Síguenos en:   logo facebook  logo twitter
Logotipo Desarrollos Digitales

Automatización + Control Industrial + RFID

Chat en Vivo










Skip Navigation LinksInicio > Soporte > Hojas Técnicas y Manuales > Variadores de Frecuencia                                      Imprimir Página        Enviar a un Amigo

............................................................................................................................................................................................

  

Ahorro de Energía usando Variadores de Frecuencia

 

Los variadores de frecuencia mejoran la eficiencia energética,
optimizan el rendimiento del motor y reducen los tiempos de inactividad
.

 

Este artículo aboga por el uso de variadores de frecuencia, que las instalaciones
industriales pueden utilizar para aumentar la eficiencia energética y ofrecer un
mayor control sobre sus procesos.

El retorno de inversión en la compra de variadores de velocidad suele ser de entre
12 a 18 meses, dependiendo de la utilización del motor.

 

 

Índice

  1 Síntesis

  2 Fundamentos del motor de CA

        2.1 Velocidad 

        2.2 Factor de Potencia 

  3 Entendiendo a los variadores de frecuencia

        3.1 Control de velocidad y par

        3.2 Menos estrés mecánico y menor consumo de corriente

  4 Ahorro de energía

        4.1 Optimización de sistemas de transportadores

        4.2 Mayor eficiencia en aplicaciones de bombeo

        4.3 Regeneración en centrífugas

  5 Más allá del ahorro de energía

 

 

Síntesis

•    Entender cómo los variadores de frecuencia trabajan para mejorar la eficiencia energética y optimizar el rendimiento del sistema.

•    Controlar la velocidad del motor y reducir el gasto energético.

•    los variadores de frecuencia impulsan el ahorro neto de energía y se recorta el tiempo de inactividad.

Existen dos limitaciones de diseño inherentes a los motores de inducción que se refieren a la eficiencia y al consumo de energía:

    Los motores están diseñados para funcionar a una velocidad determinada. Pueden ser muy eficientes operando a esta velocidad; sin embargo, su eficacia se reduce significativamente cuando se utilizan medios mecánicos o resistivos para variar la velocidad del motor.

    Debido a que los motores son en gran medida cargas inductivas, tienen un factor de potencia que es menor a uno.

El advenimiento de variadores de frecuencia en los años 1970 y 1980 proporcionó el primer método económicamente viable para eludir estas limitaciones. Con el uso de un variador de frecuencia, las instalaciones industriales pueden controlar la velocidad del motor y el factor de potencia proporcionando un mayor control de sus procesos. El retorno de la inversión para la compra de variadores de velocidad suele ser de entre 12 a 18 meses, dependiendo de la utilización del motor.

Fundamentos del motor de CA

Velocidad

La velocidad de un motor de inducción se rige por dos atributos: la frecuencia eléctrica y el número de polos. En México, un motor que está conectado directamente a la Compañía de Energía Eléctrica tendrá una frecuencia de excitación de 60 hercios (Hz). Con un motor de cuatro polos estándar, las revoluciones por minuto (rpm) son 1800, calculado con la siguiente fórmula:

 


El uso de un motor a su velocidad nominal resulta en un índice de eficiencia cerca a las especificaciones del fabricante. Sin embargo, se presentan situaciones en que un operador le gustaría cambiar la velocidad del motor. Por ejemplo, un operador de una bomba hidráulica instala una válvula de limitación de flujo para ser capaz de controlar el flujo de agua de la bomba. En este caso, el uso de la válvula es análoga a la conducción de un coche variando la velocidad del vehículo con el freno. En ambos casos - la conducción usando el freno para ajustar la velocidad y usando una válvula de limitación para limitar el flujo - resulta en un uso de energía ineficiente.

La eficiencia de un motor puede mantenerse a un máximo permitiéndolo girar a su velocidad nominal, la cual se determina con la ecuación anterior. Mediante el ajuste de la frecuencia de excitación suministrada al motor, la velocidad del motor puede ser controlada y cambiada, evitando al mismo tiempo el uso de una válvula o freno mecánico. Esto es precisamente lo que hace un variador de frecuencia.

 

Factor de potencia

Los motores operan mediante la utilización de campos magnéticos. Los detalles de cómo funciona esto no es tan importante como darse cuenta de lo que produce implica un campo magnético. Hay dos tipos de corriente que utiliza el motor: corriente del rotor y la intensidad de magnetización. El motor utiliza la corriente del rotor para producir par (torque). La corriente de magnetización es utilizada por el motor para crear los campos magnéticos. La relación entre la corriente magnetizante y la corriente total - que es la suma del rotor y las corrientes de magnetización - determina el factor de potencia del motor. La figura 2 muestra el circuito del motor. Las ecuaciones ponen de relieve la corriente a través del circuito (I1 es la corriente del estator, IM es la corriente de magnetización, e I2 es la corriente del rotor).

                                       

Figura 2. Circuito equivalente para un motor de inducción de CA

 

La Figura 3 representa la intensidad de los campos magnéticos dentro de un motor. Estos campos están cambiando constantemente, y cada motor utiliza corriente de magnetización para crearlos. Los caballos de fuerza (HP) del motor, su geometría, el material del que está hecho, y un número de otros factores determinan la cantidad de corriente de magnetización que se requiere para crear estos campos magnéticos.

Figura 3. Campos magnéticos en un motor

 

La Compañía de Energía Eléctrica tiene límites en la cantidad de corriente de magnetización que puede consumir un cliente. Si un cliente excede este límite, entonces la Compañía de Energía Eléctrica lo penalizará para que corrija el factor de potencia. Condensadores u otros sistemas de corrección de factor de potencia más avanzados pueden ser utilizados para mitigar la corriente de magnetización que se extrae de la Compañía de Energía Eléctrica.

Los variadores de frecuencia ayudan a eliminar la necesidad de condensadores. Cuando se utiliza una combinación de un variador de frecuencia y motor, el variador se instala entre el motor y la Compañía de Energía Eléctrica. Debido a que el factor de potencia del variador es típicamente no inferior al 98 por ciento, éste actúa como un amortiguador. Por lo tanto, la Compañía de Energía Eléctrica no será capaz de "ver" el bajo factor de potencia del motor, y no necesitarán ser instalados bancos de capacitores adicionales.

 

Entendiendo a los variadores de frecuencia

Los variadores de frecuencia constan de cuatro secciones principales: un rectificador de corriente directa (CC), un bus de CC, un inversor y un microprocesador. Energía trifásica o monofásica a partir de una fuente de corriente alterna a 60 Hz (AC) se alimenta a la entrada de la unidad. Un convertidor (o rectificador) de CA a CC convierte la corriente alterna en corriente directa; típicamente, se utiliza un rectificador de seis diodos para hacer esta conversión. Después de que esta energía se convierte, se almacena en el bus de CC. El bus de CC consta de condensadores, que mantienen el factor de potencia de la unidad cerca de uno y eliminan la necesidad de condensadores externos en los motores con bajo factor de potencia, según lo especificado por la Compañía de Energía Eléctrica.
El bus de CC se utiliza para regular o mantener una tensión continua constante y alimentar a la sección del inversor de la unidad. El inversor utiliza las capacidades de conmutación de los transistores bipolares de compuerta aislada (IGBT) para convertir la tensión de CC en impulsos, simulando una onda senoidal de CA. La frecuencia de salida y la tensión del motor se ajusta variando la duración de cada pulso del transistor IGBT; aquí es de donde el término Modulación de Anchura de Pulso (PWM Pulse Width Modulation) proviene.
Por último, el microprocesador (no mostrado en la figura 4) interpreta los comandos del usuario a través de un teclado, de terminales de entrada / salida, o protocolos de comunicación y regula la modulación de los IGBT. Un diagrama simplista de un variador de frecuencia de CA se muestra en la figura 4.

Figura 4. Configuración básica de un variador de frecuencia

Control de velocidad y par

Los variadores de frecuencia permiten a los usuarios ajustar la velocidad de los motores sin medios mecánicos adicionales. También proporcionan un par constante, manteniendo una velocidad constante  - incluso cuando la carga cambia. Una escalera eléctrica es un buen ejemplo de esta característica. Las escaleras eléctricas mantienen una velocidad constante; no importando si es una persona o veinte personas las que están subiendo al mismo tiempo. Los Variadores de Frecuencia pueden supervisar la carga y ajustarla dinámicamente para mantener la velocidad. La funcionalidad de un controlador lógico programable también se incorpora en algunas unidades. Entradas y salidas digitales y analógicas son comunes en la mayoría de las plataformas de variadores de frecuencia. Esto permite que la lógica de control pueda añadirse en el funcionamiento de la unidad. Por ejemplo, las unidades pueden cambiar la velocidad del motor en base a los cambios predeterminados de los trabajadores en sus entornos operativos.

 

Menos estrés mecánico y menor consumo de corriente
Las unidades también ayudan a reducir los esfuerzos mecánicos y eléctricos en la infraestructura de las instalaciones. El arranque a plena carga puede crear gran torsión instantánea, fricción, y esfuerzos de tensión en los ejes del motor, las bandas y los acopladores. El esfuerzo instantáneo y repetitivo puede provocar el fallo prematuro de estos dispositivos. Además, se puede consumir una cantidad excesiva de corriente, hasta 13 veces más amperios del motor a plena carga (FLA), dependiendo del tipo NEMA del motor utilizado.

Los motores de inducción NEMA típicos estilo-B de jaula de ardilla consumirán hasta seis o siete veces la corriente del motor a plena carga. La irrupción de corriente en las cargas más grandes puede agotar la capacidad eléctrica de una instalación y crear numerosos problemas, incluyendo disrupción del contactor, caídas de luz y la interrupción de las redes de tecnología de la información. Adicionalmente, algunas compañías eléctricas cobran la energía basadas en el uso de la demanda pico. Las grandes corrientes de entrada o varios motores arrancando al mismo tiempo pueden superar fácilmente la capacidad de una instalación y dar lugar a excesivas cargas de demanda pico. Además, la mayoría de las unidades operan en la pendiente lineal de la curva de par / velocidad de un motor, haciendo coincidir la frecuencia eléctrica y mecánica del motor. Esto produce más par por amperio que un arrancador conectado directo a la línea, maximizando así la energía que se utiliza.

Una exploración de una típica curva de par-contra-velocidad (figura 5) para un motor NEMA B ayuda a ilustrar esto. Idealmente, el motor opera en la porción lineal de la curva de par-contra-velocidad. Esto apoya el par y la eficiencia nominal. Sin embargo, cuando se utiliza un freno mecánico, el rendimiento del motor se mueve hacia la izquierda, fuera de esta alta eficiencia, región lineal-sobre el par de joroba y en la región no lineal máxima. Aquí es donde el motor consume más amperios para el par de torsión que produce, y la eficiencia se reduce significativamente.

Los Variadores de frecuencia ajustables desplazan la curva de par-velocidad, de manera que el motor funciona en la porción lineal de la curva. La Figura 6 representa cómo la unidad reduce la frecuencia y mueve la curva de par-velocidad de la izquierda, de modo que el motor funciona constantemente en el máximo de eficiencia posible.

Figura 5. Curva típica torque-versus-velocidad para un motor NEMA B

Figura 6. Curva de desplazamiento de torque-versus-velocidad a medida que se reduce la frequencia


 

Ahorro de energía

Optimización de los sistemas de transportadores

Cuando se utilizan variadores de frecuencia en sistemas de transportadores, las unidades evitan la necesidad de engranajes y embragues, que también permiten múltiples velocidades dentro de los sistemas de transporte. Eliminando engranajes y embragues aumenta la eficiencia y disminuye los componentes mecánicos, reduciendo los tiempos de mantenimiento y paro. Además, si se combina con sensores, las unidades son ideales para aplicaciones de espaciamiento en transportadores. Ellos pueden controlar muy rápidamente y con precisión las velocidades de los transportadores.

 

Mejora de la eficiencia en aplicaciones de bombeo

Una planta cuenta con un motor de 100 caballos de fuerza funcionando 15 horas al día con una válvula de estrangulación (de tres horas a 100 por ciento, tres horas a 80 por ciento, y nueve horas a 50 por ciento de la velocidad). Si la unidad de control de la válvula y la válvula se reemplazan con un variador de frecuencia para que coincida con la velocidad requerida, se obtiene en teoría un ahorro de energía significativo.
Este tipo de ahorro se puede entender mejor mediante la revisión de las leyes de afinidad (figura 7). Entonces podemos calcular los requisitos de carga teóricas y los ahorros potenciales de energía. La primera curva muestra que el flujo varía linealmente con la velocidad. Al reducir la velocidad al 50 por ciento, el flujo disminuye al 50 por ciento. La segunda curva muestra que la presión varía con el cuadrado de la velocidad. Si vamos a 50 por ciento de la velocidad, vamos a tener el 50 por ciento del flujo de la primera curva, pero la presión será sólo el 25 por ciento de la segunda curva. La tercera curva muestra la potencia requerida para un flujo particular. Vemos que la energía varía como el cubo de la velocidad. Una vez más si ponemos la velocidad al 50 por ciento, tenemos el flujo de 50 por ciento al 25 por ciento de la presión, pero a sólo el 12,5 por ciento de potencia. Es aquí donde entra en juego el potencial ahorro energético. Estas curvas aplican solamente en aplicaciones de ventilación donde no hay presión estática. También existe un importante ahorro con bombas, sin embargo, las curvas son ligeramente diferentes debido a la presencia de presión estática.

Figura 7. Las leyes de afinidad

 

La figura 8 muestra los ahorros potenciales de energía en una aplicación de ventilador. Si un dispositivo de estrangulamiento se utiliza para controlar el flujo, la energía utilizada puede ser descrita por la curva superior de la figura. Si se utiliza un variador de frecuencia, la curva inferior describe la energía utilizada. La diferencia es el ahorro de energía. La figura muestra que el máximo ahorro de energía se produce cuando el operador necesita reducir la velocidad de flujo del sistema.

Figure 8. Ahorro de energía usando un variador de frecuencia en lugar de una válvula de estrangulamiento

 

 

Regeneración

Aplicaciones de centrífuga

Las centrífugas pueden ser grandes y tener un muy alto momento de inercia. Este tipo de cargas se utilizan a menudo en aplicaciones de procesamiento de alimentos (por ejemplo, refinerías de azúcar). Aunque se necesita una cantidad significativa de energía para comenzar a girar estas grandes inercias, después de empezar a girar, no hace falta mucha energía para mantener la rotación. Si una instalación tiene dos centrifugadoras que funcionan a intervalos, se gastará una cantidad significativa de energía para hacer girar una centrífuga, y después simplemente se disipará la energía cuando la otra centrífuga gire muy lentamente. Mediante el uso de dos unidades con un bus de CC común, los operadores de centrifugadoras pueden reducir su consumo de energía casi a la mitad.

Figura 9. Dos centrifugadoras que utilizan las capacidades regenerativas

 

En la figura 9, dos centrifugadoras están conectadas a sus propias unidades inversoras individuales. El extremo delantero se alimenta de electricidad de la red pública para alimentar el bus de CC. La centrífuga 1 se alimenta del bus de CC para que la centrífuga alcance la máxima velocidad. Cuando es hora de detener la centrifugadora 1 y arrancar la centrifugadora 2, la centrífuga 1 comienza a actuar como un generador y alimenta el bus de CC común. La centrífuga 2 es entonces capaz de girar usando la energía de la centrífuga 1. Cualquier potencia extra que se requiere para llevar a la centrífuga 2 a toda velocidad estará a cargo de la parte delantera del bus de CC común. De esta manera, la energía se recicla mediante el uso de un variador de frecuencia con dos inversores y un bus de CC común.

 

Rebobinadoras

Otra de las aplicaciones beneficiosas para variadores de frecuencia regenerativos es el corte longitudinal de papel. En el proceso de fabricación, el papel se presiona inicialmente en hojas anchas, que se deben cortar en otras más pequeñas. Esto requiere que el papel  se mantenga tenso cuando se corta, lo que se consigue con una combinación rebobinador y desbobinador. El desbobinador sostiene el rollo de papel y actúa como un freno; la bobinadora tira del papel hacia él y requiere de un motor para aplicar par de torsión. Al igual que el ejemplo anterior de centrífuga, el desbobinador proporciona energía al bus de CC común, ya que actúa como un generador. El enrollador se alimenta del bus de CC común para aplicar torque. La parte delantera mantiene el bus de CC común cargado, pero esto sólo requiere una pequeña cantidad de energía de la red pública.

 

Ventajas más allá del ahorro de energía

Una configuración de variador de frecuencia con dos inversores y un bus de CC común proporciona capacidades regenerativas y un enorme ahorro de energía. Más allá de ahorro de energía, las unidades también ofrecen un control de par / velocidad y control de automatización. Estas capacidades se pueden observar en aplicaciones de bombeo, transporte de personas, sistemas de transporte, y muchos otros. Además, las unidades también pueden ser utilizadas como una herramienta de diagnóstico de gran alcance para registrar y analizar los perfiles de carga del motor, los datos de fallos del sistema, y otras características operacionales. Un variador de frecuencia también tiene muchas características que ayudan a proteger el motor. Con estas características, los fabricantes pueden tomar medidas para prevenir el tiempo de inactividad y proteger la inversión que han hecho en su equipo.

 

















Desarrollos Digitales, SA de CV
 Pestalozzi No. 626
 03020 México, D.F.
   Tel. (55)  5669.0165
   Fax          5669.2510
  ver mapa
 
Toluca
Tel. (728)  284.3304
                      284.3276
   ver mapa
 
Monterrey
Tel. (81)  8332.5110
                   8332.5111
                   8352.9297
   ver mapa
 
  Puebla
Tel. (222)  230.2690
                   230.2699
   ver mapa

Querétaro
Tel. (442)  224.0556
                     224.0258
                     214.6248
   ver mapa
Guadalajara
Tel. (33)  3679.4363
   ver mapa