Eficiencia energética con variadores de velocidad (parte 1)

En este artículo, Colin Hargis, ingeniero jefe de Control Techniques, analiza el tema de la eficiencia energética con variadores de velocidad.

Algunos lectores pueden ser conscientes de que se está preparando un nuevo reglamento de la UE destinado a controlar la eficiencia de los accionamientos y los sistemas de accionamiento. El reglamento aún está bajo consulta, por lo que aún no tiene un número oficial, pero se puede identificar a través del mandato de la CE M/476, y se denomina "Lote 30" en el proceso de consulta de la directiva de productos relacionados con la energía (ErP). . La consulta parece estar estancada en la actualidad, pero ya existen estándares técnicos para respaldar la regulación como EN 50598-1 y EN 50598-2. La intención es que a los variadores se les deban asignar clases de eficiencia al igual que a los motores industriales, y en algún momento es posible que el grado más bajo sea prohibido en el mercado de la UE. Los fabricantes también deberán proporcionar más datos sobre las pérdidas de carga parcial, para ayudar a los usuarios a evaluar la eficiencia energética general de su aplicación.

Antes de que la normativa entre en vigor, algunos usuarios de convertidores pueden estar interesados ​​en obtener más información sobre la normativa propuesta y las clases de eficiencia, para evaluar si son relevantes para la eficiencia energética de su propio producto o sistema final. En este blog, analizamos algunos de los conceptos básicos de la eficiencia del sistema de accionamiento. A continuación, veremos con más detalle algunos problemas que surgen de las nuevas normas y la regulación propuesta.

Una de las razones principales para usar un variador de velocidad es regular la velocidad de un motor para que coincida con la demanda del proceso final que está impulsando, a fin de optimizar el uso de energía. Esto es particularmente valioso cuando se mueven fluidos (gases y líquidos) porque la fricción viscosa significa que la potencia requerida para mover el fluido alrededor de un circuito varía como una ley cúbica de la tasa de flujo, de modo que una pequeña reducción en la tasa de flujo produce una gran reducción en potencia utilizada. Los métodos de control como amortiguadores, válvulas e incluso paletas guía variables también provocan una pérdida de energía innecesaria. Esta idea es tan conocida que no hay necesidad de escribir mucho más sobre ella, hay muchas guías útiles disponibles [p. referencias 1 y 2]. Sin embargo, teniendo en cuenta la próxima regulación, es útil revisar algunos principios, principalmente para mantener el efecto de la regulación y las normas en perspectiva.

Pérdida de energía en un sistema de accionamiento

El diagrama, que no está a escala, ilustra ampliamente cómo se consume energía en una aplicación de variador. Es más claro trabajar en términos de pérdidas que de eficiencias. En cada etapa hay una pérdida de energía en el dispositivo relevante, que generalmente se expresa como una proporción de su rendimiento nominal.

El poder perdido emerge como calor, generalmente del aire circundante. A veces, el calor se puede utilizar bien, pero por lo general se debe considerar como desperdiciado, e incluso puede incurrir en costos adicionales si se requiere ventilación adicional o enfriamiento del área. Las pérdidas reales varían mucho entre varias aplicaciones, pero en la Tabla 1 se proporciona un desglose típico para una aplicación de movimiento de aire, operando a su máximo rendimiento. Tenga en cuenta que en cada etapa, la pérdida incurrida en un dispositivo es una función tanto de la salida útil del sistema y también las pérdidas acumuladas de todos los demás dispositivos aguas abajo.

En este ejemplo, la eficiencia global es de alrededor del 56,6 %. La mayor pérdida está en el actuador, y la cifra de pérdida del 30 % es típica para un ventilador para mover aire. El aire es un fluido difícil de mover de manera eficiente, una bomba moderna podría tener pérdidas cercanas al 10%. Todas las pérdidas que se muestran pueden reducirse mediante tecnología mejorada, y la atención que se presta a la eficiencia energética significa que todas tienden a reducirse con el tiempo a medida que los diseños mejorados se vuelven rentables o son requeridos por las reglamentaciones.

Tenga en cuenta que la pérdida de disco es la más pequeña de la lista y esto es realista en la gran mayoría de las aplicaciones. La pérdida del 3% es bastante trivial en comparación con los demás. Las unidades modernas tienen pérdidas muy bajas, siendo el principal motivo el deseo de unidades físicamente compactas, lo que significa que los dispositivos de refrigeración (disipadores de calor y ventiladores) deben minimizarse en tamaño, por lo que las pérdidas también deben minimizarse. El rendimiento de potencia de la unidad incluye todas las demás pérdidas, por lo que la pérdida de unidad principal del 3 %, según los datos de la unidad, se convierte en 5,1 % cuando se expresa como una proporción de la salida del sistema. El uso inteligente de la unidad a menudo puede permitir reducciones útiles en las pérdidas de los otros dispositivos, lo que resulta en ahorros que superan con creces las pérdidas en la unidad. Sin embargo, tenemos que considerar las condiciones operativas reales en lugar de solo la condición de carga máxima.

Control y pérdidas

Los valores de pérdida típicos discutidos anteriormente son los valores "títulos" que se dan a la carga nominal o rendimiento de cada dispositivo. Por lo tanto, son relevantes cuando el sistema opera a su máximo rendimiento de diseño. Muchos sistemas pasan gran parte de su vida funcionando por debajo de su carga nominal, porque la demanda varía, pero el sistema debe diseñarse para el máximo. Además, el rendimiento generalmente se juzga por la capacidad de rendimiento máximo, por lo que el proveedor tiende a sobredimensionar los componentes para evitar el riesgo de que el cliente rechace el sistema si no logra entregar la salida nominal durante las pruebas de aceptación. Por lo tanto, se necesita un sistema de control, con un método para ajustar la salida. La técnica de control aplicada puede afectar mucho la eficiencia de carga parcial. Por ejemplo, es bien sabido que las compuertas de aire y las válvulas de regulación provocan pérdidas a carga parcial bastante elevadas, ya que provocan un aumento de presión en el ventilador o bomba que obliga a desarrollar más potencia de la necesaria en el punto de impulsión. . El variador de velocidad evita esta pérdida adicional.

Las eficiencias de todos los componentes cambian con la carga. Los detalles varían mucho, pero generalmente las pérdidas tienen los siguientes elementos:

• Una pérdida fija que es independiente de la producción. Esto tiende a reducir la eficiencia a carga parcial.
• Una pérdida proporcional que no afecta la eficiencia a carga parcial.
• Una pérdida creciente (p. ej., ley cuadrática) que tiende a reducir la eficiencia a plena carga.

El resultado es que suele haber un nivel de salida de eficiencia óptimo, por ejemplo, en un motor de inducción estándar, esto es alrededor del 80 % del valor nominal. A una salida más alta, la eficiencia cae ligeramente. A una salida más baja, la eficiencia también cae, pero la pérdida de energía real también cae.

Pérdidas en un sistema de accionamiento eléctrico de velocidad variable

Habiendo resumido la situación general, ahora podemos ver con más detalle el sistema de accionamiento eléctrico, es decir, el motor y el accionamiento. La salida del sistema es potencia mecánica en el eje del motor, que comprende el producto del par y la velocidad. Tanto el motor como el accionamiento tienen elementos de pérdida que varían con el par y la velocidad. La Tabla 2 los resume. Por simplicidad asumimos que la corriente es proporcional al torque. Esta es una simplificación porque ignora la corriente de magnetización del motor.

Tenga en cuenta que tenemos que considerar el efecto de la velocidad y el par tanto por separado como combinados. Las pérdidas resistivas en el motor están relacionadas casi por completo con el par, independientemente de la velocidad, y esto también se aplica a la etapa inversora del variador. Por otro lado, las pérdidas en el rectificador de la etapa de entrada del variador son puramente una función del rendimiento de potencia, es decir, el producto del par y la velocidad.

Esta imagen bastante compleja se puede simplificar cuando se considera un tipo específico de carga donde el par y la velocidad están relacionados. Por ejemplo, una bomba o ventilador simple que alimenta un proceso con poca cabeza estática, de modo que la presión sea predominantemente una función de la ley del cuadrado del caudal, da un par que es una función de la velocidad de la ley del cuadrado. Por el contrario, un proceso como un sistema transportador tiene un par que es en gran medida independiente de la velocidad, pero depende de la demanda del transportador. Estos dos tipos de carga se conocen ampliamente como aplicaciones de accionamiento de "par variable" y "par fijo", respectivamente.

Además de las pérdidas inherentes al accionamiento y al motor tomados por separado, existen pérdidas que son función de la combinación de ambos. Los factores clave en la interdependencia son:

• Densidad de flujo magnético operativo, controlado por el variador e impuesto al motor, que afecta las pérdidas por magnetización. (También afecta las pérdidas resistivas para un par dado, hay una densidad de flujo óptima para cualquier par y velocidad dados).
• Conmutación PWM, controlada por el variador y que genera pérdidas adicionales en el motor
• Factor de potencia del motor, corriente reactiva impuesta por el motor que genera pérdidas de corriente adicionales en el variador

Un estándar simple para la eficiencia del variador solo se ocuparía de las pérdidas en el variador, usando una carga de motor estandarizada. Un estándar útil tiene que abordar la interdependencia y gestionar las compensaciones; por ejemplo, que la frecuencia de conmutación PWM elegida tiene que equilibrar el deseo de minimizar las pérdidas en el variador, que requiere una frecuencia más baja, y el motor, que requiere una frecuencia más alta. También tiene que permitir que el diseñador de un sistema o máquina completo calcule las pérdidas en la máquina completa en su rango práctico de condiciones de operación.

En el próximo blog, analizaremos más de cerca las normas, en particular la EN 50598-2, que especifica las clases de eficiencia energética para las unidades, y consideraremos cómo gestionan estos requisitos. También analizamos las funciones disponibles en el variador que pueden optimizar la eficiencia y, en particular, optimizar las pérdidas de carga parcial que pueden ser más importantes de lo que parecen.

Referencias

[1] https://www.carbontrust.com/media/13063/ctg070_variable_speed_drives.pdf

[2] http://www.gambica.org.uk/resourceLibrary/CEMEP_guide_to_energy_efficiency_with_electric_drive_systems.html