Si es un principiante que recién está aprendiendo sobre motores eléctricos, es posible que haya escuchado mucho el término "VFD". Pero qué es un VFD y cómo funciona, los tipos de VFD, las ventajas y desventajas de VFD y las aplicaciones relacionadas de VFD son los conceptos básicos de VFD que quizás no conozca muy bien, y este artículo es adecuado para un principiante.
¿Qué es un VFD?
Un VFD o variador de frecuencia es un tipo de dispositivo electrónico que se usa para controlar un motor síncrono o de inducción de CA variando la frecuencia y el voltaje de su fuente de alimentación para impulsar el motor. A pesar de que el variador controla la frecuencia y el voltaje suministrado al motor, generalmente lo llamamos control de velocidad porque el resultado es un ajuste de la velocidad del motor. Otros nombres para VFD son: variador de velocidad ajustable, variador de frecuencia ajustable, variador de voltaje variable/frecuencia variable, variador de CA, Microdrive, inversor, variador de velocidad.
Un variador de frecuencia es un dispositivo que se utiliza en un sistema de variador que consta de tres subsistemas principales: el motor de CA, el conjunto del controlador del variador principal y la interfaz del variador/operador.
- Un motor de CA, generalmente un motor de inducción trifásico, pero a veces un motor monofásico o síncrono.
- Un controlador de accionamiento principal, que utiliza un sistema de conversión de electrónica de potencia de estado sólido, que consta de tres subsistemas diferentes: un convertidor de puente rectificador, un enlace de CC y un inversor.
- Una interfaz de monitoreo y control, que proporciona al operador o al PLC los medios para arrancar y detener el motor, ajustar la velocidad, cambiar de dirección, etc. La interfaz también ofrece información sobre la operación del motor, el estado del variador, etc. La comunicación con un PLC se puede lograr a través de una serie de protocolos de comunicación en serie o mediante entradas y salidas de relé anticuadas combinadas con señales analógicas de 4-20 mA o 0-10 V.
¿Cómo funciona un VFD?
Para entender cómo funciona un VFD, a continuación explicaré las cuatro partes principales de un VFD: rectificador, bus de CC/enlace de CC, inversor y circuito de control.
1. Rectificador
Convierte la entrada de CA de la fuente de alimentación principal a CC. Esta parte puede ser unidireccional o bidireccional según la aplicación utilizada, como la operación de cuatro cuadrantes de un motor. Utiliza diodos, tiristores, transistores y otros dispositivos electrónicos de conmutación.
2. Bus de CC/enlace de CC
El enlace de CC almacena la energía convertida por el rectificador, lo que elimina las ondas de la salida de CC pulsante del rectificador y proporciona un voltaje de CC uniforme. Consiste principalmente en condensadores para filtrar las ondas de la CC pulsante y almacenarlas. También puede incluir un inductor, que depende del tipo de ondas.
3. Inversor
Esta parte consta de interruptores electrónicos, como transistores, tiristores, IGBT, etc. Recibe una corriente constante de CC del enlace de CC y la convierte en una corriente de CA con frecuencia ajustable, que luego se entrega al motor. Emplea técnicas de modulación como la modulación de width de pulso para variar la frecuencia de salida para controlar la velocidad del motor de inducción.
4. Circuito de Control
Consta de una unidad de microprocesador. Transmite señales al rectificador, bus de CC e inversor, y también recibe señales de estas partes. Utiliza las señales para encender y apagar los dispositivos semiconductores del inversor, proporciona varias señales de control para operar el inversor y monitorea el estado operativo del inversor para proporcionar funciones de protección.
Tipos de VFD
Hay dos tipos principales de variadores de frecuencia en el mercado: mecánicos y eléctricos.
Types of mechanical VFDs
1. Accionamiento de paso variable
Este VFD es una transmisión por correa y polea, donde el diámetro de paso de una o ambas poleas se puede ajustar según los requisitos específicos. Este mecanismo impone una relación múltiple, que finalmente da como resultado una velocidad de salida variable.
2. Accionamiento de tracción
En este VFD, el diámetro de la ruta de contacto que pertenece a los dos rodillos metálicos acoplados es ajustable, lo que brinda una relación múltiple y, por lo tanto, una velocidad de salida variable.
3. Accionamiento hidrostático
Este VFD consta de una bomba hidráulica de desplazamiento positivo y un motor. El volumen de salida de fluido de la bomba se varía usando válvulas o cambiando el desplazamiento.
4. Accionamiento hidráulico hidroviscoso
En este VFD, una cantidad de discos en el eje de entrada se presionan contra una cantidad correspondiente de discos en el eje de salida. Entre estos discos hay una fina película de aceite. Al cambiar la presión de los discos exprimidos, se puede cambiar la transmisión de torque, logrando así una operación de velocidad variable.
5. Accionamiento hidrodinámico hidráulico o acoplamiento fluido
En este VFD, los dos impulsores se acoplan mediante fluido hidráulico. Al cambiar el volumen del fluido, se puede variar el grado de acoplamiento del primario a la salida, lo que da como resultado velocidades variables. Es el variador de frecuencia mecánico más utilizado en la industria.
VFD conectado al motor
Tipos de accionamientos eléctricos
Acoplamiento de corrientes de Foucault
Este VFD existe entre un motor de velocidad fija y la aplicación impulsada por el motor. Consiste en un rotor de velocidad fija y un rotor de velocidad variable con un pequeño espacio de aire en el medio. Se proporciona un devanado de excitación en uno de los rotores para crear un campo magnético que acopla los rotores y determina el par transmitido.
Accionamientos de CC
Un variador de CC implica un convertidor de CC que convierte la alimentación de CA suministrada en un voltaje de CC de magnitud variable y lo suministra al devanado del inducido de un motor de CC. Los variadores de CC generalmente usan tecnología de tiristores y se pueden usar en todas las aplicaciones de áreas no peligrosas mencionadas anteriormente.
Accionamientos de CA
Hay tres tipos principales de VFD, todos los cuales convierten la entrada de CA en CC y luego cambian la CC a una salida de CA variable con la ayuda de un inversor.
- Conversión directa: este tipo incluye cicloconvertidores y otras topologías de matriz en las que la CA de entrada se convierte en CA variable en una etapa. Estos VFD suelen ser cicloconvertidores que controlan motores síncronos con excitación con escobillas o sin escobillas. Estos VFD se utilizan en aplicaciones donde la velocidad del motor es baja y el requisito de par es alto.
- Fuente de corriente: Se comporta como un generador de corriente constante, produciendo una onda de corriente casi cuadrada. El VFD de fuente de corriente para controlar motores síncronos también se conoce como VFD de inversor conmutado por carga (LCI) y, por lo general, utiliza tecnología de tiristores. Su respuesta es mucho más lenta debido a la fuente inductiva, por lo que solo es adecuado para cargas tipo ventilador y bomba.
- Fuente de voltaje: En un variador VSI, la salida de CC de un convertidor de puente de diodos almacena energía en un bus de capacitor para suministrar una entrada de voltaje rígido al inversor . Los accionamientos VSI funcionan tanto con motores de inducción como síncronos. Los inversores de fuente de voltaje son la única opción para variadores por encima de una determinada potencia nominal. La gran mayoría de los variadores son del tipo VSI con salida de voltaje PWM. Actualmente, los VFD eléctricos más comunes utilizados en la industria son los inversores de CA que utilizan el tipo de inversor de fuente de voltaje (VSI).
Ventajas de VFD
Energía & Ahorro de costes de energía
Los sistemas de motores consumen más del 65 % de la electricidad consumida en la industria actual. La optimización de los sistemas de control de motores que utilizan VFD puede conducir a reducciones significativas en el consumo de energía del equipo. Especialmente en bombas, ventiladores y compresores, los VFD pueden lograr ahorros significativos en costos de energía.
Control eficiente y fluido
Al controlar el motor a la velocidad más eficiente, se reducen los errores. VFD permite una acción más suave de la correa y el transportador, lo que elimina la fluctuación en el arranque y reduce el estrés térmico y mecánico en el motor y la transmisión por correa.
Alto factor de potencia
El circuito de corrección del factor de potencia integrado en el enlace de CC del VFD reduce la necesidad de equipos adicionales de corrección del factor de potencia. Esto elimina la necesidad de costosos bancos de capacitores adicionales.
Un motor de CA típico puede tener un factor de potencia a plena carga entre 0,7 y 0,8. A medida que disminuye la carga del motor, el factor de potencia disminuye. Especialmente en aplicaciones sin carga, los motores de inducción tienen un factor de potencia muy bajo. El bajo factor de potencia provoca una baja utilización de energía debido a las altas pérdidas de potencia reactiva.
Prolongue la vida útil del equipo y reduzca el mantenimiento
VFD brinda una mejor protección para su motor contra problemas como sobrecarga eléctrica, protección de fase, bajo voltaje, sobrevoltaje, etc. debido al control optimizado de la frecuencia y el voltaje del motor. El uso de un VFD para arrancar una carga protege el motor o la carga impulsada del "choque instantáneo" del arranque directo. El arranque suave elimina gran parte del desgaste de la correa, los engranajes y los cojinetes. Un beneficio adicional es la reducción o eliminación del golpe de ariete a través de ciclos suaves de aceleración y desaceleración. Esto puede ayudar a prolongar la vida útil del equipo y minimizar el tiempo de inactividad debido al mantenimiento.
Desventajas de VFD
- El costo inicial de un VFD suele ser más alto que el de otros dispositivos de control de velocidad variable.
- La interfaz de usuario de un VFD es aún más compleja que la de un arrancador de línea cruzada.
- Armónicos inducidos:Un variador de velocidad es una carga no lineal que induce armónicos en la línea eléctrica. Los VFD, especialmente los variadores de alta potencia, requieren filtros armónicos en sus líneas para que esta distorsión no se transmita a equipos eléctricos potencialmente sensibles.
(crédito de la foto:gibbonsgroup.co.uk)
Aplicaciones de VFD
De hecho, no hay ninguna aplicación para la que un motor de CA no sea adecuado para el funcionamiento con VFD. Si el VFD ofrece muchos beneficios para una aplicación específica y el costo es razonable, entonces la aplicación VFD es aceptable.
El uso de VFD en aplicaciones de bombas y ventiladores HVAC puede ahorrar energía y costos de energía, y en aplicaciones industriales puede mejorar el par motor y el control de velocidad, así como mejorar la protección del motor.
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