¿Qué es un convertidor de frecuencia estático? De 50 Hz a 400 Hz

Un convertidor de frecuencia estático es una unidad de electrónica de potencia que modifica la frecuencia (y, por lo general, la tensión) de una alimentación AC mediante interruptores semiconductores. "Estático" significa que no hay ninguna máquina rotativa: mientras que un antiguo grupo motor-generador hace girar un generador de 400 Hz con un motor alimentado desde la red, un convertidor estático realiza la misma función de forma electrónica con un rectificador, un bus DC y un inversor. También se denomina convertidor de frecuencia de estado sólido.

En el ámbito de la defensa, la tarea más habitual es obtener 115 VAC 400 Hz a partir de una red de 50 Hz. Las plataformas navales, los subsistemas de radar y de control de tiro y la electrónica de misión de algunos vehículos terrestres necesitan 400 Hz, mientras que las instalaciones, los campamentos y los laboratorios de ensayo disponen de 50 Hz. Las razones por las que se utilizan 400 Hz se explican en nuestra Guía de convertidores de frecuencia militares móviles. Este artículo examina el interior del equipo: cómo se generan los 400 Hz, cómo se mide la calidad de la salida y cómo elegir una unidad.

Primero, la entrada se convierte en DC y, a partir de esa DC, se reconstruye la salida a la frecuencia requerida, de modo que ambas quedan totalmente desacopladas. Esto se conoce como doble conversión.

1. Rectificador

La AC monofásica o trifásica de la red se convierte en DC. Un puente de diodos es la opción más sencilla, pero absorbe una corriente pulsante e inyecta armónicos. Una etapa de entrada activa (AFE, Active Front End) utiliza también interruptores controlados en la entrada y absorbe una corriente casi senoidal. El PowerGuard TPS-115, por ejemplo, emplea una topología AFE que, según su hoja de datos, ofrece "alto factor de potencia, baja distorsión armónica, impacto mínimo en la red".

2. Bus DC

El rectificador alimenta un banco de condensadores denominado bus DC. Este bus actúa como amortiguador entre las dos etapas, de modo que las caídas breves de tensión en la entrada y el desequilibrio de fases se atenúan en lugar de transmitirse a la salida.

3. Inversor

El inversor suele ser un puente de IGBT. Mediante modulación por ancho de pulso (PWM), los interruptores conmutan a una frecuencia portadora de varios kilohercios o más, con anchos de pulso ajustados para que su valor medio siga una onda senoidal de referencia. Esa referencia se define por software, de modo que el mismo hardware puede producir 60 Hz o 400 Hz.

4. Filtro de salida y transformador de aislamiento

Un filtro LC elimina el contenido de la portadora del tren de pulsos PWM y deja una onda senoidal limpia. Muchos diseños añaden a la salida un transformador de aislamiento que adapta la tensión, separa galvánicamente la carga de la red y puede proporcionar un neutro. A 400 Hz es considerablemente más pequeño que un transformador de 50 Hz de la misma potencia nominal.

Las unidades rotativas siguen presentes en instalaciones fijas más antiguas; en las plataformas móviles y de nueva construcción, la arquitectura estática es la norma.

"Energía limpia" no es una especificación. Solicite valores medibles:

• Distorsión armónica total (THD): desviación de la salida respecto a una senoide ideal; una THD elevada hace que las fuentes de alimentación de radar y de comunicaciones funcionen más calientes y con más ruido.
• Modulación de frecuencia: variación de la frecuencia de salida en régimen permanente; es importante para sincros y resolvers.
• Modulación de tensión: variación periódica de la tensión de salida en régimen permanente.
• Respuesta transitoria: rapidez con la que se estabiliza la salida tras un escalón de carga o durante el arranque.
• Desconexión de protección: rapidez con la que se desconecta la salida ante una sobretensión o una subtensión.

En las plataformas navales, estos límites suelen especificarse con referencia a la sección de interfaz de energía eléctrica (sección 300) de la serie MIL-STD-1399. Por ejemplo, la hoja de datos del Convertidor de frecuencia estático PowerGuard 115/200 VAC 400 Hz indica una THD inferior al 5%, una modulación de frecuencia de 4 Hz como máximo, una modulación de tensión de 2.5 Vrms como máximo, 200 ms hasta alcanzar el régimen permanente y un tiempo de desconexión de la salida de 100–170 ms ante sobretensión o subtensión, con requisitos de salida definidos según MIL-STD-1399-300B.

Los tres pueden contener un rectificador y un inversor, pero cumplen funciones distintas:

• Variador de motor (VFD): varía la frecuencia para controlar la velocidad del motor; su salida suele ser PWM sin filtrar, suavizada por el devanado del motor, y no es adecuada para equipos de uso general. Consulte nuestra Guía de variadores de motor militares y el Mil-Drive-55.
• Inversor AC-AC: su función principal es la conversión de tensión y el aislamiento, por ejemplo, de 400 VAC a 115 VAC 50 Hz. Consulte nuestra Guía de inversores AC-AC militares y el Inversor AC-AC PowerGuard 400/115 VAC.
• Convertidor de frecuencia: suministra una onda senoidal filtrada con una frecuencia y una tensión definidas; para la carga, se comporta como una red eléctrica.

1. 1.Entrada: número de fases, rango de tensión y frecuencia, además de las tolerancias del generador si la alimentación procede de un generador.
2. 2.Conexión de salida: si la carga de 400 Hz requiere conexión en estrella (115 VAC fase-neutro, con neutro) o en triángulo (115 VAC fase-fase). Una elección incorrecta altera la tensión que recibe el equipo en un factor de √3.
3. 3.Potencia: la potencia nominal en kVA junto con el factor de potencia de salida. La electrónica con entrada por rectificador y los motores mantienen los kVA por encima de los kW.
4. 4.Tipo de carga y sobrecarga: el arranque de motores y la carga de condensadores absorben una corriente de irrupción que debe quedar cubierta por la capacidad de sobrecarga de corta duración.
5. 5.Entorno: interior o exterior; temperatura, altitud y requisitos de vibración, choque, humedad y polvo según MIL-STD-810. Lo que exige MIL-STD-810 se explica en nuestra guía de MIL-STD-461 y MIL-STD-810.
6. 6.Supervisión y comunicaciones: pantalla local, prueba integrada e interfaz con la red de la plataforma (RS-422, RS-485, Ethernet).

Con respecto a estos parámetros, la familia de convertidores de frecuencia de TEDEG cubre tres necesidades distintas:

¿Un convertidor estático es lo mismo que un convertidor de frecuencia?

Por lo general, sí: "convertidor estático", "convertidor de frecuencia estático" y "convertidor de frecuencia de estado sólido" designan equipos de electrónica de potencia que convierten la frecuencia sin una máquina rotativa. Dado que el término "convertidor" por sí solo también abarca unidades DC-DC y AC-DC, indique explícitamente la frecuencia de salida en la especificación.

¿Un convertidor de frecuencia también modifica la tensión?

Por lo general, sí: el inversor controla la amplitud y el transformador de salida adapta la tensión. El convertidor estático PowerGuard 115/200 VAC produce una salida variable de 115–220 VAC a partir de una entrada de 360–440 VAC.

¿Puede una red de 50 Hz alimentar también equipos de 60 Hz?

Sí. La frecuencia de salida se ajusta por software, de modo que la misma arquitectura puede producir 60 Hz. El convertidor estático PowerGuard ofrece una salida variable de 60–400 Hz; PowerGuard Outdoor proporciona 60 Hz y 400 Hz en salidas aisladas independientes dentro de un mismo chasis.

¿Por qué la energía de 400 Hz se genera cerca de la carga?

La reactancia inductiva del cable es proporcional a la frecuencia: a 400 Hz es aproximadamente ocho veces el valor a 50 Hz, por lo que la caída de tensión aumenta rápidamente en tendidos largos. El convertidor suele situarse cerca del equipo al que alimenta.

Un convertidor de frecuencia estático utiliza un rectificador, un bus DC, un inversor PWM y un filtro de salida para convertir 50 Hz en una salida limpia de 400 Hz. Para una selección acertada, incluya en la especificación, como valores numéricos, la THD, la modulación, la respuesta transitoria, el tipo de conexión, el factor de potencia, la sobrecarga y las condiciones ambientales.

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Ejemplo de campo: para conocer una aplicación en la que varias unidades de energía se unificaron en un único convertidor de frecuencia, consulte el caso de éxito de la plataforma lanzacohetes terrestre.