Sguenosen: Automatizacin+ControlIndustrial+RFID

............................................................................................................................................................................................AhorrodeEnergausandoVariadoresdeFrecuenciaLosvariadoresdefrecuenciamejoranlaeficienciaenergtica,optimizanelrendimientodelmotoryreducenlostiemposdeinactividad.Esteartculoabogaporelusodevariadoresdefrecuencia,quelasinstalacionesindustrialespuedenutilizarparaaumentarlaeficienciaenergticayofrecerunmayorcontrolsobresusprocesos.

Elretornodeinversinenlacompradevariadoresdevelocidadsueleserdeentre12a18meses,dependiendodelautilizacindelmotor.

ndice

1Sntesis2FundamentosdelmotordeCA2.1Velocidad2.2FactordePotencia3Entendiendoalosvariadoresdefrecuencia3.1Controldevelocidadypar3.2Menosestrsmecnicoymenorconsumodecorriente4Ahorrodeenerga4.1Optimizacindesistemasdetransportadores4.2Mayoreficienciaenaplicacionesdebombeo4.3Regeneracinencentrfugas5Msalldelahorrodeenerga

Sntesis

Entendercmolosvariadoresdefrecuenciatrabajanparamejorarlaeficienciaenergticayoptimizarelrendimientodelsistema.Controlarlavelocidaddelmotoryreducirelgastoenergtico.losvariadoresdefrecuenciaimpulsanelahorronetodeenergayserecortaeltiempodeinactividad.

Existendoslimitacionesdediseoinherentesalosmotoresdeinduccinqueserefierenalaeficienciayalconsumodeenerga:Losmotoresestndiseadosparafuncionaraunavelocidaddeterminada.Puedensermuyeficientesoperandoaestavelocidadsinembargo

sueficaciasereducesignificativamentecuandoseutilizanmediosmecnicosoresistivosparavariarlavelocidaddelmotor.Debidoaquelosmotoressonengranmedidacargasinductivas,tienenunfactordepotenciaqueesmenorauno.

Eladvenimientodevariadoresdefrecuenciaenlosaos1970y1980proporcionelprimermtodoeconmicamenteviableparaeludirestaslimitaciones.Conelusodeunvariadordefrecuencia,lasinstalacionesindustrialespuedencontrolarlavelocidaddelmotoryelfactordepotenciaproporcionandounmayorcontroldesusprocesos.Elretornodelainversinparalacompradevariadoresdevelocidadsueleserdeentre12a18meses,dependiendodelautilizacindelmotor.

FundamentosdelmotordeCAVelocidadLavelocidaddeunmotordeinduccinserigepordosatributos:lafrecuenciaelctricayelnmerodepolos.EnMxico,unmotorqueestconectadodirectamentealaCompaadeEnergaElctricatendrunafrecuenciadeexcitacinde60hercios(Hz).Conunmotordecuatropolosestndar,lasrevolucionesporminuto(rpm)son1800,calculadoconlasiguientefrmula:

Elusodeunmotorasuvelocidadnominalresultaenunndicedeeficienciacercaalasespecificacionesdelfabricante.Sinembargo,sepresentansituacionesenqueunoperadorlegustaracambiarlavelocidaddelmotor.Porejemplo,unoperadordeunabombahidrulicainstalaunavlvuladelimitacindeflujoparasercapazdecontrolarelflujodeaguadelabomba.Enestecaso,elusodelavlvulaesanlogaalaconduccindeuncochevariandolavelocidaddelvehculoconelfreno.Enamboscasoslaconduccinusandoelfrenoparaajustarlavelocidadyusandounavlvuladelimitacinparalimitarelflujoresultaenunusodeenergaineficiente.Laeficienciadeunmotorpuedemantenerseaunmximopermitindologirarasuvelocidadnominal,lacualsedeterminaconlaecuacinanterior.Medianteelajustedelafrecuenciadeexcitacinsuministradaalmotor,lavelocidaddelmotorpuedesercontroladaycambiada,evitandoalmismotiempoelusodeunavlvulaofrenomecnico.Estoesprecisamenteloquehaceunvariadordefrecuencia.FactordepotenciaLosmotoresoperanmediantelautilizacindecamposmagnticos.Losdetallesdecmofuncionaestonoestanimportantecomodarsecuentadeloqueproduceimplicauncampomagntico.Haydostiposdecorrientequeutilizaelmotor:corrientedelrotorylaintensidaddemagnetizacin.Elmotorutilizalacorrientedelrotorparaproducirpar(torque).Lacorrientedemagnetizacinesutilizadaporelmotorparacrearloscamposmagnticos.Larelacinentrelacorrientemagnetizanteylacorrientetotalqueeslasumadelrotorylascorrientesdemagnetizacindeterminaelfactordepotenciadelmotor.Lafigura2muestraelcircuitodelmotor.Lasecuacionesponenderelievelacorrienteatravsdelcircuito(I1eslacorrientedelestator,IMeslacorrientedemagnetizacin,eI2eslacorrientedelrotor).

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Figura2.CircuitoequivalenteparaunmotordeinduccindeCA

LaFigura3representalaintensidaddeloscamposmagnticosdentrodeunmotor.Estoscamposestncambiandoconstantemente,ycadamotorutilizacorrientedemagnetizacinparacrearlos.Loscaballosdefuerza(HP)delmotor,sugeometra,elmaterialdelqueesthecho,yunnmerodeotrosfactoresdeterminanlacantidaddecorrientedemagnetizacinqueserequiereparacrearestoscamposmagnticos.

Figura3.CamposmagnticosenunmotorLaCompaadeEnergaElctricatienelmitesenlacantidaddecorrientedemagnetizacinquepuedeconsumiruncliente.Siunclienteexcedeestelmite,entonceslaCompaadeEnergaElctricalopenalizarparaquecorrijaelfactordepotencia.CondensadoresuotrossistemasdecorreccindefactordepotenciamsavanzadospuedenserutilizadosparamitigarlacorrientedemagnetizacinqueseextraedelaCompaadeEnergaElctrica.Losvariadoresdefrecuenciaayudanaeliminarlanecesidaddecondensadores.Cuandoseutilizaunacombinacindeunvariadordefrecuenciaymotor,elvariadorseinstalaentreelmotorylaCompaadeEnergaElctrica.Debidoaqueelfactordepotenciadelvariadorestpicamentenoinferioral98porciento,steactacomounamortiguador.Porlotanto,laCompaadeEnergaElctricanosercapazde"ver"elbajofactordepotenciadelmotor,ynonecesitarnserinstaladosbancosdecapacitoresadicionales.

EntendiendoalosvariadoresdefrecuenciaLosvariadoresdefrecuenciaconstandecuatroseccionesprincipales:unrectificadordecorrientedirecta(CC),unbusdeCC,uninversoryunmicroprocesador.Energatrifsicaomonofsicaapartirdeunafuentedecorrientealternaa60Hz(AC)sealimentaalaentradadelaunidad.Unconvertidor(orectificador)deCAaCCconviertelacorrientealternaencorrientedirectatpicamente,seutilizaunrectificadordeseisdiodosparahacerestaconversin.Despusdequeestaenergaseconvierte,sealmacenaenelbusdeCC.ElbusdeCCconstadecondensadores,quemantienenelfactordepotenciadelaunidadcercadeunoyeliminanlanecesidaddecondensadoresexternosenlosmotoresconbajofactordepotencia,segnloespecificadoporlaCompaadeEnergaElctrica.ElbusdeCCseutilizapararegularomantenerunatensincontinuaconstanteyalimentaralaseccindelinversordelaunidad.Elinversorutilizalascapacidadesdeconmutacindelostransistoresbipolaresdecompuertaaislada(IGBT)paraconvertirlatensindeCCenimpulsos,simulandounaondasenoidaldeCA.LafrecuenciadesalidaylatensindelmotorseajustavariandoladuracindecadapulsodeltransistorIGBTaquesdedondeeltrminoModulacindeAnchuradePulso(PWMPulseWidthModulation)proviene.Porltimo,elmicroprocesador(nomostradoenlafigura4)interpretaloscomandosdelusuarioatravsdeunteclado,determinalesdeentrada/salida,oprotocolosdecomunicacinyregulalamodulacindelosIGBT.UndiagramasimplistadeunvariadordefrecuenciadeCAsemuestraenlafigura4.

Figura4.Configuracinbsicadeunvariadordefrecuencia

ControldevelocidadyparLosvariadoresdefrecuenciapermitenalosusuariosajustarlavelocidaddelosmotoressinmediosmecnicosadicionales.Tambinproporcionanunparconstante,manteniendounavelocidadconstanteinclusocuandolacargacambia.Unaescaleraelctricaesunbuenejemplodeestacaracterstica.Lasescaleraselctricasmantienenunavelocidadconstantenoimportandosiesunapersonaoveintepersonaslasqueestnsubiendoalmismotiempo.LosVariadoresdeFrecuenciapuedensupervisarlacargayajustarladinmicamenteparamantenerlavelocidad.Lafuncionalidaddeuncontroladorlgicoprogramabletambinseincorporaenalgunasunidades.Entradasysalidasdigitalesyanalgicassoncomunesenlamayoradelasplataformasdevariadoresdefrecuencia.Estopermitequelalgicadecontrolpuedaaadirseenelfuncionamientodelaunidad.Porejemplo,las

unidadespuedencambiarlavelocidaddelmotorenbasealoscambiospredeterminadosdelostrabajadoresensusentornosoperativos.MenosestrsmecnicoymenorconsumodecorrienteLasunidadestambinayudanareducirlosesfuerzosmecnicosyelctricosenlainfraestructuradelasinstalaciones.Elarranqueaplenacargapuedecreargrantorsininstantnea,friccin,yesfuerzosdetensinenlosejesdelmotor,lasbandasylosacopladores.Elesfuerzoinstantneoyrepetitivopuedeprovocarelfalloprematurodeestosdispositivos.Adems,sepuedeconsumirunacantidadexcesivadecorriente,hasta13vecesmsamperiosdelmotoraplenacarga(FLA),dependiendodeltipoNEMAdelmotorutilizado.LosmotoresdeinduccinNEMAtpicosestiloBdejauladeardillaconsumirnhastaseisosieteveceslacorrientedelmotoraplenacarga.Lairrupcindecorrienteenlascargasmsgrandespuedeagotarlacapacidadelctricadeunainstalacinycrearnumerososproblemas,incluyendodisrupcindelcontactor,cadasdeluzylainterrupcindelasredesdetecnologadelainformacin.Adicionalmente,algunascompaaselctricascobranlaenergabasadasenelusodelademandapico.Lasgrandescorrientesdeentradaovariosmotoresarrancandoalmismotiempopuedensuperarfcilmentelacapacidaddeunainstalacinydarlugaraexcesivascargasdedemandapico.Adems,lamayoradelasunidadesoperanenlapendientelinealdelacurvadepar/velocidaddeunmotor,haciendocoincidirlafrecuenciaelctricaymecnicadelmotor.Estoproducemsparporamperioqueunarrancadorconectadodirectoalalnea,maximizandoaslaenergaqueseutiliza.Unaexploracindeunatpicacurvadeparcontravelocidad(figura5)paraunmotorNEMABayudaailustraresto.Idealmente,elmotoroperaenlaporcinlinealdelacurvadeparcontravelocidad.Estoapoyaelparylaeficiencianominal.Sinembargo,cuandoseutilizaunfrenomecnico,elrendimientodelmotorsemuevehacialaizquierda,fueradeestaaltaeficiencia,reginlinealsobreelpardejorobayenlareginnolinealmxima.Aquesdondeelmotorconsumemsamperiosparaelpardetorsinqueproduce,ylaeficienciasereducesignificativamente.LosVariadoresdefrecuenciaajustablesdesplazanlacurvadeparvelocidad,demaneraqueelmotorfuncionaenlaporcinlinealdelacurva.LaFigura6representacmolaunidadreducelafrecuenciaymuevelacurvadeparvelocidaddelaizquierda,demodoqueelmotorfuncionaconstantementeenelmximodeeficienciaposible.

Figura5.CurvatpicatorqueversusvelocidadparaunmotorNEMAB

Figura6.Curvadedesplazamientodetorqueversusvelocidadamedidaquesereducelafrequencia

AhorrodeenergaOptimizacindelossistemasdetransportadoresCuandoseutilizanvariadoresdefrecuenciaensistemasdetransportadores,lasunidadesevitanlanecesidaddeengranajesyembragues,quetambinpermitenmltiplesvelocidadesdentrodelossistemasdetransporte.Eliminandoengranajesyembraguesaumentalaeficienciaydisminuyeloscomponentesmecnicos,reduciendolostiemposdemantenimientoyparo.Adems,sisecombinaconsensores,lasunidadessonidealesparaaplicacionesdeespaciamientoentransportadores.Ellospuedencontrolarmuyrpidamenteyconprecisinlasvelocidadesdelostransportadores.MejoradelaeficienciaenaplicacionesdebombeoUnaplantacuentaconunmotorde100caballosdefuerzafuncionando15horasaldaconunavlvuladeestrangulacin(detreshorasa100porciento,treshorasa80porciento,ynuevehorasa50porcientodelavelocidad).Silaunidaddecontroldelavlvulaylavlvulasereemplazanconunvariadordefrecuenciaparaquecoincidaconlavelocidadrequerida,seobtieneenteoraunahorrodeenergasignificativo.Estetipodeahorrosepuedeentendermejormediantelarevisindelasleyesdeafinidad(figura7).Entoncespodemoscalcularlosrequisitosdecargatericasylosahorrospotencialesdeenerga.Laprimeracurvamuestraqueelflujovaralinealmenteconlavelocidad.Alreducirlavelocidadal50porciento,elflujodisminuyeal50porciento.Lasegundacurvamuestraquelapresinvaraconelcuadradodelavelocidad.Sivamosa50porcientodelavelocidad,vamosatenerel50porcientodelflujodelaprimeracurva,perolapresinsersloel25porcientodelasegundacurva.Laterceracurvamuestralapotenciarequeridaparaunflujoparticular.Vemosquelaenergavaracomoelcubodelavelocidad.Unavezmssiponemoslavelocidadal50porciento,tenemoselflujode50porcientoal25porcientodelapresin,peroasloel12,5porcientodepotencia.Esaqudondeentraenjuegoelpotencialahorroenergtico.Estascurvasaplicansolamenteenaplicacionesdeventilacindondenohaypresinesttica.Tambinexisteunimportanteahorroconbombas,sinembargo,lascurvassonligeramentediferentesdebidoalapresenciadepresinesttica.

Figura7.LasleyesdeafinidadLafigura8muestralosahorrospotencialesdeenergaenunaaplicacindeventilador.Siundispositivodeestrangulamientoseutilizaparacontrolarelflujo,laenergautilizadapuedeserdescritaporlacurvasuperiordelafigura.Siseutilizaunvariadordefrecuencia,lacurvainferiordescribelaenergautilizada.Ladiferenciaeselahorrodeenerga.Lafiguramuestraqueelmximoahorrodeenergaseproducecuandoeloperadornecesitareducirlavelocidaddeflujodelsistema.

Figure8.AhorrodeenergausandounvariadordefrecuenciaenlugardeunavlvuladeestrangulamientoRegeneracinAplicacionesdecentrfugaLascentrfugaspuedensergrandesytenerunmuyaltomomentodeinercia.Estetipodecargasseutilizanamenudoenaplicacionesdeprocesamientodealimentos(porejemplo,refinerasdeazcar).Aunquesenecesitaunacantidadsignificativadeenergaparacomenzaragirarestasgrandesinercias,despusdeempezaragirar,nohacefaltamuchaenergaparamantenerlarotacin.Siunainstalacintienedoscentrifugadorasquefuncionanaintervalos,segastarunacantidadsignificativadeenergaparahacergirarunacentrfuga,ydespussimplementesedisiparlaenergacuandolaotracentrfugagiremuylentamente.MedianteelusodedosunidadesconunbusdeCCcomn,losoperadoresdecentrifugadoraspuedenreducirsuconsumodeenergacasialamitad.

Figura9.Doscentrifugadorasqueutilizanlascapacidadesregenerativas

Enlafigura9,doscentrifugadorasestnconectadasasuspropiasunidadesinversorasindividuales.ElextremodelanterosealimentadeelectricidaddelaredpblicaparaalimentarelbusdeCC.Lacentrfuga1sealimentadelbusdeCCparaquelacentrfugaalcancelamximavelocidad.Cuandoeshoradedetenerlacentrifugadora1yarrancarlacentrifugadora2,lacentrfuga1comienzaaactuarcomoungeneradoryalimentaelbusdeCCcomn.Lacentrfuga2esentoncescapazdegirarusandolaenergadelacentrfuga1.Cualquierpotenciaextraqueserequiereparallevaralacentrfuga2atodavelocidadestaracargodelapartedelanteradelbusdeCCcomn.Deestamanera,laenergasereciclamedianteelusodeunvariadordefrecuenciacondosinversoresyunbusdeCCcomn.RebobinadorasOtradelasaplicacionesbeneficiosasparavariadoresdefrecuenciaregenerativoseselcortelongitudinaldepapel.Enelprocesodefabricacin,elpapelsepresionainicialmenteenhojasanchas,quesedebencortarenotrasmspequeas.Estorequierequeelpapelsemantengatensocuandosecorta,loqueseconsigueconunacombinacinrebobinadorydesbobinador.Eldesbobinadorsostieneelrollodepapelyactacomounfrenolabobinadoratiradelpapelhacialyrequieredeunmotorparaaplicarpardetorsin.Aligualqueelejemploanteriordecentrfuga,eldesbobinadorproporcionaenergaalbusdeCCcomn,yaqueactacomoungenerador.ElenrolladorsealimentadelbusdeCCcomnparaaplicartorque.LapartedelanteramantieneelbusdeCCcomncargado,peroestoslorequiereunapequeacantidaddeenergadelaredpblica.

VentajasmsalldelahorrodeenergaUnaconfiguracindevariadordefrecuenciacondosinversoresyunbusdeCCcomnproporcionacapacidadesregenerativasyunenormeahorrodeenerga.Msalldeahorrodeenerga,lasunidadestambinofrecenuncontroldepar/velocidadycontroldeautomatizacin.Estascapacidadessepuedenobservarenaplicacionesdebombeo,transportedepersonas,sistemasdetransporte,ymuchosotros.Adems,lasunidadestambinpuedenserutilizadascomounaherramientadediagnsticodegranalcancepararegistraryanalizarlosperfilesdecargadelmotor,losdatosdefallosdelsistema,yotrascaractersticasoperacionales.Unvariadordefrecuenciatambintienemuchascaractersticasqueayudanaprotegerelmotor.Conestascaractersticas,losfabricantespuedentomarmedidasparaprevenireltiempodeinactividadyprotegerlainversinquehanhechoensuequipo.