Uso de variadores de frecuencia para el ahorro de energía en aplicaciones industriales

El uso de variadores de frecuencia puede proporcionar ahorros de energía significativos y aumentar la eficiencia general del proceso productivo o el sistema que se quiere optimizar,  al igualar efectivamente la potencia aplicada al nivel que requiere el proceso.

Al controlar la velocidad del motor, los cambios en las demandas de carga se pueden ajustar de forma rápida y automática para mantener las condiciones óptimas del proceso. Además, la energía que necesita el motor impulsor para comenzar a girar, que se manifiesta como un alto amperaje comúnmente conocido como corriente de «arranque», se puede aumentar lentamente para acelerar el motor mientras se minimiza el consumo de corriente.

En el uso de variadores de frecuencia dentro de la industria, es común que el equipo disponga de esta funcionalidad de arranque suave con el arrancador de voltaje reducido, a menudo denominado arrancador suave, pero va más allá al permitir un control de velocidad ajustable.

Examinemos en este artículo estas dos características en el uso de variadores de frecuencia (control de velocidad y arranque y parada controlados) para comprender cómo se logran los ahorros de energía y otros beneficios de costos.

El variador de frecuencia controla la velocidad del motor comparando una señal de referencia con un valor preestablecido. La señal de referencia se puede generar externamente, por ejemplo, a través de un punto de ajuste del proceso, o internamente por el propio variador usando un software para modelar los parámetros del motor. Esto último lo logran la mayoría de los Variadores de frecuencia del mercado  a través del proceso de ajuste automático durante la configuración inicial de la unidad. Luego se ajusta la frecuencia y el voltaje para que coincidan con la señal de referencia, lo que a su vez da como resultado ajustes en la velocidad del motor: la frecuencia y la velocidad son directamente proporcionales. Si la señal de referencia indica que no es necesario que el motor funcione a la velocidad máxima (base), el variador lo reduce en consecuencia. Para cargas de par variable, como es el caso de las bombas centrífugas y ventiladores, la potencia se produce en relación con el cubo de la velocidad, por lo que si la velocidad se reduce solo un 10 %, la potencia se reduce un (10 %) al cubo, o aproximadamente un 27 % (0,903). = .73). Aunque los ahorros de carga de par constante no son idénticos, también son significativos.

Continúa el debate sobre los ahorros generados al reducir la velocidad del motor en algunas aplicaciones industriales frente al costo de capital de actualizar el uso de los variadores de frecuencia. En esencia, si el proceso está significativamente sobredimensionado o está dominado por pérdidas por fricción, entonces vale la pena reducir la velocidad del flujo del proceso. Existen varias herramientas en línea para ayudar a determinar los posibles ahorros de energía; por ejemplo, algunos fabricantes variadores de frecuencia tienen enlaces a dichas herramientas en sus sitios web corporativos. Tengamos en cuenta también que se debe tener más cuidado al evaluar procesos que requieren un par alto o un par constante, ya que, en general, los ahorros mediante el uso de Variadores de frecuencia  en tales sistemas no son tan grandes.

Durante el arranque del motor, se debe suministrar una corriente significativa a los devanados del motor para superar la inercia de la carga y la masa del inducido del motor. Cuando los motores se arrancan «a través de la línea», el consumo de corriente resultante puede ser de 6 a 12 veces el amperaje de carga completa y puede ejercer una gran presión sobre el equipo accionado.

En los casos en que las cargas del motor constituyen una parte significativa de la demanda eléctrica total, la corriente de irrupción puede generar picos eléctricos elevados y, por lo tanto, mayores costos energéticos. Una función de arranque suave, como la que se proporciona al acelerar lentamente un motor a través del uso del variador de frecuencia, puede reducir la irrupción de 3 a 6 veces el amperaje a plena carga, lo que reduce la demanda máxima. Además, los costos de mantenimiento preventivo de acoplamientos, ejes y otros componentes accionados se reducen porque no están sujetos a las mayores tensiones causadas por el arranque a plena tensión.

Optimización del control de los caudales y flujos con el uso de variadores de frecuencia

Control de caudal con el uso de variadores de frecuencias en equipos rotativos

Las bombas, los ventiladores, los sopladores y los compresores que usan control de caudal mecánico son aplicaciones excelentes para los variadores de frecuencia. Hasta el 40 por ciento de toda la electricidad utilizada en la industria hoy en día es consumida por sistemas como bombas y ventiladores. Este hecho convierte el uso de variadores de frecuencia, al igual que otros sistemas de control de caudal, en objetivos principales para las instalaciones que tienen el objetivo de ser  energéticamente eficientes.

Tradicionalmente, el flujo de aire, líquido o gas se controla mediante el uso de válvulas, estranguladores, paletas u otros dispositivos mecánicos. Restringir o reducir el caudal con dispositivos mecánicos significa que el motor que soporta el sistema funciona al 100 por ciento de la velocidad aunque no se requiera un flujo del 100 por ciento. El resultado es obvio: energía desperdiciada.

Es más, no solo se desperdicia energía, sino que el control de flujo mecánico puede causar tensión indebida y altas temperaturas en los componentes del sistema, lo que resulta en una falla prematura del sistema.

Leyes de afinidad: la base del ahorro. Las leyes de afinidad se utilizan en hidráulica para expresar la relación matemática entre las diversas variables, como la cabeza (presión), el caudal volumétrico, la velocidad y la potencia involucradas en el rendimiento de la bomba y el ventilador.

Las leyes de afinidad establecen:

• El caudal es proporcional a la velocidad del eje.

• La cabeza (presión) es proporcional al cuadrado de la velocidad del eje.

• La potencia es proporcional al cubo de la velocidad del eje.

Recuperación de energía desperdiciada con el uso de variadores de frecuencia

Dos áreas generales donde los variadores de frecuencia pueden recuperar la energía desperdiciada: (aplicaciones regenerativas) son:

• Aplicaciones cíclicas.

• Aplicaciones de frenado.

Aplicaciones cíclicas: En este contexto, cíclico se refiere a aplicaciones en las que la máquina se compone de una gran carga de inercia (por ejemplo, centrífugas y punzonadoras con grandes volantes). Se requiere que estos mecanismos se deslicen a una cierta velocidad o regresen a un estado establecido. Mientras navega por inercia o regresa al estado establecido, una gran cantidad de energía de inercia generada simplemente se desperdicia. Con un inversor de frecuencia regenerativo, esta energía se puede recuperar y devolver a la red eléctrica de la instalación para su uso en otras áreas.

Aplicaciones de frenado: El frenado aquí se refiere al frenado eléctrico, más comúnmente conocido como frenado dinámico. Estos tipos de aplicaciones se conocen como aplicaciones de par de retención. Como implica la palabra frenado, la carga se reduce para mantener una cierta velocidad o se detiene por completo. Por ejemplo, en la industria minera, los transportadores cuesta abajo deben tener algún método para mantener su velocidad, por razones obvias. Una escalera mecánica es un tipo de aplicación similar.

Frenado usando variadores de frecuencia

Dado que la energía se genera al reducir la velocidad o detener la carga, debe disiparse de alguna manera o el convertidor de frecuencia se dañará y se perderá todo el control. Normalmente, esto se hace con un chopper de frenado (normalmente son parte del variador de frecuencia) y un gran banco de resistencias.

Como es de esperar, el banco de resistencias es simplemente una forma de disipar la energía, pero se desperdicia en forma de calor. Esencialmente, el banco de resistencias es un enorme calentador eléctrico.

Sin embargo, con el uso de un inversor de frecuencia regenerativo, esta energía se puede capturar y devolver a la red eléctrica de la instalación para su uso en otras áreas. Además, ya no se necesita el banco de resistencias.

En algunos casos, el método de frenado también debe enfriarse. Esto generalmente se maneja a través de un sistema de enfriamiento que usa bombas y torres de enfriamiento. El uso de inversores de frecuencia elimina por completo la necesidad de un sistema de enfriamiento que se requeriría en ese tipo de aplicaciones.

Además del soporte disponible de la mayoría de los fabricantes de variadores de frecuencia, aquí en tecnología para la industria podemos ayudarte a determinar si un Variador de Frecuencia es adecuado para una aplicación industrial específica. Ponte en contacto o suscríbete a nuestra newsletter  y conoce más sobre la configuración y puesta en marcha de variadores de frecuencia.