¿Cuáles son los distintos tipos de variadores de velocidad para motores industriales?

La norma 61800 de la Comisión Electrotécnica Internacional (CEI) reconoce dos tipos de sistemas de accionamiento eléctrico de potencia (PDS) de velocidad regulable para aplicaciones industriales. 61800-1 se aplica a los PDS de corriente continua (CC) y 61800-2 se aplica a los PDS de corriente alterna (CA). El término PDS se aplica a todo el sistema de accionamiento más motor.

En otras secciones de la 61800 se tratan los métodos de prueba, los requisitos de seguridad relacionados con las condiciones térmicas y energéticas, la seguridad funcional, los requisitos eléctricos y medioambientales de los codificadores, las interfaces eléctricas y las mediciones de rendimiento. La parte más reciente, IEC 61800-9, trata del diseño ecológico de los sistemas de motor, incluida la determinación y clasificación de la eficiencia energética.

Aunque la norma IEC 61800 define los PDS de CA y CC de velocidad regulable, también existen definiciones generales para los variadores de velocidad (VSD) y los variadores de frecuencia (VFD) en aplicaciones industriales. La norma IEC 61800 se aplica a los PDS alimentados por la red eléctrica y conectados a un máximo de 1.5 _kVAC 50 Hz o 60 Hz. También se aplica a los voltajes de entrada de CC para sistemas alimentados por batería como los robots móviles autónomos industriales (AMR) que utilizan variadores de velocidad ajustables. Los accionamientos de tracción y de vehículos eléctricos están excluidos de la norma IEC 61800.

Este artículo presenta brevemente las definiciones comunes de VSD y VFD y examina por qué se utilizan ampliamente los VFD. A continuación, se revisan las clases de eficiencia definidas en la norma IEC 61800-9 para los variadores de CA y se analizan variadores de frecuencia alimentados por la red eléctrica de Delta Electronics, Siemens, Schneider Electric y Omron Automation. Por último, se examina el uso de variadores de frecuencia en AMR y otros sistemas alimentados por batería mediante un sistema de ejemplo de MEAN WELL.

La definición estándar de un variador de frecuencia es que utiliza los cambios de frecuencia para controlar la velocidad del motor, por lo que son útiles con motores de CA. Al mismo tiempo, un VSD varía la tensión para controlar el motor, por lo que resulta útil tanto para motores de CA como de CC.

Sin embargo, no es tan sencillo. Ambos tipos de accionamientos pueden utilizarse para controlar la velocidad de los motores. Por ello, a veces, el término VSD se aplica a los VFD. Los variadores de frecuencia pueden utilizarse con motores de CC sin escobillas (BLDC); en sentido estricto, no se limitan a los motores de CA. Los VFD son adecuados para su uso con una variedad de motores como:

• Los motores de inducción (IM), o motores de CA asíncronos, se utilizan ampliamente en aplicaciones industriales, ya que son autoarrancables, fiables y económicos.
• Los motores sincrónicos con imán permanente (PMSM) son motores de CA muy eficientes y pueden permitir un control preciso del par de torsión y la velocidad en aplicaciones de alto rendimiento que exigen una gran eficiencia energética.
• Los BLDC también se utilizan en aplicaciones que requieren un alto rendimiento y un control preciso y suelen tener una larga vida útil.
• Los servomotores pueden ser de CA o CC y admiten respuestas rápidas y de alta precisión. Los VFD con algoritmos de control especializados pueden utilizarse con servomotores en robots, máquinas de control numérico por ordenador (CNC) y aplicaciones similares.
• Los motores síncronos de CA (SM) son adecuados para aplicaciones que requieren una velocidad constante y una sincronización precisa. Aunque los variadores de frecuencia pueden controlar la velocidad de los SM, hay otras opciones de accionamiento (de menor costo) que permiten un funcionamiento a velocidad constante.

Existe una gran variedad de algoritmos de control utilizados con los VFD que aumentan su versatilidad. Por ejemplo, hay cuatro tipos principales de algoritmos de control VFD sólo para motores de inducción: voltios por Hertz (V/f), V/f con encóder, vectorial en bucle abierto y vectorial en bucle cerrado. Todos utilizan modulación por ancho de pulsos y proporcionan distintos niveles de control de la velocidad y el par de torsión.

La importancia de los VFD en una amplia gama de aplicaciones industriales queda patente en el desarrollo de la norma IEC 61800-9, centrada en la eficiencia y el diseño ecológico de los VFD y los sistemas de accionamiento de motores relacionados.

BDM, CDM y PDS

Hay dos secciones de la norma IEC 61800-9 relacionadas con los variadores de frecuencia. La parte 1 describe la metodología para determinar el índice o referencia de eficiencia energética de una aplicación. La parte 2 detalla los métodos de evaluación de la eficiencia basados en una serie de clasificaciones.

Aunque la eficiencia de los variadores de frecuencia, denominados módulos de accionamiento básicos (BDM) en IEC 61800-9, es importante, no es el objetivo principal de la norma. La norma tiene una base más amplia y considera módulos de accionamiento completos (MDC) que constan de un inversor de frecuencia (el VFD), una sección de alimentación y auxiliares de entrada y salida (como filtros y obturadores) y en el sistema de accionamiento de potencia (PDS) que consta del MDC más el motor (Figura 1).

Figura 1: Las clases de eficiencia de la norma IEC 61800-9 se aplican al CDM (sección negra) y al PDS (sección roja) en los sistemas VFD. (Fuente de la imagen: Schneider Electric)

Clases de eficiencia MDL

Las clases de eficiencia internacional (IE) del MDL se definen de IE0 a IE2. Se determinan comparando la pérdida total del MDL con el rendimiento de un MDL de referencia (MDLR). Las clases de IE para los MDL se definen en relación con el punto de funcionamiento 90, 100 utilizando una frecuencia del estator del motor del 90% y una corriente de par de torsión del 100% para evitar la sobremodulación y garantizar la comparabilidad de las mediciones de rendimiento de los accionamientos de distintos fabricantes.

El rendimiento del RCDM se define como IE1. Un MDL con más de un 25% menos de pérdidas que el MDRD se clasifica como IE2, y un MDL con más de un 25% más de pérdidas que el MDRD se clasifica como IE0. El RCDM también permite comparar el consumo de energía con un MDL de tecnología media en ocho puntos de funcionamiento predefinidos (0, 25), (0, 50), (0, 100), (50, 25), (50, 50), (50, 100), (90, 50) y (90, 100) (Figura 2).

Figura 2: Puntos de funcionamiento y clases de eficiencia de la norma IEC 61800-9 CDM. (Fuente de la imagen: Siemens)

Clases de eficiencia PDS

Las clases del sistema internacional de eficiencia (IES) del PDS son como las clases IE del MDL y se definen como IES0 a IES2. Se basan en una PDS de referencia (RPDS) y reflejan la eficiencia del módulo de accionamiento completo más el motor.

La adaptación del motor y el MDL combinados a los requisitos específicos de la aplicación ofrece un mayor potencial de optimización de la eficiencia global. Esa optimización de la eficiencia se refleja en una clasificación IES más alta. Al igual que el RCDM, el RPDS permite comparar el consumo de energía con un PDS de tecnología media en ocho puntos de funcionamiento predefinidos.

Los puntos de funcionamiento se basan en un porcentaje de par de torsión y un porcentaje de velocidad, y el valor IES se calcula basándose en el 100% de par y el 100% de velocidad, que es el punto de funcionamiento (100, 100).

En lugar de utilizar los cambios del 25% de las clases IE, las clases IES se basan en cambios del 20%. Un PDS con una clase de eficiencia IES2 tiene más de un 20% menos de pérdidas, y un PDS de clase IES0 tiene más de un 20% más de pérdidas que el rendimiento del RPDS definido como IES1 (Figura 3).

Figura 3: Puntos de funcionamiento y clases de eficiencia del PDS IEC 61800-9. (Fuente de la imagen: Schneider Electric)

Ejemplos de variadores de frecuencia

Los fabricantes de VFD no siempre informan de la eficiencia basándose en 61800-9. Esto se debe a que la medición de la eficiencia más sencilla utilizando la norma IEC 61800-9 es para el MDL, que consta del VFD (inversor de frecuencia) más numerosos componentes adicionales, incluida la sección de alimentación y los dispositivos auxiliares de entrada y salida. El uso de componentes adicionales específicos escapa al control de los fabricantes de VFD, y la norma 61800-9 no se aplica directamente a los VFD.

Algunos fabricantes de VFD han adaptado la metodología 61800-9. Cuando se declara la conformidad con IE2, los datos se presentan en varios formatos, incluidos gráficos, tablas y archivos Excel.

Por ejemplo, Siemens utiliza la metodología IEC 61800-9 con sus variadores SINAMICS V20 y los clasifica en la clase de eficiencia IE2 (Figura 4). Estos accionamientos se ofrecen en nueve tamaños de bastidor, desde 0,16 hasta 40 caballos de potencia (CV). Estos accionamientos se han optimizado para sistemas de accionamiento básicos en aplicaciones de fabricación y procesos como bombas, ventiladores, compresores y cintas transportadoras. Entre los numerosos componentes opcionales se incluyen filtros de entrada, reactancias de entrada y salida, resistencias de frenado, etc.

Figura 4: CDM Clase de eficiencia IE2 7.5 kW que tiene un 36,1% menos de pérdidas en comparación con el convertidor de referencia (90% / 100%). Los porcentajes muestran las pérdidas en relación con la potencia nominal del accionamiento básico sin componentes opcionales. (Fuente de la imagen: Siemens)

Delta Electronics también ha adaptado la metodología 61800-9 e informa de la eficiencia IE2 de sus variadores compactos de la serie MS300 de 1.7, 3.0, 4.2, 6.6, 9.9 y 12.2 kVA. Los datos se detallan en formato tabular en lugar de gráfico. La serie MS300 incluye accionamientos de 0.2 a 22 kW (Figura 5). Estos accionamientos incorporan varias características, como una función de controladores lógicos programables (PLC) para la programación, comunicación MODBUS, una ranura de comunicación que puede admitir protocolos adicionales y un puerto USB para la carga y descarga de datos.

Figura 5: La serie MS300 de Delta Electronics incluye variadores de 0.2 a 22 kW. (Fuente de la imagen: Delta Electronics)

Omron informa de que sus "variadores de velocidad con entrada trifásica", como los VFD de la serie MX2, cumplen los requisitos de eficiencia IE2. La empresa proporciona los datos de TEST en un archivo Excel. Los variadores MX2 están disponibles con potencias de 0.1 a 2.2 kW para entrada monofásica de 200 V, de 0.1 a 15.0 kW para entrada trifásica de 200 V y de 0.4 a 15.0 kW para entrada trifásica de 400 V. Estos accionamientos están diseñados para motores IM y gerente de proyectos y admiten un control suave hasta velocidad cero con un par de torsión de arranque del 200% a 0.5 Hz.

Mientras que otros fabricantes de variadores de frecuencia se centran en las secciones 1 y 2 de la norma IEC 61800-9, Schneider Electric adopta un enfoque más holístico y describe cómo integrar sus variadores con el motor adecuado para cumplir la directiva de diseño ecológico y la sección 3 de la norma IEC 61800-9, que define un enfoque de diseño ecológico cuantitativo mediante el equilibrio ecológico, incluidas las normativas sobre categorías de productos y las declaraciones medioambientales relacionadas.

La familia de variadores Altivar Machine ATV320 de la empresa incluye variadores de frecuencia con clasificación IP20 e IP6x de 0.18 a 15 kW (0.25 a 20 CV) para motores trifásicos síncronos, asíncronos, Gerente de proyectos y BLDC en control de bucle abierto e incluye funciones como:

• Precisión de par de torsión y velocidad a baja velocidad y alto rendimiento dinámico mediante control vectorial de flujo sin sensor
• Compatible con motores de alta frecuencia
• Funciones integradas para cumplir las normas de seguridad funcional

¿Y las AMR?

Los AMR utilizan VFD, pero un tipo diferente de VFD. La serie VFD de accionamientos industriales para motores BLDC de MEAN WELL es un buen ejemplo. Cumplen las secciones pertinentes de la norma IEC 61800, como los requisitos de seguridad 61800-5-1 y los requisitos de compatibilidad electromagnética (CEM) 61800-3. Sin embargo, estos variadores de frecuencia no son accionamientos empaquetados, por lo que no se aplican las categorías de eficiencia de 61800-9.

La serie VFD incluye ocho modelos con versiones de entrada de CC y CA que van de 150 a 750 W. El modelo VFD-350P-48 funciona con una entrada de 48 _VCC para aplicaciones alimentadas por batería como los AMR y puede suministrar hasta 350 W y 20 A de corriente de salida.

A 350 W, este controlador BLCD está empaquetado en una tarjeta de circuitos de 4" x 2", y su diseño sin ventilador puede soportar picos de carga del 200% durante 5 segundos (Figura 6). Todos los modelos de la Serie VFD incluyen solo la sección de accionamiento de potencia y requieren una tarjeta de control externa. MEAN WELL también ofrece una tarjeta de control opcional.

Figura 6: Diagrama de bloques de la sección de potencia de un variador de frecuencia (izquierda) y de la sección de potencia lista para su instalación en un AMR (derecha). (Fuente de la imagen: MEAN WELL)

Conclusión:

Existen varios diseños de variadores de velocidad para aplicaciones industriales, incluidos controles de máquinas y AMR. Pueden admitir motores de CA y CC y tienen distintos niveles de conformidad con las secciones de la norma IEC 61800. Además, dado que la norma IEC 61800-9 no se centra en el rendimiento de los VFD individuales, existen varios enfoques diferentes para informar sobre el rendimiento en relación con dichas normas de eficiencia. Algunos fabricantes de VFD se centran en las secciones 1 y 2 e informan de niveles de eficiencia de VFD como IE2. En cambio, otros se centran en la sección 3, relacionada con consideraciones generales de diseño ecológico, incluidas las normativas sobre categorías de productos y las declaraciones medioambientales correspondientes.