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.

En este nuevo artículo sobre la serie que estamos dedicando a los variadores de frecuencia hablamos sobre un método para configurar un sistema electromecánico que incluye un motor trifásico, un motor monofásico, y una fuente de alimentación con variador de frecuencia variable, configurados para generar una salida trifásica para el motor trifásico y para el motor monofásico.

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