Dins l'accionament del motor variable: com funciona l'electrònica de l'inversor dels aires condicionats split

La diferència de rendiment entre un aire condicionat portàtil de velocitat fixa de 300 € i un split mòbil amb inversor de 900 € no és el prestigi de la marca ni les característiques estètiques: és el circuit d'electrònica de l'inversor de l'aire condicionat split que hi ha dins d'aquest darrer. Un accionament de freqüència variable que modula el motor del compressor entre aproximadament el 20% i el 100% de la velocitat nominal és responsable de l'estalvi energètic del 30–50%, del funcionament més silenciós, de la resposta més ràpida de temperatura i de la vida útil més llarga del compressor que separen la tecnologia inverter del disseny d'encesa/apagada que està reemplaçant progressivament arreu d'Europa.

Què fa un inversor en un aire condicionat split?

Un inversor en un aire condicionat split converteix el subministrament de la xarxa de freqüència fixa (50 Hz, 230 V a Europa) en una sortida de freqüència i tensió variables que acciona el motor del compressor a velocitats ajustables de manera contínua. En lloc d'encendre el compressor al 100% de velocitat i apagar-lo per regular la temperatura, l'inversor ajusta la sortida del compressor amb precisió a la càrrega de refrigeració instantània, eliminant els transitoris d'arrencada que malgasten energia, les sobreoscil·lacions de temperatura i els esdeveniments d'estrès mecànic que caracteritzen el funcionament d'encesa/apagada a velocitat fixa.

El circuit central de l'inversor segueix una arquitectura estàndard d'electrònica de potència: un rectificador d'entrada converteix la CA de la xarxa en un bus de CC estable a aproximadament 320–350 V; un banc de condensadors del bus de CC filtra la tensió rectificada; i una etapa d'inversor de sortida, construïda a partir de sis transistors IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor — un dispositiu de commutació que gestiona tensions i corrents elevats mentre és controlat per senyals de porta de baixa tensió, combinant les baixes pèrdues en estat de conducció d'un transistor bipolar amb la commutació ràpida d'un MOSFET) en un pont trifàsic, converteix aquesta CC de nou en CA de freqüència variable a la freqüència que exigeixi el microcontrolador.

Com produeix el pont d'IGBT una sortida de freqüència variable per al motor del compressor?

El pont trifàsic d'IGBT utilitza sis transistors de commutació disposats en tres mig ponts, cadascun controlant una fase dels bobinatges del motor del compressor. En commutar cada transistor entre encès i apagat milers de vegades per segon en una seqüència temporitzada amb precisió, el pont sintetitza una tensió sinusoïdal a qualsevol freqüència objectiu entre aproximadament 10 Hz i 120 Hz, controlant directament la velocitat del motor del compressor des d'aproximadament 600 RPM fins a més de 7.000 RPM segons el nombre de pols i el disseny del motor.

Cada IGBT commuta en menys de 100 nanosegons, gestionant tensions de bus de 300–600 V i corrents de fase de 10–30 A amb pèrdues de conducció de només l'1–3% per dispositiu. El controlador de porta —un circuit integrat que aplica el pols de tensió precís necessari per commutar cada IGBT— és la interfície del domini de senyal entre el microcontrolador de control i l'etapa d'IGBT del domini de potència. Els inversors moderns dels aires condicionats split integren els controladors de porta, el pont d'IGBT i els circuits de protecció en un únic IPM (Intelligent Power Module — una combinació en un sol paquet de transistors de potència, controladors i sensors de protecció que simplifica el disseny de la placa i millora la gestió tèrmica) de fabricants com Mitsubishi Electric, ON Semiconductor o Infineon.

Què és la modulació PWM i com controla la velocitat del motor del compressor?

La PWM (Pulse Width Modulation) és la tècnica mitjançant la qual el pont d'IGBT sintetitza una sortida sinusoïdal suau a partir de la commutació ràpida d'encesa/apagada. En variar l'amplada de cada pols de tensió a una freqüència portadora de 4–16 kHz, la tensió mitjana que veu el bobinatge del motor es controla de manera contínua entre zero i la tensió plena del bus. Variar aquesta tensió mitjana amb un patró sinusoïdal a la freqüència de sortida objectiu produeix l'efecte d'un subministrament de CA de freqüència variable exactament a la velocitat que requereix l'algoritme de control.

La relació entre el temps d'encès i el temps d'apagat en cada cicle de portadora és el cicle de treball. Amb un cicle de treball del 100%, s'aplica la tensió plena del bus de CC (aproximadament 325 V des d'un subministrament de 230 V) al bobinatge del motor. Amb un cicle de treball del 50%, la tensió RMS efectiva es redueix a la meitat. Modular el cicle de treball de manera sinusoïdal a través de les tres fases crea el camp magnètic giratori que el motor del compressor segueix de manera contínua. Una freqüència de sortida més alta equival a un camp giratori més ràpid, una velocitat de l'eix del compressor més ràpida, un cabal màssic de refrigerant més gran i més sortida de refrigeració per unitat de temps.

Les xifres de COP (Coefficient of Performance — la relació adimensional entre la potència de refrigeració de sortida en kW i la potència elèctrica d'entrada en kW; un COP de 4,0 significa 4 kWh de refrigeració per cada 1 kWh d'electricitat) al 50% de càrrega il·lustren l'avantatge clau de l'inversor: allà on un compressor de velocitat fixa s'apaga cíclicament (produint un COP zero durant el temps d'apagat i arrossegant la mitjana cap avall), tots dos tipus d'inversor mantenen un COP alt de manera contínua a velocitat reduïda. El COP superior a càrrega parcial de l'inversor de CC reflecteix la major eficiència dels motors d'imant permanent respecte als motors d'inducció utilitzats en la majoria dels dissenys de compressor d'inversor de CA.

Quina és la diferència pràctica entre l'arquitectura d'inversor de CA i la d'inversor de CC?

Un accionament d'inversor de CA sintetitza CA trifàsica de freqüència variable per accionar un motor d'inducció convencional al compressor. Un motor d'inducció funciona per inducció electromagnètica: el camp magnètic giratori indueix corrents al rotor, que creen el parell que fa girar l'eix del compressor. La seva eficiència arriba al màxim prop de la velocitat síncrona i disminueix a càrregues parcials a causa de les pèrdues per lliscament (la diferència de velocitat entre el camp giratori i el rotor necessària per a la generació de parell). Un inversor de CC acciona un motor BLDC (Brushless DC — un motor de rotor d'imant permanent que genera parell mitjançant la interacció directa entre els imants del rotor i el camp de l'estator, eliminant les pèrdues per lliscament i assolint l'eficiència màxima en una gamma de velocitats més àmplia), produint una eficiència mesurablement més alta tant a càrrega plena com a càrrega parcial.

Per què el funcionament a velocitat variable millora l'eficiència a càrregues de refrigeració parcials?

El guany d'eficiència del funcionament a velocitat variable a càrrega parcial es produeix perquè el compressor funciona de manera contínua a la part d'alta eficiència de la seva corba de rendiment en lloc d'alternar entre el funcionament a velocitat plena i l'aturada. Amb una demanda de refrigeració del 50%, un compressor amb inversor que funciona al 50% de velocitat assoleix un COP mitjà en el temps més alt que un compressor de velocitat fixa que funciona a velocitat plena durant la meitat del temps, perquè elimina les pèrdues transitòries d'arrencada, manté una circulació d'oli contínua i evita l'estrès de cicles mecànics i tèrmics que redueix temporalment l'eficiència després de cada reinici del compressor.

El transitori d'arrencada del compressor és especialment malgastador en un disseny de velocitat fixa: a cada reinici, el compressor ha de superar el diferencial de pressió estàtica que s'ha acumulat a través del circuit de refrigerant durant el període d'apagat, consumint 8–12× el corrent de funcionament durant 0,5–2 segons i operant per sota de les condicions òptimes de lubricació fins que es restableix la circulació d'oli. Un compressor amb inversor que modula la velocitat en lloc d'alternar cicles mai no entra en aquest estat: simplement redueix la velocitat per ajustar-se a la càrrega, mantenint una lubricació contínua i evitant l'estrès mecànic màxim que limita la vida útil dels compressors de velocitat fixa.

El cas límit: l'eficiència de l'inversor es degrada per sota d'aproximadament el 20% de la freqüència nominal

La majoria dels accionaments d'inversor dels aires condicionats split imposen un límit inferior de freqüència de funcionament d'aproximadament 15–25 Hz, aproximadament el 15–25% del funcionament nominal a velocitat plena. Per sota d'aquest límit, sorgeixen dos problemes simultàniament: la bomba d'oli, que funciona a la velocitat de l'eix del compressor, no pot generar prou pressió de lubricació per protegir els coixinets a velocitats molt baixes; i el motor produeix un parell insuficient per superar de manera fiable la fricció de les vàlvules del compressor des d'una condició gairebé aturada. El firmware de control, per tant, imposa un llindar mínim de velocitat per sota del qual el compressor s'apaga i espera en un breu període d'inactivitat en lloc de funcionar en mode quasi-continu de velocitat ultrabaixa, evitant la fallada dels coixinets per manca d'oli.

Com gestiona l'inversor el corrent d'arrencada inicial?

Els motors de velocitat fixa consumeixen 8–12× el seu corrent de funcionament nominal durant els primers 0,5–2 segons a cada arrencada, cosa que fa saltar els MCB domèstics (Miniature Circuit Breakers — els dispositius de protecció contra sobrecàrregues dels quadres de distribució domèstics dimensionats per desconnectar-se en sobrecorrents sostinguts) en circuits de 16 A si diversos aparells funcionen simultàniament. Els accionaments amb inversor augmenten la freqüència del motor des de gairebé zero a una taxa d'acceleració controlada —normalment de 0 a 50 Hz en 2–5 segons—, limitant el corrent d'arrencada a 1,5–2,5× el corrent de funcionament nominal i fent senzilla la instal·lació en circuits domèstics compartits.

Les plaques d'inversor dels aires condicionats split de gamma alta també inclouen PFC (Power Factor Correction — un circuit actiu d'etapa d'entrada que modela la forma d'ona del corrent perquè coincideixi amb la forma d'ona de tensió, eliminant el corrent reactiu i la distorsió harmònica que les càrregues de mode commutat no corregides imposen al subministrament) a l'entrada de la xarxa. La PFC augmenta el factor de potència des del típic 0,6–0,7 d'un circuit rectificador no corregit fins a 0,95–0,99, reduint el consum de potència aparent al subministrament i minimitzant la distorsió de tensió que d'altra manera afectaria els aparells veïns que comparteixen el circuit.

La diferència entre inversor i no inversor és molt clara en un registrador d'energia. La unitat de velocitat fixa fa un pic massiu a cada arrencada del compressor. L'inversor simplement puja de manera suau, gairebé imperceptible com a esdeveniment d'arrencada. En un circuit compartit de 16 A amb altres càrregues de cuina, l'inversor és l'únic que no fa saltar ocasionalment l'interruptor.

Quins circuits de protecció inclou una placa d'inversor moderna d'aire condicionat split?

Les plaques de control d'inversor modernes dels aires condicionats split integren un conjunt complet de proteccions que supervisen cada mode de fallada important en temps real, aturant l'accionament de manera controlada en lloc de permetre que una avaria de maquinari es propagui fins a la crema del compressor, l'incendi o els danys al sistema de refrigerant. Aquestes proteccions s'implementen en el firmware del microcontrolador en lloc de circuits de maquinari dedicats, permetent als fabricants actualitzar els llindars mitjançant programari de servei sense cap canvi de maquinari.

• Protecció contra sobrecorrent (OCP): supervisa el corrent de col·lector de l'IGBT en cada fase i salta en microsegons si el corrent sostingut supera 2–3× el corrent de funcionament nominal, protegint contra un compressor bloquejat, un bobinatge del motor en curtcircuit o un IGBT defectuós.
• Protecció de sobretensió i subtensió: supervisa el bus de CC de manera contínua i s'atura si el subministrament de la xarxa cau per sota d'aproximadament 180 V o puja per sobre de 270 V, protegint contra les condicions de caiguda de tensió habituals en els esdeveniments d'estrès de la xarxa del sud d'Europa durant la demanda màxima d'estiu.
• Protecció de temperatura de la unió de l'IGBT: un termistor NTC unit al dissipador de calor de l'IPM supervisa la temperatura del semiconductor; l'accionament redueix la freqüència portadora PWM (cosa que redueix les pèrdues de commutació) i finalment salta si la temperatura supera el llindar de disseny, evitant l'embalatge tèrmic durant el funcionament turbo sostingut d'alta càrrega.
• Protecció d'alta pressió i baixa pressió del refrigerant: els senyals dels transductors de pressió es supervisen de manera contínua; el compressor s'atura si les pressions cauen fora de l'envolupant de funcionament normal, detectant la pèrdua de refrigerant a través de fuites en els acoblaments abans que la capacitat de refrigeració es degradi notablement.
• Detecció de calat del motor i de pèrdua de fase: la supervisió de la força contraelectromotriu detecta el calat del compressor o la sortida de fase absent; l'accionament salta immediatament per evitar l'agarrotament del compressor per la manca d'oli que causaria una condició prolongada de rotor bloquejat.

Punts clau sobre l'electrònica de l'inversor dels aires condicionats split

La cadena d'electrònica de l'inversor de l'aire condicionat split —rectificador de CA, condensadors del bus de CC, pont trifàsic d'IGBT, controlador PWM, motor d'imant permanent BLDC— és la tecnologia que separa una unitat amb una factura elèctrica estacional de 50 € d'una amb una factura de 150 € per a una sortida de refrigeració idèntica. El COP màxim a càrrega parcial de 3,8–5,5 de l'inversor de CC, el seu corrent d'arrencada inicial gairebé nul i la seva vida útil del compressor de 15–20 anys són conseqüències directes de fer funcionar el compressor al seu punt de funcionament d'eficiència màxima de manera contínua en lloc d'alternar-lo entre velocitat plena i aturada.

Els splits mòbils construïts amb electrònica d'inversor de CC són els aires condicionats portàtils de major rendiment disponibles a Europa avui dia, i són les primeres unitats a esgotar-se quan es preveu una onada de calor. Registra la teva alerta ara i estigues a punt per comprar en el moment que aparegui estoc, abans que el proper augment de demanda l'esgoti.