Aprendiendo a diseñar aplicaciones con variadores de frecuencia variable (1ª PARTE)

El uso de variadores de frecuencia variable está cada vez más extendido y las aplicaciones comunes son bien conocidas y fáciles de implementar en las instalaciones. Pero el diseño de aplicaciones específicas que solucionen problemas concretos ya no resulta tan sencillo y es todo un mundo por desarrollar en infinidad de situaciones comunes.

La utilización de un VFD a una aplicación específica no es un misterio cuando comprendemos los requerimientos de la carga. Simplemente el VFD debe tener una capacidad de corriente amplia para el motor de forma que el motor pueda producir el par requerido para la carga. Debemos recordar que el par de la máquina es independiente de la velocidad del motor y que la potencia de la carga se incrementa linealmente con rpm.

Las aplicaciones VFD pueden dividirse en los siguientes tipos de carga individuales.

Cargas de par constante. Estas cargas representan un 90 % de todas las máquinas industriales generales (otras cargas de par constante). Ejemplos de estos tipos de carga incluyen maquinaria general, elevadores, transportadores, prensas de impresión, bombas de desplazamiento positivo, algunas mezcladoras y extrusoras, compresores recíprocos, además de compresores rotatorios.

Cargas de potencia constante. Estas máquinas son las más a menudo utilizadas en la industria de máquina de herramienta y aplicaciones con bobinadoras. Ejemplos de cargas de potencia constante incluyen cepilladoras, tornos, taladradoras, máquinas taladradoras y extrusoras.

Tradicionalmente, estas cargas se consideran aplicaciones de variadores DC. Con VFD de vector de flujo de alto rendimiento ahora disponible, muchas aplicaciones de variadores DC de este tipo pueden manejarse mediante VFDs.

Cargas de par variable. Las cargas de par variable a menudo se encuentran en aplicaciones de flujo variable, tales como ventiladores y bombas. Ejemplos de aplicaciones incluyen ventiladores, ventiladores centrífugas, bombas de impulsión, bombas de turbina, agitadores, y compresores axiales. VFDs ofrecen la mayor oportunidad de ahorro energético porque la potencia varía con el cubo de la velocidad y el par varía con el cuadrado de la velocidad para estas cargas. Por ejemplo, si la velocidad del motor se reduce un 20 %, la potencia del motor se reduce por una relación cúbica (8 x 8 x8) o un 51 %.

Dimensionando VFDs para la carga

Cuando dimensionamos un VFD primero debemos comprender los requerimientos de la carga. Esto ayuda a comprender la diferencia entra potencia y par.

El par es una fuerza aplicada que tiende a producir la rotación. Todas las cargas tienen unos requerimientos de par que deben ser cubiertos por el motor.

Cuando dimensionamos el tamaño de un variador de frecuencia variable para una aplicación necesitamos conocer la confianza que nos dará el equipo en el trabajo que va a realizar. Primero, debemos comprender los requerimientos de la carga. Esto nos ayuda a comprender la diferencia entre potencia y par. Los técnicos en electricidad, tienden a pensar en las capacidades para las cargas en vez de para el par. ¿Algún ingeniero ha dimensionado algo basándose en el par? Para realizar un diseño correcto debemos examinar tanto el par como la potencia.

Par. El par es la fuerza aplicada que tiende a producir la rotación. Todas las cargas tienden a tener unos requerimientos de par que debe cumplir el motor. El propósito del motor es desarrollar bastante par para cumplir los requerimientos de la carga.

Potencia. La potencia es la capacidad para realizar un trabajo.

Conocer los requerimientos de par de carga. Cada carga tiene requerimientos de par distintos que varían con la operación de carga; estas cargas deben ser suministradas por el motor vía el VFD. Deberemos comprender bien estos pares.

• Par break-away. Es el par requerido para comenzar una carga en movimiento (típicamente mayor que el par para mantener el movimiento).
• Par de aceleración. Par requerido para mantener la carga en movimiento en todas las velocidades.
• Par pico. Par pico ocasional requerido para mantener la carga moviéndose a todas las velocidades.
• Par de retención. Par requerido por el motor cuando opera como un freno, tal como las cargas colina abajo y las máquinas de inercia altas.

Las siguientes orientaciones nos ayudarán a asegurar un correcto acoplamiento de VFD y motor.

1. Definimos el perfil de operación de la carga a la que se aplica el VFD. Incluimos cualquiera de los pares discutidos más arriba. Lo primero que debemos hacer es registrar la corriente del motor bajo todas las condiciones de operación. Obtendremos las lecturas más altas bajo las peores condiciones. Asimismo, veremos si el motor ha estado trabajando en una condición de sobrecarga controlando los amperios a plena carga (FLA). Un motor sobrecargado operando a velocidades reducidas puede no sobrevivir las temperaturas incrementadas como resultado del efecto de enfriamiento reducido del motor a estas velocidades más bajas.
2. Determinamos por qué la operación de carga necesita ser cambiada. Muy a menudo los VFDs tienen que aplicarse a aplicaciones donde todo lo que se requiere es un controlador de voltaje reducido de arranque suave. La necesidad de un VFD se basará en la habilidad para cambiar las cargas según se requiera. En aquellas aplicaciones donde sólo se requiere un cambio de velocidad, un VFD puede no ser necesario o práctico.
3. El tamaño de un VFD al motor se basa en los máximos requerimientos de corriente bajo demandas de par pico. No debemos dimensionar el VFD basándonos en la potencia nominal. Muchas aplicaciones han fallado debido a esto. Recordemos, la demanda máxima que impone al motor la carga debe también ser cumplida por el VFD.
4. Evaluemos la posibilidad del sobredimensionado requerido por el VFD.

Debemos ser conscientes que el rendimiento del motor (por ejemplo, par break-away) se basa en la capacidad de usar el VFD y la cantidad de corriente que puede producir. Dependiendo del tipo de carga y del trabajo esperado. Puede requerirse sobredimensionar el VFD.

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