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VARIADOR DE VELOCIDAD

Un variador de frecuencia (siglas VFD, del ingls: Variable Frequency Drive o bien AFD Adjustable Frequency Drive) es un sistema para el control de la velocidad rotacional de un motor de corriente alterna (AC) por medio del control de la frecuencia de alimentacin suministrada al motor. Un variador de frecuencia es un caso especial de un variador de velocidad. Los variadores de frec. son tambin conocidos como drivers de frecuencia ajustable (AFD), drivers de CA, microdrivers o inversores. Dado que el voltaje es variado a la vez que la frecuencia, a veces son llamados drivers VVVF (variador de voltaje variador de frecuencia).

Principio de funcionamiento

Los dispositivos variadores de frecuencia operan bajo el principio de que la velocidad sncrona de un motor de corriente alterna (CA) est determinada por la frecuencia de CA suministrada y el nmero de polos en el esttor, de acuerdo con la relacin:

Donde

RPM = Revoluciones por minuto

f = frecuencia de suministro CA (Hercio)

p = Nmero de polos (adimensional)

Las cantidades de polos ms frecuentemente utilizadas en motores sncronos o en Motor asncrono son 2, 4, 6 y 8 polos que, siguiendo la ecuacin citada, resultaran en 3000 RPM, 1500 RPM, 1000 RPM y 750 RPM respectivamente para motores sincrnicos nicamente y a la frecuencia de 50 Hz. Dependiendo de la ubicacin geogrfica funciona en 50Hz o 60Hz.

Descripcin del VFD

Un sistema de variador de frecuencia (VFD) consiste generalmente en un motor de CA, un controlador y una interfaz operadora.

Relacin par-velocidad para un variador de velocidad

Diagrama de Variador de frecuencia con Modulacin de Ancho de Pulso (PWM).

Teora de funcionamiento

Las caractersticas del motor CA requieren la variacin proporcional del voltaje cada vez que la frecuencia es variada. Por ejemplo, si un motor est diseado para trabajar a 460 voltios a 60 Hz, el voltaje aplicado debe reducirse a 230 volts cuando la frecuencia es reducida a 30 Hz. As la relacin voltios/hertzios deben ser regulados en un valor constante (460/60 = 7.67 V/Hz en este caso). Para un funcionamiento ptimo, otros ajustes de voltaje son necesarios, pero nominalmente la constante es V/Hz es la regla general. El mtodo ms novedoso y extendido en nuevas aplicaciones es el control de voltaje por PWM.

Como la frecuencia de alimentacin que entregan las Compaas de electricidad es constante, la velocidad de los motores asincrnicos es constante, salvo que se vare el nmero de polos, el resbalamiento o la frecuencia.

El mtodo ms eficiente de controlar la velocidad de un motor elctrico es por medio de un variador electrnico de frecuencia. No se requieren motores especiales, son mucho ms eficientes y tienen precios cada vez ms competitivos.

El variador de frecuencia regula la frecuencia del voltaje aplicado al motor, logrando modificar su velocidad. Sin embargo, simultneamente con el cambio de frecuencia, debe variarse el voltaje aplicado al motor para evitar la saturacin del flujo magntico con una elevacin de la corriente que daara el motor.

Como est compuesto un variador de frecuencia ?

Los variadores de frecuencia estn compuestos por :

Etapa Rectificadora. Convierte la tensin alterna en continua mediante rectificadores de diodos, tiristores, etc.

Etapa intermedia. Filtro para suavizar la tensin rectificada y reducir la emisin de armnicos.

Inversor o "Inverter". Convierte la tensin continua en otra de tensin y frecuencia variable mediante la generacin de pulsos. Actualmente se emplean IGBTs (Isolated Gate Bipolar Transistors) para generar los pulsos controlados de tensin. Los equipos ms modernos utilizan IGBTs inteligentes que incorporan un microprocesador con todas las protecciones por sobre corriente, sobre tensin, baja tensin, cortocircuitos, puesta a masa del motor, sobre temperaturas, etc.

Etapa de control. Esta etapa controla los IGBT para generar los pulsos variables de tensin y frecuencia. Y adems controla los parmetros externos en general, etc.

Los variadores mas utilizados utilizan modulacin PWM (Modulacin de Ancho de Pulsos) y usan en la etapa rectificadora puente de diodos rectificadores. En la etapa intermedia se usan condensadores y bobinas para disminuir las armnicas y mejorar el factor de potencia. Los fabricante que utilizan bobinas en la lnea en lugar del circuito intermedio, pero tienen la desventaja de ocupar ms espacio y disminuir la eficiencia del variador.

El Inversor o Inverter convierte la tensin continua de la etapa intermedia en una tensin de frecuencia y tensin variables. Los IGBT envan pulsos de duracin variable y se obtiene una corriente casi senoidal en el motor.

La frecuencia portadora de los IGBT se encuentra entre 2 a 16kHz. Una portadora con alta frecuencia reduce el ruido acstico del motor pero disminuye el rendimiento del motor y la longitud permisible del cable hacia el motor. Por otra parte, los IGBTs generan mayor calor.

Las seales de control para arranque, parada y variacin de velocidad (potencimetro o seales externas de referencia) estn aisladas galvnicamente para evitar daos en sensores o controles y evitar ruidos en la etapa de control.

Los variadores de frecuencia tienen sus principales aplicaciones en los siguientes tipos de mquinas:

Transportadoras. Controlan y sincronizan la velocidad de produccin de acuerdo al tipo de producto que se transporta, para dosificar, para evitar ruidos y golpes en transporte de botellas y envases, para arrancar suavemente y evitar la cada del producto que se transporta, etc.

Bombas y ventiladores centrfugos. Controlan el caudal, uso en sistemas de presin constante y volumen variable. En este caso se obtiene un gran ahorro de energa porque el consumo vara con el cubo de la velocidad, o sea que para la mitad de la velocidad, el consumo es la octava parte de la nominal.

Bombas de desplazamiento positivo. Control de caudal y dosificacin con precisin, controlando la velocidad. Por ejemplo en bombas de tornillo, bombas de engranajes. Para transporte de pulpa de fruta, pasta, concentrados mineros, aditivos qumicos, chocolates, miel, barro, etc.

Ascensores y elevadores. Para arranque y parada suaves manteniendo la cupla del motor constante, y diferentes velocidades para aplicaciones distintas.

Extrusoras. Se obtiene una gran variacin de velocidades y control total de de la cupla del motor.

Centrfugas. Se consigue un arranque suave evitando picos de corriente y velocidades de resonancia.

Prensas mecnicas y balancines. Se consiguen arranques suaves y mediante velocidades bajas en el inicio de la tarea, se evitan los desperdicios de materiales.

Mquinas textiles. Para distintos tipos de materiales, inclusive para telas que no tienen un tejido simtrico se pueden obtener velocidades del tipo random para conseguir telas especiales.

Compresores de aire. Se obtienen arranques suaves con mxima cupla y menor consumo de energa en el arranque.

Pozos petroleros. Se usan para bombas de extraccin con velocidades de acuerdo a las necesidades del pozo.

Otras aplicaciones. Elevadores de cangilones, transportadores helicoidales, continuas de papel, mquinas herramientas, mquinas para soldadura, pantgrafos, mquinas para vidrios, fulones de curtiembres, secaderos de tabaco, clasificadoras de frutas, conformadoras de cables, trefiladoras de caos, laminadoras, mezcladoras, trefiladoras de perfiles de aluminio, cable, etc, trituradoras de minerales, trapiches de caa de azcar, balanceadoras, molinos harineros, hornos giratorios de cemento, hornos de industrias alimenticias, puentes gra, bancos de prueba, secadores industriales, tapadoras de envases, norias para frigorficos, agitadores, cardadoras, dosificadoras, dispersores, reactores, pailas, lavadoras industriales, ilustradoras, molinos rotativos, pulidoras, fresas, bobinadoras y desbobinadoras, arenadoras, separadores, vibradores, cribas, locomotoras, vehculos elctricos, escaleras mecnicas, aire acondicionado, portones automticos, plataformas mviles, tornillos sinfn, vlvulas rotativas, calandras, tejedoras, chipeadoras, extractores, posicionadores, etc