Variadores de Velocidad: Impulsando la Eficiencia Energética – Parte 2

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

Normativas y el reglamento propuesto de la UE para la eficiencia de variadores

Existe un conjunto de normas europeas (CENELEC) creadas como punto de partida para una futura regulación: la serie EN 50598 partes 1 a 3. Es probable que estas sirvan de base para normas internacionales (IEC), como ya ocurre con los motores. El reglamento de la UE probablemente utilice las definiciones de clases IE de la EN 50598-2.

Desglose de la familia de normas EN 50598

Parte 3: Trata el diseño ecológico, centrándose en materiales y impacto ambiental en la eliminación. Queda fuera del alcance de este artículo.

Parte 1: Aborda el diseño de sistemas completos que integran motores y variadores. Su objetivo es superar el reto de las normas de producto que evalúan componentes por separado, cuando la meta real es optimizar el uso energético en la aplicación final. Desarrolla la metodología para evaluar la eficiencia del sistema completo usando datos del variador definidos en la Parte 2. Este enfoque se denomina "Extended Product Approach" (EPA) y contiene material tutorial valioso para diseñadores de sistemas.

Parte 2 (EN 50598-2): Define indicadores de eficiencia energética para variadores (clases IE), base probable de la futura regulación. El reglamento se aplicará a variadores comercializados en la UE. Dado que el impacto energético de un variador supera ampliamente sus propias pérdidas —pues permite grandes ahorros en otros componentes—, la norma no puede prever todas las aplicaciones finales, por lo que exige al fabricante proporcionar datos para el "Modelo Semi-Analítico" usado en el EPA.

Requisitos clave para fabricantes según la norma

• Clase de eficiencia energética (IE0 a IE2): Basada en pérdidas en un punto de operación específico (corriente nominal productora de par al 90% de frecuencia nominal). Frecuencia PWM fija a 4 kHz (≤90 kW) y 2 kHz (>90 kW). La "pérdida de referencia" para clase IE1 equivale aproximadamente al 5% de la potencia aparente de salida (rango 5-75 kW). La clase IE2 reduce esa pérdida a la mitad.
• Matriz de datos de pérdidas: 9 combinaciones de corriente productora de par y frecuencia de salida, permitiendo predecir pérdidas según el perfil de carga y par/velocidad real de la aplicación.

Es probable que el reglamento prohíba la venta de variadores clase IE0 en la UE, y establezca plazos para eliminar la clase IE1. La norma prevé futuras clases superiores a IE2, aunque el beneficio marginal es limitado.

Métodos prácticos para mejorar la eficiencia de sistemas con variadores

Comprender el proceso completo

El aspecto más crítico para optimizar la eficiencia es diseñar correctamente la función de control: el proceso debe entregar la salida requerida sin excesos. La habilidad del diseñador radica en entender el proceso global para ajustar velocidad y/o par del motor según las necesidades reales.

En el ejemplo de la Parte 1 (Tabla 1), las pérdidas en motor y variador sumaban solo 20,7% de la salida, frente al 56% en transmisión y actuador. La pérdida del motor (10%, típico IE3 ~7,5 kW) es difícil de mejorar; la del variador es casi insignificante. Sin embargo, un ingeniero puede rediseñar el sistema eliminando la transmisión de velocidad variable, aprovechando la capacidad del variador para cambiar la velocidad base del motor. El resultado: eficiencia global del 56,5% al 67,9%, y pérdidas reducidas del 76,7% al 47,3% de la salida.

El variador permite salir de las velocidades base fijas (determinadas por frecuencia de red y polos del motor), integra control programable con sensores de proceso para optimizar velocidad en condiciones reales, y puede optimizar el punto de operación del motor según la carga real.

Optimizar el control del motor – Densidad de flujo magnético

La pérdida a plena carga en motores IE3 de 4 polos varía del 14,5% (0,75 kW) al 3,8% (>185 kW); en el rango intensivo 5,5-55 kW ronda el 6%. Poco margen de mejora: la mayor pérdida es por efecto Joule (corriente de trabajo), que no puede reducirse desde el variador. La mejor opción a alta carga es usar motores de imanes permanentes (factor de potencia ≈1, corriente menor).

En cambio, sí vale la pena actuar sobre la pérdida fija magnética en aplicaciones donde el par de trabajo está muy por debajo del nominal (ventiladores, bombas a caudal reducido, cargas constantes por debajo del máximo). Allí la densidad de flujo en el acero magnético es excesiva para el par requerido, y reducir tensión (y flujo) disminuye la pérdida fija.

Ejemplo: Ventilador al 50% velocidad y 25% par (potencia = 12,5% nominal). Pérdida magnética fija = 2% nominal = 16% del consumo real. Reducir tensión ~50% sin aumentar significativamente la corriente baja la pérdida fija al ~4% del consumo. La reducción es pequeña frente a la potencia nominal, pero significativa frente al consumo medio real —lo que paga el usuario.

Métodos de control de flujo:

• Modo V/F cuadrático: Tradicional para carga variable (par ∝ velocidad²). Funciona bien si la carga es puramente cuadrática y sin transitorios de par.
• Dynamic V/F de Control Techniques: Eficaz para carga constante. Adapta activamente la tensión a la corriente del motor, debilitando el flujo automáticamente al reducirse el par de carga, sin asumir características par/velocidad. Reacciona rápido ante aumentos bruscos de par, evitando paro del motor.

Optimizar el control del motor – Frecuencia de conmutación PWM

La conmutación PWM añade pérdida en el motor (mayormente independiente de carga = pérdida fija adicional). Mayor frecuencia de conmutación → menor pérdida añadida en motor, pero mayor pérdida por conmutación en el inversor (dependiente de corriente).

Investigaciones para EN 50598-2 muestran que, por debajo de 90 kW, la mejor eficiencia conjunta (motor IE3 + variador) a plena carga se logra a ~4 kHz (curva poco pronunciada). Por eso la norma mide en esas frecuencias.

Figura 1 (ejemplo): En un motor pequeño y su variador, la frecuencia óptima a plena carga es ~5 kHz; a media carga, ~7 kHz (pérdidas del inversor menores a carga parcial). Un variador que adapte su frecuencia de conmutación a la corriente del motor mejora la eficiencia a carga parcial —valioso en aplicaciones que operan mayormente a carga parcial.

Los variadores Unidrive M de Control Techniques incorporan adaptación automática de frecuencia de conmutación: operan a la frecuencia más alta especificada por el usuario, reduciéndola solo si las pérdidas del inversor se vuelven excesivas. Así se minimiza la pérdida por conmutación en el motor salvo que cause pérdida excesiva en el variador.