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Motor

Calculadora de Velocidad de Motor con VFD

Calcula la velocidad de un motor de inducción AC bajo control de variador de frecuencia (VFD). Ingresa polos, frecuencia de línea y de variador para obtener velocidad sincrónica, RPM real con deslizamiento y degradación de torque.

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Fórmula

ns=120⋅fP,n=ns⋅(1−s)n_s = \frac{120 \cdot f}{P}, \quad n = n_s \cdot (1 - s)
f— Drive output frequency (Hz)
P— Number of motor poles
n_s— Synchronous speed (RPM)
s— Slip (typically 0.02–0.05)
n— Actual rotor speed (RPM)

Cómo Funciona

Un variador de frecuencia (VFD) controla la velocidad del motor de inducción de corriente alterna variando la frecuencia y el voltaje de la fuente de alimentación. La velocidad síncrona de un motor de corriente alterna es n_s = 120 f/P, donde f es la frecuencia de suministro en Hz y P es el número de polos. La velocidad real del rotor es ligeramente inferior debido al deslizamiento: n = n_s (1-s), donde s es la relación de deslizamiento (normalmente del 2 al 5% en motores estándar a plena carga). Por debajo de la frecuencia base (nominal), los VFD funcionan en modo V/Hz constantes para mantener un flujo y un par nominal constantes. La relación voltaje/frecuencia permanece fija (por ejemplo, 460 V/60 Hz = 7,67 V/Hz), lo que evita la saturación del núcleo y, al mismo tiempo, mantiene la capacidad de torsión. Por encima de la frecuencia base, la tensión no puede aumentar más allá de lo nominal (límite del inversor), por lo que el motor entra en contacto con un campo debilitado: el par cae en 1/f mientras que la potencia permanece aproximadamente constante. Esto crea dos regiones operativas diferenciadas: par constante (de 0 a la velocidad base) y potencia constante (de la velocidad base al máximo). El calentamiento del motor es un problema a bajas velocidades porque el ventilador de refrigeración (montado en el eje) proporciona menos flujo de aire. Por debajo del 20 al 30% de la velocidad nominal, normalmente se requiere una refrigeración forzada externa o una reducción de potencia, según la parte 31 del NEMA MG1. La frecuencia portadora del VFD (conmutación PWM, normalmente de 2 a 16 kHz) afecta al calentamiento del motor, al ruido acústico y a la tensión del cable. Las frecuencias portadoras más altas reducen el ruido audible, pero aumentan las pérdidas de conmutación y las corrientes de los rodamientos.

Ejemplo Resuelto

Problema: Un motor de 4 polos y 60 Hz (placa de identificación de 1750 RPM) debe funcionar a 1300 RPM para una aplicación de transporte. Calcule la frecuencia de accionamiento requerida y verifique la disponibilidad de par.

Solución:

  1. Datos de la placa de identificación: P=4 polos, f_line=60 Hz, n_rated=1750 RPM
  2. Velocidad sincrónica a 60 Hz: n_s = 120 x 60/4 = 1800 RPM
  3. Deslizamiento nominal: s = (1800 - 1750)/1800 = 0,0278 (2,78%)
  4. Velocidad objetivo: 1300 RPM
  5. Velocidad síncrona requerida: n_s_target = 1300/ (1 - 0.0278) = 1337 RPM
  6. Frecuencia de accionamiento requerida: f_drive = n_s_target x P/120 = 1337 x 4/120 = 44,6 Hz
  7. Relación de velocidad: 1300/1750 = 0,743 (74,3% de la nominal)
  8. Comprobación de V/Hz: a 44,6 Hz, tensión = 460 x (44,6/60) = 342 V (región de par constante)
  9. Par disponible: 100% (por debajo de la velocidad base, mantenimiento constante de V/Hz)
  10. Potencia disponible: P = T x omega, por lo que P_avail = 100% x 74,3% = 74,3% de la potencia nominal
Verificación: el motor funciona en la región de par constante (f_drive < f_base), por lo que está disponible el par nominal completo. La refrigeración debería ser adecuada a una velocidad del 74,3% para la mayoría de los motores TEFC. Para un funcionamiento continuo por debajo del 50% de velocidad, considere la posibilidad de utilizar un ventilador de refrigeración externo.

Consejos Prácticos

  • ✓Número de polos del motor y velocidad base: 2 polos = 3600/3000 RPM (60/50 Hz), 4 polos = 1800/1500 RPM, 6 polos = 1200/1000 RPM, 8 polos = 900/750 RPM. La mayoría de las aplicaciones industriales utilizan motores de 4 polos (el mejor equilibrio entre velocidad, densidad de par y eficiencia). Para aplicaciones de transmisión directa a baja velocidad (mezcladoras, extrusoras), los motores de 6 u 8 polos evitan las pérdidas en la caja de cambios.
  • ✓El tiempo de aceleración/desaceleración del VFD afecta la corriente del motor y la tensión mecánica. Demasiado rápido = descarga por sobrecorriente o choque mecánico. Demasiado lento = sobrecalentamiento durante el arranque. Regla empírica: establezca el tiempo de aceleración en 2 a 5 segundos para las cargas del transportador o la bomba (baja inercia) y de 10 a 30 segundos para las cargas de alta inercia (ventiladores, volantes, centrífugas). Utilice la aceleración en forma de S para aplicaciones sensibles a las sacudidas (ascensores, movimientos de precisión).
  • ✓El ahorro de energía con los variadores de frecuencia en cargas centrífugas sigue las leyes de afinidad: potencia proporcional a la velocidad en cubos. Al reducir la velocidad de la bomba y el ventilador en un 20%, se ahorra un 49% de energía (0,8^3 = 0,51). Esto hace que los VFD sean extremadamente rentables para los ventiladores y bombas de HVAC que anteriormente utilizaban amortiguadores o válvulas reguladoras. Periodo de amortización típico: de 6 a 18 meses.
  • ✓Grupos de parámetros de VFD comunes para configurar: (1) datos de la placa de identificación del motor (voltaje, corriente, frecuencia, RPM, potencia); (2) rampas de aceleración/decel; (3) límites de frecuencia mínima/máxima (normalmente de 5 a 60 Hz para motores estándar); (4) patrón de V/Hz o ajuste automático para el control vectorial; (5) umbrales de falla (sobrecorriente, sobretensión, sobretemperatura). Ejecute siempre el ajuste automático con el motor conectado para los variadores en modo vectorial para medir la resistencia, la inductancia y la constante de flujo del estator.

Errores Comunes

  • ✗Hacer funcionar un motor TEFC estándar a baja velocidad sin refrigeración externa. El ventilador montado en el eje proporciona un flujo de aire proporcional a la velocidad. Por debajo del 20 al 30% de la velocidad nominal, la calefacción interna puede superar los límites térmicos. La parte 31 del NEMA MG1 especifica un rango de velocidad de 1000:1 para los motores que funcionan con inversor (con refrigeración forzada), pero solo de 10:1 para los motores estándar sin reducción de potencia. Reduzca siempre el par por debajo de 15 Hz en los motores estándar o añada un ventilador externo.
  • ✗Suponiendo que haya un par constante disponible por encima de la frecuencia base. Por encima de la velocidad base (frecuencia de accionamiento > frecuencia de línea), el VFD no puede aumentar aún más la tensión, por lo que el flujo magnético se debilita. El par cae cuando f_base/f_drive. Un motor que funciona a 90 Hz sobre una base de 60 Hz solo tiene un 67% de par disponible. Se trata de la región de «debilitamiento de campo» o de «potencia constante» y solo es adecuada para cargas con un par decreciente a velocidades más altas (ventiladores, bombas centrífugas).
  • ✗Ignorar la variación de deslizamiento con la carga. El deslizamiento no es constante; varía desde casi cero en vacío hasta un deslizamiento nominal con el par a plena carga. La calculadora utiliza el deslizamiento nominal para estimar la velocidad en el peor de los casos, pero la velocidad real con carga parcial será mayor. Para aplicaciones de control de velocidad de precisión (CNC, bobinado, posicionamiento), utilice un VFD con retroalimentación de codificador (control vectorial de bucle cerrado) en lugar de V/Hz de bucle abierto.
  • ✗Utilizar cables de motor excesivamente largos con un VFD. La conmutación PWM crea reflexiones de tensión en los cables, lo que puede duplicar la tensión en los terminales del motor en cables de más de 30 m (en una portadora típica de 4 a 8 kHz). Esto daña el aislamiento del motor (los motores estándar pueden soportar un pico de 1000 V; las reflexiones del VFD pueden alcanzar más de 1600 V). Utilice motores con función de inversor (NEMA MG1, parte 31, potencia máxima de 1600 V) o instale reactores de salida o filtros DV/DT para tendidos de cable que superen las recomendaciones del fabricante del VFD.

Preguntas Frecuentes

Sí, pero con un par reducido. Por encima de la frecuencia base (Hz de la placa de identificación), el variador de frecuencia no puede aumentar la tensión por encima de la nominal, por lo que el motor entra en contacto con el campo debilitado. El par cae inversamente con la frecuencia: con una velocidad base 2 veces mayor, solo está disponible un par del 50%. La potencia permanece aproximadamente constante (p=T*omega). Esto es adecuado para cargas centrífugas (ventiladores, bombas) en las que el par disminuye naturalmente con la velocidad, o para mecanizar husillos que necesitan una alta velocidad para el acabado. La sobrevelocidad máxima suele ser el doble de la base para los motores estándar; además, la vida útil de los rodamientos y el equilibrio del rotor se convierten en problemas. Verifique los límites de velocidad del fabricante del motor.
V/Hz (control escalar) mantiene una relación tensión/frecuencia constante para un control de velocidad sencillo sin retroalimentación. Es adecuado para bombas, ventiladores y transportadores en los que una precisión de velocidad de +/- 3% es suficiente. El control vectorial (FOC: control orientado al campo) controla de forma independiente las corrientes generadoras de par y flujo, lo que proporciona un par nominal completo a velocidad cero, una respuesta dinámica más rápida y una precisión de velocidad de +/ -0,01% con la retroalimentación del codificador. El vector sin sensor (sin codificador) proporciona una precisión de +/ -0,5%. Utilice V/Hz para cargas simples; utilice el vector para grúas, montacargas, bobinadoras, ascensores y máquinas CNC que requieran un control preciso del par y la velocidad.
Durante la aceleración, el motor consume corriente adicional para acumular energía cinética en la carga. Soluciones: (1) Aumentar el tiempo de aceleración (la solución más común); (2) utilizar el perfil de aceleración en forma de S; (3) activar la función de «límite de corriente» para ampliar automáticamente el tiempo de aceleración; (4) Ajusta el VFD un cuadro más grande para cargas de alta inercia; (5) Comprueba si hay ataduras mecánicas o sobrecargas. Nota: El límite de corriente del VFD suele ser del 150% durante 60 segundos y del 200% durante 3 segundos. Si la carga requiere un par de arranque superior al que puede ofrecer un VFD, considere utilizar un VFD mayor o hacer girar previamente la carga.
El deslizamiento en Hz (no en porcentaje) permanece aproximadamente constante en todo el rango de velocidades para una carga de par determinada. Con un par nominal: Slip_Hz = rated_slip_% x base_frequency/100. Para un motor de 4 polos y 60 Hz con un deslizamiento nominal del 3%: deslizamiento = 0,03 x 60 = 1,8 Hz (o 54 RPM). Este deslizamiento de 54 RPM permanece prácticamente constante tanto si funciona a 30 Hz como a 60 Hz. Sin embargo, el deslizamiento a medida que aumenta el porcentaje de la velocidad sincrónica a frecuencias más bajas: a 30 Hz, un deslizamiento de 1,8 Hz = un 6% (frente al 3% a 60 Hz). Esto significa que la precisión de la velocidad se degrada a bajas frecuencias, a menos que se utilice la retroalimentación del codificador.

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