Variador de frecuencia para un suministro de aire fresco energéticamente eficiente
Un variador de frecuencia, también conocido como "Variable Frequency Drive" (VFD), es un dispositivo electrónico que controla la velocidad y el par de un motor eléctrico de corriente alterna al variar la tensión y la frecuencia de la fuente de alimentación. Esto permite ajustar con precisión la velocidad del motor, lo que lo hace ideal para aplicaciones como el control de velocidad de ventiladores, donde es necesario regular el flujo de aire de manera eficiente. El uso de un variador de frecuencia no solo mejora el rendimiento, sino que también reduce el consumo de energía y el desgaste de los componentes mecánicos. Especialmente en combinación con sensores de tecnología de edificios y climatización (HVAC), surgen numerosas posibilidades para aumentar la eficiencia energética de un sistema de ventilación mediante una ventilación controlada por demanda. En una ventilación controlada por demanda, la velocidad del ventilador se optimiza continuamente para proporcionar siempre exactamente la cantidad necesaria de aire fresco. Tan pronto como los sensores HVAC detectan un deterioro en la calidad del aire, se incrementa la velocidad del ventilador para suministrar más aire fresco. Si la calidad del aire es adecuada, la velocidad se reduce nuevamente. De esta manera, el sistema de ventilación puede ahorrar energía y, al mismo tiempo, garantizar un suministro continuo y suficiente de aire fresco.
Un variador de frecuencia, también conocido como "Variable Frequency Drive" (VFD), es un dispositivo electrónico que controla la velocidad y el par de un motor eléctrico de corriente alterna al variar la tensión y la frecuencia de la fuente de alimentación. Esto permite ajustar con precisión la velocidad del motor, lo que lo hace ideal para aplicaciones como el control de velocidad de ventiladores, donde es necesario regular el flujo de aire de manera eficiente. El uso de un variador de frecuencia no solo mejora el rendimiento, sino que también reduce el consumo de energía y el desgaste de los componentes mecánicos. Especialmente en combinación con sensores de tecnología de edificios y climatización (HVAC), surgen numerosas posibilidades para aumentar la eficiencia energética de un sistema de ventilación mediante una ventilación controlada por demanda. En una ventilación controlada por demanda, la velocidad del ventilador se optimiza continuamente para proporcionar siempre exactamente la cantidad necesaria de aire fresco. Tan pronto como los sensores HVAC detectan un deterioro en la calidad del aire, se incrementa la velocidad del ventilador para suministrar más aire fresco. Si la calidad del aire es adecuada, la velocidad se reduce nuevamente. De esta manera, el sistema de ventilación puede ahorrar energía y, al mismo tiempo, garantizar un suministro continuo y suficiente de aire fresco.
Los motores eléctricos convierten la energía eléctrica en movimientoAntes de hablar en detalle sobre un variador de frecuencia, es necesario conocer primero algunos aspectos sobre un motor eléctrico. Un motor eléctrico es una máquina que convierte la energía eléctrica en movimiento (también llamado energía cinética). El motor convierte principalmente la energía eléctrica en un movimiento rotatorio del eje del motor. Un eje del motor es la parte de un motor eléctrico que gira cuando el motor está en funcionamiento. Puede imaginarse como el eje de una rueda: es la parte que transmite la fuerza de giro del motor al objeto accionado, como por ejemplo una rueda de ventilador o una bomba.
La velocidad del motor puede controlarse mediante un regulador de velocidad. La cantidad de diferentes tipos de motores es prácticamente ilimitada, pero en términos generales se puede distinguir entre motores AC y motores EC. Los motores EC siempre tienen un regulador de velocidad integrado, pero para los motores AC se puede proporcionar un regulador de velocidad externo.
Existen diferentes tipos de reguladores de velocidad: reguladores por transformador, reguladores TRIAC y variadores de frecuencia. Cada tipo utiliza una tecnología diferente para controlar la velocidad del motor. Cada tipo tiene sus propias ventajas y desventajas. Como un variador de frecuencia se utiliza para controlar un motor AC, a continuación se presenta primero información adicional al respecto.
Motor AC: corrientes eléctricas y magnetismo
Los motores eléctricos funcionan basándose en la interacción entre el magnetismo y las corrientes eléctricas. Además de la energía eléctrica, también se necesita magnetismo. Los motores síncronos de corriente alterna utilizan imanes permanentes, mientras que los motores asíncronos de corriente alterna generan sus propios campos magnéticos mediante inducción (también una interacción entre magnetismo y electricidad).
En el estator — la parte del motor que no se mueve — está instalada una bobina. Cuando la corriente alterna pasa por esta bobina, se crea un campo magnético. Debido a que es corriente alterna, la polaridad de este campo magnético cambia constantemente. Parece como si el campo magnético girara continuamente en círculo. Esto ocurre a la misma frecuencia que la tensión alterna aplicada. El rotor — la parte giratoria del motor — sigue este campo magnético cambiante. El rotor de los motores síncronos está formado por imanes permanentes. El rotor de los motores asíncronos tiene una estructura llamada jaula de ardilla — se parece un poco a una rueda metálica con barras gruesas longitudinales conectadas por anillos en ambos extremos — similar a una rueda para hámsters hecha de metal. Cuando un rotor de jaula de ardilla se coloca en un campo magnético en movimiento, se induce en él una corriente eléctrica, que a su vez genera su propio campo magnético.
Los motores eléctricos funcionan basándose en la interacción entre el magnetismo y las corrientes eléctricas. Además de la energía eléctrica, también se necesita magnetismo. Los motores síncronos de corriente alterna utilizan imanes permanentes, mientras que los motores asíncronos de corriente alterna generan sus propios campos magnéticos mediante inducción (también una interacción entre magnetismo y electricidad).
En el estator — la parte del motor que no se mueve — está instalada una bobina. Cuando la corriente alterna pasa por esta bobina, se crea un campo magnético. Debido a que es corriente alterna, la polaridad de este campo magnético cambia constantemente. Parece como si el campo magnético girara continuamente en círculo. Esto ocurre a la misma frecuencia que la tensión alterna aplicada. El rotor — la parte giratoria del motor — sigue este campo magnético cambiante. El rotor de los motores síncronos está formado por imanes permanentes. El rotor de los motores asíncronos tiene una estructura llamada jaula de ardilla — se parece un poco a una rueda metálica con barras gruesas longitudinales conectadas por anillos en ambos extremos — similar a una rueda para hámsters hecha de metal. Cuando un rotor de jaula de ardilla se coloca en un campo magnético en movimiento, se induce en él una corriente eléctrica, que a su vez genera su propio campo magnético.
Todos estos campos magnéticos y corrientes eléctricas generan calor (es decir, energía que se pierde en forma de calor). Por eso, el calor es el mayor enemigo del robusto motor AC. En caso de sobrecalentamiento, existe el riesgo de daños por cortocircuitos internos. Por eso es muy importante detectar a tiempo el sobrecalentamiento en un motor AC. Algunas variantes están equipadas con sensores de temperatura en el interior del motor (TK o PTC). Estos pueden ser leídos por ciertos reguladores de velocidad para apagar el motor a tiempo en caso de sobrecalentamiento y así evitar daños.
Datos técnicos del motor AC
Para seleccionar el tipo adecuado de variador de frecuencia para un motor determinado, se deben conocer los siguientes datos:
- Tensión de alimentación – La energía eléctrica que un motor AC necesita para funcionar se denomina tensión de alimentación. Se expresa en [VAC]. La alimentación puede ser monofásica o trifásica. A través de la red eléctrica pública están disponibles las siguientes opciones: 1 fase 230 VAC / 3 fases 230 VAC / 3 fases 400 VAC.
- Consumo de corriente – La cantidad de energía que consume el motor. La corriente eléctrica que absorbe el motor se expresa en amperios o [A]. El consumo de corriente aumenta con la velocidad o la carga (por ejemplo, con aspas de ventilador más grandes). El consumo máximo de corriente generalmente está indicado en la placa de características del motor.
- Potencia del motor – La combinación de la tensión de alimentación, la corriente absorbida (máxima) y la eficiencia del motor se denomina potencia del motor. Se expresa en vatios o kilovatios. Este valor también suele estar indicado en la placa de características del motor.
Además de estos datos importantes, en la placa de características del motor normalmente se encuentran más informaciones. La velocidad del eje del motor se indica en revoluciones por minuto [rpm o U/min]. El par motor, es decir, la fuerza que puede entregar el eje del motor, se indica en newton-metro [Nm]. Un ejemplo práctico: un tractor tiene un motor con baja velocidad, pero alto par. Por eso un tractor avanza lentamente, pero puede arrastrar cargas enormes por un campo.
Un coche de Fórmula 1 tiene un motor con una velocidad muy alta (muchas revoluciones por minuto), pero un par motor menor que el de un tractor. Esto es ideal porque el vehículo de carreras es muy ligero y por lo tanto necesita relativamente poca fuerza.
Diferentes tipos de reguladores de velocidad
Como se mencionó anteriormente, existen varios tipos de reguladores de velocidad. Cada tipo utiliza una tecnología diferente con sus respectivas ventajas y desventajas. Sin embargo, cabe destacar el variador de frecuencia, ya que es mucho más avanzado. Los reguladores de velocidad simples solo reducen la tensión del motor. Un variador de frecuencia, en cambio, puede hacer mucho más…
Como se mencionó anteriormente, existen varios tipos de reguladores de velocidad. Cada tipo utiliza una tecnología diferente con sus respectivas ventajas y desventajas. Sin embargo, cabe destacar el variador de frecuencia, ya que es mucho más avanzado. Los reguladores de velocidad simples solo reducen la tensión del motor. Un variador de frecuencia, en cambio, puede hacer mucho más…
Los reguladores por transformador y los reguladores TRIAC disminuyen la velocidad del motor reduciendo la tensión aplicada al motor. Una tensión más baja en el motor conduce a una velocidad menor. Los reguladores por transformador reducen la tensión en pasos (normalmente en 5 niveles). Los reguladores electrónicos ofrecen un control variable de velocidad. La gran ventaja de ambos tipos de reguladores está en su fácil cableado y puesta en marcha. Una vez conectado el motor, el regulador puede usarse inmediatamente. No se requiere configuración.
Un variador de frecuencia también regula la velocidad del motor de forma continua (similar a un regulador TRIAC). Sin embargo, su regulación es más compleja que la de un regulador TRIAC (más detalles a continuación). Este control más avanzado requiere una configuración adicional. Después de la conexión, normalmente se deben realizar algunos ajustes en el variador de frecuencia antes de poder usarlo. Gracias a las entradas y salidas adicionales del dispositivo, se pueden añadir muchas otras funciones lógicas y características.
Variador de frecuencia vs. regulador TRIAC
¿Cuál es la diferencia entre un variador de frecuencia y un regulador TRIAC? Un variador de frecuencia no solo cambia la tensión del motor, sino también la frecuencia. Un regulador TRIAC “recorta” segmentos de la tensión suministrada, pero no cambia la frecuencia; esta permanece en 50 Hz. Esto provoca un par motor menor (menos fuerza). El motor sigue intentando funcionar a la velocidad máxima porque la frecuencia sigue en su valor máximo. La frecuencia genera el campo magnético rotatorio responsable de la velocidad del motor. Reducir la tensión del motor sin cambiar la frecuencia conlleva el riesgo de que el motor se detenga (stall). Si reduces la tensión de un motor sin cambiar la frecuencia, el motor pierde fuerza porque genera menos par motor, es decir, la fuerza que lo mantiene en movimiento. Si el par motor baja demasiado, el motor no puede superar la resistencia de la carga, como las aspas del ventilador, y se para o deja de girar. Por eso, solo reducir la tensión (como hacen los reguladores TRIAC) es especialmente arriesgado a bajas velocidades en comparación con los variadores de frecuencia, que ajustan simultáneamente tensión y frecuencia para que el motor funcione de manera uniforme.
¿Cuál es la diferencia entre un variador de frecuencia y un regulador TRIAC? Un variador de frecuencia no solo cambia la tensión del motor, sino también la frecuencia. Un regulador TRIAC “recorta” segmentos de la tensión suministrada, pero no cambia la frecuencia; esta permanece en 50 Hz. Esto provoca un par motor menor (menos fuerza). El motor sigue intentando funcionar a la velocidad máxima porque la frecuencia sigue en su valor máximo. La frecuencia genera el campo magnético rotatorio responsable de la velocidad del motor. Reducir la tensión del motor sin cambiar la frecuencia conlleva el riesgo de que el motor se detenga (stall). Si reduces la tensión de un motor sin cambiar la frecuencia, el motor pierde fuerza porque genera menos par motor, es decir, la fuerza que lo mantiene en movimiento. Si el par motor baja demasiado, el motor no puede superar la resistencia de la carga, como las aspas del ventilador, y se para o deja de girar. Por eso, solo reducir la tensión (como hacen los reguladores TRIAC) es especialmente arriesgado a bajas velocidades en comparación con los variadores de frecuencia, que ajustan simultáneamente tensión y frecuencia para que el motor funcione de manera uniforme.
Un variador de frecuencia mantiene constante la relación entre voltaje y frecuencia (U/f = constante). Esto asegura que el motor siempre reciba un voltaje optimizado (¡menos consumo de energía!). Gracias a esta relación perfecta, el motor siempre está controlado de manera óptima. Esto hace que un variador de frecuencia sea significativamente más eficiente energéticamente que un controlador TRIAC o un regulador de velocidad por transformador, especialmente a bajas velocidades.
Cuando se reduce el voltaje del motor, también se reduce la frecuencia. Esto hace que el motor gire más lentamente manteniendo casi su par motor completo. Cuando la velocidad del motor se controla con un variador de frecuencia, el motor sigue siendo potente incluso a bajas velocidades. El riesgo de que el motor se detenga a bajas velocidades es significativamente menor.
Debido a que el voltaje del motor generado por los controladores TRIAC no es perfectamente sinusoidal, el motor puede ser ruidoso, especialmente a bajas velocidades. El variador de frecuencia crea un voltaje casi perfectamente sinusoidal gracias a la tecnología PWM, lo que permite que tanto el variador como el motor funcionen completamente en silencio. Si los niveles de ruido siguen siendo demasiado altos con la configuración estándar, se pueden reducir aún más aumentando la frecuencia máxima de conmutación en los ajustes de parámetros del variador de frecuencia (parámetro 17). Sin embargo, un aumento en la frecuencia de conmutación puede causar un desgaste más rápido de los rodamientos del motor, así como interferencias electromagnéticas adicionales (EMC).
¿Cómo funciona un variador de frecuencia?
Desde un punto de vista técnico, un variador de frecuencia se puede dividir en tres bloques funcionales:
Desde un punto de vista técnico, un variador de frecuencia se puede dividir en tres bloques funcionales:
- El rectificador – Aquí se convierte la tensión alterna suministrada (monofásica o trifásica) en tensión continua (DC).
- El circuito intermedio de CC – Este módulo funciona como almacenamiento de energía. El bus de CC puede considerarse como una gran batería interna dentro del variador de frecuencia.
- La etapa inversora – Aquí la tensión continua se vuelve a convertir en tensión alterna (monofásica o trifásica). La tecnología utilizada para esta conversión se llama PWM (modulación por ancho de pulso). Los IGBTs (transistores bipolares de puerta aislada) permiten que la corriente fluya en rápidos pulsos breves (se pueden imaginar como interruptores de luz que se encienden y apagan extremadamente rápido). La combinación de todos estos pulsos cortos genera una tensión casi perfectamente sinusoidal. Los IGBTs son mucho más rápidos que los TRIAC y pueden conmutar corrientes mucho más altas. Sin embargo, también son más caros que los TRIAC.
La gran diferencia entre un variador de frecuencia y un regulador por transformador o TRIAC es que el variador primero convierte la energía suministrada en tensión continua y luego la vuelve a convertir en tensión alterna. En cambio, los reguladores TRIAC y por transformador solo reducen la tensión alterna suministrada.
Compatibilidad electromagnética o EMC
EMC significa Compatibilidad Electromagnética. Cada variador de frecuencia utiliza IGBTs (los rápidos interruptores electrónicos) para controlar la velocidad del motor. Aunque estos interruptores son muy eficientes, también generan interferencias eléctricas — conocidas como interferencias electromagnéticas (EMI) — que pueden regresar a la red eléctrica del edificio. Los reguladores TRIAC y por transformador generan mucho menos EMI que un variador de frecuencia, ya que operan con una frecuencia de conmutación mucho menor. Por eso, el filtro EMC juega un papel decisivo para mantener estable el entorno eléctrico de su edificio cuando se instalan variadores de frecuencia.
EMC significa Compatibilidad Electromagnética. Cada variador de frecuencia utiliza IGBTs (los rápidos interruptores electrónicos) para controlar la velocidad del motor. Aunque estos interruptores son muy eficientes, también generan interferencias eléctricas — conocidas como interferencias electromagnéticas (EMI) — que pueden regresar a la red eléctrica del edificio. Los reguladores TRIAC y por transformador generan mucho menos EMI que un variador de frecuencia, ya que operan con una frecuencia de conmutación mucho menor. Por eso, el filtro EMC juega un papel decisivo para mantener estable el entorno eléctrico de su edificio cuando se instalan variadores de frecuencia.
Las interferencias EMI no producen ruidos audibles, pero pueden afectar el funcionamiento de otros dispositivos electrónicos sensibles en el edificio. Sistemas como detectores de incendios, controles de iluminación, redes de comunicación y equipos de oficina pueden verse afectados por esta interferencia invisible. Aquí es donde entra en juego el filtro EMC. El filtro EMC actúa como una barrera protectora, filtrando las interferencias eléctricas generadas por el variador y evitando su propagación a través del suministro eléctrico. En esencia, el filtro EMC asegura que el variador pueda funcionar sin afectar otros dispositivos en el edificio. La instalación de un filtro EMC no solo es recomendable, sino que a menudo es obligatoria. En edificios comerciales, industriales o multifuncionales, las normativas generalmente exigen el uso de filtros EMC al instalar variadores de frecuencia. Esto garantiza el cumplimiento de los estándares de seguridad eléctrica y mantiene la fiabilidad de todos los demás sistemas electrónicos de la instalación.
Gama de productos de variadores de frecuencia
Sentera es un socio distribuidor de variadores Invertek para aplicaciones HVAC (calefacción, ventilación, aire acondicionado). La serie Optidrive E3 es conocida por su fácil manejo, excelente calidad y parámetros preconfigurados optimizados específicamente para aplicaciones HVAC. Esto simplifica la puesta en marcha y la configuración. Todos los dispositivos están equipados con un filtro EMC integrado de categoría C1 según la norma EN61800-3:2004.
Sentera es un socio distribuidor de variadores Invertek para aplicaciones HVAC (calefacción, ventilación, aire acondicionado). La serie Optidrive E3 es conocida por su fácil manejo, excelente calidad y parámetros preconfigurados optimizados específicamente para aplicaciones HVAC. Esto simplifica la puesta en marcha y la configuración. Todos los dispositivos están equipados con un filtro EMC integrado de categoría C1 según la norma EN61800-3:2004.
Nuestra gama de productos de variadores de frecuencia consta de tres variantes:
- Variador de frecuencia E2 para instalación en armario de control con bornes de conexión para señales de control externas. Estos variadores de frecuencia están equipados con un panel de control estándar (5 botones y una pantalla LED de 7 segmentos). A través del bloque de bornes de conexión se pueden conectar comandos externos de arranque y parada, así como señales de referencia de velocidad de 0–10 voltios. El variador de frecuencia utiliza estas señales de control externas para gestionar el motor.
La carcasa de los dispositivos -E2 ofrece un grado de protección IP20 contra la entrada de humedad y polvo. Recomendamos encarecidamente instalar estos dispositivos en un cuadro eléctrico con ventilación y refrigeración adecuadas para garantizar una buena disipación del calor. - Variador de frecuencia E6-19 para montaje exterior con bornes de conexión para señales de control externas. Estos variadores de frecuencia están equipados con un panel de control estándar (5 botones y una pantalla LED de 7 segmentos). A través del bloque de bornes se pueden conectar comandos externos de arranque y parada, así como señales de referencia de velocidad de 0–10 voltios. El variador utiliza estas señales de control externas para gestionar el motor.
La carcasa de los dispositivos E6-19 ofrece un grado de protección IP66 contra la penetración de agua y suciedad. Gracias a esta robusta carcasa, pueden instalarse fácilmente en exteriores, cerca del motor. Son herméticos al polvo y aptos para lavados, gracias a la carcasa sellada de ABS y al disipador de calor resistente a la corrosión. La resistente carcasa de policarbonato está diseñada para resistir la degradación causada por la radiación UV, grasas, aceites y ácidos. Además, es lo suficientemente robusta para no volverse quebradiza a -20 °C. Se recomienda proteger el dispositivo de la lluvia directa y la radiación solar. - Variador de frecuencia E6-19 para montaje exterior con botones de control integrados. Estos variadores están equipados con un potenciómetro incorporado para el control de velocidad, un interruptor de 3 posiciones para las órdenes marcha atrás – apagado – marcha adelante, y un interruptor de desconexión de red con cerradura.
La carcasa de los dispositivos E6-19 ofrece un grado de protección IP66 contra la penetración de agua y suciedad. Gracias a esta robusta carcasa, pueden instalarse fácilmente en exteriores, cerca del motor. Son herméticos al polvo y aptos para lavados, gracias a la carcasa sellada de ABS y al disipador de calor resistente a la corrosión. La resistente carcasa de policarbonato está diseñada para resistir la degradación causada por la radiación UV, grasas, aceites y ácidos. Además, es lo suficientemente robusta para no volverse quebradiza a -20 °C. Se recomienda proteger el dispositivo de la lluvia directa y la radiación solar.
Variador de frecuencia E2
Variador de frecuencia E6-19
Variador de frecuencia E6-19¿Cómo elegir el variador de frecuencia adecuado para su aplicación?
Una vez que se hayan aclarado las bases mencionadas anteriormente, la selección debe hacerse también en función de los datos técnicos del motor. Para elegir el dispositivo correcto para su aplicación, necesita la siguiente información:
Una vez que se hayan aclarado las bases mencionadas anteriormente, la selección debe hacerse también en función de los datos técnicos del motor. Para elegir el dispositivo correcto para su aplicación, necesita la siguiente información:
- ¿Qué tensión de alimentación está disponible en el lugar?
Las tensiones de alimentación típicas disponibles son: monofásica 230 voltios, trifásica 230 voltios o trifásica 400 voltios. Esta es la tensión que se suministra al variador de frecuencia. - ¿Qué tensión necesita el motor? (Esta información se encuentra en la placa de características del motor.)
Los motores de corriente alterna (AC) suelen estar disponibles en las siguientes tensiones: monofásica 230 VAC, trifásica 230 VAC o trifásica 400 VAC. Esta es la tensión que el variador de frecuencia suministra al motor AC (independientemente de la tensión de alimentación del variador). - ¿Cuál es la corriente del motor? Esta información también está indicada en la placa de características del motor y se expresa en amperios [A].
La corriente que puede suministrar el variador de frecuencia debe ser mayor que la corriente del motor. Si varios motores son controlados con un solo variador, la suma de todas las corrientes de motor (más un margen de reserva) debe ser menor que la corriente máxima del variador.
Por lo general, las especificaciones de corriente [A] y potencia [kW] del motor y del variador coinciden. En caso de duda, se recomienda elegir un variador de frecuencia que pueda suministrar una corriente mayor que la corriente máxima del motor.