¿QuÉ ES UN VARIADOR DE FRECUENCIA?
Un variador de frecuencia, también conocido como variador de velocidad, convertidor de frecuencia o VFD (variable frecuency drive) es un dispositivo electrónico utilizado en numerosas aplicaciones para controlar la velocidad y el rendimiento de motores eléctricos trifásicos de corriente alterna, tanto asíncronos como síncronos.
Su función principal es variar la frecuencia de alimentación suministrada al motor, lo que a su vez controla la velocidad y el par motor del mismo. Esto permite una regulación precisa de la velocidad de un motor, lo que resulta en una mayor eficiencia energética, un mejor control del proceso y una mayor vida útil del motor.
¿Qué hace un variador de frecuencia?
El funcionamiento de un variador de frecuencia se basa en el principio de la modulación de la frecuencia en una señal de salida. Normalmente, la red eléctrica suministra una corriente alterna de frecuencia fija habitualmente a 50Hz, dependiendo de la región podría ser a 60Hz. El variador de frecuencia obtiene la tensión de alimentación senoidal de red y la convierte en una señal de corriente modulable para poder ajustar la frecuencia de salida y con ello la velocidad de giro del motor. Esto se logra mediante la modulación de la frecuencia y la tensión de la señal, lo que a su vez afecta la velocidad y el par motor en la salida, pudiéndose aplicar también a varios motores a la vez siempre que cumplan las mismas características eléctricas (Sistema polimotórico).
¿CÓMO FUNCIONA UN VARIADOR DE FRECUENCIA?
Un variador de frecuencia, convierte la entrada de alimentación de red (CA) en una señal de tensión y frecuencia modulable para controlar la velocidad del motor de inducción trifásico. La frecuencia de la potencia aplicada a un motor de CA determina la velocidad del motor, basándose en lo siguiente:
N = 120 x f / p = velocidad (rpm)
Donde f = frecuencia (Hz) i p = número de polos del motor
PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE UN VARIADOR
La corriente alterna se transforma en corriente continua. Esta corriente continua se transmite por emisión de pulsos, tanto positivos como negativos, y genera una corriente de motor emulando una señal senoidal. La frecuencia de esta “onda sinusoidal” puede ajustarse variando las tensiones alternas positiva y negativa de CC por unidad de tiempo. Es posible controlar la altura de la corriente de salida con la anchura de la tensión continua pulsante.
corriente alterna -> corriente continua -> corriente modulada (PWM – Pulse Width Modulated)
AC -> DC -> PWM
DE CORRIENTE continua A CORRIENTE MODULADA (PWM):
A continuación, el variador de frecuencia transforma la corriente continua en PWM. El variador puede representarse como seis “conmutadores”. Cada conmutador interrumpe la corriente continua durante cierto tiempo, lo que permite generar una corriente que se aproxima a la senoidal.
COMPONENTES DE UN VARIADOR DE FRECUENCIA
Un variador de frecuencia consta de varios componentes clave:
Rectificador: El variador de frecuencia comienza con un rectificador que convierte la corriente alterna de la fuente de alimentación en corriente continua.
Bus CC: La corriente continua se llega a almacenar en un bus de corriente continua o también llamado Bus DC, mediante una batería de condensadores en el interior del variador de frecuencia.
Inversor: El inversor es el componente esencial que permite modular la corriente continua almacenada para generar una señal de corriente de salida que permite variar la frecuencia. Esto se logra mediante el uso de transistores IGBT (Transistores Bipolares de Puerta Aislada) que actúan rápidamente para transformar el estado de la corriente.
Filtrado y protección: Al variador de frecuencia, en ocasiones, se le suelen añadir elementos externos para el filtrado, para suavizar la señal de salida, y para proteger el motor y el propio variador de picos de tensión e intensidad, dependiendo de las características de la aplicación.
Microprocesador y lógica de control: El microprocesador principal o unidad de procesamiento, se encarga de supervisar y controlar todo el sistema del variador. En este control, se pueden ajustar los parámetros del variador de frecuencia, como la velocidad deseada, mediante un panel operador o interfaz.
La forma de onda de la corriente continua controlada por un VFD.
Esta tensión genera corriente en el motor.
Conmutación de un variador
Hay varios componentes diferentes que se utilizan para la conmutación en los variadores de frecuencia: tiristores, transistores, MOSFET (transistores de efecto de campo de óxido metálico de silicio) e IGBT (transistores bipolares de puerta aislada). Hoy en día los más utilizados son los IGBT.
Algoritmos de control de un variador de velocidad
Existen dos modelos de variadores de frecuencia del fabricante Emotron, los FDU y los VFX. Estos modelos de variadores utilizan algoritmos de control diferentes.
El Emotron FDU utiliza un algoritmo de control V/Hz (Tensión-Frecuencia), con un ondulador tipo PWM (modulación por ancho de pulsos). Es adecuado para diversas aplicaciones de par variable o par constante simples, como por ejemplo bombas y ventiladores.
El Emotron VFX utiliza un algoritmo de control denominado control directo de par (DTC – Direct Torque Control), que proporciona el máximo nivel de precisión de control desde la parada hasta el rango de velocidad de debilitamiento de campo al motor.
El VFX es capaz de medir, realizar cálculos y cambiar la tensión de salida cada 25 microsegundos cuando sea necesario, lo que lo hace ideal también para aplicaciones de par constante exigentes, como por ejemplo polipastos, grúas, trituradoras, bobinadoras, etc.
Variadores Emotron: Control de par en el eje del motor
Los variadores de velocidad Emotron también incorporan la exclusiva tecnología del Limitador de par electrónico de Emotron. Esta tecnología obtiene el par de la carga real en el eje del motor que acciona la máquina o el proceso. El resultado es un valor de carga del motor correcto y lineal en toda la gama de velocidades. Cualquier desviación de los niveles de carga establecidos hará que el limitador emita inmediatamente una señal de advertencia o detenga la máquina. En el VFD hay dos opciones de configuración para el limitador de par: Par de carga constante o par de carga variable, que permitirán detectar las desviaciones en todo el rango de velocidad.
(Gama completa variadores FDU i VFX de la firma sueca Emotron. Desde 0,75 kW hasta 4000 kW)
CONTROL DE VELOCIDAD Y PAR
El usuario configura el variador de frecuencia para la velocidad y el par motor deseados mediante una interfaz de control. El variador define la velocidad mediante la señal PWM de salida al motor en función de los parámetros introducidos previamente. Si se requiere una velocidad más alta, se aumenta la frecuencia de salida, lo que, a su vez, aumenta la velocidad del motor. Del mismo modo, si se necesita más par motor, el variador aumentará la intensidad de salida al motor.
VENTAJAS DE LOS VARIADORES DE FRECUENCIA
Ahorro de energía: Al ajustar la velocidad necesaria para el óptimo funcionamiento de la aplicación, se reduce el consumo de energía del motor.
Control preciso: Los variadores facilitan un control muy preciso de la velocidad y el par en el motor.
Menor desgaste: La aceleración y desaceleración suaves prolongan la vida útil del motor y reducen desgaste mecánico.
Mejora en el rendimiento del proceso: Se pueden ajustar diferentes velocidades durante el funcionamiento para adaptarse a las necesidades del proceso.
Reducción de picos de intensidad: Los variadores suavizan el par de arranque del motor, lo que evita picos de intensidad que podrían disparar las protecciones del sistema eléctrico.
En resumen, un variador de frecuencia es un dispositivo esencial en aplicaciones industriales que permite un control preciso de la velocidad y/o el par en la gran mayoría de motores eléctricos trifásicos, lo que conlleva beneficios significativos en términos de eficiencia energética, control de procesos y vida útil de las máquinas. Su funcionamiento se basa en la modulación de la tensión/frecuencia de la señal de alimentación y su capacidad de adaptarse a las necesidades cambiantes del proceso, lo convierte en una herramienta invaluable en una variedad de aplicaciones para la indústria.
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