Convertidor de fase

Un convertidor de fase es un dispositivo que convierte la energía eléctrica suministrada como monofásica a multifásica o viceversa. La mayoría de los convertidores de fase se utilizan para producir energía eléctrica trifásica a partir de una fuente monofásica, permitiendo así la operación de equipos trifásicos en un sitio que solo cuenta con servicio eléctrico monofásico. Los convertidores de fase se utilizan cuando el servicio trifásico no está disponible por parte del proveedor de servicios públicos o su instalación es demasiado costosa. Un proveedor de servicios públicos generalmente cobrará una tarifa más alta por un servicio trifásico debido al equipo adicional, incluidos transformadores, medidores y cables de distribución necesarios para completar una instalación funcional.

Tipos de convertidores de fase

Los motores de inducción trifásicos pueden funcionar adecuadamente con un suministro desequilibrado si no están muy cargados. Esto permite utilizar varias técnicas imperfectas. Un motor monofásico puede impulsar un generador trifásico, que producirá una fuente trifásica de alta calidad pero con un alto costo para la longevidad del sistema. Si bien existen sistemas de conversión de múltiples fases, los tipos más comunes son:

• Conversores de fase rotativa construidos a partir de un motor eléctrico de tres fases o generador "idler" y un simple circuito on/off. Se sabe que los convertidores de fase rotativa aumentan los costes de operación, debido al continuo aprovechamiento de la energía mientras que el idling no es común en otros convertidores de fase. Los convertidores de fase rotativa se consideran una solución de dos motores; un motor no está conectado a una carga y produce la potencia de tres fases, el segundo motor que conduce la carga se ejecuta en la potencia producida.
• Un convertidor de fase digital utiliza un rectificador e inversor para crear una tercera pierna de potencia, que se añade a las dos piernas de la fuente de una fase única para crear una potencia de tres fases. A diferencia de un VFD de conversión de fase, no puede variar la frecuencia y la velocidad del motor, ya que genera sólo una pierna. Los convertidores de fase digital utilizan un Procesador de Señal Digitial (DSP) para asegurar que la tercera etapa generada coincida con el voltaje y la frecuencia del suministro original de una sola fase. Tiene la ventaja de un voltaje de salida de onda sine y un excelente equilibrio de tensión entre las fases. Más detalles sobre estos métodos se explican en las patentes Medagam et al. “Active Single Phase to Three Phase Power Converter” US Patent 10,333,420 y Meiners et al. “Phase Converter” US 6,297,971.
• Técnicas de conversión estatica "comienzo de salto" un motor proporcionando temporalmente los niveles de potencia necesarios antes de la transición hacia niveles de potencia de una sola fase. Estos sistemas no son adecuados para ejecutar múltiples máquinas o máquinas que requieren un máximo RPM debido a su carácter temporal. En estos sistemas el motor debe ser derrado y son propensos a sobrecalentamiento.

Convertidores de fase rotativos

Un convertidor de fase rotativo es una forma común de crear energía trifásica en un área donde la energía eléctrica trifásica no está disponible o no se puede traer. Un convertidor de fase rotativo utiliza un panel de control con un circuito de arranque y un circuito de funcionamiento. para crear energía sin voltaje excesivo. Un motor trifásico utiliza un imán giratorio rodeado por tres conjuntos de bobinas para producir la tercera etapa de potencia dentro del motor inactivo. Algunos convertidores de fase rotativos están controlados digitalmente, lo que les permite producir energía que puede funcionar con cargas sensibles al voltaje, como una máquina CNC, una soldadora o cualquier otra carga controlada por computadora.

Un convertidor de fase rotativo no cambia el voltaje, pero se puede combinar con un transformador para aumentar o disminuir el voltaje según lo que se necesite.

Convertidores de fase digitales

Un convertidor de fase digital crea un suministro de energía trifásico a partir de un suministro monofásico. Se utiliza un procesador de señal digital (DSP) para controlar dispositivos electrónicos de potencia para generar un tercer tramo de voltaje, que junto con el voltaje monofásico estándar del suministro crea una fuente de alimentación trifásica equilibrada.

La energía CA de la empresa de servicios públicos se convierte a CC y luego nuevamente a CA mediante transistores bipolares de puerta aislada (IGBT). Este proceso de conversión permite la generación del tercer tramo a partir del suministro de energía existente.

En un tipo de convertidor de fase digital, el rectificador de entrada consta de IGBT que se utilizan junto con inductores para crear el tercer tramo de potencia. Los IGBT están controlados por software en el DSP para extraer corriente de la línea monofásica de forma sinusoidal, cargando condensadores en un bus de CC de voltaje constante. Debido a que la corriente entrante es sinusoidal, no se generan armónicos significativos en la línea como ocurre con los rectificadores que se encuentran en la mayoría de los VFD. La entrada del rectificador controlado permite que se realice la corrección del factor de potencia.

La segunda mitad del convertidor de fase digital consta de IGBT que utilizan la energía previamente almacenada en el bus de CC para crear un voltaje de CA que no es sinusoidal. Es una forma de onda modulada por ancho de pulso (PWM) con una distorsión armónica muy alta. Luego, este voltaje pasa a través de un sistema de filtro de inductor/condensador que produce un voltaje de onda sinusoidal con menos del 3 % de distorsión armónica total (los estándares para potencia de grado informático permiten hasta un 5 % de THD). Por el contrario, los VFD generan un voltaje PWM que limita su versatilidad y los hace inadecuados para muchas aplicaciones. El software del DSP monitorea y ajusta continuamente este voltaje generado para producir una salida trifásica balanceada en todo momento. También proporciona funciones de protección apagándose en caso de sobretensión o subtensión del servicio público o una falla. Con la capacidad de adaptarse a condiciones cambiantes y mantener el equilibrio de voltaje, un convertidor de fase digital puede operar de manera segura y eficiente prácticamente cualquier tipo de equipo trifásico o cualquier número de cargas múltiples.

Dado que los convertidores de fase digitales son diseños de estado sólido, hay pocas o ninguna pieza móvil, excepto los ventiladores de refrigeración. A su vez, esto permite que los convertidores de fase digitales se adapten a paquetes pequeños y funcionen con una eficiencia de entre el 95 % y el 98 %. Estos convertidores tampoco consumen energía cuando están inactivos, lo que reduce los costos generales y aumenta la longevidad.

Ferrocarriles eléctricos

En Europa, la electricidad normalmente se genera como corriente alterna trifásica a 50 hercios. Cinco países europeos: Alemania, Austria, Suiza, Noruega y Suecia han estandarizado la corriente alterna monofásica a 15 kV 16⅔ Hz para la electrificación ferroviaria. Por lo tanto, los convertidores de fase se utilizan para cambiar tanto la fase como la frecuencia.