Eficiencia energética con variadores de velocidad (Parte 2)

En la segunda parte de esta serie de blogs, el ingeniero jefe de Control Techniques profundiza en cómo lograr una mayor eficiencia energética mediante variadores de velocidad.

El blog anterior brindó una descripción general de la eficiencia de los variadores y sus aplicaciones, y cómo se ven afectados por el patrón de combinaciones de velocidad y par en una aplicación determinada. Ahora analizamos cómo el reglamento de la UE propuesto y sus estándares relacionados intentan mejorar la eficiencia energética de las aplicaciones finales mediante el establecimiento de estándares para el rendimiento y el suministro de datos. Esto incluye las nuevas clases de IE propuestas para unidades.

Los estándares y la propuesta de reglamento de la UE para la eficiencia de conducción

Existe un conjunto de normas europeas (CENELEC) que se crearon como punto de partida para una posible regulación futura, que es EN 50598 partes 1 a 3 [1]. Es probable que, en su debido momento, se utilicen como base para las normas internacionales (IEC), ya que están disponibles para los motores. Es probable que el reglamento de la UE utilice las definiciones de clase IE de EN 50598-2.

De esta familia estándar, la parte 3 se ocupa del diseño ambientalmente consciente en general, con énfasis en los materiales utilizados en el producto y el impacto ambiental de su eventual eliminación. Eso está fuera del alcance de este blog. La Parte 1 trata del diseño de sistemas completos que incorporan motores y accionamientos. Su objetivo es abordar el desafío de los estándares de productos que inevitablemente se aplican a la eficiencia energética de productos específicos por sí solos, cuando el propósito real es tratar de garantizar el mejor uso de la energía en la aplicación final, no en las partes individuales tomadas por separado. Explica los problemas que cubrimos en el blog anterior, pero con más detalle, y establece una metodología para evaluar la eficiencia energética del sistema completo usando los datos del variador como se define con más detalle en la parte 2. La parte 1 está destinada para ser utilizado por los comités técnicos que trabajan en la eficiencia energética de aplicaciones finales específicas. Esto se conoce como el “Enfoque de Producto Extendido” (EPA). La Parte 1 contiene material tutorial útil para diseñadores de sistemas.

La Parte 2 se conoce como EN 50598-2 y brinda indicadores de eficiencia energética para variadores, las clases IE, que probablemente sean la base de una futura regulación. El reglamento [2] se aplicará a un convertidor como producto comercializado en la UE. Hemos visto anteriormente que el impacto energético de un disco supera con creces su propio consumo (pérdida) de energía, ya que puede permitir importantes ahorros de energía en los demás componentes de una aplicación final. El reglamento no puede anticipar la amplia gama de diferentes aplicaciones finales, por lo que tendrá como objetivo definir los datos que el fabricante del variador debe proporcionar al comprador. Estos datos forman el "Modelo semianalítico" que se utiliza para la EPA.

Los grupos responsables de crear la regulación y el estándar son muy conscientes de que el beneficio energético de usar un variador donde sea adecuado supera con creces las pérdidas, y su objetivo es mantener el estándar simple y práctico. Es un documento bastante largo, pero gran parte del material es una explicación detallada de las fuentes de pérdidas y los modelos matemáticos que se utilizarán. Es una lectura recomendada si está interesado en aprender más sobre el tema.

En resumen, de acuerdo con el estándar, el fabricante de la unidad deberá proporcionar lo siguiente:

• Una clase de eficiencia energética para el variador, en el rango de IE0 a IE2, que se basa en la pérdida en un punto de funcionamiento específico con corriente de producción de par nominal y el 90 % de la frecuencia de salida nominal. La frecuencia de conmutación PWM se fija en 4 kHz para potencias nominales de hasta 90 kW y 2 kHz por encima de 90 kW. La "pérdida de referencia" que define la clase IE1 básica depende de la clasificación del inversor, pero para clasificaciones en el rango de 5 kW a 75 kW es aproximadamente el 5% de la potencia de salida aparente. La pérdida de clase de IE2 es aproximadamente la mitad de la de IE1.
• Datos que muestran la pérdida de potencia en una matriz de las siguientes 9 combinaciones de corriente que produce torque y frecuencia de salida:

Es probable que el reglamento prohíba la venta de unidades de clase IE0 en la UE y posiblemente establezca un plazo para la prohibición de las unidades de clase IE1. El estándar contiene provisiones para posibles clases futuras más allá de IE2, pero hay pocos beneficios en intentar ir más allá.

El propósito de la matriz de datos requerida es permitir que un usuario prediga la pérdida de energía de su aplicación, teniendo en cuenta su característica específica de par/velocidad y el patrón de carga, como discutimos en el blog anterior y también explicamos en EN 50598- 1.

Métodos prácticos para mejorar la eficiencia energética de los sistemas de accionamiento

Comprender el proceso completo

Para optimizar la eficiencia energética, el aspecto más importante de una aplicación de velocidad controlada es diseñar correctamente la función de control para que el proceso se optimice y la salida, cualquiera que sea, esté disponible según sea necesario, pero sin excesos. La habilidad principal del diseñador del sistema de accionamiento es comprender el proceso general lo suficientemente bien como para garantizar que la velocidad y/o el par del motor se establezcan de manera adecuada para el proceso. Puede ver en la Tabla 1 del blog anterior que, en este ejemplo, las pérdidas en el motor y la transmisión son solo el 20,7 % de la salida, en comparación con el 56 % en la transmisión y el actuador. La pérdida del motor del 10% es típica de un motor moderno de clase IE3 con una potencia de alrededor de 7,5 kW, y es difícil mejorar mucho en esto. La pérdida de la unidad es bastante trivial. Sin embargo, un ingeniero de accionamiento podría encontrar una oportunidad para mejorar todo el sistema. Veamos un nuevo diseño en el que el motor y el actuador se combinan para que no se requiera una transmisión que cambie la velocidad. Esto podría ser posible mediante el uso de la capacidad de accionamiento para cambiar la velocidad base del motor. En ese caso, la Tabla 1 se convertiría en:

La eficiencia ahora ha mejorado del 56,5 % al 67,9 % y la pérdida se ha reducido del 76,7 % al 47,3 % de la producción.

En este caso, utilizamos la capacidad del variador para alejarse de un número restringido de velocidades base determinadas por la frecuencia de la red eléctrica y el número de polos del motor. El variador también tiene capacidad de control programable para que las entradas de varios sensores de proceso se puedan usar para ayudar a optimizar la velocidad para las condiciones operativas reales del sistema. Finalmente, el convertidor también puede actuar para optimizar las condiciones de funcionamiento del motor, en función de la carga real.

Optimización del control del motor:densidad de flujo magnético

La pérdida a plena carga en un motor de 4 polos de clase IE3 varía en el rango de 14,5 % para un valor nominal de 0,75 kW a 3,8 % para un valor nominal superior a 185 kW. En el rango ampliamente utilizado y de uso intensivo de energía, alrededor de 5,5 kW a 55 kW, es de alrededor del 6 %. No parece haber mucho margen para seguir mejorando aquí. La mayor parte de la pérdida es pérdida de cobre (conductor) relacionada con la corriente de trabajo, que no se puede mejorar con ninguna función de accionamiento. La mejor posibilidad de mejora con cargas elevadas es utilizar un motor de imán permanente para que el factor de potencia del motor (cos f) pueda ser cercano a 1 y, por lo tanto, la corriente se reduzca.

Sin embargo, vale la pena considerar nuevamente la pérdida fija en el motor, debido a la amplia clase de aplicaciones en las que el par de operación suele estar muy por debajo de su valor nominal. Esto podría ser en una aplicación de bomba o ventilador donde el suministro normal es menor que el máximo posible, o en una aplicación de par constante donde el par suele ser menor que el máximo posible. En ese caso, la densidad de flujo magnético en el motor a su tensión de trabajo es mayor que la necesaria para lograr el par requerido, y la pérdida fija en el acero magnético podría reducirse reduciendo la tensión de alimentación y por lo tanto la densidad de flujo.

Para tener una idea aproximada de las posibilidades, tome por ejemplo una aplicación de ventilador que normalmente funciona al 50 % de la velocidad nominal y al 25 % del par nominal. Por lo tanto, la potencia es solo del 12,5%. La pérdida fija magnética del motor es del 2% de la clasificación, lo que parece trivial. Sin embargo, esto es en realidad el 16% del consumo de energía normal. Probablemente sería posible reducir el voltaje hasta en un 50 % sin aumentar significativamente la corriente, lo que daría como resultado una pérdida fija reducida a alrededor del 4 % del consumo. La reducción de la pérdida es pequeña en comparación con la potencia nominal, pero se vuelve significativa en comparación con la potencia de funcionamiento promedio real, que es lo que determina la factura de energía del propietario.

El método tradicional para controlar la densidad de flujo del motor en una aplicación de par variable es el modo V/F cuadrático, donde la relación V/F determina la densidad de flujo del motor. Siempre que la carga sea verdaderamente cuadrática, es decir, par proporcional al cuadrado de la velocidad, y no haya transitorios de par de carga, esto funciona bien.

Para aplicaciones de par constante, la función Dynamic V/F de Control Techniques es muy eficaz. Esto funciona adaptando activamente el voltaje a la corriente del motor. Tiene la ventaja de que el flujo se debilita de manera efectiva y automática cuando se reduce el par de carga, sin ninguna suposición sobre la característica de par/velocidad de la carga. Sin embargo, un aumento repentino en el par de carga aún da como resultado una reacción rápida, el flujo aumenta rápidamente, por lo que es poco probable que el motor se detenga.

Optimización del control del motor:frecuencia de conmutación

La conmutación PWM del convertidor de frecuencia da como resultado una mayor pérdida en el motor que es en gran medida independiente de la carga, es decir, es una pérdida fija adicional. Cuanto mayor sea la frecuencia de conmutación, menor será la pérdida añadida en el motor, pero mayor será la pérdida de conmutación dependiente de la corriente en el inversor. A plena carga, la investigación llevada a cabo en el desarrollo de EN 50598-2 mostró que por debajo de 90 kW, la mejor eficiencia general del motor IE3 y el variador juntos a carga nominal se da cuando la frecuencia de conmutación es de aproximadamente 4 kHz, siendo la curva bastante poco profundo. Esta es la razón por la cual la medición de pérdida para el estándar se realiza en estas frecuencias de conmutación.

La figura 1 muestra un ejemplo de las pérdidas en un motor pequeño y su accionamiento a medida que varía la frecuencia de conmutación, tanto a plena carga (FL) como a media carga (HL).

La mejor frecuencia de conmutación en este ejemplo a plena carga es de unos 5 kHz, mientras que a media carga es de unos 7 kHz, porque las pérdidas del accionamiento a una frecuencia dada son menores a carga parcial. Un variador que adapta su frecuencia de conmutación a la corriente del motor puede mejorar la eficiencia a carga parcial, lo que nuevamente puede valer la pena en una aplicación que pasa gran parte de su tiempo a carga parcial.

Los accionamientos Unidrive M de Control Techniques tienen una función de adaptación de frecuencia de conmutación automática. El variador opera cuando es posible a la frecuencia de conmutación más alta especificada por el usuario, pero la reduce si las pérdidas del variador son demasiado altas. Esto significa que la pérdida de conmutación en el motor se minimiza a menos que esto resulte en una pérdida de transmisión excesiva.