Variadores de Frecuencia

Tipos de VFD

Probablemente sepamos que los mejores – o por lo menos los más exitosos – Variadores de Frecuencia en la industria son los VFD PWM (Pulse-Width Modulation, Modulacion de Ancho de Pulso) debido a su excelente factor de potencia de entrada, debido a su vez por la tensión del bus DC fijo, sin cogging (moviemiento pulsante durante la rotación) en el motor, mayor eficiencia y menor costo. Pero lo cierto es que éste es tan solo uno de los 3 tipos de VFDs más comunes.

– Los VFD CSI (Current Source Inversion, Inversion de Fuente de Corriente) quizás sean muy conocidos por su capacidad única de regenerar energía que lo separa del resto. Este tipo de VFD es capaz de absorber flujo de energía devuelta del motor hacia la fuente de energía.

Este VFD ha sido exitoso en aplicaciones de energía industrial y procesamiento de señal.

Volviendo a las características del Variador en sí, es capaz de generar una forma de onda de corriente muy limpia, pero – y es esto lo que nos hará pensar dos veces antes de optar por este VFD – su construcción requiere de grandes y costosas cantidades de inductores además de que por debajo de los 6Hz causa cogging.

– Otra opción – podríamos decir incluso menos popular que la anterior – son los Variadores VSI (Volatage Source Invertion, Inversion de Fuente de Voltaje). La razón por la que este variador no es muy usado se basa en el hecho de que causa cogging de motor por debajo de los 6Hz, no es regenerativo y posee un pobre factor de potencia. Es por esto que los variadores CSI y VSI no han terminado siendo muy utilizados.

– Teniendo en cuenta lo mencionado hasta aquí podemos entender el por qué de la popularidad de los Variadores PWM, en cierta forma “han sabido” complementar las ineficiencias de los otros dos.

Situándonos en el funcionamiento de los VFD PWM, los mismos son capaces de simular una onda sinusoide a través del uso de pulsos de voltaje de diferentes longitudes. Esta onda sinusoide es posible debido a que los pulsos (idealmente) son cronometrados de manera que el tiempo integral medio del Variador produzca una sinusoide perfecta.

El método actual para poder conseguir esta onda es el siguiente: una onda triangular y otra sinusoidal son pasadas a través de un comparador, este último emite un pulso de voltaje siempre que el valor de onda sinusoidal es mayor que la onda triangular. El dispositivo encargado de generar el pulso de voltaje – en la actualidad – es el conocido IGBT, Insulated Gate Bipolar Transistor o Transistor Bipolar de Puerta Aislada, aunque los SCRs (Silicon-Controlled Rectifiers) también funcionan.

¿Qué tipos de VFD existen en el mercado?

A continuación veremos los tipos y subtipos de Variadores que podremos encontrar en el mercado:

Los variadores se dividen en dos grandes grupos; estos son los VFD mecánicos y los VFD eléctricos.

Bajo la clasificación de Variadores mecánicos nos encontramos con los siguientes subtipos:

Variador de paso variable: se trata de un cinturón y una polea de accionamiento en el que el diámetro de paso de una o de ambas es ajustable dando lugar a una relación múltiple, y por ende, una velocidad de salida variable.

Variador de Tracción: El diámetro de la trayectoria del contacto de dos rodillos de acoplamiento de metal es ajustable, dando una relación múltiple y, por lo tanto, de nuevo a una velocidad de salida ajustable.

Variadores Hidráulicos Hidrostáticos: Un motor y una bomba de desplazamiento hidráulico positivo en los que la salida de fluido volumétrico de la bomba es variado o manejado por válvulas o a través de una variación en el desplazamiento.

Variador de hidráulico hidronímico o acoplamiento fluido: se trata de dos impulsores acoplados entre sí con fluido hidráulico. Al variar el volumen del fluido, el grado de acoplamiento desde la primaria hasta la salida pueden ser variados y por ende, se puede obtener velocidad variable.

Variador Hidráulico Hidro Viscoso: Consta de una cantidad de discos en el eje de entrada presionados contra otra cantidad de discos correspondientes en el eje de salida. Hay una película de aceite entre los discos. A través de la variación de la presión cuando se apretan los discos juntos, se consigue una variación de la transferencia de torque y, por consiguiente, se consigue variar la velocidad.

Con respecto a los variadores eléctricos nos encontramos con los siguientes:

Acoplamiento de Corriente Eddy: Situado entre el motor de velocidad fija y la maquina accionada. Consiste de una rotor de velocidad fija y un rotor de velocidad variable separado por un pequeño espacio de aire. Un devanado de excitación es provisto en uno de los rotores con el objetivo de que se genere un campo magnético que una a los rotores juntos y determine el torque transmitido. La realidad es que, a medida que la diferencia de velocidad entre los rotores aumenta la eficiencia decrece. Este variador, con similitud a los casos de acoplamiento de fluido y variador hidro-viscoso, tiene una eficiencia proporcional a (1-S)

Variadores DC y motores DC correspondientes: Los convertidores DC convierten la fuente de alimentación AC en un voltaje DC de magnitud variable que es suministrado al devanado inducido del motor DC. Lo cierto es que para proveer un voltaje DC de magnitud variable a un bobinado de campo de derivación, se usa un proceso muy similar. Normalmente la corriente de campo se mantiene constante para velocidades de motores por debajo de la velocidad base del motor cuando la corriente inducida se varía para controlar la emisión del torque del motor DC. El VFD puede ser totalmente regenerativo si posee dos puentes rectificadores anti-paralelos.

Los variadores DC normalmente hacen uso de la tecnología tiristor y pueden usadas para todas las aplicaciones nombradas arriba que se encuentren en aéreas fuera de peligro.

Desde la perspectiva de red de energía, los variadores DC operan en un factor de potencia que decrece con el decrecimiento de la velocidad del motor e inyecta corrientes armónicas que son aproximadamente proporcionales a 1/n en magnitud donde n = 6k±1 y k = 1,2,3… si los puentes de onda completa son usados. La moderación de los armónicos puede ser efectiva si se usa sistemas de 12, 18, 24 o 36 pulsos, mediante el uso de puentes de seis-pulsos en paralelo o en series, y donde cada puente es suministrado desde un adecuado secundario separado en un transformador de convertidor de cambio de fase.

 

VFDs y motores AC asociados – hay tres tipos principales de VFDs AC:

De Conversión Directa: Este tipo incluye convertidores de ciclo y otras topologías de matriz donde la energía AC de entrada es convertida a energía AC variable en una etapa. El más común de estos VFDs es el convertidor-de-ciclo controlando un motor síncrono con una excitación “brushed” o “brushless”. Estos Variadores son usados en aplicaciones donde, por un lado, las velocidades del motor son bajas y por otro lado, los requisitos del torque son altos. Ejemplos de estas aplicaciones son los VFDs de propulsión de buques para los tornillos principales, molinos de laminado de metal, molinos de mineral y bobinadoras de minas. El elemento más negativo acerca de estos Variadores es la gran cantidad de corrientes armónicas que fluyen en el circuito del motor y en particular en la red.  En principio, los convertidores-de-ciclo están basados en tecnología de tiristor, pero a medida que se investiga más en convertidores de matriz usando interruptores bi-direccionales y nuevas técnicas son desarrolladas para reducir la generación de armónicos, la popularidad de este tipos de Variadores podría incrementarse.

De fuente de corriente: Este tipo de VFD es una conversión de dos etapas. En primer lugar, a través del reactor de enlace DC la corriente AC de entrada es convertida a una corriente DC intermediaria. Con el objetivo de asegurar los requisitos de salida de torque, la magnitud de esta corriente es regulada para que coincida con la corriente requerida del motor. La segunda etapa  se trata del inversor de salida que alterna la corriente DC intermediaria a cada una de las fases del motor como es requerido. Tanto el convertidor y el inversor son totalmente regenerativos. Un VFD de fuente de corriente controlando un motor síncrono es también conocido como VFD Load Commutated Inverter (Inversor de Carga Conmutada) y generalmente usa tecnología de tiristor. Por lo tanto, desde la perspectiva de la red de energía , los Variadores LCI se comportan de forma similar a un Variador DC con su inherente factor de potencia  y características de inyección de corriente armónica.

El VFD en su funcionamiento no es muy dinámico cuando se lo compara con otros Variadores AC o DC, debido a que la corriente es forzada en la gran inductancia en el enlace intermediario y es, por lo tanto, solo adecuada para cargas de tipo ventilador y bomba. Este Variador también sufre desde las pulsaciones del torque debido a la forma de corriente de onda cuadrada y la filosofía de control usada cuando es operada a frecuencias menores que 8 Hz.

De fuente Voltaje: Este tipo de Variador también es una conversión de dos etapas. En la primera, la energía AC de entrada es convertida a un voltaje DC intermediario en el capacitor de enlace DC. La segunda etapa es el inversor de salida que alterna el voltaje DC intermediario a cada una de las fases del motor como es requerido por el algoritmo de control usado. Con respecto al algoritmo de control contratado junto con el VFD, nos podemos encontrar con los siguientes:

Control de Frecuencia o bucle abierto.

Control de Vector de Flujo

Control de Torque Directo (DTC por sus siglas en ingles, Direct Torque Control)

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