Cómo seleccionar variadores de frecuencia de propósito general para diferentes cargas
Seleccionar el variador de frecuencia (VFD) de propósito general adecuado es el primer paso crítico para una aplicación exitosa, así como un aspecto altamente técnico del proceso. Una selección incorrecta no solo compromete el rendimiento operativo, sino que también puede provocar daños en el equipo o una inversión desperdiciada. Este artículo comienza con un análisis de las características de la carga y describe sistemáticamente la metodología para seleccionar VFDs de propósito general.
El punto de partida para la selección es identificar claramente el tipo de carga. Según sus características de torque, las cargas industriales pueden clasificarse en tres tipos principales: cargas de torque constante, cargas de torque cuadrático y cargas de potencia constante. Las cargas de torque constante se caracterizan por un torque requerido que permanece esencialmente constante, independientemente de si la velocidad de rotación es alta o baja. Ejemplos típicos incluyen cintas transportadoras, extrusoras, mezcladoras y grúas. Estas cargas imponen requisitos estrictos al VFD, exigiendo que proporcione una capacidad de salida de torque suficiente en todo el rango de velocidad. Al seleccionar un VFD para tales aplicaciones, la selección debe basarse en la corriente nominal del motor, teniendo también en cuenta los requisitos específicos para la capacidad de sobrecarga. Además, para aplicaciones que implican arranques y paradas frecuentes o cargas de impacto, la capacidad del VFD debe sobredimensionarse adecuadamente.
Las cargas de par cuadrático se caracterizan por un par requerido que es directamente proporcional al cuadrado de la velocidad de rotación. Ejemplos típicos incluyen ventiladores centrífugos y bombas centrífugas. Estas cargas presentan una carga muy ligera a bajas velocidades; en consecuencia, los procesos de arranque y aceleración son relativamente suaves, y las demandas impuestas al VFD son comparativamente bajas. Para estas aplicaciones, seleccionar el VFD basándose únicamente en la potencia nominal del motor generalmente es suficiente, y aumentar la capacidad suele ser innecesario. Sin embargo, es importante señalar que para cargas de par cuadrático, la demanda de potencia aumenta rápidamente a altas velocidades; por lo tanto, la frecuencia máxima de salida del VFD debe ser capaz de satisfacer los requisitos de velocidad máxima de la carga. Además, para cargas tipo ventilador, se debe considerar la posible condición de operación donde el amortiguador está completamente abierto durante el arranque, ya que este escenario puede resultar en una corriente de arranque significativamente más alta.
Las cargas de potencia constante se caracterizan por una salida de potencia que permanece esencialmente constante, mientras que el par requerido es inversamente proporcional a la velocidad de rotación. Ejemplos típicos incluyen husillos de máquinas herramienta y las secciones de tensión constante de equipos de bobinado. Estas cargas requieren un alto par a bajas velocidades pero un bajo par a altas velocidades. Al seleccionar un VFD para tales aplicaciones, la condición de operación a baja velocidad debe servir como base principal para la selección, asegurando que el VFD pueda suministrar suficiente corriente a bajas velocidades. Paralelamente, para la operación a alta velocidad, es esencial verificar que la frecuencia máxima de salida del VFD cumpla con los requisitos específicos de la aplicación.
La base fundamental para la selección de un VFD es, ante todo, la corriente, más que la potencia nominal. Muchos usuarios están acostumbrados a seleccionar un variador de frecuencia (VFD) basándose únicamente en la potencia nominal indicada en la placa del motor. Aunque este enfoque es factible en la mayoría de los casos, carece de precisión. Los motores de diferentes marcas o con distintas calificaciones de eficiencia energética pueden tener corrientes nominales diferentes, incluso si sus potencias nominales son idénticas. El método correcto de selección implica primero determinar el valor de la corriente nominal del motor y luego seleccionar un modelo de VFD con una corriente de salida nominal que no sea inferior a la corriente nominal del motor. Para aplicaciones que implican operación continua bajo condiciones de carga pesada, también es recomendable incorporar un cierto margen de seguridad.
La capacidad de sobrecarga es otro factor crítico a considerar durante el proceso de selección. Los VFDs típicamente ofrecen dos clasificaciones de sobrecarga: servicio pesado y servicio ligero. La especificación de servicio pesado permite múltiplos de sobrecarga más altos y duraciones de sobrecarga más largas, lo que la hace adecuada para aplicaciones que implican arranques y paradas frecuentes, fluctuaciones significativas de carga o cargas de impacto. La especificación de servicio ligero ofrece una capacidad de sobrecarga relativamente menor y es apropiada para aplicaciones con cargas constantes. Los usuarios deben seleccionar la especificación adecuada según el grado y la frecuencia de las condiciones de sobrecarga encontradas en su entorno de aplicación específico. Por ejemplo, con una bomba centrífuga —donde la válvula típicamente está cerrada durante el arranque resultando en una carga muy ligera— un VFD de servicio ligero suele ser suficiente. Por el contrario, para un compresor de pistón —donde ocurren fluctuaciones de torque durante cada carrera de compresión— se debe seleccionar un VFD de servicio pesado.
Las condiciones de suministro eléctrico también influyen en la selección del VFD. Los VFD de uso general se clasifican en modelos de entrada monofásica y trifásica. Los modelos de baja potencia suelen soportar fuentes de alimentación monofásicas, ofreciendo conveniencia para su uso en lugares donde no hay disponible una fuente de alimentación trifásica. Sin embargo, los modelos de mayor potencia generalmente requieren una fuente de alimentación trifásica. Los usuarios deben verificar que el tipo de suministro eléctrico y el nivel de voltaje del sitio sean compatibles con los requisitos del VFD. En entornos caracterizados por fluctuaciones significativas en el voltaje del suministro eléctrico, es aconsejable seleccionar un VFD con un amplio rango de tolerancia de voltaje o instalar un estabilizador de voltaje aguas arriba del VFD.
Las condiciones ambientales pueden afectar la capacidad de salida de un VFD. La corriente nominal de un VFD de uso general se especifica típicamente en función de una temperatura ambiente estándar. Si la temperatura ambiente real de operación supera este límite especificado, la eficiencia de disipación de calor del VFD se ve comprometida; en consecuencia, la unidad debe ser 'derated', lo que significa que se debe seleccionar un VFD con una potencia nominal mayor a la estrictamente necesaria. De manera similar, la altitud afecta la disipación de calor; en regiones de gran altitud donde el aire es más delgado, la capacidad de disipación de calor se reduce, lo que también requiere derating. Para los VFD instalados dentro de gabinetes eléctricos cerrados, donde la temperatura interna suele ser más alta que la temperatura ambiente externa, también es esencial considerar el derating de la unidad o implementar medidas de enfriamiento mejoradas.
La elección del modo de control también influye significativamente en la efectividad general de la aplicación. Los variadores de frecuencia (VFD) de uso general típicamente ofrecen dos modos de control: control Voltaje-Frecuencia (V/F) y control Vectorial. El control V/F presenta una estructura simple y menos parámetros, lo que lo hace adecuado para aplicaciones donde no son requisitos críticos la alta precisión en el control de velocidad y la respuesta dinámica. Por el contrario, el control Vectorial ofrece características superiores de torque a baja frecuencia y mayor precisión en la velocidad, siendo ideal para aplicaciones de alto rendimiento. Si una aplicación requiere torque completo a velocidad cero, regulación precisa de velocidad o respuesta dinámica rápida, se debe seleccionar un VFD que soporte control Vectorial; además, se debe considerar si es necesario configurar un dispositivo de retroalimentación de velocidad (como un codificador).
Los métodos de frenado son otro factor crítico a evaluar durante el proceso de selección. Para aplicaciones que requieren desaceleración rápida o paradas frecuentes, la energía regenerativa generada por el motor puede causar un aumento en el voltaje del bus de CC. Los VFDs de uso general típicamente carecen de capacidades de frenado inherentes y, por lo tanto, requieren la conexión de una unidad de frenado externa y una resistencia de frenado. Al seleccionar una unidad, es esencial evaluar la potencia de frenado requerida y la frecuencia de frenado para calcular la potencia nominal necesaria y el valor de resistencia de la resistencia de frenado. Para cargas de alta inercia, como centrifugadoras o ventiladores, o cargas de energía potencial, como grúas, los componentes de frenado son indispensables.
La selección de interfaces de comunicación se está volviendo cada vez más importante en los entornos industriales modernos. Los VFDs de uso general suelen venir de serie con opciones de control a través de un panel de operador y entradas terminales, además de ofrecer una variedad de módulos de expansión de comunicación opcionales. Si el equipo necesita integrarse en una red de automatización de fábrica, el tipo específico de protocolo de comunicación debe definirse claramente durante la fase de selección para asegurar que se elija el módulo de comunicación adecuado. Factores como la topología de la red, la distancia de comunicación y los requisitos de inmunidad a interferencias electromagnéticas deben tenerse en cuenta al seleccionar una interfaz de comunicación.
La elección de la clase de protección (grado IP) depende del entorno de instalación. Los VFDs de propósito general están disponibles en productos que ofrecen varios niveles de protección ambiental. Para los VFDs instalados dentro de gabinetes eléctricos limpios y cerrados, una clase de protección básica es suficiente y ofrece una solución de menor costo. Sin embargo, para aplicaciones donde el VFD debe montarse directamente sobre el equipo o estar expuesto a ambientes polvorientos o húmedos, se debe seleccionar un producto con una clase de protección más alta.
Para los usuarios que seleccionan un VFD por primera vez, se recomienda el siguiente proceso simplificado: Primero, confirme la potencia nominal y los requisitos de corriente del motor; segundo, determine el tipo de carga y los requisitos de sobrecarga; tercero, evalúe las condiciones ambientales del sitio de instalación; cuarto, seleccione las especificaciones y accesorios adecuados del VFD; y finalmente, verifique que la configuración seleccionada cumpla con todos los requisitos de la aplicación. Si surgen preguntas, se aconseja a los usuarios consultar con personal técnico profesional o utilizar las herramientas de selección proporcionadas por el fabricante del VFD.