¿Alguna vez se ha preguntado cómo funcionan los convertidores de frecuencia y por qué son esenciales en los sistemas eléctricos modernos? Este artículo se sumerge en 40 preguntas frecuentes sobre los convertidores de frecuencia, arrojando luz sobre sus funciones, diferencias en las técnicas de modulación y aplicaciones prácticas. Conocerá su impacto en el rendimiento del motor, la eficiencia energética y la seguridad de funcionamiento. Tanto si es un ingeniero experimentado como un simple curioso, esta completa guía mejorará su comprensión de estos dispositivos vitales.
Un convertidor de frecuencia es un dispositivo eléctrico que ajusta la frecuencia de una fuente de alimentación utilizando dispositivos semiconductores de potencia para encender y apagar. Puede realizar varias funciones, como el arranque suave, la regulación de la velocidad de conversión de frecuencia, el aumento de la precisión operativa, el ajuste del factor de potencia y la protección contra sobrecorriente, sobretensión y sobrecarga.
PWM son las siglas de Pulse Width Modulation (modulación por anchura de impulsos) y es una técnica para ajustar la salida y la forma de onda cambiando la anchura de los impulsos en un tren de impulsos.
PAM son las siglas de Pulse Amplitude Modulation (modulación de amplitud de impulsos) y es un método para ajustar el valor de salida y la forma de onda alterando la amplitud de los impulsos de un tren de impulsos según una ley específica.
El circuito principal de un convertidor de frecuencia puede clasificarse a grandes rasgos en dos tipos:
El convertidor de frecuencia de tipo tensión convierte la fuente de tensión continua en alterna. El filtro del circuito de CC en este tipo de convertidor de frecuencia es un condensador.
En cambio, el convertidor de frecuencia de corriente convierte la fuente de corriente continua en alterna. El filtro de bucle de CC en este tipo de convertidor de frecuencia es un inductor.
El par electromagnético de un motor se genera por la interacción entre la corriente y el flujo magnético. Es crucial mantener la corriente dentro del valor nominal para evitar el sobrecalentamiento del motor.
Si el flujo magnético disminuye, el par electromagnético también disminuirá, lo que provocará una reducción de la capacidad de carga del motor.
Como se desprende de la fórmula E=4,44KFNΦ, durante la regulación de velocidad de frecuencia variable, el circuito magnético del motor cambia significativamente con la frecuencia de funcionamiento fX, lo que puede causar fácilmente la saturación del circuito magnético, lo que lleva a una distorsión grave de la forma de onda de la corriente de excitación y una corriente de pico alta.
Para evitar un campo magnético débil y la saturación magnética, es importante cambiar la frecuencia y la tensión en proporción, es decir, controlar la tensión de salida del convertidor de frecuencia mientras se cambia la frecuencia para mantener un cierto nivel de flujo magnético en el motor.
Este modo de control se utiliza habitualmente en convertidores de frecuencia de bajo consumo para ventiladores y bombas.
Cuando la frecuencia disminuye (a baja velocidad), si se mantiene la misma potencia de salida (potencia constante), la corriente aumentará. Sin embargo, si se mantiene la condición de un par determinado (par constante), la corriente permanece prácticamente invariable.
El convertidor de frecuencia se utiliza durante el funcionamiento aumentando gradualmente la frecuencia y la tensión del motor. La corriente de arranque está limitada a menos de 150% de la corriente nominal (entre 125% y 200% según los distintos modelos).
Por el contrario, cuando se arranca directamente con una fuente de alimentación de frecuencia de potencia, la corriente de arranque puede alcanzar de 6 a 7 veces la corriente nominal, causando un impacto mecánico y eléctrico.
Al utilizar el convertidor de frecuencia, el proceso de arranque es más suave, con una corriente de arranque de 1,2 a 1,5 veces la corriente nominal, y un par de arranque de 70% a 120% del par nominal.
En los convertidores de frecuencia con función de mejora automática del par, el par de arranque supera los 100% y permite arrancar a plena carga.
A medida que disminuye la frecuencia, la tensión (V) también disminuye proporcionalmente. Esta relación entre V y f se explicó anteriormente en la respuesta 4.
La relación proporcional entre V y f está predeterminada en función de las características del motor. Normalmente, se almacenan varias opciones de características en el dispositivo de memoria (ROM) del controlador y pueden seleccionarse mediante un interruptor o dial.
Cuando la tensión se reduce en proporción a la disminución de la frecuencia, el par de tierra generado a baja velocidad tiende a disminuir, ya que la impedancia de CA se hace más pequeña y la resistencia de CC permanece invariable.
Para obtener un par de arranque determinado a baja frecuencia, hay que aumentar la tensión de salida. Esta compensación se conoce como arranque reforzado.
Puede lograrse mediante varios métodos, incluido un método automático, seleccionando un modo V/f o ajustando un potenciómetro.
Aunque todavía se puede producir potencia por debajo de 6 Hz, la frecuencia mínima utilizable es de unos 6 Hz, teniendo en cuenta factores como aumento de la temperatura del motorpar de arranque y otras condiciones. A esta frecuencia, el motor puede producir el par nominal sin causar problemas significativos de calentamiento.
La frecuencia de salida real (frecuencia de arranque) del convertidor de frecuencia varía de 0,5 a 3 Hz según el modelo.
Normalmente, no. Cuando la tensión es superior a 60 Hz (también hay modos por encima de 50 Hz), presenta una característica de potencia constante, que requiere el mismo par a alta velocidad.
El dispositivo de motor utilizado está equipado con un detector de velocidad (PG) que devuelve la velocidad real al dispositivo de control para su regulación, lo que se denomina "bucle cerrado". Por el contrario, un dispositivo motor sin funcionamiento PG se denomina "bucle abierto".
La mayoría de los convertidores de frecuencia funcionan en modo de bucle abierto, aunque algunas máquinas ofrecen la opción de retroalimentación PG.
El modo de control en bucle cerrado sin sensor de velocidad calcula la velocidad real del motor utilizando un modelo matemático predeterminado y el flujo magnético, formando efectivamente un control en bucle cerrado con un sensor de velocidad virtual.
En un sistema de bucle abierto, aunque el convertidor de frecuencia emita una frecuencia específica, la velocidad del motor puede cambiar dentro del rango de la tasa de deslizamiento nominal (1% a 5%) cuando funciona con carga.
Para aplicaciones que requieren una alta precisión de regulación de la velocidad y requieren que el motor funcione cerca de la velocidad especificada aunque cambie la carga, se puede utilizar un convertidor de frecuencia con función de realimentación PG (como característica opcional).
El convertidor de frecuencia con función de realimentación PG mejora la precisión. Sin embargo, la precisión de la velocidad depende tanto de la precisión del PG como de la resolución de la frecuencia de salida del convertidor de frecuencia.
Si el tiempo de aceleración especificado es demasiado corto y la frecuencia de salida del convertidor de frecuencia cambia mucho más rápido que el cambio de velocidad (frecuencia angular eléctrica), el convertidor de frecuencia puede dispararse y dejar de funcionar debido a una sobrecorriente, lo que se conoce como calado.
Para evitar el calado y garantizar que el motor siga funcionando, es necesario supervisar la corriente y controlar la frecuencia.
Si la corriente de aceleración es demasiado alta, la velocidad de aceleración debe reducirse en consecuencia. Lo mismo ocurre durante la deceleración.
La combinación de estas acciones se conoce como función de bloqueo.
La aceleración y la deceleración pueden especificarse por separado. Esto es adecuado para aceleraciones de corta duración y deceleraciones lentas, o para máquinas herramienta pequeñas en las que el tiempo de batido de producción debe definirse estrictamente.
Sin embargo, para transmisiones por ventilador y otras aplicaciones con tiempos de aceleración y deceleración largos, los tiempos de aceleración y deceleración pueden especificarse juntos.
Si la frecuencia de mando del motor disminuye durante el funcionamiento, el motor se convierte en un generador asíncrono y actúa como freno, lo que se conoce como frenado regenerativo (eléctrico).
La energía generada por el motor durante el frenado regenerativo se almacena en el condensador de filtro del convertidor de frecuencia.
Sin embargo, la fuerza de frenado regenerativo de un convertidor de frecuencia general se limita a unos 10% a 20% del par nominal debido a la relación entre la capacidad del condensador y la tensión soportada.
Utilizando una unidad de frenado opcional, la fuerza de frenado regenerativo puede aumentar de 50% a 100%.
Las funciones de protección pueden dividirse en dos categorías:
(1) Realiza automáticamente acciones de corrección tras detectar un estado anómalo, como la prevención de bloqueo por sobrecorriente y la prevención de bloqueo por sobretensión de regeneración.
(2) Bloquea la señal de control PWM del dispositivo semiconductor de potencia tras detectar una anomalía, provocando la parada automática del motor. Algunos ejemplos son la desconexión por sobrecorriente, la desconexión por sobretensión de regeneración, el sobrecalentamiento del ventilador de refrigeración del semiconductor y la protección contra fallos de alimentación instantáneos.
Cuando se utiliza un embrague para conectar la carga, el motor pasa repentinamente de un estado sin carga a una zona con un elevado índice de deslizamiento en el momento de la conexión. El gran flujo de corriente resultante hace que el convertidor de frecuencia se desconecte por sobrecorriente, impidiendo el funcionamiento.
Cuando el motor arranca, circula una corriente de arranque proporcional a su capacidad, lo que provoca una caída de tensión en el transformador del lado del estator del motor. Si el motor tiene una gran capacidad, esta caída de tensión puede tener un impacto significativo.
Un convertidor de frecuencia conectado al mismo transformador puede detectar una subtensión o provocar una parada instantánea. Como resultado, la función de protección (IPE) puede activarse, provocando la parada de la operación.
En los convertidores de frecuencia controlados digitalmente, aunque el comando de frecuencia sea una señal analógica, la frecuencia de salida se ajusta en incrementos. La unidad más pequeña de este incremento se denomina resolución de conversión de frecuencia, que suele ser de 0,015 a 0,5 Hz.
Por ejemplo, si la resolución es de 0,5Hz, la frecuencia puede cambiarse en incrementos de 0,5Hz, como de 23Hz a 23,5Hz y 24,0Hz, haciendo que el motor funcione también en incrementos.
Esto puede crear problemas en aplicaciones que requieren un control continuo del bobinado. En tales casos, se recomienda una resolución de aproximadamente 0,015 Hz. Con esta resolución, una diferencia de una etapa en un motor de 4 etapas es inferior a 1R/min, proporcionando suficiente precisión. Tenga en cuenta que la resolución especificada para algunos modelos puede no coincidir con la resolución de salida real.
El efecto de refrigeración del convertidor de frecuencia se tiene en cuenta en el diseño de su estructura interna y trasera. Una ventilación adecuada también depende de la orientación de la unidad.
Por lo tanto, se recomienda instalar las unidades tipo panel y las unidades murales verticalmente siempre que sea posible.
Arrancar un motor a muy baja frecuencia es posible, pero si la frecuencia especificada es alta, es similar a arrancar directamente con una fuente de alimentación de frecuencia de alimentación. Esto provocará una gran corriente de arranque (de 6 a 7 veces la corriente nominal), lo que hará que el convertidor de frecuencia se dispare por sobrecorriente e impedirá que el motor arranque.
Los siguientes puntos deben tenerse en cuenta cuando se opera por encima de 60 Hz:
(1) Asegurarse de que la maquinaria y los dispositivos son capaces de funcionar a esta velocidad, teniendo en cuenta factores como la resistencia mecánica, el ruido y las vibraciones.
(2) Cuando el motor alcanza el rango de potencia de salida constante, su par de salida debe ser suficiente para mantener el funcionamiento. Tenga en cuenta que la potencia de salida del ventilador, la bomba y otros ejes aumenta en proporción al cubo de la velocidad, por lo que debe tener cuidado cuando aumente la velocidad.
(3) Considerar el impacto sobre la vida útil de los rodamientos.
(4) Para los motores de potencia media o superior, especialmente los motores de 2 polos, es importante consultar con el fabricante antes de operar por encima de 60 Hz.
A la hora de utilizar un reductor, hay que tener en cuenta varias cuestiones, en función de su estructura y método de lubricación.
En las estructuras de engranajes, debe considerarse un límite máximo de 70 a 80 Hz.
Cuando se utiliza lubricación por aceite, el funcionamiento continuo a baja velocidad puede causar daños en el engranaje.
Básicamente, no. Para los motores monofásicos con un tipo de arranque de interruptor regulador, el devanado auxiliar puede quemarse en el rango de regulación de velocidad por debajo del punto de funcionamiento.
En el modo de arranque con condensador o de funcionamiento con condensador, pueden producirse explosiones del condensador.
La alimentación eléctrica de los convertidores de frecuencia suele ser trifásica, pero para pequeñas capacidades también puede utilizarse alimentación monofásica.
La eficiencia de un convertidor de frecuencia depende de varios factores, como el modelo, el estado de funcionamiento y la frecuencia de uso. Es difícil dar una respuesta definitiva.
Sin embargo, se calcula que el rendimiento de los convertidores de frecuencia que funcionan por debajo de 60 Hz es de aproximadamente 94% a 96%. Esto puede servir de base para calcular las pérdidas.
Es importante señalar que el consumo de energía puede ser mayor si se tiene en cuenta la pérdida durante el frenado.
El diseño de un panel de control eficaz también es crucial y debe ser objeto de especial atención.
Generalmente, el motor se refrigera mediante un ventilador externo instalado en el eje o mediante aspas en el anillo terminal del rotor.
Si se reduce la velocidad, también disminuirá el efecto de refrigeración, por lo que no podrá soportar el mismo nivel de calor que durante el funcionamiento a alta velocidad.
Para evitarlo, es necesario reducir el par de carga a baja velocidad, utilizar un convertidor de frecuencia de alta capacidad en combinación con el motor o elegir un motor especial diseñado para funcionar a baja velocidad.
La fuente de alimentación para el circuito de excitación del freno debe tomarse del lado de entrada del convertidor de frecuencia.
Si el freno se activa mientras el convertidor de frecuencia sigue emitiendo potencia, puede producirse un corte por sobrecorriente.
Para evitarlo, es importante asegurarse de que el freno sólo se accione cuando el convertidor de frecuencia haya dejado de suministrar potencia.
En cuanto al impacto del condensador del convertidor de frecuencia en el factor de potencia efectivo después de retirar el convertidor de frecuencia, deben tomarse medidas para mejorar el factor de potencia causado por la corriente que fluye hacia el condensador del convertidor de frecuencia.
Aunque el convertidor de frecuencia es un dispositivo estático, también incluye componentes consumibles como condensadores de filtro y ventiladores de refrigeración.
Con un mantenimiento adecuado, cabe esperar que estos componentes tengan una vida útil de más de 10 años.
Para modelos de pequeña capacidad con o sin ventiladores de refrigeración:
En los modelos con ventiladores, el aire fluye de abajo hacia arriba, por lo que es importante no colocar ningún equipo mecánico que pueda obstruir la aspiración y el escape en las partes superior e inferior del lugar donde se instale el convertidor de frecuencia.
Además, también es importante evitar colocar componentes sensibles al calor encima del convertidor de frecuencia.
En caso de fallo del ventilador, el convertidor de frecuencia se protege mediante la detección de parada del electroventilador o la detección de sobrecalentamiento del ventilador de refrigeración.
En el caso del condensador utilizado como condensador de filtro, su capacidad electrostática disminuye gradualmente con el tiempo.
Se recomienda medir regularmente la capacidad electrostática y evaluar su vida útil en función de si ha alcanzado 85% de la capacidad nominal del producto.
Normalmente, el condensador debe almacenarse en un recipiente en forma de disco.
Sin embargo, los contenedores en forma de disco totalmente cerrados pueden ser bastante grandes, ocupar mucho espacio y ser relativamente caros.
Para resolver estos problemas, pueden adoptarse las siguientes medidas:
(1) El diseño del disco debe tener en cuenta los requisitos de disipación de calor del dispositivo;
(2) Se pueden utilizar aletas de aluminio y un refrigerante con aletas para aumentar la superficie de refrigeración.
Para reducir las interferencias armónicas de alto orden en la corriente de entrada y mejorar el factor de potencia de la fuente de alimentación de entrada.
El filtro sinusoidal permite que el convertidor de frecuencia funcione con un cable de motor largo y también es adecuado para circuitos que incluyen un transformador intermedio entre el convertidor de frecuencia y el motor.
El valor de resistencia del potenciómetro suministrado con el convertidor de frecuencia suele estar comprendido entre 1K Ω y 10K Ω.
(1) Interferencias de radiación;
(2) Interferencias conducidas.
En el caso de las señales de interferencia transmitidas por radiación, pueden reducirse eficazmente encaminando y apantallando adecuadamente la fuente de radiación y la línea perturbada.
Las señales de interferencia transmitidas a través de la línea pueden abordarse añadiendo filtros, reactancias o anillos magnéticos en el lado de entrada y salida del convertidor de frecuencia.
Los métodos y precauciones específicos para reducir las interferencias son los siguientes:
(1) Las líneas de señal y de alimentación deben cruzarse o agruparse verticalmente.
(2) Evite conectar cables de diferentes metales entre sí.
(3) La capa de apantallamiento debe estar correctamente conectada a tierra y la conexión a tierra debe ser continua y fiable en toda su longitud.
(4) En los circuitos de señal debe utilizarse un cable apantallado de par trenzado.
(5) El punto de conexión a tierra de la capa de apantallamiento debe estar lo más alejado posible del convertidor de frecuencia y separado del punto de conexión a tierra del convertidor de frecuencia.
(6) Se puede utilizar un anillo magnético en la línea de alimentación de entrada y en la línea de salida del convertidor de frecuencia.
El método específico para utilizar un anillo magnético es el siguiente: La línea de entrada puede enrollarse cuatro veces en la misma dirección, mientras que la línea de salida puede enrollarse tres veces en la misma dirección.
Es importante mantener el anillo magnético lo más cerca posible del convertidor de frecuencia durante el bobinado.
(7) Además, para evitar interferencias, pueden aplicarse medidas de apantallamiento y otras medidas antiinterferencias a los equipos e instrumentos perturbados.
La potencia consumida por la cinta transportadora es directamente proporcional a su velocidad.
Por lo tanto, si desea funcionar a 80 Hz, la potencia del convertidor de frecuencia y del motor debe aumentarse proporcionalmente, lo que significa un aumento de 60% con respecto a la capacidad de 50 Hz. Esto significa que la capacidad del convertidor de frecuencia y del motor debe aumentarse en 60%.
En el control VVC (tensión y frecuencia variables), el circuito de control utiliza un modelo matemático para calcular la excitación óptima del motor en respuesta a los cambios en la carga del motor y compensa la carga en consecuencia.
Además, el circuito de control incorpora un método PWM síncrono de 60° implementado en un ASIC (Circuito Integrado de Aplicación Específica) que determina el tiempo de conmutación óptimo para los dispositivos semiconductores del inversor (IGBT).
El circuito general de una fuente de alimentación de frecuencia variable está formado por componentes como los filtros de corriente constante de CA y de CA, lo que da como resultado formas de onda de tensión y corriente de salida de onda sinusoidal pura que se asemejan mucho a la fuente de alimentación de CA ideal.
Es capaz de generar la tensión y la frecuencia de la red de cualquier país del mundo.
Por otro lado, el convertidor de frecuencia está formado por componentes como la corriente constante alterna (onda de modulación) y otros circuitos. El nombre estándar de este dispositivo es regulador de frecuencia variable.
Sin embargo, la forma de onda de la tensión de salida del convertidor de frecuencia es una onda cuadrada de impulsos con numerosos componentes armónicos. La tensión y la frecuencia cambian proporcionalmente al mismo tiempo y no pueden ajustarse de forma independiente, lo que lo hace inadecuado para su uso como fuente de alimentación.
Normalmente sólo se utiliza para regular la velocidad de un motor asíncrono trifásico.
Como fundador de MachineMFG, he dedicado más de una década de mi carrera a la industria metalúrgica. Mi amplia experiencia me ha permitido convertirme en un experto en los campos de la fabricación de chapa metálica, mecanizado, ingeniería mecánica y máquinas herramienta para metales. Estoy constantemente pensando, leyendo y escribiendo sobre estos temas, esforzándome constantemente por mantenerme a la vanguardia de mi campo. Deje que mis conocimientos y experiencia sean un activo para su empresa.
ES 
EN 
AR 
DE 
FR 
IT 
JA 
NL 
PT 
PT_BR 
RU 
KO