MÓDULO 1: FUNDAMENTOS DE LOS VARIADORES DE FRECUENCIA
¿Qué es un variador de frecuencia?
Un Variador de Frecuencia (VFD, por sus siglas en inglés Variable Frequency Drive) es un dispositivo electrónico de potencia diseñado para regular la velocidad y el par de un motor de corriente alterna (CA) variando la frecuencia y el voltaje de la alimentación eléctrica que recibe.
Función del variador en un sistema industrial
El VFD actúa como un intermediario inteligente entre la red eléctrica comercial (de frecuencia y voltaje fijos) y el motor. Su función principal es adaptar el comportamiento del motor a las exigencias puntuales del proceso, optimizando la precisión, reduciendo el desgaste mecánico y disminuyendo el consumo de energía.
Relación entre frecuencia, velocidad y número de polos
La velocidad síncrona (Ns) del campo magnético de un motor de inducción se rige estrictamente por la siguiente fórmula:
Ns = (120 × f) / P
Donde:
- Ns: Velocidad síncrona en RPM (revoluciones por minuto).
- f: Frecuencia de la red eléctrica en Hertz (Hz).
- P: Número de polos magnéticos del motor (siempre en un número par).
Como el número de polos P es una característica física fija del motor, la única forma continua y eficiente de alterar la velocidad Ns es variando la frecuencia f.
Principio de funcionamiento del motor de inducción
- La corriente alterna que fluye por los devanados del estator genera un campo magnético giratorio.
- Este campo magnético corta los conductores del rotor e induce una corriente en ellos (principio de inducción de Faraday).
- La interacción entre la corriente inducida en el rotor y el campo magnético del estator produce una fuerza electromagnética (fuerza de Lorentz) que hace girar el rotor.
- El rotor gira a una velocidad ligeramente menor que el campo magnético. A esta diferencia se la denomina deslizamiento.
Ventajas del control de velocidad
- Ahorro energético significativo: Especialmente en cargas de par variable (bombas y ventiladores).
- Arranques y paradas suaves: Eliminan los picos de corriente durante el arranque directo y reducen el estrés mecánico en correas, engranajes y acoplamientos.
- Aumento de la vida útil del equipo: Al reducir el choque térmico y mecánico.
- Control de proceso superior: Permite mantener variables como presión, caudal o temperatura de forma constante mediante ajuste de velocidad.
Aplicaciones industriales más comunes
- Sistemas de bombeo: Mantenimiento de presión constante en redes de agua.
- Ventilación y climatización (HVAC): Control de flujo de aire.
- Transporte de materiales: Cintas transportadoras, elevadores y grúas.
- Procesamiento de materiales: Extrusoras, mezcladoras, molinos y agitadores.
MÓDULO 2: ESTRUCTURA Y FUNCIONAMIENTO INTERNO
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ VARIADOR DE FRECUENCIA │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘
RED CA 1. RECTIFICADOR 2. BUS DC 3. INVERSOR MOTOR CA
(Fija) ┌───────────────────┐ ┌───────────────┐ ┌───────────────────┐ (Variable)
────┐ │ │ │ │ │ │ ┌───────┐
R ──┼───────┤ Módulo de Diodos ├────┼──┐ Capacitor ├───┼───┤ Transistores ├────────┤ U │
S ──┼───────┤ o Tiristores │ DC+│ │ y Reactor │ │DC+│ IGBTs (6x) ├────────┤ V │ (M)
T ──┼───────┤ (Convierte a DC) ├────┼──┴───┤├───┬───┤ ├───┤ (Genera PWM) ├────────┤ W │
────┘ └───────────────────┘ │ ││ │ │ │ └───────────────────┘ └───────┘
│ DC- ┴ │ │
└───────────────┴───┘
Etapas internas de un variador de frecuencia
Un VFD convierte la energía eléctrica en tres etapas consecutivas: Rectificación, Filtrado/Bus DC e Inversión.
Etapa rectificadora de entrada
Recibe la tensión alterna trifásica (o monofásica) de la red y la transforma en corriente continua (CC/DC) pulsante mediante un puente de diodos (o tiristores). Esta etapa no controla la velocidad, solo acondiciona el tipo de corriente.
Bus de corriente continua
Compuesto principalmente por capacitores electrolíticos de alta capacidad e inductores (reactores). Se encarga de:
- Aplanar y suavizar la tensión continua pulsante proveniente del rectificador.
- Almacenar energía para amortiguar fluctuaciones rápidas de carga.
Etapa inversora y transistores IGBT
La etapa final toma la tensión continua estable del Bus DC y la reconvierte en corriente alterna trifásica de frecuencia y voltaje variables. Para esto utiliza transistores IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistors), los cuales actúan como conmutadores ultra-rápidos capaces de abrir y cerrar miles de veces por segundo.
Modulación por ancho de pulsos PWM
La PWM (Pulse Width Modulation) es la técnica con la cual los IGBT entregan energía al motor:
- Los IGBT se conmutan a alta frecuencia para aplicar pulsos de tensión continua de duración variable.
- La inductancia propia del motor filtra estos pulsos de onda cuadrada, haciendo que la corriente resultante tenga una forma de onda senoidal pulida.
- Cambiando el ancho de los pulsos y su secuencia, el VFD varía tanto el voltaje equivalente como la frecuencia aplicada al motor.
Flujo de energía dentro del variador
[ Red CA Fija ] ──> [ Rectificador ] ──> [ Bus DC ] ──> [ Inversor IGBT (PWM) ] ──> [ Motor CA ]
MÓDULO 3: TIPOS, CARACTERÍSTICAS Y SELECCIÓN
Tipos de variadores de frecuencia
- VFD para Motores de Inducción (Asíncronos): Los más comunes en el mercado.
- VFD para Motores de Imán Permanente (PMSM / BLDC): Requeridos para motores síncronos de alta eficiencia.
- Regenerativos: Devuelven la energía de frenado a la red eléctrica en lugar de disiparla en calor.
Control escalar V/Hz
Mantiene una relación constante entre el Voltaje (V) y la Frecuencia (f) aplicados al motor (V/f = Constante).
- Ventajas: Sencillo, permite conectar varios motores en paralelo a un solo variador.
- Desventajas: Pobre rendimiento a bajas velocidades (pérdida de torque).
- Uso típico: Bombas y ventiladores.
Control vectorial y control de torque
Calcula e independiza de forma matemática las componentes de corriente magnética (flujo) y corriente activa (torque).
- Control Vectorial en Lazo Abierto (SVC / Sensorless): Estima la posición del rotor sin sensor físico.
- Control Vectorial en Lazo Cerrado (CLVC): Utiliza un encoder acoplado al eje del motor. Ofrece torque máximo desde velocidad cero y precisión extrema en el control de posición.
- Direct Torque Control (DTC): Controla el par y el flujo de forma instantánea sin necesidad de modulador PWM convencional.
Lectura e interpretación de la placa del motor
Datos críticos a identificar antes de conectar un VFD:
- Tensión nominal (V): Ej. 220V / 380V / 440V.
- Corriente nominal (A): Determina el tamaño del variador.
- Frecuencia (Hz): Generalmente 50 Hz o 60 Hz.
- Velocidad nominal (RPM): Indica la velocidad a plena carga (considerando el deslizamiento).
- Factor de potencia (cos φ): Eficiencia del motor.
Lectura de la placa del variador
Debe ser compatible o superior a los requisitos del motor:
- Tensión y fases de entrada: Ej. 1ph 220V o 3ph 380V.
- Corriente máxima de salida (Inom): El parámetro primordial de selección.
- Capacidad de sobrecarga: Expresada en porcentaje durante un periodo de tiempo (ej. 150% durante 60 segundos para uso pesado).
Criterios para seleccionar correctamente un variador
- Corriente nominal del motor: El variador debe ser capaz de suministrar la corriente de placa del motor (no guiarse únicamente por los HP o kW).
- Tipo de carga:
- Torque Variable (VT / Normal Duty): Bombas centrífugas, ventiladores.
- Torque Constante (CT / Heavy Duty): Cintas transportadoras, compresores, extrusoras.
- Condiciones ambientales: Altitud (degradación por encima de 1000 msnm) y temperatura ambiente.
- Alimentación disponible: Monofásica o trifásica.
MÓDULO 4: INSTALACIÓN ELÉCTRICA Y CONEXIONES
Identificación de terminales de potencia
| Bornes | Descripción |
|---|
| L1, L2, L3 (o R, S, T) | Entrada de alimentación desde la red de CA |
| U, V, W | Salida trifásica conectada directamente al motor |
| (+), (-) o DC+, DC- | Accesos al Bus de corriente continua |
| PB (o + / PB) | Conexión para Resistencia de Frenado Dinámico |
| PE / GND | Terminal de tierra de protección |
¡REGLA DE ORO DE SEGURIDAD! NUNCA conecte la alimentación eléctrica de la red a las terminales U, V, W. Esto destruirá la etapa inversora del variador de forma instantánea.
Conexión de la alimentación eléctrica
- Se debe instalar un interruptor termomagnético y/o fusibles ultrasónicos en la línea de entrada.
- Es recomendable colocar un contactor principal antes del VFD para poder desenergizar el equipo en caso de emergencia.
Conexión entre el variador y el motor
- Usar cable apantallado/blindado para evitar interferencias electromagnéticas (EMI).
- Procurar que la longitud del cable sea la mínima posible. Para distancias largas (más de 50-100 metros), se deben instalar reactancias de salida o filtros dV/dt para proteger el aislamiento del motor.
Entradas y salidas digitales
- Entradas Digitales (DI): Reciben señales de tipo "On/Off" (normalmente 24V DC). Ejemplos: Marcha/Parada (Run/Stop), Marcha Inversa (Forward/Reverse), Reset de fallas, Velocidades preseleccionadas.
- Salidas Digitales / Relé (DO / RO): Contactos secos o transistorizados para señalizar estados al exterior. Ejemplos: "Variador listo", "En funcionamiento", "Falla activa".
Entradas y salidas analógicas
- Entradas Analógicas (AI): Reciben señales continuas para variar la velocidad. Estándares: 0-10 VDC o 4-20 mA. Ejemplos: Potenciómetro externo, sensor de presión.
- Salidas Analógicas (AO): Copian variables internas del variador a escala. Estándares: 0-10 V o 4-20 mA. Ejemplos: Medidor externo de frecuencia actual o corriente consumida.
Puesta a tierra, protecciones y cableado seguro
- Conectar a tierra el gabinete del VFD, la pantalla del cable blindado y la carcasa del motor en un único punto central (configuración en estrella).
- Separar físicamente en canalizaciones distintas los cables de potencia (L1, L2, L3, U, V, W) de los cables de control y señales analógicas para evitar inducción de ruidos.
MÓDULO 5: PROGRAMACIÓN Y CONFIGURACIÓN BÁSICA
Manejo del teclado y pantalla del variador
La mayoría de los teclados (HMI) cuentan con:
- Pantalla: Muestra parámetros, valores y códigos de error.
- Teclas de navegación: Flechas arriba/abajo para cambiar datos; ENTER/DATA para guardar.
- Teclas de comando directas: RUN (Marcha), STOP/RESET (Parada/Restablecer).
Ingreso de los datos de placa del motor
Pasos indispensables antes de poner a girar el motor:
- Definir Tensión nominal (V).
- Definir Corriente nominal (A).
- Definir Frecuencia base (Hz).
- Definir Velocidad nominal (RPM).
- Definir Potencia nominal (kW / HP).
Configuración de frecuencia mínima y máxima
- Frecuencia Máxima (Fmax): Límite superior de operación (habitualmente 50 Hz o 60 Hz).
- Frecuencia Mínima (Fmin): Límite inferior. Evita que el motor trabaje a velocidades tan bajas donde pierda su capacidad de autoventilación.
Rampas de aceleración y desaceleración
- Tiempo de Aceleración: Segundos que tarda el VFD en llevar el motor desde 0 Hz hasta la frecuencia máxima.
- Tiempo de Desaceleración: Segundos que tarda en frenar el motor desde la frecuencia máxima hasta 0 Hz.
Frecuencia (Hz)
▲
Fmax │ ┌──────────────────────┐
│ / \
│ / \
│ / \
0Hz └───────┴────────────────────────────┴────────► Tiempo (s)
│ <────> <────>
│ Rampa Aceleración Rampa Desaceleración
Modos de arranque, parada y sentido de giro
- Referencia de Comando (Run Source): Define QUIÉN ordena la marcha (Teclado, Bornas de control o Red de comunicación).
- Referencia de Frecuencia (Ref Source): Define QUIÉN decide la velocidad (Teclado, Potenciómetro o Entrada 4-20 mA).
- Modos de Parada: Parada por rampa (frenado controlado) o Parada por inercia (Free run / Coast to stop).
Restablecimiento, autotuning y prueba inicial
- Reset a Parámetros de Fábrica: Limpia configuraciones erróneas previas.
- Autotuning (Autoajuste): Función del VFD que mide estática o dinámicamente la resistencia y la inductancia del motor para optimizar el modelo de control vectorial.
- Prueba en vacío: Probar el giro inicial sin carga mecánica para verificar el sentido de rotación correcto.
MÓDULO 6: CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL
Control local y control remoto
- Modo Local: El VFD es operado manualmente desde las teclas del propio panel frontal.
- Modo Remoto: El VFD responde a señales cableadas externas o comandos por red de comunicación enviados desde una consola o tablero PLC.
Control mediante pulsadores y selectores
A través de las entradas digitales, utilizando esquemas de control clásicos:
- Control a 2 Hilos: Un interruptor selector mantiene la marcha mientras permanezca cerrado.
- Control a 3 Hilos: Se utilizan pulsadores de pulso instantáneo: un botón de Marcha (NA) y un botón de Parada (NC) con memoria interna digital.
Regulación de velocidad con potenciómetro
Se conecta un potenciómetro externo (típicamente de 1 kΩ a 10 kΩ) a la bornera analógica:
- Extremo 1 a la fuente interna de 10 VDC.
- Extremo 2 a 0 V (GND).
- Punto medio (cursor) a la Entrada Analógica (AI1).
Control desde PLC
Un Controlador Lógico Programable (PLC) puede gobernar un VFD mediante:
- Señales discretas y analógicas: El PLC activa salidas de relé para arrancar/parar y envía una señal de 4-20 mA para definir la velocidad.
- Bus de campo (Red Industrial): Intercambio de variables completas a través de un único cable de datos.
Comunicación Modbus y redes industriales
El control mediante protocolos de red (ej. Modbus RTU, Profinet, Ethernet/IP) simplifica radicalmente el cableado.
- Permite leer: Estado operativo, corriente consumida, torque, potencia y códigos de falla exactos.
- Permite escribir: Comandos de marcha, velocidad requerida y límites operativos.
Configuración del control PID integrado
La mayoría de los VFD modernos incorporan un Controlador PID interno:
- Proceso: El usuario fija un valor deseado (Setpoint, ej: 4 bar de presión).
- El VFD lee la presión real del sistema a través de un transmisor conectado a la Entrada Analógica (Feedback).
- El PID ajusta automáticamente la velocidad del motor en tiempo real para corregir el error sin intervención humana.
MÓDULO 7: APLICACIONES INDUSTRIALES
Control de bombas centrífugas
Régimen de par variable. Al reducir la velocidad del motor, el caudal disminuye de forma proporcional, pero la potencia consumida cae al cubo de la velocidad (Leyes de Afinidad):
P ∝ N³
Reducir la velocidad un 20% reduce el consumo de energía en casi un 50%.
Control de ventiladores y extractores
Al igual que las bombas centrífugas, obedecen a leyes cuadráticas de par.
Beneficio extra: Permite implementar secuencias de limpieza de ductos o inversión de marcha para extracción de humo en emergencias.
Aplicación en bandas transportadoras
Régimen de par constante. Requiere torque elevado desde la arrancada.
El VFD asegura una aceleración suave que evita que el producto transportado se caiga o se golpee. Permite coordinar la velocidad de múltiples bandas en línea.
Aplicación en compresores, mezcladores y agitadores
- Compresores de pistón/tornillo: Requieren alto par de arranque.
- Mezcladores: El VFD compensa las variaciones de viscosidad del producto manteniendo la velocidad adecuada o protegiendo el motor por sobre-torque si el fluido se consolida.
Frenado, ahorro energético y operación multivelocidad
- Frenado por Inyección de CC: Aplica corriente continua al estator para detener el motor rápidamente.
- Frenado Dinámico: Disipa la energía regenerada en una resistencia de frenado externa cuando la carga empuja al motor (ej: bajando un montacargas).
- Velocidades Preseleccionadas: Configuración de frecuencias fijas que se activan combinando entradas digitales.
MÓDULO 8: FALLAS, DIAGNÓSTICO Y MANTENIMIENTO
Alarmas y códigos de falla más comunes
| Código Común |
Significado |
Causa Principal Probable |
| OC (Overcurrent) |
Sobrecorriente |
Aceleración muy rápida, cortocircuito, atasco mecánico. |
| OV (Overvoltage) |
Sobretensión en Bus DC |
Desaceleración muy rápida, energía regenerativa devuelta. |
| UV (Undervoltage) |
Baja Tensión en Bus DC |
Caída de voltaje en la red de entrada, fallo de fase. |
| OH (Overheat) |
Sobretemperatura |
Disipador sucio, ventilador interno averiado, sobrecarga. |
| OL (Overload) |
Sobrecarga de Motor/VFD |
Operación prolongada por encima de la corriente nominal. |
Diagnóstico de sobrecorriente, sobretensión y baja tensión
- Sobrecorriente (OC): Extender el tiempo de aceleración, revisar el aislamiento del motor con un megóhmetro, comprobar que el eje no esté bloqueado.
- Sobretensión (OV): Aumentar el tiempo de desaceleración o activar la función de detención de rampa por sobretensión; si la carga es inercial, instalar una resistencia de frenado.
- Baja Tensión (UV): Medir la tensión de la red eléctrica en los bornes L1, L2, L3 mientras el motor está en carga.
Sobretemperatura, sobrecarga y fallas de motor
- Sobretemperatura del VFD: Limpiar los filtros de aire del gabinete y verificar que el ventilador propio del variador gire correctamente.
- Falla a Tierra (GF / Ground Fault): Pérdida de aislamiento en el bobinado del motor o cable dañado en la canalización.
Mediciones, mantenimiento preventivo y seguridad
- Seguridad: Esperar siempre entre 5 y 10 minutos tras desconectar la alimentación y medir la tensión continua en el Bus DC (+ / -) con un multímetro hasta confirmar que bajó a un nivel seguro (< 50 VDC) antes de manipular las conexiones.
- Mantenimiento: Soplado de polvo seco, reajuste de tornillos de torque en bornas eléctricas (las vibraciones las aflojan) y verificación visual de capacitores inflamados.
Caso práctico, checklist de puesta en marcha y cierre
┌────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ CHECKLIST DE PUESTA EN MARCHA (VFD) │
├────────────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ [ ] 1. VERIFICACIÓN FÍSICA Y VISUAL │
│ • Voltaje de red adecuado para el variador. │
│ • Aislamiento y calibre de cables correctos. │
│ • Conexión firme a tierra en motor y gabinete. │
│ │
│ [ ] 2. VERIFICACIÓN DE CABLEADO DE POTENCIA │
│ • Alimentación en L1, L2, L3. NO en U, V, W. │
│ • Motor conectado en U, V, W. │
│ │
│ [ ] 3. PRIMER ENCENDIDO (SIN MOTOR CONECTADO / SIN CARGA) │
│ • Pantalla enciende sin alarmas. │
│ • Cargar datos de la placa del motor en los parámetros. │
│ • Fijar rampas de aceleración y desaceleración iniciales. │
│ │
│ [ ] 4. PRUEBA CON MOTOR DESACOPADO DE LA CARGA │
│ • Ejecutar Autotuning si el modo es vectorial. │
│ • Dar orden de marcha en baja velocidad (ej: 10 Hz). │
│ • Verificar el sentido de giro correcto. │
│ │
│ [ ] 5. PRUEBA CON CARGA Y AJUSTE FINAL │
│ • Acoplar la carga mecánica. │
│ • Probar rampa completa hasta la frecuencia máxima. │
│ • Medir corriente de salida con pinza amperimétrica. │
└────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘