Lenze BlueGreen Solutions. Conceptos inteligentes que protegen al medio ambiente y reducen costes

Transcripción

1 Lenze BlueGreen Solutions Conceptos inteligentes que protegen al medio ambiente y reducen costes

2 Lenze BlueGreen Solutions la mejor solución para el medio ambiente 2 Los informes más recientes de la ONU indican que el consumo de energía de los países industrializados, que en la actualidad se debe principalmente a la quema de combustibles fósiles, está causando el cambio climático. La situación se está agravando debido a la rapidez del desarrollo económico de los países emergentes. Si el consumo per cápita en estas regiones del mundo crece hasta alcanzar los niveles de las grandes economías, las fuentes energéticas primarias se agotarán pronto. Por estos motivos es necesario reducir el consumo de recursos, buscando vías alternativas para generar energía y utilizando la energía aplicada de una manera mucho más eficiente. Sólo así se podrá reducir la carga para el medio ambiente y mantener al mismo tiempo el nivel de producción y prosperidad. Todos los países industrializados se han propuesto objetivos ambiciosos para la reducción de las emisiones de CO2. El significado de los accionamientos eléctricos En Alemania, casi la mitad de la energía eléctrica generada es consumida por la industria. Los responsables de casi un tercio de este consumo eléctrico son los accionamientos eléctricos. Prácticamente todos los campos del proceso de producción, el transporte automatizado de materiales o la infraestructura de las fábricas serían incapaces de funcionar sin accionamientos eléctricos. Debido al alto porcentaje de implicación y de la amplia gama de aplicaciones de los accionamientos eléctricos, se han convertido en la palanca más efectiva para incrementar la eficiencia energética en la industria. Es posible lograr una reducción en más de un 20 % utilizando soluciones inteligentes. Un mejor aprovechamiento de la energía significa al mismo tiempo una menor carga para el medio ambiente, una conservación de recursos y una reducción de los costes energéticos manteniendo la misma productividad. De esta manera, con menos energía eléctrica, se puede obtener el mismo resultado productivo. Ahorrar energía es uno de los mayores retos en la actualidad y para el futuro. Lenze quiere asumir esta responsabilidad, y por ello queremos enseñarle la manera de ahorrar energía con accionamientos le presentamos las Lenze BlueGreen Solutions.

3 3

4 Transformación de energía con sistemas de accionamiento 4 Convertidor Motor Reductor Proceso Puntos de partida para ahorrar energía Para realizar una evaluación técnica de la energía, siempre se debe tener en cuenta el sistema de accionamiento completo, es decir, convertidor, motor y reductor, ya que el rendimiento total es el que determina cuánta energía eléctrica se necesita realmente para el determinado proceso. El centro de atención es generalmente el rendimiento del motor eléctrico, aunque a través de la adaptación óptima del accionamiento al proceso de trabajo se puede lograr un ahorro aún mayor. En aplicaciones especiales se puede además convertir la energía de frenado en energía eléctrica, en lugar de dejarla desaprovechada y emitirla en forma de calor al ambiente. La unión hace la fuerza En aplicaciones industriales se utilizan sobre todo accionamientos con una potencia de 100 vatios hasta unos cuantos megavatios. En instalaciones técnicas de procedimiento dominan los accionamientos con grandes potencias. En la automatización de fábricas y centros de logística, por el contrario, se utilizan accionamientos con una potencia más bien baja, pero un gran número de ellos. En una típica fábrica de automóviles se pueden encontrar varias decenas de miles de accionamientos. En centros de logística, con frecuencia hay instalados varios miles de accionamientos. Una empresa industrial media tiene generalmente unos cuantos cientos de accionamientos, que trabajan en máquinas y procesos. Estas cifras demuestran claramente, que al realizar un análisis energético deben tenerse en cuenta todos los accionamientos. También aquellos que en realidad consumen poca energía pueden contribuir notablemente al consumo energético dependiendo del número de accionamientos que se utilicen. 146 Mil millones de kwh Status quo 119 Mil millones de kwh Soluciones para ahorrar energía Ahorro de 27 mil millones de kwh anuales Ahorro de 15 millones de toneladas de CO 2 anuales P perdida P mec P perdida P mec Consumo de energía 100 % Consumo de energía 67 % Necesidades del proceso Consumo de corriente de accionamientos eléctricos en Alemania Fuente ZVEI h 50 % h 75 % Con una mayor eficiencia energética se pueden minimizar las pérdidas.

5 Tres maneras de incrementar la eficiencia energética Accionamientos energéticamente eficientes Existe toda una serie de parámetros que determinan la eficiencia energética de los accionamientos. También son numerosos los puntos de partida para incrementar la eficiencia energética. Pero no todas las medidas tienen un resultado acorde con el esfuerzo que conllevan. Sólo un análisis del proceso mecánico permite determinar qué medidas son las más adecuadas para cada caso en concreto y cuál es la necesidad energética real. Potenciales para el ahorro El incremento de la eficiencia energética de accionamientos parte de tres principios: 1. Aplicar la energía eléctrica de manera inteligente 2. Transformar energía con alto rendimiento 3. Aprovechar energía de frenado realimentada % 15 % 10 % 1. Aplicar la energía eléctrica de manera inteligente: Tan poco como sea necesario 2. Transformar energía con alto rendimiento 3. Aprovechar energía de frenado realimentada Conceptos con gran eficiencia energética (aplicar): Dimensionado de acuerdo con las necesidades Funcionamiento regulado (convertidor de frecuencia) Movimientos y regulación energéticamente eficientes Componentes con alto rendimiento (motores, reductores) Intercambio de energía entre varios accionamientos Almacenamiento intermedio de la energía de frenado Realimentación de la energía de frenado Conceptos con poca eficiencia energética (evitar): Sobredimensionamiento Funcionamiento sin regulación Componentes con bajo rendimiento Uso de una resistencia de frenado

6 Energía eléctrica utilizada de manera inteligente 6 Para aprovechar la energía utilizada de manera efectiva, la potencia mecánica generada por el accionamiento eléctrico debe orientarse según las necesidades reales de la aplicación correspondiente. Para ello deben tenerse en cuenta la potencia máxima necesaria y las oscilaciones durante el funcionamiento. En consecuencia, un aprovechamiento inteligente y orientado a las necesidades requiere de: el dimensionado de los accionamientos según la potencia mecánica máxima necesaria la adaptación de la potencia mecánica generada a la necesidad en cada momento, que en muchas aplicaciones está sometida a claras oscilaciones. Típicos rendimientos del accionamiento bajo distintas cargas parciales: a 0,75 PN: h 75 % a 0,3 PN: h 45% Dimensionado exacto El rendimiento óptimo de sistemas de accionamiento se encuentra generalmente dentro de un rango bastante estrecho alrededor de la potencia nominal. A pesar de ello, muchos accionamientos son sobredimensionados "por si acaso". La consecuencia es que el accionamiento acaba funcionando muy por debajo de la potencia nominal bajando así notablemente el rendimiento. Ya que un sobredimensionamiento también implica mayores costes de adquisición, la primera medida para incrementar la eficiencia energética será siempre que los accionamientos se adapten exactamente a la potencia mecánica máxima necesaria para la aplicación. Con el Drive Solution Designer de Lenze y sus soluciones de accionamientos "Energy Pass" es posible elegir un sistema de accionamiento que esté hecho exactamente a la medida de la aplicación. Esto acaba resultando en menores costes de adquisición y un menor consumo de energía.

7 Accionamiento regulado En casi cada proceso mecánico varía la necesidad de potencia. Esto se hace especialmente patente en instalaciones de refrigeración y calefacción en las que la potencia de las bombas y ventiladores depende de la temperatura ambiente de cada momento. También en la técnica de transporte aparecen grandes variaciones, cuando el caudal no es constante. Regulación energéticamente eficiente del accionamiento y movimientos guiados Adaptación del punto de trabajo En procesos que son más bien estáticos, la adaptación del punto de trabajo del motor a la carga real puede minimizar las pérdidas. Especialmente en funcionamientos a carga parcial de motores trifásicos estándar, la adaptación del voltaje del motor mediante el convertidor de frecuencia tiene como consecuencia un mejor rendimiento. Para lograr un incremento de la eficiencia, la potencia indicada del motor debe adaptarse a esta necesidad cambiante. Para lograrlo se utiliza un convertidor, con el que se puede modificar la velocidad del motor y en consecuencia la potencia emitida, es decir el producto resultante de la velocidad y el par. En casi todas las aplicaciones es posible incrementar la eficiencia energética notablemente con ayuda de un convertidor. En bombas y ventiladores, generalmente se pueden lograr ahorros de hasta un 60 %. Perfiles de movimiento energéticamente eficientes Los movimientos dinámicos pueden diseñarse de tal manera que la eficiencia energética sea lo más alta posible. Muchos procedimientos de posicionamiento no siempre precisan de los tiempos de aceleración y frenado máximos. Una adaptación a la dinámica realmente necesaria reduce claramente las pérdidas del motor. Uso de energía en aplicaciones de posicionamiento s v a s v a % a máx 50 % a máx - 30 % 100 % a máx 50 % a máx Reducción de la potencia perdida en el motor Diagnóstico a través del convertidor En accionamientos regulados, los convertidores registran el estado del accionamiento. Esto se puede aprovechar para el mantenimiento preventivo y el constructor puede reducir los extras de seguridad en el dimensionado.

8 Transformar energía con gran rendimiento Rendimiento de los componentes del accionamiento Convertidor Hoy en día, los convertidores alcanzan un rendimiento muy alto de entre un 94 y 97%. Motores trifásicos estándar Los motores trifásicos estándar utilizados con mayor frecuencia se ofrecen en diversas categorías de rendimiento. A partir del año 2011 en la UE sólo se podrán utilizar motores a partir de la categoría de rendimiento IE2. Los motores de la categoría IE1 que son los más utilizados actualmente ya no se podrán utilizar en instalaciones nuevas. Los motores de la categoría de rendimiento IE3 son bastante más caros y más grandes que los de la categoría IE2, pero con el mismo rendimiento. Por ello, su uso sólo es razonable en aplicaciones en las que se trabaja constantemente a velocidad nominal y con alta carga. En la mayoría de aplicaciones, el uso de un convertidor, que puede adaptar la potencia de salida del accionamiento a la aplicación, es la mejor solución para una mayor eficiencia energética. Rendimiento en % Potencia del motor en kw Motor síncrono en lugar de asíncrono Los accionamientos regulados con motores asíncronos se pueden sustituir en principio por motores síncronos. Ya que en un motor síncrono con imán permanente, la magnetización del motor no se genera por la corriente aparente alimentada, sino por imanes permanentes, las corrientes del motor son menores. Esto tiene como consecuencia mejores rendimientos que en los motores asíncronos correspondientes. En general la necesidad de energía en aplicaciones de posicionamiento típicas se reduce en un 30 %. Consumo de energía: -30 % Menores corrientes de motor significan también, que el convertidor genera menor pérdida de potencia y, dado el caso, se podría elegir un convertidor más pequeño el resultado es un mayor rendimiento del accionamiento. Por ello vale la pena analizar todas las aplicaciones con accionamientos regulados, para comprobar si el uso de un motor síncrono, con una eficiencia energética mejorada, no sería la mejor solución. Categoría de eficiencia IE3 Categoría de eficiencia IE2 (hasta ahora EFF1) Categoría de eficiencia IE1 (hasta ahora EFF2) IE1...3: Categoría de rendimiento según IEC

9 Reductores energéticamente eficientes Los reductores adaptan la alta velocidad del motor al proceso mecánico. Lo que se utiliza con mayor frecuencia es una relación de transmisión de aprox. 20. Esta se puede realizar con reductores helicoidales de dos etapas con rendimientos muy altos. Como reductores de fase se utilizan dentados visinfín y de grupo cónico. Mientras que los reductores visinfín por lo general muestran importantes pérdidas, los reductores de grupo cónico permiten alcanzar buenos rendimientos. Se pueden lograr incrementos de eficiencia adicionales, si gracias a un mayor rendimiento de los reductores es posible utilizar un convertidor o un motor con menor potencia. 100 % 80 % Rendimiento h Elementos de transmisión mecánica energéticamente eficientes Un circuito de accionamiento generalmente contiene elementos de accionamiento pasivos como embragues, rodamientos, reductores de mecanismos de tracción, guías, así como elementos de transmisión lineales y no lineales. También en este caso se presentan varias alternativas con diferentes rendimientos. Lo más importante es sobre todo disponer de una fricción que sea lo más baja posible. Desde la instalación correcta y óptima,se pueden evitar cargas superiores y bajos niveles de eficiencia. Sustitución de accionamientos hidráulicos por accionamientos eléctricos Los accionamientos neumáticos e hidráulicos son conocidos por sus rendimientos relativamente bajos, en comparación con otros. Además, el aire comprimido es caro y el aceite hidráulico dañino para el medio ambiente % i20 Relación de transmisión Engranaje cónico Engranaje visinfín Gracias a los avances en la técnica del accionamiento eléctrico, estos problemas se pueden evitar en muchos casos utilizando accionamientos eléctricos en lugar de los accionamientos hidráulicos, ahorrando energía al mismo tiempo. Motor trifásico con categoría de eficiencia energética IE1 con reductor visinfín Potencia de eje 0,8 kw 0,8 kw h Reductor 72% 95% h Motor 78% 81% h Total 56% 77% Motor trifásico con categoría de eficiencia energética IE2 con reductor de grupo cónico Potencia de motor necesaria 1,5 kw 1,1 kw Costes de adquisición Costes de electricidad anuales Costes totales 3 años Costes totales 3 años 100% 82% Amortización en menos de tres meses

10 Energía de frenado bien aprovechada Energía de frenado En muchas aplicaciones con accionamientos eléctricos es necesario realizar frecuentes aceleraciones y frenadas. Al acelerar o elevar se transforma la energía eléctrica en energía cinética o potencial, que al frenar o al bajar se realimenta parcialmente. Funcionamiento en modo generador con resistencia de frenado Red 3 P R, freno P V, WR M 3 P V, Mot P mec 10 Hoy en día, esta energía con frecuencia es convertida en calor a través de una resistencia de frenado, por lo que acaba perdiéndose. Sin embargo, en algunas aplicaciones puede ser rentable aprovechar esta energía de frenado de otra manera. Esto permite incrementar la eficiencia energética. Funcionamiento en modo generador con realimentación a la red P el, red Red 3 P V, GR P V, WR capaz de realim. M 3 P V, Mot P mec Soluciones de accionamiento Accionamiento para el transporte Accionamientos de avance Accionamientos de elevación Accionamientos de posicionamiento Accionamientos coordinados Accionamientos sincronizados Accionamientos de bobinado Accionamientos cíclicos Accionamientos para disco de levas eléctrico Accionamiento para procesos de transformación Accionamientos principales y de herramientas Accionamientos para bombas y ventiladores Casos típicos de realimentación Energía realimentada Medida La energía de frenado se consume en el motor 0 Ninguna Realimentación regular pero poco frecuente al frenar poca Resistencia de frenado, dado el caso bus DC Realimentación durante largo tiempo al bajar alta Realimentación a red, dado el caso bus DC Realimentación dinámica con ciclos frecuentes media Bus DC, dado el caso realimentación a red Aparición simultánea de modo motor y modo generador Realimentación esporádica al frenar, en parte funcionamiento en frenado continuo media poca, media Bus DC Resistencia de frenado, bus DC al frenar Frenado constante en desbobinadores alta Bus DC, realimentación a red Cambio dinámico entre modo motor y modo generador con ciclos frecuentes Cambio dinámico entre modo motor y modo generador con ciclos frecuentes En procesos cíclicos: cambio dinámico entre modo motor y modo generador media a alta media a alta media a alta Almacenamiento en condensador, bus DC, dado el caso realimentación a red Almacenamiento en condensador, bus DC Dado el caso realimentación a red Funcionamiento continuo, frenadas esporádicas poca Resistencia de frenado, dado el caso realimentación a red La energía de frenado se consume en el motor El accionamiento puede marchar en vacío hasta parar 0 Ninguna

11 Intercambio de energía entre 2 accionamientos Red 3 Formas de aprovechar la energía de frenado P V, WR P V, WR M 3 M 3 Almacenamiento de energía en el condensador Condensador adicional Red 3 P V, WR M 3 P mec modo generador PV, Mot P mec modo motor P V, Mot P V, Mot P mec Realimentación a la red La mayoría de convertidores no son capaces de realimentar energía a la red, ya que esto implica costes adicionales y en muchos casos no es necesario. Cuándo la realimentación a la red resulta aconsejable, debe conectarse una unidad de realimentación adicional al bus DC de uno o varios convertidores. El uso de una unidad de realimentación puede ser rentable, cuando la potencia del accionamiento supera los 5 kw. Intercambio de energía entre accionamientos En muchas aplicaciones con potencias de frenado significativas, hay otros accionamientos que trabajan al mismo tiempo en modo motor. Algunos ejemplos serían los accionamientos sincronizados y desbobinadores en líneas de producción continuas. En estos casos es razonable unir los buses DC de los convertidores (interconexión DC) para permitir un intercambio de energía directo. Una interconexión DC también se puede aprovechar para incorporar una unidad de realimentación central con varios accionamientos en común y así ahorrar energía. Almacenamiento de energía en un condensador Otra posibilidad de aprovechar la energía de frenado es almacenándola en un condensador que la pondrá a disposición durante el siguiente proceso de aceleración o elevación. En comparación con una unidad de realimentación, los costes son menores, pero la capacidad de almacenamiento del condensador es limitada. Actualmente, el almacenamiento de energía es rentable en accionamientos con ciclos muy rápidos y frecuentes. Ejemplo En la actualidad, el almacenamiento de energía se utiliza en accionamientos cíclicos para guillotinas. Estos deben acelerar y frenar el rodillo con la cuchilla hasta diez veces por segundo. En cada proceso de corte, la energía puede oscilar entre la cuchilla rotatoria (energía cinética) y el condensador (carga eléctrica). La potencia consumida de la red se reduce en por lo menos un 50 %. 11

12 Life-Cycle-Costs la rentabilidad total 12 Costes de adquisición + 20% Costes de energía corrientes - 33% al año Punto de equilibrio a los 3 años Inversión Año 1 Año 2 Año 3 Año 4 Accionamientos convencionales Sistemas de accionamiento energéticamente eficientes En sistemas de accionamiento, los costes de energía con frecuencia alcanzan a los costes de adquisición después de cuatro años. Los sistemas de accionamiento energéticamente eficientes suelen ser más caros que los accionamientos convencionales. Sin embargo, los costes adicionales se amortizan debido al ahorro de energía después de pocos años. La rentabilidad total del sistema de accionamiento sólo se puede analizar dentro del marco de una consideración de los costes del ciclo de vida (CCV). Esto no es nada anormal y desde hace mucho tiempo es una herramienta aplicada con gran frecuencia en la economía de empresas. Sin embargo, este análisis del CCV pocas veces se aplica a los accionamientos. El motivo es que en la fuerte competencia que existe en el ámbito de la construcción de máquinas, suele ser difícil vender una máquina energéticamente eficiente pero con costes de adquisición superiores. Sin embargo, en un futuro cercano, visto el incremento de los costes de energía, los usuarios de máquinas considerarán cada vez más los gastos operativos al decidirse por la compra de una máquina y esperarán obtener información correspondiente de sus proveedores. Lenze puede ofrecer apoyo a los constructores de máquinas al elegir los accionamientos que influyen en gran medida en el consumo de energía de las máquinas. Este tipo de colaboración entre usuario, constructor de máquinas y proveedor de accionamientos es la base para aplicar los conceptos de optimización de los costes de ciclo de vida y en consecuencia de la eficiencia energética. Costes de eliminación Costes de mantenimiento CCV Costes del ciclo de vida Costes operativos Costes de adquisición Costes de los componentes de accionamiento Costes de energía corrientes Minimizar costes del ciclo de vida

13 Soluciones de accionamiento la clave para la eficiencia energética Las doce soluciones de accionamiento Aunque los accionamientos eléctricos, dependiendo del ámbito de uso, pueden diferenciarse notablemente en su composición, versión y potencia, se les puede clasificar en doce soluciones de accionamiento. Como criterios para la delimitación se utilizan la funcionalidad, la manera en la que aprovechan la energía eléctrica y cómo la convierten en energía mecánica. Por ello, las doce soluciones de accionamiento también sirven de base de partida para la evaluación y mejora de la eficiencia energética de accionamientos eléctricos. El documento "Soluciones de accionamiento", publicado por Lenze, así como el libro "Antriebslösungen Mechatronik für Produktion und Logistik (Soluciones de accionamiento - Mecatrónica para la producción y la logística) (ISBN ), contienen una descripción detallada de las doce aplicaciones de accionamientos. 13 Accionamiento para el transporte Accionamientos de avance Accionamientos de elevación Accionamientos de posicionamiento Accionamientos coordinados para robots Accionamientos sincronizados Accionamientos de bobinado Accionamientos cíclicos Accionamientos para discos de levas eléctricos Accionamientos para procesos de transformación Accionamientos principales y de herramientas Accionamientos para bombas y ventiladores

14 Eficiencia energética en toda solución de accionamiento Cómo mejorar la eficiencia energética Una vez que el accionamiento que se desea optimizar ha sido asignado a una de las doce soluciones de accionamiento, queda definido qué medidas para minimizar el consumo de energía serán efectivas, menos efectivas o inadecuadas. La siguiente table muestra estas medidas. Ella ofrece a los constructores una fácil orientación para la optimización de una aplicación concreta para el accionamiento. Tres maneras para incrementar la eficiencia energética en la técnica de accionamiento Utilizar la energía eléctrica con inteligencia Mayor eficiencia energética a través de Dimensionado Funcionamiento Regulación exacto regulado con energéticamente convertidor eficiente Baja eficiencia energética con Accionamiento para el transporte Accionamientos de avance Accionamientos de elevación Accionamientos de posicionamiento Accionamientos coordinados para robots Accionamientos sincronizados Accionamientos de bobinado Accionamientos cíclicos Accionamientos para discos de levas eléctricos Accionamientos para procesos de transformación Accionamientos principales y de herramientas Accionamiento para bombas y ventiladores Sobredimensionado Funcionamiento sin regulación Estado de la técnica Potencial Potencial parcial

15 Ahorrar energía es uno de los mayores retos actuales y para el futuro. Consúltenos, y estaremos encantados de ayudarle a ahorrar energía con nuestras Lenze BlueGreen Solutions. 2. Transformar energía 3. Aprovechar energía de con alto rendimiento frenado realimentada ASM con motor síncrono reductor con Accionamiento Bus DC para Almacenamiento- Realimentación alto alto eléctrico en lugar el intercambio intermedio a la red rendimiento rendimiento de hidráulico de energía en condensador 15 Componentes de accionamiento con bajo rendimiento Resistencia de frenado con alta capacidad de realimentación

16 Es bueno saber por qué estamos aquí Nuestros clientes son lo primero. Su satisfacción es nuestra motivación. Pensar en las ventajas para los clientes significa incrementar su productividad a través de la fiabilidad. Soluciones de accionamiento y automatización Lenze Nosotros le damos exactamente lo que necesita productos perfectamente compatibles y soluciones con las funciones adecuadas para sus máquinas e instalaciones. Eso es lo que entendemos por calidad. Aproveche nuestra experiencia adquirida durante más de 60 años en los campos más diversos y aplicada de forma consecuente en productos, funciones de movimiento y soluciones específicas para la industria. Nos identificamos con sus objetivos y queremos establecer colaboraciones a largo plazo, a beneficio de ambos. Gracias a una asesoría competente se obtienen soluciones adecuadas. Estamos a su disposición y le prestamos apoyo en todos los procesos decisivos. Lenze SE Postfach D Hameln Se reserva el derecho de modificar las especificaciones técnicas Printed in Germany Versión 1.0 es Puede confiar en nuestro servicio. Nuestros expertos están dispuestos a asesorarle 24 horas al día, 365 días al año en más de 30 países a través de nuestro teléfono de ayuda internacional Hours ( )