Variador de frecuencia variable proporcionando energía para suministrar energía a motores monofásicos y trifásicos (1ª PARTE)

El sistema de alimentación de energía de un sistema electromecánico puede ser configurado de forma que, en vez de recibir la energía directamente de una fuente AC, los componentes del sistema electromecánico reciban energía de uno o más suministro de potencia, tales como un variador de frecuencia variable (VFD) que reciba energía de un bus DC.  En el sistema, el bus de potencia DC puede recibir la energía de, por ejemplo, una fuente AC pública a través de un rectificador. El bus de potencia DC se usa para proporcionar energía a uno o más suministros de potencia que generan energía AC apropiada para los componentes del sistema electromecánico.

En algunos sistemas electromecánicos un motor trifásico y monofásico operan al mismo tiempo. En orden de reducir el número total de suministros de energía, el motor trifásico y el motor monofásico funcionan ventajosamente con la misma fuente de energía. Además, un variador de frecuencia es deseable al menos debido a la eficiencia energética al arrancar el motor trifásico, Un VFD corta el voltaje DC del bus DC en tres salidas desfasadas 120 º. El sistema tiene control de velocidad y el rango del control de velocidad no está limitado para uno o más motores trifásicos pero está limitado en el rango inferior para uno o más motores monofásicos. En este artículo hablaremos fundamentalmente de sistemas que tengan un motor trifásico y un motor monofásico.

En la figura con la que abrimos el artículo se muestra un sistema electromecánico. El sistema electromecánico 200 incluye una sección de fuente de potencia 10, una sección de suministro de potencia 20, y una sección de componentes del sistema 50. La fuente de potencia 12 puede ser de cualquier tipo, incluyendo energía solar, eólica o un generador.

La segunda fuente de potencia opcional puede ser una fuente secundaria o back-up, por ejemplo un banco de baterías que puede cargarse y recargarse. También pueden usarse otros tipos de dispositivos de almacenamiento de energía. La segunda fuente de energía se conecta al bus de potencia 15, y se configura para ser cargada por el bus de potencia 15 está funcionando y la segunda fuente de potencia no está completamente cargada. La segunda fuente de potencia es posteriormente configurada para proporcionar energía al bus de potencia 15 cuando la potencia desde el rectificador 13 o la primera fuente de potencia 12 son insuficientes para la carga en el bus de potencia 15.

En la configuración que mostramos, la fuente de potencia 22 está configurada para suministrar energía a dos motores: un motor trifásico 52 y un motor monofásico 54. Esta fuente de potencia 22 es un VFD.

Un VFD puede usarse para alcanzar el control de velocidad de los motores. Adicionalmente o alternativamente, VFD puede usarse porque incrementa la eficiencia energética a través de un arranque controlado del motor trifásico. Cuando se usa una fuente de alimentación de voltaje y frecuencia constante, la corriente de arranque del motor puede ser entre seis y diez veces la corriente de funcionamiento. Debido a la inercia del sistema, el motor trifásico no es lo bastante poderoso como para poner en funcionamiento la carga instantáneamente a plena velocidad en respuesta a la señal de alta frecuencia y velocidad  de la señal de suministro de energía necesario para operar a plena velocidad. Durante el arranque, algunos motores extraen al menos el 300 % de su corriente nominal mientras producen menos del 50 % del 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 la velocidad nominal. Las corrientes altas derrochan potencia y degradan el motor. Como resultado, la eficiencia total, efectividad, y vida útil del motor se reducen.

Cuando un VFD se usa para arrancar un motor, una frecuencia baja, y una señal de potencia de voltaje bajo se aplica inicialmente al motor. La frecuencia puede ser de alrededor de 2 Hz o menos. Arrancando a tan bajas frecuencias se permite que la carga se adapte a la capacidad del motor, y se eviten las corrientes de entrada altas que ocurren en los arranques con fuentes de alimentación de voltaje y frecuencia constante. El VFD se usa para incrementar la frecuencia y voltaje dentro de 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 excesiva corriente. Este método de arranque permite que el motor desarrolle aproximadamente el 150 % de su par nominal mientras que extrae solamente el 50 % de su corriente nominal. Como resultado de ello, el VFD permite con una corriente de arranque reducida, disminuir los costes operacionales, imponiendo menos tensión mecánica a los motores trifásicos e incrementando la vida en servicio. La VFD también permite el control programable de la aceleración y deceleración de la carga.

El VFD de suministro de potencia produce una salida trifásica, que da energía al motor trifásico. El motor trifásico tiene una simetría rotacional de campos magnéticos rotativos tales que una armadura es magnetizada y el par es desarrollado. Controlando el voltaje y la frecuencia de la señal de potencia trifásica, la velocidad del motor es controlada donde la cantidad de energía apropiada entra en los devanados del motor de manera que opera el motor eficientemente mientras que cumple la demanda de las carga de aceleración.  El móvil eléctrico es generado conmutando componentes electrónicos para derivar una forma de onda de voltaje que, cuando se promedia por la inductancia del motor, llega a ser la forma de onda de la corriente para que el motor opere con la velocidad y par deseados. El arranque del motor trifásico 52 descrito anteriormente permite una alta eficiencia y larga vida de los motores trifásicos.

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