Un variador de frecuencia ( VFD , o variador de frecuencia ajustable , variador de velocidad ajustable , variador de velocidad , variador de CA , microvariador , variador de frecuencia o variador ) es un tipo de variador de frecuencia para motor de CA (sistema que incorpora un motor) que controla la velocidad y el par variando la frecuencia de la electricidad de entrada. Dependiendo de su topología , controla la variación de tensión o corriente asociada . [1] [2] [3] [4] [5]
Los VFD se utilizan en aplicaciones que van desde pequeños electrodomésticos hasta compresores grandes. [6] Los sistemas que utilizan VFD pueden ser más eficientes que los sistemas hidráulicos , como en los sistemas con bombas y control de compuertas para ventiladores. [7]
Desde la década de 1980, la tecnología de la electrónica de potencia ha reducido el costo y el tamaño de los VFD y ha mejorado el rendimiento a través de avances en dispositivos de conmutación de semiconductores, topologías de accionamiento, técnicas de simulación y control, y hardware y software de control.
Los VFD incluyen topologías AC-AC y DC-AC de baja y media tensión .
Los proyectos de variadores de frecuencia con modulación de ancho de pulso (PWM) comenzaron en la década de 1960 en Strömberg, Finlandia. Martti Harmoinen es considerado el inventor de esta tecnología. [8] [9] [10] Strömberg logró vender la idea del variador PWM al metro de Helsinki en 1973 y en 1982 el primer variador PWM SAMI10 estaba operativo. [11] [12] [13]
Un variador de frecuencia es un dispositivo utilizado en un sistema de variador que consta de los siguientes tres subsistemas principales: motor de CA, conjunto del controlador del variador principal e interfaz variador/operador. [2] : 210–211 [4]
El motor eléctrico de CA utilizado en un sistema VFD suele ser un motor de inducción trifásico . Algunos tipos de motores monofásicos o motores síncronos pueden resultar ventajosos en algunas situaciones, pero generalmente se prefieren los motores de inducción trifásicos por ser los más económicos. A menudo se utilizan motores diseñados para funcionamiento a velocidad fija. Las tensiones de voltaje elevado impuestas a los motores de inducción alimentados por VFD requieren que dichos motores estén diseñados para funcionar con un inversor de propósito definido de acuerdo con requisitos como la Parte 31 de la norma NEMA MG-1. [14] [15]
El controlador VFD es un sistema de conversión de electrónica de potencia de estado sólido que consta de tres subsistemas distintos: un convertidor de puente rectificador , un enlace de corriente continua (CC) y un inversor. Las unidades de inversor de fuente de voltaje (VSI) (consulte la subsección 'Topologías genéricas' a continuación) son, con diferencia, el tipo de unidades más común. La mayoría de los variadores son variadores de CA-CA porque convierten la entrada de línea de CA en salida del inversor de CA. Sin embargo, en algunas aplicaciones, como el bus de CC común o las aplicaciones solares , los variadores se configuran como variadores de CC-CA. El convertidor rectificador más básico para el variador VSI está configurado como un puente de diodos de onda completa , trifásico y de seis pulsos . En un variador VSI, el enlace de CC consta de un condensador que suaviza la ondulación de salida de CC del convertidor y proporciona una entrada rígida al inversor. Este voltaje de CC filtrado se convierte en una salida de voltaje de CA casi sinusoidal utilizando los elementos de conmutación activos del inversor. Los variadores VSI proporcionan un mayor factor de potencia y una menor distorsión armónica que los variadores de inversor de fuente de corriente (CSI) controlados por fase y los variadores de inversor de carga conmutada (LCI) (consulte la subsección 'Topologías genéricas' a continuación). El controlador de accionamiento también se puede configurar como un convertidor de fase que tiene una entrada de convertidor monofásico y una salida de inversor trifásico. [dieciséis]
Los avances en materia de controladores han aprovechado aumentos espectaculares en las clasificaciones de tensión y corriente y en la frecuencia de conmutación de los dispositivos de potencia de estado sólido durante las últimas seis décadas. Introducido en 1983, [17] el transistor bipolar de puerta aislada (IGBT) ha llegado a dominar en las últimas dos décadas los VFD como dispositivo de conmutación inversor. [18] [19] [20]
En aplicaciones de par variable adecuadas para el control del variador de voltios por hercio (V/Hz), las características del motor de CA requieren que la magnitud del voltaje de la salida del inversor al motor se ajuste para que coincida con el par de carga requerido en una relación lineal V/Hz. . Por ejemplo, para motores de 460 V, 60 Hz, esta relación lineal V/Hz es 460/60 = 7,67 V/Hz. Si bien es adecuado en una amplia gama de aplicaciones, el control V/Hz no es óptimo en aplicaciones de alto rendimiento que implican baja velocidad o requisitos exigentes de regulación de velocidad dinámica, posicionamiento y carga inversa. Algunos variadores de control de V/Hz también pueden funcionar en modo V/Hz cuadrático o incluso pueden programarse para adaptarse a rutas V/Hz multipunto especiales. [21] [22]
Las otras dos plataformas de control de accionamiento, control vectorial y control de par directo (DTC), ajustan la magnitud del voltaje del motor, el ángulo desde la referencia y la frecuencia [23] para controlar con precisión el flujo magnético y el par mecánico del motor.
Aunque la modulación de ancho de pulso por vector espacial (SVPWM) se está volviendo cada vez más popular, [24] la PWM sinusoidal (SPWM) es el método más sencillo utilizado para variar el voltaje (o corriente) y la frecuencia del motor de los variadores. Con el control SPWM (ver Fig. 1), la salida casi sinusoidal de ancho de pulso variable se construye a partir de intersecciones de una señal portadora dentada con una señal sinusoidal moduladora que es variable en frecuencia de operación así como en voltaje (o corriente). ). [18] [25] [26]
Es posible operar los motores por encima de la velocidad nominal indicada en la placa (velocidad base), pero se limita a condiciones que no requieren más potencia que la clasificación nominal del motor. Esto a veces se denomina "debilitamiento de campo" y, para motores de CA, significa operar a menos de V/Hz nominal y a una velocidad superior a la nominal. Los motores síncronos de imanes permanentes tienen un rango de velocidad de debilitamiento de campo bastante limitado debido al enlace de flujo magnético constante . Los motores síncronos de rotor bobinado y los motores de inducción tienen un rango de velocidad mucho más amplio. Por ejemplo, un motor de inducción de 100 HP, 460 V, 60 Hz, 1775 RPM (4 polos) alimentado con 460 V, 75 Hz (6,134 V/Hz), estaría limitado a 60/75 = 80 % de torque al 125 %. velocidad (2218,75 RPM) = 100% de potencia. [27] A velocidades más altas, el par del motor de inducción tiene que limitarse aún más debido a la reducción del par de arranque [a] del motor. Por lo tanto, la potencia nominal normalmente sólo se puede producir hasta un 130-150% de la velocidad nominal nominal. Los motores síncronos de rotor bobinado pueden funcionar a velocidades aún mayores. En los accionamientos de los trenes de laminación, a menudo se utiliza entre el 200 y el 300 % de la velocidad base. La resistencia mecánica del rotor limita la velocidad máxima del motor.
Un microprocesador integrado gobierna el funcionamiento general del controlador VFD. La programación básica del microprocesador se proporciona como firmware inaccesible para el usuario . Se proporciona programación de usuario de parámetros de visualización , variables y bloques de funciones para controlar, proteger y monitorear el VFD, el motor y el equipo accionado. [18] [28]
El controlador de accionamiento básico se puede configurar para incluir selectivamente los componentes y accesorios de alimentación opcionales de la siguiente manera:
La interfaz del operador proporciona un medio para que un operador arranque y detenga el motor y ajuste la velocidad de operación. El VFD también puede controlarse mediante un controlador lógico programable a través de Modbus u otra interfaz similar. Las funciones adicionales de control del operador pueden incluir la inversión y el cambio entre el ajuste manual de la velocidad y el control automático desde una señal de control de proceso externo . La interfaz del operador a menudo incluye una pantalla alfanumérica o luces indicadoras y medidores para proporcionar información sobre el funcionamiento del variador. A menudo se proporciona un teclado de interfaz del operador y una unidad de visualización en la parte frontal del controlador VFD, como se muestra en la fotografía de arriba. La pantalla del teclado a menudo se puede conectar por cable y montar a poca distancia del controlador VFD. La mayoría también cuentan con terminales de entrada y salida (E/S) para conectar botones pulsadores, interruptores y otros dispositivos de interfaz del operador o señales de control. A menudo también está disponible un puerto de comunicaciones en serie para permitir configurar, ajustar, monitorear y controlar el VFD mediante una computadora. [18] [31] [32]
Hay dos formas principales de controlar la velocidad de un VFD; conectados en red o cableados. Conectado en red implica transmitir la velocidad deseada a través de un protocolo de comunicación como Modbus , Modbus / TCP , EtherNet/IP o mediante un teclado utilizando la interfaz serie de pantalla , mientras que cableado implica un medio de comunicación puramente eléctrico. Los medios típicos de comunicación por cable son: 4-20 mA , 0-10 V CC o utilizar la fuente de alimentación interna de 24 V CC con un potenciómetro . La velocidad también se puede controlar de forma remota y local. El control remoto le indica al VFD que ignore los comandos de velocidad del teclado, mientras que el control local le indica al VFD que ignore el control externo y solo respete el teclado.
Dependiendo del modelo, los parámetros operativos de un VFD se pueden programar mediante: software de programación dedicado, teclado interno, teclado externo o tarjeta SD. Los VFD a menudo bloquean la mayoría de los cambios de programación mientras se ejecutan. Los parámetros típicos que deben configurarse incluyen: información de la placa de identificación del motor, fuente de referencia de velocidad, fuente de control de encendido/apagado y control de frenado. También es común que los VFD proporcionen información de depuración, como códigos de falla y los estados de las señales de entrada.
La mayoría de los VFD permiten habilitar el inicio automático. Lo cual conducirá la salida a una frecuencia designada después de un ciclo de energía, o después de que se haya solucionado una falla, o después de que se haya restaurado la señal de parada de emergencia (generalmente las paradas de emergencia son lógicas bajas activas). Una forma popular de controlar un VFD es habilitar el inicio automático y colocar L1, L2 y L3 en un contactor. Al encender el contactor, se enciende el variador y se hace funcionar a una velocidad designada. Dependiendo de la sofisticación del variador, se pueden desarrollar múltiples comportamientos de arranque automático, por ejemplo, el variador arranca automáticamente al encenderse, pero no arranca automáticamente después de borrar una parada de emergencia hasta que se haya realizado un reinicio.
Con referencia al cuadro adjunto, las aplicaciones de accionamiento se pueden clasificar como de un solo cuadrante, de dos cuadrantes o de cuatro cuadrantes; Los cuatro cuadrantes del gráfico se definen de la siguiente manera: [33] [34] [35]
La mayoría de las aplicaciones implican cargas de un solo cuadrante que operan en el cuadrante I, como en cargas de par variable (por ejemplo, bombas centrífugas o ventiladores) y ciertas cargas de par constante (por ejemplo, extrusoras).
Ciertas aplicaciones implican cargas de dos cuadrantes que funcionan en los cuadrantes I y II, donde la velocidad es positiva pero el par cambia de polaridad , como en el caso de un ventilador que desacelera más rápido que las pérdidas mecánicas naturales. Algunas fuentes definen las unidades de dos cuadrantes como cargas que operan en los cuadrantes I y III donde la velocidad y el par tienen la misma polaridad (positiva o negativa) en ambas direcciones.
Ciertas aplicaciones de alto rendimiento implican cargas de cuatro cuadrantes (cuadrantes I a IV) donde la velocidad y el par pueden estar en cualquier dirección, como en polipastos, elevadores y transportadores montañosos. La regeneración sólo puede ocurrir en el bus de enlace de CC del variador cuando el voltaje del inversor es menor en magnitud que el contra- EMF del motor y el voltaje del inversor y el contra-EMF tienen la misma polaridad. [37]
Al arrancar un motor, un VFD aplica inicialmente una frecuencia y un voltaje bajos, evitando así la alta corriente de entrada asociada con el arranque directo . Después del inicio del VFD, la frecuencia y el voltaje aplicados aumentan a un ritmo controlado o aumentan para acelerar la carga. Este método de arranque generalmente permite que un motor desarrolle el 150 % de su par nominal mientras que el VFD consume menos del 50 % de su corriente nominal de la red eléctrica en el rango de baja velocidad. Se puede ajustar un VFD para producir un par de arranque constante del 150% desde parado hasta la velocidad máxima. [38] Sin embargo, la refrigeración del motor se deteriora y puede provocar un sobrecalentamiento a medida que la velocidad disminuye, de modo que normalmente no es posible un funcionamiento prolongado a baja velocidad con un par significativo sin una ventilación con ventilador motorizado por separado.
Con un VFD, la secuencia de parada es justo la opuesta a la secuencia de inicio. La frecuencia y el voltaje aplicados al motor se reducen a un ritmo controlado. Cuando la frecuencia se acerca a cero, el motor se apaga. Está disponible una pequeña cantidad de par de frenado para ayudar a desacelerar la carga un poco más rápido de lo que se detendría si el motor simplemente se apagara y se le permitiera funcionar por inercia. Se puede obtener un par de frenado adicional agregando un circuito de frenado (resistencia controlada por un transistor) para disipar la energía de frenado. Con un rectificador de cuatro cuadrantes (frente activo), el VFD puede frenar la carga aplicando un par inverso e inyectando la energía de regreso a la línea de CA.
Muchas aplicaciones de carga de motores de velocidad fija que se suministran directamente desde la línea de alimentación de CA pueden ahorrar energía cuando funcionan a velocidad variable mediante un VFD. Estos ahorros de costos de energía son especialmente pronunciados en aplicaciones de bombas y ventiladores centrífugos de par variable, donde el par y la potencia de la carga varían con el cuadrado y el cubo , respectivamente, de la velocidad. Este cambio proporciona una gran reducción de potencia en comparación con la operación de velocidad fija para una reducción de velocidad relativamente pequeña. Por ejemplo, a una velocidad del 63%, la carga de un motor consume sólo el 25% de su potencia a máxima velocidad. Esta reducción está de acuerdo con las leyes de afinidad que definen la relación entre varias variables de carga centrífuga.
En Estados Unidos, se estima que entre el 60% y el 65% de la energía eléctrica se utiliza para alimentar motores, de los cuales el 75% son cargas de ventiladores, bombas y compresores de par variable. [39] El dieciocho por ciento de la energía utilizada en los 40 millones de motores en los EE. UU. podría ahorrarse mediante tecnologías eficientes de mejora de la energía, como los VFD. [40] [41]
Sólo alrededor del 3% de la base total instalada de motores de CA cuentan con variadores de velocidad. [42] Sin embargo, se estima que la tecnología de accionamiento se adopta en hasta un 30-40% de todos los motores recién instalados. [43]
En la siguiente tabla se muestra un desglose del consumo de energía de la población mundial de instalaciones de motores de CA:
Los variadores de velocidad se utilizan para lograr mejoras en los procesos y la calidad en la aceleración, el flujo, el monitoreo, la presión, la velocidad, la temperatura, la tensión y el torque de las aplicaciones industriales y comerciales. [45]
Las cargas de velocidad fija someten al motor a un alto par de arranque y a picos de corriente que son hasta ocho veces la corriente de carga completa. En cambio, los variadores de velocidad aumentan gradualmente el motor hasta alcanzar la velocidad de funcionamiento para disminuir el estrés mecánico y eléctrico, reducir los costos de mantenimiento y reparación y extender la vida útil del motor y del equipo impulsado.
Los variadores de velocidad también pueden hacer funcionar un motor en patrones especializados para minimizar aún más el estrés mecánico y eléctrico. Por ejemplo, se puede aplicar un patrón de curva en S a una aplicación de transportador para lograr un control de aceleración y desaceleración más suave, lo que reduce el juego que puede ocurrir cuando un transportador está acelerando o desacelerando.
Los factores de rendimiento que tienden a favorecer el uso de variadores de CC sobre los de CA incluyen requisitos tales como operación continua a baja velocidad, operación de cuatro cuadrantes con regeneración, rutinas frecuentes de aceleración y desaceleración y la necesidad de que el motor esté protegido para un área peligrosa. [46] La siguiente tabla compara los variadores de CA y CC según ciertos parámetros clave: [47] [48] [49]
^ Inyección de alta frecuencia
Los convertidores de frecuencia se pueden clasificar según las siguientes topologías genéricas: [c] [50] [51]
La mayoría de las unidades utilizan una o más de las siguientes plataformas de control: [50] [57]
Los variadores de frecuencia también se clasifican según las siguientes características de potencia y par de carga:
Los VFD están disponibles con clasificaciones de voltaje y corriente que cubren una amplia gama de motores de CA monofásicos y multifásicos. Los variadores de baja tensión (BT) están diseñados para funcionar con voltajes de salida iguales o inferiores a 690 V. Si bien los variadores de baja tensión para aplicaciones de motor están disponibles en potencias de hasta 5 o 6 MW, [58] las consideraciones económicas suelen favorecer variadores de media tensión (MT) con potencias nominales mucho más bajas. Las diferentes topologías de variadores de MT (consulte la Tabla 2) se configuran de acuerdo con las clasificaciones de combinación de voltaje/corriente utilizadas en los diferentes dispositivos de conmutación de los controladores de variadores [59] , de modo que cualquier clasificación de voltaje dada sea mayor o igual a uno del siguiente valor nominal estándar. Clasificaciones de voltaje del motor: generalmente 2+3 ⁄ 4 ,16 kV (60 Hz) o 3+3 ⁄ 6 ,6 kV (50 Hz), con un fabricante de tiristores clasificado para conmutación de hasta 12 kV. En algunas aplicaciones , se coloca un transformador elevadorLos variadores de MT suelen estar clasificados para aplicaciones de motores de entre 375 y 750 kW (503 y 1006 hp). Históricamente, los variadores de media tensión han requerido un esfuerzo de diseño de aplicaciones considerablemente mayor que el requerido para las aplicaciones de variadores de baja tensión. [60] [61] La potencia nominal de los variadores MV puede alcanzar los 100 MW (130 000 hp), y se involucra una variedad de diferentes topologías de variadores para diferentes requisitos de clasificación, rendimiento, calidad de energía y confiabilidad. [62] [63] [64]
Por último, es útil relacionar los VFD en términos de las dos clasificaciones siguientes:
Nota de aclaración:. [F]
Mientras que los armónicos en la salida PWM se pueden filtrar fácilmente mediante una inductancia de filtro relacionada con la frecuencia portadora para suministrar corrientes casi sinusoidales a la carga del motor, [25] el rectificador de puente de diodos del VFD convierte el voltaje de línea de CA en salida de voltaje de CC superponiendo pulsos de corriente semifásicos no lineales , creando así una distorsión armónica de la corriente y, por tanto, una distorsión de la tensión, de la entrada de la línea de CA. Cuando las cargas del VFD son relativamente pequeñas en comparación con el sistema de energía grande y rígido disponible de la compañía de energía eléctrica , los efectos de la distorsión armónica del VFD de la red de CA a menudo pueden estar dentro de límites aceptables. Además, en las redes de baja tensión, los armónicos causados por equipos monofásicos, como ordenadores y televisores, son parcialmente cancelados por los armónicos del puente de diodos trifásicos porque sus armónicos 5.º y 7.º están en contrafase. [72] Sin embargo, cuando la proporción de VFD y otras cargas no lineales en comparación con la carga total o de carga no lineal en comparación con la rigidez en la fuente de alimentación de CA, o ambas, es relativamente grande, la carga puede tener un efecto negativo. impacto en la forma de onda de energía CA disponible para otros clientes de compañías eléctricas en la misma red.
Cuando el voltaje de la compañía eléctrica se distorsiona debido a armónicos, aumentan las pérdidas en otras cargas, como los motores de CA normales de velocidad fija. Esta condición puede provocar sobrecalentamiento y una vida útil más corta. Además, los transformadores de las subestaciones y los condensadores de compensación se ven afectados negativamente. En particular, los condensadores pueden causar condiciones de resonancia que pueden magnificar inaceptablemente los niveles armónicos. Para limitar la distorsión de voltaje, es posible que se requiera que los propietarios de cargas VFD instalen equipos de filtrado para reducir la distorsión armónica por debajo de los límites aceptables. Alternativamente, la empresa de servicios públicos puede adoptar una solución instalando su propio equipo de filtrado en las subestaciones afectadas por la gran cantidad de equipos VFD que se utilizan. En instalaciones de alta potencia, la distorsión armónica se puede reducir suministrando VFD de puente rectificador de pulsos múltiples desde transformadores con múltiples devanados desfasados. [73]
También es posible reemplazar el puente rectificador de diodos estándar con un puente de dispositivo de conmutación IGBT bidireccional que refleja el inversor estándar que utiliza la salida del dispositivo de conmutación IGBT al motor. Estos rectificadores reciben varias designaciones que incluyen convertidor de alimentación activo (AIC), rectificador activo , unidad de suministro IGBT (ISU), extremo frontal activo (AFE) u operación de cuatro cuadrantes. Con control PWM y un reactor de entrada adecuado, la forma de onda de corriente de línea CA de un AFE puede ser casi sinusoidal. AFE regenera inherentemente energía en modo de cuatro cuadrantes desde el lado de CC hasta la red de CA. Por lo tanto, no se necesita resistencia de frenado y la eficiencia del variador mejora si se requiere que el variador frene el motor con frecuencia.
Otras dos técnicas de mitigación de armónicos aprovechan el uso de filtros pasivos o activos conectados a un bus común con al menos una carga derivada de VFD en el bus. Los filtros pasivos implican el diseño de una o más trampas de filtro LC de paso bajo , cada trampa siendo sintonizada según sea necesario a una frecuencia armónica (5.º, 7.º, 11.º, 13.º,... kq+/-1, donde k=entero, q= número de impulsos del convertidor). [74]
Es una práctica muy común que las compañías eléctricas o sus clientes impongan límites de distorsión armónica basados en los estándares IEC o IEEE . Por ejemplo, los límites del estándar IEEE 519 en el punto de conexión del cliente exigen que el armónico de voltaje de frecuencia individual máximo no sea más del 3 % del fundamental y exigen que la distorsión armónica total (THD) del voltaje no sea más del 5 % para un Sistema general de suministro de energía CA. [75]
Una unidad utiliza una configuración de frecuencia de conmutación predeterminada de 4 kHz. La reducción de la frecuencia de conmutación del variador (la frecuencia portadora) reduce el calor generado por los IGBT . [76]
Se utiliza una frecuencia portadora de al menos diez veces la frecuencia de salida deseada para establecer los intervalos de conmutación PWM. Una frecuencia portadora en el rango de 2000 a 16 000 Hz es común para los VFD LV [bajo voltaje, menos de 600 voltios CA]. Una frecuencia portadora más alta produce una mejor aproximación de la onda sinusoidal pero genera mayores pérdidas de conmutación en el IGBT, lo que disminuye la eficiencia general de conversión de energía. [77]
Algunas unidades tienen una función de suavizado de ruido que se puede activar para introducir una variación aleatoria en la frecuencia de conmutación. Esto distribuye el ruido acústico en un rango de frecuencias para reducir la intensidad máxima del ruido.
El voltaje de salida pulsado de frecuencia portadora de un VFD PWM provoca tiempos de aumento rápidos en estos pulsos, cuyos efectos en la línea de transmisión deben considerarse. Dado que la impedancia de la línea de transmisión del cable y del motor es diferente, los pulsos tienden a reflejarse desde los terminales del motor hacia el cable. Las reflexiones resultantes pueden producir sobretensiones iguales al doble del voltaje del bus de CC o hasta 3,1 veces el voltaje de línea nominal para tramos de cable largos, lo que genera una gran tensión en el cable y los devanados del motor, y eventualmente falla en el aislamiento. Las normas de aislamiento para motores trifásicos de 230 V o menos protegen adecuadamente contra este tipo de sobretensiones de cables largos. En sistemas e inversores de 460 V o 575 V con IGBT de tercera generación con tiempo de subida de 0,1 microsegundos, la distancia de cable máxima recomendada entre el VFD y el motor es de aproximadamente 50 mo 150 pies. Para las unidades emergentes alimentadas por MOSFET de SiC, se han observado sobretensiones significativas en longitudes de cable de tan solo 3 metros. [78] Las soluciones a las sobretensiones causadas por cables de gran longitud incluyen minimizar la longitud del cable, reducir la frecuencia portadora, instalar filtros dV/dt y utilizar motores con clasificación de servicio inversor (que tienen una clasificación de 600 V para soportar trenes de impulsos con un tiempo de subida menor o igual a 0,1 microsegundos, de magnitud máxima de 1.600 V) e instalación de filtros de onda sinusoidal de paso bajo LCR. [79] [80] [81] [82] La selección de la frecuencia portadora PWM óptima para variadores de CA implica equilibrar el ruido, el calor, la tensión del aislamiento del motor, el daño de la corriente del cojinete del motor inducido por voltaje en modo común, el funcionamiento suave del motor y otros factores. Se puede obtener una mayor atenuación de armónicos utilizando un filtro de onda sinusoidal de paso bajo LCR o un filtro dV/dt. [83] [84] [85] [86]
Es probable que las frecuencias portadoras superiores a 5 kHz provoquen daños en los rodamientos a menos que se tomen medidas de protección. [87]
Los variadores PWM están inherentemente asociados con voltajes y corrientes de modo común de alta frecuencia que pueden causar problemas con los cojinetes del motor. [88] Cuando estos voltajes de alta frecuencia encuentran un camino a tierra a través de un rodamiento, se produce transferencia de metal o chispas de mecanizado por descarga eléctrica (EDM) entre la bola del rodamiento y la pista del rodamiento. Con el tiempo, las chispas basadas en electroerosión provocan erosión en la pista del rodamiento que puede verse como un patrón de estrías. En motores grandes, la capacitancia parásita de los devanados proporciona caminos para corrientes de alta frecuencia que pasan a través de los extremos del eje del motor, lo que genera un tipo de corriente circulante en los cojinetes. Una mala conexión a tierra de los estatores del motor puede provocar corrientes en los cojinetes entre el eje y tierra. Los motores pequeños con equipos accionados mal conectados a tierra son susceptibles a corrientes de alta frecuencia en los cojinetes. [89]
La prevención de daños por corrientes de rodamientos de alta frecuencia utiliza tres enfoques: buenas prácticas de cableado y puesta a tierra, interrupción de las corrientes de los rodamientos y filtrado o amortiguación de corrientes de modo común mediante bobinas de modo común. Las buenas prácticas de cableado y conexión a tierra pueden incluir el uso de cables de alimentación blindados de geometría simétrica para alimentar el motor, la instalación de escobillas de conexión a tierra del eje y grasa conductiva para cojinetes. Las corrientes de los rodamientos pueden interrumpirse mediante la instalación de rodamientos aislados y motores de inducción con protección electrostática especialmente diseñados. El filtrado y la amortiguación de los rodamientos de alta frecuencia se pueden realizar mediante la inserción de núcleos magnéticos blandos sobre las tres fases, lo que proporciona una impedancia de alta frecuencia contra las corrientes de modo común o de los rodamientos del motor. Otro enfoque es utilizar, en lugar de variadores de frecuencia estándar de 2 niveles, utilizar variadores de frecuencia de 3 niveles o convertidores matriciales. [89] [90]
El par generado por el variador hace que el motor de inducción funcione a velocidad síncrona menos deslizamiento. Si la carga impulsa el motor más rápido que la velocidad síncrona, el motor actúa como un generador , convirtiendo la energía mecánica nuevamente en energía eléctrica. Esta energía regresa al elemento del enlace de CC del variador (condensador o reactor). Un interruptor de alimentación electrónico conectado a un enlace de CC o un interruptor de CC de frenado controla la disipación de esta energía en forma de calor en un conjunto de resistencias. Se pueden utilizar ventiladores de refrigeración para evitar el sobrecalentamiento de la resistencia. [35]
El frenado dinámico desperdicia energía de frenado transformándola en calor. Por el contrario, los propulsores regenerativos recuperan la energía de frenado inyectando esta energía en la línea de CA. Sin embargo, el coste de capital de los motores regenerativos es relativamente alto. [91]
Los variadores de CA regenerativos tienen la capacidad de recuperar la energía de frenado de una carga que se mueve más rápido que la velocidad designada del motor (una carga de reacondicionamiento ) y devolverla al sistema de energía. [93]
Los variadores cicloconvertidor, Scherbius, matriz, CSI y LCI permiten inherentemente el retorno de energía de la carga a la línea, mientras que los inversores de fuente de voltaje requieren un convertidor adicional para devolver energía al suministro. [94] [95]
La regeneración es útil en VFD solo cuando el valor de la energía recuperada es grande en comparación con el costo adicional de un sistema regenerativo, [94] y si el sistema requiere frenado y arranque frecuentes. Los VFD regenerativos se utilizan ampliamente cuando se requiere control de velocidad de cargas de reacondicionamiento. [2] [3] [96]
Algunos ejemplos:
Sistema de transmisión de velocidad ajustable: combinación interconectada de equipos que proporciona un medio para ajustar la velocidad de una carga mecánica acoplada a un motor., la cita es por definición en la p. 4 de la Publicación de Normas NEMA ICS 7.2-2021.
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