Variador de frecuencia

El motor eléctrico de CA utilizado en un sistema VFD suele ser un motor de inducción trifásico . Algunos tipos de motores monofásicos o síncronos pueden ser ventajosos en ciertas situaciones, pero generalmente se prefieren los motores de inducción trifásicos por ser los más económicos. A menudo se utilizan motores diseñados para funcionamiento a velocidad fija. Las elevadas tensiones a las que se ven sometidos los motores de inducción alimentados por VFD requieren que dichos motores estén diseñados para funcionar con un inversor de propósito específico, de acuerdo con los requisitos de la Parte 31 de la norma NEMA MG-1. ^{[ 14 ]}

El controlador VFD es un sistema de conversión de electrónica de potencia de estado sólido que consta de tres subsistemas distintos: un convertidor de puente rectificador , un enlace de corriente continua (CC) y un inversor. Los variadores de frecuencia con inversor de fuente de tensión (VSI) (véase la subsección "Topologías genéricas" más adelante) son, con diferencia, el tipo de variador más común. La mayoría de los variadores son de CA-CA, ya que convierten la entrada de línea de CA en la salida del inversor de CA. Sin embargo, en algunas aplicaciones, como en buses de CC comunes o aplicaciones solares , los variadores se configuran como variadores de CC-CA. El convertidor rectificador más básico para el variador VSI se configura como un puente de diodos de onda completa , trifásico y de seis pulsos . En un variador VSI, el enlace de CC consta de un condensador que suaviza la ondulación de la salida de CC del convertidor y proporciona una entrada estable al inversor. Esta tensión de CC filtrada se convierte en una salida de tensión de CA cuasi- sinusoidal mediante los elementos de conmutación activa del inversor. Los variadores VSI proporcionan un factor de potencia más alto y una distorsión armónica más baja que los variadores de inversor de fuente de corriente controlado por fase (CSI) y los variadores de inversor conmutado por carga (LCI) (véase la subsección «Topologías genéricas» más adelante). El controlador del variador también puede configurarse como un convertidor de fase con entrada de convertidor monofásico y salida de inversor trifásico. ^{[ 15 ]}

Los avances en los controladores han aprovechado los drásticos aumentos en las clasificaciones de voltaje y corriente y la frecuencia de conmutación de los dispositivos de potencia de estado sólido durante las últimas seis décadas. Introducido en 1983, ^{[ 16 ]} el transistor bipolar de puerta aislada (IGBT) ha llegado a dominar los VFD como dispositivo de conmutación de inversores en las últimas dos décadas. ^{[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]}

En aplicaciones de par variable adecuadas para el control de accionamiento en voltios por hercio (V/Hz), las características del motor de CA requieren que la magnitud de la tensión de salida del inversor al motor se ajuste para que coincida con el par de carga requerido en una relación lineal V/Hz. Por ejemplo, para motores de 460  V, 60 Hz, esta relación lineal V/Hz es 460/60 = 7,67 V/Hz. Si bien es adecuado para una amplia gama de aplicaciones, el control V/Hz no es óptimo en aplicaciones de alto rendimiento que implican baja velocidad o exigencias de regulación dinámica de velocidad, posicionamiento y requisitos de inversión de carga. Algunos accionamientos de control V/Hz también pueden operar en modo V/Hz cuadrático o incluso pueden programarse para adaptarse a trayectorias V/Hz multipunto especiales. ^{[ 20 ] [ 21 ]}  

Las otras dos plataformas de control de accionamiento, el control vectorial y el control directo de par (DTC), ajustan la magnitud del voltaje del motor, el ángulo con respecto a la referencia y la frecuencia ^{[ 22 ]} para controlar con precisión el flujo magnético y el par mecánico del motor.

Aunque la modulación por ancho de pulso vectorial espacial (SVPWM) se está volviendo cada vez más popular, ^{[ 23 ]} la modulación por ancho de pulso sinusoidal (SPWM) es el método más directo utilizado para variar el voltaje (o la corriente) y la frecuencia del motor de los accionamientos. Con el control SPWM (véase la Fig. 1), la salida cuasi-sinusoidal de ancho de pulso variable se construye a partir de las intersecciones de una señal portadora en diente de sierra con una señal sinusoidal moduladora que es variable en frecuencia de operación, así como en voltaje (o corriente). ^{[ 17 ] [ 24 ] [ 25 ]}

Es posible operar los motores por encima de la velocidad nominal (velocidad base), pero está limitado a condiciones que no requieren más potencia que la nominal del motor. Esto a veces se llama "debilitamiento de campo" y, para  los motores de CA, significa operar a menos de la V/Hz nominal y por encima de la velocidad nominal. Los motores síncronos de imanes permanentes tienen un rango de velocidad de debilitamiento de campo bastante limitado debido al flujo magnético constante . Los motores síncronos de rotor bobinado y los motores de inducción tienen un rango de velocidad mucho más amplio. Por ejemplo, un motor de inducción de 100  HP, 460  V, 60  Hz, 1775 RPM (4 polos) alimentado con 460 V, 75 Hz (6,134 V/Hz), estaría limitado a 60/75 = 80 % de par a 125 % de velocidad (2218,75 RPM) = 100 % de potencia. ^{[ 26 ]} A velocidades más altas, el par del motor de inducción debe limitarse aún más debido a la disminución del par de arranque ^{[ a ]} ​​del motor. Por lo tanto, la potencia nominal generalmente solo se puede producir hasta el 130–150% de la velocidad nominal indicada en la placa. Los motores síncronos de rotor bobinado pueden funcionar a velocidades aún mayores. En los accionamientos de laminadores, a menudo se utiliza el 200–300% de la velocidad base. La resistencia mecánica del rotor limita la velocidad máxima del motor.     

Un microprocesador integrado controla el funcionamiento general del controlador del variador de frecuencia (VFD). La programación básica del microprocesador se proporciona como firmware inaccesible para el usuario . Se proporciona programación por parte del usuario de los parámetros de la pantalla , las variables y los bloques de funciones para controlar, proteger y supervisar el VFD, el motor y los equipos accionados. ^{[ 17 ] [ 27 ]}

El controlador de accionamiento básico se puede configurar para incluir selectivamente los siguientes componentes y accesorios de alimentación opcionales:

• Conectado aguas arriba del convertidor: disyuntor o fusibles , contactor de aislamiento , filtro EMC , reactor de línea , filtro pasivo.
• Conectado al enlace de CC: chopper de frenado , resistencia de frenado.
• Conectado aguas abajo del inversor: reactor de salida, filtro de onda sinusoidal, filtro dV/dt. ^{[ b ] [ 29 ]}

La interfaz de operador permite al operador arrancar y detener el motor, así como ajustar la velocidad de funcionamiento. El variador de frecuencia (VFD) también puede controlarse mediante un controlador lógico programable (PLC) a través de Modbus u otra interfaz similar. Otras funciones de control del operador pueden incluir la inversión de giro y la conmutación entre el ajuste manual de velocidad y el control automático mediante una señal de control de proceso externa . La interfaz de operador suele incluir una pantalla alfanumérica o indicadores luminosos y medidores para proporcionar información sobre el funcionamiento del variador. Un teclado y una pantalla de interfaz de operador suelen estar ubicados en la parte frontal del controlador del VFD, como se muestra en la fotografía superior. El teclado y la pantalla a menudo se pueden conectar mediante cable y montar a corta distancia del controlador del VFD. La mayoría también incluyen terminales de entrada/salida (E/S) para conectar pulsadores, interruptores y otros dispositivos de interfaz de operador o señales de control. Un puerto de comunicación serie también suele estar disponible para permitir la configuración, el ajuste, la monitorización y el control del VFD mediante un ordenador. ^{[ 17 ] [ 30 ] [ 31 ]}

Existen dos formas principales de controlar la velocidad de un variador de frecuencia (VFD): mediante conexión en red o por cable. La conexión en red implica la transmisión de la velocidad deseada a través de un protocolo de comunicación como Modbus , Modbus / TCP , EtherNet/IP o mediante un teclado con interfaz serie de pantalla ( SSI), mientras que la conexión por cable utiliza un medio de comunicación puramente eléctrico. Los medios típicos de comunicación por cable son: 4-20 mA , 0-10 VCC o el uso de la fuente de alimentación interna de 24 VCC con un potenciómetro . El control de velocidad puede realizarse de forma remota o local, según los requisitos de la aplicación. El control remoto indica al VFD que ignore los comandos de velocidad del teclado, mientras que el control local le indica que ignore el control externo y solo responda a las órdenes del teclado.

Según el modelo, los parámetros de funcionamiento de un variador de frecuencia (VFD) se pueden programar mediante software específico, teclado interno, teclado externo o tarjeta SD. Los VFD suelen bloquear la mayoría de los cambios de programación durante su funcionamiento. Los parámetros típicos que deben configurarse incluyen: información de la placa de características del motor, fuente de referencia de velocidad, fuente de control de encendido/apagado y control de frenado. También es común que los VFD proporcionen información de diagnóstico, como códigos de error y el estado de las señales de entrada.

En referencia al gráfico adjunto, las aplicaciones de accionamiento se pueden clasificar como de un cuadrante, de dos cuadrantes o de cuatro cuadrantes; los cuatro cuadrantes del gráfico se definen de la siguiente manera: ^{[ 32 ] [ 33 ] [ 34 ]}

• Cuadrante I – Conducción o motorización, ^{[ 35 ]} cuadrante de aceleración hacia adelante con velocidad y par positivos
• Cuadrante II – Generación o frenado, frenado hacia adelante: cuadrante de desaceleración con velocidad positiva y par negativo.
• Cuadrante III – Conducción o motorización, cuadrante de aceleración inversa con velocidad y par negativos.
• Cuadrante IV – Generación o frenado, cuadrante de frenado-desaceleración inversa con velocidad negativa y par positivo.

La mayoría de las aplicaciones implican cargas de un solo cuadrante que operan en el cuadrante I, como en el caso de cargas de par variable (por ejemplo, bombas centrífugas o ventiladores) y ciertas cargas de par constante (por ejemplo, extrusoras).

Ciertas aplicaciones implican cargas de dos cuadrantes que operan en los cuadrantes I y II, donde la velocidad es positiva pero el par cambia de polaridad, como en el caso de un ventilador que desacelera más rápido que las pérdidas mecánicas naturales. Algunas fuentes definen los accionamientos de dos cuadrantes como cargas que operan en los cuadrantes I y III, donde la velocidad y el par tienen la misma polaridad (positiva o negativa) en ambas direcciones.

Ciertas aplicaciones de alto rendimiento implican cargas de cuatro cuadrantes (Cuadrantes I a IV) donde la velocidad y el par pueden estar en cualquier dirección, como en polipastos, ascensores y cintas transportadoras con pendientes. La regeneración solo puede ocurrir en el bus de enlace de CC del variador cuando la magnitud de la tensión del inversor es menor que la fuerza contraelectromotriz del motor y la tensión del inversor y la fuerza contraelectromotriz tienen la misma polaridad. ^{[ 36 ]}

Al arrancar un motor, un variador de frecuencia (VFD) aplica inicialmente una baja frecuencia y tensión, evitando así la alta corriente de irrupción asociada al arranque directo . Tras el arranque del VFD, la frecuencia y la tensión aplicadas se incrementan a un ritmo controlado o se aceleran gradualmente para acelerar la carga. Este método de arranque permite normalmente que un motor desarrolle el 150 % de su par nominal mientras el VFD consume menos del 50 % de su corriente nominal de la red en el rango de baja velocidad. Un VFD puede ajustarse para producir un par de arranque constante del 150 % desde parado hasta la velocidad máxima. ^{[ 37 ]} Sin embargo, la refrigeración del motor se deteriora y puede provocar sobrecalentamiento a medida que disminuye la velocidad, por lo que el funcionamiento prolongado a baja velocidad con un par significativo no suele ser posible sin una ventilación con ventilador motorizado independiente.

Con un variador de frecuencia (VFD), la secuencia de parada es justo la opuesta a la de arranque. La frecuencia y la tensión aplicadas al motor disminuyen gradualmente a un ritmo controlado. Cuando la frecuencia se aproxima a cero, el motor se apaga. Se dispone de un pequeño par de frenado para ayudar a desacelerar la carga un poco más rápido de lo que se detendría si simplemente se apagara el motor y se dejara rodar por inercia. Se puede obtener un par de frenado adicional añadiendo un circuito de frenado (una resistencia controlada por un transistor) para disipar la energía de frenado. Con un rectificador de cuatro cuadrantes (frontal activo), el VFD puede frenar la carga aplicando un par inverso e inyectando la energía de vuelta a la línea de CA.

Muchas aplicaciones de motores de velocidad fija alimentados directamente por la red eléctrica pueden ahorrar energía al funcionar a velocidad variable mediante variadores de frecuencia (VFD). Este ahorro energético es especialmente notable en aplicaciones de ventiladores y bombas centrífugas de par variable, donde el par y la potencia de la carga varían con el cuadrado y el cubo , respectivamente, de la velocidad. Este cambio produce una gran reducción de potencia en comparación con el funcionamiento a velocidad fija, incluso con una reducción de velocidad relativamente pequeña. Por ejemplo, al 63 % de la velocidad, un motor consume solo el 25 % de su potencia a velocidad máxima. Esta reducción se ajusta a las leyes de afinidad que definen la relación entre las distintas variables de la carga centrífuga.

En Estados Unidos, se estima que entre el 60 y el 65 % de la energía eléctrica se utiliza para alimentar motores, de los cuales el 75 % corresponde a cargas de ventiladores, bombas y compresores de par variable. ^{[ 38 ]} El 18 % de la energía utilizada en los 40 millones de motores en EE. UU. podría ahorrarse mediante tecnologías de mejora de la eficiencia energética, como los variadores de frecuencia (VFD). ^{[ 39 ] [ 40 ]}

Solo alrededor del 3% de la base instalada total de motores de CA están provistos de variadores de frecuencia. ^{[ 41 ]} Sin embargo, se estima que la tecnología de variadores se adopta en hasta un 30-40% de todos los motores recién instalados. ^{[ 42 ]}

En la siguiente tabla se muestra un desglose del consumo energético de las instalaciones de motores de corriente alterna a nivel mundial:

Los variadores de CA se utilizan para lograr mejoras de proceso y calidad en la aceleración, el flujo, el monitoreo, la presión, la velocidad, la temperatura, la tensión y el par en aplicaciones industriales y comerciales. ^{[ 44 ]}

Las cargas de velocidad fija someten al motor a un par de arranque elevado y a picos de corriente que pueden llegar a ser ocho veces superiores a la corriente de plena carga. En cambio, los variadores de frecuencia aceleran gradualmente el motor hasta alcanzar la velocidad de funcionamiento para reducir el estrés mecánico y eléctrico, disminuyendo así los costes de mantenimiento y reparación, y prolongando la vida útil del motor y del equipo accionado.

Los variadores de velocidad también pueden hacer funcionar un motor con patrones especializados para minimizar aún más las tensiones mecánicas y eléctricas. Por ejemplo, se puede aplicar un patrón en forma de S a una cinta transportadora para lograr un control más suave de la desaceleración y la aceleración, lo que reduce el juego que puede producirse durante la aceleración o la desaceleración de la cinta.

Entre los factores de rendimiento que tienden a favorecer el uso de variadores de CC sobre variadores de CA se incluyen requisitos como el funcionamiento continuo a baja velocidad, el funcionamiento en cuatro cuadrantes con regeneración, las rutinas frecuentes de aceleración y desaceleración, y la necesidad de que el motor esté protegido para zonas peligrosas. ^{[ 45 ]} La siguiente tabla compara los variadores de CA y CC según ciertos parámetros clave: ^{[ 46 ] [ 47 ] [ 48 ]}

^ Inyección de alta frecuencia

Los variadores de CA se pueden clasificar según las siguientes topologías genéricas: ^{[ c ] [ 49 ] [ 50 ]}

• Topologías de accionamiento con inversor de fuente de tensión (VSI) (ver imagen): En un accionamiento VSI, la salida de CC del convertidor de puente de diodos almacena energía en el bus de condensadores para suministrar una entrada de tensión estable al inversor. La gran mayoría de los accionamientos son de tipo VSI con salida de tensión PWM. ^{[ d ]}
• Topologías de accionamiento de inversor de fuente de corriente (CSI) (ver imagen): En un accionamiento CSI, la salida de CC del convertidor de puente SCR almacena energía en conexión en serie con un inductor para proporcionar una entrada de corriente estable al inversor. Los accionamientos CSI pueden funcionar con salida PWM o de forma de onda de seis pasos.
• Topologías de accionamiento de inversor de seis pasos (ver imagen): ^{[ e ] [ 51 ]} Ahora en gran parte obsoletos, los accionamientos de seis pasos pueden ser de tipo VSI o CSI y también se denominan accionamientos de inversor de voltaje variable, accionamientos de modulación de amplitud de pulso (PAM), ^{[ 52 ]} accionamientos de onda cuadrada o accionamientos de inversor de chopper de CC . ^{[ 53 ]} En un accionamiento de seis pasos, la salida de CC del convertidor de puente SCR se suaviza a través de un bus de condensadores y una conexión de reactor en serie para suministrar, a través de un par Darlington o un inversor IGBT , una entrada de voltaje o corriente cuasi-sinusoidal de seis pasos a un motor de inducción. ^{[ 54 ]}
• Topologías de accionamiento con inversor conmutado por carga (LCI) : En un accionamiento LCI (un caso especial de CSI), la salida de CC del convertidor de puente SCR almacena energía a través del circuito inductor del enlace de CC para suministrar una salida de corriente cuasi-sinusoidal rígida de seis pasos al inversor de un segundo puente SCR y a una máquina síncrona sobreexcitada. Los accionamientos de motor síncrono alimentados por LCI basados ​​en tiristores SCR de bajo costo se utilizan a menudo en aplicaciones de ventiladores, bombas y compresores de alta potencia y bajo rendimiento dinámico, con una potencia nominal de hasta 100 MW. ^{[ 55 ]}
• Topologías de cicloconvertidores o convertidores matriciales (CM) (ver imagen): Los cicloconvertidores y los CM son convertidores CA-CA que no tienen un enlace CC intermedio para el almacenamiento de energía. Un cicloconvertidor funciona como una fuente de corriente trifásica mediante tres puentes SCR conectados en antiparalelo en una configuración de seis pulsos, donde cada fase del cicloconvertidor actúa selectivamente para convertir una tensión CA de frecuencia fija de línea en una tensión alterna a una frecuencia de carga variable. Los variadores CM se basan en IGBT.
• Topologías de sistemas de recuperación de deslizamiento de doble alimentación : Un sistema de recuperación de deslizamiento de doble alimentación alimenta la potencia de deslizamiento rectificada a un reactor de suavizado para suministrar energía a la red de suministro de CA a través de un inversor, controlándose la velocidad del motor mediante el ajuste de la corriente continua.

La mayoría de las unidades utilizan una o más de las siguientes plataformas de control: ^{[ 49 ] [ 56 ]}

• Control escalar
• Control de vectores (CV)
  • Control orientado al campo (FOC)
• Control directo de par (DTC)

Los variadores de frecuencia también se clasifican según las siguientes características de par de carga y potencia:

• Par variable, como en aplicaciones de ventiladores centrífugos, bombas y sopladores.
• Par constante, como en aplicaciones de transportadores y bombas de desplazamiento positivo.
• Potencia constante, como en aplicaciones de máquinas herramienta y tracción.

Los VFD están disponibles con valores nominales de tensión y corriente que cubren una amplia gama de motores de CA monofásicos y multifásicos. Los variadores de baja tensión (BT) están diseñados para operar a tensiones de salida iguales o inferiores a 690  V. Si bien los variadores de BT para aplicaciones de motor están disponibles en valores nominales de hasta el orden de 5  o  6 MW, ^{[ 57 ]} las consideraciones económicas suelen favorecer los variadores de media tensión (MT) con valores nominales de potencia mucho menores. Las diferentes topologías de variadores de MT (véase la Tabla 2) se configuran de acuerdo con los valores nominales de combinación de tensión/corriente utilizados en los dispositivos de conmutación de los diferentes controladores de variadores ^{[ 58 ]} de modo que cualquier valor nominal de tensión dado sea mayor o igual a uno de los siguientes valores nominales de tensión estándar del motor: generalmente 2 + 3 / 4,16  kV (60  Hz) o 3 + 3 / 6,6 kV (50 Hz), con un fabricante de tiristores con un valor nominal para conmutación de hasta 12 kV. En algunas aplicaciones , se coloca un transformador elevador entre un variador de baja tensión (BT) y una carga de motor de media tensión (MT). Los variadores de MT suelen estar diseñados para aplicaciones de motor con potencias superiores a entre 375 y 750 kW (503 y 1006 hp) . Históricamente, los variadores de MT han requerido un esfuerzo de diseño considerablemente mayor que los variadores de BT. ^{[ 59 ] [ 60 ]} La potencia nominal de los variadores de MT puede alcanzar los 100 MW (130 000 hp) , y se emplean diversas topologías de variadores para cumplir con los diferentes requisitos de potencia nominal, rendimiento, calidad de la energía y fiabilidad. ^{[ 61 ] [ 62 ] [ 63 ]}       

Por último, resulta útil relacionar los variadores de frecuencia (VFD) con las dos clasificaciones siguientes:

• En términos de varias máquinas de CA como se muestra en la Tabla 1 a continuación ^{[ 64 ] [ 65 ]}
• En términos de varias topologías detalladas de convertidores CA-CA que se muestran en las Tablas 2 y 3 a continuación. ^{[ 49 ] [ 50 ] [ 62 ] [ 63 ] [ 66 ] [ 67 ] [ 68 ] [ 69 ] [ 70 ]}

Nota aclaratoria: ^{[ f ]}

Si bien los armónicos en la salida PWM se pueden filtrar fácilmente mediante la inductancia del filtro relacionada con la frecuencia portadora para suministrar corrientes casi sinusoidales a la carga del motor, ^{[ 24 ]} el rectificador de puente de diodos del VFD convierte el voltaje de línea de CA en voltaje de salida de CC superponiendo pulsos de corriente de semifase no lineales, lo que crea distorsión de corriente armónica y, por lo tanto, distorsión de voltaje en la entrada de línea de CA. Cuando las cargas del VFD son relativamente pequeñas en comparación con el gran y rígido sistema de potencia disponible de la compañía eléctrica , los efectos de la distorsión armónica del VFD en la red de CA a menudo pueden estar dentro de límites aceptables. Además, en redes de baja tensión, los armónicos causados ​​por equipos monofásicos como computadoras y televisores se cancelan parcialmente con los armónicos del puente de diodos trifásico porque sus armónicos 5.º y 7.º están en contrafase. ^{[ 71 ]} Sin embargo, cuando la proporción de VFD y otras cargas no lineales en comparación con la carga total o de carga no lineal en comparación con la rigidez en la fuente de alimentación de CA, o ambas, es relativamente lo suficientemente grande, la carga puede tener un impacto negativo en la forma de onda de potencia de CA disponible para otros clientes de la compañía eléctrica en la misma red.

Cuando la tensión de la compañía eléctrica se distorsiona debido a armónicos, aumentan las pérdidas en otras cargas, como los motores de CA de velocidad fija. Esta situación puede provocar sobrecalentamiento y una menor vida útil. Asimismo, los transformadores de subestación y los condensadores de compensación se ven afectados negativamente. En particular, los condensadores pueden causar resonancia, lo que puede aumentar de forma inaceptable los niveles de armónicos. Para limitar la distorsión de tensión, los propietarios de cargas con variadores de frecuencia (VFD) podrían tener que instalar equipos de filtrado para reducir la distorsión armónica por debajo de los límites aceptables. Como alternativa, la compañía eléctrica podría adoptar una solución instalando sus propios equipos de filtrado en las subestaciones afectadas por la gran cantidad de VFD en uso. En instalaciones de alta potencia, la distorsión armónica puede reducirse alimentando los VFD de puente rectificador multipulso con transformadores que tengan múltiples devanados desfasados. ^{[ 72 ]}

También es posible reemplazar el rectificador estándar de puente de diodos con un puente bidireccional de dispositivos de conmutación IGBT que imita al inversor estándar, el cual utiliza la salida de un dispositivo de conmutación IGBT para el motor. Estos rectificadores reciben diversas denominaciones, como convertidor de alimentación activo (AIC), rectificador activo , unidad de alimentación IGBT (ISU), interfaz activa (AFE) o funcionamiento en cuatro cuadrantes. Con control PWM y un reactor de entrada adecuado, la forma de onda de la corriente de línea de CA de un AFE puede ser casi sinusoidal. El AFE regenera energía de forma inherente en modo de cuatro cuadrantes desde el lado de CC a la red de CA. Por lo tanto, no se necesita una resistencia de frenado y la eficiencia del variador mejora si se requiere frenar el motor con frecuencia.

Otras dos técnicas de mitigación de armónicos aprovechan el uso de filtros pasivos o activos conectados a un bus común con al menos una carga de rama VFD en el bus. Los filtros pasivos implican el diseño de una o más trampas de filtro LC de paso bajo , cada trampa sintonizada según sea necesario a una frecuencia armónica (5.ª, 7.ª, 11.ª, 13.ª, ... kq±1, donde k=entero, q=número de pulsos del convertidor). ^{[ 73 ]}

Es práctica muy común que las compañías eléctricas o sus clientes impongan límites de distorsión armónica basados ​​en las normas IEC o IEEE . Por ejemplo, la norma IEEE 519 establece límites en el punto de conexión del cliente que exigen que la distorsión armónica máxima de la tensión de frecuencia individual no supere el 3 % de la fundamental y que la distorsión armónica total (THD) de la tensión no supere el 5 % para un sistema de alimentación de CA general. ^{[ 74 ]}

Un variador utiliza una frecuencia de conmutación predeterminada de 4  kHz. Reducir la frecuencia de conmutación del variador (la frecuencia portadora) reduce el calor generado por los IGBT . ^{[ 75 ]}

Se utiliza una frecuencia portadora de al menos diez veces la frecuencia de salida deseada para establecer los intervalos de conmutación PWM. Una frecuencia portadora en el rango de 2000 a 16 000  Hz es común para los VFD de baja tensión (menos de 600 voltios CA). Una frecuencia portadora más alta produce una mejor aproximación de onda sinusoidal, pero genera mayores pérdidas de conmutación en el IGBT, lo que disminuye la eficiencia general de conversión de potencia. ^{[ 76 ]}

Algunos variadores de frecuencia incorporan una función de suavizado de ruido que permite introducir una variación aleatoria en la frecuencia de conmutación. Esto distribuye el ruido acústico en un rango de frecuencias para reducir la intensidad máxima del ruido.

La tensión de salida pulsada de frecuencia portadora de un variador de frecuencia PWM provoca tiempos de subida rápidos en estos pulsos, cuyos efectos en la línea de transmisión deben tenerse en cuenta. Dado que la impedancia de la línea de transmisión del cable y del motor es diferente, los pulsos tienden a reflejarse desde los terminales del motor hacia el cable. Las reflexiones resultantes pueden producir sobretensiones equivalentes al doble de la tensión del bus de CC o hasta 3,1  veces la tensión de línea nominal para tramos de cable largos, lo que somete a un gran estrés a los devanados del cable y del motor, y puede provocar un fallo del aislamiento. Las normas de aislamiento para motores trifásicos con una tensión nominal de 230  V o inferior ofrecen una protección adecuada contra estas sobretensiones en cables largos. En sistemas e inversores de 460  V o 575  V con IGBT de tercera generación con tiempos de subida de 0,1 microsegundos, la distancia máxima recomendada del cable entre el variador de frecuencia y el motor es de unos 50  m o 150  pies. En los variadores de frecuencia con MOSFET de SiC, se han observado sobretensiones significativas en longitudes de cable de tan solo 3 metros. ^{[ 77 ]} Las soluciones a las sobretensiones causadas por longitudes de cable largas incluyen minimizar la longitud del cable, reducir la frecuencia portadora, instalar filtros dV/dt, usar motores con clasificación para inversor (que están clasificados a 600  V para soportar trenes de pulsos con un tiempo de subida menor o igual a 0,1  microsegundos, de  magnitud pico de 1600 V) e instalar filtros de onda sinusoidal de paso bajo LCR. ^{[ 78 ] [ 79 ] [ 80 ] [ 81 ]} La selección de la frecuencia portadora PWM óptima para  variadores de CA implica equilibrar el ruido, el calor, la tensión de aislamiento del motor, el daño de corriente en los cojinetes del motor inducido por la tensión de modo común, el funcionamiento suave del motor y otros factores. Se puede obtener una mayor atenuación de armónicos mediante el uso de un filtro de onda sinusoidal de paso bajo LCR o  un filtro dV/dt. ^{[ 82 ] [ 83 ] [ 84 ] [ 85 ]}

Es probable que las frecuencias portadoras superiores a 5  kHz causen daños en los rodamientos a menos que se tomen medidas de protección. ^{[ 86 ]}

Los variadores PWM están inherentemente asociados con voltajes y corrientes de modo común de alta frecuencia que pueden causar problemas en los cojinetes del motor. ^{[ 87 ]} Cuando estos voltajes de alta frecuencia encuentran un camino a tierra a través de un cojinete, se produce transferencia de metal o chispas de mecanizado por descarga eléctrica (EDM) entre la bola del cojinete y la pista del cojinete. Con el tiempo, las chispas basadas en EDM causan erosión en la pista del cojinete que puede verse como un patrón de estrías. En motores grandes, la capacitancia parásita de los devanados proporciona caminos para corrientes de alta frecuencia que pasan a través de los extremos del eje del motor, lo que da lugar a un tipo de corriente circulante en el cojinete. Una mala conexión a tierra de los estatores del motor puede dar lugar a corrientes de cojinete de eje a tierra. Los motores pequeños con equipos de accionamiento mal conectados a tierra son susceptibles a corrientes de cojinete de alta frecuencia. ^{[ 88 ]}

La prevención de daños por corrientes de alta frecuencia en los cojinetes utiliza tres enfoques: buenas prácticas de cableado y puesta a tierra, interrupción de las corrientes de los cojinetes y filtrado o amortiguación de las corrientes de modo común mediante inductores de modo común. Las buenas prácticas de cableado y puesta a tierra pueden incluir el uso de cables de alimentación blindados de geometría simétrica para alimentar el motor, la instalación de escobillas de puesta a tierra del eje y grasa conductora para cojinetes. Las corrientes de los cojinetes se pueden interrumpir mediante la instalación de cojinetes aislados y motores de inducción con blindaje electrostático especialmente diseñados. El filtrado y la amortiguación de las corrientes de alta frecuencia en los cojinetes se pueden realizar insertando núcleos magnéticos blandos sobre las tres fases, lo que proporciona una impedancia de alta frecuencia contra las corrientes de modo común o de los cojinetes del motor. Otro enfoque es utilizar, en lugar de variadores de frecuencia estándar de 2 niveles, variadores de frecuencia de 3 niveles o convertidores matriciales. ^{[ 88 ] [ 89 ]}

El par generado por el accionamiento hace que el motor de inducción gire a velocidad síncrona menos el deslizamiento. Si la carga impulsa el motor a una velocidad superior a la síncrona, el motor actúa como generador , convirtiendo la energía mecánica de nuevo en energía eléctrica. Esta energía se devuelve al elemento de enlace de CC del accionamiento (condensador o reactor). Un interruptor electrónico de potencia o un convertidor CC-CC de frenado conectado al enlace de CC controla la disipación de esta energía en forma de calor en un conjunto de resistencias. Se pueden utilizar ventiladores de refrigeración para evitar el sobrecalentamiento de las resistencias. ^{[ 34 ]}

El frenado dinámico desperdicia energía de frenado al transformarla en calor. Por el contrario, los accionamientos regenerativos recuperan la energía de frenado inyectándola en la línea de corriente alterna. Sin embargo, el costo de capital de los accionamientos regenerativos es relativamente alto. ^{[ 90 ]}

Los variadores de CA regenerativos tienen la capacidad de recuperar la energía de frenado de una carga que se mueve más rápido que la velocidad designada del motor (una carga de sobrecarga ) y devolverla al sistema de potencia. ^{[ 92 ]}

Los variadores de cicloconvertidor, Scherbius, de matriz, CSI y LCI permiten inherentemente el retorno de energía de la carga a la línea, mientras que los inversores de fuente de tensión requieren un convertidor adicional para devolver energía a la fuente de alimentación. ^{[ 93 ] [ 94 ]}

La regeneración es útil en los VFD solo cuando el valor de la energía recuperada es grande en comparación con el costo adicional de un sistema regenerativo, ^{[ 93 ]} y si el sistema requiere frenado y arranque frecuentes. Los VFD regenerativos se utilizan ampliamente donde se requiere control de velocidad de cargas de reacondicionamiento. ^{[ 2 ] [ 3 ] [ 95 ]}

Algunos ejemplos:

• Las cintas transportadoras utilizadas en la fabricación se detienen cada pocos minutos. Durante la parada, se ensamblan las piezas; una vez finalizado el proceso, la cinta continúa su marcha.
• Una grúa en la que el motor del polipasto se detiene y cambia de sentido con frecuencia, y se requiere frenado para reducir la velocidad de la carga durante el descenso.
• Vehículos eléctricos híbridos y enchufables de todo tipo (ver imagen y Hybrid Synergy Drive ).