Convertidor de frecuencia: dispositivo, principio de funcionamiento, finalidad

Dado que el accionamiento eléctrico es uno de los principales métodos de mecanización de la producción y las tareas domésticas, en algunos casos se hace necesario ajustar la velocidad de los motores eléctricos. Se utilizan diversas soluciones técnicas en función de su tipo y principio de funcionamiento. Uno de ellos es un convertidor de frecuencia. Qué es y dónde se utiliza el convertidor de frecuencia, te lo contamos en este artículo.

Definición

Por definición, un convertidor de frecuencia es un convertidor de potencia electrónico para cambiar la frecuencia de una corriente alterna. Pero dependiendo de la versión, tanto el nivel de voltaje como el número de fases cambian. Puede que no le quede del todo claro por qué se necesita un dispositivo de este tipo, pero intentaremos informarle en palabras sencillas.

La frecuencia de rotación del eje de los motores síncronos y asíncronos (AM) depende de la frecuencia de rotación del flujo magnético del estator y está determinada por la fórmula:

n = (60 * F / p) * (1-S),

donde n es el número de revoluciones del eje IM, p es el número de pares de polos, s es el deslizamiento, f es la frecuencia de la corriente alterna (para RF - 50 Hz).

En términos simples, la velocidad del rotor depende de la frecuencia y el número de pares de polos. El número de pares de polos está determinado por el diseño de las bobinas del estator y la frecuencia de la corriente en la red es constante. Por lo tanto, para regular la velocidad, solo podemos regular la frecuencia con la ayuda de convertidores.

Dispositivo

Teniendo en cuenta lo anterior, formularemos nuevamente la respuesta a la pregunta de qué es:

Un convertidor de frecuencia es un dispositivo electrónico para cambiar la frecuencia de una corriente alterna, por lo tanto, el número de revoluciones del rotor de una máquina eléctrica de inducción (y síncrona).

Puede ver la designación gráfica convencional de acuerdo con GOST 2.737-68 a continuación:

Se llama electrónico porque se basa en un circuito de conmutación de semiconductores. Dependiendo de las características funcionales y del tipo de control, se modificará tanto el esquema del circuito eléctrico como el algoritmo de operación.

En el diagrama siguiente puede ver cómo funciona el convertidor de frecuencia:

El principio de funcionamiento del convertidor de frecuencia es el siguiente:

• La tensión de red se aplica al rectificador 1 y se rectifica pulsando.
• En el bloque 2, las pulsaciones se suavizan y el componente reactivo se compensa parcialmente.
• El bloque 3 es un grupo de interruptores de potencia controlados por el sistema de control (4) utilizando el método de modulación de ancho de pulso (PWM). Este diseño permite obtener un voltaje regulado por PWM de dos niveles en la salida, que, después del suavizado, se acerca a una forma sinusoidal. En modelos costosos, se ha aplicado un esquema de tres niveles, donde se utilizan más claves. Le permite lograr una forma de onda más sinusoidal. Se pueden utilizar tiristores, transistores de efecto de campo o IGBT como interruptores semiconductores. Recientemente, los dos últimos tipos son los más solicitados y populares debido a su eficiencia, bajas pérdidas y facilidad de administración.
• Con la ayuda de PWM, se forma el nivel de voltaje deseado, en palabras simples: así es como se modula una sinusoide, encendiendo alternativamente pares de teclas, formando linea de voltaje.

Así que describimos brevemente cómo funciona un convertidor de frecuencia para un motor eléctrico y en qué consiste. Se utiliza como fuente de alimentación secundaria y no solo controla la forma de la corriente de red, sino que convierte su magnitud y frecuencia de acuerdo con los parámetros especificados.

Tipos de chastotniki y alcance.

Métodos de control

El control de velocidad se puede realizar de diferentes formas, tanto mediante el ajuste de la frecuencia requerida como mediante la regulación. Los sintonizadores de frecuencia se dividen en dos tipos según el método de control:

1. Control escalar.
2. Con control de vectores.

Los dispositivos del primer tipo regulan la frecuencia de acuerdo con una función U / F dada, es decir, junto con la frecuencia, el voltaje también cambia. A continuación se puede ver un ejemplo de tal dependencia del voltaje con la frecuencia.

Puede ser diferente y programado para una carga específica, por ejemplo, en ventiladores no es lineal, pero se asemeja a una rama de parábola. Este principio de funcionamiento mantiene el flujo magnético en el espacio entre el rotor y el estator casi constante.

Una característica del control escalar es su prevalencia y relativa facilidad de implementación. Se utiliza con mayor frecuencia para bombas, ventiladores y compresores. Dichos medidores de frecuencia se utilizan a menudo si es necesario mantener una presión estable (u otro parámetro), pueden ser bombas sumergibles para pozos, si consideramos el uso doméstico.

En producción, el ámbito de aplicación es amplio, por ejemplo, la regulación de la presión en las mismas tuberías y el rendimiento de los sistemas de ventilación automática. El rango de control suele ser 1:10, en términos simples, la velocidad máxima puede diferir de la mínima en 10 veces. Debido a las peculiaridades de la implementación de algoritmos y circuitos, dichos dispositivos suelen ser más baratos, que es la principal ventaja.

Desventajas:

• Soporte de RPM no demasiado preciso.
• Respuesta más lenta al cambio de régimen.
• La mayoría de las veces, no hay forma de controlar el par en el eje.
• Con un aumento de la velocidad por encima de la nominal, el par en el eje del motor cae (es decir, cuando aumentamos la frecuencia por encima de los 50 Hz nominales).

Esto último se debe al hecho de que la tensión de salida depende de la frecuencia, a la frecuencia nominal, la tensión es igual a la red, y por encima del convertidor de frecuencia "no sabe cómo" subir, en el gráfico se puede ver una parte par del diagrama después 50 Hz. Cabe señalar que la dependencia del par de torsión de la frecuencia, cae según la ley 1 / f, se muestra en el siguiente gráfico en rojo, y la dependencia de la potencia de la frecuencia en azul.

Los convertidores de frecuencia controlados por vector tienen un principio de funcionamiento diferente, aquí no solo el voltaje corresponde a la curva U / f. Las características de la tensión de salida se cambian de acuerdo con las señales de los sensores, de modo que se mantiene un cierto par en el eje. Pero, ¿por qué necesitamos este tipo de control? Un ajuste más preciso y rápido son las características distintivas de un convertidor de frecuencia controlado por vectores. Esto es importante en tales mecanismos, donde el principio de acción está asociado con un cambio brusco en la carga y el par en el cuerpo ejecutivo.

Esta carga es típica de los tornos y otros tipos de máquinas herramienta, incluido el CNC. Precisión de regulación hasta 1,5%, rango de ajuste - 1: 100, para mayor precisión con sensores de velocidad, etc. - 0,2% y 1: 10000, respectivamente.

Existe una opinión en los foros de que hoy en día la diferencia de precio entre los variadores de frecuencia vectoriales y escalares es menor que era anterior (15-35% según el fabricante), y la principal diferencia es más firmware que circuitos. También tenga en cuenta que la mayoría de los modelos vectoriales también admiten el control escalar.

Ventajas:

• gran estabilidad y precisión;
• respuesta más rápida a los cambios de carga y alto par a baja velocidad;
• rango de regulación más amplio.

La principal desventaja es que es más caro que los escalares.

En ambos casos, la frecuencia se puede configurar manualmente o mediante sensores, por ejemplo, un sensor de presión o un caudalímetro (en el caso de bombas), un potenciómetro o un codificador.

Todos o casi todos los convertidores de frecuencia tienen una función de arranque suave para el motor, lo que facilita el arranque de motores desde generadores de emergencia con poco o ningún riesgo de sobrecarga.

Numero de fases

Además de los métodos de respuesta, los convertidores de frecuencia también difieren en el número de fases en la entrada y la salida. Así es como se distinguen los convertidores de frecuencia con entrada monofásica y trifásica.

Al mismo tiempo, la mayoría de los modelos trifásicos se pueden alimentar desde una fase, pero con esta aplicación, su potencia se reduce al 30-50%. Esto se debe a la carga de corriente permitida en los diodos y otros elementos de potencia del circuito. Los modelos monofásicos están disponibles en un rango de potencia de hasta 3 kW.

¡Importante! Tenga en cuenta que con una conexión monofásica con un voltaje a la entrada de 220V, habrá una salida de 3 fases a 220V, y no a 380V. Es decir, la salida lineal será exactamente 220V, en definitiva. En este sentido, los motores comunes con devanados diseñados para voltajes de 380 / 220V deben conectarse en un triángulo, y los que están a 127 / 220V, en una estrella.

En la red puede encontrar muchas ofertas del tipo "convertidor de frecuencia 220 a 380"; esto es en la mayoría de los casos marketing, los vendedores llaman a cualquiera de las tres fases "380V".

Para obtener 380 V reales de una fase, debe utilizar un transformador monofásico 220/380 (si la entrada del convertidor de frecuencia diseñado para tal voltaje), o utilice un convertidor de frecuencia especializado con una entrada monofásica y 380V trifásico Salida.

Un tipo separado y más raro de convertidores de frecuencia son los convertidores de frecuencia monofásicos con una salida 220 monofásica. Están diseñados para controlar motores monofásicos de arranque por condensador. Ejemplos de tales dispositivos son:

• ERMAN ER-G-220-01
• INNOVERT IDD

Diagrama de conexión

En realidad, para obtener una salida trifásica de un convertidor de frecuencia de 380 V, debe conectar 3 fases de 380 V a la entrada:

La conexión del convertidor de frecuencia a una fase es la misma, excepto por la conexión de los cables de alimentación:

Un convertidor de frecuencia monofásico para un motor con condensador (bomba o ventilador de baja potencia) se conecta de la siguiente manera:

Como puede ver en los diagramas, además de los cables de alimentación y los cables al motor, el convertidor de frecuencia tiene otros terminales, a ellos sensores, botones del panel de control remoto, buses para conectarse a una computadora (más a menudo del estándar RS-485) y otro. Esto permite controlar el motor a través de cables de señal delgados, lo que permite retirar el convertidor de frecuencia al cuadro eléctrico.

Los variadores de frecuencia son dispositivos universales, cuyo propósito no es solo ajustar la velocidad, sino también proteger el motor eléctrico de modos de funcionamiento y suministro de energía incorrectos, así como de sobrecargas. Además de la función principal, los dispositivos implementan un arranque suave de los variadores, lo que reduce el desgaste de los equipos y la carga en la red eléctrica. El principio de funcionamiento y la profundidad de configuración de los parámetros de la mayoría de los convertidores de frecuencia le permite ahorrar energía cuando control de bombas (anteriormente, el control no se realizaba a expensas del rendimiento de la bomba, sino con la ayuda de válvulas) y otros equipo.

Aquí es donde concluimos nuestra consideración del tema. Esperamos que después de leer el artículo haya quedado claro qué es un convertidor de frecuencia y para qué sirve. Finalmente, recomendamos ver un video útil sobre el tema:

Probablemente no lo sepas:

• Cómo medir la frecuencia de CA
• ¿Cómo funciona un arrancador magnético?
• Cómo elegir un convertidor de frecuencia para potencia y corriente