¿Qué es el variador de frecuencia (VFD) y cómo funcionan los VFD?

Es importante saber cómo funcionan los VFD o los variadores de frecuencia (VFD) porque se usan ampliamente en aplicaciones de motores de CA como el variador de frecuencia para el control del motor debido a sus características muy variables.

En comparación con los accionamientos de motor convencionales, el VFD tiene una funcionalidad y capacidades operativas superiores. Además del control de velocidad ajustable, los variadores de frecuencia ofrecen protecciones como fase, subtensión y sobretensión. Las opciones de software e interfaz de los VFD permiten al usuario controlar los motores a los niveles deseados.

¿Qué es un variador de frecuencia (VFD)?

La velocidad del motor de CA se controla de dos maneras: controlando el voltaje o la frecuencia. El control de frecuencia brinda un mejor control debido a la densidad de flujo constante que el control de voltaje. Aquí es donde entra en juego el funcionamiento de los VFD. Es un dispositivo de conversión de energía que convierte el voltaje fijo, la frecuencia fija de la energía de entrada en voltaje variable, salida de frecuencia variable para controlar motores de inducción de CA.

Consta de dispositivos electrónicos de potencia (como IGBT, MOSFET), unidad de control central de alta velocidad (como microprocesador, DSP) y dispositivos de detección opcionales según la aplicación utilizada.

La mayoría de las aplicaciones industriales requieren velocidades variables en condiciones de carga máxima y velocidades constantes en condiciones normales de funcionamiento. La operación de circuito cerrado de los VFD mantiene constante la velocidad del motor, incluso bajo perturbaciones de entrada y carga.

Funcionamiento de VFD

Las dos características principales del variador de frecuencia son las velocidades ajustables y las capacidades de arranque/parada suaves. Estas dos características hacen de los VFD un potente controlador para controlar motores de CA. VFD consta principalmente de cuatro secciones; estos son el rectificador, el enlace de CC intermedio, el inversor y el circuito de control.

Rectificador:

Esta es la primera etapa de un convertidor de frecuencia. Convierte la corriente alterna suministrada por la red en corriente continua. Esta sección puede ser unidireccional o bidireccional según la aplicación utilizada, como la operación de cuatro cuadrantes del motor. Utiliza diodos, SCR, transistores y otros dispositivos electrónicos de conmutación.

Si usa diodos, la potencia de CC convertida es una salida no controlada cuando se usa SCR, la potencia de salida de CC se cambia mediante el control de puerta. Se requiere un mínimo de seis diodos para la conversión trifásica, por lo que el rectificador se considera un convertidor de seis pulsos.

autobús de CC:

La alimentación de CC de la sección del rectificador se enruta al enlace de CC. Esta sección consta de condensadores e inductores para suavizar las ondas y almacenar corriente continua. La función principal del enlace de CC es recibir, almacenar y suministrar corriente continua.

Inversor:

Esta sección incluye interruptores electrónicos como transistores, tiristores, IGBT, etc. Recibe corriente continua del enlace de CC y la convierte en corriente alterna que se suministra al motor. Utiliza técnicas de modulación como la modulación de ancho de pulso para variar la frecuencia de salida para controlar la velocidad del motor de inducción.

Circuito de control:

Consiste en una unidad de microprocesador y realiza varias funciones, como control, configuración de parámetros del variador, condiciones de falla e interfaz de protocolos de comunicación. Recibe una señal de retroalimentación del motor como referencia de velocidad actual y, en consecuencia, regula la relación voltaje/frecuencia para controlar la velocidad del motor.

Aplicación de implementación de VFD

VFD también puede implementarse mediante el circuito del microcontrolador que se proporciona a continuación. Similar al VFD, también consta de una sección de rectificador, filtrado y luego una sección de inversor. Aquí, la sección del inversor recibe los pulsos de encendido del microcontrolador programado para dar un voltaje y una frecuencia variables a la carga. Este proyecto se denomina convertidor monofásico a trifásico que utiliza SVPWM para controlar el voltaje y la frecuencia de CA en la carga.

Aplicación de VFD

La aplicación de VFD es el control de velocidad del motor de CA mediante cicloconvertidores.

La alimentación de la red se enruta al circuito rectificador que convierte la CA fija en CC fija. Los convertidores de tres patas constan de dos diodos conectados en paralelo para cada fase, de modo que uno de los diodos conduce cuando la fase particular es comparativamente más positiva o negativa.

El voltaje de CC pulsante generado por el rectificador se aplica al circuito de enlace de CC. Este circuito intermedio incluye inductores y condensadores. Filtra la CC pulsante al reducir el contenido de ondulación y le da a la potencia de CC un nivel constante.

Para proporcionar voltaje y frecuencia variables al motor, el inversor debe convertir la potencia de CC del enlace de CC en CA variable. El inversor consta de IGBT como dispositivos de conmutación controlados por la técnica PWM.

Similar al circuito rectificador, los interruptores inversores también pertenecen a dos grupos, positivo y negativo. El IGBT del lado positivo es responsable del pulso positivo y el IGBT del lado negativo del pulso negativo en la salida del inversor. Así, la salida obtenida es una corriente alterna que se aplica al motor.

La variación del período de conmutación regula simultáneamente la tensión y la frecuencia en el inversor. El variador de frecuencia moderno utiliza las últimas técnicas de control, como el control escalar, vectorial y de par directo, para controlar los interruptores del inversor y lograr la potencia variable.

La figura anterior muestra cómo un convertidor de frecuencia cambia el voltaje y la frecuencia. Por ejemplo, se aplica una fuente de alimentación de CA de 480 V y 60 Hz al VFD que varía el voltaje y la frecuencia de la señal para controlar la velocidad.

A medida que la frecuencia disminuye, la velocidad del motor también disminuye. En la figura anterior, la potencia promedio aplicada al motor disminuye mientras disminuye tanto el voltaje como la frecuencia, siempre que la relación de estos dos parámetros sea constante.

Ventajas de VFD

Los variadores de frecuencia no solo brindan velocidades ajustables para aplicaciones de control exactas y precisas, sino que también tienen más ventajas en el control de procesos y la conservación de energía. Algunos de ellos se dan a continuación.

Ahorro de energía

Más del 65% de la energía es consumida por motores eléctricos en las industrias. La técnica de control de amplitud y frecuencia para variar la velocidad consume menos energía cuando el motor requiere velocidad variable. Por lo tanto, estos VFD conservan una gran cantidad de energía.

Control de bucle cerrado

El VFD permite un posicionamiento preciso de la velocidad del motor mediante la comparación continua con la velocidad de referencia, incluso en condiciones de carga cambiantes y perturbaciones de entrada, como fluctuaciones de voltaje.

• Limita la corriente de arranque

El motor de inducción consume una corriente que es de 6 a 8 veces la corriente nominal en el arranque. En comparación con los arrancadores convencionales, Los VFD dan mejores resultados porque entregan una baja frecuencia en el arranque. Debido a la baja frecuencia, el motor consume menos corriente y esta corriente nunca supera su valor nominal tanto durante el arranque como durante el funcionamiento.

• Funcionamiento suave

Proporciona operaciones de arranque y parada suaves y también reduce el estrés térmico y mecánico en los motores y las transmisiones 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 dispositivos adicionales de corrección del factor de potencia.

El factor de potencia del motor asíncrono es muy bajo para una aplicación particularmente sin carga, mientras que a plena carga es de 0,88 a 0,9. El bajo factor de potencia conduce a una mala utilización de la energía debido a las altas pérdidas reactivas.

Fácil instalación

Los VFD preprogramados y cableados de fábrica brindan una forma sencilla de conexión y mantenimiento.

Espero que haya recibido un conocimiento preciso y profundo sobre cómo funcionan los VFD en nuestro artículo. Gracias por dedicar su valioso tiempo. Tenemos una tarea simple para usted: ¿Cuáles son los diferentes tipos de VFD? Por favor, dé sus respuestas en la sección de comentarios a continuación. Si tiene alguna pregunta sobre este tema o sobre proyectos eléctricos y electrónicos También puede compartir sus opiniones y sugerencias con respecto a este artículo en la sección de comentarios a continuación.

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