¿Pueden los ajustes del variador de velocidad influir en la eficiencia energética del motor?

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Cateogría del artículo Motion Control
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 La utilización de variadores de velocidad y su correcta configuración pueden ofrecer ahorros de energía significativos

¿Pueden los ajustes del variador de velocidad influir en la eficiencia energética del motor?

En los últimos años, muchos países han introducido requisitos mínimos de eficiencia para los motores eléctricos. Desde el 1 de julio de 2021 en la Unión Europea, los requisitos han aumentado aún más. El uso de motores y accionamientos más eficientes es la base de un sistema eficiente. La utilización de variadores de velocidad también conduce a ahorros de energía significativos (en el rango del 15-40%). Pero, ¿qué hay de la configuración en el variador de velocidad? ¿Tienen un impacto en el consumo de energía del motor eléctrico?

El artículo se centra en los motores de inducción y tratará de responder a esta pregunta utilizando algunos ejemplos de aplicaciones de la vida real, en lugar de simulaciones o mediciones realizadas en laboratorio.

Par variable vs Par constante

Para empezar, es importante comprender la característica de par de la aplicación. A menudo encontramos los términos par variable (VT) y par constante (CT). ¿Qué quieren decir?

En un contexto de accionamientos, cuando decimos par variable (VT), nos referimos a aplicaciones con característica de par cuadrática, lo que significa que el par aumenta con el cuadrado de la velocidad. Estas son algunas de las aplicaciones más habituales como ventiladores y bombas centrífugas. (Tenga en cuenta que las bombas de desplazamiento positivo tienen una característica de par constante).

Las aplicaciones con par constante (CT) son aplicaciones en las que la carga no suele verse alterada significativamente por la velocidad. Esto incluye cintas transportadoras, montacargas y mezcladoras.

En aplicaciones de CT, el voltaje aplicado al motor sigue una relación U / f constante. En aplicaciones VT, el par se reduce a velocidades más bajas. Por lo tanto, es posible reducir la tensión alimentada al motor a velocidades inferiores a la nominal, incluso más de lo que lo hace la relación U / f. Al reducir la tensión del motor, se reducen las pérdidas en el motor y se logra una mayor eficiencia. Esto se aplica cuando se seleccionan núcleos de control U / fo VVC +.

 

El uso de curvas CT o VT no siempre es óptimo. La razón principal es que la carga del motor en realidad es diferente a la curva teórica. En la mayoría de situaciones, el motor está sobredimensionado. Y luego hay situaciones en las que la carga varía en las aplicaciones de CT. No se deje engañar por la palabra "constante"; esto no significa que la carga sea constante, solo significa que la carga cambia independientemente de la velocidad. Un ejemplo podría ser una escalera mecánica (aplicación de CT) donde la carga del motor depende de cuántas personas lo estén usando. Si la escalera mecánica está vacía, la carga es diferente a cuando la escalera mecánica está llena de gente.

La función de optimización automática de energía

La función de optimización automática de energía [Automatic Energy Optimization (AEO)] se puede utilizar para garantizar una eficiencia óptima, incluso en las situaciones mencionadas anteriormente. El AEO reduce el flujo de magnetización en el motor al nivel requerido por la carga real. Los algoritmos avanzados permiten una buena respuesta dinámica. Sin embargo, existen limitaciones y esta función no se debe utilizar en aplicaciones muy dinámicas.

¿Cuánta energía podemos ahorrar utilizando la función AEO? La respuesta a esta pregunta no es sencilla. A veces, la aplicación ya es óptima o casi óptima. En tales casos, no hay mucho que optimizar. En otros casos, la aplicación está lejos de ser óptima. Evidentemente, en estos casos el OEA aportaría los mayores beneficios.

Ejemplos de aplicaciones de la vida real

Veamos cómo funciona todo esto en la vida real. Se han realizado mediciones en tres motores que hacen girar ventiladores, que forman parte de tres unidades de tratamiento de aire. Todos los motores tienen una potencia nominal de 2,2 kW. Hemos medido la potencia de entrada del motor con tres configuraciones de accionamiento: par constante (CT), par variable (VT) y optimización automática de energía (AEO).

Hemos representado gráficamente el ahorro de energía relativo de VT en comparación con CT, de AEO en comparación con CT y de AEO en comparación con VT. La diferencia entre los tres motores es la carga. El ventilador 1 consume 1,05 kW a velocidad nominal (1500 rpm), es decir, el 48% de la potencia nominal del motor de 2,2 kW. Eso significa que el motor está sobredimensionado. En el caso del Ventilador 2, la potencia a velocidad nominal es de 1,93 kW, lo que da como resultado el 88% de la potencia nominal del motor. Y en el caso del Fan 3, la combinación es casi perfecta, con una potencia a velocidad nominal de 2,29 kW (104% de la potencia nominal).

... y sus resultados

Como era de esperar, en las tres instalaciones, el ajuste de VT genera ahorros cuando la velocidad es menor que la nominal. Cuanto menor sea la velocidad, mayor será el ahorro relativo (¡no absoluto!).

En el ventilador 3, con la mejor coincidencia entre el tamaño del motor y la carga, la función AEO en comparación con CT proporciona un nivel de ahorro similar al de la configuración de VT. Esto se debe a que la curva VT está muy cerca del óptimo. Por lo tanto, no se puede guardar seleccionando AEO en lugar de VT.

En el ventilador 2, donde la coincidencia ya no es tan buena, los ahorros a velocidad nominal están en el rango de 0.5%. A menor velocidad, los ahorros son mayores; a una velocidad del 75%, los ahorros están en el rango del 7-9%. Al 50%, los ahorros son del 22 al 25%. Los ahorros son aún mayores en el ventilador 1 (donde la potencia del motor es el doble de la potencia necesaria). Aquí, ya a velocidad nominal, los ahorros están en el rango del 5%. (¿Quién dijo que no se puede ahorrar energía con los variadores funcionando a máxima velocidad?) Al 75%, los ahorros están en el rango del 7-13% y al 50% de velocidad los ahorros son del 25-37%.

¿Son estos ahorros significativos? Para responder a esta pregunta, pongamos estas cifras en perspectiva. La eficiencia media para un motor de inducción de 4 polos de 2,2 kW en la clase de eficiencia IE1 es del 82,02%. Para la clase IE2, el valor es un 2,5% más alto, un 85,5%.

Para IE3, la eficiencia promedio para el mismo motor es 88.06%, es decir, un 6% más. En muchas situaciones, las ganancias con los ajustes correctos del variador serán al menos del mismo orden de magnitud cuando se cambie un motor IE1 por un motor IE3 o incluso IE4.

Si está listo para invertir en el motor de mayor eficiencia, ¿por qué no optimizar su aplicación con la configuración de variador adecuada?

Como hemos visto en los ejemplos anteriores, ajustar la configuración de los parámetros del variador de velocidad desde el principio tiene un buen sentido comercial. Puede lograr hasta un 20% de ahorro de energía anual, aumentar el tiempo de actividad en un 35% y extender la vida útil de su variador con una calibración y configuración óptimas. 

Fuente - www.focusondrives.com
Autores - Norbert Hanigowszki, Director of Drives Intelligence, and Ana-Mari Tataru-Kjær, Senior Control Engineer.

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Blog dedicado a la introducción en los conceptos de Motion Control (Control de movimiento) en sistemas de automatización




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