Drives de Corriente Alterna

Variadores de Frecuencias

Un variador de frecuencia (siglas VFD, del inglés: Variable Frequency Drive o bien AFD Adjustable Frequency Drive) es un sistema para el control de la velocidad rotacional de un motor de corriente alterna.

Los variadores de frecuencia, convierten una fuente de alimentación trifásica de voltaje  y frecuencia fijos en una fuente trifásica de voltaje y frecuencia variables. 

Principios de Funcionamiento de un VFD

Los dispositivos variadores de frecuencia operan bajo el principio de que la velocidad síncrona de un motor de corriente alterna (CA) está determinada por la frecuencia de AC sumnistrada y el número de polos en el estator, de acuerdo con la relación:

Donde

RPM = Revoluciones por minuto

f = frecuencia de suministro AC (Hercio)

p = Número de polos

Las cantidades de polos más frecuentemente utilizadas en motores síncronos o en Motor asíncrono son 2, 4, 6 y 8 polos que, siguiendo la ecuación citada, resultarían en 3000 RPM, 1500 RPM, 1000 RPM y 750 RPM respectivamente para motores sincrónicos únicamente y a la frecuencia de 50 Hz. Dependiendo de la ubicación geográfica funciona en 50Hz o 60Hz.

En los motores asíncronos las revoluciones por minuto son ligeramente menores por el propio asincronismo que indica su nombre. En estos se produce un desfase mínimo entre la velocidad de rotación (RPM) del rotor (velocidad "real" o "de salida") comparativamente con la cantidad de RPM's del campo magnético (las cuales si deberían cumplir la ecuación arriba mencionada tanto en Motores síncronos como en motores asíncronos ) debido a que sólo es atraído por el campo magnético exterior que lo aventaja siempre en velocidad (de lo contrario el motor dejaría de tener par en los momentos en los que alcanzase al campo magnético)

Motor usado con un VFD

El motor usado en un sistema VFD es normalmente un .motor de inducción trifásico Algunos tipos de motores monofásicos pueden ser igualmente usados, pero los motores de tres fases son normalmente preferidos. Varios tipos de motores síncronos ofrecen ventajas en algunas situaciones, pero los motores de inducción son más apropiados para la mayoría de propósitos y son generalmente la elección más económica. Motores diseñados para trabajar a velocidad fija son usados habitualmente, pero la mejora de los diseños de motores estándar aumenta la fiabilidad y consigue mejor rendimiento del VFD.(variador de frecuencia)

Etapas de un VFD

1. Rectificador convierte el voltaje de CA de entrada, en voltaje de corriente directa.
2. Circuito de frenado, disipa el voltaje generado por el motor cuando se requiere detener a la máquina  en un tiempo menor al que le tomaría a la máquina en detenerse por si misma.
3. Etapa de conmutación, convierte el voltaje de  corriente directa en voltaje de  corriente alterna de frecuencia variable.

EL IGBT

Los variadores modernos utilizan IGBTs para alimentar al motor, los IGBTs pueden conmutar de estado varios miles de veces por segundo. El IGBT tiene tres conexiones el colector, el emisor y la compuerta.

Cuando un voltaje positivo (tipicamente +15 Vdc) se aplica a la compuerta, el IGBT  comienza a conducir. Esto es similar a cerrar un interruptor. Cuando un IGBT es encendido la corriente puede fluir entre el colector y el emisor.

Para apagar el IGBT, se le retira el voltaje de la compuerta. Durante  el estado apagado, generalmente se le aplica un voltaje negativo a la compuerta (-15 Vdc) para prevenir que el dispositivo entre en conducción.

Métodos de frenado

• Parada libre: Este es el método más simple pero puede ser demasiado lento para algunas aplicaciones, consiste en desenergizar el motor y esperar a que la fricción de la carga disipe la energía motriz en forma de calor.
• Desaceleración controlada: Este implica ir reduciendo la referencia de velocidad de una manera controlada para desacelerar el motor y la carga. Dependiendo de la inercia de la carga y de la velocidad de la rampa en ocasiones el drive puede usar la energía generada por el motor para detener la carga.
• Remoción del comando de operación: Esta es una desaceleración controlada pero iniciada por la remoción de la señal de run.
• Inyección de corriente directa: Esta método consiste remover los pulsos del drive y reemplazarlos por corriente directa, lo cual convierte el campo magnético giratorio del motor en un campo estacionario. Este método puede detener muy rápidamente el motor pero ya que la energía motriz es convertida en calor por el motor, éste y el drive deben ser capaces de disiparlo.
• Compuesto: Esta método consiste en una combinación de desaceleración controlada  e inyección de corriente. Primero se hace una rampa controlada de desaceleración y al alcanzar cierta velocidad, el drive inyecta corriente directa al motor para terminar de detenerlo.  

Métodos de operación de los variadores

Control Volts/Hertz, Es el modo más simple de control de un variador. Usando un motor de 460V, 60 Hz como ejemplo, la velocidad del motor es controlada variando la amplitud y la frecuencia del voltaje aplicado al motor mientras se mantiene constante la relación de voltaje/frecuencia de 0 a 60 Hz. Aunque este modo de operación es una buena opción para un amplio rango de aplicaciones, no es una buena opción cuando se requiere un control preciso del torque a bajas velocidades, un control preciso de velocidad o un alto desempeño dinámico.

Control de flujo: La corriente del estator de un motor es la suma vectorial de la corriente activa y de la corriente de magnetización. La corriente reactiva produce el campo magnético giratorio y la corriente activa produce trabajo. En este modo de operación el drive  estima mediante un algoritmo computarizado el flujo magnético del motor en base a los datos de placa introducidos y la corriente reactiva medida. La regulación de velocidad y de torque de este modo de operación es muy superior al obtenido mediante la operación Volts/Hertz.

Control vectorial: Cuando una aplicación demanda de un control de velocidad altamente preciso, una alta respuesta dinámica, o regulación de velocidad independiente de la carga, se utiliza el control vectorial. Existen dos formas de control vectorial, el control vectorial de lazo cerrado (VC) y el control vectorial sin sensor (SVC), el control vectorial de lazo cerrado utiliza un sensor (típicamente un encoder) para medir la velocidad del motor y es el modo que tiene el control de velocidad más preciso además de que el drive es capaz de producir torque pleno a velocidad cero. El control vectorial sin sensor modela matemáticamente el motor en base a un algoritmo y su desventaja radica en la operación a bajas velocidades donde el comportamiento del motor puede ser errático. 

Configuración de un VFD

Para configurar un variador, por lo general se requieren los siguientes datos de placa del motor:

• Voltaje nominal
• Corriente nominal
• Frecuencia nominal
• Velocidad nominal

Además se requiere establecer:

• El tiempo de aceleración
• El tiempo de desaceleración
• La velocidad máxima de operación
• La velocidad mínima de operación

La mayoría de los variadores están protegidos contra los siguientes problemas:

• Bajo voltaje de alimentación
• Alto voltaje de alimentación
• Pérdida de fase de alimentación
• Sobrecarga
• Sobre-velocidad
• Pérdida de fase del motor
• Corto circuito del motor
• Falla a tierra

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