Autores: Kumar V. Mahtani Mahtani (Profesor Ayudante en la Universidad Politécnica de Madrid y Profesor Visitante en la Universidad París-Saclay, Francia) y Carlos Veganzones Nicolás (Profesor Titular en la Universidad Politécnica de Madrid)
Tiempo de lectura: 6 minutos
Las microrredes representan una solución innovadora en la distribución y gestión de energía eléctrica, especialmente en un mundo cada vez más enfocado en la sostenibilidad y la eficiencia energética. Estas redes locales, que pueden funcionar conectadas o desconectadas de la red eléctrica principal, requieren tecnologías avanzadas para garantizar un control preciso y dinámico de la generación, el almacenamiento y el consumo de energía. Entre las herramientas clave en una microrred se encuentran los variadores de frecuencia (también conocidos como convertidores de frecuencia), dispositivos que permiten regular diversas variables eléctricas para optimizar el funcionamiento del sistema.
Un variador de frecuencia no solo controla la velocidad de motores eléctricos, que es la aplicación más intuitiva, sino que también gestiona aspectos críticos como la potencia activa y reactiva intercambiada con la red, la tensión en sistemas de corriente continua y la sincronización con otras fuentes de generación. Esta capacidad de regulación convierte a los variadores en componentes esenciales para garantizar la estabilidad y eficiencia de las microrredes, especialmente cuando se integran fuentes de energía renovable o sistemas de almacenamiento.
Veamos a continuación los principales ejemplos de uso de los variadores de frecuencia:
Regulación de velocidad en motores eléctricos
La función más conocida de un variador de frecuencia es la regulación de la velocidad en motores eléctricos. Al ajustar la frecuencia de la corriente suministrada al motor, se controla su velocidad de rotación (conocido el número de pares de polos del motor, se toca la frecuencia de la corriente). Esto permite adaptar el funcionamiento del motor a las necesidades específicas de cada aplicación, optimizando el consumo energético y la eficiencia operativa.
Además de la velocidad, los variadores también regulan el par motor ajustando la tensión de salida en función de la frecuencia, mediante la técnica V/f constante o bien mediante control vectorial. En el control V/f, la tensión se reduce proporcionalmente con la frecuencia para mantener el flujo magnético constante, lo que garantiza un funcionamiento estable a diferentes velocidades. En el control vectorial, se utiliza un algoritmo más avanzado que permite un control independiente del flujo y el par, ofreciendo una respuesta más rápida y precisa, especialmente en aplicaciones con cambios dinámicos de carga.
Control de potencia activa y reactiva
En una microrred, la regulación de la potencia activa (P) y reactiva (Q) es crucial para mantener la estabilidad y la calidad del suministro eléctrico. La potencia activa es la energía que realiza un trabajo útil, mientras que la potencia reactiva es necesaria para mantener los campos magnéticos en sistemas de corriente alterna (CA). Un variador de frecuencia puede ajustar ambas potencias de manera independiente, utilizando técnicas de modulación por ancho de pulso (PWM) para controlar la forma de onda de salida del inversor.
Los variadores modernos utilizan control vectorial en lazo cerrado para regular la potencia reactiva, midiendo la corriente y la tensión en tiempo real y ajustando la salida del inversor para mantener el factor de potencia deseado. Esto permite compensar cargas inductivas o capacitivas en la microrred, mejorando la eficiencia y evitando fluctuaciones de tensión que podrían afectar a otros equipos conectados.
Regulación de tensión en sistemas de corriente continua
Las microrredes modernas suelen incluir sistemas de corriente continua (CC), como bancos de baterías, paneles solares o convertidores DC/DC. En este contexto, los variadores de frecuencia pueden regular la tensión en los enlaces de CC mediante técnicas de control de bucle de tensión. Estos controladores ajustan la tensión de salida del convertidor para mantenerla dentro de límites específicos, utilizando reguladores PI (Proporcional-Integral) para corregir desviaciones en tiempo real.
Por ejemplo, en un sistema de almacenamiento con baterías, un variador puede controlar la carga y descarga del banco de baterías ajustando la tensión en el enlace CC. Esto no solo asegura una transferencia de energía eficiente, sino que también protege las baterías contra sobrecargas o descargas profundas, prolongando su vida útil.
Sincronización con la red eléctrica
En una microrred, la sincronización con la red eléctrica principal o entre diferentes fuentes de generación es fundamental para evitar desbalances de tensión o frecuencia. Los variadores de frecuencia utilizan algoritmos de bucle de enganche de fase (PLL, Phase-Locked Loop) para ajustar la fase y la frecuencia de la corriente generada, asegurando que coincidan con las de la red. Esta sincronización es especialmente crítica en microrredes con múltiples fuentes de generación, como paneles solares, turbinas eólicas y generadores diésel.
El proceso de sincronización también incluye la compensación de desviaciones de frecuencia y control de deslizamiento en motores de inducción. Al ajustar la frecuencia de salida del inversor, el variador puede sincronizar el generador con la red en tiempo real, facilitando la conexión y desconexión de la microrred sin interrupciones.
Optimización en aplicaciones específicas
Los variadores de frecuencia ofrecen ventajas significativas en una amplia variedad de aplicaciones dentro de una microrred. En sistemas de bombeo de agua, permiten ajustar la velocidad de las bombas en función de la demanda, lo que reduce el consumo energético y prolonga la vida útil de los equipos. En aplicaciones de climatización, optimizan el funcionamiento de los compresores y ventiladores, mejorando la eficiencia del sistema y reduciendo los costos operativos.
En sistemas de energía renovable, como las turbinas eólicas, los variadores de frecuencia permiten ajustar la velocidad del generador en función de la velocidad del viento, maximizando la captura de energía y garantizando que la frecuencia de salida sea compatible con la red. De manera similar, en aplicaciones de almacenamiento de energía, facilitan la gestión de la carga y descarga de baterías, asegurando un flujo de energía estable y predecible.
Conclusión
Los variadores de frecuencia son componentes esenciales en la operación y gestión de microrredes modernas. Su capacidad para regular la velocidad de motores, controlar la potencia activa y reactiva, ajustar la tensión en sistemas de corriente continua y sincronizar la red convierte a estos dispositivos en herramientas clave para garantizar la eficiencia y estabilidad del sistema. Gracias a técnicas avanzadas como el control vectorial, las modernas formas de modulación PWM y los bucles de enganche de fase, los variadores de frecuencia permiten un control preciso y dinámico, facilitando la integración de energías renovables y la creación de sistemas eléctricos más sostenibles y resilientes.
Fuentes:
Sánchez. G. (2023) Sistema de control para grupo de generación distribuida con regulación de la potencia inyectada al sistema eléctrico. Universidad Politécnica de Madrid.
Hirsch, Adam & Parag, Yael & Guerrero, Josep. (2018). Microgrids: A Review of Technologies, Key Drivers, and Outstanding Issues. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 90.
