Definición. Un variador o convertidor de frecuencia es un convertidor de energía encargado de controlar la energía que se entrega a un motor asíncrono trifásico.

Como sabemos la velocidad de un motor asíncrono trifásico depende de la frecuencia de la tensión eléctrica con la que alimentemos el motor. Cuanto mayor es la frecuencia de la red , más rápido girará el motor. De manera que el variador o convertidor de frecuencia se encarga de modificar la frecuencia de la tensión eléctrica con la que alimentamos el motor y de esta forma modificar la velocidad de giro del motor.

Control velocidad

Arranque del motor. Además de la posibilidad de cambiar la velocidad del motor el variador soluciona uno de los problemas más importantes de los motores asíncronos. Sabemos que en el arranque de los motores asíncronos se producen intensidades muy grandes, del orden de 6 o 7 veces la intensidad nominal del motor. Este sobreconsumo del motor provoca caídas de tensión en la red que pueden ocasionar problemas a los demás consumidores e incluso al propio motor, resultando que el motor no pueda arrancar si la caída de tensión que se produce en la red es grande.

Aunque el arranque brusco del motor también puede producir daños mecánicos o calentamiento del bobinado en el motor, el principal problema es la caída de tensión que se produce en la red eléctrica.

El variador de frecuencia va a ser capaz de solucionar este problema controlando el valor o la amplitud de la tensión suministrada al motor. En el arranque el variador suministra una tensión muy pequeña de forma que el motor arranca suavemente.

Control par

Esquema del variador. El variador electrónico consta de un módulo de control y un módulo de potencia.

Esquema variador de frecuencia

El módulo de potencia consta de tres etapas.

Etapa 1. Partiendo de una corriente alterna monofásica o trifásica, un puente de diodos la rectificará convirtiéndola en una señal ondulada.

Etapa 1

Etapa 2. Mediante filtros, bobinas y condensadores conseguimos una onda completamente plana, una tensión continua. Bus de continua.

Etapa 2

Etapa 3. Partiendo de la energía en forma de corriente continua convertimos está señal en una tensión alterna trifásica. Para ello utilizamos la modulación de ancho de pulso PWM.

Etapa 3.

Modulación de ancho de pulso. Mediante componentes electrónicos que realizan cambios de estado en tiempos muy pequeños permiten reproducir una onda senoidal a tramos. A mayor tiempo que cierre el el componente nos dará un nivel de intensidad mayor, una sucesión de cierres y aperturas de los contactos darán como resultado una señal parecida a la senoidal pero formada por multitud de escalones.

Modulación de ancho de pulso PWM

Al número de cortes o escalones por segundo le llamamos frecuencia de corte. En un convertidor de frecuencia la frecuencia de corte puede variar desde 2 kHz(Cortes por segundo) hasta 16 Khz.Esto da idea de la rapidez de conmtación de los dispositivos electrónicos que constituyen la etapa 3 o modulación de ancho de pulso. PWM.

Este sería el esquema completo del módulo de potencia del convertidor de frecuencia.

Módulo de potencia en variador de frecuencia

Control Escalar. Para mantener el par, la fuerza que hace el motor a medida que va aumentando la frecuencia necesitamos ir aumentando la tensión proporcionalmente a la frecuencia. Esto se representa en la figura siguiente con la línea de 45 grados. 
A bajas velocidades el par es muy pequeño debido al rozamiento y a las pérdidas de ventilación y necesitamos compensarlo con el Boost.
Control escalar del variador de frecuencia.

De esta forma conseguimos mantener el par motor (azul) constante, sin embargo a partir de la frecuencia base (50 Hz) el campo magnético se satura y el par comienza a decrecer.

Por consiguiente un motor podrá girar a velocidad superior a su velocidad nominal pero teniendo en cuenta que el par motor decrecerá de manera importante. También hay que tener en cuenta que el rendimiento del ventilador a velocidades mayores a la velocidad nominal del motor es menor y será necesario instalar ventilación adicional.

Lo mismo ocurre en el caso de que el motor deba funcionar durante mucho tiempo a velocidades muy pequeñas. Para funcionamientos prolongados por debajo del 40 % de la velocidad nominal será necesario instalar refrigeración suplementaria.