Variadores de frecuencia (VFD) Son componentes esenciales en los sistemas de control de motores, ampliamente utilizados para regular la velocidad, el par y el funcionamiento de los motores eléctricos. Comprender la clasificación de los VFD es importante para seleccionar el sistema adecuado según el rendimiento, la eficiencia y los requisitos de la aplicación. En esta entrada del blog, analizaremos los diferentes tipos de VFD y sus características únicas, lo que le ayudará a tomar una decisión informada al elegir la mejor solución para sus necesidades de control de motores.

1. Clasificación de los VFD por método de conversión de frecuencia

(1) Variador de frecuencia CA-CC-CA

El VFD CA-CC-CA (también conocido como VFD indirecto) Funciona convirtiendo la entrada de CA de la red en CC mediante un rectificador. Esta tensión de CC se convierte de nuevo en CA mediante un inversor, lo que permite controlar tanto la frecuencia como la tensión. Este método se utiliza ampliamente gracias a su versatilidad para gestionar una amplia gama de velocidades y niveles de tensión del motor. El principio básico se muestra en la Figura 1-1.

Figura 1-1 VFD CA-CC-CA

(2) Variador de frecuencia CA-CA

El VFD CA-CA (VFD directo) Es más eficiente en ciertas situaciones, ya que convierte directamente la corriente alterna (CA) en una salida de CA con frecuencia y voltaje variables. El principio básico del VFD CA-CA se muestra en la Figura 1-2. El sistema consta de dos conjuntos de rectificadores de tiristores conectados en paralelo inverso. Los conjuntos positivo e inverso conmutan periódicamente, proporcionando un voltaje de salida alterno uo a través de la carga.

Figura 1-2 VFD CA-CA

Tabla 1-1 Comparación de las características principales entre VFD CA-CA y VFD CA-CC-CA

2. Clasificación de los VFD según el diseño del circuito principal

(1) VFD de tipo voltaje

El circuito principal de un VFD de voltaje se muestra en la Figura 1-3. En este tipo de VFD, El circuito rectificador genera el voltaje de CC necesario para la inversión.Tras el filtrado mediante condensadores de gran tamaño en el enlace de CC intermedio, se obtiene la salida. Gracias al filtro de condensadores de gran tamaño, la forma de onda de la tensión de CC es relativamente plana y, en condiciones ideales, puede considerarse una fuente de tensión con resistencia interna cero. La forma de onda de la tensión de CA de salida de un VFD de tipo tensión suele ser una onda cuadrada o de escalera. comúnmente utilizado en VFD generales que no requieren operación inversa o aceleración/desaceleración rápida.

Figura 1-3 Circuito principal de un VFD de tipo voltaje

(2) VFD de tipo corriente

El circuito principal de un VFD de tipo corriente se muestra en la Figura 1-4. Su característica es el uso de inductores grandes en el enlace de CC intermedio para el filtradoLa forma de onda de la corriente continua (CC) es relativamente plana debido al inductor. Por lo tanto, la impedancia interna de la fuente de CC es alta y puede considerarse una fuente de corriente. La forma de onda de la corriente alterna (CA) de salida suele ser una onda cuadrada o de escalera. La principal ventaja de los variadores de frecuencia (VFD) de corriente es que permiten el funcionamiento en cuatro cuadrantes, lo que facilita la realimentación de energía a la fuente de alimentación. También son más fáciles de manejar en caso de cortocircuitos de carga, lo que los hace... Adecuado para VFD frecuentemente reversibles o de gran capacidad.

Figura 1-4 Circuito principal de un VFD de tipo corriente

En la Tabla 1-2 se muestra una comparación de las características principales entre los variadores de frecuencia de tipo corriente y de tipo voltaje.

3. Clasificación de los VFD según el método de ajuste de voltaje

(1) PAM VFD (modulación de amplitud de pulso)

Modulación de amplitud de pulso (PAM) es un método que ajusta la salida variando la amplitud del voltaje U_d o fuente actual I_d En este método, el inversor solo ajusta la frecuencia de salida, mientras que el rectificador controla la tensión o la corriente de salida. Al ajustar la tensión, la forma de onda de la tensión de salida del VFD se muestra en la Figura 1-5.
El circuito principal de un VFD controlado por PAM Se muestra en la Figura 1-5a.

PAM se utiliza en variadores de frecuencia (VFD) con tensión de circuito intermedio variable. Al controlar la frecuencia, la frecuencia de la tensión de salida se ajusta modificando el ciclo de trabajo del inversor. Durante cada ciclo de trabajo, los dispositivos de conmutación de potencia se activan y desactivan varias veces. Dado que la implementación del circuito PAM es relativamente compleja, ya que requiere el control simultáneo tanto del rectificador como del inversor, y dado que la tensión de CC media tras la rectificación por tiristores no tiene una relación lineal con el ángulo de desfase, coordinar la rectificación y la inversión se vuelve bastante difícil. Por estas razones, este método de modulación no suele adoptarse.

(2) VFD PWM y SPWM (modulación de ancho de pulso y modulación de ancho de pulso sinusoidal)

Modulación por ancho de pulso (PWM) Genera múltiples pulsos dentro de un ciclo de la forma de onda de salida, aproximándose a una forma de onda sinusoidal. Esto resulta en Salida más suave con menos armónicos. El circuito principal de un VFD controlado por PWM Se muestra en la Figura 1-5b. PWM se puede clasificar además en PWM de ancho de pulso fijo y PWM de onda sinusoidal (SPWM).

Figura 1-5 Circuito principal de control PAM y PWM con forma de onda de voltaje de salida
a) Circuito principal de control PAM b) Circuito principal de control PWM

4. VFD clasificados por método de control

Cuando se ajusta un motor de inducción con un VFD, este puede controlar la tensión, la corriente y la frecuencia de alimentación según las características del motor. El rendimiento, las características y la aplicación de los VFD varían según el método de control utilizado. Por lo tanto, los VFD también se pueden clasificar según el método de control.

(1) Control U/f VFD (Control VVVF)

El método de control U/f, también conocido como Control VVVF (voltaje variable, frecuencia variable), implica controlar Tanto la salida de voltaje como la de frecuencia del VFD Para mantener una relación U/f constanteEste método permite un par constante por debajo de la frecuencia base y una potencia constante por encima de ella. El coste del circuito de control de los variadores de frecuencia (VFD) con control U/f es relativamente bajo, lo que los hace adecuados para VFD de uso general con requisitos de precisión menos estrictos.

(2) Control de frecuencia de deslizamiento VFD

El control de frecuencia de deslizamiento es una mejora respecto al control U/f. En los variadores de frecuencia (VFD) que utilizan este método, el convertidor forma un sistema de control de lazo cerrado con retroalimentación de velocidad, junto con el motor y un sensor de velocidad. La frecuencia de salida del convertidor se ajusta automáticamente según la velocidad real del motor y la frecuencia de deslizamiento, lo que permite controlar el par de salida mientras se regula la velocidad. Este método de control es de lazo cerrado, por lo que, en comparación con el control U/f, permite mantener una mayor precisión de velocidad y mejores características de par incluso con cambios significativos de carga. Sin embargo, dado que este método de control requiere la instalación de un sensor de velocidad en el motor y el deslizamiento debe ajustarse según las características del motor, su versatilidad es relativamente baja.

(3) Control vectorial VFD

El principio del control vectorial consiste en descomponer la corriente del estator de un motor de inducción de CA en dos componentes: la corriente de magnetización (que genera flujo) y la corriente que genera par. Ambos componentes se controlan por separado. El control vectorial mejora significativamente el rendimiento dinámico y permite un control de par más preciso, comparable a los sistemas de control de velocidad de motores de CC. Variadores de frecuencia de control vectorial Se utilizan ampliamente en aplicaciones de control de precisión.

5. Clasificación de los VFD por aplicación

(1) VFD de propósito general

VFD de propósito general Permite ajustar la velocidad de los motores de inducción estándar. Se clasifican en dos tipos: VFD de propósito general, sencillos y de bajo costo y VFD multifuncionales de propósito general y alto rendimiento.

Los variadores de frecuencia (VFD) simples están diseñados para ahorrar energía y se utilizan principalmente en aplicaciones como bombas y ventiladores, donde los requisitos de rendimiento del control de velocidad no son elevados. Ofrecen ventajas como su tamaño compacto y un menor coste.

Los variadores de frecuencia (VFD) multifuncionales de alto rendimiento están diseñados para satisfacer diversas necesidades, con funciones de hardware y software más avanzadas. Son adecuados para aplicaciones como transportadores, polipastos, máquinas herramienta y vehículos eléctricos, donde se requiere mayor rendimiento y funcionalidad.

(2) VFD dedicado de alto rendimiento

Los variadores de frecuencia dedicados de alto rendimiento adoptan control vectorial para ofrecer un rendimiento que iguala o supera al de los sistemas de control de velocidad de motores de CC. Estos variadores suelen estar diseñados para industrias específicas, como la metalurgia, las máquinas CNC y los ascensores, donde se requiere optimizar el rendimiento y la rentabilidad.

(3) VFD de alta frecuencia

Los VFD de alta frecuencia se utilizan para controlar motores de alta velocidad en aplicaciones que requieren ultraprecisión, como en el mecanizado de alta gama.

(4) VFD monofásico y trifásico

Finalmente, los variadores de frecuencia (VFD) están disponibles en versiones monofásicas y trifásicas, según el tipo de motor que controlen. La principal diferencia radica en el diseño del circuito: los VFD trifásicos ofrecen mayor eficiencia para aplicaciones de alta capacidad.

Para conocer la estructura del circuito y el principio de funcionamiento de los VFD, consulte Fundamentos de los variadores de frecuencia de uso general: estructura y principio de funcionamiento.

Conclusión:

Comprender las diferentes clasificaciones y características de los variadores de frecuencia (VFD) es crucial para seleccionar la solución de control de motores adecuada. Ya sea que busque un VFD rentable para uso general o un variador de alto rendimiento para control de precisión, existe una amplia gama de VFD diseñados para satisfacer necesidades específicas. Al considerar factores como los métodos de conversión de frecuencia, las técnicas de ajuste de voltaje, los métodos de control y los requisitos de la aplicación, puede tomar una decisión informada que garantice un rendimiento óptimo y la eficiencia energética de sus sistemas de motor.