DISPOSITIVO DE CORRECCIÓN DEL FACTOR DE POTENCIA PARA VARIADOR DE VELOCIDAD.

- Variador de velocidad para motor eléctrico trifásico (M), que comprende:

- un módulo rectificador(10) que suministra una tensión rectificada (15) a partir de una red eléctrica monofásica alterna (5), - un módulo elevador de tensión (40) que proporciona una tensión regulada en el acumulador intermedio de corriente continua (45) a partir de dicha tensión rectificada (15), - un módulo ondulador (50) alimentado por dicha tensión en el acumulador intermedio de corriente continua (45) y que suministra una tensión de control al motor eléctrico trifásico (M) a partir de una consigna de control, - una unidad de procesamiento digital que proporciona dicha consigna de control, caracterizado porque el variador de velocidad comprende un dispositivo híbrido de corrección del factor de potencia que regula el módulo elevador de tensión (40) y que comprende: - un circuito digital (30) provisto de un módulo regulador de tensión (33) que genera una señal de corrección (35) a partir de una señal de medida (46) de dicha tensión en el acumulador intermedio, - un circuito analógico (20) que genera una señal de regulación (25) al módulo elevador (40) a partir de una señal de medida (12) de dicha tensión rectificada y a partir de dicha señal de corrección (35), el circuito analógico (20) que comprende un circuito limitador (21) que recibe, a la entrada, la señal de medida (12) de dicha tensión rectificada y que genera, a la salida, una señal recortada (26) de forma prácticamente trapezoidal

La presente invención se refiere, en general, al campo de los variadores de velocidad del tipo 5 convertidores de frecuencia destinados al control de motores eléctricos, y en particular a un dispositivo de corrección del factor de potencia monofásico y a su circuito de control, integrado en un variador de velocidad de potencia débil. 10

De forma conocida en la técnica anterior, un variador de velocidad del tipo convertidor de frecuencia incluye un rectificador de entrada que suministra una tensión continua a partir de una red de alimentación alterna exterior y un ondulador de modulación por anchura 15 de impulsos (MLI o PWM - Pulse Wide Modulation) que alimenta un motor alterno trifásico. El variador de velocidad incluye también un condensador de gran capacidad que está conectado entre el rectificador de entrada y el ondulador PWM. En las aplicaciones de 20 potencia débil, por ejemplo hasta una potencia aproximada de 2 kW, el variador de velocidad suele ser alimentado por una red de alimentación eléctrica alterna monofásica de 110V o 230V.

El rectificador de entrada suele utilizar un puente 25 de diodos, que suministra una tensión rectificada. La potencia consumida instantánea oscila a una frecuencia igual al doble de la frecuencia de entrada de la red de alimentación alterna (por ejemplo 100 o 120 hertzios). Sin embargo, a la salida del variador, la carga 30 controlada por el variador de velocidad, tal como un motor trifásico, necesita una potencia instantánea

constante, si no es así, aparecen una ondulación del par y oscilaciones de velocidad en el motor.

Esta es la razón por la que se exige un importante elemento de almacenamiento de energía como una bobina de inductancia entre la entrada y la salida del variador de 5 velocidad. Es muy frecuente utilizar un gran condensador electrolítico o una serie de condensadores como elemento de almacenamiento. Los diodos del rectificador de entrada conducen durante un periodo corto en torno a la tensión de entrada máxima. Por lo tanto, la corriente de entrada 10 es un impulso corto con una gran amplitud, que comprende la frecuencia fundamental (por ejemplo, 50 o 60 hertzios) y armónicos de frecuencias más elevadas. La corriente de punta puede ser así varias veces superior a la amplitud del armónico fundamental. Una tal corriente de punta 15 plantea numerosos problemas, tales como la reducción de las posibilidades de la red de alimentación, la sobrecarga de la línea del neutro, el sobrecalentamiento de los transformadores de distribución, de los motores, etc. En efecto, cuantos más armónicos existan en la 20 corriente, tanta más importante corriente eficaz RMS (root mean square – media cuadrática) se tendrá para una misma potencia activa dada.

Para reducir los armónicos de entrada y estar conformes en particular con las normas IEC 61000, se 25 utiliza un circuito de compensación de fase, llamado también circuito de corrección del factor de potencia (PFC — Power Factor Correction). En condiciones normales, los circuitos de compensación de fase están basados en un circuito elevador de tensión continua, que está situado a 30 la salida del rectificador de entrada de diodos, de modo que suministre la tensión en el acumulador intermedio de

continua. Los circuitos de compensación de fase suelen estar constituidos por una etapa de potencia y dos bucles de control interconectados, un bucle lento de regulación de la tensión en el acumulador intermedio y un bucle de regulación de la corriente de entrada con una gran banda 5 de paso. El regulador de tensión debe permitir mantener constante la tensión en el acumulador intermedio de corriente continua e independiente de la variación de la carga y de la tensión de entrada. La tarea del regulador de la corriente de entrada es controlar la corriente 10 instantánea de entrada en función del regulador de tensión en el acumulador intermedio y de un perfil de la corriente de referencia exigida para estar conformes a las normas (en particular IEC 61000-3-2 y 61000-3-12).

El documento XP-002401581, "Optimización de las 15 etapas de entrada y de salida en fuentes de alimentación de alto rendimiento" ICIT 2003, describe un dispositivo que incluye un circuito de corrección del factor de potencia.

Según una primera solución, los circuitos de control 20 para elevadores con compensación de fase han sido, durante mucho tiempo, circuitos completamente analógicos para las pequeñas potencias (ver documento US 6.373.734). Un tal circuito de control está constituido, en particular, por un regulador de la tensión en el 25 acumulador intermedio continua, un multiplicador analógico y un regulador de corriente analógico.

El regulador de corriente suministra una orden al circuito de corrección del factor de potencia. Puede funcionar según varios modos, tales como, por ejemplo, 30 control de la corriente máxima o por medio de una frecuencia de corte constante, tiempo de conducción

constante y frecuencia de corte variable, control en modo integral y control por histéresis de la corriente de punta. El multiplicador analógico recibe, a la entrada, una señal de medida de la tensión rectificada y una consigna de corrección procedente del regulador de la 5 tensión en el acumulador intermedio continua para proporcionar, a la salida, una corriente de referencia al regulador de corriente.

Todas estas operaciones de servicio pueden estar integradas en un solo componente. No obstante, un tal 10 componente es de alto coste y complejo, en particular en razón del multiplicador a realizar en tecnología analógica.

Una segunda solución, que suele utilizarse, está constituida por un dispositivo completamente numérico (o 15 digital). Todas las operaciones de control del circuito de corrección del factor de potencia, incluida la regulación de la tensión en el acumulador intermedio, el cálculo de la señal de corrección y la regulación de la corriente se realizan, entonces, con la ayuda de un 20 microprocesador. Los rendimientos requeridos del microprocesador dependen de la frecuencia de conmutación del circuito de compensación de fase así como del tiempo necesario para las demás operaciones (por ejemplo: estimaciones, cálculos, PLL (Phase Lock Loop – Bucle de 25 bloqueo de fase), etc...). En particular, la función de regulación de corriente por modulación de anchura de impulsos PWM, que proporciona la señal de control del módulo PFC del variador, así como la función de generación de perfil a partir de una medida de la 30 corriente rectificada, son funciones que pueden ser muy consumidoras de tiempo, cuando se realizan en tecnología

digital.

Como los rendimientos exigidos son, en general, bastante elevados, una tal solución completamente digital necesita utilizar un procesador de señal digital de alto rendimiento, en particular si este procesador debe 5 generar igualmente los algoritmos utilizados por el variador de velocidad para el control del motor. Si no es así, la utilización de un microprocesador suplementario dedicado para el circuito de compensación de fase sería también posible, pero esta solución se considerará, no 10 obstante, onerosa.

El objetivo de la invención es, por lo tanto, dar a conocer un dispositivo simple y económico de corrección del factor de potencia, adaptado a un variador de velocidad alimentado en monofásico, de modo que esté 15 conforme con las normas IEC61000 sobre la limitación del nivel de la corriente de armónicos emitidos.

Para ello, la invención describe un variador de velocidad para motor eléctrico trifásico, según la reivindicación 1, que comprende un módulo rectificador 20 que proporciona una tensión rectificada a partir de una red eléctrica monofásica alterna, un módulo elevador de tensión que suministra una tensión en el acumulador intermedio regulada a partir de dicha tensión rectificada, un módulo ondulador alimentado por dicha 25 tensión en el acumulador intermedio y que suministra una tensión de control al motor eléctrico trifásico a partir de una consigna de control y una unidad de procesamiento digital, que genera dicha consigna de control. El variador de velocidad está caracterizado porque comprende 30 un dispositivo híbrido de corrección del factor de potencia, que controla el módulo elevador de tensión y

que incluye un circuito digital provisto de un módulo regulador de tensión, que genera una señal de corrección a partir de una señal de medida de dicha tensión en el acumulador intermedio y un circuito analógico que genera...

1. Variador de velocidad para motor eléctrico trifásico (M), que comprende:

- un módulo rectificador(10) que suministra una tensión rectificada (15) a partir de una red eléctrica 5 monofásica alterna (5),

- un módulo elevador de tensión (40) que proporciona una tensión regulada en el acumulador intermedio de corriente continua (45) a partir de dicha tensión rectificada (15), 10

- un módulo ondulador (50) alimentado por dicha tensión en el acumulador intermedio de corriente continua (45) y que suministra una tensión de control al motor eléctrico trifásico (M) a partir de una consigna de control, 15

- una unidad de procesamiento digital que proporciona dicha consigna de control,

caracterizado porque el variador de velocidad comprende un dispositivo híbrido de corrección del factor de potencia que regula el módulo elevador de tensión (40) 20 y que comprende:

- un circuito digital (30) provisto de un módulo regulador de tensión (33) que genera una señal de corrección (35) a partir de una señal de medida (46) de dicha tensión en el acumulador intermedio, 25

- un circuito analógico (20) que genera una señal de regulación (25) al módulo elevador (40) a partir de una señal de medida (12) de dicha tensión rectificada y a partir de dicha señal de corrección (35), el circuito analógico (20) que comprende un circuito limitador (21) 30 que recibe, a la entrada, la señal de medida (12) de dicha tensión rectificada y que genera, a la salida, una

señal recortada (26) de forma prácticamente trapezoidal.

2. Variador de velocidad según la reivindicación 1, caracterizado porque el circuito digital (30) está integrado en dicha unidad de procesamiento.

3. Variador de velocidad según la reivindicación 1, 5 caracterizado porque la señal de corrección (35) es una señal de modulación por anchura de impulsos PWM.

4. Variador de velocidad según la reivindicación 1, caracterizado porque el módulo elevador (40) comprende un conmutador estático (44) accionado por dicha señal de 10 regulación (25).

5. Variador de velocidad según la reivindicación 1, caracterizado porque el circuito limitador (21) comprende un puente divisor de resistencias (R1, R2) y un diodo de limitación (D1), cuyo ánodo está conectado a un punto 15 medio del puente divisor.

6. Variador de velocidad según la reivindicación 1, caracterizado porque el circuito analógico (20) comprende un circuito de conmutación (22) que recibe, a la entrada, dicha señal recortada (26) y dicha señal de corrección 20 (35) para generar una señal de referencia de corriente (28).

7. Variador de velocidad según la reivindicación 6, caracterizado porque el circuito analógico (20) comprende un regulador de corriente (24) que es un regulador simple 25 del tipo de histéresis y que recibe, a la entrada, dicha señal de referencia de corriente (28) y una señal de medida (13) de corriente para suministrar, a la salida, dicha señal de regulación (25) al conmutador (44).

8. Variador de velocidad según la reivindicación 1, 30 caracterizado porque el módulo regulador de tensión (33) fuerza al regulador de corriente (24) a proporcionar una

señal de regulación (25) que ordena la apertura del conmutador (44) en caso de ausencia de corriente de carga del variador.

9. Variador de velocidad según la reivindicación 8, caracterizado porque el circuito digital (30) recibe una 5 señal de medida (47) representativa de la corriente de carga del variador.