Cómo funciona un variador de frecuencia.

Para poder controlar la velocidad de un motor de corriente alterna es necesario poder controlar la frecuencia de la señal. Un motor de alterna por construcción y debido a que la frecuencia de la red es fija girará a una determinada velocidad (1500 o 3000 rpm generalmente).

Gracias al auge de la electrónica de potencia, hoy día se puede lograr controlar motores a distintas velocidades gracias a los variadores de frecuencia o VFD.

Funcionamiento de un variador de frecuencia.

El principio de funcionamiento de un variador de frecuencia es muy simple: la corriente alterna de entrada se convierte en continua y esa corriente continua se convierte en corriente alterna.

En un variador podemos encontrar cuatro partes: el rectificador, el filtro, el inversor y la electrónica de control.

El rectificador es el encargado de convertir la señal alterna en continua pulsante. Este rectificador dependerá de la señal de entrada del variador (monofásica o trifásica).

La señal pulsante, pese a tener una componente continua grande, no es perfecta y es necesario aplicar un filtro para conseguir una corriente continua perfecta.

La continua pasa ahora a un inversor formado un puente de transistores de potencia, que convertirá la salida en una corriente trifásica. Esta salida no será senoidal perfecta, pero al motor no le importará.

Por último esta la electrónica de control. Esta parte compondrá de un sistema microcontrolado que se encargará de gestionar todo el resto de la electrónica, controlando muchos parámetros como el voltaje de entrada, el de salida, y sobre todo y el mas importante la frecuencia.

Partes de un variador de frecuencia.

Cada modelo de variador será diferente de los demás, podrán manejar diferentes niveles de tensión, potencia, distintos rangos de frecuencia y distinta conectividad. Pero todos tienen en común las siguientes partes:

Casi todos los variadores cuentan con un display cuyo uso principal es mostrar la frecuencia actual de funcionamiento. Pero este display no se limita solo a eso, también se puede usar como pantalla para poder programarlo in situ.

Es muy raro encontrar un VFD que no disponga de display, pero haberlos, hay los.

Para poder interactuar con el display y para programación de parámetros se suele disponer de unos botones de mando con distintas funciones. El número y la función de estos dependerá del modelo de variador, siendo los mas comunes las funciones menú, start y stop.

Acompañando a estos mandos existe un potenciómetro, o una ruleta que permite variar la frecuencia del motor a mano.

En la bornera auxiliar disponemos de unos conectores a los que podemos añadir componentes para controlar el variador. También dependerá del modelo de variador pero no es raro encontrar las siguientes opciones:

• Terminales programables de control. En ellos podemos conectar unos interruptores y/o pulsadores, estos tendrán una función que se puede programar de tal forma que pueden realizar cualquier función. El uso más común es colocar interruptores de parada y encendido.
• Potenciómetro externo. La mayoría de los variadores permiten conectar un potenciómetro que tiene la misma función que la ruleta del panel principal, es decir, variar la frecuencia. La diferencia radica en que este se puede colocar en cualquier otro sitio.
• Relé de salida auxiliar. Este relé es programable con lo que se activará según el programa interior que tenga. Por defecto suele estar programado como relé de fallo.
• Puerto de comunicaciones. Para poder comunicar el variador con otro hardware suele haber un puerto RS485 que permite la comunicación mediante ModBus.

Por último y no menos importante, tenemos la bornera de potencia. En ella encontramos la entrada, salida de corriente y la tierra. La veremos con mas detención

Sobre la bornera de potencia

La bornera de potencia es donde conectaremos nuestro motor y la corriente con la que alimentaremos el variador. Hemos de tener en cuenta el tipo de variador para entender los bornes que habrá disponibles.

Los bornes que siempre estarán serán U, V y W. En ellos conectaremos nuestro motor.

Otro borne que siempre debe estar es la tierra, que nos debe proteger de contactos no deseados.

Se necesita una entrada de corriente. Aquí dependerá del modelo. Si es monofásico solo tendremos disponibles dos bornes L y N para fase y neutro. Si el variador es trifásico tendremos disponibles los bornes R, S y T

Has aquí los bornes más comunes y donde empieza lo peliagudo. Casi todos los variadores disponen de un acceso a la parte de continua del circuito. Según el fabricante estos bornes tendrán distinto nombre: DC+, DC-, P+, N+, 1, 2, etc.

El uso más normal de estos bornes es colocar una resistencia de frenado. Cuando un motor gira pero no está alimentado este se convierte en generador de corriente, dicha corriente puede dañar a los circuitos internos del variador. La resistencia de frenado es capaz de absorber dicha corriente y proteger el equipo. No suele usarse esta resistencia de frenado salvo en circunstancias especiales.

Un caso especial son los variadores de frecuencia solares. En ellos se tiene acceso al circuito de continua para poder alimentar mediante placas solares al variador. Muchos fabricantes venden sus variadores indicando que son válidos para instalaciones solares, pero la corriente continua es suministrada por la entrada de alterna haciendo pasar la continua a través de los diodos del rectificador. Aunque es factible no es una buena idea ya que muchos diodos no aguantarán la tensión de entrada.

¿Por qué es necesario tener muchas placas solares y un variador que acepte corriente continua? Variadores solares.

Todos sabemos que la corriente alterna es senoidal y que cuando hablamos de la tensión hablamos de valor eficaz. Cuando pasamos dicha corriente por un rectificador la tensión de salida resultante estará próxima al valor pico de la onda. Por ejemplo, para una señal de 230VAC, cuando la rectificamos obtendremos una corriente pulsante-continua de unos 325V; si la entrada fuese trifásica de 380VAC, la corriente resultante será de ¡535V!

Para un correcto funcionamiento del variador, la corriente continua que suministremos debe tener ese nivel de tensión para que el inversor funcione correctamente. Conseguir más de 300 voltios implica el uso de muchos paneles, basta con dividir la tensión necesaria por la tensión de panel para obtener la cantidad que necesitamos.

Los diodos del rectificador puede que aguanten ese nivel de tensión o no, pero si hacemos circular una corriente continua por el rectificador haremos trabajar un grupo de diodos todo el rato y los otros estarán en inversa lo cual al final puede acabar dañándolos, con lo que es conveniente tener acceso a la parte de continua (y siempre protegerla).

Afortunadamente no es necesario llegar a toda la tensión requerida. Los fabricantes recomiendan una tensión de entrada de placas teniendo en cuenta la tensión nominal de los paneles y la tensión en circuito abierto.

También existen convertidores boost, que nos permiten subir la tensión de salida de las placas a la tensión necesaria, disminuyendo así el número de panes siempre y cuando la potencia que entreguen sea suficiente para el motor.

Un variador solar estará apagado mientras la tensión de entrada no alcance un valor estable generalmente de 200V.

Los variadores solares también aceptan entrada de alterna. Esto permite que en días nublados o de baja radiación solar puedan funcionar con la red o un grupo electrógeno.

Recomendaciones

La primera recomendación es la seguridad. Independientemente del variador o tipo de motor, siempre habrá una tensión muy peligrosa y habrá que tomar todas las precauciones necesarias, sobre todo no trabajar con tensión.

La siguiente recomendación es pedir asesoramiento a un experto. Aunque en este artículo hemos tratado las partes y el funcionamiento básico los variadores son elementos muy complejos y difíciles de controlar.

La recomendación anterior nos lleva a una recomendación importante: leerse el manual. Debido a su complejidad nos encontraremos que el manual del variador es un tocho enorme. En él se detalla con detalle como conectarlo, características y la parte quizás más importante: ¡como programarlo!.