Entendiendo a los variadores de frecuencia
Los variadores de frecuencia constan de cuatro secciones principales: un rectificador de corriente directa (CC), un bus de CC, un inversor y un microprocesador. Energía trifásica o monofásica a partir de una fuente de corriente alterna a 60 Hz (AC) se alimenta a la entrada de la unidad. Un convertidor (o rectificador) de CA a CC convierte la corriente alterna en corriente directa; típicamente, se utiliza un rectificador de seis diodos para hacer esta conversión. Después de que esta energía se convierte, se almacena en el bus de CC. El bus de CC consta de condensadores, que mantienen el factor de potencia de la unidad cerca de uno y eliminan la necesidad de condensadores externos en los motores con bajo factor de potencia, según lo especificado por la Compañía de Energía Eléctrica.
El bus de CC se utiliza para regular o mantener una tensión continua constante y alimentar a la sección del inversor de la unidad. El inversor utiliza las capacidades de conmutación de los transistores bipolares de compuerta aislada (IGBT) para convertir la tensión de CC en impulsos, simulando una onda senoidal de CA. La frecuencia de salida y la tensión del motor se ajusta variando la duración de cada pulso del transistor IGBT; aquí es de donde el término Modulación de Anchura de Pulso (PWM Pulse Width Modulation) proviene.
Por último, el microprocesador (no mostrado en la figura 4) interpreta los comandos del usuario a través de un teclado, de terminales de entrada / salida, o protocolos de comunicación y regula la modulación de los IGBT. Un diagrama simplista de un variador de frecuencia de CA se muestra en la figura 4.
Figura 4. Configuración básica de un variador de frecuencia
Control de velocidad y par
Los variadores de frecuencia permiten a los usuarios ajustar la velocidad de los motores sin medios mecánicos adicionales. También proporcionan un par constante, manteniendo una velocidad constante - incluso cuando la carga cambia. Una escalera eléctrica es un buen ejemplo de esta característica. Las escaleras eléctricas mantienen una velocidad constante; no importando si es una persona o veinte personas las que están subiendoal mismo tiempo. Los Variadores de Frecuencia pueden supervisar la carga y ajustarla dinámicamente para mantener la velocidad. La funcionalidad deun controlador lógico programable también se incorpora en algunas unidades. Entradas y salidas digitales y analógicas son comunes en la mayoría delas plataformas de variadores de frecuencia. Esto permite que la lógica de control pueda añadirse en el funcionamiento de la unidad. Por ejemplo, las unidades pueden cambiar la velocidad del motor en base a los cambios predeterminados de los trabajadores en sus entornos operativos.
Menos estrés mecánico y menor consumo de corrienteLas unidades también ayudan a reducir los esfuerzos mecánicos y eléctricos en la infraestructura de las instalaciones. El arranque a plena carga puede crear gran torsión instantánea, fricción, y esfuerzos de tensión en los ejes del motor, las bandas y los acopladores. El esfuerzo instantáneo y repetitivo puede provocar el fallo prematuro de estos dispositivos. Además, se puede consumir una cantidad excesiva de corriente, hasta 13 veces más amperios del motor a plena carga (FLA), dependiendo del tipo NEMA del motor utilizado.
Los motores de inducción NEMA típicos estilo-B de jaula de ardilla consumirán hasta seis o siete veces la corriente del motor a plena carga. La irrupción de corriente en las cargas más grandes puede agotar la capacidad eléctrica de una instalación y crear numerosos problemas, incluyendo disrupción del contactor, caídas de luz y la interrupción de las redes de tecnología de la información. Adicionalmente, algunas compañías eléctricas cobran la energía basadas en el uso de la demanda pico. Las grandes corrientes de entrada o varios motores arrancando al mismo tiempo pueden superar fácilmente la capacidad de una instalación y dar lugar a excesivas cargas de demanda pico. Además, la mayoría de las unidades operan en la pendiente lineal de la curva de par / velocidad de un motor, haciendo coincidir la frecuencia eléctrica y mecánica del motor. Esto produce más par por amperio que un arrancador conectado directo a la línea, maximizando así la energía que se utiliza.
Una exploración de una típica curva de par-contra-velocidad (figura 5) para un motor NEMA B ayuda a ilustrar esto. Idealmente, el motor opera en la porción lineal de la curva de par-contra-velocidad. Esto apoya el par y la eficiencia nominal. Sin embargo, cuando se utiliza un freno mecánico, el rendimiento del motor se mueve hacia la izquierda, fuera de esta alta eficiencia, región lineal-sobre el par de joroba y en la región no lineal máxima. Aquí es donde el motor consume más amperios para el par de torsión que produce, y la eficiencia se reduce significativamente.
Los Variadores de frecuencia ajustables desplazan la curva de par-velocidad, de manera que el motor funciona en la porción lineal de la curva. La Figura 6 representa cómo la unidad reduce la frecuencia y mueve la curva de par-velocidad de la izquierda, de modo que el motor funciona constantemente en el máximo de eficiencia posible.
Figura 5. Curva típica torque-versus-velocidad para un motor NEMA B
Figura 6. Curva de desplazamiento de torque-versus-velocidad a medida que se reduce la frequencia
Ahorro de energía
Optimización de los sistemas de transportadores
Cuando se utilizan variadores de frecuencia en sistemas de transportadores, las unidades evitan la necesidad de engranajes y embragues, que también permiten múltiples velocidades dentro de los sistemas de transporte. Eliminando engranajes y embragues aumenta la eficiencia y disminuye los componentes mecánicos, reduciendo los tiempos de mantenimiento y paro. Además, si se combina con sensores, las unidades son ideales para aplicaciones de espaciamiento en transportadores. Ellos pueden controlar muy rápidamente y con precisión las velocidades de los transportadores.
Mejora de la eficiencia en aplicaciones de bombeo
Una planta cuenta con un motor de 100 caballos de fuerza funcionando 15 horas al día con una válvula de estrangulación (de tres horas a 100 por ciento, tres horas a 80 por ciento, y nueve horas a 50 por ciento de la velocidad). Si la unidad de control de la válvula y la válvula se reemplazan con un variador de frecuencia para que coincida con la velocidad requerida, se obtiene en teoría un ahorro de energía significativo.
Este tipo de ahorro se puede entender mejor mediante la revisión de las leyes de afinidad (figura 7). Entonces podemos calcular los requisitos de carga teóricas y los ahorros potenciales de energía. La primera curva muestra que el flujo varía linealmente con la velocidad. Al reducir la velocidad al 50 por ciento, el flujo disminuye al 50 por ciento. La segunda curva muestra que la presión varía con el cuadrado de la velocidad. Si vamos a 50 por ciento de la velocidad, vamos a tener el 50 por ciento del flujo de la primera curva, pero la presión será sólo el 25 por ciento de la segunda curva. La tercera curva muestra la potencia requerida para un flujo particular. Vemos que la energía varía como el cubo de la velocidad. Una vez más si ponemos la velocidad al 50 por ciento, tenemos el flujo de 50 por ciento al 25 por ciento de la presión, pero a sólo el 12,5 por ciento de potencia. Es aquí donde entra en juego el potencial ahorro energético. Estas curvas aplican solamente en aplicaciones de ventilación donde no hay presión estática. También existe un importante ahorro con bombas, sin embargo, las curvas son ligeramente diferentes debido a la presencia de presión estática.
Figura 7. Las leyes de afinidad
La figura 8 muestra los ahorros potenciales de energía en una aplicación de ventilador. Si un dispositivo de estrangulamiento se utiliza para controlar el flujo, la energía utilizada puede ser descrita por la curva superior de la figura. Si se utiliza un variador de frecuencia, la curva inferior describe la energía utilizada. La diferencia es el ahorro de energía. La figura muestra que el máximo ahorro de energía se produce cuando el operador necesita reducir la velocidad de flujo del sistema.
Figure 8. Ahorro de energía usando un variador de frecuencia en lugar de una válvula de estrangulamiento