El principio del control de velocidad por frecuencia variable en los drives se basa en la aplicación de la fórmula del motor AC estándar:

Donde:

Ns = velocidad de sincronismo.
F = Frecuencia.
P = N° de polos (entregado por el fabricante del motor).

Un sistema de control de frecuencia aplica la frecuencia al motor y, por ende, la velocidad del motor es proporcional a la frecuencia con la cual se ha hecho funcionar el motor. Generalmente, el control de frecuencia se realiza a través de un potenciómetro variando un nivel de tensión o por algún otro tipo de señal externa (digital o analógica), controlada por algún medio.

El control de velocidad puede mantener la relación Volts/Frecuencia para cualquier velocidad para la que se requiera que el motor funcione, lo que provee un máximo de flexibilidad y compatibilidad del motor con el rango de velocidad de éste.

La frecuencia de salida del sistema de control de frecuencia puede ser infinitamente ajustable; incluso puede funcionar por sobre el rango de velocidad que el motor indica. Esto es útil en algunas aplicaciones en las cuales se desea ganar velocidad en los motores.

Control básico

Básicamente, existen dos tipos de control: Pulse Width Modulation (PWM) y Six Step (Seis Escalones), siendo ambos capaces de obtener una referencia de entrada variable y entregar una salida de frecuencia variable y tensión variable para aplicar al motor AC.

Figura 1. Forma de onda de seis escalones.

Diseño con Seis Escalones (six step)

El inversor de seis escalones consta de dos procesos para producir frecuencia y tensión variables y controlar un motor AC. Este toma las 3 fases de entrada de la línea de alimentación y las rectifica para transformarlas en un valor DC variable que luego se convierte en 6 escalones por ciclo. Este tipo de inversor no contiene una alta frecuencia portadora, por lo que los 6 pulsos no producen ruido acústico en el motor.

Pulse Width Modulación (PWM)

El inversor PWM es uno de de los más comunes y usados para los diseños de inversores. Este tipo de inversor toma las 3 fases de entrada de la línea para transformarla en una de señal rectificada en la cual ingresa a un bus de tensión continua para luego en su salida -a través del inversor- entregar frecuencia y tensión variables.

El valor del bus DC no cambia en su valor debido a que el rectificador es un simple puente de diodos, los cuales pueden entregar una tensión y frecuencia fija. Por este motivo, se utiliza el inversor DC-AC para completar el proceso.

Figura 2. Forma de onda “Pulse Width Modulation”

Consideraciones sobre el motor

El drive es usado principalmente en un estándar trifásico con 50Hz, con un motor de inducción. De esta forma, grupos de motores pueden ser conectados al drive que es capaz de entregar la carga total al sistema de potencia. La carga no debe exceder el máximo de capacidad con la cual cuenta el drive. De lo contrario, los motores podrían operar de mala manera, arriesgándose el éxito de la operación y la vida útil del mismo.

El uso de múltiples motores conectados a un mismo drive puede afectar el torque nominal de éstos, en caso que el drive esté configurado en lazo abierto y sólo permita la configuración de parámetros básicos, como la corriente total del sistema y el rango de potencia que se maneja.

Una máquina sincrónica de imanes permanentes puede ser conectada al inversor, con la excepción de que el factor de potencia sea muy bajo. En este caso, es necesario el uso de un inversor de rango más alto, teniendo en cuenta los rangos de corrientes y potencia del motor.

Cuando se opera a velocidad reducida, la facilidad de disipar potencia se ve notablemente disminuida, debido a la baja velocidad con que funciona el ventilador del motor

En la Figura 3 se muestra cómo a velocidades reducidas se mantienen niveles de torque considerables, por lo que el consumo de corriente se mantiene alto. Este fenómeno es el principal factor de calentamiento del motor.

Figura 3. Rango de Operación.

Rango de velocidad estándar en motores AC

De fábrica, un drive está listo para mantener a través de su control un torque constante de 5 a 50 Hz (Figura 4), y puede operar de manera similar con máquinas trifásicas, de inducción, síncronas o motores AC de imanes permanentes.

El número de polos que contiene un motor determina la velocidad a 50 ciclos de la red.

Donde

V = Velocidad en [RPM].
F = Frecuencia de salida del drive.
P = Pares de polos.

Figura 4. Torque y rango de potencia en HP

Rango extendido de velocidad para motor de 460 V

Extender el rango de velocidad en un motor es posible a través del control del drive sin un costo adicional. El rango de frecuencia de salida del drive puede ser seleccionado por el usuario, con tal de controlar la velocidad del motor según la expresión anterior.

El drive provee una salida con magnitud de tensión constante en 460V, incrementando el valor de la frecuencia sobre los 50Hz. Esto es llamado "extensión del rango de velocidad" y corresponde al debilitamiento de campo en Drives DC.

La curva B en la Figura 5 entrega 460V a 120Hz, y torque constante en operación desde los 12 a los 120Hz. El motor es normalmente rateado a 230V a 60Hz, pero a la mitad de la potencia de control.

Figura 5. Rango de velocidad extendido