13 septiembre 2012

Variador de frecuencia variable proporcionando energía para suministrar energía a motores monofásicos y trifásicos (2ª PARTE)



Ver 1ª PARTE


El uso de un VFD permite el funcionamiento de un motor para el control de velocidad, desapareciendo la limitación on – off. Por ejemplo, un sistema HVAC/R con un VFD puede operar el compresor a una velocidad correspondiente con los requerimientos de enfriamiento ambientales a temperaturas controladas. 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 de potencia mejorada en el sistema debido a que se eluden las ineficiencias experimentadas con arranques y paradas del compresor.

Además, en algunos sistemas la carga en el motor es relativamente constante. Por ejemplo, para algunas aplicaciones HVAC/R, 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. Tal rango limitado de carga permite que el compresor opere eficientemente.

Otro beneficio del control de velocidad es que las funciones de control de los motores se incrementan. Por ejemplo, en un sistema HVAC/R, el rango de temperaturas en un ambiente controlado se reduce dramáticamente cuando se compara con los sistemas HVAC/R en los que los compresores funcionan on – off. En los sistemas HVAC/R, para prevenir cambios de estado frecuentes entre off y on, 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 grado 3. Si la temperatura configurada es – 5 ºC, una vez la temperatura del ambiente es – 5 ºC, el compresor se apaga. Sin embargo, debido a los 3 grados de histéresis, el compresor no se enciende hasta que la temperatura ambiental es –  2 ºC. En contraste, en un sistema HVAC/R con un VFD controlando el compresor, el sistema de control activo incrementalmente incrementa y disminuye la velocidad del compresor para proporcionar el control preciso de la temperatura ambiental. Como resultado de ello, no hay histéresis.

En la configuración mostrada, debido a que el motor monofásico 54 no opera sin el motor trifásico 52, la salida trifásica del suministro de alimentación 22 puede adicionalmente proporcionar potencia al motor monofásico 54. El resultado es un ahorro de costes en el sistema al eliminar la alimentación del motor monofásico 54.

En los sistemas electromecánicos convencionales, cuando un VFD se usa con un sistema trifásico y monofásico operan a la misma vez. El motor monofásico puede operar con una alimentación de potencia separada o es reemplazada con un motor trifásico compatible con la salida de la alimentación del VFD. En el sistema descrito, debido a que el motor monofásico  es ventajoso respecto al suministro de potencia 22, se usa un motor monofásico. En orden de permitir que un motor monofásico 54 trabaje con un suministro de alimentación 22, la salida de la alimentación 22 se acondiciona mediante un módulo de cambio de fase 53.

El módulo de cambio de fase 53 se conecta entre el suministro de energía VFD y el motor monofásico 54. Los motores monofásicos no siempre son compatibles con la operación en voltaje y frecuencia variable. En los motores monofásicos, se genera una nueva fase  para ser usada con una sola fase 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, un anillo sombreado sirve como una inductancia capaz de almacenar campo de magnetismo y generar la nueva fase.  Si el motor monofásico es un motor Split capacitor, un condensador proporciona una fase que lleva corriente de un terminal a otro. La eficiencia de potencia del anillo sombreado y del condensador, sin embargo, son dependientes de la frecuencia, y por lo tanto estos elementos se ajustan a la frecuencia de funcionamiento del motor de acuerdo a su aplicación. A frecuencias no especificadas, el comportamiento del motor y de los elementos de generación de la nueva fase es ineficiente y el par motor sufre. Adicionalmente, la señal de salida de potencia del VFD tiene grandes 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 puntas de corriente altas que incrementan el calor y reducen la eficiencia de potencia del motor y sus componentes. Por lo tanto, estos motores no son efectivos para su uso en un esquema de variación de frecuencia variable.

Además, el motor monofásico 54 se modifica 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 única fase de la entrada de potencia, y el tercer polo recibe la nueva fase generada por los elementos inductivos y capacitivos. En el sistema electromecánico 200, el motor monofásico 54 recibe dos de las tres fases generadas por el suministro de potencia 22. Adicionalmente, el motor monofásico modificado tiene sus nuevos elementos de generación de fase reemplazados con elementos que son compatibles con los altos picos de voltaje transitorio del VFD, tales como los que mostramos en la figura con la que abrimos este artículo.

En una configuración del circuito de cambio de fase 53, la modificación del motor monofásico incluye la sustitución del condensador de arranque por dos condensadores del doble de capacitancia, en serie. Esto incrementa la descomposición de voltaje mientras mantiene el valor de la capacitancia, y por lo tanto el ajuste del motor, sin cambios.

Adicionalmente, para permitir que el motor de cambio de fase trabaje con el VFD 22, el circuito de cambio de fase 53 permite que la velocidad del motor monofásico 54 sea controlada por el 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, Split capacitor motor


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