- Circuito VFD y su funcionamiento
- Sección rectificadora del circuito VFD
- Sección de filtro del circuito VFD
- Sección de conmutación o inversor del circuito VFD
- Diferentes tipos de VFD
- VFD tipo VSI
- VFD de tipo CSI
- VFD tipo PWM
- ¿Cómo seleccionar VFD para mi aplicación?
- Ventajas de VFD
- Desventajas de VFD
Hay muchas fábricas y plantas en el mundo que utilizan un tipo diferente de motores de alta potencia. Debido al alto consumo de energía, las fábricas y plantas terminan pagando una gran cantidad de facturas de energía. Para superar el alto consumo de energía y aumentar la eficiencia, hace cuatro décadas se introdujo el VFD, pero el circuito no era lo suficientemente fuerte.
VFD es la forma abreviada de variador de frecuencia o variador de frecuencia. La frecuencia determina las RPM del motor y, al controlar la frecuencia de CA, se pueden controlar las RPM del motor. Hay diferentes tipos de VFD disponibles en el mercado de la electrónica y la electricidad, desde aplicaciones relacionadas con motores pequeños hasta motores de inducción de alta potencia. Además de los VFD trifásicos, también están disponibles los VFD monofásicos.
Circuito VFD y su funcionamiento
Un circuito VFD consta de tres partes.
1. La sección del rectificador
2. La sección de filtros
3. La sección de conmutación o inversor.
En la imagen de abajo, las tres secciones se muestran dentro de un diagrama de bloques. Este es un diagrama de bloques de circuito básico de un VFD trifásico.
Sección rectificadora del circuito VFD
La sección del rectificador utiliza 6 diodos. Los diodos D1, D2 y D3 están conectados con el carril positivo y los diodos D4, D5 y D6 están conectados con el carril negativo. Esos 6 diodos actúan como un puente de diodos que convierte la señal de CA trifásica en un solo riel de CC. Las tres fases R, B e Y están conectadas a través del diodo. Dependiendo de la polaridad de la onda sinusoidal, los diodos se polarizan hacia adelante o hacia atrás, lo que proporciona un pulso positivo o un pulso negativo tanto en el carril positivo como en el negativo.
Para obtener más información sobre cómo funciona el rectificador, simplemente siga el enlace.
Sección de filtro del circuito VFD
Como sabemos, los diodos rectificadores estándar solo convierten la señal de CA a CC, pero la señal de CC de salida no es lo suficientemente suave porque también se asocian ondas de CA dependientes de la frecuencia. Para rectificar la ondulación de CA y hacer una salida de CC suave, es necesario algún tipo de filtros de rechazo de ondulación. El componente estándar del filtro es utilizar diferentes tipos de condensadores e inductores grandes. En la sección de filtro, principalmente el condensador filtra la ondulación de CA y proporciona una salida de CC suave.
En algunos casos, también se utilizan otros tipos de filtros para reducir los ruidos y armónicos de CA de entrada.
Sección de conmutación o inversor del circuito VFD
La sección de conmutación o inversor invierte la CC a CA. En esta sección se utilizan diferentes tipos de interruptores electrónicos, que van desde transistores de alta potencia, IGBT o MOSFET. Los interruptores se encienden o apagan rápidamente y la carga recibe un voltaje pulsante que es muy similar a la CA. La frecuencia de salida es proporcional a la tasa de conmutación. La alta velocidad de conmutación proporciona una salida de alta frecuencia, mientras que la baja velocidad de conmutación proporciona una salida de baja frecuencia.
Diferentes tipos de VFD
Dependiendo de cómo el VFD convierte la energía de CA en energía de CC y realiza la rectificación, hay otros tipos de VFD disponibles en el mercado.
Los tres tipos principales de VFD son VSI , CSI y PWM .
VFD tipo VSI
VSI significa inversor de fuente de voltaje. Este es el tipo más común de controlador de frecuencia variable. En este tipo de VFD, se usa un puente de diodo simple para convertir la señal de CA en CC y se usa un capacitor para almacenar la energía. Un circuito de conmutación inversor utiliza la energía almacenada en el condensador y proporciona la salida.
Ventaja
1. Tiene un buen rango de velocidad.
2. Instalación de control de motor múltiple. Se pueden conectar varios motores con un solo VFD de tipo VSI.
3.Diseño simple.
4. Es rentable desde el lado de la producción y la instalación.
Desventajas
1.Debido al efecto cogging, el motor de carga se enfrenta a sacudidas durante la situación de arranque y parada.
2. La salida proporciona diferentes tipos de armónicos y ruidos.
3.Si se controla la velocidad del motor o se reduce la velocidad, el factor de potencia general se ve obstaculizado en gran medida, lo que da como resultado un factor de potencia deficiente.
VFD de tipo CSI
CSI significa inversor de fuente de corriente. Los VFD de tipo VSI están diseñados de tal manera que podrían proporcionar una salida de voltaje uniforme en función del rango de frecuencia variable, pero en los VFD de tipo CSI la construcción depende de la corriente en lugar del voltaje. Además, en el caso de CSI, en lugar del puente rectificador de diodos, se utiliza un convertidor de puente SCR. La energía de salida se filtra utilizando inductores en serie como alternativa a los condensadores para una salida de corriente suave. Los VFD de tipo CSI actúan igual que un generador de corriente constante. En lugar de una onda cuadrada de voltaje, los VFD de tipo CSI son capaces de proporcionar una onda cuadrada de corriente.
Ventaja
1.Fiable, luego VFD tipo VSI.
2. Admite motores de inducción de mayor potencia donde VSI no es una opción adecuada.
3.Diseño simple.
4. Buenas capacidades de regeneración.
Desventajas
1. El factor de potencia general es pobre, especialmente a bajas RPM.
2. Existe un efecto de coagulación que podría hacer vibrar el eje del motor mientras está funcionando.
3. No es adecuado para el funcionamiento de varios motores con respecto a VSI.
VFD tipo PWM
Ésta es una versión mejorada y modificada de los VFD de tipo VSI. PWM significa modulación de ancho de pulso. Usando la técnica PWM, los VFD son capaces de proporcionar una salida de voltaje estable mantenida con una relación de frecuencia. La construcción utiliza un puente de diodos para rectificar la señal de CA en una señal de CC. El circuito de conmutación controla el ciclo de trabajo en un rango de frecuencia variable. Se utiliza un regulador adicional para regular la salida PWM para proporcionar voltaje y corriente estables y adecuados a la carga.
Ventaja
1.Sin efecto de obstrucción o sacudidas.
2. Amplio rango de velocidad y control.
3. Consiste en diferentes tipos de circuitos de protección.
4. Factor de potencia constante.
5. Inducir una eficiencia muy alta.
6.Eficiencia energética.
Desventajas
1.Complejo de diseñar.
2. Complejo con respecto a la implementación.
3.Requiere hardware adicional.
4. Generación de ruido audible en el circuito del controlador.
5.Solución costosa.
¿Cómo seleccionar VFD para mi aplicación?
Para seleccionar los VFD adecuados para una aplicación específica, se requiere una buena comprensión de la carga. Los diferentes tipos de motores producen diferentes tipos de par. En algunas aplicaciones es necesario un par constante, mientras que en otras aplicaciones es necesario controlar el par. Además, la carga en el motor es un factor determinante de la especificación del motor, principalmente la potencia nominal.
Para seleccionar el VFD apropiado para la aplicación adecuada, necesitamos evaluar o considerar las siguientes cosas.
1. Caballos de fuerza del motor
2. El costo
3. El entorno operativo del VFD y los motores
4. Monofásico o trifásico
5. VFD único con un solo motor o VFD único con varios motores
6. Requisitos de funciones de control adicionales
Ventajas de VFD
Hay muchas razones por las que VFD es una opción popular para el consumidor cuando hay otros controladores disponibles. La razón más importante de la popularidad de VFD es la capacidad de bajo consumo de energía y el costo de configuración inicial. Los VFD ofrecen una alta eficiencia en términos de consumo de energía, además de cualquier dispositivo controlador en el mismo segmento. Debido a esto, en el caso de grandes fábricas y plantas donde se requieren motores de mayor potencia, el VFD ofrece un bajo consumo de energía, lo que reduce el monto de la factura de energía y brinda oportunidades de ahorro de costos.
VFD limita la corriente de irrupción durante la condición de arranque y parada del motor, lo que también disminuye la carga de irrupción en la línea de suministro, así como también proporciona un margen de seguridad para los motores costosos.
Aparte de las ventajas anteriores, el VFD puede reducir el costo de mantenimiento del sistema. No se necesitan costosas operaciones de control y conexión eléctrica adicionales. Hay opciones para conectar varios motores que se pueden controlar con un solo VFD, lo que reduce aún más el costo adicional de configuración del sistema.
Desventajas de VFD
Sin embargo, a pesar de las ventajas anteriores, existen algunas desventajas también asociadas con el sistema VFD. El principal inconveniente del sistema VFD es la inversión de configuración inicial. Para una fábrica o una planta donde es necesario controlar varios motores de alta potencia mediante VFD, se requieren grandes inversiones.
Además, los VFD provocan el calentamiento del motor y necesitan una construcción especial de motores. La construcción necesita tipos especiales de aislamiento del motor, así como los motores deben especificarse para aplicaciones con clasificación de inversor.
Otra gran desventaja del VFD es que la línea de energía de la fuente principal está muy perturbada con armónicos de distorsión y muescas de línea. Debido a esto, los otros dispositivos conectados en la misma línea eléctrica también se ven obstaculizados durante la condición de funcionamiento.
Sin embargo, el avance de la industria moderna de semiconductores ha mejorado mucho la construcción de sistemas VFD modernos. Antes de la era de los dispositivos de estado sólido, las máquinas rotativas eran el componente principal utilizado para fabricar los VFD. En la era moderna de los microprocesadores, los VFD están equipados con todo tipo de protecciones, como subtensión, sobretensión, protección de sobrecarga térmica, etc., con las instalaciones de control adecuadas. La aplicación Motor en la industria es responsable del 25% del consumo de energía eléctrica mundial, que puede controlarse de manera eficiente mediante VFD.