Variador de freqüència: què és, com funciona i per a què serveix
Un variador de freqüència controla la velocitat i el parell d’un motor de corrent altern ajustant la freqüència i la tensió de sortida. Serveix per adaptar el motor al procés, regular bombes i ventiladors, suavitzar arrencades i millorar el control de la instal·lació.
Què fa un variador de freqüència en un motor elèctric?
Un variador de freqüència és un dispositiu electrònic de potència que se situa entre la xarxa i el motor. Rep corrent altern a una freqüència fixa, el transforma internament i genera una nova sortida de corrent altern amb la freqüència i la tensió necessàries per controlar la velocitat, el parell, l’acceleració i la desacceleració.
En un motor d’inducció, la freqüència determina la velocitat del camp magnètic giratori. El variador també gestiona la tensió, el flux i el corrent per generar el parell que demana la càrrega. Per això no és només un regulador de revolucions: és un convertidor de potència, un controlador del motor i un punt d’integració amb PLC, sensors i xarxes industrials.
També el trobaràs com a VFD (Variable Frequency Drive), variador de velocitat, VSD, convertidor de freqüència o AC drive. En l’ús industrial habitual, aquests termes solen descriure accionaments electrònics per controlar motors de corrent altern.
Què és un variador de freqüència i què controla?
És un equip electrònic de potència que modifica la freqüència i la tensió aplicades a un motor de corrent altern. Així pot adaptar-ne la velocitat, el parell i les rampes de moviment a la demanda real de la màquina o del procés.
Controla l’alimentació del motor, no només les revolucions
La consigna pot venir d’un teclat, un potenciòmetre, un PLC, una entrada analògica, una xarxa industrial o un regulador intern que utilitza sensors del procés.
Tensió i freqüència de subministrament pràcticament fixes.
Rectifica, filtra, commuta, calcula i protegeix dins de les funcions previstes pel fabricant.
Velocitat, parell o variable de procés adaptats a la demanda.
Com funciona un variador de freqüència: rectificador, bus de CC i inversor
La configuració més habitual converteix primer l’entrada de corrent altern en corrent continu, estabilitza aquesta energia en un circuit intermedi i després la reconverteix en una sortida alterna controlada mitjançant semiconductors de potència.
Quatre etapes que treballen de manera coordinada
El diagrama és conceptual. La topologia exacta, els components i les funcions varien segons el fabricant, la potència, la tensió i si el variador és regeneratiu o de baixos harmònics.
- RectificacióTransforma l’entrada de CA en una tensió de CC.
- Circuit intermediCondiciona i emmagatzema temporalment energia.
- InversióCommutació electrònica per sintetitzar la sortida al motor.
- ControlExecuta l’algoritme, les rampes, els límits i la comunicació.
Alimentació disponible per al variador.
Converteix la CA d’entrada en CC.
Capacitors i, segons el disseny, inductàncies per estabilitzar el circuit.
Semiconductors que generen la sortida trifàsica controlada.
L’inversor commuta milers de vegades per segon
En molts variadors, transistors de potència —habitualment IGBT en nombroses gammes convencionals— connecten les fases del motor al bus de corrent continu seguint una estratègia de modulació. L’amplada i la seqüència dels polsos determinen la tensió i la freqüència equivalents.
Sobre aquesta etapa de potència treballen algoritmes com el control escalar V/f, el control vectorial o altres estratègies pròpies del fabricant. La selecció depèn de la precisió de velocitat, la resposta de parell, el tipus de motor i la dinàmica necessària.
Com regula la velocitat i el parell d’un motor elèctric?
La velocitat síncrona d’un motor de corrent altern depèn directament de la freqüència elèctrica i del nombre de pols. En un motor d’inducció, el rotor gira una mica per sota d’aquesta velocitat a causa del lliscament.
Freqüència, pols i revolucions
La fórmula dona la velocitat del camp magnètic. La velocitat mecànica real d’un motor asíncron depèn del lliscament, que canvia amb la càrrega i amb el control aplicat.
ns = 120 · f / pns: rpm síncrones · f: Hz · p: nombre de pols| Pols | 50 Hz | 60 Hz |
|---|---|---|
| 2 | 3.000 rpm | 3.600 rpm |
| 4 | 1.500 rpm | 1.800 rpm |
| 6 | 1.000 rpm | 1.200 rpm |
| 8 | 750 rpm | 900 rpm |
Estima la velocitat del motor
Canvia la freqüència, el nombre de pols i un lliscament orientatiu. El resultat no substitueix les dades del motor ni la posada en servei.
El lliscament no és constant i el variador pot estimar-lo o compensar-lo segons l’algoritme. Els motors síncrons i de reluctància segueixen altres consideracions de control.
Per a què serveix un variador de freqüència? Funcions i avantatges
La funció principal és adaptar el motor a allò que necessita el procés en cada moment. Això permet regular velocitat, parell, cabal o pressió, reduir esforços mecànics, automatitzar seqüències i evitar consum innecessari quan la càrrega no requereix treballar a plena velocitat.
Regular velocitat i producció
Permet variar revolucions, cabal, pressió, ritme de transport, dosificació o velocitat lineal sense recórrer només a vàlvules, comportes, reductors o altres elements mecànics.
Controlar el parell
Pot limitar o governar el parell del motor per adaptar-lo a acceleracions, càrregues variables, tensió de materials, extrusió, elevació o processos amb risc d’embús.
Arrencar i parar amb rampes
Redueix canvis bruscos de velocitat i pot limitar els pics de corrent i els esforços associats a una arrencada directa. En bombes, una rampa ben configurada també pot ajudar a reduir transitoris hidràulics.
Mantenir una consigna
Molts equips incorporen regulació PID per mantenir pressió, cabal, nivell, temperatura o una altra variable a partir del senyal d’un sensor.
Integrar-se amb l’automatització
Entrades i sortides, comunicacions industrials, diagnòstic, alarmes, registres i monitoratge permeten coordinar el motor amb PLC, BMS, SCADA o sistemes de manteniment.
Reduir treball innecessari
Quan el procés no necessita el 100% de velocitat, el variador pot reduir l’energia entregada al motor. El potencial és especialment rellevant en bombes i ventiladors centrífugs que treballen moltes hores a càrrega parcial.
Un variador no garanteix per si sol estalvi, seguretat funcional, protecció completa del motor, eliminació del manteniment ni compatibilitat amb qualsevol motor. Les funcions disponibles, els límits i les mesures externes depenen del model i del projecte.
Aplicacions dels variadors de freqüència i tipus de càrrega
Per seleccionar correctament un variador cal saber com varia el parell resistent amb la velocitat. Dos motors amb la mateixa potència nominal poden necessitar accionaments diferents si mouen un ventilador, una cinta transportadora, una extrusora, una bomba o un bobinador.
Bombes i ventiladors centrífugs
El parell creix aproximadament amb el quadrat de la velocitat i la potència amb el cub, dins de les condicions de similitud. Són les aplicacions amb el potencial energètic més conegut.
- Ventilació i climatització
- Bombament d’aigua
- Torres de refrigeració
- Alguns compressors centrífugs
Transport, mescla i procés
La càrrega demana un parell semblant en un rang ampli de velocitat. La potència varia aproximadament de manera lineal amb la velocitat i la selecció s’ha de fer amb especial atenció al corrent i a la sobrecàrrega.
- Cintes transportadores
- Mescladores i extrusores
- Bombes de desplaçament positiu
- Compressors alternatius o rotatius segons el procés
Bobinatge i determinades màquines
Quan la velocitat augmenta, el parell necessari disminueix per mantenir una potència aproximadament constant. Sovint s’utilitza la zona de debilitament de camp.
- Bobinadors i desbobinadors
- Alguns eixos de màquina eina
- Processos amb tensió de material
- Aplicacions de tracció específiques
Variador de freqüència o arrencador suau: quina solució convé?
No són solucions equivalents. La decisió depèn de si cal regular la velocitat durant el funcionament, limitar el corrent d’arrencada, controlar el parell, frenar, estalviar energia o simplement posar el motor a velocitat nominal.
| Criteri | Arrencada directa | Estrella-triangle | Arrencador suau | Variador de freqüència |
|---|---|---|---|---|
| Velocitat durant el funcionament | Fixa | Fixa | Normalment fixa | Regulable |
| Control de l’arrencada | Brusc | Reducció esglaonada | Rampa de tensió o parell | Rampa de freqüència, tensió i control |
| Corrent d’arrencada | Elevat | Reduït respecte a directa | Limitable | Controlat segons disseny i càrrega |
| Control de parell | No | Molt limitat | Durant arrencada/parada segons model | Durant tot el cicle |
| Potencial d’estalvi per reducció de velocitat | No | No | No quan queda en bypass a plena velocitat | Sí, si el procés ho permet |
| Complexitat i cost inicial | Mínims | Baixos | Mitjans | Més elevats |
| Aplicació típica | Motor petit o procés simple a velocitat fixa | Motor compatible a velocitat fixa | Velocitat fixa amb arrencada i parada suaus | Velocitat variable, control de procés o parell |
La taula és conceptual. El comportament real depèn del motor, la càrrega, la xarxa, les proteccions, la configuració i el dispositiu concret. En moltes aplicacions de velocitat plena, un arrencador suau pot ser una solució més simple que un variador.
Com seleccionar un variador de freqüència pas a pas
Els kW són només el començament. El dimensionament s’ha de basar en la intensitat del motor, la tensió, la càrrega, la sobrecàrrega, les condicions ambientals, el rang de velocitat, la frenada, la compatibilitat electromagnètica i la integració de control.
Comença per la placa del motor i pel cicle real de la màquina
La intensitat nominal és un criteri decisiu perquè el variador ha de poder subministrar el corrent que necessita el motor en servei i durant les sobrecàrregues previstes.
Alimentació i tensió del motor
Comprova fases, tensió i freqüència de xarxa, tensió de sortida, connexió estrella/triangle i compatibilitat del motor. Un variador no eleva necessàriament la tensió disponible.
Intensitat i sobrecàrrega
Selecciona per intensitat admissible en el règim requerit. Diferencia servei normal o pesant i valida la durada i el percentatge de sobrecàrrega.
Tipus de càrrega
Ventilador o bomba centrífuga, parell constant, potència constant, elevació, alta inèrcia o càrrega regenerativa impliquen criteris diferents.
Rang de velocitat i refrigeració
A baixa velocitat, un motor autoventilat refrigera menys. Pot caldre reduir càrrega, incorporar ventilació independent o seleccionar un motor adequat.
Acceleració, inèrcia i frenada
Calcula el parell dinàmic i l’energia de frenada. Segons el cicle, pot caldre una resistència, un xopper, un bus de CC compartit o una solució regenerativa.
Ambient i envolupant
Temperatura, altitud, pols, humitat, corrosió, vibració, ventilació de l’armari i grau IP poden obligar a desclassificar o canviar el tipus de muntatge.
Cable, motor i filtres
La longitud del cable, l’aïllament del motor i la tensió poden fer necessaris filtres dV/dt, sinusoidals, de mode comú o mesures sobre els coixinets.
Control, comunicacions i seguretat
Defineix E/S, senyals, encoder, bus de camp, PID, STO o altres funcions. Verifica sempre el nivell i l’arquitectura de seguretat requerits per la màquina.
Dos motors de la mateixa potència poden tenir intensitats, velocitats, rendiments i demandes de parell diferents. A més, un variador pot tenir una intensitat distinta segons la classe de sobrecàrrega, la temperatura, l’altitud o la freqüència de commutació.
Com instal·lar un variador: refrigeració, EMC, harmònics i motor
Una bona selecció pot fallar si la instal·lació no respecta el manual. La disposició física, la posada a terra, el recorregut dels cables, la ventilació, les proteccions i els filtres formen part del sistema d’accionament.
Costat de xarxa
Entrada del variadorCostat de motor
Sortida PWMSeguretat elèctrica: el bus de corrent continu pot conservar tensió després de desconnectar
La instal·lació, posada en servei i manteniment han de ser realitzats per personal qualificat. Cal seguir el temps de descàrrega indicat pel fabricant, bloquejar les fonts d’energia, verificar l’absència de tensió i aplicar les normes de seguretat de la màquina i de la instal·lació. Aturar el motor des del teclat no equival a aïllar el variador de la xarxa.
Normativa i eficiència dels variadors de freqüència
A Europa, els variadors formen part del marc d’ecodisseny de motors i accionaments. A més, la sèrie IEC 61800 tracta aspectes com la definició del sistema d’accionament, la seguretat, la compatibilitat electromagnètica, la seguretat funcional i l’eficiència energètica.
El variador s’ha d’avaluar dins del conjunt
Un sistema d’accionament inclou la conversió de potència, el control, el motor, el cablejat i la màquina accionada. La conformitat d’un component no elimina la responsabilitat d’integrar correctament el conjunt.
Fonts oficials sobre definició i funcionament
ABB — What is a variable speed drive? Explica la posició del variador entre xarxa i motor i les etapes de rectificació, bus de CC i inversió.
Schneider Electric — Què és i com seleccionar un variador Resumeix la conversió CA–CC–CA i els criteris bàsics de selecció.
Fonts oficials sobre dimensionament, càrregues i frenada
ABB — Technical guide book Reuneix guies sobre accionaments, harmònics, dimensionament, corrents de coixinet, frenada i control de moviment.
ABB — Dimensioning of a drive system Desenvolupa la selecció del motor i del variador segons procés, parell, velocitat i corrent.
ABB — Power regeneration Descriu l’ús de variadors regeneratius en aplicacions de frenada cíclica o contínua.
Font oficial sobre càrregues i eficiència energètica
U.S. Department of Energy — Adjustable Speed Drive Part-Load Efficiency Explica les càrregues de parell variable i constant i la necessitat d’avaluar el cicle de treball.
Fonts oficials sobre normativa i compatibilitat
EUR-Lex — Reglament (UE) 2019/1781 Marc europeu d’ecodisseny per a motors elèctrics i variadors de velocitat.
IEC 61800-3:2022 Compatibilitat electromagnètica de sistemes d’accionament de velocitat ajustable.
IEC 61800-5-1:2022 Requisits de seguretat elèctrica, tèrmica i energètica.
IEC 61800-9-2:2023 Determinació i classificació de l’eficiència energètica dels sistemes d’accionament.
Preguntes freqüents sobre variadors de freqüència
Què és exactament un variador de freqüència?
És un convertidor electrònic de potència que se situa entre la xarxa i el motor i regula la freqüència i la tensió de sortida per controlar la velocitat, el parell, l’acceleració i la desacceleració.
VFD i VSD volen dir el mateix?
En l’ús industrial habitual per a motors de corrent altern, sovint s’utilitzen com a sinònims. Tècnicament, VSD és un terme més ampli per a qualsevol accionament de velocitat variable, mentre que VFD destaca la variació de freqüència.
Un variador sempre redueix la factura elèctrica?
No. Estalvia quan permet reduir treball que el procés no necessita. El potencial és molt elevat en moltes bombes i ventiladors centrífugs a càrrega parcial, però pot ser petit o nul en aplicacions que han de funcionar sempre a velocitat i càrrega plenes.
Què significa que una bomba segueix la llei cúbica?
En condicions ideals de similitud, el cabal varia amb la velocitat, la pressió amb el quadrat i la potència amb el cub. Per exemple, al 80% de velocitat la potència teòrica és aproximadament el 51,2%. La corba real del sistema pot canviar molt aquest resultat.
Quina diferència hi ha amb un arrencador suau?
L’arrencador suau regula principalment la tensió durant l’arrencada i, segons el model, la parada. Després normalment el motor queda a la freqüència de xarxa. El variador controla freqüència, tensió i moviment durant tot el funcionament.
Puc triar el variador només pels kW?
No és suficient. Cal revisar sobretot intensitat, tensió, tipus de càrrega, sobrecàrrega, velocitat, refrigeració, frenada, ambient, cable, motor, filtres i control.
Es pot fer funcionar un motor més ràpid que la seva velocitat nominal?
Alguns motors poden treballar per sobre de la freqüència base, però el parell disponible disminueix en debilitament de camp i s’han de respectar els límits mecànics, tèrmics, de coixinets i de la màquina accionada. No s’ha de fer sense validació del fabricant i del projecte.
Per què un motor es pot escalfar a baixa velocitat?
En un motor autoventilat, el ventilador de l’eix gira més lent i refrigera menys. Si la càrrega continua exigint molt parell, pot caldre limitar-la, utilitzar ventilació forçada o seleccionar un motor adequat per al servei.
Quan cal un filtre dV/dt o sinusoidal?
Depèn de la tensió, el motor, l’aïllament, la longitud i el tipus de cable, la freqüència de commutació i les indicacions del fabricant. Els cables llargs i els motors antics són situacions que mereixen una revisió específica.
Un variador substitueix totes les proteccions del motor?
No. Pot integrar models tèrmics, límits de corrent i alarmes, però la coordinació de proteccions, el seccionament, la seguretat de la màquina i els sensors necessaris s’han de definir en el projecte.