El inversor y el accionamiento PWM
Varía la fracción en conducción senoidalmente: la tensión media es…
Un inversor conecta su terminal de salida a +Vdc o -Vdc, alternando muy deprisa. Tal cual es un tren de pulsos tosco, pero la conmutación es tan rápida que la inductancia del motor filtra las componentes de alta frecuencia y solo circula una corriente cercana al promedio. El deslizador del índice de modulación fija cuánto oscila de forma sinusoidal la proporción de tiempo en ON; elige primero qué forma tendrá el promedio (dorado) que pasa entre los pulsos toscos y luego mueve el deslizador.
El inversor conmuta CC en CA
Un inversor trifásico está formado por tres ramas, cada una con dos interruptores semiconductores, uno encima del otro, sobre el bus de continua. Si se ve el bus de continua como dos carriles, +Vdc y -Vdc, respecto a su punto medio, cada rama conecta su salida a +Vdc cuando conduce el interruptor superior y a -Vdc cuando conduce el inferior. Al hacer funcionar las tres ramas desfasadas 120° se obtiene alterna trifásica; si cada interruptor se cerrara solo una vez por ciclo saldría una onda cuadrada tosca, pero en la práctica los interruptores se abren y cierran muy deprisa, a varios kilohercios. La inductancia del devanado del motor filtra este contenido de alta frecuencia de conmutación, así que en la corriente queda sobre todo la fundamental, que corresponde al promedio, con un rizado pequeño.
El PWM promedia en una senoide
La fracción de un periodo de conmutación durante la cual la salida permanece en +Vdc se llama ciclo de trabajo. Con un ciclo de trabajo de la mitad, el promedio es 0; uno mayor lleva el promedio hacia el lado +, y uno menor, hacia el lado -. Variar este ciclo de trabajo de forma sinusoidal a lo largo de un ciclo de salida hace que la tensión media trace una senoide, y el método de fijar así el ciclo de trabajo es la modulación por ancho de pulso (PWM). Suele hacerse comparando una senoide de referencia con una onda triangular rápida (la portadora) y cerrando el interruptor superior mientras la referencia está por encima de la portadora. La amplitud de la senoide de referencia, el índice de modulación m, fija el módulo de la tensión de salida, y la frecuencia de la senoide de referencia fija la frecuencia de salida; las dos son independientes, así que tensión y frecuencia se manejan por separado. Cuando la amplitud de la referencia supera a la portadora, en la región de sobremodulación, el promedio empieza a apartarse de una senoide.
Un inversor mueve toda máquina
El control V/f de una máquina de inducción consiste en hacer el índice de modulación m proporcional a la frecuencia de salida para mantener constante el flujo, y la velocidad variable de las máquinas síncronas y los servos y la conmutación electrónica del BLDC son también este inversor formando tensión y frecuencia según una consigna o la posición del rotor. La conmutación rápida trae pérdidas de conmutación y armónicos, así que la frecuencia de la portadora se elige como un compromiso entre pérdidas y armónicos, y métodos de modulación como la modulación vectorial espacial aprovechan mejor la tensión del bus de continua. En el fondo, el inversor generaliza con interruptores semiconductores la conmutación que el conmutador de la máquina de corriente continua hacía con contactos mecánicos. Todas las máquinas de este curso, empezando por el circuito magnético, se controlan al final mediante la tensión y la frecuencia sobre este único dispositivo.
De vuelta a la primera pantalla
Al variar de forma sinusoidal la proporción de tiempo en ON, el promedio trazó una senoide. El inversor solo conmuta su salida rápidamente entre +Vdc y -Vdc, pero la inductancia del motor filtra las componentes de alta frecuencia y deja pasar solo una corriente cercana al promedio, así que al modular el ciclo de trabajo de forma sinusoidal ese promedio se convierte en una senoide suave. La amplitud de la senoide de referencia (el índice de modulación) fija el módulo de la tensión y la frecuencia de la referencia fija la frecuencia de salida, de modo que tensión y frecuencia se manejan por separado a partir de una sola continua, y el V/f de la máquina de inducción, la velocidad variable de la máquina síncrona y la conmutación electrónica del BLDC funcionan todos sobre este único dispositivo. La historia de las máquinas eléctricas, que partió de una sola hebra de flujo en un circuito magnético y pasó por los transformadores y las máquinas rotativas, se cierra aquí, donde los interruptores semiconductores forman la tensión y la frecuencia.
Partiendo del flujo y la reluctancia del circuito magnético (A), hemos pasado por el transformador que transmite ese flujo (A), la máquina de corriente continua cuyo conmutador convierte la alterna del inducido en continua en los bornes (B), la máquina de inducción que gira en un campo giratorio con su deslizamiento (C), la máquina síncrona que ata velocidad y frecuencia como una sola (D), y las máquinas especiales y el inversor formados por imanes permanentes e interruptores semiconductores (E). Todas las máquinas estaban sobre un mismo tronco: giran por la fuerza que intercambian flujo y corriente, y la conmutación y el control gobiernan esa fuerza. Con este mapa trazado a lo largo de veinte unidades en la mano, ante cualquier máquina rotativa uno empieza por preguntar de dónde sale el flujo, por dónde circula la corriente y qué los controla.