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Los variadores de frecuencia, también conocidos como VFD, son controladores asequibles y confiables con la capacidad de ajustar la velocidad de los motores de inducción para un rendimiento óptimo. Los VFD se están convirtiendo en equipos estándar para alimentar motores pequeños y grandes en ventiladores, bombas, compresores, taladros y muchas otras aplicaciones. A diferencia de los controladores de velocidad fija, que encienden instantáneamente un motor a la velocidad máxima, los VFD pueden arrancar suavemente un motor aumentando gradualmente la velocidad hasta el nivel deseado. Los arranques suaves eliminan los altos pares de arranque y las sobrecorrientes, reducen las tensiones mecánicas y aumentan la vida útil y la confiabilidad del equipo. Además, debido a que el par y la potencia de las cargas varían con el cuadrado y el cubo de la velocidad respectivamente, ajustar la velocidad del motor incluso en una pequeña cantidad puede ahorrar una cantidad considerable de energía. Este video demostrará la configuración de un variador de frecuencia y su uso en el control de un motor de inducción de CA trifásico.
Un motor de inducción de CA tiene solo dos partes principales, el estator y el rotor, y lo más común es que utilice alimentación de CA trifásica. La corriente trifásica a través de las bobinas del estator genera un campo magnético del estator, que gira con una velocidad angular proporcional a la frecuencia de CA. Este campo magnético del estator hace girar el rotor. Como resultado, la velocidad del motor es proporcional a la frecuencia de potencia de entrada. Para obtener más información sobre el funcionamiento del motor de inducción, vea el video de Educación Científica de JoVE: Motores de inducción de CA. Si el motor está conectado directamente a la red eléctrica trifásica, funciona a una velocidad fija que está determinada por la frecuencia de línea constante de 60 hercios. Para ajustar la velocidad, un variador de frecuencia, o VFD, debe proporcionar la energía. Los variadores de frecuencia ajustan la velocidad del motor configurando la frecuencia y el voltaje de salida. Primero, un rectificador convierte la entrada de CA de 60 hercios en alimentación de CC. Luego, un inversor de CC a CA utiliza modulación de ancho de pulso para encender y apagar esta alimentación de CC en un patrón particular. Finalmente, un filtro de paso bajo transforma el flujo de pulso en una forma de onda aproximadamente sinusoidal y genera potencia de salida de CA a la frecuencia elegida, que gobierna la velocidad del motor. Es necesaria una forma de onda sinusoidal porque la mayoría de los motores de inducción están diseñados para utilizar la energía de la red de CA. Los motores monofásicos utilizan VFD con rectificadores e inversores monofásicos, y los motores trifásicos utilizan VFD con rectificadores trifásicos e inversores. Para obtener más información sobre rectificadores e inversores, vea los videos de JoVE Science Education: Rectificadores monofásicos e inversores monofásicos. Los VFD avanzados utilizaban control de circuito cerrado, o vectorial, para una buena regulación de la velocidad o el par. Un microprocesador recibe información sobre el campo magnético y el par del motor, y ajusta continuamente la potencia del VFD de acuerdo con un algoritmo de control. Cuando se opera un motor a o por debajo de su voltaje nominal, la mayoría de los VFD utilizan el control de bucle abierto para simplemente emitir una potencia de accionamiento constante sin retroalimentación ni ajustes. Con el control de bucle abierto, los VFD mantienen una relación de voltaje a frecuencia elegida, que es aproximadamente proporcional al campo magnético del estator y, por lo tanto, también proporcional a la velocidad del motor. Por ejemplo, si un motor tiene una potencia nominal de 208 voltios y 60 hercios, entonces la relación voltaje/frecuencia es de aproximadamente 3,5 voltios por hercio. Para reducir la velocidad del motor, el VFD reduce la frecuencia, pero también debe reducir el voltaje para mantener una relación voltaje a frecuencia constante. Por lo tanto, si el VFD impulsa el motor a 30 hercios en lugar de 60 hercios, disminuye el voltaje proporcionalmente a 104 voltios desde 208 voltios, y la relación voltaje-frecuencia sigue siendo de 3,5 voltios por hercio. Cuando se opera un motor por encima de su frecuencia nominal, los VFD generalmente restringen la salida al voltaje nominal. Esta precaución evita exceder los límites de voltaje o corriente del aislamiento y las bobinas. Por ejemplo, el motor con una potencia nominal de 208 voltios y 60 hercios tiene una relación voltaje-frecuencia de 3,5 voltios por hercio. Un VFD que aumenta la velocidad de este motor aumentando la frecuencia a 120 hercios, no aumentaría la salida a 460 voltios como se requiere para una relación de voltaje a frecuencia constante. En cambio, el VFD limitaría su salida a los 208 voltios nominales para evitar daños al motor. Ahora que se han explicado los conceptos básicos de los VFD, examinemos un VFD conectado a un motor de inducción de CA trifásico. En este experimento, el VFD funciona con control de bucle abierto de la velocidad del motor y una relación constante de voltaje a frecuencia.
Con la alimentación trifásica apagada y el Variac configurado al 0%, conecte los terminales del estator de los motores de inducción a la salida del variador VFD. Cuando se ve desde la parte frontal del VFD, los conectores de salida de la unidad están en el lado derecho. Conecte la entrada Variac al receptáculo trifásico del banco. Ajuste la perilla de control del Variac al 75% y encienda la alimentación trifásica. Con esta configuración Variac, el voltaje de línea a línea es de aproximadamente 210 voltios. Ahora la pantalla principal de los VFD debería iluminarse y mostrar F 000. El botón remoto local permite al usuario seleccionar el método de selección de frecuencia. El control local permite el uso del teclado para operar el VFD. Si bien el control remoto requiere comunicaciones analógicas o digitales, presione el botón del control remoto local una vez para poner la unidad en modo local. Establezca los perímetros del VFD en los que se muestran en la tabla. Para ello, ajuste la velocidad del motor utilizando las teclas de flecha para llegar al menú de frecuencias, letra F en la pantalla principal. A continuación, ajuste la frecuencia a 10 hercios. Para medir el voltaje de entrada al motor, seleccione el menú con la pantalla de 0.0v. Para medir la corriente que impulsa el motor, desplácese hacia arriba hasta la pantalla que dice 0.00A. Para medir la frecuencia del VFD, desplácese hasta la pantalla de medición de frecuencia. Presione el botón verde de funcionamiento para arrancar el motor. El variador emite automáticamente el voltaje necesario para mantener una relación voltaje a frecuencia constante, que está preestablecida en 3.47. Desplácese hasta las pantallas de voltaje, corriente y frecuencia, y registre sus valores. Si la unidad se sobrecarga o falla, presione el botón rojo de parada y luego presione el botón de reinicio. Utilice una luz estroboscópica para medir la velocidad de rotación de los motores. Ajuste la perilla de frecuencia de curso hasta que el eje parezca casi estacionario, luego ajuste la perilla de frecuencia fina hasta que el eje parezca inmóvil. Repita este procedimiento para frecuencias de 25, 45, 60 y 70 hercios. Traza la velocidad del motor frente a la frecuencia para obtener un gráfico del comportamiento del motor bajo el control del variador de frecuencia.
Los variadores de frecuencia controlan la velocidad de los motores de inducción de CA y pueden reducir las tensiones mecánicas, aumentar la confiabilidad y disminuir los costos de mantenimiento. Además, los VFD permiten el funcionamiento de los motores a una velocidad óptima para mejorar la eficiencia energética. Debido a estos beneficios, los VFD son útiles en muchas aplicaciones, como ajustar la velocidad de un ventilador. Cuando se incorporan en un sistema de ventilación, los ventiladores de este tipo pueden responder a controles manuales o automáticos que aumentan la velocidad del ventilador y la circulación del aire cuando las temperaturas son altas, o disminuyen la velocidad del ventilador cuando las temperaturas son bajas. Las prensas perforadoras, colocadoras, fresadoras y equipos similares utilizan VFD para controlar sus motores. Los plásticos requieren un mecanizado a baja velocidad para evitar que se carbonicen o derritan, mientras que los metales duros como el acero toleran el mecanizado a alta velocidad para un trabajo más rápido. Con los VFD, los equipos de mecanizado son más versátiles y más capaces de manejar una amplia gama de situaciones.
Acabas de ver la Introducción de JoVE a los variadores de frecuencia para motores de inducción de CA. Ahora debería comprender cómo funcionan los VFD y cómo la frecuencia de potencia de entrada determina la velocidad del motor. ¡Gracias por mirar!
