En muchos
sistemas electromecánicos, los variadores de frecuencia variable (VFD) se usan
para operar con más eficiencia los motores. Por ejemplo, VFDs pueden usarse
para sistemas de bombeo, elevadores, sistemas de transporte, calefacción,
ventilación, aire acondicionado, compresores de refrigeración y motores de
ventiladores. Tales sistemas electromecánicos incluyen al menos un motor
trifásico y al menos un motor monofásico que operan juntos, al mismo tiempo. Es
por tanto deseable que tanto el motor trifásico como monofásico operen con la
misma fuente de energía. Sin embargo, en muchas aplicaciones los motores
monofásicos se consideran incompatibles con la salida de potencia del VFD.
Consecuentemente, es práctica común usar un motor trifásico donde es suficiente
un motor monofásico para impulsar un motor monofásico con una fuente de
alimentación separada. Esta práctica, aunque común, incrementa el coste del
sistema.
El sistema
de suministro de energía de un sistema electromecánico puede ser configurado,
tal que, más que recibir energía directamente de la red AC, recibe energía de
uno o más suministros de energía, tales como un VFD, que reciben potencia de un
bus DC. En el sistema, el bus de potencia DC se usa para proporcionar uno o más
suministros de potencia que generan energía AC para los componentes del sistema
electromecánico. Tan solo para mejorar la eficiencia durante el arranque es
interesante el uso de un VFD. Un VFD corta el voltaje DC del bus DC en tres
salidas 120 º fuera de fase, que el motor ve como AC. El sistema tiene un
control de velocidad y el rango de control de velocidad no es limitado por uno
o más motores trifásicos y está limitado en el extremo inferior del rango para
uno o más motores monofásicos.
La figura
con la que abrimos este artículo muestra el diagrama de un sistema
electromecánico. El sistema electromecánico incluye una sección de fuente de
potencia, una sección del suministro de potencia y una sección de componentes
del sistema. La sección de fuente de potencia incluye una o más fuentes de
potencia para proporcionar energía a los componentes del sistema.
La fuente de
potencia incluye una fuente de potencia, un rectificador y un bus de potencia. En
esta configuración, la primera fuente de potencia es una fuente de potencia AC
y proporciona energía al rectificador, que proporciona energía DC al bus de
potencia. En una configuración alternativa, la primera fuente de potencia puede
ser una fuente DC, que proporciona energía DC al bus de potencia. En
consecuencia, en tales configuraciones, se omite el rectificador.
La fuente de
potencia de un VFD puede ser de cualquier tipo. Puede ser una fuente de energía
en corriente alterna, ya sea en una o tres fases. También puede ser una fuente
solar, eólica o un generador.
El
rectificador se configura para recibir energía AC del suministro de energía
principal, para rectificar la señal de potencia a un nivel DC sustancial, y
proporcionar el nivel DC al bus de potencia.
La segunda
fuente de potencia opcional puede ser una fuente de apoyo secundaria, por
ejemplo una batería o un pack de baterías, configurado para ser cargado y
recargado. También pueden usarse otros dispositivos de almacenamiento de
energía.
La sección
del suministro de energía incluye un suministro de potencia, que recibe
potencia de la sección de fuente de potencia vía bus de potencia y proporciona
la potencia para el uso por componentes de la sección de componentes del
sistema.
En la
configuración que vemos en la siguiente figura vemos como la aplicación
alimenta dos motores: motor trifásico y motor monofásico. Aunque se muestra de
forma separada, el rectificador puede integrarse con el suministro de potencia.
Un VFD puede
usarse para realizar el control de velocidad. Adicionalmente el VFD incrementa
la eficiencia alcanzando un arranque controlado de los motores trifásicos.
Cuando se arranca un motor, la corriente puede ser seis o diez veces la
corriente nominal. Debido a la inercia del sistema, el motor trifásico no es lo
bastante poderoso como para impulsar la carga instantánea a velocidad nominal.
Durante el
arranque, algunos motores extraen al menos el 300 % de su corriente nominal a
la vez que producen menos del 50 % de su par nominal. Cuando la carga del motor
se acelera, el par disponible cae y luego se eleva a un pico mientras que la
corriente queda muy alta hasta que el motor se aproxima a su velocidad nominal.
Las corrientes altas derrochan energía y degradan el motor. Como resultado de
ello, la eficiencia total, efectividad, y vida útil del motor se reducen.
Cuando se
usa un VFD para arrancar un motor, se le aplica una baja frecuencia y voltaje.
La frecuencia puede ser alrededor de 2 Hz o menos. Arrancando a tan bajas
frecuencias se permite que la carga se adapte a las capacidades del motor, y se
evita la entrada de altas corrientes que ocurren al arrancar a frecuencias y
voltajes constantes. La VFD se usa para incrementar la frecuencia y el voltaje
con un perfil de tiempo programable que mantiene la aceleración de la carga
dentro de la capacidad del motor. Como resultado de ello, la carga se acelera
sin extraer una excesiva corriente. Este método de arranque permite al motor
desarrollar alrededor de un 150 % de su par nominal mientras que necesita
solamente el 50 % de su corriente nominal. Como resultado de ello, el VFD
permite una corriente de arranque del motor reducida de la fuente de energía
AC, reduciendo los costes operacionales, e imponiendo menos tensiones mecánicos
en el motor trifásico e incrementando la vida en servicio. La VFD también
permite un control programable de la aceleración y deceleración de la carga.
El VFD de
suministro de energía produce una salida trifásica, que impulsa el motor
trifásico. El motor trifásico tiene una simetría rotacional de campos
magnéticos rotatorios de forma que la armadura se magnetiza y el par se
desarrolla. Controlando el voltaje y la frecuencia de la señal de potencia
trifásica, la velocidad del motor se controla de forma que la cantidad de energía
apropiada entra en los devanados del motor para opera eficientemente mientras
cumple la demanda de la carga de aceleración. El motive eléctrico se genera
conmutando componentes electrónicos para derivar una forma de onda de voltaje
que, cuando es promediada por la inductancia del motor, llega a ser una forma
de onda de corriente sinusoidal para que el motor opere a la velocidad y par
deseado. El arranque controlado del motor trifásico descrito anteriormente
permite una alta eficiencia y larga vida del motor trifásico.
El uso de un
VFD para proporcionar potencia a un motor para el control de velocidad elimina
la limitación del sistema de encendido/apagado. Por ejemplo, un sistema de
calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC) con un VFD puede operar el
compresor a una velocidad correspondiente a los requerimientos de enfriamiento
ambientales teniendo su temperatura controlada. Por ejemplo, si el ambiente
controlado genera 500 vatios de potencia, el compresor puede ser operado a una
velocidad que corresponde al calor generado por los 500 vatios. Esto permite
una eficiencia mejorada en el sistema porque se evitan las ineficiencias de
potencia experimentadas con arranques y paradas repetitivas del compresor.
Además, en
algunos sistemas la carga en el motor es relativamente constante. Por ejemplo,
para algunas aplicaciones de HVAC, en ambientes controlados, tales como los
espacios bien aislados, el calor generado es relativamente constante. En
consecuencia, la energía que se extrae es relativamente constante. Para tales
ambientes, el motor del compresor puede ser diseñado para operación de acuerdo
con la carga correspondiente a la energía relativamente constante que se
elimina. Tal rango de carga limitado permite que el compresor opere
eficientemente.
Otro
beneficio del control de velocidad es que se incrementan las funciones del
motor. Por ejemplo, en un sistema HVAC, el rango de temperaturas en un ambiente
controlado se reduce dramáticamente cuando se compara con los sistemas HVAC
convencionales en los que el compresor trabaja en on/off. En sistemas HVAC
convencionales, en orden de prevenir cambios de estado frecuentes entre on y
off, el sistema de control trabaja con una característica de histéresis. En
tales sistemas, las excursiones de temperatura corresponden a la histéresis.
Por ejemplo, en algunos sistemas la histéresis del sistema es de 3 grados. Si
la temperatura es configurada a – 5 ºC,
una vez la temperatura ambiental es – 5 ºC, el compresor se apaga. Sin embargo,
debido a los 3 º de histéresis, el compresor no se encenderá de nuevo hasta que
la temperatura ambiental sea de – 2 ºC. En contraste, en un sistema HVAC con
control VFD del compresor, el sistema de control activo incrementalmente
aumenta y disminuye la velocidad del compresor para proporcionar control
preciso de la temperatura.
En los
sistemas electromecánicos convencionales, cuando un VFD se usa con un sistema
que tiene un motor trifásico y monofásico que operan a la vez, el motor
monofásico operará con un suministro de energía separado o será reemplazado con
un motor trifásico compatible con la salida del suministro de energía del VFD.
En el sistema descrito, debido a que el motor monofásico es ventajoso para el
suministro eléctrico, se usa un motor monofásico. Para permitir que el motor monofásico trabaje
con la fuente de alimentación, la salida del suministro de potencia está
condicionada por el módulo de cambio de fase. Por razones similares a las
descritas arriba con respecto al suministro de energía comprendiendo un VFD
para mover de forma eficiente un compresor, el sistema puede incluir uno o más
VFDs adicionales configurados para encender y apagar de forma más eficiente uno
o más componentes del sistema.
El módulo de
cambio de fase se conecta entre el suministro de potencia del VFD y el motor
monofásico. Los motores monofásicos no son generalmente compatibles con la
operación de frecuencia variable y voltaje. En los motores monofásicos, se
genera una nueva fase usada con la fase simple de la señal de potencia de
entrada para crear un magnetismo rotatorio a la armadura para generar par. Por
ejemplo, si el motor monofásico es un motor de polo sombreado, las anillas de
sombreado sirven como una inductancia capaz de almacenar un campo magnético y
generar una nueva fase. Si el motor monofásico es un motor de condensador
deslizante, un condensador proporciona una fase principal de corriente a un
terminal relativo a otro. La eficiencia de potencia de la anilla sombreada del
condensador, sin embargo, es dependiente de la frecuencia, y por lo tanto estos
elementos son ajustados a la frecuencia de funcionamiento del motor de acuerdo
a su aplicación. En frecuencias no especificadas, el comportamiento del motor y
que los elementos de generación de nueva fase no son eficientes y el par del
motor sufre. Adicionalmente, la señal de salida de potencia del VFD tiene
golpes de voltaje transitorios a altas frecuencias (ej. 2-6 kHz). Estos
transitorios pueden exceder el voltaje de frenado de los nuevos elementos de
generación de fase, y causan altas corrientes que incrementan calor y reducen
la eficiencia de potencia del motor y sus componentes. Por lo tanto, estos
motores no son efectivos para usar en un esquema VFD.
Sin embargo,
el motor monofásico es modificado para operar eficientemente en el esquema del
variador de frecuencia variable. El motor monofásico es similar a un motor
trifásico donde los dos primeros polos llevan la fase única de la entrada de
potencia, y el tercer polo recibe la
nueva fase generada por los elementos capacitivos e inductivos. En un sistema
electromecánico, el motor monofásico recibe dos de los tres fases generadas por
el suministro de energía. Adicionalmente, el modelo monofásico modificado tiene
sus nuevos elementos de generación de nueva fase se sitúan con elementos que son
compatibles con la subida transitoria de voltaje de la alimentación de energía
del VFD. En el sistema descrito y mostrado aquí, debido a que el motor
monofásico es ventajosamente accionado por la alimentación de energía, se usa
un motor monofásico. Para permitir que el motor monofásico funcione con el
suministro de potencia, la salida del suministro de alimentación se acondiciona
por un módulo de cambio de fase. Por razones similares a las descritas
anteriormente con respecto al suministro de energía comprendiendo un VFD para
encender eficientemente el motor del compresor, el sistema puede incluir uno o
más VFDs adicionales configurados para encender y apagar eficientemente uno o
más componentes del sistema.
El módulo de
cambio de fase se conecta entre el suministro de alimentación del VFD y el
motor monofásico. Los motores monofásicos no son generalmente compatibles con
la operación de voltaje y frecuencia variable. En motores monofásicos, se
genera una nueva fase para ser usada con la fase simple de la señal de energía
de entrada para crear magnetismo rotatorio a la armadura para generar par. Por
ejemplo, si el motor monofásico es un motor de polo sombreado, la anilla de
sombreado sirve como una inductancia capaz de almacenar un campo magnético y generar la nueva fase. Si
el motor del condensador es un motor de condensador de deslizamiento
permanente, un condensador proporciona una fase principal de la corriente a un
terminal relativo a otro. La eficiencia de potencia de la anilla de sombreado y
el condensador, sin embargo, es dependiente de la frecuencia, y por lo tanto
estos elementos son ajustados a la frecuencia de funcionamiento del motor de
acuerdo con su aplicación. En frecuencias no especificadas, el comportamiento
del motor y de los elementos de generación de fase son ineficientes y el par
motor sufre. Adicionalmente, la señal de salida de potencia del VFD tiene
grandes picos de voltaje transitorios en altas frecuencias E(ej. 2 – 6 kHz).
Estos transitorios pueden exceder el voltaje de frenado de los elementos de
generación de la nueva fase, y causan picos de corriente altos que incrementan
el calor y reducen la eficiencia de potencia del motor y sus componentes. Por
lo tanto, estos motores no son efectivos para ser usados en un esquema de variadores
de frecuencia variable.
Sin embargo,
el motor monofásico se modifica para operar eficientemente en el esquema del
variador de frecuencia variable. El motor monofásico es similar al motor
trifásico donde los primeros dos polos llevan la fase simple de la entrada de
potencia, y el tercer polo recibe la nueva fase generada por los elementos
inductivos y capacitivos. En un sistema electromecánico, el motor monofásico
recibe dos de las tres fases generadas por la fuente de alimentación.
Adicionalmente, el motor monofásico modificado tiene sus elementos de
generación de la nueva fase reemplazado con elementos que son compatibles con
los voltajes transitorios grandes del VFD.
Bibliografía
Electromechanical system having a
variable frequency drive power supply for 3-phase and 1-phase motors. United
States Patent Application Publication. US 2011/0018474 A1
Palabras clave
Phase change module
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