Autor: Kumar V. Mahtani Mahtani (Profesor Ayudante en la Universidad Politécnica de Madrid y Profesor Visitante en la Universidad París-Saclay)
Tiempo de lectura: 5 minutos
Si has trabajado con motores eléctricos de corriente alterna (CA), en concreto con los motores de inducción, probablemente hayas oído hablar de los Variadores de Frecuencia (VFD, por sus siglas en inglés). En caso contrario, ¡que no cunda el pánico! Aquí veremos qué son exactamente y qué beneficios pueden ofrecer.
En términos simples, los VFD son dispositivos que controlan la velocidad de los motores eléctricos de CA. Instalar un VFD en tu motor puede proporcionar ahorros significativos de energía, mejorar el rendimiento y proteger tanto el motor como la carga que tenga conectada. A continuación, exploraremos cómo funcionan los VFD y cómo pueden beneficiarnos.
El control de velocidad en motores de CA
Los motores de CA, especialmente los de inducción, son piezas fundamentales en aplicaciones industriales debido a su bajo coste, fiabilidad y larga vida útil. Sin embargo, controlar con precisión su velocidad ha sido históricamente un desafío. A diferencia de los motores de corriente continua (CC), cuya velocidad se ajusta fácilmente variando la tensión, los motores de CA requieren modificar la frecuencia de la corriente, lo que es técnicamente más complejo.
Los VFD surgieron como una solución a este problema, permitiendo el control de velocidad de los motores de CA. Entre ellos, los diseños más avanzados, como los VFD de control vectorial, han alcanzado niveles de precisión comparables a los sistemas tradicionales de motores de CC.
¿Cómo funcionan los VFD?
La velocidad de un motor de CA está determinada por la frecuencia de la red eléctrica (normalmente 50 o 60 Hz). Para modificar la velocidad del motor, es necesario cambiar esta frecuencia. Sin embargo, dado que el par electromagnético del motor depende de la relación entre la frecuencia y la tensión, un VFD debe ajustar ambos parámetros simultáneamente. Existen dos tipos principales de VFD, que logran este control de diferentes maneras.
1. VFDs de voltios entre hertz (V/Hz)
El VFD de Voltios/Hertz es el diseño más simple. Su funcionamiento se basa en:
a) Rectificación: Convierte la corriente alterna (CA) en corriente continua (CC).
b) Modulación por Ancho de Pulso (PWM): Ajusta la frecuencia y la tensión de salida para mantener una relación constante entre ambos, emulando una señal de CA.
Este tipo de VFD ofrece un control razonable de la velocidad, con una relación de hasta 20:1 respecto a la velocidad base del motor. Aunque es una opción económica y permite sincronizar varios motores, su precisión disminuye a velocidades bajas, lo que lo hace adecuado solo para aplicaciones con ajustes de velocidad amplios, como ventiladores y bombas.
2. VFDs de control vectorial
Para aplicaciones que requieren control preciso en todo el rango de velocidades, se desarrollaron los VFDs de control vectorial. Estos dispositivos usan algoritmos matemáticos avanzados para gestionar dinámicamente la relación tensión/frecuencia, manteniendo un par constante incluso a velocidades cercanas a cero.
Los VFDs de control vectorial ofrecen control de velocidad extremadamente preciso (hasta 1000:1 respecto a la velocidad base), y par de arranque de hasta el 200% del oar nominal, ideal para aplicaciones industriales como máquinas CNC, robótica y manufactura textil.
3. Sistemas con y sin realimentación mediante encoders
Un VFD sin sistema de realimentación se considera de “bucle abierto”, es decir, no puede garantizar que el motor funcione a la velocidad deseada. Para resolver esto, se puede añadir un encoder o dispositivo de realimentación que proporcione información sobre la velocidad y posición del motor, convirtiéndolo en un sistema de “bucle cerrado”. Esto permite un control más preciso, incluso a velocidades extremadamente bajas.
Beneficios de usar VFDs
Mejora del rendimiento y la eficiencia Energética
Un motor de CA sin control opera a una velocidad fija determinada por la frecuencia de la red, que rara vez coincide con la necesidad exacta de la aplicación. Un VFD permite ajustar la velocidad según las condiciones operativas, optimizando el rendimiento y reduciendo el consumo energético.
Por otro lado, dado que los motores eléctricos representan un alto porcentaje del consumo eléctrico industrial, los VFD pueden ayudar a cumplir con normativas de eficiencia energética, y reducir costes operativos.
Arranque suave
Cuando un motor eléctrico arranca a plena potencia, genera corrientes de irrupción elevadas que calientan las bobinas y pueden dañar los componentes mecánicos, como los rodamientos y engranajes. Un VFD permite un arranque suave, minimizando estos impactos y prolongando la vida útil del motor.
Protecciones eléctricas
La mayoría de los VFD incluyen funciones de protección, como:
- Protección contra sobrecarga térmica, que apaga el motor en caso de sobrecalentamiento.
- Protección contra sobretensión y subtensión, que evita daños en las bobinas.
- Protección contra pérdida o inversión de fases, que protege al motor de los correspondientes fallos eléctricos.
Estas características hacen que los VFD sean una solución completa para proteger tus motores y equipos.
¿Qué motores son compatibles con los VFDs?
Los VFD están diseñados principalmente para motores trifásicos y, por lo general, no son compatibles con motores monofásicos debido a las diferencias en el diseño de sus bobinas. Sin embargo, muchos VFD pueden convertir una entrada monofásica en una salida trifásica, permitiendo operar motores trifásicos en redes monofásicas.
En resumen
Los VFDs ofrecen un control avanzado sobre el rendimiento de los motores de CA, abriendo oportunidades para mejorar la eficiencia, reducir costes y proteger equipos valiosos. Tanto en aplicaciones industriales como comerciales, los VFD son una herramienta clave para optimizar el uso de la energía eléctrica. Ya sea que se busque mejorar el rendimiento de una línea de producción, reducir el consumo energético o prolongar la vida útil de la maquinaria, un VFD puede ser la solución ideal.
Fuentes:
https://www.automate.org/motion-control/industry-insights/vfds-the-next-best-thing-to-motion-control
