Los microvariadores de frecuencia adquieren características macro

Aunque todavía existen variadores de frecuencia pequeños y básicos, hay varias razones de peso para que los fabricantes de equipos originales, los aficionados y otros usuarios finales opten por los microvariadores de frecuencia más modernos y de alto rendimiento. Este artículo se publicó originalmente en la edición de junio de 2022 de la revista InTech.

Hemos sido testigos del efecto dominó de la tecnología. Desde los costosos automóviles de marcas de lujo hasta el último modelo de teléfono móvil, el modelo tope de gama casi siempre cuenta con características exclusivas. Sin embargo, los consumidores ahorradores y pacientes —a diferencia de los primeros en adoptar las nuevas tecnologías— verán con el tiempo cómo estas mismas tecnologías se incorporan a productos de menor costo. Este modelo, bastante universal, abarca numerosos sectores, entre ellos la automatización industrial. Los usuarios de variadores de frecuencia (VFD) de CA siguen beneficiándose de nuevas funciones que antes solo estaban disponibles en los productos insignia.

Avances en VFD

La velocidad de los motores eléctricos a menudo necesita controlarse en aplicaciones que involucran maquinaria, bombas y otros equipos. En un principio, la única forma de variar la velocidad de un motor eléctrico —manteniendo el par máximo por debajo de la velocidad base— era usar un motor de CC y un variador de CC. Esto se debía a que los primeros variadores de frecuencia de CA solo operaban en modo V/Hz y perdían par proporcionalmente con cualquier disminución por debajo de su velocidad base. Sin embargo, una vez que se dispuso del variador de frecuencia de CA de vector de flujo, se pudo producir el 100 % del par del motor en todo el rango de velocidad, desde cero hasta la velocidad base. Los primeros variadores de frecuencia de CA de vector de flujo presentaron varios problemas.

La gama de potencias disponibles era limitada; las unidades eran grandes y se ubicaban en una sala separada de otros equipos; y los cables largos causaban problemas eléctricos. Además, se trataba de sistemas de accionamiento costosos y diseñados a medida. Con el tiempo, se produjo un efecto dominó y los variadores de frecuencia con control vectorial de flujo comenzaron a venderse como productos preconfigurados que podían utilizarse en diversas aplicaciones. Los variadores de frecuencia de menor costo seguían estando disponibles para aplicaciones básicas que solo requerían un control V/Hz sencillo. A principios de la década de 2000, se vendían menos variadores con sistemas diseñados a medida, y la mayoría eran preconfigurados, pero contaban con características impresionantes además de admitir el control vectorial de flujo.

Otras características populares incluían capacidades avanzadas de conexión en red, funciones de seguridad como la desconexión segura del par motor, control proporcional-integral-derivativo (PID) e incluso un controlador lógico programable (PLC) incorporado con amplias opciones de entrada/salida para permitir el control de procesos o máquinas, además del control del motor.

El menos con el más

Hace tan solo unos años, los variadores de frecuencia (VFD) más económicos del mercado solo admitían control V/Hz y eran básicos, con una calidad inferior para que fueran asequibles para los fabricantes de equipos originales (OEM) y los aficionados. Sin embargo, el efecto dominó se ha producido y ahora se encuentran muchas características de gama alta y una mejor calidad de fabricación en los VFD de menor costo. Los VFD de gama básica actuales, dentro del rango de precios de los OEM y los aficionados, facilitan enormemente el diseño y la implementación de proyectos con características como:

Entrada monofásica a salida trifásica

Control vectorial sin sensores para un mayor par motor a bajas velocidades.

Compatibilidad avanzada con redes como EtherNet/IP y Modbus TCP.

Control PID para control de procesos en lazo cerrado

un PLC integrado para realizar la lógica, lo que en algunas aplicaciones elimina la necesidad de un PLC independiente.

Estas nuevas funciones disponibles ofrecen múltiples ventajas para los usuarios. De monofásica a trifásica: un variador de frecuencia con entrada monofásica y salida trifásica es una opción obvia al comparar características, tanto para fabricantes de equipos originales (OEM) como para aficionados. La mayoría de los aficionados no disponen de alimentación trifásica en sus talleres o garajes, pero pueden necesitar controlar un motor trifásico. Para un OEM, esta función permite diseñar para una conexión monofásica y probablemente resulte atractiva para un mayor número de clientes, no solo para aquellos con alimentación trifásica disponible.

Aunque un variador de frecuencia no es un convertidor de fase, puede convertir 120 VCA o 230 VCA monofásico a una salida trifásica para el control del motor. Las ventajas de elegir un motor trifásico en lugar de uno monofásico son demasiado extensas para enumerarlas, pero un mejor control de velocidad suele ser suficiente para convencer a los usuarios de que un motor trifásico es la mejor opción. Par motor. El control vectorial sin sensores permite a los usuarios reducir la velocidad del motor a velocidades muy bajas sin perder par motor. En un variador de frecuencia típico de bajo costo con solo control V/Hz (también conocido como control escalar), el motor pierde par motor de salida proporcionalmente a la reducción de velocidad.

Por ejemplo, un motor de 0,5 hp con una velocidad base de 1725 rpm y un par motor a plena carga de 1,5 lb-pie a velocidad máxima solo proporcionará 1,0 lb-pie a velocidad mínima del 66%. Con la tecnología de control vectorial sin sensores, es posible generar el 100% del par motor a velocidades muy bajas.

Antes de que existiera la tecnología vectorial sin sensores, los diseñadores podían usar un motor de menor velocidad de rotación con la misma potencia para lograr una velocidad fija más baja, o bien un motor y variador de CC. La primera opción no es ajustable y suele requerir un tamaño de carcasa mayor, lo que puede implicar modificaciones mecánicas más costosas. La segunda opción es robusta, pero requiere mayor mantenimiento, como el cambio de escobillas, y muchos variadores de CC pequeños son analógicos y de tecnología más básica. Por lo general, no ofrecen opciones de comunicación ni de control más sofisticadas, al menos al mismo precio.

Conectividad en red. La conectividad avanzada en red ofrece numerosas ventajas. Muchos variadores de frecuencia (VFD), incluso los primeros disponibles, admitían algún tipo de comunicación serial, aunque podían requerir cables especializados. Actualmente, muchos VFD admiten comunicaciones Ethernet, lo que facilita su configuración. Además, si se instalan varios VFD y se controlan mediante un PLC independiente, se pueden conectar fácilmente en red. La capacidad de las interfaces hombre-máquina y los sistemas de control y adquisición de datos para supervisar y controlar múltiples VFD conectados en la red de una planta de fabricación resulta atractiva tanto para los usuarios finales como para los fabricantes de equipos originales (OEM), ya que proporciona un funcionamiento avanzado y permite un mantenimiento proactivo para evitar averías.

Control PID. Para aplicaciones que implican el control de procesos analógicos, como el flujo de una bomba o un ventilador, suele ser necesario implementar un control PID de lazo cerrado. Esto se puede lograr con un PLC. Sin embargo, para muchas aplicaciones, el variador de frecuencia (VFD) puede gestionar esta función de forma más eficaz localmente, a la vez que ofrece una interfaz sencilla para ajustar el lazo, lo que ahorra un tiempo considerable durante el arranque de la máquina. La mayoría de las máquinas requieren algún tipo de control, incluso si no operan con un proceso analógico.

Originalmente, esto requería lógica de relés cableada, que con el tiempo fue reemplazada en gran medida por los PLC. Para muchas aplicaciones más pequeñas, especialmente en el ámbito de los fabricantes de equipos originales (OEM) o los aficionados, un PLC integrado en el variador de frecuencia (VFD) tiene suficientes entradas/salidas para controlar todo lo necesario y representa una solución ventajosa en términos de costo, mano de obra de diseño/programación y espacio en el panel.

Consideraciones sobre los microvariadores de frecuencia

El uso de un microvariador de frecuencia (VFD) en aplicaciones sencillas y de bajo costo presenta pocas desventajas técnicas. Una buena regla general es que, si está seguro de que nunca necesitará ajustar la velocidad de un motor, no compre un VFD. Sin embargo, si existe la más mínima posibilidad de que la velocidad del motor requiera ajuste, entonces un VFD más moderno, económico y con muchas funciones debería ser una prioridad.

Una posible preocupación es el tamaño adicional de un variador de frecuencia (VFD) en comparación con un contactor o arrancador, pero algunos modelos actuales son del tamaño de la palma de la mano y ocupan aproximadamente el mismo espacio que un contactor de motor y un interruptor de sobrecarga (Figura 2). Estos microvariadores de frecuencia cuentan con un PLC integrado, control PID, control vectorial sin sensores, soporte avanzado para redes y expansión de E/S, a un costo comparable al de un contactor de motor y un interruptor de sobrecarga, pero con beneficios adicionales y costos reducidos en otras áreas. Están disponibles en un paquete NEMA 4X apto para áreas de lavado (Figura 3). Las máquinas OEM suelen utilizar un pequeño PLC que controla un conjunto de arrancador de motor en línea. Los diseños tradicionales generalmente requieren alimentación trifásica, pero muchos usuarios finales desean que esta máquina funcione en instalaciones monofásicas.

En lugar de crear dos diseños separados, el fabricante podría reemplazar el PLC y el arrancador del motor con un variador de frecuencia más moderno que admita alimentación monofásica. Con esta solución, el fabricante resuelve el problema, reduce los costos y, al tener menos componentes, aumenta el número de clientes potenciales.

Incluso los aficionados actuales necesitan variadores de frecuencia micro. Por ejemplo, muchas personas compran un torno o una rectificadora industrial de segunda mano, que probablemente requiera alimentación trifásica para uno o más motores. Aunque se reemplacen los motores, conviene sustituirlos por otros trifásicos para poder variar la velocidad.

Si el uso final de la máquina es un garaje residencial o un taller personal, es poco probable que el usuario disponga de alimentación trifásica. Aunque la salida del variador de frecuencia no puede alimentar toda la máquina, se pueden incorporar algunas modificaciones menores en el cableado, lo que permite que el variador controle el motor trifásico con una entrada monofásica. Si bien aún existen variadores de frecuencia pequeños y básicos, hay varias razones de peso para que los fabricantes de equipos originales, los aficionados y otros usuarios finales opten por los microvariadores de frecuencia más modernos y de gran capacidad. En muchos casos, estos microvariadores se han beneficiado del efecto de difusión.