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Principio básico: cómo los VFD de bajo voltaje regulan la velocidad y la potencia del motor
un Variador de frecuencia de bajo voltaje (VFD), a menudo denominado variador de velocidad ajustable (ASD), es un componente esencial para controlar la velocidad de rotación de un motor de corriente alterna (CA) mediante la gestión de la energía eléctrica que se le suministra. La designación de "bajo voltaje" generalmente se aplica a los VFD que funcionan con voltajes industriales estándar de hasta 690 V. La operación fundamental se basa en variar la frecuencia y el voltaje simultáneamente, manteniendo una relación voltaje-frecuencia (V/f) constante para garantizar que el flujo magnético del motor permanezca constante y pueda entregar el par requerido.
El VFD convierte internamente la alimentación de CA entrante en corriente continua (CC) mediante una sección rectificadora, generalmente un puente de diodos. Esta potencia de CC es luego filtrada por un banco de condensadores de enlace de CC, que suaviza la energía. Finalmente, una sección de inversor, que generalmente consta de transistores bipolares de puerta aislada (IGBT), convierte la CC nuevamente en una forma de onda de CA de voltaje variable y frecuencia variable precisa utilizando una técnica llamada modulación de ancho de pulso (PWM).
Beneficios prácticos y ahorros de costos inmediatos de la implementación de VFD
Los beneficios prácticos de integrar VFD en sistemas industriales y comerciales van más allá del simple control de velocidad, impactando directamente los costos operativos, la vida útil de los equipos y la calidad del proceso. Estas ventajas proporcionan un rápido retorno de la inversión, particularmente en aplicaciones de manejo de fluidos.
Reducción significativa de energía mediante leyes de afinidad
Para cargas centrífugas como bombas y ventiladores, el consumo de energía del motor sigue el cubo de la velocidad (Ley de afinidad). Esto significa que una pequeña reducción de la velocidad da como resultado una reducción masiva de la potencia consumida. Por ejemplo, reducir la velocidad en solo un 20 % (operando a una velocidad del 80 %) reduce el consumo de energía en casi un 50 % ($0,8^3 = 0,512 $). Esta relación proporcional es el principal impulsor de ahorros masivos de energía en instalaciones de HVAC y tratamiento de agua.
Control de procesos y protección de equipos mejorados
Los VFD proporcionan una capacidad de "arranque suave" al acelerar lentamente el motor desde la velocidad cero hasta la velocidad de funcionamiento. Esto elimina la corriente de entrada masiva y el choque mecánico asociados con el arranque 'A través de la línea', donde el motor recibe voltaje completo al instante. Al mitigar la tensión eléctrica y el desgaste mecánico de componentes como engranajes, correas y acoplamientos, el VFD extiende los intervalos de mantenimiento y la vida operativa general del equipo impulsado. Además, el control preciso de la velocidad permite una regulación precisa del flujo, la presión o la temperatura, mejorando la calidad del producto en los procesos de fabricación.
Perfiles comunes de aplicaciones VFD de bajo voltaje
Los VFD de bajo voltaje son versátiles y se implementan en casi todos los sectores industriales. Su aplicación suele clasificarse según el tipo de carga: par variable, par constante o potencia constante.
La siguiente tabla resume las aplicaciones comunes y sus características:
| unpplication Type | Cargas típicas | Perfil de par | Beneficio primario |
| Climatización y bombeo | Ventiladores centrífugos, sopladores, bombas | Par variable (Par $\propto$ Velocidad$^2$) | Máximo Ahorro Energético (Ley de Afinidad) |
| Manejo de materiales | Transportadores, Extrusoras, Mezcladoras | Torque constante (el torque es fijo) | Control preciso de velocidad/posición |
| Máquinas herramienta | Tornos, Fresadoras, Husillos | Potencia constante (Torque inversamente $\propto$ Velocidad) | Amplio rango de velocidades para mecanizado |
Consideraciones prácticas para la selección e instalación de VFD
La selección e instalación adecuadas son cruciales para lograr todos los beneficios de un VFD. Las consideraciones clave incluyen las condiciones ambientales, la compatibilidad del motor y la mitigación de posibles problemas de calidad de la energía.
Tamaño, recintos y factores ambientales
El VFD debe tener el tamaño correcto según la clasificación de corriente de carga completa (FLA) del motor y, a menudo, debe sobredimensionarse ligeramente para aplicaciones con ciclos de trabajo exigentes o requisitos de par de arranque elevados. El tipo de gabinete debe ser adecuado para el entorno, desde NEMA 1 (uso general, interior) hasta NEMA 4X (resistente a la corrosión, exterior/lavable). El VFD genera calor, por lo que un espacio libre de refrigeración adecuado y un control de la temperatura ambiente son obligatorios para un funcionamiento fiable.
Mitigar la calidad de la energía y los problemas armónicos
La sección rectificadora del VFD consume corriente en pulsos cortos y de alta amplitud, lo que puede introducir distorsión armónica nuevamente en la línea de suministro eléctrico. Esto puede afectar negativamente a otros equipos sensibles. Las estrategias prácticas de mitigación incluyen:
- undding AC Line Reactors on the input side to smooth the incoming current and reduce harmonic content.
- Instalación de inductancias de enlace de CC entre el rectificador y la batería de condensadores para reducir los armónicos y mejorar la estabilidad del bus de CC.
- Utilizar VFD de extremo frontal activo (AFE) o rectificadores de 18 pulsos para aplicaciones donde la distorsión armónica total (THD) muy baja es fundamental, aunque estas opciones aumentan el costo de capital inicial.
undditionally, the high-speed switching of the IGBTs can generate voltage spikes, which may damage the motor windings over time. For longer motor lead lengths (typically over 50 feet), the installation of load reactors or output filters is highly recommended to protect the motor insulation.
