El documento describe el funcionamiento y características de los variadores de frecuencia. Explica que los variadores de frecuencia controlan la velocidad de los motores eléctricos variando la frecuencia de alimentación al motor. La velocidad del motor depende directamente de la frecuencia y el número de polos. Los variadores constan de un controlador electrónico que convierte la corriente de entrada y un interfaz de operador. Permiten un arranque suave controlando la aceleración y desaceleración del motor.

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ANEXO B
VARIADORES DE FRECUENCIA
B.1. INTRODUCCIÓN
El Variador de Frecuencia (VFD, por sus siglas en inglés), también conocido como Convertidor
de Frecuencia, es un sistema electrónico para el control de la velocidad de giro de motores
eléctricos de CA mediante la manipulación de la frecuencia de la energía eléctrica suministrada
al motor. Un variador de frecuencia es un tipo específico de Variador de Velocidad o
Accionamiento de Velocidad Variable.
Figura B.1.- Variador de frecuencia para motor de capacidad fraccionaria.
B.2. PRINCIPIO DE OPERACIÓN.
Los variadores de frecuencia operan bajo el principio de que la velocidad mecánica de un
motor de CA (ya sea síncrono o de inducción) es directamente proporcional a la frecuencia de
alimentación del motor, e inversamente proporcional al número de polos de la máquina
(cantidad que siempre deberá ser par).
Para el caso de la máquina síncrona, operará a la denominada velocidad síncrona (n S) de
acuerdo con la siguiente relación:
nS = 120*f/P (1)
Donde:
ns = Velocidad síncrona (rpm)
f = Frecuencia de alimentación (Hz)
P = Número de polos del motor.
Tratándose de un motor de inducción (de rotor jaula de ardilla o devanado), la velocidad en
flecha será ligeramente inferior, debido a la introducción de un término adicional, el
deslizamiento (s), tal y como se muestra a continuación:
nM = 120*f*(1-s)/P (2)
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donde s varía entre 0 y 1, aunque suele tener valores bajos (inferiores a 0.05). También puede
ser expresado en porcentaje, razón por la cual, antes de utilizarlo en la expresión (2) deberá
ser convertido a valores adimensionales.
Por ejemplo, considere un motor de inducción que cuenta con 6 polos, opera a 60 Hz y su
deslizamiento máximo es del 5 % (0.05). ¿Cuál será su velocidad de operación?
Datos: P=6
f = 60 Hz
s = 0.05
Sustituyendo en la expresión (2)
nM = 120*f*(1-s)/P = 120*60*(1-0.05)/6 = 1140 rpm.
B.3. ARQUITECTURA DEL VARIADOR DE FRECUENCIA
El sistema de un variador de velocidad generalmente se encuentra constituido por un motor de
CA (síncrono o de inducción), un controlador y una interfaz del operador.
CONTROLADOR
MOTOR
Alimentación
trifásica
M
23.5 Hz
268.0 V INTERFAZ DEL
OPERADOR
Figura B.2.- Arquitectura del variador de frecuencia.
a) Motor: Los motores empleados para trabajar con variadores de velocidad generalmente
son los trifásicos de inducción. Aunque existen variadores para motores monofásicos,
siempre ha existido preferencia por los motores trifásicos. Los motores síncronos
ofrecen ventajas en algunas situaciones, sin embargo los motores de inducción son los
más adecuados para la mayoría de las aplicaciones y resultan ser la opción más
económica.
b) Controlador: El controlador de un variador de frecuencia es un dispositivo electrónico
de estado sólido. Generalmente, este dispositivo primeramente convierte la potencia de
entrada de CA a potencia intermedia de CD mediante el uso de un rectificador trifásico
de onda completa. Posteriormente, esa señal es convertida nuevamente a potencia de
salida de CA mediante el uso de un inversor basado en transistores bipolares de
compuerta aislada (IGBT).
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Figura B.3.- Diagrama eléctrico general de un variador de frecuencia.
Con relación a las formas de control de un variador de frecuencia, se tienen las
siguientes:
- Control escalar: este tipo de control se realiza por modulación de
ancho de pulso (PWM = Pulse Width Modulation), que consiste en
producir una onda de salida que consta en una serie de estrechos
pulsos de voltaje cuyo ancho y separación puede ser modulado,
controlando así el valor de la frecuencia y voltaje aplicado.
Figura B.4- Control mediante modulación de ancho de pulso (PWM).
- Control vectorial: esta clase de control es generalmente llevado a
cabo mediante el control vectorial del flujo (FVC = Flux Vectorial
Control).
- Control directo al torque (DTC = Direct Torque Control).
Una situación muy importante que es necesario considerar es el hecho de que debe
cuidarse que la relación voltaje/frecuencia (V/Hz) debe mantenerse constante. De no
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respetarse esta situación pueden presentarse problemas con la potencia entregada al
motor, así como la posible saturación de flujo magnético en el núcleo del motor. Por
ejemplo, si un motor se encuentra diseñado para operar a 460 V y 60 Hz, el voltaje de
operación debe ser reducido a 230 V si la frecuencia de operación se cambia a 30 Hz.
De esta forma, la razón de volts a hertz mantendrá un valor constante (460 V/60 Hz =
230 V/30 Hz = 7.67 V/Hz).
Por otra parte, se cuenta con un microprocesador que gobierna la operación total del
variador de frecuencia. Aunque la mayor parte de parámetros del microprocesador son
inaccesibles para el usuario, algunos de ellos necesitan ser ajustados o configurados
por el usuario del dispositivo.
c) Interfaz del operador: La interfaz del operador proporciona un medio para el arranque y
paro del motor, así como para ajustar su velocidad de operación. Otras funciones
adicionales que permite la interfaz pueden ser el cambio del sentido de giro del motor,
ajustes de la aceleración y desaceleración, cambio entre modos de operación manual y
automático, modificación de los parámetros del motor, etc.
La interfaz del operador frecuentemente incluye una pantalla de visualización
alfanumérica, LEDs indicadores, perillas y algunos instrumentos de medición. Por lo
general, esta interfaz se encuentra en la parte frontal del variador.
B.4. FUNCIONAMIENTO
Cuando un variador de frecuencia hace arrancar a un motor, inicialmente le aplica baja
frecuencia y baja tensión al motor. La frecuencia de arranque típica es de alrededor de 2 Hz o
menos. Al arrancar un motor a esa baja frecuencia se evita la presencia de las elevadas
corrientes que se presentan cuando el motor se arranca directo a la línea (tensión plena). Una
vez que el motor arranca, el controlador del variador eleva los valores de voltaje y corriente a
en forma controlada, describiendo una pendiente positiva la curva velocidad vs. tiempo..
Gracias a este método de arranque, el variador le permite desarrollar al motor alrededor del
150 % del par nominal de plena carga tomando únicamente el 150 % de la corriente nominal.
Cuando el arranque se realiza directo a la línea, las corrientes de arranque pueden ir del 400%
hasta el 1000% de la corriente nominal.
Velocidad,
rpm
Operación normal
(velocidad constante)
Tiempo,
s
Rampa Rampa
de de
aceleración desaceleración
Figura B.5- Arranque, operación normal y paro de un motor empleando un variador de
frecuencia.
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Con el variador de frecuencia la secuencia de parado es exactamente lo contrario que la de
arranque. Primeramente se reducen los valores de frecuencia y voltaje en forma proporcional,
describiendo una recta de pendiente negativa la característica velocidad vs. tiempo. Una vez
que la frecuencia se aproxima a cero, el motor es desconectado. Parte de la energía cinética
que aún conserva el rotor puede emplearse para generar un par de frenado, a fin de ayudar a
detener el eje del motor en forma rápida.
B.5. VALORES COMERCIALES
Los variadores de frecuencia se encuentran disponibles para operar con la mayoría de motores
trifásicos comerciales. Los variadores diseñados para operar a tensiones que van desde 110
V hasta 690 V se clasifican como unidades de bajo voltaje, y pueden controlar motores con
capacidades que van desde 0.2 kW (o ¼ HP) hasta 750 kW (o 1000 HP). Los variadores de
mediano voltaje se encuentran diseñados para operar a tensiones comprendidas entre 2400 V
hasta 10 kV y se emplean para controlar motores de 375 kW (o 500 HP) o superiores. En la
actualidad se fabrican unidades variadoras de frecuencia para motores tan grandes como 5600
kW (4200 HP)
Marcas comerciales.
Dentro de las principales marcas que manufacturan variadores de velocidad, se encuentran las
siguientes:
 ABB
 Yaskawa
 Telemecanique
 General Electric
 Siemens
 Baldor.
 Cutler-Hammer.
 Allen-Bradley.
B.6. REFERENCIAS.
MALONEY, T. “Electrónica Industrial Moderna” (quinta edición). Pearson Educación. México,
2006.
http://es.wikipedia.org/wiki/Variador_de_velocidad
http://es.wikipedia.org/wiki/Variador_de_velocidad
http://www.baldordistribuidora.com/frameinversores01.htm
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