¿Por qué la relación V/f se mantiene constante en VFD?
En el mundo de la ingeniería eléctrica, los variadores de frecuencia (VFD por sus siglas en inglés) se han convertido en una herramienta esencial para el control eficiente de motores eléctricos. Pero, ¿alguna vez te has preguntado por qué la relación entre voltaje (V) y frecuencia (f) se mantiene constante a lo largo de su operación? Este peculiar equilibrio no solo maximiza el rendimiento de los motores, sino que también optimiza el consumo de energía y prolonga la vida útil del equipo. En este artículo, exploraremos las bases de esta relación fundamental y su impacto en la eficacia de los sistemas eléctricos, revelando los secretos detrás de esta tecnología que impulsa la industria moderna. ¡Acompáñanos en este fascinante viaje hacia el corazón de los VFD!
En la era de la automatización industrial, el uso de variadores de frecuencia (VFD) se ha convertido en una herramienta fundamental para controlar la velocidad de motores eléctricos. Sin embargo, pocos saben por qué la relación V/f se mantiene constante en estos dispositivos. En este artículo, exploraremos este concepto crucial que garantiza el buen funcionamiento de los VFD y su importancia en la industria moderna.
Velocidad del motor de inducción
VFD significa unidad de frecuencia variable. VFD se utiliza con un motor de inducción para control de velocidad, optimización de procesos y ahorro de energía.
Antes de entender la razón por qué la relación V/f se mantiene constante en vfd, primero entendemos el funcionamiento del Motor de inducción. control V/f es tambien llamado Control V/Hz o control escalar.
La diferencia entre velocidad síncrona y la velocidad real del motor se llama deslizar. La velocidad del motor de inducción se puede calcular con la siguiente fórmula.
>Dónde,
nortes = 120f/P- La velocidad síncrona del motor
f = Frecuencia
s = deslizamiento del motor
P = Número de polos.
Factores que afectan la velocidad del motor de inducción
- Frecuencia
- Nº de polos
- Deslizar
La regulación de la velocidad del motor de inducción solo con un cambio de voltaje tiene ciertas limitaciones, y con este método, la velocidad se puede gobernar en el rango de 90% a 100% de la velocidad nominal.
Si el voltaje se reduce por debajo del 90 % del voltaje nominal, el par del motor se reduce drásticamente ya que el par del motor es proporcional al cuadrado del voltaje aplicado y, con este voltaje reducido, el motor puede detenerse si la carga lo exige. más par que la capacidad máxima de entrega de par del motor.
>Con la reducción del voltaje del estator, se reduce el flujo en el entrehierro del motor y, como resultado, se reduce la capacidad de entrega de par del motor.
El método de reducción de velocidad hasta el rango de velocidad limitado con reducción de voltaje del estator se puede realizar si la carga impulsada exige menos par a velocidad reducida.
Regulación de la velocidad cambiando el frecuencia es el mejor método para gobernar la velocidad del motor.
>El voltaje del estator también aumenta o disminuye proporcionalmente con un aumento o disminución de la frecuencia con el inversor modulador de ancho de pulso (PWM) para mantener el flujo constante en el motor. La forma de onda PWM se muestra a continuación.
>El ancho de la forma de onda PWM aumenta o disminuye con un aumento o disminución de la frecuencia. Por lo tanto, los anchos más pequeños de PWM producen un voltaje resultante más bajo y el ancho de pulso más grande produce un voltaje resultante más alto.
¿Cómo mantiene el inversor PWM una relación V/f constante en VFD?
Entendamos el concepto de mantener constante la relación V/f en vfd a través de un ejemplo. Si el motor de 440 voltios, 1500 RPM, 50 Hz funciona a 50 Hz, entonces la velocidad del motor es de alrededor de 1480 RPM. La relación V/f es (440/50) 8,8.
Si el motor va a funcionar a 740 RPM, entonces la frecuencia es de 25 Hz y, correspondiente a esta frecuencia, el voltaje es de 220 voltios. En este caso, la relación V/f es (220/25) 8,8. De esta forma, el inversor PWM mantiene constante la relación v/f o flujo constante y, por lo tanto, el motor entrega un par constante.
>Por lo tanto, el voltaje de salida del inversor aumenta linealmente con un aumento en la frecuencia. Así, la relación V/f se mantiene constante.
>¿Qué es el control de deslizamiento de un motor de inducción?
Con control de deslizamiento, se puede gobernar la velocidad del motor de inducción de anillos deslizantes. El control de velocidad a través del control de deslizamiento provoca pérdida de cobre en el rotor. La pérdida de cobre del rotor o la potencia de deslizamiento del rotor se pueden recuperar con el sistema de recuperación de potencia de deslizamiento (SPRS).
Cuando la velocidad del motor de inducción se regula mediante la regulación de la frecuencia, la tensión del estator también aumenta/disminuye en proporción al cambio de frecuencia. El aumento o disminución de la tensión con la frecuencia no contribuye a la variación de velocidad del motor de inducción; sin embargo, es esencial regular el voltaje con un cambio en la frecuencia. Entendamos la razón de esto.
El devanado del estator está enrollado en el núcleo magnético. El flujo se produce cuando se aplica el voltaje sinusoidal en la terminal del estator; el flujo magnético producido en el núcleo que viaja a través del espacio de aire entre el estator y el rotor se vincula al devanado del rotor.
Relación V/f Constante en VFD
El flujo producido en el núcleo del motor se puede calcular con la fórmula que se indica a continuación.
>De acuerdo con la ley de inducción electromagnética de Faraday, la FEM propia inducida generada en el estator se expresa como;
>donde mivalor eficaz es la EMF/fase inversa producida en el estator, frecuencia f y n- Número de vueltas en la bobina del estator.
>Por tanto, el flujo en el núcleo del estator es proporcional a la relación V/f. Es por eso que mantenemos constante la relación v/f en VFD.
Efecto sobre el rendimiento del motor si la relación V/f o el flujo no se mantienen constantes en el entrehierro del motor
Si velocidad aumenta al aumentar la frecuencia, el voltaje debe aumentarse en la misma proporción con el aumento de la frecuencia para mantener el flujo constante en el núcleo para evitar el sobrecalentamiento del núcleo.
¿Qué sucede si el flujo aumenta por encima de la capacidad de flujo nominal?
Si el voltaje no disminuye con una disminución de la frecuencia, el flujo en el núcleo superará su capacidad nominal de diseño y el núcleo del motor se saturará. La saturación del núcleo conducirá a un aumento de la temperatura del núcleo y, finalmente, el aislamiento del devanado se romperá.
Por ejemplo, si operamos el motor de 440 voltios, 50 Hz nominales a toda velocidad, entonces la relación de V/f es 440/50=8,8. Ahora reducimos la velocidad del motor a la mitad de su velocidad nominal cambiando solo la frecuencia. En este caso, la relación de V/f es 440/25=17,6.
En el segundo caso, el flujo del núcleo es dos veces la capacidad de flujo nominal. El núcleo no puede transportar el flujo por encima de su capacidad y provocará la falla del núcleo debido a la falla del aislamiento del núcleo. Esta es la razón por la que la relación v/f se mantiene constante en VFD.
Si el voltaje no aumenta con un aumento en la frecuencia, el flujo en el núcleo del estator se reduce de su índice de flujo promedio nominal y el motor no podrá producir el par nominal hasta la velocidad base.
¿Qué sucede si el flujo se reduce por debajo de la capacidad de flujo nominal?
En la aplicación en la que se requiere aumentar la velocidad por encima de la velocidad base del motor, la frecuencia se aumenta por encima de 50 Hz. Sin embargo, en la práctica no es posible aumentar el voltaje por encima de 440 voltios en el caso de variadores de 440 voltios. Más allá de la velocidad base del motor, no es posible mantener constante la relación V/f en VFD.
El control de velocidad por encima de la velocidad base es posible debilitando el flujo del estator principal a medida que se reduce la relación V/F.
Hasta la velocidad base (velocidad nominal), el motor funciona en la región de par constante. En esta región, la potencia varía con el aumento de la velocidad. Más allá de la velocidad base, el flujo se debilita y el motor opera en la región de potencia constante. La región de potencia constante también se denomina región de debilitamiento de flujo.
>Este procedimiento de control de velocidad por encima de la velocidad base del motor se puede utilizar para aumentar la velocidad de los accionamientos que requieren menos par de funcionamiento por encima de la operación de velocidad base. El aumento de la velocidad por encima de la velocidad base del motor provocará una disminución del par.
Con el debilitamiento del flujo, la velocidad del motor se puede aumentar por encima del 10 % de la velocidad base nominal del motor. Sin embargo, los datos de diseño del motor deben verificarse antes de realizar la regulación de velocidad a través del debilitamiento del flujo.
Leer siguiente:
¿Por qué la relación V/f se mantiene constante en VFD?
En el mundo de la ingeniería eléctrica, los variadores de frecuencia (VFD por sus siglas en inglés) se han convertido en herramientas esenciales para el control eficiente de motores eléctricos. En este artículo, exploraremos por qué la relación entre voltaje (V) y frecuencia (f) se mantiene constante durante su operación y su impacto en la eficacia de los sistemas eléctricos.
Fundamentos de la relación V/f
Un VFD ajusta la velocidad de un motor de inducción controlando la frecuencia y el voltaje de la corriente suministrada. Cuando hablamos de la relación V/f, estamos refiriéndonos a cómo el voltaje aplicado al motor debe aumentar o disminuir proporcionalmente con respecto a la frecuencia para mantener un flujo magnético constante en el motor.
Importancia del flujo magnético constante
El flujo magnético en el núcleo del motor se puede calcular mediante la ley de Faraday, que establece que la fuerza electromotriz generada es proporcional al voltaje y a la frecuencia.
- Proporcionalidad: Mantener constante la relación V/f (voltaje sobre frecuencia) es crucial para asegurar que el motor funcione correctamente sin sobrecalentarse ni saturarse.
- Rendimiento: Si un motor opera con un flujo superior a su capacidad, puede resultar en daños, como la ruptura del aislamiento del devanado.
Ejemplo práctico
Consideremos un motor con un voltaje nominal de 440 voltios y una frecuencia de 50 Hz. La relación V/f inicial sería:
V/f = 440V / 50Hz = 8.8
Si decidimos reducir la frecuencia a 25 Hz, el voltaje también debe ajustarse a 220 V para mantener la relación:
V/f = 220V / 25Hz = 8.8
¿Qué ocurre si la relación V/f no se mantiene constante?
Si esta relación no se mantiene, el motor puede experimentar problemas serios:
- Saturación: Aumentar la frecuencia sin aumentar el voltaje puede saturar el núcleo, causando un aumento en la temperatura.
- Falta de par motor: Un voltaje insuficiente en relación a la frecuencia puede resultar en una incapacidad del motor para generar el par necesario para las cargas requeridas.
Conclusión
La relación constante entre voltaje y frecuencia en los variadores de frecuencia es fundamental para el adecuado funcionamiento y la longevidad de los motores eléctricos. Este equilibrio no solo maximiza el rendimiento de los motores, sino que también optimiza el consumo de energía y prolonga la vida útil del equipo.
Preguntas Frecuentes (FAQ)
¿Qué es un variador de frecuencia (VFD)?
Un variador de frecuencia es un dispositivo que permite controlar la velocidad de un motor variando la frecuencia y el voltaje de la alimentación eléctrica que recibe. Esto se logra a través de técnicas como la modulación por ancho de pulso (PWM).
¿Por qué es importante mantener la relación V/f?
Mantener la relación V/f es crucial para evitar la saturación del núcleo y asegurar que el motor produzca su par nominal sin sobrecalentarse, lo que puede llevar a daños en el motor.
¿Cómo afecta un cambio en la frecuencia al comportamiento del motor?
Cuando la frecuencia aumenta, el voltaje debe aumentar proporcionalmente para mantener el mismo flujo magnético en el motor. De lo contrario, el motor puede comenzar a perder eficiencia y generar menos par.
¿Qué problemas pueden surgir si la relación V/f es inadecuada?
Si la relación V/f no se mantiene, puede ocasionar sobrecalentamiento, saturación en el núcleo del motor y, en última instancia, daños en el aislamiento del devanado.
Para obtener más información sobre variadores de frecuencia, puedes consultar Sistronic o visitar la Wikipedia sobre variadores de frecuencia.