Variadores de frecuencia PWM: cómo controlan la velocidad del motor de manera eficiente

Qué son los variadores de frecuencia PWM y cómo funcionan

Los variadores de frecuencia (VFD) PWM son dispositivos electrónicos de conversión de energía que controlan la velocidad y el par del motor de CA variando la frecuencia y el voltaje suministrados al motor. Estos variadores utilizan modulación de ancho de pulso para convertir energía de CA de voltaje fijo y frecuencia fija en salida de voltaje variable y frecuencia variable. , lo que permite un control preciso del motor y al mismo tiempo reduce el consumo de energía entre un 20 y un 50 % en comparación con los métodos tradicionales de control del motor.

La técnica PWM funciona activando y desactivando rápidamente transistores a frecuencias típicamente entre 2 kHz y 16 kHz. Al ajustar el ancho de estos pulsos, el variador controla el voltaje promedio entregado al motor. Cuando se combina con la variación de frecuencia, esto crea una aproximación suave de una onda sinusoidal que permite que los motores funcionen de manera eficiente a cualquier velocidad dentro de su rango de diseño.

Los VFD PWM modernos incorporan transistores bipolares de puerta aislada (IGBT) como elementos de conmutación, que han reemplazado a los diseños más antiguos basados ​​en tiristores debido a sus velocidades de conmutación más rápidas y su mayor eficiencia. Un variador típico consta de tres secciones principales: un rectificador que convierte CA en CC, un bus de CC con condensadores de filtrado y un inversor que utiliza PWM para recrear una salida de CA de frecuencia variable.

Componentees clave y arquitectura de los sistemas PWM VFD

Etapa de Rectificación y Bus DC

La sección del rectificador convierte la energía CA trifásica entrante (normalmente 230 V, 460 V o 690 V) en voltaje CC. Los rectificadores de puente de diodos son más comunes en unidades de menos de 500 HP. , mientras que los rectificadores frontales activos con IGBT se utilizan en sistemas más grandes para mejorar el factor de potencia y reducir la distorsión armónica. El voltaje del bus de CC normalmente mide 1,35 veces el voltaje de entrada línea a línea para sistemas trifásicos.

Los grandes condensadores electrolíticos en el bus de CC suavizan las ondulaciones de voltaje y proporcionan almacenamiento de energía durante condiciones de carga transitorias. El tamaño del capacitor afecta directamente la capacidad del variador para manejar energía regenerativa durante la desaceleración del motor, con valores de capacitancia típicos que oscilan entre 1000 μF y 10 000 μF dependiendo de la potencia nominal del variador.

Sección del inversor y control PWM

El inversor contiene seis IGBT dispuestos en tres pares (uno por fase) que conmutan según patrones PWM generados por el microprocesador de control. Cada IGBT puede manejar voltajes de hasta 6500 V y corrientes superiores a 3000 A en unidades de alta potencia. Las frecuencias de conmutación entre 4 kHz y 12 kHz proporcionan el mejor equilibrio entre el rendimiento del motor y las pérdidas de conmutación. , aunque algunas unidades ofrecen frecuencias portadoras ajustables.

La modulación de vector espacial (SVM) se ha convertido en el algoritmo PWM preferido en las unidades modernas, y ofrece una utilización del voltaje del bus de CC un 15 % mejor en comparación con los métodos tradicionales de PWM de triángulo sinusoidal. Esto da como resultado una mayor capacidad de voltaje de salida y un contenido reducido de armónicos en la corriente del motor.

Métodos de control y optimización del rendimiento.

Control escalar V/Hz

El control escalar mantiene una relación voltaje-frecuencia constante para preservar el flujo del motor en niveles óptimos en todo el rango de velocidades. Este método es adecuado para aplicaciones que requieren regulación de velocidad dentro de ±0,5% sin retroalimentación de posición. , como ventiladores, bombas y transportadores. El algoritmo de control ajusta el voltaje de salida proporcionalmente a la frecuencia, normalmente manteniendo 460 V a 60 Hz y escalando linealmente hasta aproximadamente 10 Hz.

La compensación de aumento de voltaje a bajas frecuencias supera la caída de voltaje resistivo en los devanados del motor. Sin este impulso, los motores perderían capacidad de par por debajo de 10 Hz. Los variadores modernos calculan automáticamente los valores de impulso en función de los parámetros del motor, aunque el ajuste manual puede mejorar el rendimiento para aplicaciones específicas.

Control vectorial para aplicaciones de precisión

El control orientado a campo (FOC) o control vectorial separa la corriente del motor en componentes que producen torque y componentes que producen flujo, lo que permite una precisión del control de torque dentro de ±2 % y una regulación de velocidad de ±0,01 %. El control vectorial sin sensores puede ofrecer un par del 200 % a velocidad cero , lo que lo hace ideal para polipastos, extrusoras y máquinas herramienta donde el funcionamiento preciso a baja velocidad es fundamental.

El algoritmo de control requiere parámetros precisos del motor, incluidos la resistencia del estator, la resistencia del rotor y los valores de inductancia. Las rutinas de autoajuste hacen funcionar el motor a través de secuencias de prueba que duran entre 30 y 120 segundos para medir estos parámetros. Para el control vectorial basado en codificador, la regulación de velocidad mejora a ±0,002 % con tiempos de respuesta de par inferiores a 2 milisegundos.

Análisis de eficiencia energética y ahorro de energía

Los variadores de frecuencia PWM ofrecen ahorros sustanciales de energía en aplicaciones de par variable donde la carga varía con la velocidad. Las bombas centrífugas y los ventiladores que siguen leyes de afinidad pueden lograr una reducción de energía del 50 % cuando funcionan a una velocidad del 80 %. , ya que el consumo de energía disminuye con el cubo de la relación de velocidad. Un motor de ventilador de 100 HP funcionando al 80% de velocidad consume sólo 51,2 kW en lugar de 74,6 kW a máxima velocidad.

Los datos de instalación del mundo real demuestran retornos de la inversión mensurables. Una planta de fabricación en Michigan reemplazó las válvulas de mariposa con VFD en seis bombas de 50 HP en 2019, lo que redujo el consumo anual de energía en 425 000 kWh y ahorró $38 250 en costos de electricidad. El coste de instalación de 84.000 dólares se amortizó en 2,2 años.

Métricas de eficiencia en todas las condiciones de carga

Los VFD PWM modernos mantienen una eficiencia superior al 96 % entre el 50 % y el 100 % de la carga cuando tienen el tamaño adecuado. Las pérdidas de accionamiento consisten en pérdidas de conmutación en IGBT (40-50%), pérdidas de conducción (30-35%) y consumo del circuito de control (15-20%). El aumento de la frecuencia portadora de 4 kHz a 12 kHz reduce las pérdidas del motor en un 15 % pero aumenta las pérdidas del variador en un 8 %. , lo que requiere una optimización basada en la longitud del cable y las características del motor.

Consideraciones de instalación y requisitos de cables

La selección adecuada del cable entre el VFD y el motor afecta significativamente el rendimiento y la confiabilidad del sistema. Los variadores PWM generan altos dv/dt (tasas de aumento de voltaje de 2-10 kV/μs) que pueden causar corrientes en los cojinetes del motor e interferencias electromagnéticas. si los cables no están correctamente especificados. Las prácticas de instalación estándar limitan el recorrido del cable a 150 pies para cables no blindados y 300 pies para cables blindados en sistemas de 460 V.

El cable blindado o armado con conexión a tierra blindada de 360 ​​grados en el extremo del variador reduce el ruido de modo común entre 20 y 30 dB en comparación con el cable no blindado. Para tramos que exceden las longitudes recomendadas, los reactores de salida o los filtros du/dt limitan los picos de voltaje que pueden dañar el aislamiento del motor. Un reactor de línea del 3% en la entrada del variador reduce la distorsión armónica de la corriente del 35-40% a menos del 5%, lo que garantiza el cumplimiento de IEEE 519.

Compatibilidad del motor y gestión térmica

Los motores de servicio inversor cuentan con sistemas de aislamiento mejorados clasificados para un voltaje máximo de 1600 V, mientras que los motores estándar están diseñados para un voltaje máximo de 1000 V. Hacer funcionar motores estándar en variadores PWM a velocidades reducidas requiere una reducción de potencia o refrigeración auxiliar, ya que los ventiladores internos proporcionan un flujo de aire insuficiente por debajo de 30 Hz. Un motor que funciona continuamente a 25 Hz necesita ventilación forzada externa o una reducción de potencia del 15 al 20 % para evitar el sobrecalentamiento. .

La selección del gabinete de la unidad afecta el rendimiento térmico y la vida útil de los componentes. Los gabinetes interiores NEMA 1 se adaptan a ambientes con clima controlado, mientras que NEMA 12 brinda protección contra el polvo y el goteo para entornos industriales. Agregar un ventilador de refrigeración extiende la vida útil del capacitor de 5 a 7 años a 10 a 12 años al mantener la temperatura ambiente por debajo de 40°C.

Aplicaciones comunes y beneficios específicos de la industria

Los variadores de frecuencia PWM sirven a diversos sectores industriales con ventajas específicas de aplicación:

• sistemas de climatización : Los controladores de aire de construcción con control VFD reducen los costos de energía entre un 30 y un 45 % y mantienen la temperatura dentro de ±1 °F. Los sistemas de volumen de aire variable en edificios comerciales logran una ventilación basada en la demanda, reduciendo el consumo anual de energía HVAC entre 2 y 4 dólares por pie cuadrado.
• Agua y aguas residuales : Los sistemas de agua municipales utilizan VFD para mantener una presión constante a pesar de las variaciones en la demanda, eliminando los aumentos repentinos de presión y los golpes de ariete. Una planta de tratamiento de agua típica que opera seis bombas de 200 HP ahorra $125 000 al año después de la modernización del VFD.
• Manipulación de materiales : Los sistemas transportadores se benefician de capacidades de arranque suave que reducen la tensión mecánica y extienden la vida útil de la correa entre un 40% y un 60%. La aceleración controlada limita la irrupción de corriente al 100-150 % de la corriente nominal frente al 600-700 % para los arrancadores de línea.
• Industrias de proceso : Las extrusoras y mezcladoras requieren un control de velocidad preciso dentro de ±0,01% para una calidad constante del producto. Los VFD de control vectorial eliminan los cambios de marcha y los ajustadores de velocidad mecánicos, lo que reduce los costos de mantenimiento entre 15 000 y 30 000 dólares anuales en las líneas de producción.
• Control del compresor : Los compresores de aire de velocidad variable adaptan la producción a la demanda, manteniendo la presión del sistema dentro de ±2 PSI y reduciendo al mismo tiempo el consumo de energía en un 35 % en comparación con los esquemas de control de carga/descarga.

Prácticas recomendadas de mantenimiento y solución de problemas

El mantenimiento regular extiende la vida útil del VFD y previene fallas inesperadas. La degradación del condensador representa el 30% de las fallas de las unidades , lo que hace que las pruebas de condensadores durante las paradas anuales sean esenciales. Los condensadores electrolíticos pierden aproximadamente un 5 % de capacitancia por año a una temperatura de funcionamiento de 40 °C, lo que requiere reemplazo cuando la capacitancia cae por debajo del 85 % del valor nominal o la resistencia en serie equivalente (ESR) excede las especificaciones del fabricante.

Programa de mantenimiento preventivo

1. Tareas mensuales : Verifique el funcionamiento del ventilador de enfriamiento, verifique si hay ruidos o vibraciones anormales, revise los registros de fallas y las horas de funcionamiento en la memoria de la unidad
2. Tareas trimestrales : Inspeccione si hay acumulación de polvo en los disipadores de calor, verifique que la temperatura ambiente se mantenga por debajo de 40 °C, confirme que todas las conexiones de los cables estén apretadas con una llave dinamométrica
3. Tareas anuales : Pruebe los condensadores del bus de CC con un medidor ESR, limpie los componentes internos con aire comprimido filtrado, verifique la resistencia a tierra por debajo de 1 ohmio, actualice el firmware si corresponde
4. Tareas de 3 a 5 años : Reemplace los ventiladores de enfriamiento de manera preventiva, considere el reemplazo del banco de capacitores si la ESR excede el 150% de la especificación original, inspeccione los módulos IGBT para detectar signos de estrés térmico

Diagnóstico de fallas comunes

Comprender los códigos de falla acelera la resolución de problemas. Las fallas de sobrecorriente durante la aceleración generalmente indican configuraciones inadecuadas del tiempo de aceleración o bloqueo mecánico; aumentar el tiempo de aceleración de 10 a 20 segundos a menudo resuelve estas fallas. Las fallas de sobretensión durante la desaceleración sugieren energía regenerativa excesiva; Agregar una resistencia de frenado o extender el tiempo de desaceleración evita que el voltaje del bus de CC exceda los 800 V en sistemas de 480 V.

Los errores de falla a tierra requieren pruebas sistemáticas de los cables. Usando un megaohmímetro de 500 V, la resistencia de aislamiento entre cada fase del motor y tierra debe exceder 1 megaohmio . Las lecturas inferiores a 0,5 megaohmios indican un aislamiento deteriorado que requiere reemplazo del cable o reparación del motor. Las lecturas entre fases por debajo de 10 megaohmios sugieren contaminación por humedad o polvo conductor.

Funciones avanzadas en unidades PWM modernas

La tecnología VFD contemporánea incorpora características sofisticadas que van más allá del control de velocidad básico. Los algoritmos adaptativos ajustan automáticamente los parámetros de control según el rendimiento medido del motor. , compensando cambios de temperatura, variaciones de carga y envejecimiento del motor sin intervención manual. Estas capacidades de autoajuste mantienen una eficiencia óptima a medida que evolucionan las condiciones del sistema.

Capacidades de comunicación e integración

Las redes industriales permiten la supervisión y el control centralizados de múltiples unidades. Los protocolos Ethernet/IP, Modbus TCP y PROFINET proporcionan datos en tiempo real a velocidades de escaneo inferiores a 10 milisegundos, lo que admite aplicaciones de control de movimiento sincronizadas. Una línea de fabricación con 20 VFD puede transmitir parámetros operativos, consumo de energía y datos de diagnóstico a sistemas SCADA para una programación de mantenimiento predictivo.

Las funciones de seguridad integradas que cumplen con los estándares SIL 2 o SIL 3 reemplazan los relés de seguridad externos, lo que reduce el espacio del panel y los costos de cableado entre un 25 y un 35 %. La funcionalidad Safe Torque Off (STO) elimina inmediatamente el voltaje de salida del variador cuando se activan los circuitos de seguridad, logrando la parada del motor sin desgaste del freno mecánico.

Tecnologías de mitigación de armónicos

Los variadores frontales activos con capacidad regenerativa reducen la distorsión armónica total a menos del 3% mientras devuelven energía a la red eléctrica durante la desaceleración del motor. Una instalación con 500 HP de unidades regenerativas puede reducir los costos anuales de electricidad entre 12 000 y 18 000 dólares. en aplicaciones con ciclos frecuentes de arranque y parada. Estas unidades también mejoran el factor de potencia a 0,98 en adelanto o en retraso, eliminando penalizaciones por el factor de potencia de la red pública.