Diseño de un conversor de frecuencia de potencia usando modulación clase D

Abstract

La conversión de frecuencia de la red industrial de alimentación constituye un proceso que ofrece atractivas posibilidades de aplicación, esencialmente en el campo de las máquinas eléctricas, existiendo actualmente una fuerte tendencia a realizar tal conversión con equipos electrónicos de estado sólido los que por su compatibilidad, fiabilidad y versatilidad resultan en ventaja al compararlos a los convencionales grupos motor generador o convertidores rotativos. Apoyando esta tendencia se está desarrollando la tecnología de estado sólido destinada a uso industrial haciendo ya factibles y económicamente aceptables equipos electrónicos para aplicaciones del orden de los kilovatios. Para manejar tales niveles de potencia se hace necesario que los dispositivos electrónicos de potencia trabajen en régimen de conmutación asemejándose a interruptores electrónicamente controlados para minimizar lo potencia que deben poder disipar. El proceso más comúnmente utilizado para convertir frecuencia electrónicamente a nivel industrial, consiste en transformar la tensión alterna de entrada en una continua, mediante una etapa rectificadora convirtiéndola luego a una tensión alterna de la frecuencia deseada mediante inversores pudiendo obtenerse excelentes características de regulación en la tensión de salida y permitiendo la alimentación del sistema desde un banco de baterías en caso de emergencia en forma prácticamente instantánea por lo que estos equipos resultan muy apropiados para alimentar sistemas que requieren tensión de alimentación, esencialmente estable y autónoma de la red Industrial en casos de emergencia. Actualmente la implementación de tales equipos se realiza en base a tiristores teniéndose como inconvenientes principales la necesidad de complicados circuitos para lograr la conmutación de estos y la limitada velocidad a la que pueden operar confiablemente, imponiendo el incluir numerosos componentes reactivos de poder los que aumentan notablemente las dimensiones y costo del equipo. Para salvar estos Problemas se están desarrollan transistores bipolares de potencia los que se encuentran compitiendo y ya desplazando a los tiristores en aplicaciones de conversión de frecuencia, en especial en equipos del orden de algunos kilovatios. Sin embargo, esta solución presenta inconvenientes tales como una circuitería especial para las etapas excitadoras, relative fragilidad, lentitud y dificultad para la puesta en paralelo de los transistores para alcanzar mayores niveles de potencia. Muy recientemente, se han introducido en el mercado transistores MOSFET capaces de manejar potencias del orden del kilovatio los que exhiben excelentes características de conmutación aunadas a la simplicidad con que pueden ser accionadas, acercándose más estrechamente al modelo de interruptor electrónicamente controlado que otros dispositivos electrónicos de potencia. El presente trabajo constituye una aplicación de esta nueva tecnología usando la modulación clase D banda ancha o modulación por ancho de pulso para realizar, con un mínimo de componentes reactivos de poder y por lo tanto con mínimo espacio, la conversión de frecuencia de manera eficiente y relativamente simple a un nivel de potencia aceptable para uso industrial. Para la ejecución del presente diseño se ha contado con información técnico sumamente actualizada a fin de tomar en cuenta los últimos adelantos en componentes destinados a este tipo de aplicaciones, asegurado a la vez la posibilidad de conseguirlos comercialmente. Asimismo, se ha efectuado, en lo posible, analogías de algunas partes del presente proyecto con otras similares utilizadas en equipos comerciales para aprovechar experiencias y minimizar las dificultades de una eventual realización del equipo diseñado. El diseño comienza por un estudio de la conmutación de potencia para implementar con MOSFET's la etapa de potencia clase D dimensionándose la capacidad de manejo de potencia del equipo e incluyéndose consideraciones sobre eficiencia, alimentación de cargas reactivas, diseño de filtro de poder y especificaciones eléctricas del equipo, así como sus protecciones. Seguidamente, se diseña la etapa rectificadora de potencia y a continuación se analiza en detalle la circuitería de control necesaria dándose especial atención al diseño del oscilador de baja frecuencia. Cabe resaltar que en el presente trabajo se muestran las etapas dimensionadas pare encajar en el conjunto, aunque durante el diseño se han tenido que ir adecuando e interaccionando en cada caso a fin de optimizarlo y hacerlo susceptible de ser implementado con dispositivos comercialmente disponibles. Asimismo, se ha tratado de evitar extensiones en temas de común dominio en la especialidad, complementando la obra con gráficos, documentación técnica y bibliografía adecuada.