¿QUE ES LA ALTA FRECUENCIA?

La alta frecuencia es un término usado para describir un tipo de corriente eléctrica, es decir una corriente (Amperios) con una mayor frecuencia que la estándar de 50 Hz que encontramos en el suministro de corriente monofásica y trifásica. En nuestro caso, esta alta frecuencia se usa para girar un motor asincrónico a velocidades mayores que la normal.

Para aquellos interesados en profundizar mas en detalle sobre el funcionamiento de los motores trifásicos y los motores asincrónicos les recomendamos la lectura de “Basic Motor Theory” que se encuentra en: "http://www.reliance.com/mtr/mtrthrmn.htm"

La corriente normal tiene una frecuencia de 50 o 60Hz. 50 HZ = 50 ciclos por segundo.
Alta frecuencia, en nuestro caso, tiene un máximo de 440 Hz = 440 ciclos por segundo.
Alta frecuencia, usada por algunos de nuestros competidores 1000 Hz = 1000 ciclos por segundo.

En el grafico superior se representa el voltaje en un eje y el tiempo en el otro.
Si hay 50 ondas por segundo, la frecuencia es de 50 Hz.
Si hay 440 ondas por segundo, la frecuencia es de 440 Hz.
Si hay1000 ondas por segundo, la frecuencia es de 1000 Hz.
Debajo mostramos una representación visual de una corriente alterna trifásica.

¿Por qué usar una mayor frecuencia que los 50 Hz?

La razón por la que queremos usar una mayor frecuencia que los 50 Hz es porque queremos que los motores giren a mayor velocidad que los motores estándar.

Mayor Frecuencia (Hz) = Mayor Velocidad (rpm) = Mayor Potencia (kW)

Un motor eléctrico asincrónico trifásico de un determinado tamaño puede producir una mayor potencia de salida si su velocidad de rotación se aumenta. Para conseguir que el motor gire más rápidamente, el campo magnético debe también girar más rápidamente y esto se consigue incrementando la frecuencia de la corriente.

La mayoría de los motores asincrónicos trifásicos se parecen en el interior de su carcasa. Aquí debajo mostramos la imagen de un stator y un rotor de alta frecuencia. En la foto pueden apreciar que la parte final del rotor es de cobre. Este tipo de rotor es de fabricación manual y se llama “copper squirrel cage type rotor”. Este tipo de rotor es un 30 – 35% más eficiente que los convencionales.

Un motor eléctrico puede producir un cierto par de potencia a una velocidad y esto depende principalmente del número de polos del motor y de la frecuencia con la que gira. En nuestro caso usamos un motor de 4-polos.

Si el par de un motor se mantiene constante, la potencia se vera incrementada proporcionalmente al incremento de la frecuencia. Si doblamos la frecuencia, la velocidad del motor se vera aumentada al doble y con un par constante, la potencia se vera incrementada al doble.

La potencia es proporcional a la velocidad:

P = M x n
        9550

P = potencia en kW
M = Par en Nm
n = velocidad de rotación en revoluciones por minuto.
9550 = constante

Ejemplo para un sistema de 50 Hz y un motor de 4-polos, la velocidad de rotación del motor es n = 1.450 rpm:

P = 11 Nm x 1450 rpm = 1.67 kW
    9550

Ejemplo para un sistema de 440 Hz y un motor de 4-polos, la velocidad de rotación del motor es n = 13.000 rpm:

P = 11 Nm x 13000 rpm = 15 kW
    9550

Ejemplo para un sistema de 1000 Hz y un motor de 4-polos, la velocidad de rotación del motor es n = 29.000 rpm:

P = 11 Nm x 29000 rpm = 33.4 kW
    9550

¿Cual es la ventaja de los 440Hz frente a los 1000Hz?

Como explicado anteriormente, si duplicamos la velocidad de rotación de un motor y el par se mantiene constante, la potencia de salida del motor se duplica. Por tanto, en teoría, con una mayor frecuencia, el motor será más pequeño y más ligero para obtener la misma potencia de salida.
Pero para todo existe un tamaño práctico y hemos buscado una mayor fiabilidad que una optimización del peso para un ratio de potencia. En contraste con la mayoría de los otros fabricantes, hemos elegido trabajar con 400 Hz como nuestra frecuencia base. Esta es un estándar de la industria como por ejemplo los centros de control numérico. Un motor de 4-polos a 400 Hz de corriente girará a una velocidad nominal de 12 000 rpm. Un motor de 4-polos a 1000 Hz de corriente girará a una velocidad nominal de 30 000 rpm.

Principios razonables

Como preferimos basar nuestros diseños en principios razonables, los motores de 1000 Hz nunca fueron una opción. Conseguir que los rodamientos sobrevivan en un entorno tan duro no es fácil y puede causar a nuestros clientes problemas a plazo largo. Nuestros motores trabajan a una frecuencia base de 400 Hz y pueden llegar a los 440 Hz como máximo. Por eso podemos aumentar la vida de los rodamientos y evitar frecuentes mantenimientos.
Hacer funcionar un motor a 1000 Hz es la forma barata de conseguir un relativo potente motor con un peso reducido. Pero existen demasiados inconvenientes con este sistema. Al hacer funcionar nuestros motores a 12 000 rpm estamos penalizados con un peso mayor, pero puede ser compensado usando una mayor calidad en los componentes, es decir con un rotor de jaula de almacenamiento de cobre. Este tipo de rotor ofrece alrededor de un 30% más de potencia de salida que los rotores de fundición de aluminio, aunque más caros de fabricar. No obstante, pensamos que es la mejor opción, dado que la fiabilidad es un factor muy importante.

Rotación del campo magnético

En un motor asincrónico de trifásico el campo magnético gira a una cierta velocidad. No obstante estos motores tiene un cierto desfase, por lo que la rotación del rotor no esta sincronizada con la velocidad de rotación del campo magnético. Por ello se llaman asincrónicos y no sincrónicos.

¿Porque un sistema de alta frecuencia es mas eficiente que un sistema hidráulico?

Una de las mas evidentes ventajas de la alta frecuencia frente al sistema hidráulico es que para un mismo tamaño de fusible, se obtiene una potencia considerablemente mayor en el eje del disco.

Ejemplo de eficiencia del sistema hidráulico:

Motor eléctrico, potencia de entrada: 21 kW
Motor eléctrico potencia de salida: 20 kW
Amperaje arranque @ 20 kW: 38.5 Amp
Tamaño del fusible: Mínimo 25 Amp
Eficacia del motor eléctrico: 96%
Eficacia de la bomba hidráulica: 86%
Eficacia del motor hidráulico: 86%
Eficacia de los circuitos hidráulicos, mangueras, conectores, filtros, etc: 93%
Eficacia general de las transmisiones mecánicas del sistema: 92%
La eficacia general media puede calcularse en una forma simplificada multiplicando los componentes individuales de eficacia:
0.96 x 0.86 x 0.86 x 0.93 x 0.92 = 0.63 = 63%
Potencia mecánica en kW en el eje del disco: 0.63 x 21 kW = 13.3 kW
Esto significa quede los 21 Kw de potencia iniciales, solo 13,3 Kw están disponibles en el eje del disco para realizar el trabajo de corte.

Eficacia del sistema de Alta Frecuencia:

Mientras un sistema hidráulico ofrece una eficacia general de alrededor del 60% cuando es nuevo, el sistema de alta frecuencia ofrece del 80 al 85% de eficacia general durante toda la vida del equipo.
Las dimensiones reducidas del equipo son otra de las obvias ventajas del sistema. El convertidor de frecuencia es también considerablemente mas ligero.
Para obtener un rendimiento equivalente a los 20 Kw del sistema hidráulico descrito anteriormente un sistema de Alta Frecuencia solo necesita un fusible de 20 Amp.

Función del convertidor de frecuencia

La función principal del convertidor de frecuencia Pentpak es suministrar una corriente de frecuencia variable al motor de alta frecuencia. La corriente de alimentación del convertidor es trifásica, 380 - 500V, 50 – 60 Hz.

Input = 50 – 60 Hz Output = 330 – 440 Hz

Simplificando mucho los temas, se puede decir que un convertidor de frecuencias primero rectifica la corriente trifásica convirtiéndola en corriente continua, y luego construye una onda sinusoidal con la frecuencia deseada indicando a un modulo de potencia la frecuencia y el voltaje que quiere obtener. Las señales salen de un microprocesador, controladas por un software, para la creación de las ondas sinusoidales. A mayor número de pulsos de voltaje por ciclo, mejor onda sinusoidal. Con menor número de pulsos, peor se consigue, con la creación de ondas armónicas que deben ser filtradas para evitar las excesivas interferencias electromagnéticas.

La onda sinusoidal esta compuesta por “Bloques de construcción” que representan un cierto voltaje durante un cierto tiempo, controlando los diversos parámetros involucrados, una corriente con las características deseadas puede ser creada. Uno de los problemas con esta tecnología es que las no perfectas ondas puede generar interferencias en la red. Por ello un filtro debe ser diseñado a medida en la aplicación en cuestión, este filtro aislara la interferencia lo mejor posible.

Mientras un sistema hidráulico permite una reacción durante el corte, el sistema de HF es mucho más sensible. Cuando un disco es bloqueado repentinamente en un corte, el convertidor de frecuencia se parara y deberá reiniciarse poniendo en marcha el motor del disco. Con una maquina hidráulica el operario solo tiene que invertir la dirección de corte y el disco vuelve a girar. Aunque el disco se bloquee de forma abrupta el grupo hidráulico no se para y el operario puede tener tiempo de parar el corte y de sacarlo sin tener que reiniciar el sistema. Por ello el control del sistema de HF es automático, no dependiendo de la reacción del operario.