En diversas situaciones puede ser necesario convertir la frecuencia de la corriente de la fuente en una tensión de frecuencia ajustable. Esto es necesario, por ejemplo, cuando se hacen funcionar motores asíncronos para cambiar su velocidad. Este artículo describirá la finalidad y el principio del convertidor de frecuencia.
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Qué es un convertidor de frecuencia
Un convertidor de frecuencia (FC) es un aparato eléctrico que convierte y regula de forma continua una corriente alterna monofásica o trifásica a una frecuencia de 50 Hz a una corriente similar a una frecuencia de 1 a 800 Hz. Estos dispositivos se utilizan ampliamente para controlar el funcionamiento de diversas máquinas eléctricas de tipo asíncrono, por ejemplo, para modificar su velocidad. También existen aparatos para su uso en redes industriales de alta tensión.
Los convertidores sencillos regulan la frecuencia y la tensión según una característica V/f, los dispositivos complejos utilizan el control vectorial.
Un convertidor de frecuencia es un dispositivo técnicamente complejo y no sólo consiste en un convertidor de frecuencia, sino que también tiene protección contra sobrecorriente, sobretensión y cortocircuito. Estos equipos también pueden tener un estrangulador para mejorar la forma de onda y filtros para reducir diversas interferencias electromagnéticas. Se distingue entre convertidores electrónicos y dispositivos electromecánicos.
Principio de funcionamiento de un convertidor de frecuencia
Un convertidor electrónico de frecuencia consta de varios componentes básicos: rectificador, filtro, microprocesador e inversor.
El rectificador tiene un haz de diodos o tiristores, que rectifican la corriente inicial a la entrada del convertidor. Los inversores de diodo se caracterizan por la ausencia total de ondulación y son dispositivos baratos pero fiables. Los convertidores basados en tiristores permiten el flujo de corriente en ambas direcciones y permiten devolver la energía eléctrica a la red cuando el motor se frena.
Filtro se utiliza en las unidades basadas en tiristores para reducir o eliminar la ondulación de la tensión. El suavizado se realiza con filtros capacitivos o inductivos-capacitivos.
El microprocesador - es la unidad de control y evaluación del inversor. Recibe y evalúa las señales de los sensores, lo que permite regular la señal de salida del inversor mediante el regulador PID integrado. Este componente también registra y almacena los datos de los eventos, registra y protege la unidad contra sobrecargas, cortocircuitos, analiza las condiciones de funcionamiento y se apaga en caso de emergencia.
Inversor El control de la tensión y la corriente se utiliza para controlar las máquinas eléctricas, es decir, para ajustar continuamente la frecuencia de la corriente. Este dispositivo produce una salida "sinusoidal pura", lo que permite utilizarlo en muchas aplicaciones industriales.
El principio de funcionamiento de un convertidor electrónico de frecuencia (inversor) es el siguiente:
- La corriente alterna sinusoidal de entrada, monofásica o trifásica, se rectifica mediante un puente de diodos o tiristores;
- Unos filtros especiales (condensadores) filtran la señal para reducir o eliminar las ondas de tensión;
- La tensión se convierte en una onda trifásica con parámetros definidos mediante un microcircuito y un puente de transistores;
- A la salida del inversor, los pulsos rectangulares se convierten en una tensión sinusoidal con parámetros definidos.
Tipos de convertidores de frecuencia
Existen varios tipos de convertidores de frecuencia, que actualmente son los más comunes para su producción y uso:
Convertidores electromecánicos (electroinducción): se utilizan en aplicaciones en las que el uso de convertidores electrónicos de frecuencia no es posible o factible. Se trata de motores asíncronos con rotores bobinados en fase que funcionan en modo generador-convertidor.
Estas unidades son convertidores de control escalar. La salida de esta unidad genera una tensión de una amplitud y frecuencia determinadas para mantener un determinado flujo magnético en los devanados del estator. Se utilizan en aplicaciones en las que no es necesario mantener la velocidad del rotor en función de la carga (bombas, ventiladores y otros equipos).
convertidores electrónicos: ampliamente utilizado en todas las condiciones de funcionamiento para una variedad de equipos. Estos dispositivos están basados en vectores, calculan automáticamente la interacción de los campos magnéticos del estator y del rotor y garantizan una velocidad constante del rotor independientemente de la carga.
- Cicloinversores;
- Cicloinversores;
- Inversores de enlace de CC:
- Convertidor de frecuencia de fuente de corriente;
- Convertidor de frecuencia de una fuente de tensión (con modulación de amplitud o de ancho de pulso).
En términos de aplicación, el equipo puede ser:
- Para equipos de hasta 315 kW;
- convertidores vectoriales para potencias de hasta 500 kW;
- dispositivos a prueba de explosiones para su uso en entornos explosivos y polvorientos;
- convertidores de frecuencia montados en motores eléctricos;
Cada tipo de convertidor de frecuencia tiene ciertas ventajas e inconvenientes y es adecuado para diferentes equipos y cargas, así como para las condiciones de funcionamiento.
El convertidor de frecuencia puede controlarse de forma manual o externa. El control manual se realiza desde el panel de control del convertidor de frecuencia, que puede utilizarse para ajustar la velocidad o detener el funcionamiento. El control externo se realiza mediante sistemas de control automático (ACS), que pueden supervisar todos los parámetros del dispositivo y permitir la conmutación del circuito o del modo de funcionamiento (mediante un convertidor de frecuencia o un bypass). El control externo también permite programar el inversor en función de las condiciones de funcionamiento, la carga y el tiempo, permitiendo que el inversor funcione en modo automático.
Para qué puede necesitar el motor eléctrico un convertidor de frecuencia
El uso de convertidores de frecuencia reduce los costes de energía y de amortización de motores y equipos. Es posible utilizarlos para motores de jaula de ardilla de bajo coste, lo que reduce los costes de producción.
Muchos motores eléctricos están sometidos a condiciones de funcionamiento que cambian con frecuencia (arranques y paradas frecuentes, cargas variables). Los convertidores de frecuencia permiten que el motor arranque suavemente y reducen el par máximo de arranque y el calentamiento del equipo. Esto es importante, por ejemplo, en las máquinas de elevación y reduce los efectos negativos de los arranques repentinos y las paradas bruscas.
Con la ayuda de los convertidores de accionamiento es posible controlar sin problemas el funcionamiento de sopladores, bombas y permite la automatización de los procesos tecnológicos (utilizados en calderas, minas, producción de petróleo y refinerías, en las obras hidráulicas y otras plantas).
El uso de convertidores de frecuencia en transportadores, cintas transportadoras y ascensores puede aumentar la vida útil de sus componentes porque reduce las sacudidas, los golpes y otros factores negativos al arrancar y parar el equipo. Pueden aumentar y disminuir suavemente la velocidad del motor, realizar la inversión, lo que es importante para un gran número de equipos industriales de alta precisión.
Ventajas de los convertidores de frecuencia:
- Reducción de los costes energéticos: gracias a la reducción de las corrientes de entrada y a la regulación de la potencia del motor en función de la carga;
- Aumenta la fiabilidad y la durabilidad del equipo: permite prolongar la vida útil y ampliar los intervalos de mantenimiento;
- Permite introducir el control externo y la gestión de los equipos desde dispositivos informáticos remotos y la capacidad de integrarse en los sistemas de automatización;
- Los convertidores de frecuencia pueden manejar cualquier capacidad de carga (desde un kilovatio hasta decenas de megavatios);
- La presencia de componentes especiales en los convertidores de frecuencia puede proteger contra las sobrecargas, las pérdidas de fase y los cortocircuitos, así como garantizar el funcionamiento seguro y la desconexión de los equipos en caso de emergencia.
Por supuesto, al ver esta lista de beneficios, puede preguntarse por qué no utilizarlos para todos los motores de una planta. La respuesta es obvia, pero es el alto coste de los convertidores de frecuencia, su instalación y puesta en marcha. No todas las empresas pueden permitirse estos costes.
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