Variador de frecuencia

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Un sistema que controla el consumo de energía de manera inteligente.

La forma más eficiente de reducir costos es optimizar la velocidad del equipo a través de un VFD.

Diego Soto Montiel.

Aproximadamente tres cuartos de la energía que consumen los edificios comerciales se ocupa en forma de electricidad. De hecho, los edificios consumen más del 70 por ciento de la electricidad que se genera en Estados Unidos, y al menos la mitad de dicha electricidad se utiliza para hacer circular aire y agua.

Existen tres componentes clave en una estrategia para el ahorro de energía: producción, transmisión y conservación.  Aunque las grandes ventajas se siguen realizando en las partes de la producción y la transmisión, los ahorros más importantes se pueden obtener a través de las estrategias de conservación al utilizar tecnologías comprobadas, como los Variadores de Frecuencia (VFD, por sus siglas en inglés). La conservación no requiere un sacrificio, significa un rendimiento mejorado con menor consumo.

Las cargas en los sistemas de climatización con frecuencia están por debajo de su capacidad, lo que provoca desperdicios de energía eléctrica. La forma más inteligente para reducir los costos de energía y disminuir el desperdicio es hacer que estos sistemas funcionen de manera más eficiente al optimizar la velocidad de un ventilador o una bomba de calor, por ejemplo.

Estructura general de un variadorUn variador de frecuencia maximiza los ahorros, ya que funciona como parte de un completo sistema de control del edificio y no en forma aislada.

Los variadores son convertidores de energía encargados de modular la que recibe el motor. Permiten variar la velocidad y la acoplan a los motores asíncronos trifásicos, convirtiendo las magnitudes fijas de frecuencia y tensión de red en magnitudes variables.

Componentes

Etapa rectificadora. Convierte la tensión alterna en continua mediante rectificadores de diodos o tiristores

Etapa intermedia. Filtro para suavizar la tensión rectificada y reducir la emisión de armónicos

Inversor. Convierte la tensión continua en otra de tensión y frecuencia variable mediante la generación de pulsos

Etapa de control. Controla los transistores bipolares de puerta aislada (IGBT, por sus siglas en inglés) para generar los pulsos variables de tensión y frecuencia. Además, controla los parámetros externos en general. Los variadores más utilizados utilizan modulación de ancho de pulsos  (PWM, por sus siglas en inglés) y usan en la etapa rectificadora puente de diodos rectificadores. En la etapa intermedia se usan condensadores y bobinas para disminuir las armónicas y mejorar el factor de potencia.

El inversor convierte la tensión continua de la etapa intermedia en una de frecuencia y tensión variables. Los IGBT envían pulsos de duración variable y se obtiene una corriente casi senoidal en el motor

La frecuencia portadora de los IGBT se encuentra entre 2 y 16 kHz. Una portadora con alta frecuencia reduce el ruido acústico del motor, pero disminuye su rendimiento y la longitud permisible del cable hacia el motor. Por otra parte, los IGBT generan mayor calor.

Las señales de control para arranque, parada y variación de velocidad (potenciómetro o señales externas de referencia) están aisladas galvánicamente para evitar daños en sensores o controles, y evitar ruidos en la etapa de control.

Fuente: Escuela Superior Politécnica de Ecuador

Principio del funcionamiento de la variacion de velocidadCómo seleccionar un variador de frecuencia óptimo

Para elegir un VFD adecuado, el sistema debe contar con las siguientes características:

Asistentes de arranque: todo lo que debe hacer es decirle al VFD si tiene una bomba o un ventilador, ingresar la información del motor nominal y estará listo para funcionar

Interfaz gráfica: un teclado fácil de usar y una interfaz que proporcione una programación y un monitoreo controlado por menús para una puesta en servicio rápida y uniforme

Comunicaciones incorporadas: para tener costos de instalación totales más bajos y comunicaciones confiables con el sistema de administración del edificio

Asistentes de software para PC: esto servirá para que la puesta en servicio, la programación y la solución de problemas sean instantáneas, gracias a los asistentes guiados de arranque

Controlador lógico programable incorporado: elimina la necesidad de uno externo costoso

Filtro DC para protección de armónica

Filtro contra interferencia de radio frecuencia (RFI, por sus siglas en inglés) estándar: garantiza que se cumplan los requisitos de compatibilidad electromagnética (EMC, por sus siglas en inglés) y de RFI

Opciones de derivación: cumplen las especificaciones y las aplicaciones críticas del sistema, con una capacidad de derivación integral

Reloj

Modo de incendios para una operación segura

Interruptor de normalización del motor: para un mantenimiento fácil y libre de fallas

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Diego Soto Montiel es ingeniero, egresado de la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, del Instituto Politécnico Nacional.

Actualmente, se desempeña como Gerente de Honeywell HVAC, Buildings Automation y Analytics, en Dominion Industries.