Inversor de frecuencia
Un inversor de frecuencia es un dispositivo electrónico que se utiliza para controlar la velocidad de rotación (revoluciones por minuto o RPM) de los motores eléctricos de inducción de corriente alterna. A los inversores de frecuencia se les conoce también como Variadores de Frecuencia, Drives o VFD (por sus siglas en inglés).
¿Cómo se define la velocidad de un inversor?
Los motores eléctricos de corriente alterna tienen una velocidad definida fija que depende del número de polos y de la frecuencia de la corriente eléctrica que se le suministra al motor; que convierte la energía eléctrica en energía mecánica, o movimiento, al rotar gracias al campo magnético inducido en él.
Un motor de 4 polos únicamente puede girar a 1,800 revoluciones por minuto cuando la frecuencia de la corriente eléctrica es de 60 Hz (ciclos por segundo). En México, como en Estados Unidos y otros países americanos, se utiliza corriente de 60Hz, mientras que en Europa se utiliza corriente de 50Hz.
Modificar la velocidad de frecuencia
Esta frecuencia no se puede modificar, pues la suministra de manera estandarizada la compañía generadora de energía eléctrica. El número de polos del motor eléctrico no se puede modificar sin alterar el diseño de este, pues es el embobinado del motor.
Cuando queremos modificar la velocidad de un motor eléctrico utilizamos un inversor de frecuencia. Este, recibe el voltaje suministrado y modifica la frecuencia, o ciclos, para variar la velocidad del motor de acuerdo con la siguiente función:
RPM= 120 × f / p
Donde RPM = Revoluciones por minuto; f = Frecuencia de suministro, Hz; p = número de polos del motor
Sustituyendo, nos queda: 1800 = (120 × 60) / 4. Esto quiere decir que, para un motor de 4 polos, si se le suministra voltaje de corriente alterna (VAC) de 60 Hz, su velocidad será de 1,800 revoluciones por minuto (RPM).
¿Qué pasa si modificamos la frecuencia del voltaje suministrado, representado por la letra f? Supongamos que, usando un inversor de frecuencia, alteramos la frecuencia suministrada de 60Hz por una frecuencia de 30Hz; nos queda de la siguiente manera:
(120 × 30) / 4 = 900
Es decir, ¡acabamos de cambiar la velocidad rotacional del motor eléctrico de 4 polos de 1,800 RPM a 900 RPM!
De igual forma, si en lugar de 30 Hz, le suministramos 45 Hz, nos queda de la siguiente manera:
(120 × 45) / 4 = 1,350
Es decir, ahora la velocidad rotacional del motor eléctrico de 4 polos, en lugar de ser 180 RPM, es de 1,350 RPM.
Lo mismo se puede aplicar para motores de 2, 6, 8, etc. polos, aplicando el cambio de polos en la fórmula. Sin embargo, su uso más común son los motores de 4 polos.
¿Cómo funciona el inversor de frecuencia?
Primero, convierte el voltaje de corriente alterna en voltaje de corriente directa usando un puente rectificador. Posteriormente, usando transistores (IGBT) encienden y apagan la señal eléctrica de corriente directa en una secuencia específica, enviando pulsos al motor eléctrico generando una forma de onda cuadrada de voltaje de corriente directa con una frecuencia constante.
De esta manera, se simula la frecuencia y voltaje suministrado. Para modificar la velocidad del motor, se modifica la amplitud de los pulsos para simular una menor o mayor frecuencia, o Hz. El número de pulsos que manda el inversor al motor se conoce como frecuencia de conmutación; aunque se puede modificar en algunos variadores, esta es constante durante la operación.
Entonces, si a un número constante de pulsos por segundo se les modifica la amplitud, la repetición del ciclo de pulsos en cada segundo va a ser menor, simulando una menor frecuencia. Si se reduce el ciclo se aumenta la frecuencia y si se aumenta el ciclo se reduce la frecuencia.
Si solo se aumenta el ancho del pulso entonces se aumenta el voltaje suministrado al motor, si se reduce el ancho del pulso entonces se reduce el voltaje.
Esta es la manera en la que el inversor o variador tiene control de estas 2 variables que son voltaje y frecuencia, lo cual le da la capacidad de variar la velocidad del motor y además ahorrar ya que no suministra todo el voltaje cuando la carga no lo requiere.
En la imagen anterior, la línea ondulada es el voltaje suministrado al inversor por la compañía generadora. Se observa como la corriente va alternando; esto sucede 60 veces por segundo. De ahí proviene su nombre: voltaje de corriente alterna. Las barras que se aprecian en la gráfica son los pulsos que manda el inversor al motor para simular la onda senoidal típica de corriente alterna. Si las barras son más angostas, la frecuencia será menor.
En la anterior gráfica se puede observar el drive en color verde, con su display que, en este caso muestra la velocidad del motor en RPM, botones de arranque/paro y control/programación; en color gris vemos el motor eléctrico. La corriente alterna entra en onda senoidal al inversor de frecuencia y, tras ser procesada por el drive, sale en corriente directa en pulsos hacia el motor, simulando la onda de la corriente alterna. La flecha indica cómo la energía eléctrica es convertida en energía mecánica al hacer girar al motor.
Tipos de inversores de frecuencia
Los inversores pueden ser de diversos tipos, dependiendo de la aplicación, del tipo de corriente o prestaciones que tenga el equipo.
De acuerdo con el voltaje de entrada
- Monofásico. Normalmente son para usos ligeros, y no son compatibles con motores de más de 5 HP debido al gran amperaje que estos consumen en 110 V.
- Trifásico. La gran mayoría de los drivers son para corriente trifásica, pues casi todas las instalaciones industriales funcionan con corriente trifásica.
De acuerdo con el voltaje de entrada
- Baja tensión. Va desde 110 hasta 1,000 V.
- Media tensión. A partir de 1,000 hasta 7,200 V.
- Alta tensión. Voltajes superiores a 35,000 V
De acuerdo con la aplicación
- Torque variable. Algunos ejemplos de torque variable son para bombeo y ventilación, pues a bajas revoluciones el motor requiere poca potencia para mover el fluido y el requerimiento de potencia llega a su máximo a velocidad nominal.
- Torque constante. En este caso, el motor requiere el 100% de su torque/potencia desde 0 RPM. Un ejemplo puede ser un elevador, que desde que arranca el motor ya lleva el 100% de la carga. Otro ejemplo puede ser una trituradora, que, en ocasiones, puede ya estar cargada al momento del arranque, y necesita toda la potencia del motor para poder romper el material desde el arranque.
De acuerdo con las prestaciones o características
- Esto depende mucho de la marca del drive y de lo que se necesita. Puede ser desde protocolos de comunicación, habilidad de aceptar tarjetas adicionales de comunicación o programación, que se pueda programar más funciones, etc.
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