Maximizando la Eficiencia Energética con Variadores de Velocidad – Guía Experta (Parte 1)

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

Contexto regulatorio: Reglamento UE y normas EN 50598

Algunos lectores sabrán que hay un nuevo reglamento de la UE en tramitación para regular la eficiencia de variadores y sistemas de accionamiento. Aún en consulta (sin número oficial), se identifica mediante el mandato CE M/476 y se denomina "Lote 30" en el proceso de consulta de la directiva ErP (Productos Relacionados con la Energía). La consulta parece estancada, pero las normas técnicas de soporte ya existen: EN 50598-1 y EN 50598-2. La intención es que los variadores tengan clases de eficiencia como los motores industriales, y que en alguna fase se prohíba la clase más baja en el mercado UE. Los fabricantes deberán proporcionar datos adicionales sobre pérdidas a carga parcial, para que los usuarios evalúen la eficiencia global de su aplicación.

Antes de que entre en vigor, los usuarios pueden interesarse por el reglamento propuesto y las clases de eficiencia, para valorar su relevancia en la eficiencia de su producto o sistema final. En este artículo repasamos los fundamentos de la eficiencia en sistemas de accionamiento; en el siguiente profundizaremos en las normas y el reglamento.

Una de las razones principales para usar un variador es regular la velocidad del motor según la demanda del proceso final, optimizando así el consumo energético. Esto es especialmente valioso al mover fluidos (gases y líquidos), ya que la fricción viscosa hace que la potencia requerida varíe con el cubo del caudal: una pequeña reducción de caudal genera una gran reducción de potencia. Métodos como compuertas, válvulas o álabes variables también causan pérdidas innecesarias. Este principio es bien conocido y hay abundantes guías [refs. 1 y 2]. No obstante, con el futuro reglamento en mente, conviene revisar algunos principios para mantener en perspectiva el efecto de la regulación y las normas.

Pérdidas de energía en un sistema de accionamiento

El diagrama (no a escala) ilustra cómo se consume la potencia en una aplicación con variador. Es más claro trabajar en términos de pérdidas que de eficiencias. En cada etapa hay una pérdida de potencia en el dispositivo correspondiente, expresada habitualmente como proporción de su rendimiento nominal.

La potencia perdida emerge como calor, normalmente al aire circundante. A veces puede aprovecharse, pero suele considerarse desperdiciada, e incluso puede generar costes adicionales si requiere ventilación o refrigeración extra. Las pérdidas reales varían mucho entre aplicaciones, pero un desglose típico para una aplicación de movimiento de aire a máxima carga se muestra en la Tabla 1. En cada etapa, la pérdida en un dispositivo depende tanto de la salida útil del sistema como de las pérdidas acumuladas de todos los dispositivos posteriores.

En este ejemplo, la eficiencia global es ~56,6%. La mayor pérdida está en el actuador (30%, típico para ventilador de aire). El aire es un fluido difícil de mover eficientemente; una bomba moderna puede tener pérdidas cercanas al 10%. Todas las pérdidas mostradas pueden reducirse con tecnología mejorada, y la atención a la eficiencia hace que tiendan a disminuir con el tiempo.

Obsérvese que la pérdida del variador es la menor de la lista, realista en la gran mayoría de aplicaciones. Una pérdida del 3% es casi trivial comparada con las demás. Los variadores modernos tienen pérdidas muy bajas, impulsadas por el deseo de unidades físicamente compactas, lo que obliga a minimizar disipadores y ventiladores, y por tanto las pérdidas. El rendimiento del variador incluye todas las demás pérdidas, así que la pérdida nominal del 3% (según datos del variador) se convierte en 5,1% expresada como proporción de la salida del sistema. El uso inteligente del variador permite a menudo reducciones útiles en las pérdidas de otros dispositivos, generando ahorros que superan ampliamente las pérdidas del propio variador. Pero hay que considerar las condiciones reales de operación, no solo la condición de carga máxima.

Control y pérdidas

Los valores típicos de pérdida comentados son valores "nominales" a carga o rendimiento nominal de cada dispositivo. Son relevantes cuando el sistema opera a su máxima capacidad de diseño. Muchos sistemas pasan gran parte de su vida por debajo de carga nominal, porque la demanda varía pero el sistema debe dimensionarse para el máximo. Además, el rendimiento suele juzgarse por la capacidad máxima, así que el proveedor tiende a sobredimensionar componentes para evitar rechazos en pruebas de aceptación. Se necesita un sistema de control con método para ajustar la salida. La técnica de control aplicada afecta mucho a la eficiencia a carga parcial. Por ejemplo, compuertas de aire y válvulas de regulación causan altas pérdidas a carga parcial, porque provocan subida de presión en ventilador/bomba, obligándolos a desarrollar más potencia de la necesaria en el punto de entrega. El variador evita esta pérdida adicional.

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

• Pérdida fija (independiente de la salida): reduce la eficiencia a carga parcial.
• Pérdida proporcional: no afecta a la eficiencia a carga parcial.
• Pérdida creciente (p.ej. ley cuadrática): reduce la eficiencia a plena carga.

El resultado es que suele haber un nivel de carga de eficiencia óptima (en motor de inducción estándar, ~80% de la nominal). A mayor salida, la eficiencia cae ligeramente; a menor salida, también cae, aunque la pérdida absoluta de potencia también disminuye.

Pérdidas en un sistema de accionamiento eléctrico variable

Tras resumir la situación general, examinamos en detalle el sistema eléctrico de accionamiento (motor + variador). La salida es potencia mecánica en el eje del motor (producto de par y velocidad). Ambos tienen componentes de pérdida que varían con par y velocidad. La Tabla 2 resume estos aspectos. Para simplificar, asumimos corriente proporcional al par (ignorando corriente de magnetización del motor).

Hay que considerar el efecto de velocidad y par tanto por separado como combinados. Las pérdidas resistivas del motor dependen casi enteramente del par, independientemente de la velocidad; lo mismo ocurre en la etapa inversor del variador. En cambio, las pérdidas en la etapa rectificadora de entrada del variador son función pura del rendimiento de potencia (producto par × velocidad).

Esta imagen compleja se simplifica al considerar un tipo de carga específico donde par y velocidad están relacionados. Por ejemplo, una bomba o ventilador simple que alimenta un proceso con poca altura estática (presión predominantemente ley cuadrática del caudal) da par con ley cuadrática de la velocidad. Por el contrario, un transportador tiene par mayormente independiente de la velocidad, pero dependiente de la demanda. Estos dos tipos se denominan aplicaciones de "par variable" y "par constante" respectivamente.

Además de las pérdidas intrínsecas del variador y motor por separado, existen pérdidas función de la combinación de ambos. Los factores clave de interdependencia son:

• Densidad de flujo magnético de operación, controlada por el variador e impuesta al motor, afectando pérdidas por magnetización (también pérdidas resistivas para un par dado; hay una densidad óptima para cada par y velocidad).
• 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 causa pérdidas adicionales por corriente en el variador.

Un estándar simple de eficiencia del variador solo trataría sus pérdidas con carga motor estandarizada. Un estándar útil debe abordar la interdependencia y gestionar compromisos; por ejemplo, la frecuencia PWM elegida debe equilibrar el deseo de minimizar pérdidas en el variador (frecuencia baja) y en el motor (frecuencia alta). También debe permitir al diseñador de un sistema o máquina completo calcular las pérdidas en toda la máquina sobre su rango práctico de condiciones de operación.

En el próximo artículo analizaremos más de cerca las normas, especialmente EN 50598-2, que especifican clases de eficiencia para variadores, y veremos cómo gestionan estos requisitos. También examinaremos funciones disponibles en el variador para optimizar la eficiencia, particularmente las pérdidas a 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] https://www.gambica.org.uk/resourceLibrary/CEMEP_guide_to_energy_efficiency_with_electric_drive_systems.html