¡Sí y no! Aunque no hay una respuesta sencilla a esta pregunta.
Como ocurre con muchas preguntas, cuando se comparan los accionamientos de frecuencia variable (VFD) con los accionamientos de velocidad variable (VSD), hay una respuesta corta y otra larga. Hay diferentes tipos de variadores de velocidad. Los variadores de frecuencia son un tipo de variadores de velocidad. El tipo más común de variador de velocidad es el de corrientes de Foucault.
Sin embargo, hay dos diferencias significativas, y ésta es la respuesta corta: Los accionamientos de corriente de Foucault cambian la velocidad del acoplamiento dejando que la velocidad del motor funcione a pleno rendimiento. Los variadores de frecuencia cambian la frecuencia de entrada al motor modificando la velocidad del mismo.
Por supuesto, las diferencias se pueden detallar en una descripción mucho más larga – que requiere un poco más de investigación para decirle cómo, dónde y cuándo se utilizan mejor. En este blog, intentaremos aclarar cualquier concepto erróneo entre los dos y aclarar sus definiciones.
Es cierto. Tanto los VSD como los VFD consiguen el mismo objetivo: variar la velocidad del equipo accionado. Pero la diferencia es cómo lo hacen.
VSD – Corriente de Foucault
Los VFD cambian la velocidad del equipo accionado mientras dejan que el motor funcione a su velocidad máxima de diseño. En un motor de CA, se hace pasar una corriente eléctrica alterna a través del devanado del estator distribuido para crear un campo magnético giratorio que se utiliza para accionar un eje. Los motores de CA accionan máquinas rotativas como ventiladores, bombas y compresores a una sola velocidad y pueden encontrarse a menudo en sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC). La velocidad de giro y el par de un motor de CA vienen determinados por la frecuencia y la tensión de alimentación. Como el suministro de electricidad es constante, la velocidad del motor permanece fija. Si la velocidad tiene que variar, entonces un VSD sería eficaz. Añadiendo un VSD a un motor de CA, la velocidad puede variar con precisión.
Como ejemplo, veamos un ventilador de HVAC en un edificio. Cuando la demanda de la velocidad del ventilador disminuye, entonces el ventilador puede ser controlado para reducir la velocidad, reducir el flujo de energía y por lo tanto, reducir el consumo de energía y los costos generales de uso.
Los motores de CC convierten la energía eléctrica de corriente continua en energía mecánica. Los motores de CC se basan en la tensión del inducido y la corriente de campo para controlar la velocidad del motor. Como no hay frecuencia en un motor de CC, los VFD no son viables para esta aplicación. Es necesario un controlador de velocidad de CC independiente. Los motores de CC no suelen elegirse para esta aplicación.
A menudo, los motores de CC se equipan con un motor de CA y un variador de velocidad de CA para lograr la variación de velocidad necesaria para su aplicación. Los accionamientos de corriente de Foucault son VSD, sin embargo, utilizan un campo magnético de CC para enlazar dos miembros – uno en el eje de entrada y otro en el eje de salida. El aumento de la corriente continua en la bobina incrementa el acoplamiento de los dos miembros, proporcionando así más par a la carga. Se utiliza un tacómetro para controlar la velocidad y el par.
Las pérdidas de eficiencia de la corriente continua son las siguientes:
- Motor de CA – Igual al valor nominal de la placa cuando el motor funciona a través de la línea. Esto es cierto tanto para el factor de potencia como para la eficiencia.
- Control de CC – Típicamente 2% o menos.
- Deslizamiento – La reducción de la velocidad se disipa en el tambor y el rotor (los miembros acoplados). Reduce la eficiencia en proporción a la reducción de la velocidad.
La conclusión es que es mejor hacer funcionar un dispositivo de corrientes de Foucault a la velocidad nominal o cerca de ella. Normalmente, se recomienda entre el 80 y el 100% para optimizar la eficiencia.
Los VFD
Los VFD controlan la velocidad del motor variando la tensión y la frecuencia aplicadas al estator de un motor de CA estándar. Los VFD pueden variar el control de la velocidad en el arranque, durante el funcionamiento y en la parada del motor. Un motor de CA estándar tiene un rendimiento y un factor de potencia publicados. Son bastante altos, normalmente muy por encima del 90%, pero sólo para una excitación sinusoidal a la frecuencia nominal. Cuando funciona con un VFD, la potencia suministrada al motor incluye un importante contenido armónico que no funciona, sino que se suma a las pérdidas del motor, lo que disminuye su eficiencia. Esta condición empeora a medida que se reduce la velocidad.
Los VFD suelen estar equipados con esquemas de arranque de derivación para habilitar una bomba cuando el VFD pueda fallar. Muchos están equipados con aire acondicionado para mantener una temperatura de funcionamiento segura. Algunos diseños requieren filtros de armónicos diseñados a medida para cumplir con los límites de distorsión armónica reglamentarios. Cada una de estas soluciones tiene un coste por el hardware adicional. Además, a menudo hay un coste sustancial para hacer espacio para todo este equipo e instalarlo, incluso hasta el punto de añadir una nueva construcción a las instalaciones existentes o diseñar espacio adicional a las nuevas instalaciones. La potencia adicional necesaria para hacer funcionar este hardware adicional suele ignorarse al calcular la supuesta eficiencia del sistema.
Las pérdidas de eficiencia del VFD son las siguientes:
- Pérdidas I²R – El calentamiento es la mayor pérdida causada por la resistencia al flujo de corriente en el bobinado del motor y las barras del rotor. Es proporcional al cuadrado del flujo de corriente.
- Pérdidas por corrientes de Foucault – Pérdidas causadas por el flujo de corriente involuntario en el rotor y el estator. Están limitadas por las laminaciones del estator y del rotor. Son proporcionales al flujo de corriente y aumentan con el deslizamiento.
- Pérdidas por histéresis – Calentamiento creado por la inversión de la polaridad magnética del hierro en el rotor y el estator. Esto aumenta con el deslizamiento.
Todas las pérdidas anteriores se convierten en un porcentaje mayor de la potencia de salida a medida que se reduce la velocidad.
Un hecho poco conocido es que un motor de inducción de CA es un embrague magnético que funciona con deslizamiento (contra un campo giratorio). El deslizamiento aumenta al aumentar la carga, considerablemente más a bajas velocidades. A una velocidad base equivalente de 100 RPM, el motor funcionaría a 50 RPM si su deslizamiento nominal fuera de 50 RPM (un motor de 1750 RPM). Por lo tanto, el aumento del par (aumento de la tensión) se utiliza para arrancar bajo carga. Este deslizamiento es una pérdida que se convierte en un porcentaje mayor de la potencia a medida que se reduce la velocidad. Si se utiliza el refuerzo de par, las pérdidas son aún mayores.
Por último, por encima de aproximadamente el 82% de la velocidad base, la corriente de Foucault tiene realmente una mejor eficiencia del sistema que el VFD debido a las menores pérdidas del controlador y a la excitación sinusoidal.
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