Variador de frecuencia

Un variador de frecuencia ( VFD , o variador de frecuencia ajustable , variador de velocidad ajustable , variador de velocidad variable , variador de CA , micro variador , variador inversor o variador ) es un tipo de variador de motor de CA (sistema que incorpora un motor) que controla la velocidad y el par al variar la frecuencia de la electricidad de entrada. Dependiendo de su topología , controla la variación de voltaje o corriente asociada . ^{[1] [2] [3] [4] [5]}

Los VFD se utilizan en aplicaciones que van desde pequeños electrodomésticos hasta grandes compresores. ^[6] Los sistemas que utilizan VFD pueden ser más eficientes que los sistemas hidráulicos , como en sistemas con bombas y control de compuertas para ventiladores. ^[7]

Desde la década de 1980, la tecnología de electrónica de potencia ha reducido el costo y el tamaño de los VFD y ha mejorado el rendimiento a través de avances en dispositivos de conmutación de semiconductores, topologías de variadores, técnicas de simulación y control, y hardware y software de control.

Los VFD incluyen topologías CA-CA y CC-CA de bajo y medio voltaje .

Los proyectos de variadores de frecuencia con modulación por ancho de pulso (PWM) comenzaron en la década de 1960 en Strömberg , Finlandia. Martti Harmoinen  [fi] es considerado el inventor de esta tecnología. ^{[8] [9] [10]} Strömberg logró vender la idea del variador PWM a Helsinki Metro en 1973 y en 1982 el primer variador PWM SAMI10 estaba operativo. ^{[11] [12] [13]}

Un variador de frecuencia es un dispositivo utilizado en un sistema de accionamiento que consta de los siguientes tres subsistemas principales: motor de CA, conjunto de controlador de accionamiento principal e interfaz de accionamiento/operador. ^{[2] : 210–211  [4]}

El motor eléctrico de CA que se utiliza en un sistema VFD suele ser un motor de inducción trifásico . Algunos tipos de motores monofásicos o motores síncronos pueden resultar ventajosos en algunas situaciones, pero generalmente se prefieren los motores de inducción trifásicos por ser los más económicos. A menudo se utilizan motores diseñados para funcionar a velocidad fija. Las tensiones elevadas que se imponen a los motores de inducción que se alimentan mediante VFD requieren que dichos motores se diseñen para un servicio con inversor de propósito definido de acuerdo con requisitos como la Parte 31 de la Norma NEMA MG-1. ^[14]

El controlador VFD es un sistema de conversión de electrónica de potencia de estado sólido que consta de tres subsistemas distintos: un convertidor de puente rectificador , un enlace de corriente continua (CC) y un inversor. Los variadores de frecuencia de inversor de fuente de voltaje (VSI) (consulte la subsección "Topologías genéricas" a continuación) son, con diferencia, el tipo de variadores más común. La mayoría de los variadores son variadores de CA-CA en el sentido de que convierten la entrada de línea de CA en una salida de inversor de CA. Sin embargo, en algunas aplicaciones, como las aplicaciones de bus de CC o solares comunes , los variadores se configuran como variadores de CC-CA. El convertidor rectificador más básico para el variador VSI se configura como un puente de diodos de onda completa , trifásico y de seis pulsos . En un variador VSI, el enlace de CC consta de un condensador que suaviza la ondulación de salida de CC del convertidor y proporciona una entrada rígida al inversor. Este voltaje de CC filtrado se convierte en una salida de voltaje de CA cuasi sinusoidal mediante los elementos de conmutación activos del inversor. Los variadores VSI proporcionan un factor de potencia más alto y una distorsión armónica más baja que los variadores de frecuencia con inversor de fuente de corriente controlado por fase (CSI) y los variadores de frecuencia con inversor conmutado por carga (LCI) (consulte la subsección "Topologías genéricas" a continuación). El controlador del variador también se puede configurar como un convertidor de fase con una entrada de convertidor monofásico y una salida de inversor trifásica. ^[15]

Los avances en materia de controladores han aprovechado los drásticos aumentos en los valores nominales de voltaje y corriente y en la frecuencia de conmutación de los dispositivos de potencia de estado sólido durante las últimas seis décadas. Introducido en 1983, ^[16] el transistor bipolar de puerta aislada (IGBT) ha llegado a dominar en las últimas dos décadas los VFD como dispositivo de conmutación inversor. ^{[17] [18] [19]}

En aplicaciones de par variable adecuadas para el control de variadores de voltios por hercio (V/Hz), las características del motor de CA requieren que la magnitud de voltaje de la salida del inversor al motor se ajuste para que coincida con el par de carga requerido en una relación V/Hz lineal . Por ejemplo, para motores de 460 V, 60 Hz, esta relación V/Hz lineal es 460/60 = 7,67 V/Hz. Si bien es adecuado para una amplia gama de aplicaciones, el control V/Hz no es óptimo en aplicaciones de alto rendimiento que involucran baja velocidad o requisitos exigentes de regulación de velocidad dinámica, posicionamiento y carga de inversión. Algunos variadores de control V/Hz también pueden funcionar en modo V/Hz cuadrático o incluso pueden programarse para adaptarse a rutas V/Hz multipunto especiales. ^{[20] [21]}

Las otras dos plataformas de control de accionamiento, el control vectorial y el control de par directo (DTC), ajustan la magnitud del voltaje del motor, el ángulo de referencia y la frecuencia ^[22] para controlar con precisión el flujo magnético y el par mecánico del motor.

Aunque la modulación por ancho de pulso vectorial espacial (SVPWM) se está volviendo cada vez más popular, ^[23] la modulación por ancho de pulso sinusoidal (SPWM) es el método más sencillo que se utiliza para variar el voltaje (o la corriente) y la frecuencia del motor de los variadores. Con el control SPWM (ver Figura 1), se construye una salida cuasi sinusoidal de ancho de pulso variable a partir de intersecciones de una señal portadora en dientes de sierra con una señal sinusoidal moduladora que es variable en frecuencia de operación así como en voltaje (o corriente). ^{[17] [24] [25]}

El funcionamiento de los motores por encima de la velocidad nominal de la placa de identificación (velocidad base) es posible, pero está limitado a condiciones que no requieren más potencia que la nominal del motor. Esto a veces se denomina "debilitamiento del campo" y, para los motores de CA, significa operar a una velocidad inferior a la nominal de V/Hz y superior a la nominal de la placa de identificación. Los motores síncronos de imán permanente tienen un rango de velocidad de debilitamiento del campo bastante limitado debido al enlace de flujo magnético constante . Los motores síncronos de rotor bobinado y los motores de inducción tienen un rango de velocidad mucho más amplio. Por ejemplo, un motor de inducción de 100 HP, 460 V, 60 Hz, 1775  RPM (4 polos) alimentado con 460 V, 75 Hz (6,134 V/Hz), estaría limitado a 60/75 = 80 % de par a 125 % de velocidad (2218,75 RPM) = 100 % de potencia. ^[26] A velocidades más altas, el par del motor de inducción debe limitarse aún más debido a la reducción del par de arranque ^[a] del motor. Por lo tanto, la potencia nominal generalmente solo se puede producir hasta el 130-150% de la velocidad nominal nominal. Los motores síncronos de rotor bobinado pueden funcionar a velocidades incluso más altas. En los accionamientos de los laminadores, a menudo se utiliza el 200-300% de la velocidad base. La resistencia mecánica del rotor limita la velocidad máxima del motor.

Un microprocesador integrado controla el funcionamiento general del controlador VFD. La programación básica del microprocesador se proporciona como firmware inaccesible para el usuario . Se proporciona programación por parte del usuario de parámetros de visualización , variables y bloques de funciones para controlar, proteger y monitorear el VFD, el motor y el equipo accionado. ^{[17] [27]}

El controlador de unidad básico se puede configurar para incluir selectivamente componentes de potencia y accesorios opcionales como los siguientes:

• Conectado aguas arriba del convertidor: disyuntor o fusibles , contactor de aislamiento , filtro EMC , reactor de línea , filtro pasivo
• Conectado al enlace de CC: chopper de frenado , resistencia de frenado
• Conectado aguas abajo del inversor: reactor de salida, filtro de onda sinusoidal, filtro dV/dt. ^{[b] [29]}

La interfaz del operador proporciona un medio para que un operador arranque y detenga el motor y ajuste la velocidad de operación. El VFD también puede ser controlado por un controlador lógico programable a través de Modbus u otra interfaz similar. Las funciones de control del operador adicionales pueden incluir la inversión y el cambio entre el ajuste manual de la velocidad y el control automático desde una señal de control de proceso externa. La interfaz del operador a menudo incluye una pantalla alfanumérica o luces indicadoras y medidores para proporcionar información sobre el funcionamiento del variador. A menudo se proporciona un teclado y una unidad de visualización de la interfaz del operador en la parte frontal del controlador VFD, como se muestra en la fotografía anterior. La pantalla del teclado a menudo se puede conectar por cable y montar a poca distancia del controlador VFD. La mayoría también se proporcionan con terminales de entrada y salida (E/S) para conectar botones pulsadores, interruptores y otros dispositivos de interfaz del operador o señales de control. A menudo también está disponible un puerto de comunicaciones en serie para permitir que el VFD se configure, ajuste, monitoree y controle mediante una computadora. ^{[17] [30] [31]}

Hay dos formas principales de controlar la velocidad de un VFD: en red o cableado. En red implica transmitir la velocidad deseada a través de un protocolo de comunicación como Modbus , Modbus / TCP , EtherNet/IP o mediante un teclado usando la interfaz serial de pantalla, mientras que cableado implica un medio de comunicación puramente eléctrico. Los medios típicos de comunicación cableado son: 4-20 mA , 0-10 VCC o usando la fuente de alimentación interna de 24 VCC con un potenciómetro . La velocidad también se puede controlar de forma remota y local. El control remoto le indica al VFD que ignore los comandos de velocidad del teclado, mientras que el control local le indica al VFD que ignore el control externo y solo respete el teclado.

Según el modelo, los parámetros operativos de un VFD se pueden programar mediante: software de programación dedicado, teclado interno, teclado externo o tarjeta SD. Los VFD suelen bloquear la mayoría de los cambios de programación mientras están en funcionamiento. Los parámetros típicos que se deben configurar incluyen: información de la placa de identificación del motor, fuente de referencia de velocidad, fuente de control de encendido/apagado y control de frenado. También es común que los VFD proporcionen información de depuración, como códigos de falla y estados de las señales de entrada.

La mayoría de los variadores de frecuencia permiten habilitar el arranque automático, que impulsará la salida a una frecuencia designada después de un ciclo de encendido, o después de que se haya eliminado una falla, o después de que se haya restaurado la señal de parada de emergencia (generalmente, las paradas de emergencia son lógica baja activa). Una forma popular de controlar un variador de frecuencia es habilitar el arranque automático y colocar L1, L2 y L3 en un contactor. Al encender el contactor, se enciende el variador y se genera una salida a una velocidad designada. Según la sofisticación del variador, se pueden desarrollar múltiples comportamientos de arranque automático, por ejemplo, el variador se inicia automáticamente al encenderse, pero no se inicia automáticamente después de eliminar una parada de emergencia hasta que se haya realizado un ciclo de reinicio.

En referencia al gráfico adjunto, las aplicaciones de accionamiento se pueden clasificar como de un solo cuadrante, de dos cuadrantes o de cuatro cuadrantes; los cuatro cuadrantes del gráfico se definen de la siguiente manera: ^{[32] [33] [34]}

• Cuadrante I – Conducción o motorización, ^{[35] cuadrante} de aceleración hacia adelante con velocidad y par positivos
• Cuadrante II – Generación o frenado, cuadrante de frenado- desaceleración hacia delante con velocidad positiva y par negativo
• Cuadrante III – Conducción o marcha a motor, cuadrante de aceleración inversa con velocidad y par negativos
• Cuadrante IV – Generación o frenado, cuadrante de frenado-desaceleración inverso con velocidad negativa y par positivo.

La mayoría de las aplicaciones involucran cargas de un solo cuadrante que operan en el cuadrante I, como en cargas de torque variable (por ejemplo, bombas centrífugas o ventiladores) y ciertas cargas de torque constante (por ejemplo, extrusoras).

Algunas aplicaciones implican cargas de dos cuadrantes que operan en los cuadrantes I y II, donde la velocidad es positiva pero el par cambia de polaridad, como en el caso de un ventilador que desacelera más rápido que las pérdidas mecánicas naturales. Algunas fuentes definen los variadores de dos cuadrantes como cargas que operan en los cuadrantes I y III, donde la velocidad y el par tienen la misma polaridad (positiva o negativa) en ambas direcciones.

Algunas aplicaciones de alto rendimiento implican cargas de cuatro cuadrantes (cuadrantes I a IV) donde la velocidad y el par pueden estar en cualquier dirección, como en montacargas, ascensores y cintas transportadoras con pendientes. La regeneración puede ocurrir solo en el bus de enlace de CC del variador cuando el voltaje del inversor es menor en magnitud que la fuerza contraelectromotriz del motor y el voltaje del inversor y la fuerza contraelectromotriz tienen la misma polaridad. ^[36]

Al arrancar un motor, un VFD aplica inicialmente una frecuencia y un voltaje bajos, evitando así la alta corriente de entrada asociada con el arranque directo en línea . Después del arranque del VFD, la frecuencia y el voltaje aplicados se incrementan a una tasa controlada o se elevan para acelerar la carga. Este método de arranque normalmente permite que un motor desarrolle el 150% de su par nominal mientras que el VFD extrae menos del 50% de su corriente nominal de la red en el rango de baja velocidad. Un VFD se puede ajustar para producir un par de arranque constante del 150% desde la parada hasta la velocidad máxima. ^[37] Sin embargo, la refrigeración del motor se deteriora y puede provocar un sobrecalentamiento a medida que disminuye la velocidad, de modo que el funcionamiento prolongado a baja velocidad con un par significativo normalmente no es posible sin una ventilación con ventilador motorizado por separado.

Con un VFD, la secuencia de parada es exactamente la opuesta a la secuencia de arranque. La frecuencia y el voltaje aplicados al motor se reducen a un ritmo controlado. Cuando la frecuencia se acerca a cero, el motor se apaga. Hay disponible una pequeña cantidad de par de frenado para ayudar a desacelerar la carga un poco más rápido de lo que se detendría si el motor simplemente se apagara y se dejara funcionar por inercia. Se puede obtener un par de frenado adicional agregando un circuito de frenado (resistencia controlada por un transistor) para disipar la energía de frenado. Con un rectificador de cuatro cuadrantes (frontal activo), el VFD puede frenar la carga aplicando un par inverso e inyectando la energía nuevamente a la línea de CA.

Muchas aplicaciones de carga de motor de velocidad fija que se alimentan directamente desde la red de CA pueden ahorrar energía cuando se operan a velocidad variable por medio de VFD. Dichos ahorros en costos de energía son especialmente pronunciados en aplicaciones de bombas y ventiladores centrífugos de par variable, donde el par y la potencia de la carga varían con el cuadrado y el cubo , respectivamente, de la velocidad. Este cambio produce una gran reducción de potencia en comparación con el funcionamiento a velocidad fija para una reducción relativamente pequeña de la velocidad. Por ejemplo, a una velocidad del 63%, una carga de motor consume solo el 25% de su potencia a velocidad máxima. Esta reducción está de acuerdo con las leyes de afinidad que definen la relación entre varias variables de carga centrífuga.

En Estados Unidos, se estima que entre el 60% y el 65% de la energía eléctrica se utiliza para alimentar motores, el 75% de los cuales son ventiladores, bombas y compresores de par variable. ^[38] El dieciocho por ciento de la energía utilizada en los 40 millones de motores de Estados Unidos se podría ahorrar con tecnologías de mejora energética eficientes, como los variadores de frecuencia. ^{[39] [40]}

Solo alrededor del 3% de la base total instalada de motores de CA están equipados con variadores de CA. ^[41] Sin embargo, se estima que la tecnología de variadores se adopta en hasta un 30-40% de todos los motores recién instalados. ^[42]

En la siguiente tabla se muestra un desglose del consumo energético de la población mundial de instalaciones de motores de CA:

Los variadores de CA se utilizan para lograr mejoras de procesos y calidad en aplicaciones industriales y comerciales en términos de aceleración, flujo, monitoreo, presión, velocidad, temperatura, tensión y torque. ^[44]

Las cargas de velocidad fija someten al motor a un par de arranque elevado y a picos de corriente que son hasta ocho veces superiores a la corriente de carga completa. En cambio, los variadores de CA aumentan gradualmente la velocidad del motor hasta alcanzar la velocidad de funcionamiento para reducir el estrés mecánico y eléctrico, lo que reduce los costos de mantenimiento y reparación y prolonga la vida útil del motor y del equipo accionado.

Los variadores de velocidad también pueden hacer funcionar un motor en patrones especializados para minimizar aún más la tensión mecánica y eléctrica. Por ejemplo, se puede aplicar un patrón de curva en S a una cinta transportadora para lograr un control más suave de la desaceleración y la aceleración, lo que reduce el juego que puede producirse cuando una cinta transportadora acelera o desacelera.

Los factores de rendimiento que tienden a favorecer el uso de variadores de CC en lugar de variadores de CA incluyen requisitos como el funcionamiento continuo a baja velocidad, el funcionamiento en cuatro cuadrantes con regeneración, rutinas frecuentes de aceleración y desaceleración y la necesidad de que el motor esté protegido en un área peligrosa. ^[45] La siguiente tabla compara los variadores de CA y CC según ciertos parámetros clave: ^{[46] [47] [48]}

^ Inyección de alta frecuencia

Los variadores de CA se pueden clasificar según las siguientes topologías genéricas: ^{[c] [49] [50]}

• Topologías de variadores de frecuencia con inversor de fuente de voltaje (VSI) (ver imagen): en un variador VSI, la salida de CC del convertidor de puente de diodos almacena energía en el bus de capacitores para suministrar una entrada de voltaje estable al inversor. La gran mayoría de los variadores son de tipo VSI con salida de voltaje PWM. ^[d]
• Topologías de variadores de frecuencia con inversor de fuente de corriente (CSI) (ver imagen): en un variador CSI, la salida de CC del convertidor de puente SCR almacena energía en una conexión de inductor en serie para suministrar una entrada de corriente estable al inversor. Los variadores CSI pueden funcionar con salida de forma de onda de seis pasos o PWM.
• Topologías de accionamiento de inversor de seis pasos (ver imagen): ^{[e] [51]} Ahora en gran parte obsoletos, los accionamientos de seis pasos pueden ser de tipo VSI o CSI y también se conocen como accionamientos de inversor de voltaje variable, accionamientos de modulación de amplitud de pulso (PAM), ^{[52] accionamientos} de onda cuadrada o accionamientos de inversor de chopper de CC . ^[53] En un accionamiento de seis pasos, la salida de CC del convertidor de puente SCR se suaviza a través del bus de capacitores y la conexión del reactor en serie para suministrar a través de un par Darlington o un inversor IGBT una entrada de voltaje o corriente de seis pasos cuasi-sinusoidal a un motor de inducción. ^[54]
• Topologías de accionamiento con inversor conmutado por carga (LCI) : en un accionamiento LCI (un caso especial de CSI), la salida de CC del convertidor de puente SCR almacena energía a través de un circuito inductor de enlace de CC para suministrar una salida de corriente de seis pasos cuasi sinusoidal rígida de un segundo inversor de puente SCR y una máquina síncrona sobreexcitada. Los accionamientos de motor síncrono alimentados por LCI basados ​​en tiristores SCR de bajo costo se utilizan a menudo en aplicaciones de ventiladores, bombas y compresores de alto rendimiento dinámico y bajo consumo nominal de hasta 100 MW. ^[55]
• Topologías de cicloconvertidores o convertidores matriciales (MC) (ver imagen): Los cicloconvertidores y MC son convertidores CA-CA que no tienen un enlace CC intermedio para el almacenamiento de energía. Un cicloconvertidor funciona como una fuente de corriente trifásica a través de tres puentes SCR conectados en antiparalelo en una configuración de seis pulsos, donde cada fase del cicloconvertidor actúa selectivamente para convertir un voltaje CA de frecuencia de línea fija en un voltaje alterno a una frecuencia de carga variable. Los variadores MC se basan en IGBT.
• Topologías de sistemas de recuperación de deslizamiento doblemente alimentados : Un sistema de recuperación de deslizamiento doblemente alimentado suministra energía de deslizamiento rectificada a un reactor de suavizado para suministrar energía a la red de suministro de CA a través de un inversor, y la velocidad del motor se controla ajustando la corriente CC.

La mayoría de las unidades utilizan una o más de las siguientes plataformas de control: ^{[49] [56]}

• Control escalar
• Control de vectores (CV)
  • Control orientado al campo (FOC)
• Control directo de par (DTC)

Los variadores de frecuencia también se clasifican según las siguientes características de potencia y par de carga:

• Par variable, como en aplicaciones de ventiladores centrífugos, bombas y sopladores
• Par constante, como en aplicaciones de bombas de desplazamiento positivo y transportadoras
• Potencia constante, como en máquinas herramientas y aplicaciones de tracción.

Los variadores de frecuencia están disponibles con valores nominales de voltaje y corriente que cubren una amplia gama de motores de CA monofásicos y multifásicos. Los variadores de bajo voltaje (LV) están diseñados para funcionar con voltajes de salida iguales o menores a 690 V. Si bien los variadores de LV para aplicaciones de motor están disponibles en valores nominales de hasta 5 o 6 MW, ^[57] las consideraciones económicas generalmente favorecen a los variadores de voltaje medio (MV) con valores nominales de potencia mucho más bajos. Las diferentes topologías de variadores de MV (consulte la Tabla 2) se configuran de acuerdo con los valores nominales de combinación de voltaje/corriente utilizados en los dispositivos de conmutación de los diferentes controladores de variadores ^[58] de modo que cualquier valor nominal de voltaje dado sea mayor o igual a uno de los siguientes valores nominales de voltaje de motor estándar: generalmente 2+3 ⁄ 4 .16 kV (60 Hz) o 3+3 ⁄ 6 .6 kV (50 Hz), con un fabricante de tiristores calificado para conmutación de hasta 12 kV. En algunas aplicaciones, se coloca un transformador elevadorentre un variador de BT y una carga de motor de MT. Los variadores de MT suelen estar calificados para aplicaciones de motor de más de entre 375 y 750 kW (503 y 1,006 hp). Históricamente, los variadores de MT han requerido considerablemente más esfuerzo de diseño de aplicación que el requerido para aplicaciones de variadores de BT. ^{[59] [60]} La potencia nominal de los variadores de MT puede alcanzar los 100 MW (130,000 hp), y se involucra una variedad de topologías de variadores diferentes para diferentes requisitos de potencia, rendimiento, calidad de energía y confiabilidad. ^{[61] [62] [63]}

Por último, resulta útil relacionar los VFD en términos de las dos clasificaciones siguientes:

• En términos de varias máquinas de CA como se muestra en la Tabla 1 a continuación ^{[64] [65]}
• En términos de varias topologías de convertidores CA-CA detalladas que se muestran en las Tablas 2 y 3 a continuación. ^{[49] [50] [62] [63] [66] [67] [68] [69] [70]}

Nota aclaratoria:. ^[f]

Si bien los armónicos en la salida PWM se pueden filtrar fácilmente mediante la inductancia del filtro relacionada con la frecuencia portadora para suministrar corrientes casi sinusoidales a la carga del motor, ^[24] el rectificador de puente de diodos del VFD convierte el voltaje de línea de CA en salida de voltaje de CC mediante la superposición de pulsos de corriente de media fase no lineales , creando así una distorsión de corriente armónica y, por lo tanto, una distorsión de voltaje, de la entrada de línea de CA. Cuando las cargas del VFD son relativamente pequeñas en comparación con el sistema de energía grande y rígido disponible de la compañía eléctrica , los efectos de la distorsión armónica del VFD de la red de CA a menudo pueden estar dentro de límites aceptables. Además, en redes de bajo voltaje, los armónicos causados ​​por equipos monofásicos como computadoras y televisores se cancelan parcialmente por los armónicos de puente de diodos trifásicos porque sus armónicos 5.º y 7.º están en contrafase. ^[71] Sin embargo, cuando la proporción de VFD y otra carga no lineal en comparación con la carga total o de la carga no lineal en comparación con la rigidez en la fuente de alimentación de CA, o ambas, es relativamente grande, la carga puede tener un impacto negativo en la forma de onda de la energía de CA disponible para otros clientes de la compañía eléctrica en la misma red.

Cuando el voltaje de la compañía eléctrica se distorsiona debido a los armónicos, aumentan las pérdidas en otras cargas, como los motores de CA de velocidad fija normales. Esta condición puede provocar un sobrecalentamiento y una vida útil más corta. Además, los transformadores de subestaciones y los condensadores de compensación se ven afectados negativamente. En particular, los condensadores pueden causar condiciones de resonancia que pueden magnificar inaceptablemente los niveles de armónicos. Para limitar la distorsión de voltaje, los propietarios de cargas VFD pueden verse obligados a instalar equipos de filtrado para reducir la distorsión armónica por debajo de los límites aceptables. Alternativamente, la empresa de servicios públicos puede adoptar una solución mediante la instalación de equipos de filtrado propios en las subestaciones afectadas por la gran cantidad de equipos VFD que se utilizan. En instalaciones de alta potencia, la distorsión armónica se puede reducir suministrando VFD de puente rectificador de pulsos múltiples desde transformadores con múltiples devanados desfasados. ^[72]

También es posible reemplazar el rectificador de puente de diodos estándar con un puente de dispositivo de conmutación IGBT bidireccional que refleja el inversor estándar que utiliza la salida del dispositivo de conmutación IGBT al motor. Dichos rectificadores se conocen con varias designaciones, entre ellas, convertidor de alimentación activo (AIC), rectificador activo , unidad de alimentación IGBT (ISU), extremo frontal activo (AFE) u operación de cuatro cuadrantes. Con control PWM y un reactor de entrada adecuado, la forma de onda de corriente de línea de CA de un AFE puede ser casi sinusoidal. El AFE regenera inherentemente energía en modo de cuatro cuadrantes desde el lado de CC a la red de CA. Por lo tanto, no se necesita resistencia de frenado y se mejora la eficiencia del variador si se requiere que el variador frene el motor con frecuencia.

Otras dos técnicas de mitigación de armónicos aprovechan el uso de filtros pasivos o activos conectados a un bus común con al menos una carga derivada de VFD en el bus. Los filtros pasivos implican el diseño de una o más trampas de filtro LC de paso bajo , cada una de las cuales se sintoniza según sea necesario a una frecuencia armónica (5.ª, 7.ª, 11.ª, 13.ª, . . . kq+/-1, donde k=entero, q=número de pulsos del convertidor). ^[73]

Es una práctica muy común que las compañías eléctricas o sus clientes impongan límites de distorsión armónica basados ​​en las normas IEC o IEEE . Por ejemplo, los límites de la norma IEEE 519 en el punto de conexión del cliente exigen que el armónico de voltaje de frecuencia individual máximo no sea mayor que el 3 % del fundamental y exigen que la distorsión armónica total (THD) del voltaje no sea mayor que el 5 % para un sistema de suministro de energía de CA general. ^[74]

Un variador utiliza una frecuencia de conmutación predeterminada de 4 kHz. Al reducir la frecuencia de conmutación del variador (la frecuencia portadora), se reduce el calor generado por los IGBT . ^[75]

Para establecer los intervalos de conmutación PWM se utiliza una frecuencia portadora de al menos diez veces la frecuencia de salida deseada. Una frecuencia portadora en el rango de 2000 a 16 000 Hz es común para los variadores de frecuencia de baja tensión (LV, por debajo de los 600 voltios de CA). Una frecuencia portadora más alta produce una mejor aproximación de la onda sinusoidal, pero genera mayores pérdidas de conmutación  [de] en el IGBT, lo que disminuye la eficiencia general de conversión de potencia. ^[76]

Algunas unidades tienen una función de suavizado de ruido que se puede activar para introducir una variación aleatoria en la frecuencia de conmutación. Esto distribuye el ruido acústico en un rango de frecuencias para reducir la intensidad máxima del ruido.

El voltaje de salida pulsado de frecuencia portadora de un VFD PWM provoca tiempos de subida rápidos en estos pulsos, cuyos efectos en la línea de transmisión deben considerarse. Dado que la impedancia de la línea de transmisión del cable y del motor son diferentes, los pulsos tienden a reflejarse de regreso desde los terminales del motor hacia el cable. Las reflexiones resultantes pueden producir sobretensiones iguales al doble de la tensión del bus de CC o hasta 3,1 veces la tensión de línea nominal para tramos de cable largos, lo que genera una gran tensión en los devanados del cable y del motor y, finalmente, una falla del aislamiento. Las normas de aislamiento para motores trifásicos con una potencia nominal de 230 V o menos protegen adecuadamente contra tales sobretensiones en cables largos. En sistemas de 460 V o 575 V e inversores con IGBT de 3.ª generación con tiempo de subida de 0,1 microsegundos, la distancia máxima recomendada del cable entre el VFD y el motor es de aproximadamente 50 m o 150 pies. En el caso de los nuevos variadores alimentados por MOSFET de SiC, se han observado sobretensiones significativas en longitudes de cable de hasta 3 metros. ^[77] Las soluciones a las sobretensiones causadas por longitudes de cable largas incluyen minimizar la longitud del cable, reducir la frecuencia portadora, instalar filtros dV/dt, usar motores con clasificación de servicio de inversor (que tengan una clasificación de 600 V para soportar trenes de pulsos con un tiempo de subida menor o igual a 0,1 microsegundo, de magnitud pico de 1600 V) e instalar filtros de onda sinusoidal de paso bajo LCR. ^{[78] [79] [80] [81]} La selección de la frecuencia portadora PWM óptima para los variadores de CA implica equilibrar el ruido, el calor, la tensión del aislamiento del motor, el daño de la corriente de los cojinetes del motor inducido por voltaje de modo común, el funcionamiento suave del motor y otros factores. Se puede obtener una atenuación adicional de armónicos utilizando un filtro de onda sinusoidal de paso bajo LCR o un filtro dV/dt. ^{[82] [83] [84] [85]}

Es probable que las frecuencias portadoras superiores a 5 kHz provoquen daños en los cojinetes a menos que se tomen medidas de protección. ^[86]

Los variadores PWM están asociados inherentemente con voltajes y corrientes de modo común de alta frecuencia que pueden causar problemas con los cojinetes del motor. ^[87] Cuando estos voltajes de alta frecuencia encuentran un camino a tierra a través de un cojinete, se produce transferencia de metal o chispas de mecanizado por descarga eléctrica (EDM) entre la bola del cojinete y la pista del cojinete. Con el tiempo, las chispas basadas en EDM causan erosión en la pista del cojinete que puede verse como un patrón de estrías. En motores grandes, la capacitancia parásita de los devanados proporciona caminos para corrientes de alta frecuencia que pasan a través de los extremos del eje del motor, lo que genera un tipo de corriente de cojinete circulante. Una mala conexión a tierra de los estatores del motor puede generar corrientes de cojinete de eje a tierra. Los motores pequeños con equipos accionados mal conectados a tierra son susceptibles a corrientes de cojinete de alta frecuencia. ^[88]

La prevención de daños por corriente de alta frecuencia en los cojinetes se realiza mediante tres métodos: buenas prácticas de cableado y conexión a tierra, interrupción de las corrientes de los cojinetes y filtrado o amortiguación de las corrientes de modo común mediante estranguladores de modo común. Las buenas prácticas de cableado y conexión a tierra pueden incluir el uso de cables de alimentación de geometría simétrica y blindados para alimentar el motor, la instalación de escobillas de conexión a tierra del eje y grasa conductora para cojinetes. Las corrientes de los cojinetes se pueden interrumpir mediante la instalación de cojinetes aislados y motores de inducción especialmente diseñados con blindaje electrostático. El filtrado y la amortiguación de los cojinetes de alta frecuencia se pueden realizar mediante la inserción de núcleos magnéticos blandos sobre las tres fases, lo que proporciona una impedancia de alta frecuencia contra las corrientes de modo común o de los cojinetes del motor. Otro método es utilizar, en lugar de los variadores de frecuencia de dos niveles estándar, variadores de frecuencia de tres niveles o convertidores matriciales. ^{[88] [89]}

El par generado por el variador hace que el motor de inducción funcione a velocidad sincrónica menos el deslizamiento. Si la carga impulsa el motor a una velocidad superior a la sincrónica, el motor actúa como un generador , convirtiendo la potencia mecánica en potencia eléctrica. Esta potencia se devuelve al elemento de enlace de CC del variador (condensador o reactor). Un interruptor de potencia electrónico conectado al enlace de CC o un chopper de CC de frenado controla la disipación de esta potencia en forma de calor en un conjunto de resistencias. Se pueden utilizar ventiladores de refrigeración para evitar el sobrecalentamiento de las resistencias. ^[34]

El frenado dinámico desperdicia energía de frenado al transformarla en calor. Por el contrario, los accionamientos regenerativos recuperan energía de frenado inyectándola en la línea de CA. Sin embargo, el costo de capital de los accionamientos regenerativos es relativamente alto. ^[90]

Los variadores de CA regenerativos tienen la capacidad de recuperar la energía de frenado de una carga que se mueve más rápido que la velocidad designada del motor (una carga de revisión ) y devolverla al sistema de energía. ^[92]

Los convertidores de frecuencia, Scherbius, matriciales, CSI y LCI permiten de manera inherente el retorno de energía desde la carga a la línea, mientras que los inversores de fuente de voltaje requieren un convertidor adicional para devolver energía a la fuente. ^{[93] [94]}

La regeneración es útil en los VFD solo cuando el valor de la energía recuperada es grande en comparación con el costo adicional de un sistema regenerativo ^[93] y si el sistema requiere frenado y arranque frecuentes. Los VFD regenerativos se utilizan ampliamente cuando se requiere control de velocidad de cargas de revisión. ^{[2] [3] [95]}

Algunos ejemplos:

• Accionamientos de cintas transportadoras para fabricación que se detienen cada pocos minutos. Mientras están paradas, las piezas se ensamblan correctamente; una vez hecho esto, la cinta sigue su camino.
• Una grúa, donde el motor de elevación se detiene y se invierte con frecuencia, y se requiere frenar para reducir la velocidad de la carga durante el descenso.
• Vehículos eléctricos enchufables e híbridos de todo tipo (ver imagen y Hybrid Synergy Drive ).

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