Placa inverter

Las placas electrónicas de tecnología inverter representan el núcleo de control y potencia en los sistemas modernos de climatización. A diferencia de las máquinas tradicionales de velocidad fija (on/off) —cuyo compresor arranca directamente conectado a la red eléctrica a 50 o 60 Hz y se detiene abruptamente al alcanzar la consigna térmica—, un sistema inverter modula de forma continua la velocidad de giro del compresor y de los motores de ventilación. Para lograr esto, la placa electrónica transforma la corriente alterna monofásica o trifásica de la red en corriente continua, la filtra, y posteriormente sintetiza una nueva corriente alterna trifásica con frecuencia y tensión variables.

Arquitectura de conversión de energía en la placa exterior

La mayor parte de la complejidad electrónica reside en la placa de la unidad exterior (Outdoor PCB), encargada de gestionar las altas corrientes que demandan el motocompresor y la etapa de potencia. Este proceso se divide en etapas secuenciales:

1. Filtrado de entrada (EMI/RFI) y supresión de transitorios

La energía ingresa por la bornera de alimentación hacia una etapa pasiva diseñada para cumplir dos funciones: evitar que los picos de tensión de la red dañen la placa y amortiguar el ruido electromagnético de alta frecuencia generado por la conmutación de los transistores de potencia para que no retorne a la red pública.

• Varistores de óxido metálico (MOV): Absorben sobretensiones transitorias y rayos inductivos.

   

• Filtros en modo común y modo diferencial: Combinaciones de condensadores tipo X (entre fase y neutro), condensadores tipo Y (entre líneas y tierra chasis) e inductancias toroidales con bobinado balanceado.

   

• Fusibles térmicos y de acción rápida: Cortan el suministro ante fallas catastróficas por cortocircuito.

   

2. Rectificación y circuito de precarga

Tras el filtro, la tensión alterna se rectifica mediante un puente rectificador de diodos en puente de Graetz:

• Corriente de inrush: La conexión inicial a un banco de condensadores descargados provocaría un pico de corriente destructivo. Para evitarlo, la placa incluye una resistencia limitadora (habitualmente una cerámica NTC o de potencia cementada) en serie.

   

• Relé de bypass: Una vez que el bus de continua alcanza una carga segura de tensión, el microcontrolador conmuta un relé electromecánico que cortocircuita la resistencia de precarga, evitando pérdidas térmicas continuas durante el funcionamiento normal.
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3. Corrección del Factor de Potencia (PFC activo)

La rectificación simple con condensadores produce pulsos de corriente estrechos y desfasados, degradando el factor de potencia y sobrecargando la red. Las placas inverter incorporan un convertidor elevador (boost converter) compuesto por:

• Un reactor toroidal de gran inductancia (choke exterior o sobre placa).

   

• Un transistor IGBT o MOSFET de alta potencia con diodo de carburo de silicio (SiC) o recuperación ultrarrápida.

   

• Un circuito integrado controlador de PFC que conmuta a frecuencias de entre 20 kHz y 50 kHz.

   

Este circuito fuerza a que la corriente consumida copie la forma sinusoidal de la tensión de entrada y, al mismo tiempo, eleva la tensión del bus de continua desde los ~310 Vcc rectificados hasta un nivel estabilizado y regulado de entre 380 Vcc y 410 Vcc, independientemente de las fluctuaciones de la red.

4. Filtrado del enlace de continua (DC Link)

La tensión elevada por el PFC se entrega a una batería de condensadores electrolíticos de alta capacidad y bajo ESR (Equivalent Series Resistance), a menudo acompañados de condensadores de película de polipropileno en paralelo para filtrar rizados de alta frecuencia. Este banco almacena la energía reactiva necesaria para abastecer las demandas instantáneas de torque del compresor.

La etapa inversora: El Módulo de Potencia Inteligente (IPM)

El corazón de la generación trifásica es el IPM (Intelligent Power Module), un circuito híbrido montado directamente sobre un disipador masivo de aluminio.

Un IPM integra:

1. Seis transistores IGBT: Conectados en configuración de puente trifásico completo (tres ramas en paralelo con dos interruptores cada una: High-Side y Low-Side).

    

2. Diodos de libre rueda (free-wheeling diodes): Conectados en antiparalelo con cada IGBT para disipar las corrientes inductivas generadas por los devanados del motor cuando los transistores se abren.

    

3. Drivers de compuerta integrados (Gate Drivers): Adaptan los pulsos lógicos de 3.3V/5V del microprocesador a niveles de compuerta de 15V con la corriente necesaria para cargar las capacidades parásitas de los transistores.

    

4. Condensadores y diodos de bootstrap: Permiten elevar la tensión de compuerta de los IGBT del lado alto por encima de la tensión del propio bus positivo de continua.

    

5. Protecciones térmicas y de cortocircuito: Sensores internos de corriente por desaturación y termistores NTC integrados que envían señales de apagado inmediato (Fault) al procesador.

    

Modulación y control del motor del compresor

Los compresores inverter modernos utilizan motores síncronos de imanes permanentes sin escobillas (BLDC o PMSM). A diferencia de los motores de inducción clásicos, la placa electrónica debe saber con exactitud milimétrica la posición angular del rotor magnético para energizar las fases correctas en el momento oportuno.

Red AC (230V)     │    ▼ [Filtro EMI] ──► [Puente Diodos] ──► [PFC Boost] ──► [Bus DC ~390V]                                                               │                                                               ▼ [Motor Compresor U-V-W] ◄── [Modulación SVPWM] ◄── [Módulo IPM (6x IGBT)]

Modulación vectorial (SVPWM) y control orientado al campo (FOC)

En lugar de una conmutación trapezoidal básica de 6 pasos (ruidosa e ineficiente), los microcontroladores de 32 bits aplican Control Orientado al Campo (Field Oriented Control):

• Mediante las transformaciones matemáticas de Clarke y Park, las corrientes alternas trifásicas se descomponen en un sistema de coordenadas rotatorio de dos ejes: el eje directo (alineado con el flujo magnético) y el eje en cuadratura (perpendicular al flujo y responsable directo del par motor).

   

• El algoritmo regula la corriente del eje directo para controlar el par motor y mantiene la corriente del eje de cuadratura cerca de cero para maximizar el rendimiento. A altas revoluciones, inyecta corriente negativa en el eje de cuadratura para aplicar una técnica de debilitamiento de campo (field weakening), permitiendo que el compresor supere su velocidad base sin exceder el voltaje del bus de continua.

   

• Los pulsos se sintetizan mediante SVPWM (Space Vector Pulse Width Modulation), generando senos de corriente puros con mínimas pérdidas térmicas por conmutación.

   

Detección sin sensores (Sensorless)

Dado que el compresor está sellado herméticamente bajo alta presión y sumergido en aceite frigorífico y gas refrigerante, no es viable instalar sensores de efecto Hall ópticos o mecánicos en el motor:

• La placa monitoriza la posición del rotor de manera indirecta midiendo la fuerza contraelectromotriz (BEMF) en la fase no energizada o utilizando observadores de estado basados en las lecturas de corriente que proporcionan una o tres resistencias shunt calibradas situadas en la parte inferior del puente inversor.

   

• Al arrancar desde parado (donde no hay BEMF), el procesador ejecuta una secuencia de alineación forzada (open-loop startup) antes de conmutar al algoritmo vectorial de bucle cerrado.

   

Fuentes auxiliares y circuitos periféricos

La placa no solo gestiona la alta potencia; integra subsistemas de baja tensión esenciales:

• Fuente conmutada aislada (SMPS): Diseñada casi siempre en topología Flyback (utilizando integrados de control oscilador/MOSFET tipo VIPer, TOP o TNY). Toma los 390 Vcc del bus principal y genera las líneas de tensión secundarias:

   

  • +15 Vcc: Alimentación de los gate drivers del IPM y relés de potencia.

     

  • +12 Vcc: Bobinas de la válvula inversora de 4 vías y motores paso a paso.

     

  • +5 Vcc / +3.3 Vcc: Microcontroladores, conversores ADC, memorias EEPROM y circuitos lógicos.

     

• Control de la Válvula de Expansión Electrónica (EEV): La placa exterior pilota un motor paso a paso unipolar de 4 o 5 hilos mediante arreglos de transistores Darlington (como el ULN2003) para estrangular con precisión micrométrica el flujo de refrigerante, manteniendo un recalentamiento (superheat) óptimo.

   

• Ventilador exterior BLDC: Gestionado por un segundo IPM más pequeño o por drivers monolíticos integrados, lo que permite regular la velocidad del ventilador en función de la presión de condensación y el clima exterior.

   

• Lazo de comunicación serie: Conexión bifilar o monofilar activa entre la placa exterior y la interior. Emplea optoacopladores para aislar galvánicamente los microcontroladores y modula tramas digitales (UART) sobre un bucle de corriente alimentado por una pequeña fuente continua (habitualmente 24V a 48V con resistencias de carga), inmune al ruido parásito.
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Protecciones y diagnóstico en tiempo real

El firmware del microcontrolador ejecuta bucles de seguridad a frecuencias de kilohercios:

1. Sobrecorriente instantánea: Si un devanado del compresor entra en corto o el rotor se bloquea mecánicamente, el voltaje en las resistencias shunt se dispara, activando la patilla de interrupción CIN/ITRIP del IPM que apaga los transistores en menos de dos microsegundos.

    

2. Deriva térmica: Monitoreo continuo del sensor de temperatura de descarga del compresor. Si el refrigerante supera límites críticos (habitualmente >110 °C por falta de carga o estrangulamiento), la placa reduce progresivamente la frecuencia de trabajo o aborta el encendido.

    

3. Desbalance de fases: El microprocesador compara el consumo cuadrático medio en cada fase U, V, W; un desvío mayor al 10-15% induce una parada de emergencia para evitar la desmagnetización irreversible de los imanes de neodimio por calor.

REFLEXIÓN

En general todas las maquinas inverter tipo split 1×1 son iguales, en bomba de calor, aire acondicionado y aerotermia.

Donde hay cambios es en los equipos multisplits VRF, aunque el el funcionamiento de la placa exterior varia poco, si que hay una comunicación diferente a través de un bus de comunicaciones entre los distintos splits y la placa exterior.

Vive y se feliz.