15 datos esenciales sobre variadores de frecuencia (VFD) para ingenieros eléctricos
1. ¿Qué es un convertidor de frecuencia?
Un convertidor de frecuencia es un dispositivo de control que utiliza la acción de conmutación de dispositivos semiconductores de potencia para convertir la energía de frecuencia industrial en energía eléctrica de otra frecuencia. Puede realizar funciones como el arranque suave de motores asíncronos de CA, la regulación de velocidad de frecuencia variable, una mayor precisión de operación, la modificación del factor de potencia y la protección contra sobrecorriente, sobretensión y sobrecarga.
2. Diferencias entre PWM y PAM
PWM significa Modulación por Ancho de Pulso, un método de modulación que ajusta la cantidad y la forma de onda de salida modificando el ancho de pulso de un tren de pulsos según una regla específica. PAM significa Modulación por Amplitud de Pulso, un método de modulación que ajusta el valor de salida y la forma de onda modificando la amplitud de pulso de un tren de pulsos según una regla específica.
3. ¿Por qué el voltaje de un convertidor de frecuencia cambia proporcionalmente a la frecuencia?
El par electromagnético de cualquier motor es el resultado de la interacción entre la corriente y el flujo magnético. La corriente no debe superar el valor nominal; de lo contrario, el motor se sobrecalentará. Por lo tanto, si el flujo magnético disminuye, el par electromagnético también disminuirá, lo que conlleva una reducción de la capacidad de carga.
De la fórmula E=4,44*K*F*N*Φ, se observa que, durante el control de velocidad de frecuencia variable, el circuito magnético del motor varía dentro de un rango considerable con la frecuencia de operación fX. Esto puede causar fácilmente una saturación severa del circuito magnético del motor, lo que resulta en una distorsión importante de la forma de onda de la corriente de excitación y la generación de picos de corriente muy altos.
Por lo tanto, la frecuencia y el voltaje deben ajustarse proporcionalmente. Es decir, al cambiar la frecuencia, se controla el voltaje de salida del convertidor de frecuencia para mantener constante el flujo magnético del motor y evitar la aparición de campos magnéticos débiles y saturación magnética. Este método de control se utiliza principalmente en convertidores de frecuencia de bajo consumo para ventiladores y bombas.
4. ¿Cómo cambia el par del motor cuando V y f se modifican proporcionalmente?
Al disminuir la frecuencia, la tensión se reduce proporcionalmente. Dado que la impedancia de CA disminuye mientras que la resistencia de CC permanece constante, el par producido a bajas velocidades tiende a disminuir. Por lo tanto, a bajas frecuencias, dada una relación V/f, es necesario aumentar ligeramente la tensión de salida para obtener un par de arranque determinado. Esta compensación se denomina arranque mejorado. Se pueden utilizar diversos métodos, como los automáticos, la selección del modo V/f o el ajuste del potenciómetro.
5. El manual indica un rango de velocidad de 60 a 6 Hz (10:1). ¿Significa esto que no hay potencia de salida por debajo de 6 Hz?
Aún se puede generar potencia por debajo de 6 Hz, pero, debido a factores como el aumento de temperatura del motor y el par de arranque, la frecuencia mínima de funcionamiento ronda los 6 Hz. A esta frecuencia, el motor puede generar el par nominal sin causar problemas graves de sobrecalentamiento. La frecuencia de salida real (frecuencia de arranque) del inversor oscila entre 0,5 y 3 Hz, según el modelo.
6. ¿Qué significa "bucle abierto"?
Un sistema de control de lazo cerrado utiliza un detector de velocidad (PG) para realimentar la velocidad real a la unidad de control. Un sistema que funciona sin PG se denomina sistema de lazo abierto. La mayoría de los convertidores de frecuencia de propósito general son de lazo abierto, aunque algunos modelos ofrecen realimentación de PG como opción. El control de lazo cerrado sin sensores calcula la velocidad real del motor basándose en un modelo matemático y el flujo magnético, utilizando esencialmente un sensor de velocidad virtual para crear un control de lazo cerrado.
7. ¿Qué pasa si la velocidad real se desvía de la velocidad dada?
En funcionamiento en lazo abierto, incluso si el inversor genera una frecuencia determinada, la velocidad del motor variará dentro del rango de deslizamiento nominal (1%–5%) cuando el motor esté bajo carga. Para aplicaciones que requieren alta precisión en el control de velocidad, donde la operación debe ser cercana a la velocidad dada incluso con variaciones de carga, se puede utilizar un inversor con función de retroalimentación PG (opcional).
8. Si se utiliza un motor con PG, ¿mejorará la precisión de la velocidad después de la retroalimentación?
Los inversores con función de retroalimentación PG mejoran la precisión. Sin embargo, la precisión de la velocidad depende de la precisión del propio PG y de la resolución de la frecuencia de salida del inversor.
9. ¿Qué significa la función de prevención de pérdida de sustentación?
Si el tiempo de aceleración es demasiado corto, el cambio en la frecuencia de salida del inversor superará con creces el cambio en la velocidad (frecuencia angular eléctrica), lo que provocará que el inversor se dispare por sobrecorriente y detenga su funcionamiento. Esto se denomina pérdida de velocidad. Para evitar la pérdida de velocidad y permitir que el motor siga funcionando, es necesario detectar la magnitud de la corriente para el control de frecuencia. Cuando la corriente de aceleración es demasiado grande, se debe reducir la velocidad de aceleración adecuadamente. Lo mismo ocurre durante la desaceleración. La combinación de ambos factores constituye la función de pérdida de velocidad.
10. ¿Cuál es la importancia de los modelos en los que los tiempos de aceleración y desaceleración se pueden configurar por separado y de los modelos en los que los tiempos de aceleración y desaceleración se pueden configurar juntos?
Los modelos con aceleración y desaceleración configurables por separado son adecuados para aplicaciones que requieren aceleración de corta duración y desaceleración lenta, o para máquinas herramienta pequeñas con tiempos de ciclo de producción estrictos. Sin embargo, para aplicaciones como los accionamientos de ventiladores, donde los tiempos de aceleración y desaceleración son más largos, ambos pueden configurarse conjuntamente.
11. ¿Qué funciones de protección tiene un convertidor de frecuencia?
Las funciones de protección se pueden dividir en las dos categorías siguientes:
(1) Corrección automática de condiciones anormales, como la prevención de pérdida de control por sobrecorriente y la prevención de pérdida de control por sobretensión regenerativa.
(2) Bloqueo de la señal de control PWM del dispositivo semiconductor de potencia tras detectar una anomalía, lo que provoca la parada automática del motor. Por ejemplo, corte por sobrecorriente, corte por sobretensión regenerativa, sobrecalentamiento del ventilador de refrigeración del semiconductor y protección contra cortes de energía instantáneos.
12. ¿Por qué se activan las funciones de protección del convertidor de frecuencia cuando la carga se conecta mediante un embrague?
Al utilizar un embrague para conectar una carga, en el momento de la conexión, el motor cambia drásticamente de un estado sin carga a una región con alto deslizamiento. La elevada corriente que circula por él provoca la desconexión del inversor por sobrecorriente y su inoperatividad.
13. ¿Por qué el inversor deja de funcionar cuando motores grandes de la misma fábrica arrancan juntos?
Cuando un motor arranca, fluye una corriente de arranque correspondiente a su capacidad. Esto provoca una caída de tensión en el transformador del lado del estator del motor. Esta caída de tensión tiene un mayor impacto cuanto mayor sea la capacidad del motor. Los inversores conectados al mismo transformador detectarán subtensión o parada momentánea, lo que a veces activa la función de protección (IPE) y provoca la parada del motor.
14. ¿Es posible conectar directamente un motor a un inversor de frecuencia fija sin utilizar arranque suave?
Es posible a frecuencias muy bajas. Sin embargo, si la frecuencia dada es alta, las condiciones son similares a arrancar directamente desde una fuente de alimentación de frecuencia de red. Fluirá una corriente de arranque elevada (entre 6 y 7 veces la corriente nominal) y, como el inversor corta la sobrecorriente, el motor no puede arrancar.
15. ¿Se puede usar un convertidor de frecuencia para accionar un motor monofásico? ¿Puede usar una fuente de alimentación monofásica?
Generalmente no. En motores monofásicos con arranque por interruptor y controlador de velocidad, el devanado auxiliar se quemará al operar por debajo del punto de operación; en motores con arranque o funcionamiento por condensador, provocará la explosión del condensador. Los convertidores de frecuencia suelen ser trifásicos, pero algunos modelos de pequeña capacidad pueden funcionar con una fuente de alimentación monofásica.
