Métodos de disipación de calor de los variadores de frecuencia
1.Introducción a las definiciones detalladas de los variadores de frecuencia
El variador de frecuencia (VFD, por sus siglas en inglés) es un convertidor estático de frecuencia que transforma la corriente alterna de la red (normalmente 50 o 60 Hz) en una corriente alterna de frecuencia variable, generalmente mediante un proceso de rectificación, filtrado e inversión. Esto permite controlar la velocidad angular del motor de forma continua y precisa. A diferencia de arrancadores suaves o reostatos, el variador de frecuencia no solo limita corriente, sino que modula frecuencia y voltaje simultáneamente, logrando control continuo y eficiente de la velocidad.
2.Componentes principales de un variador de frecuencia
1.Rectificador: Convierte la corriente alterna de entrada en corriente continua pulsante. Utiliza diodos de potencia o, en variadores regenerativos, tiristores que permiten devolver energía a la red.
2.Bus de continua: Un conjunto de condensadores electrolíticos de alta capacidad que suavizan la tensión continua, almacenan energía y reducen el rizado. Este bus proporciona una fuente de tensión estable para la siguiente etapa.
3.Inversor: Convierte la corriente continua en corriente alterna de frecuencia y tensión variables mediante la conmutación de transistores de potencia en configuración de puente trifásico. Utiliza modulación por ancho de pulsos para generar una forma de onda senoidal aproximada.
4.Circuito de control: Un microcontrolador o DSP ejecuta los algoritmos de control, gestiona la modulación PWM, procesa las señales de los sensores y se comunica con el exterior.
5.Fuente de alimentación auxiliar: Genera las tensiones de baja tensión necesarias para la electrónica de control, los drivers de compuerta de los IGBT y los ventiladores de refrigeración.
6.Sistema de refrigeración: Los semiconductores de potencia disipan calor. El variador incluye un disipador de aletas de aluminio y, en potencias superiores a unos pocos kW, un ventilador de aire forzado. En modelos de alta potencia se emplea refrigeración líquida.
3.Funciones principales del variador de frecuencia
1.Control de velocidad ajustable y preciso:Esta es la función más básica y fundamental del variador de frecuencia. A diferencia de los motores que operan a una velocidad fija, el VFD permite modificar la frecuencia y el voltaje suministrados al motor de forma continua y precisa, dentro de un rango preestablecido.
2.Reducción del consumo energético:Una de las ventajas más destacadas y económicas del variador de frecuencia es su capacidad para reducir el consumo de energía eléctrica, especialmente en equipos con cargas variables.
3.Arranque y frenado suaves:Los motores de CA, cuando se conectan directamente a la red eléctrica, sufren arranques bruscos que generan picos de corriente. Estos picos pueden dañar el motor, los cables, los contactores y otros componentes del sistema eléctrico, además de causar perturbaciones en la red eléctrica.
4.Protección del motor y del sistema:El variador de frecuencia integra una serie de funciones de protección que garantizan el funcionamiento seguro del motor y del propio variador, evitando daños y reduciendo el mantenimiento.
5.Control de par motor:El par es la fuerza de rotación que el motor ejerce para mover una carga. El variador de frecuencia permite controlar el par del motor de forma precisa, incluso a velocidades muy bajas. Esto es especialmente útil en aplicaciones donde se requiere una fuerza constante independientemente de la velocidad.
6.Integración con sistemas de automatización:El variador de frecuencia está diseñado para integrarse de forma sencilla con sistemas de automatización industrial, como PLCs, sistemas SCADA o redes industriales. Esto permite controlar el VFD de forma remota, programar secuencias de operación, monitorear su rendimiento en tiempo real y ajustar parámetros según las necesidades del proceso.
7.Reducción de ruido y vibraciones:Los motores que operan a velocidad fija suelen generar ruido y vibraciones significativas, especialmente en altas velocidades. El variador de frecuencia reduce estos problemas al permitir que el motor trabaje a velocidades más bajas y suaves, disminuyendo el ruido acústico y las vibraciones mecánicas.
4.Métodos de disipación de calor de los variadores de frecuencia
1.Convección natural:El calor se transfiere del disipador al aire ambiente sin ningún elemento mecánico que fuerce la circulación. Se basa únicamente en la circulación natural del aire por diferencia de densidad.
2.Ventilación forzada por aire:Se añade uno o varios ventiladores axiales o centrífugos que impulsan el aire a través del disipador, aumentando drásticamente el coeficiente de transferencia de calor.
3.Refrigeración líquida:El calor de los IGBT y diodos se transfiere a un líquido refrigerante que circula por una placa fría integrada en el variador. El líquido se bombea hacia un intercambiador de calor externo.
4.Refrigeración por aire acondicionado o climatización del armario:El variador no disipa el calor directamente al ambiente exterior, sino que lo cede al aire del armario eléctrico. Este aire caliente es extraído por un intercambiador de calor o enfriado por un equipo de aire acondicionado.
5.Disipación mediante la propia carcasa del variador:En variadores de muy pequeña potencia, el propio encapsulado de plástico o aluminio actúa como superficie de enfriamiento. No hay disipador externo; los semiconductores se montan directamente sobre una placa de aluminio que forma la parte posterior de la carcasa.
6.Gestión de la frecuencia de conmutación para reducir pérdidas:Las pérdidas por conmutación en los IGBT son directamente proporcionales a la frecuencia de conmutación. Reducir la frecuencia de conmutación disminuye el calor generado, aunque aumenta el ruido audible del motor y la ondulación de corriente.
7.Diseño del disipador y materiales avanzados:Mediante simulación de dinámica de fluidos computacional (CFD) se diseñan aletas con perfil de espesor variable, microcanales, o superficies onduladas que aumentan la turbulencia y el coeficiente de convección.
8.Control inteligente de la ventilación y del ciclo de trabajo
Ventiladores con control PWM: En lugar de ventiladores siempre a máxima velocidad, se regulan proporcionalmente a la temperatura del disipador. Esto reduce el consumo de los ventiladores, el ruido y prolonga su vida útil.