Ahorro energetico con convertidores de frecuencia y reduccion de armonicos en la red. Área Temática: Tecnologías para conseguir ahorros energéticos

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1 Ahorro energetico con convertidores de frecuencia y reduccion de armonicos en la red Área Temática: Tecnologías para conseguir ahorros energéticos Autor(es) de la comunicación: R.Ramos 1 1 Rafael Ramos Ruiz. Danfoss S.A. C/ Caléndula nº 93 Edificio I, Miniparc III Alcobendas (Madrid) Rafael.ramos@danfoss.com Resumen: La mayoría de accionamientos mecánicos están compuesto por un motor eléctrico, engranajes mecánicos, ya sean alavés, reductoras o cuerpos hidráulicos. Estos equipos están sujetos a las variaciones de carga y velocidad de los procesos, por lo que un enfoque sistémico en el diseño utilizando las tecnologías disponibles, repercutirán en el optimización desde el punto de vista de operación y de diseño. En este sentido parece lógico enfocar nuestros esfuerzos en la selección apropiada de motores mas eficientes, en el estudio del proceso a gobernar, donde pueden tener cabida tecnologías maduras y claramente orientadas al ahorro energético como puede ser el variador de velocidad. Así mismo el desarrollo de tecnologías con alto grado de electrónica ubicada en instalaciones antiguas, conlleva calentamiento en líneas, transformadores y saltos en protecciones eléctricas, que repercuten en pérdidas de económicas por paro de procesos Todo ello producido por la tasa de distorsión armónica en corriente y tensión (Armónicos) Palabras clave: Ahorro energético, Armónicos, Variador de Velocidad, Motor. 1. TEXTO PRINCIPAL - Objetivo Nuestro objetivo será estudiar desde un punto global todos los elementos que intervienen en el control de procesos mecánicos, con la intención de implementar sistemas más eficientes, focalizando nuestros esfuerzos en seleccionar motores de mayor eficiencia, instalación de variadores de velocidad, optimización de procesos y reducción de armónicos en la red Sustitución de Motores e instalando equipos más eficientes: Existen dos grandes bloques de motores en la industria, motores de inducción o de jaula de ardilla y motores de imanes permanentes. Los motores de jaula de ardilla, se conectan directamente a la red, o a un variador de frecuencia con el objeto de consumir energía, generar un campo magnético, con ello provocar el giro del motor con el consiguiente par suministrado al equipo mecánico 1

2 III CONGRESO DE SERVICIOS ENERGÉTICOS Los motores de imanes permanentes se rigen por un principio similar, pero con la diferencia que en el rotor de motor existe una corona de imanes que ayudan a generar el campo magnético, y con ello necesitaremos menos energía para suministrar el par requerido. Según la eficiencia de los motores los podemos clasificar en las siguientes eficiencias: IE1, IE2, IE3 y IE4. Consiguiendo ahorros energéticos entre un 5% y 20%. La instalación de variadores de velocidad mejora el cos phi, mejorando el rendimiento hasta un 3% con respecto a motores conectados a la red. Si comparamos un motor reductor con motor de inducción IE2 frente a un motor reductor de imanes permanentes, en la misma aplicación y bajo las mismas condiciones de velocidad y par vemos como los ahorros energéticos son considerables, 2

3 1.2 Instalación de variadores de velocidad Los variadores de velocidad son equipos electrónicos compuestos por una etapa rectificadora, banco de condensadores, IGBT y unidad de control. El objetivo de un variador de velocidad es suministrar el par necesario para mover la varga del motor. Como vemos el par es proporcional a la tensión e inversamente proporcional a la frecuencia, T= (V*I)/F. El variador de frecuencia regula la tensión y la frecuencia a su salida, suministrando el par necesario con la menor tensión y por tanto menor potencia eléctrica necesaria. Los sistemas de variación de velocidad tanto en par constante (elevación y arrastre) como en par variable (bombas y ventiladores). En las aplicaciones de par constante, existe un ahorro de energía proporcional a la reducción de velocidad, pero en el caso de aplicaciones de par variable el ahorro es mayor, ya que se cumplen las leyes de afinidad en fluidos, donde cambios de velocidad conllevan grandes ahorros en potencia eléctrica. En la práctica vemos como en la mayoría de las instalaciones reducciones de velocidad de 50Hz a 40Hz conllevan ahorros energéticos del 50% 3

4 III CONGRESO DE SERVICIOS ENERGÉTICOS 1.3Control de sistemas y optimizando los procesos Es la parte más importante del ahorro energético y la más difícil ya que debemos estudiar con detalle el sistema a controlar, sus leyes físicas así como adaptarlas a las necesidades variantes de la instalación. Algunos ejemplo de instalaciones susceptibles de instalación de variadores de velocidad con el objeto de optimizar el proceso y ahorrar energía son las siguientes: Estaciones de Bombeo, Volumen Variable, Volumen Constante, Torre de Refrigeración, Bomba del Chiller, Sistema Primario, Sistema Secundario, Sistema de Bombeo Variable, Aplicación Piscinas. Control de Filtros, Aparcamientos, Compresores y Sistemas de condensación. 1.4 Reduciendo Armónicos en la red. Un problema creciente en las instalaciones donde gran número de componentes electrónicos han sido instalados, tales como iluminarias, variadores de velocidad, ordenadores, grupos de soldadura etc Estos componentes distorsionan la onda de entrada, provocando numerosos problemas e ineficiencias en las instalaciones. Esta onda puede descomponerse en ondas múltiplos de la fundamental, de tal forma que la onda de 100HZ=2*50Hz es llamada segundo armonico. Onda fundamental f1=50hz Segundo armónico f2=100hz Tercer armónico f3=150hz Los armónicos en la red, provoca pérdidas caloríficas (gasto energético innecesario) en los trasformadores (Perdidas por Histeresis y Foucoult) y cableado (Efecto Skin), así como paradas en producción por disparo de diferenciales y deterioro de equipos electrónicos por sobretensiones en la red, lo que lleva ineficiencias operacionales, consiguiendo ahorros energéticos del 3% de la potencia total del transformador. Así mismo la corrección de factor de potencia se hace indispensable para evitar penalizaciones en la factura eléctrica. 4

5 Las soluciones que el mercado presenta son las siguientes: Filtros Pasivos: Formados por bobinas y condensadores diseñados para suprimir armónicos determinados, usualmente el 5º y 7º armónico. Se instalan aguas arriba del componente generador de armónicos. Filtros Activos: Equipo electrónico que inyecta una onda de mismo valor pero de signo contrario cumpliéndose la primera ley de Kirchhoff, y reducciendo los armónicos aguas arriba del punto de instalación. Esta tecnología es muy versátil ya que se puede colocar en cualquier punto de la instalación. - Conclusión Debido a las diferentes normativas consecuencia del cambio climático y el aumento de precios del KW/h, la instalación de componentes y diseños eficientes se hacen fundamentales para aumentar la competitividad de empresas y particulares. La variación de velocidad junto con la instalación de motores eficientes y el aumento de calidad eléctrica en las redes, jugaran un papel importante en los próximos años debido a las normativas europeas presente y futuras.s 2. AGRADECIMIENTOS A mis compañeros Sergej, Johan, y Manuel por ser tan didácticos y pacientes en la explicación de conceptos profundos acerca de la variación de velocidad y calidad eléctrica. A Miguel, Jesus y Alberto, por plantearme retos, que me hacen profundizar y evolucionar tanto profesional como personalmente. A mis padres, Rafael y Victoria, por enseñarme el valor del esfuerzo, constancia y pasión en el trabajo. 3. REFERENCIAS 5