Ultima edición el 16 septiembre, 2021 por JORGE CABRERA BERRÍOS
Es interesante saber que el primer variador de frecuencia de CA (400 HP) basado en WRIM alimentado por cicloconvertidor de thyratron fue instalado en 1932 por FE Alexanderson de General Electric en la central eléctrica Logan de Pacific Gas and Electric Company. Desde entonces, los accionamientos industriales han evolucionado rápidamente gracias al esfuerzo dedicado de muchos científicos e ingenieros de todo el mundo, lo que ha dado como resultado el desarrollo de tecnología de accionamiento avanzada, como el accionamiento de frecuencia variable (VFD).
VFD es un dispositivo basado en electrónica de potencia que convierte una potencia de onda sinusoidal de voltaje fijo de frecuencia fija básica (potencia de línea) en un voltaje de salida variable de frecuencia variable que se utiliza para controlar la velocidad de los motores de inducción . Regula la velocidad de un motor de inducción trifásico controlando la frecuencia y el voltaje de la potencia suministrada al motor.
Dado que el número de polos es constante, la velocidad N s se puede variar cambiando continuamente la frecuencia.
Indice de contenidos
Funcionamiento de la unidad de frecuencia variable
Cualquier variador de frecuencia o VFD incorpora las siguientes tres etapas para controlar un motor de inducción trifásico .
Etapa rectificadora
Un rectificador de estado sólido basado en diodos de potencia de onda completa convierte la energía trifásica de 50 Hz de un suministro de energía estándar de 220, 440 o superior a voltaje de CC fijo o ajustable. El sistema puede incluir transformadores para sistema de alta tensión.
Etapa del inversor
Los interruptores electrónicos de potencia como IGBT , GTO o SCR encienden y apagan la alimentación de CC del rectificador para producir una forma de onda de corriente o voltaje a la nueva frecuencia requerida. Actualmente, la mayoría de los inversores de fuente de voltaje (VSI) utilizan modulación de ancho de pulso (PWM) porque la forma de onda de corriente y voltaje en la salida en este esquema es aproximadamente una onda sinusoidal. Interruptores electrónicos de potencia como IGBT; GTO, etc. conmuta el voltaje de CC a alta velocidad, produciendo una serie de pulsos de ancho corto de amplitud constante. El voltaje de salida se varía variando la ganancia del inversor . La frecuencia de salida se ajusta cambiando el número de pulsos por medio ciclo o variando el período para cada ciclo de tiempo.
La corriente resultante en un motor de inducción simula una onda sinusoidal de la frecuencia de salida deseada. La acción de conmutación de alta velocidad de un inversor PWM da como resultado una menor distorsión de la forma de onda y, por lo tanto, disminuye las pérdidas armónicas.
Sistema de control
Su función es controlar el voltaje de salida, es decir, el vector de voltaje del inversor que se alimenta al motor y mantener una relación constante de voltaje a frecuencia (V / Hz). Consiste en un circuito electrónico que recibe información de retroalimentación del motor accionado y ajusta el voltaje o la frecuencia de salida a los valores deseados. El sistema de control puede basarse en SPWM (PWM de onda sinusoidal), SVPWM (PWM modulado por vector espacial) o algún algoritmo basado en computación suave.
Característica del motor de inducción bajo variador de frecuencia
En un motor de inducción inducido en el estator, E es proporcional al producto de la frecuencia de deslizamiento y el flujo del entrehierro. El voltaje terminal puede considerarse proporcional al producto de la frecuencia de deslizamiento y el flujo , si se desprecia la caída del estator. Cualquier reducción en la frecuencia de suministro sin un cambio en el voltaje del terminal provoca un aumento en el flujo del entrehierro que causará la saturación magnética del motor. También se reduce la capacidad de par del motor. Por lo tanto, mientras controlamos un motor con la ayuda de VFD o variador de frecuencia, siempre mantenemos la relación V / f constante.
Ahora defina la variable ‘K’ como, 
Para un funcionamiento por debajo de K <1, es decir, por debajo de la frecuencia nominal, tenemos un funcionamiento de flujo constante. Para ello mantenemos una corriente de magnetización constante I mpara todos los puntos operativos.
Para K> 1, es decir, por encima de la frecuencia nominal, mantenemos la tensión terminal V nominal constante. En este campo se debilita en la relación inversa de frecuencia por unidad ‘K’.
Para valores de K = 1 tenemos una operación de par constante y por encima de eso tenemos una aplicación de potencia constante.
Ventajas de usar variadores de frecuencia
El ahorro de energía
La función principal de VFD en la industria es proporcionar un control suave junto con ahorros de energía. El sistema de accionamiento del motor de velocidad variable es más eficiente que todos los demás métodos de control de flujo, incluidas válvulas, turbinas, transmisiones hidráulicas, amortiguadores, etc.El ahorro de costos de energía se vuelve más pronunciado en aplicaciones de bombas y ventiladores de ID de par variable, donde el par y la potencia de la carga son directamente proporcional al cuadrado y al cubo de la velocidad, respectivamente.
Mayor confiabilidad
Los sistemas de accionamiento por motor de velocidad ajustable son más confiables que los enfoques mecánicos tradicionales, como el uso de válvulas, engranajes, persianas o turbinas para controlar la velocidad y el flujo. A diferencia del sistema de control mecánico, no tienen partes móviles, por lo que son altamente confiables.
Variaciones de velocidad
Más allá del ahorro de energía, aplicaciones como trituradoras, transportadores y molinos pueden utilizar el motor y los paquetes de VFD para proporcionar variaciones de velocidad óptimas. En algunas aplicaciones cruciales, el rango de velocidad de operación puede ser amplio, lo que no puede proporcionar un motor alimentado con una fuente de energía de frecuencia constante. En el caso de transportadores y molinos, un VFD y un sistema de motor pueden incluso proporcionar una velocidad de «avance lento» para fines de mantenimiento, eliminando la necesidad de accionamientos adicionales.
Arranque suave
Cuando los variadores de frecuencia arrancan motores grandes, se eliminan los inconvenientes asociados con la gran corriente de entrada, es decir, la corriente de arranque (tensión del devanado, sobrecalentamiento del devanado y caída de voltaje en el bus conectado). Esto reduce las posibilidades de daños en el aislamiento o el devanado y prolonga la vida útil del motor.
Mayor vida útil de la máquina y menos mantenimiento
Los VFD reducen en gran medida el desgaste del motor, aumentan la vida útil del equipo y disminuyen los costos de mantenimiento. Debido al control óptimo de voltaje y frecuencia, ofrece una mejor protección al motor contra problemas como sobrecargas electrotérmicas, fallas de fase, sobrevoltaje, bajo voltaje, etc.Cuando arrancamos un motor (en carga) con la ayuda de un VFD, el motor es no está sujeto a «golpes instantáneos», por lo que hay menos desgaste de la correa, el engranaje y el sistema de poleas.
Factor de alta potencia
La potencia convertida en rotación, calor, sonido, etc. se denomina potencia activa y se mide en kilovatios (kW). La energía que carga genera campos magnéticos o carga un capacitor se llama potencia reactiva y se mide en kVAR. La suma vectorial de kW y kVAR es la potencia aparente y se mide en KVA. El factor de potencia es la relación kW / KVA. Los motores de CA típicos pueden tener un factor de potencia de carga completa que varía de 0,7 a 0,8. A medida que se reduce la carga del motor, el factor de potencia se vuelve bajo. La ventaja de utilizar VFD es que incluye condensadores en el bus de CC, lo que mantiene un factor de potencia alto en el lado de la línea del variador de frecuencia. Esto elimina la necesidad de costosos bancos de capacitores adicionales .
Recuperación de poder de deslizamiento
La potencia fundamental dada al rotor por el estator se llama potencia de entrehierro P g . La potencia mecánica desarrollada viene dada por 
El término ‘sP’ se llama potencia de deslizamiento. 
Si el deslizamiento es muy grande, es decir, la velocidad es baja, entonces hay un gran desperdicio de energía, un ejemplo común son los accionamientos de los hornos de la industria del cemento. Esta energía se puede ahorrar mediante el esquema de recuperación de resbalones. En este esquema, el poder de deslizamiento se recolecta primero a través de cepillos de WRIM. Esta potencia de deslizamiento recuperada luego se rectifica y se invierte a la frecuencia de línea y se inyecta en el suministro a través del transformador de acoplamiento. El esquema se muestra en la figura siguiente.
Aplicaciones de la unidad de frecuencia variable
- Se utilizan principalmente en industrias para motores de inducción grandes (que se ocupan de carga variable) cuya potencia nominal varía de unos pocos kW a unos pocos MW.
- La unidad de frecuencia variable se utiliza en el sistema de tracción. En India, está siendo utilizado por Delhi Metro Rail Corporation.
- También se utilizan en ascensores, escaleras mecánicas y sistemas de bombeo modernos.
- Hoy en día también se utilizan en refrigeradores energéticamente eficientes, aire acondicionado y economizadores de aire exterior.
