Un convertidor de fase rotatorio , abreviado como RPC , es una máquina eléctrica que convierte la energía de un sistema polifásico a otro mediante un movimiento rotatorio. Normalmente, la energía eléctrica monofásica se utiliza para producir energía eléctrica trifásica localmente para hacer funcionar cargas trifásicas en instalaciones donde solo hay energía monofásica disponible.
Un motor de inducción trifásico básico tendrá tres devanados, cada extremo conectado a terminales normalmente numerados (arbitrariamente) como L1, L2 y L3 y, a veces, T1, T2, T3.
Un motor de inducción trifásico puede funcionar a dos tercios de su potencia nominal con energía monofásica aplicada a un solo devanado, una vez que se lo pone en marcha por algún medio. Un motor trifásico que funciona con una sola fase no puede arrancar por sí solo porque carece de las otras fases para crear una rotación por sí solo, de forma muy similar a una manivela que está en el punto muerto.
Un motor de inducción trifásico que gira bajo la acción de una corriente monofásica aplicada a los terminales L1 y L2 generará un potencial eléctrico (voltaje) a través del terminal L3 con respecto a L1 y L2. Sin embargo, L1 a L3 y L2 a L3 estarán desfasados 120 grados con respecto al voltaje de entrada, creando así una corriente trifásica. Sin embargo, sin inyección de corriente, bobinados especiales de inercia u otros medios de regulación, el voltaje disminuirá cuando se aplique una carga.
La corrección del factor de potencia es un factor muy importante a tener en cuenta al construir o elegir un RPC. Esto es deseable porque un RPC que tenga corrección del factor de potencia consumirá menos corriente del servicio monofásico que suministra energía al convertidor de fase y sus cargas.
Una de las principales preocupaciones con la energía trifásica es que cada fase tenga voltajes similares. Una discrepancia entre fases se conoce como desequilibrio de fases. Como regla general, la energía trifásica desequilibrada que supera el 4 % en variación de voltaje puede dañar el equipo que está destinada a operar.
A principios del siglo XX existían dos principios fundamentales de los sistemas de tracción eléctrica ferroviaria :
Estos sistemas utilizaban motores de tracción devanados en serie . Todos ellos necesitaban un sistema de alimentación independiente o convertidores para tomar la energía de la red eléctrica estándar de 50 Hz.
Kálmán Kandó reconoció que el sistema de tracción eléctrica debe ser alimentado con energía monofásica de 50 Hz de la red eléctrica estándar, y debe ser convertida en la locomotora a energía trifásica para los motores de tracción.
Creó una máquina eléctrica llamada convertidor de fase síncrono, que era un motor síncrono monofásico y un generador síncrono trifásico con estator y rotor comunes.
Tenía dos devanados independientes:
La alimentación directa desde una red eléctrica estándar hace que el sistema sea menos complicado que los sistemas anteriores y posibilita una recuperación sencilla.
La alimentación monofásica permite utilizar una única catenaria. Más catenarias aumentan los costes y limitan la velocidad máxima de los trenes.
El motor de tracción asíncrono puede funcionar a una única RPM determinada por la frecuencia de la corriente de alimentación y el par de carga.
La solución fue utilizar más devanados secundarios en el convertidor de fase y más devanados en el motor con diferente número de polos magnéticos.
Un convertidor de fase rotativo (RPC) puede construirse como un grupo motogenerador . Estos aíslan completamente la carga del suministro monofásico y producen una salida trifásica equilibrada. Sin embargo, debido a cuestiones de peso, costo y eficiencia, la mayoría de los RPC no se construyen de esta manera.
En cambio, se construyen a partir de un motor o generador de inducción trifásico, llamado loco, en el que dos de los terminales (las entradas del loco) se alimentan desde la línea monofásica. El flujo giratorio en el motor produce un voltaje en el tercer terminal. Se induce un voltaje en el tercer terminal que está desfasado con respecto al voltaje entre los dos primeros terminales. En un motor de tres devanados, dos de los devanados actúan como motor y el tercer devanado actúa como generador. Debido a que dos de las salidas son las mismas que la entrada monofásica, su relación de fase es de 180° [ cita requerida ] . Esto deja la fase sintetizada a +/- 90° de los terminales de entrada. Esta relación de fase no ideal requiere una ligera reducción de potencia de los motores impulsados por este tipo de convertidor de fase. Además, dado que la tercera fase sintetizada se impulsa de manera diferente a las otras dos, su respuesta a los cambios de carga puede ser diferente, lo que hace que esta fase se hunda más bajo carga. Dado que los motores de inducción son sensibles al desequilibrio de voltaje, este es otro factor que afecta la reducción de potencia de los motores accionados por este tipo de convertidor de fase. Por ejemplo, un pequeño desequilibrio del 5 % en el voltaje de fase requiere una reducción mucho mayor del 24 % de la potencia nominal del motor. [1] Por lo tanto, ajustar un circuito convertidor de fase rotativo para voltajes de fase iguales bajo carga máxima puede ser bastante importante.
Una medida común de la calidad de la energía producida por un RPC o cualquier convertidor de fase es el equilibrio de voltaje, que se puede medir mientras el RPC está impulsando una carga equilibrada, como un motor trifásico. Otras medidas de calidad incluyen el contenido armónico de la energía producida y el factor de potencia de la combinación del motor del RPC según lo ve la empresa de servicios públicos. La selección del mejor convertidor de fase para cualquier aplicación depende de la sensibilidad de la carga a estos factores. Los motores de inducción trifásicos son muy sensibles a los desequilibrios de voltaje.
La calidad de la energía trifásica generada por un convertidor de fase de este tipo depende de varios factores, entre ellos:
Los fabricantes de RPC utilizan una variedad de técnicas para abordar estos problemas. Algunas de las técnicas incluyen:
Existe una demanda de convertidores de fase debido al uso de motores trifásicos. Con el aumento de la potencia de salida, los motores trifásicos tienen características preferibles a los motores monofásicos; estos últimos no están disponibles en tamaños superiores a 15 hp (11 kW) y, aunque están disponibles, rara vez se ven motores de más de 5 hp (3,7 kW). (Los motores trifásicos tienen mayor eficiencia, menor complejidad en lo que respecta al arranque y la energía trifásica está significativamente disponible donde se utilizan).
Los convertidores de fase rotativos se utilizan para producir una monofásica para el conductor aéreo único en los ferrocarriles eléctricos . [ cita requerida ] Cinco países europeos ( Alemania , Austria , Suiza , Noruega y Suecia ), donde la electricidad es CA trifásica a 50 Hz , han estandarizado la CA monofásica a 15 kV 16 + 2 ⁄ 3 Hz para la electrificación ferroviaria; por lo tanto, los convertidores de fase se utilizan para cambiar tanto las fases como la frecuencia . En la Unión Soviética , se utilizaron en locomotoras de CA para convertir monofásicas, 50 Hz a trifásicas para impulsar motores de inducción para ventiladores de refrigeración de motores de tracción , etc. [2]
Existen alternativas a los convertidores de fase rotativos para el funcionamiento de equipos trifásicos en una fuente de alimentación monofásica.
Estos pueden ser una alternativa cuando el problema en cuestión es el arranque de un motor, en lugar de la energía polifásica en sí. El convertidor de fase estático se utiliza para arrancar un motor trifásico. El motor entonces funciona en una sola fase con un tercer polo sintetizado. Sin embargo, esto hace que el equilibrio de potencia, y por lo tanto la eficiencia del motor, sean extremadamente pobres, requiriendo reducir la potencia del motor (normalmente al 60% o menos). El sobrecalentamiento, y muy a menudo la destrucción del motor, resultará de no hacerlo. (Muchos fabricantes y distribuidores declaran específicamente que el uso de un convertidor estático anulará cualquier garantía). Un convertidor estático de gran tamaño puede eliminar la necesidad de reducir la potencia del motor, pero a un mayor costo.
La popularidad de los variadores de frecuencia (VFD) ha aumentado en la última década, especialmente en el mercado de los hogares y los comercios. Esto se debe a su costo relativamente bajo y a su capacidad de generar una salida trifásica a partir de una entrada monofásica. Un VFD convierte la energía de CA en CC y luego la convierte nuevamente en CA a través de un puente de transistores , una tecnología que es algo análoga a la de una fuente de alimentación de modo conmutado . Como el VFD genera su salida de CA a partir del bus de CC, es posible alimentar un motor trifásico a partir de una fuente monofásica. Sin embargo, se producen VFD de grado comercial que requieren una entrada trifásica, ya que se pueden obtener algunas ganancias de eficiencia con tal disposición.
Un variador de frecuencia típico funciona activando y desactivando rápidamente transistores para "recortar" el voltaje en el bus de CC a través de lo que se conoce como modulación por ancho de pulso (PWM). El uso adecuado de PWM dará como resultado una salida de CA cuyo voltaje y frecuencia se pueden variar en un rango bastante amplio. Como la velocidad de rotación de un motor de inducción es proporcional a la frecuencia de entrada, un cambio en la frecuencia de salida del variador de frecuencia hará que el motor cambie de velocidad. El voltaje también se modifica de una manera que da como resultado que el motor produzca un par relativamente constante en el rango de velocidad útil.
La salida de un VFD de calidad es una aproximación de una onda sinusoidal , con algún contenido armónico de alta frecuencia . El contenido armónico elevará la temperatura del motor y puede producir algún silbido o ruido chirriante que podría ser desagradable. Los efectos de los armónicos no deseados se pueden mitigar mediante el uso de filtrado de salida reactivo , que se incorpora en los VFD de mejor calidad. El filtrado reactivo impide el contenido armónico de alta frecuencia, pero tiene poco efecto en la frecuencia fundamental que determina la velocidad del motor. El resultado es una salida al motor que se acerca más a una onda sinusoidal ideal.
En el pasado, los VFD con una capacidad superior a 3 hp (2,2 kW) eran costosos, lo que hacía que el convertidor de fase rotativo (RPC) fuera una alternativa atractiva. Sin embargo, los VFD modernos han bajado considerablemente de precio, lo que los hace más asequibles que los RPC comparables. Otra ventaja del VFD es su tamaño más compacto en relación con su capacidad eléctrica. Una ventaja es que muchos VFD pueden producir un efecto de "arranque suave" (en el que la potencia se aplica gradualmente al motor), lo que reduce la cantidad de corriente que se debe suministrar al arrancar la máquina.
El uso de un VFD puede provocar daños en el motor si el motor no está clasificado para esa aplicación. Esto se debe principalmente a que la mayoría de los motores de inducción se enfrían con aire forzado mediante un ventilador o soplador accionado por el propio motor. El funcionamiento de un motor de este tipo a una velocidad inferior a la normal reducirá sustancialmente el flujo de aire de refrigeración, lo que aumenta la probabilidad de sobrecalentamiento y daños o fallas en el bobinado, especialmente cuando funciona a plena carga. Un fabricante puede anular la garantía de un motor alimentado por un VFD a menos que el motor esté "clasificado para inversor". Como los VFD son el método más popular para alimentar motores en nuevas instalaciones comerciales, la mayoría de los motores trifásicos que se venden hoy en día están, de hecho, clasificados para inversor.