¿Cómo funciona un VFD? Rectificador, bus de continua e inversor IGBT

Un VFD funciona dividiendo una sola tarea en tres etapas. La red entrega una frecuencia fija, 50 Hz o 60 Hz, y el motor necesita algo ajustable. Así que el variador primero convierte la corriente alterna en continua, mantiene esa continua estable y luego la vuelve a convertir en alterna con la frecuencia y la tensión que le interesan. Rectificador, bus de continua, inversor. Todo lo demás en la tarjeta existe para gobernar esas tres etapas.

El rectificador es la primera etapa. Su trabajo es convertir la corriente alterna de entrada en continua y, en la mayoría de los variadores de propósito general, es un puente de seis diodos. Un diodo conduce en un solo sentido, de modo que cada par se alinea con una fase y la salida se vuelve una continua pulsante. Esa continua todavía no es plana, pero su polaridad ya está fijada, y eso es lo que importa.

Los variadores de mayor potencia, y cualquiera que necesite devolver energía a la red, sustituyen los diodos por tiristores o por un front-end activo construido con IGBT. El rectificador pasa entonces a ser algo que la tarjeta de control puede regular.

El bus de continua es la segunda etapa y consiste sobre todo en una batería de condensadores. Su misión es mantener estable la tensión rectificada mientras el inversor toma corriente en pulsos cortos y bruscos. Con poca capacidad, la tensión del bus cae en cada conmutación y el variador dispara por subtensión.

La tensión del bus sigue a la de la red. Una red de 400 V da unos 565 V de continua y una de 480 V ronda los 650 V. Ese número es importante porque fija el techo de la tensión que el inversor puede entregar a la salida.

El inversor es la tercera etapa. Toma la continua estable y la vuelve a conmutar a alterna trifásica mediante IGBT, con un par por cada fase de salida. Cada IGBT está o totalmente en conducción o totalmente bloqueado, y el variador decide cuándo conmuta cada uno. Controlando esa secuencia se controla la frecuencia y la tensión de salida.

Aquí entra la modulación por ancho de pulso. Los IGBT no conmutan a la frecuencia de salida. Conmutan a una frecuencia de portadora mucho más alta, normalmente entre 2 y 16 kHz, y la frecuencia de salida se construye con la anchura de los pulsos, no con la frecuencia con que aparecen.

Si se ensanchan los pulsos, sube la tensión media. Si se estrechan, baja. Cuántos pulsos forman un ciclo completo de salida es lo que fija la frecuencia de salida. El devanado del motor es una inductancia y suaviza ese tren de pulsos hasta algo muy parecido a una senoide. Si se mira la tensión en los bornes con un osciloscopio se ve una onda conmutada y de flancos rectangulares, mientras que la corriente en los devanados se mantiene casi senoidal.

Frecuencia y tensión tienen que moverse juntas. El flujo magnético de un motor de inducción es proporcional a la tensión dividida por la frecuencia, así que reducir la frecuencia a la mitad con la tensión nominal duplica el flujo. El hierro se satura, la corriente de magnetización sube y el devanado se calienta. Por eso el variador va bajando la relación V/f a medida que baja la velocidad, manteniendo ambas en fase.

A frecuencias muy bajas la resistencia del estator empieza a comerse el par disponible, así que la mayoría de los variadores añaden una compensación de tensión ajustable por debajo de unos 5 Hz. Ese ajuste decide si un transportador cargado o una bomba volumétrica arrancan o no.

Quien da las órdenes es la capa de control, y esta tiene distintos niveles de profundidad. El control V/f en lazo abierto es el más sencillo y basta para bombas y ventiladores. Añadir realimentación por encoder, o usar control vectorial sin sensor, permite mantener par y velocidad con mucha más firmeza, que es lo que necesitan transportadores, extrusoras y bobinadoras cuando la carga cambia rápido. Qué esquema conviene para cada servicio merece un artículo aparte.

La energía también puede circular al revés. Cuando un motor frena una carga de gran inercia, o una bomba trabaja en bajada, el motor se convierte en generador y empuja energía de vuelta al bus de continua. La tensión del bus sube y el variador tiene que resolverlo, ya sea conmutando una resistencia de frenado sobre el bus o devolviendo la energía a la red mediante un front-end activo. Un disparo por sobretensión durante una parada suele ser exactamente este problema.

Recorramos el camino completo. La trifásica entra al rectificador a 50 Hz y sale como continua. El bus la mantiene cerca de 565 V. El inversor la vuelve a conmutar en una salida trifásica a, por ejemplo, 32 Hz para una bomba que necesita media velocidad. El motor gira a unos dos tercios de su velocidad nominal y consume mucha menos potencia que esa misma bomba con una válvula de estrangulamiento. No se disipa nada en una resistencia ni se estrangula nada en una válvula. La velocidad misma es el control.

Esta imagen descarta algunos malentendidos habituales. Un VFD no reduce la velocidad bajando solo la tensión, porque la frecuencia tiene que bajar con ella o el hierro se satura. Tampoco es un arrancador suave con pantalla, porque un arrancador suave eleva la tensión una vez y después entrega el motor directamente a la red. Y no ahorra energía en cualquier aplicación. En una carga de par constante girando a plena velocidad hay muy poco que ahorrar. El ahorro aparece en cargas donde el caudal o la presión siguen a la velocidad, y por eso las bombas y los ventiladores dominan el parque instalado.

Una vez claras las tres etapas, la pregunta práctica es qué variador poner en un motor concreto. El caballo de batalla en la mayoría de las plantas es el VFD de baja tensión en el rango de 380 a 480 V, que cubre bombas, ventiladores y transportadores. Un modelo de propósito general reúne control V/f y vectorial sin sensor en el mismo equipo, además de un lazo PID integrado para presión o caudal constantes. Si está especificando para un servicio conocido, envíenos la placa del motor y las condiciones de operación, y normalmente confirmamos el modelo y sus parámetros en 24 horas.