. Abbondanti y CJ Norby, "Controladores de motor inversor modulados por ancho de pulso con modulación mejorada", en IEEE Transactions on Industry Applications, vol. IA-11, núm. 6, págs. 695-703, noviembre de 1975. doi: 10.1109/TIA.1975.349357

Ese documento cita:

K. Heintze et al., "Inversores estáticos de modulación de ancho de pulso para el control de velocidad de motores de inducción", Siemens-Z., vol. 45 (3), págs. 154-161, 1971.

y:

A. Schonung y H. Stemmler, "Cambiadores de frecuencia estáticos con control subarmónico junto con variadores de frecuencia de CA de velocidad variable reversible", Brown-Boveri Review, págs. 555-577, agosto/septiembre. 1964.

Es posible que el método de triangulación se haya utilizado hasta cierto punto antes de que se utilizaran los microprocesadores en los VFD. En muchas discusiones, la onda portadora triangular se usa para ilustrar el principio básico en lugar de describir la implementación detallada. Con control por microprocesador, es posible simular ondas sinusoidales con voltaje y frecuencia variables de muchas maneras con una frecuencia de conmutación fija o variable. Se han descrito y utilizado muchos esquemas. Es difícil determinar qué esquemas son populares hoy en día.

Puede haber esquemas que, en efecto, cambien tanto el número como el ancho de los pulsos PWM para cada ciclo de forma de onda de salida que se produce. En la mayoría de los diseños modernos de VFD, el procesador recalcula constantemente el voltaje y la frecuencia de salida requeridos.