UNIVERSIDAD DE ATACAMAINSTITUTO TECNOLOGICO

VARIADORES DE FRECUENCIALA ELECTRONICA DE POTENCIA AL SERVICIO DE LAS PLANTAS DE AGUAY AGUAS RESIDUALES

ANTONIO AVILA GALLEGUILLOS2015

UNIVERSIDAD DE ATACAMA INSTITUTO TECNOLOGICO

VARIADORES DE FRECUENCIALA ELECTRONICA DE POTENCIA AL SERVICIO DE LAS PLANTAS DE AGUAY AGUAS RESIDUALES

INFORME DE PRCTICAPARA OPTAR AL TITULO DETECNICO UNIVERSITARIO EN ELECTRICIDAD.

Profesor Gua:Sr. Juan Astorga Gmez

ANTONIO AVILA GALLEGUILLOS2015CAPITULO I

1.1.-VDF Fundamentos en la reduccin de los costes y mejora en la comodidad.En comparacin con los sistemas de control mecnicos, el control de velocidad de electrnica de potencia puede ser un agente de ahorro cuantioso en energa elctrica y reducir de manera sustancial los costes de funcionamientos de una planta del tipo industrial. Ambos factores reducen significativamente los costes de funcionamiento. Cuantas veces ms funciones los sistemas de variacin de velocidad con carga parcial, mayor ser el potencial de ahorro de costes energticos y de mantenimiento. Dado el alto potencial de ahorro energtico, el coste extra que supone un sistema de control de velocidad electrnico puede recuperarse en unos pocos meses. Adems, los sistemas modernos tienen un efecto extremadamente positivo sobre muchos aspectos de los procesos del sistema y sobre la disponibilidad del sistema en general. 1.1.1 Alto potencial de ahorro energtico Con un sistema de control de velocidad electrnico, el caudal, la presin o la presin diferencial puede ajustarse en cada momento segn la demanda. En la prctica, los sistemas funcionan principalmente con carga parcial y no a plena carga. En caso de ventiladores, bombas o compresores con caractersticas de par variable, el alcance de ahorro de energa depender de la diferencia entre el funcionamiento con carga parcial y a plena carga. Cuanto mayor sea esta diferencia, menos tiempo ser necesario para recuperar la inversin que suele ser de unos 12 meses.

1.1.2 Limitacin de la corriente de arranque La conmutacin del equipo conectado directamente a la red de CA genera intensidades pico que pueden ser de seis a ocho veces superiores a la corriente nominal. Los convertidores de frecuencia limitan la corriente de arranque a la corriente nominal del motor. De esta manera, eliminan los picos de intensidad de encendido y evitan cadas de tensin debidas a una fuerte carga de transitorios de la red de alimentacin. Eliminando estos picos de corriente, se reduce la carga conectada al sistema de bombas desde el punto de vista de la empresa distribuidora de electricidad, que reduce los costes de suministro.

1.1.3 Menor desgaste del sistema Los convertidores de frecuencia realizan partida y detencin del motor en forma suave, a diferencia de los motores que funcionan con conectados directamente de la red de CA, los motores accionados por convertidores de frecuencia no provocan golpes de par ni de cargas. Esto reduce la tensin en todo el conjunto de transmisin (motor, caja de engranajes, embrague, bomba/ventilador/compresor) y del sistema de tuberas, incluyendo las juntas. De esta manera, el control de velocidad reduce significamente el desgaste y prolonga de forma considerable la vida del sistema.Los costes de mantenimiento y de reparacin son inferiores gracias a periodos de funcionamiento ms largos y a un menor desgaste del material.

1.1.4 Ajuste del punto de funcionamiento ptimoLa eficiencia de los sistemas de gestin de aguas y aguas residuales depende del punto de funcionamiento ptimo.Este punto vara segn la utilizacin de la capacidad del sistema. El sistema funciona de forma ms eficiente cuando funciona ms cerca del punto de funcionamiento ptimo. Gracias a su velocidad continuamente variable, los convertidores de frecuencia pueden accionar el sistema en el punto exacto de funcionamiento ptimo.

1.1.5 Rango de control ampliadoLos convertidores de frecuencia permiten el funcionamiento de motores en el rango de sobresncrono (frecuencia de salida superior a 50 Hz.). Esto permite reforzar la potencia de salida brevemente. La pregunta es: hasta qu punto es posible este funcionamiento sobresncrono, depender de la intensidad de salida mxima y de la capacidad de sobrecarga del convertidor de frecuencia. Previa consulta al fabricante del motor si este es el adecuado para un funcionamiento sobresncrono.

1.1.6 Bajo nivel de ruido Los sistemas que funcionan con carga parcial son ms silenciosos. Un funcionamiento con control de velocidad reduce significativamente la generacin de ruido acstico.

1.1.7 Aumento de la vida tilLos sistemas de convertidores de frecuencia que funcionan con carga parcial sufren menos desgaste, lo que se traduce en una vida til ms larga. La presin reducida y optimizada tiene tambin un efecto beneficioso sobre las tuberas.

1.1.8 Reacondicionamiento Los convertidores de frecuencia pueden someterse a un reacondicionamiento en sistemas de accionamientos ya existentes con muy poco esfuerzo.

CAPITULO II

2.1.- El control de velocidad ahorra energa

El potencial de ahorro de energa cuando se utiliza un convertidor de frecuencia, depende del tipo de carga que maneja el convertido de frecuencia y de la optimizacin de la eficiencia de la bomba o de la unidad, as como del periodo de tiempo en que el sistema funciona con carga parcial. Los sistemas domsticos de aguas y aguas residuales se disean para cargas con picos muy pocos frecuentes, por lo que en general funcionan con carga parcial. Las bombas centrifugas y los ventiladores ofrecen el mayor potencial de ahorro de energa. Entran dentro de la clase de mquinas de flujo de fluidos con curvas de par variable sometidas a las siguientes normas de proporcionalidad.El flujo aumenta linealmente con una velocidad creciente (rpm), al tiempo que la presin aumenta cuadrticamente y el consumo de energa aumenta cbicamente.El factor decisivo para ahorros de energa es la relacin cbica entre rpm y consumo de energa. Una bomba que funciona a la mitad de su velocidad nominal, por ejemplo, necesita solamente un octavo de la potencia necesaria para el funcionamiento a velocidad nominal. Incluso reducciones pequeas de velocidad pueden conducir a un significativo ahorro energtico. Por ejemplo, una disminucin de la velocidad del 20% genera un ahorro de energa del 50%. El beneficio principal de utilizar un convertidor de frecuencia es que el control de velocidad no malgasta potencia (al contrario que la regulacin con una vlvula reguladora o una compuerta, por ejemplo), sino que ajusta la potencia del motor para que responda exactamente a la demanda efectiva.Adems se puede conseguir un ahorro energtico optimizando la eficiencia de la bomba o de la unidad si se utilizan convertidores de frecuencia. La caractersticas de control de tensin (curva v/f) suministra la tensin correcta al motor para cada frecuencia (y la velocidad del motor). De esta manera, el controlador evita prdidas del motor que son resultado de una corriente reactiva excesiva.

2.2.- Eficiencia energtica, principio de funcionamiento del VDF para sistemas de traslado de fluidos

Los convertidores de frecuencia estn entre las principales soluciones para aumentar la eficiencia energtica de las instalaciones, ya que una gran parte de la electricidad que se produce en el mundo se utiliza para el transporte de fluidos.En procesos industriales y en las grandes urbes, el 72% de la electricidad es consumida por motores, de los cuales el 63% se utiliza en bombas, ventiladores y compresores. El principio de funcionamiento implica accionar un impulsor (generalmente un motor asncrono) que transfiera energa mecnica a un fluido, la cual se convierte en energa potencial (representada por la presin) y energa cintica (representada por el caudal), estos motores trabajan a una velocidad constante pero estn perfectamente preparados para trabajar a velocidad variable si se accionan con variadores de frecuencia. La misin de la bomba es entregar una cierta cantidad de fluido en un tiempo dado a una presin determinada. Los parmetros ms importantes son el Caudal (Q) y la altura manomtrica (H).A continuacin la curva de funcionamiento de una bomba:

El rea bajo la curva representa la potencia til suministrada por la bomba.Una vez que sabemos a grandes rasgos como funciona una bomba veamos qu es lo que se hace para variar el caudal de la misma a velocidad fija, se aplican varios mtodos:

a) Uso de vlvulas aguas debajo de la bomba b) Uso del circuito de derivacin (By Pass)c) Funcionamiento intermitente (paro-marcha)d) Bombas en paraleloEn el uso de restriccin por cierre de vlvula aguas debajo de la bomba, esta produce un aumento de la presin de salida de la bomba y una prdida de energa en el fluido.

En la grfica se observa que el punto de funcionamiento A corresponde al caudal Qn(Mximo caudal). El punto B al caudal reducido Qr. El punto de funcionamiento ptimo del sistema para este caudal es C , siendo el rea bajo la curva (zona sombreada) las prdidas de potencia con esta forma de trabajo.A continuacin se analiza cmo sera el proceso utilizando variadores de frecuencia. Si consideramos una bomba en si misma (sin tener en cuenta la altura de la columna de agua) una velocidad de giro N, diferente de la velocidad nominal NnEl caudal es proporcional a (N/Nn)La altura manomentrica (TDH) es proporcional a (N/Nn)La potencia es proporcional a (N/Nn)3As pues a partir de la curva caracterstica a velocidad nominal, la TDH (Q) a otra velocidad diferente puede trazarse, punto a punto, situando los puntos homlogos en una parbola como en la grfica siguiente:

Entonces volviendo a la grfica que tenamos antes del funcionamiento de la bomba y aplicando la variacin de velocidad se obtendra la siguiente grfica:

Podemos observar que la potencia til suministrada por la bomba es proporcional a las reas rectangulares sombreadas: se evidencia una reduccin significativa de potencia en la configuracin de la variacin de la velocidad.As pues variar la velocidad de giro permite usar la bomba siempre a su nivel de eficiencia ms alto.Cuanto ms se reduzca la velocidad mayor ser la reduccin de la potencia. El variador nos va a aportar el caudal necesario en cada momento ajustndolo a la potencia adecuada consiguiendo que ahorremos en el funcionamiento total de la instalacin. Esto es lo ms importante, pero no olvidar que los variadores nos proporcionan otras ventajas como:

La eliminacin de la vlvula estranguladora La reduccin del ruido y las vibraciones. Al no utilizar la bomba a velocidad fija durante largos periodos de tiempo lo que podra causar resonancia en la tubera. Menor riesgo de golpe de ariete y cavitacin: son fenmenos que se producen por variaciones rpidas de velocidad en la bomba y se evitan gracias a las aceleraciones y desaceleraciones graduales que producen los variadores de velocidad. La vida del impulsor de la bomba mejora al reducir la velocidad del motor mejorando la fiabilidad del mecanismo de impulsin. El control de velocidad permite a la bomba funcionar con un rendimiento mximo y aumenta la esperanza de vida de rodamientos y juntas.

CAPITULO III

3.1.- SISTEMA DE AHORRO DE ENERGIA POR CONCEPTO DE USO VDF

El punto ptimo de operacin de los motores elctricos generalmente no ocurre a la velocidad nominal del motor ni a la tensin nominal del motor, ms bien este punto se encuentra a una velocidad diferente a la de placa y a una tensin menor a la nominal. Actualmente los variadores electrnicos de velocidad, permiten que el motor trabaje muy cerca del punto ptimo de operacin.Los variadores electrnicos de velocidad permiten regular el torque que entrega un equipo sin necesidad de recurrir a opciones antieconmicas, que demandan ms energa de la requerida o que son impracticables en muchos casos; como es el caso de: recirculacin del fluido, la estrangulacin del caudal mediante vlvulas (throttle) y la detencin del equipo (On-off). Estos dispositivos permiten lograr considerables ahorros de energa en la operacin de los motores elctricos y otros beneficios adicionales, tales como prolongacin de la vida til de los equipos accionados por los motores, menor ruido, menos desgaste, mejor control y posibilidades de regeneracin, en relacin a los motores que no disponen de este dispositivo.

Recientes estudios, muestran que las bombas requieren 31% de la energa usada, los compresores 18%, los ventiladores y secadores 18% y las bandas transportadoras cerca del 14%. Las cargas que tienen momento variable son las mejores candidatas a adicionar un VDF para ahorrar energa. Los ventiladores y bombas centrifugas son cargas de torque variable donde la potencia requerida varia con el cubo de la velocidad, de esta manera al disminuir la velocidad de operacin disminuir la potencia requerida por el motor y el ahorro de energa viene de reducir la velocidad del motor.

3.2.- LEYES DE AFINIDAD PARA LA UTILIZACION DE VDFLas leyes de afinidad expresan la relacin matemtica entre varias variables involucradas en el rendimiento de las bombas. Se aplican a todos tipos de bombas centrfugas y de flujo axial. stas son las siguientes:

Q =Capacidad, GPMH =Carga total, piesBHP =Potencia al frenoN =Velocidad de la bomba, RPMD =Dimetro del impulsor (pulg.)

3.3.- LEYES DE AFINIDAD EN BOMBAS

En ocasiones debe modificarse la velocidad de giro de una bomba, lo cual naturalmente tiene efectos en el caudal, en la presin y en el consumo de potencia, y se rigen por las siguientes relaciones:1. El caudal vara proporcionalmente con la variacin de la velocidad:

Q2/Q1 = RPM2/RPM1

La altura o presin vara con el cuadrado de la variacin de velocidad:H2/H1 = (RPM2/RPM1)2

1. La potencia consumida vara con el cubo de la variacin de velocidad: HP2/HP1 = (RPM2/RPM1)3

Tambin se pueden efectuar modificaciones a los dimetros de los rodetes, que tienen los mismos efectos que las variaciones de velocidad, siendo las relaciones:

1. El caudal vara proporcionalmente con el cambio de dimetro: Q2/Q1 = D2/D1

1. La altura o presin vara con el cuadrado del cambio de dimetro: H2/H1 = (D2/D1)2

1. La potencia consumida vara con el cubo del cambio de dimetro:

HP2/HP1 = (D2/D1)3

En las relaciones anteriores Q: Caudal H: Presin HP : Potencia D: Dimetro del impulsor o rodetePara dos condiciones de operacin, indicadas con los subndices 1 y 2 respectivamente.