Es interesante saber que el primer motor de corriente alterna (400 HP) basado en el WRIM alimentado por cicloconvertidor de tiratrón fue instalado en 1932 por F.E. Alexanderson de General Electric en la Central Eléctrica Logan de la Compañía de Gas y Electricidad del Pacífico. Desde entonces, los motores industriales han evolucionado rápidamente gracias al esfuerzo dedicado de muchos científicos e ingenieros de todo el mundo, lo que ha dado como resultado el desarrollo de una tecnología avanzada de motores como Unidad de frecuencia variable(VFD).
VFD es un dispositivo basado en la electrónica de potencia que convierte una frecuencia fija básica, fija voltaje energía de onda sinusoidal (potencia de línea) a una frecuencia variable, voltaje de salida variable usado para controlar la velocidad del motor de inducción(s). Regula la velocidad de un motor de inducción trifásico controlando la frecuencia y el voltaje de la energía suministrada al motor.
Dado que el número de polos es constante, la velocidad Ns puede ser variado por el cambio continuo de la frecuencia.
Funcionamiento de la unidad de frecuencia variable
Cualquier Unidad de frecuencia variable o VFD incorpora las siguientes tres etapas para controlar un motor de inducción trifásico.
Etapa de rectificación
Una potencia de onda completa diodo El rectificador de estado sólido convierte la energía trifásica de 50 Hz de una fuente estándar de 220, 440 o más a un voltaje de CC fijo o ajustable. El sistema puede incluir transformadores para el sistema de alto voltaje.
Etapa de inversor
Interruptores electrónicos de potencia como IGBT, GTO o SCR encender y apagar la energía de CC del rectificador para producir una corriente o una forma de onda de voltaje a la nueva frecuencia requerida. Actualmente la mayoría de los fuente de tensión Los inversores (VSI) utilizan la modulación de ancho de pulso (PWM) porque el actual y la forma de onda de voltaje a la salida en este esquema es aproximadamente una onda sinusoidal. Los interruptores electrónicos de potencia, como el IGBT; GTO, etc., conmutan el voltaje de CC a alta velocidad, produciendo una serie de pulsos de corta duración y amplitud constante. El voltaje de salida se varía variando la ganancia del inversor. La frecuencia de salida se ajusta cambiando el número de pulsos por medio ciclo o variando el período para cada ciclo de tiempo.
La corriente resultante en un motor de inducción simula una onda sinusoidal de la frecuencia de salida deseada. La acción de conmutación de alta velocidad de un inversor PWM da como resultado una menor distorsión de la forma de onda y, por lo tanto, disminuye las pérdidas armónicas.
Sistema de control
Su función es controlar el voltaje de salida, es decir, el vector de voltaje del inversor que se alimenta al motor y mantener una relación constante entre el voltaje y la frecuencia (V/Hz). Consiste en un circuito electrónico que recibe información de retroalimentación del motor accionado y ajusta el voltaje o la frecuencia de salida a los valores deseados. El sistema de control puede estar basado en SPWM (PWM de onda sinusoidal), SVPWM (PWM modulado por el vector espacial) o en algún algoritmo basado en la informática.
Características de la inducción motora bajo la unidad de frecuencia variable
En un motor de inducción inducido en el estator, E es proporcional al producto de la frecuencia de deslizamiento y el flujo de la brecha de aire. El voltaje terminal puede considerarse proporcional al producto de la frecuencia de deslizamiento y flujosi se descuida la caída del estator. Cualquier reducción en la frecuencia de suministro sin un cambio en el voltaje terminal causa un aumento en el flujo de la brecha de aire que causará saturación magnética de motor. También la capacidad de torsión del motor está disminuida. Por lo tanto, mientras controlamos un motor con la ayuda de VFD o Unidad de Frecuencia Variable siempre mantenemos la relación V/f constante.
Ahora define la variable K como,
Para el funcionamiento por debajo de K < 1, es decir, por debajo de la frecuencia nominal, tenemos un funcionamiento de flujo constante. Para ello mantenemos una corriente de magnetización constante Im para todos los puntos de operación.
Para K > 1, es decir, por encima de la frecuencia nominal, mantenemos constante el voltaje terminal V. En este campo se debilita en la relación inversa de la frecuencia por unidad K.
Para valores de K = 1 tenemos un funcionamiento de par constante y por encima de eso tenemos una aplicación de potencia constante.
Ventajas del uso de los motores de frecuencia variable
Ahorro de energía
La función principal del VFD en la industria es proporcionar un control suave junto con el ahorro de energía. El sistema de accionamiento de motor de velocidad variable es más eficiente que todos los demás métodos de control de flujo, incluyendo válvulas, turbinas, transmisiones hidráulicas, amortiguadores, etc. El ahorro de costos de energía se hace más pronunciado en las aplicaciones de ventiladores y bombas de par variable, en las que el par y la potencia de las cargas son directamente proporcionales al cuadrado y al cubo de la velocidad respectivamente.
Mayor fiabilidad
Los sistemas de accionamiento con motor de velocidad ajustable son más fiables que los enfoques mecánicos tradicionales, como el uso de válvulas, engranajes, persianas o turbinas para controlar la velocidad y el flujo. A diferencia de los sistemas de control mecánico, no tienen ninguna pieza móvil, por lo que son altamente fiables.
Variaciones de velocidad
Más allá del ahorro de energía, aplicaciones como trituradoras, transportadores y molinos pueden utilizar el motor y los paquetes de VFDs para proporcionar variaciones de velocidad óptimas. En algunas aplicaciones cruciales, el rango de velocidad de funcionamiento puede ser amplio, lo que un motor alimentado con una fuente de energía de frecuencia constante no puede proporcionar. En el caso de los transportadores y molinos, un sistema de motor y VFD puede incluso proporcionar una velocidad de arrastre para fines de mantenimiento, eliminando la necesidad de accionamientos adicionales.
Arranque suave
Cuando Unidades de frecuencia variable arrancar grandes motores, se eliminan los inconvenientes asociados a las grandes corrientes de entrada, es decir, la corriente de arranque (tensión del devanado, sobrecalentamiento del devanado y caída de tensión en el bus conectado). Esto reduce las posibilidades de que se produzcan daños en el aislamiento o en el bobinado y proporciona una mayor vida útil al motor.
Mayor vida útil de la máquina y menos mantenimiento
Los VFD reducen en gran medida el desgaste del motor, aumentan la vida útil del equipo y reducen los costes de mantenimiento. Debido al control óptimo de voltaje y frecuencia, ofrece una mejor protección al motor contra problemas como sobrecargas electrotérmicas, fallos de fase, sobrevoltaje, bajo voltaje, etc. Cuando ponemos en marcha un motor (en carga) con la ayuda de un VFD, el motor no está sujeto a una descarga instantánea, por lo que hay menos desgaste de la correa, el engranaje y el sistema de poleas.
Factor de alta potencia
La energía convertida en rotación, calor, sonido, etc. se llama energía activa y se mide en kilovatios (kW). La potencia que se carga construye campos magnéticos o cargos condensador se llama energía reactiva y se mide en kVAR. La suma vectorial de los kW y los kVAR es la Potencia Aparente y se mide en KVA. El factor de potencia es la relación de kW/KVA. Los motores típicos de CA pueden tener una carga completa factor de potencia que van de 0,7 a 0,8. A medida que se reduce la carga del motor, el factor de potencia se vuelve bajo. La ventaja de usar VFDs es que incluye condensadores en el propio Bus DC que mantiene un alto factor de potencia en el lado de la línea del variador de frecuencia. Esto elimina la necesidad de costosos bancos de condensadores.
Recuperación del poder de deslizamiento
La potencia fundamental dada al rotor por el estator se llama potencia de la brecha de aire Pg. La potencia mecánica desarrollada está dada por
El término sP se llama poder de deslizamiento.
Si el deslizamiento es muy grande, es decir, la velocidad es baja, entonces hay un amplio desperdicio de energía, un ejemplo común son los motores de los hornos de la industria del cemento. Esta energía puede ser ahorrada a través de un esquema de recuperación de deslizamiento. En este esquema, la energía del deslizamiento se recoge primero a través de los cepillos de WRIM. Esta energía de deslizamiento recuperada es entonces rectificada e invertida de nuevo a la frecuencia de la línea y es inyectada en el suministro a través de un transformador de acoplamiento. El esquema se muestra en la siguiente figura.
Aplicaciones de la unidad de frecuencia variable
- Se utilizan sobre todo en las industrias de grandes motor de inducción (que se ocupa de la carga variable) cuya potencia oscila entre unos pocos kW y unos pocos MW.
- Unidad de frecuencia variable se utiliza en el sistema de tracción. En la India está siendo usado por la Corporación de Ferrocarriles Metropolitanos de Delhi.
- También se utilizan en los modernos ascensores, escaleras mecánicas y sistemas de bombeo.
- Hoy en día también se utilizan en refrigeradores de energía eficiente, ACs y Economizadores de aire exterior.
