Variador de frecuencia

Pequena unidade de variación de frecuencia.

Un variador de frecuencia (siglas VFD, do inglés: Variable Frequency Drive ou ben AFD Adjustable Frequency Drive) é un sistema para o control da velocidade rotacional dun motor de corrente alterna (AC) por medio do control da frecuencia de alimentación subministrada ao motor. Un variador de frecuencia é un caso especial dun variador de velocidade. Os variadores de frecuencia son tamén coñecidos como drivers de frecuencia axustable (AFD), drivers de CA, microdrivers ou inversores. Dado que o voltaxe é variado a vez que a frecuencia, ás veces son chamados drivers VVVF (variador de voltaxe variador de frecuencia).

Como funciona un variador de frecuencia?

Aliméntase o equipo cunha voltaxe de corrente alterna (CA), o equipo primeiro converte a CA en corrente directa (CD), por medio dunha ponte rectificadora (díodos ou SCR´s), este voltaxe é filtrado por un banco de capacitores interno, co fin de suavizar ó voltaxe rectificado e reducir a emisión de variacións no sinal; posteriormente na etapa de inversión, a cal está composta por transistor (IGBT), que encenden e apagan en determinada secuencia (enviando pulsos) para xerar unha forma de onda cadrada de voltaxe de CD a unha frecuencia constante, e o seu valor medio ten forma de onda senoidal da frecuencia que se aplica ao motor.

O proceso de conmutación dos transistores é chamado PWM "Pulse Width Modulation", modulación por ancho de pulso.

Os dispositivos variadores de frecuencia operan baixo o principio de que a velocidade síncrona dun motor de corrente alterna (CA) está determinada pola frecuencia de CA subministrada e o número de polos no estator, de acordo coa relación:

$RPM={{120\times f} \over {p}}$

RPM = velocidade en revolucións por minuto

f = frecuencia de subministración CA (hertz)

p = Número de polos

As cantidades de polos máis frecuentemente utilizadas en motores síncronos ou en motores asíncronos son 2, 4, 6 e 8 polos que, seguindo a ecuación citada, resultarían en 3000 RPM, 1500 RPM, 1000 RPM e 750 RPM respectivamente para motores sincrónicos unicamente e a frecuencia de 50 Hz. Dependendo da situación xeográfica funciona en 50 Hz ou 60 Hz.

Descrición do VFD

Un sistema de variador de frecuencia (VFD) consiste xeralmente nun motor de CA, un controlador e unha interface operadora.

Motor do VFD

O motor usado nun sistema VFD é normalmente un motor de indución trifásico. Algúns tipos de motores monofásicos poden ser igualmente usados, pero os motores de tres fases son normalmente preferidos. Varios tipos de motores síncronos ofrecen vantaxes nalgunhas situacións, pero os motores de indución son máis apropiados para a maioría de propósitos e son xeralmente a elección máis económica. Motores deseñados para traballar a velocidade fixa son usados habitualmente, pero a mellora dos deseños de motores estándar aumenta a fiabilidade e consegue mellor rendemento do VFD. (variador de frecuencia)

Controlador do VFD

O controlador do dispositivo de variación de frecuencia está formado por dispositivos de conversión electrónicos de estado sólido. O deseño habitual primeiro converte a enerxía de entrada CA en CC usando unha ponte rectificadora. A enerxía intermedia CC é convertida nun sinal quasi-senoidalde CA usando un circuíto inversor conmutado. O rectificador é usualmente unha ponte trifásica de díodos, pero tamén se usan rectificadores controlados. Debido a que a enerxía é convertida en continua, moitas unidades aceptan entradas tanto monofásicas como trifásicas (actuando como un convertedor de fase, un variador de velocidade).

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

Tan pronto como apareceron os interruptores semicondutores foron introducidos nos Variadores de Frecuencia, eles foron aplicados para os inversores de todas as tensións que hai dispoñibles. Actualmente, os transistores bipolares de porta illada (IGBTs) son usados na maioría de circuítos inversores.

As características do motor de corrente alterna requiren a variación proporcional do voltaxe cada vez que a frecuencia é variada. Por exemplo, si un motor está deseñado para traballar a 460 voltios a 60 Hz, o voltaxe aplicado debe reducirse a 230 volts cando a frecuencia é reducida a 30 Hz. Así a relación voltios/hertzs deben ser regulados nun valor constante (460/60 = 7.67 V/Hz neste caso). Para un funcionamento óptimo, outros axustes de voltaxe son necesarios, pero nominalmente a constante é V/Hz e a regra xeral. O método máis novedoso e estendido nas novas aplicacións é o control de voltaxe por PWM.

Protección do motor e variador

• Os variadores proporcionan un valor de intensidade nominal IN en condicións de traballo normais, e permiten unha certa sobrecarga de breve duración. Non se producen picos ou puntas de arranque elevadas. (Consultar a documentación do variador).

Exemplo: Valor de IN ; sobrecarga:

200 % (t ≤ 0,5 s)

150 % (t ≤ 60 s)

• Inclúense as funcións do relé térmico de sobrecarga e propias do variador: falta de fase, temperatura interna, freado, ventilador… etc. (Configurables)
• Dispón de sinais de alarma (contactos ou saídas analóxicas), e detecta os fallos de fase, inversión, sobre tensión… etc.
• Externamente, é necesario instalar xunto ao variador un interruptor automático magnético, apropiado a intensidade nominal a manexar. Nos manuais do variador indicase o calibre da protección, incluídos os fusible, si se usaran.
• O variador dispón de toma de terra. Esta toma de terra, non debe estar en contacto con bornes comúns das entradas ou saídas, analóxicas e/ou dixitais. (Observar os esquemas de conexión e advertencias, nos manuais).

Temperatura de traballo do motor

• Os motores levan incorporado un ventilador, que refrixera o motor en condicións normais; o estar instalado no propio rotor, o ventilador xira a súa velocidade; cando mediante o variador, o motor xira a velocidades reducidas, o ventilador perde eficacia, e en consecuencia, a temperatura do motor pode aumentar excesivamente.
• Cando a relación par-velocidade se mantén dentro da zona 1, a temperatura do motor permanece en valores aceptables; en cambio cando se lle fai traballar na zona 2 (par de traballo maior do 50%) a temperatura aumenta e debe haber refrixeración suplementaria desde o exterior.
• Algúns motores dispoñen no seu interior de sonda de temperatura (resistencias PTC o similares), que poden ser usadas co variador en combinación dos sistemas de detección adecuados, para unha protección total do motor.
• Por outro lado, en caso de sobre velocidade, o ventilador interno do motor non é eficaz, xa que aumenta a resistencia por rozamento co aire, e tende a provocar un sobreesforzo do propio motor, de maneira que se necesitaría refrixeración externa.

Freado

O freado do motor, consiste no descenso controlado da súa velocidade, reducindo a frecuencia aplicada. Establecese en unidades de tempo, tendo en conta que o par aplicado, sexa constante ou variable. Algúns casos de freado:

• Rampla lineal de parada: axustase ao tempo (en s) que debe durar a parada. Xeralmente válido a motores

con pouca carga resistente a velocidade (detención sen carga resistente ou pouca inercia).

• Freado rexenerativo: a inercia da carga tende a facer xirar o motor máis rápido cá frecuencia estabelecida polo variador (velocidade hipersíncrona), polo que o motor actúa como xerador. A enerxía que retorna o variador, disípase mediante unha resistencia ou un dispositivo de freado externo (non incluído co variador).
• En sistemas de gran potencia (tren, grandes grúas de pórtico…), este efecto pode aproveitarse para recuperar parte da enerxía, que é devolta a rede, mediante variadores específicos con recuperación.
• Inxección de c.c.: o variador, pode inxectar durante un breve período de tempo, certo valor de c.c., que provoca o freado rápido do motor.
• O bloqueo inesperado do motor (por bloqueo do rotor ou forte sobrecarga), provocará unha intensidade moi elevada, e a parada por sobrecarga do variador, con activación de alarmas. O restablecemento poderá ser manual ou automático (segundo programación).
• O freado ou bloqueo do motor unha vez parado, debe conseguirse mediante outro procedemento externo o variador: freo magnético, zapata, disco etc.

Sentido de xiro

O variador pode facer xirar o motor en ambos sentidos; inicialmente si se conecta a secuencia L1-L2-L3 en fase o motor, xirará a dereita; algúns variadores dispoñen de entradas por contacto (todo-nada) para seleccionar o sentido (STF = start fordward, STR = start reverse). Tamén pode facerse mediante programación, ou control externo, sexa por pulsadores, autómata, analóxico… etc. O cambio de sentido nunca será brusco, senón mediante ramplas de desaceleración, parada e aceleración controladas.

Instalación

Deben consultarse os manuais de instalación, para aloxalo en armarios, conectar mangueiras e cabreados etc. O fabricante, indica as opcións posibles de acordo a aplicación e tipo de variador, desde xogos de cables e terminais, a unidades externas de filtro, freado, ventilación, consola de programación, comunicacións… etc.