Aplicación de Convertidores de Frecuencia Variable para Ahorro de Energía. Ing. Alfredo Aguilar Galván

Transcripción

1 Aplicación de Convertidores de Frecuencia Variable para Ahorro de Energía Ing. Alfredo Aguilar Galván

2 El convertidor de frecuencia variable o Variador Electrónico de velocidad El convertidor de frecuencia variable (CFV) es un control para el motor de inducción tipo jaula de ardilla de corriente alterna. Es el único control que suministra la potencia, el torque y permite la variación de velocidad en el motor sin ningún accesorio extra entre el motor y la carga. Es una excelente protección al motor.

3 Funcionamiento Convierte voltaje y frecuencia constante en voltaje y frecuencia variable. Primero la corriente alterna es rectificada y convertida a corriente continua, Después la invierte y vuelve a entregar en forma de corriente alterna pero con frecuencia y voltaje variables.

4 VENTAJAS EN LA UTILIZACION DE VARIADORES 1. Variación continua de velocidad con precisión de excelencia. 2. Rampas de aceleración y frenado que mejoran el funcionamiento de las máquinas y alargan la vida de componentes mecánicos. 3. Arranque suave y con el torque requerido 4. Control del sentido de giro

5 VENTAJAS EN LA UTILIZACION DE VARIADORES 5. Control del par del motor aumentándolo y disminuyéndolo según se requiera. 6. Es posible controlar y/o sincronizar varios motores en una línea de proceso de producción continua o coordinada. 7. En muchas aplicaciones ahorran energía. 8. Contribuyen en la mejora tecnológica y automatización de los procesos de producción.

6 Ahorro de Energía Se requiere un proceso de carga variable. Donde el equipo acoplado al motor eléctrico se encuentre en diferentes estados de trabajo.

7 APLICACIONES PARA AHORRO DE ENERGIA Fabricación de papel. Película plástica, Rollos de lámina metálica. Enrolladoresv/ desenrolladores, Calandrias, Inyectoras, extrusores, Laminados, Molinos, Bandas tranportadoras. Máquinas de empaque y de palatizado. Bombas Ventiladores. Industrias Químicas, Alimentarías, etc.

8 TIPOS DE CARGA Carga y Velocidad Constante. No permiten ahorro de energía Otra de Potencia constante tampoco como Par Decreciente. procesos de enrrollado y desenrrollado de un determinado material (tela, papel, etc.) se requiere tensión constante para que el material no sufre ningún daño.

9 TIPOS DE CARGA Cargas de Par y Velocidad Variable, son las producen ahorro de energía. Ley Lineal. La potencia varia linealmente con la velocidad Son cargas de torque constante, tales como compresores reciprocantes, bombas y compresores de desplazamiento positivo, bandas transportadoras, etc.

10 TIPOS DE CARGAS Ley Cuadrática, torque lineal proporcional a la velocidad; Potencia es función cuadrática de la velocidad. Equipos como calandrias, transmisiones, transportadoras y otro tipo de maquinaria semejante Requieren un CFV de torque constante, para garantizar el torque disponible por el motor. El rango de velocidad en que operan es pequeño.

11 TIPOS DE CARGAS Ley Cúbica, la potencia varia con el cubo de la velocidad, p.e. sí se reduce la velocidad en un 20%, resulta una disminución del 50 % en la potencia requerida. La Ley Cúbica cubre muchas aplicaciones, por ejemplo, las cargas asociadas a equipos centrífugos: Bombas Ventiladores Compresores Mezcladoras

12 TIPOS DE CARGAS Aplicación de Ley Cúbica D D 1 2 Q1 = = Q 2 N N 1 2 H H 1 2 Pot Pot Q1 = Q Q1 = Q 2 3 Q = Flujo H = Columna de carga o Presión N = Velocidad de la bomba, ventilador, compresor Pot. = Potencia al freno, requerida por el equipo D = Diámetro del impulsor

13 INGENIERÍA ENERGÉTICA INTEGRAL S.A. de C.V. CASOS EXITOSOS EN LA APLICACIÓN DE CONVERTIDORES DE FRECUENCIA VARIABLE

14 EMPAQUES MODERNOS DE GUADALAJARA S.A. de C.V.

15 EMPAQUES MODERNOS DE GUADALAJARA, S.A. de C.V. pertenece al ramo productivo de la industria papelera. Las medidas de ahorro que más ventaja producen en EMG son la instalación de los convertidores de frecuencia variable (CFV) en los motores eléctricos que trabajan equipos con carga variable, principalmente bombas centrífugas y ventiladores.

16 EJEMPLO DE COMPORTAMIENTO SIN Y CON CFV EN UN SISTEMA DE BOMBEO BOMBA BOMBA DE ALIMENTACIÓN De una demanda promedio inicial de 245 kw se logró reducir a una demanda de kw (Fabricación Fibra: Gramaje 550), permitiendo un ahorro de kw que representa un 50% de reducción en la demanda.

17 Potencia Demandada (Bomba A) Demanda Sin CFV kw (promedio) Gramaje 270 kw Ahorro con CFV kw Frecuencia Hz Demanda Con CFV kw (promedio) Gramaje 550 Ahorro con CFV kw Frecuencia Hz 0 13:04 13:10 13:17 13:23 13:29 13:36 13:42 13:48 13:55 14:01 14:07 14:14 14:20 14:26 14:33 14:39 14:45 14:52 14:58 15:04 15:11 15:17 15:23 15:30 15:36 15:42 15:49 15:55 Demanda Con CFV kw (promedio) Gramaje 210 Análisis Energético y Económico

18 EJEMPLO DE COMPORTAMIENTO SIN Y CON CFV EN UN VENTILADOR DE CALDERA De una demanda inicial promedio de kw se logró reducir a una demanda de 6.16 kw (Frecuencia de trabajo 21 Hz), permitiendo un ahorro de al menos kw que representa una reducción en la demanda del orden de 80%. ANTERIORMENTE SE CONTROLABA EL FLUJO DE AIRE CERRANDO COMPUERTAS, ACTUALMENTE SE REALIZA VARIANDO LA VELOCIDAD DEL MOTOR.

19 Potencia Demandada (Tiro inducido B) kw 15:51 16:15 16:38 17:01 17:25 17:48 18:11 18:35 18:58 19:21 19:45 20:08 20:31 20:55 21:18 21:41 22:05 22:28 22:51 23:15 23:38 00:01 00:25 00:48 01:11 01:35 01:58 02:21 02:45 Demanda Sin CFV kw (promedio) Ahorro con CFV kw Demanda Con CFV 6.16 kw (promedio) Frecuencia 21 Hz Análisis Energético y Económico

20 AHORROS GLOBALES POR LA INSTALACIÓN DE 26 CONVERTIDORES DE FRECUENCIA VARIABLE EN EMPAQUES MODERNOS DE GUADALAJARAS.A. de C.V.

21 ID Equipo Demanda Sin Variador (kw) Ahorros Medidos con Variador Demanda (kw) Consumo (kwh) Costos ($) A y B Bomba alimentación primer paso A y B Bomba tanque pulper "relleno" ,066, , , , Bomba tanque agua de fabricación , , Bomba tanque aceptados MD Cleaners , , Bomba tanque excedentes MD Cleaners , , A y B Bomba tanque agua turbia ,001 43, A y B Bomba tanque máquina ,310 17, Bomba refinación tanque espesa "relleno" ,013 55, Bomba refinacón "cara" ,789 48, Bomba tanque agua sucia , , A Bomba servicios generales ,513 38, B Bomba dilución sistema filler ,900 29, Bomba fan Bomba fan , , Bomba fan ,260 83, Bomba fan , , Bomba fan Bomba fan , , Bomba fan ,496 59, Bomba fan ,907 78,823 Caldera Bomba de Alimentación Caldera ,518 90,285 Pozo 2 Bomba de pozo ,433 58, A Tiro forzado ,203 20, B Tiro Inducido ,600 91,144 Efluentes Bombas de Efluentes ,524 44,558 Transmisión Transmisión ,842 57,857 Totales

22 Ahorro económico. De marzo del 2001 a marzo del 2002, el promedio de la facturación fue de $1,746,632 mensual, y en el mes de abril, la facturación fue de $1,417,925 mensual, esto representa una reducción de del 19% en la facturación eléctrica. $2,500,000 COSTOS DE FACTURACION ELECTRICA Marzo 2001 a Abril 2002 $2,000,000 $1,500,000 $1,000,000 $500,000 $0 Mar-01 Abr-01 May-01 Jun-01 Jul-01 Ago-01 Sep-01 Oct-01 Nov-01 Dic-01 Ene-02 Feb-02 Mar-02 Abr-02

23 TAPAS MEXICANA S.A. de C.V.

24 Aplicación de Convertidores de Frecuencia Variable. Acoplar convertidores de frecuencia variable a algunos motores eléctricos que operan bombas hidráulicas de las inyectoras de plástico.

25 Análisis. Se instalo en una máquina inyectora del Area Plástica / División Roscas, Se monitorean los parámetros eléctricos como voltaje, corriente, f.p. y principalmente la potencia en kw, que nos permite calcular el consumo de energía demandado. 1. La máquina operando normalmente 2. Con el convertidor de frecuencia variable instalado y operando la máquina.

26 EJEMPLO DE COMPORTAMIENTO DE LA INYECTORA 5 SIN Y CON CFV Demanda inicial promedio de 65 kw Se logró reducir a 61.1 kw a 45 Hz, permitiendo un ahorro de 3.90 kw

27 17:34:26 17:37:30 17:34:34 17:34:42 17:34:50 17:34:58 17:35:06 17:35:14 17:35:22 17:35:30 17:35:38 17:35:46 17:35:54 17:36:02 17:36:10 17:36:18 17:36:26 17:36:34 17:36:42 17:36:50 17:36:58 17:37:06 17:37:14 17:37:22 17:37:38 17:37:46 17:37: COMPARACION DE DEMANDAS CON Y SIN CONVERTIDOR DE FRECUENCIA A 45 HZ SCFV CCFV Análisis Energético y Económico kw

28 Id Situación Actual sin Aplicación de Convertidores de Frecuencia Equipo Potencia motor (HP) Potencia demandada sin CFV (kw) Consumo Total kwh/año sin CFV Costo total sin CFV $ 1 BOMBA INYECTORA ,080 $327, BOMBA INYECTORA ,840 $50, BOMBA INYECTORA ,600 $338, BOMBA INYECTORA ,400 $367, BOMBA INYECTORA ,600 $338, BOMBA INYECTORA ,600 $338, BOMBA INYECTORA ,400 $508, BOMBA INYECTORA ,000 $282, BOMBA INYECTORA ,600 $338, BOMBA INYECTORA ,600 $197, BOMBA INYECTORA ,040 $163, BOMBA INYECTORA ,880 $73, BOMBA INYECTORA ,920 $237, BOMBA INYECTORA ,840 $192, BOMBA INYECTORA ,600 $56, BOMBA INYECTORA ,120 $67, BOMBA INYECTORA ,880 $214, BOMBA INYECTORA ,240 $135, BOMBA INYECTORA ,080 $186, BOMBA INYECTORA ,480 $553, BOMBA INYECTORA ,720 $406, BOMBA INYECTORA ,320 $321, BOMBA INYECTORA ,080 $327, Totales 1, ,346,920 6,025,761.60

29 Resultados de la Situación Propuesta con la Aplicación de Convertidores de Frecuencia Id Equipo Potencia motor (HP) Potencia Variador (HP) Potencia demandada con CFV (kw) Consumo Total kwh/año con CFV Costo total con CFV $ 1 BOMBA INYECTORA ,284 $277, BOMBA INYECTORA ,216 $43, BOMBA INYECTORA ,776 $286, BOMBA INYECTORA ,008 $310, BOMBA INYECTORA ,776 $286, BOMBA INYECTORA ,776 $286, BOMBA INYECTORA ,164 $430, BOMBA INYECTORA ,314 $238, BOMBA INYECTORA ,776 $286, BOMBA INYECTORA ,620 $167, BOMBA INYECTORA ,142 $138, BOMBA INYECTORA ,202 $62, BOMBA INYECTORA ,343 $200, BOMBA INYECTORA ,373 $162, BOMBA INYECTORA ,463 $47, BOMBA INYECTORA ,955 $57, BOMBA INYECTORA ,358 $181, BOMBA INYECTORA ,911 $114, BOMBA INYECTORA ,127 $157, BOMBA INYECTORA ,135 $468, BOMBA INYECTORA ,732 $344, BOMBA INYECTORA ,038 $272, BOMBA INYECTORA ,284 $277, Totales 1, ,731,772 5,098,251.39

30 Resultados de los Ahorros de Energía y Económicos Por la Aplicación de Convertidores de Frecuencia Id Equipo Potencia motor (HP) Potencia Variador (HP) Ahorro en demanda (kw) Ahorro en consumo (kwh) Ahorro Total Anual ($) Inversión Amortización (años) 1 BOMBA INYECTORA ,796 $57, $177, BOMBA INYECTORA ,624 $8, $73, BOMBA INYECTORA ,824 $59, $177, BOMBA INYECTORA ,392 $64, $177, BOMBA INYECTORA ,824 $59, $177, BOMBA INYECTORA ,824 $59, $177, BOMBA INYECTORA ,236 $89, $192, BOMBA INYECTORA ,686 $49, $177, BOMBA INYECTORA ,824 $59, $177, BOMBA INYECTORA ,980 $34, $123, BOMBA INYECTORA ,898 $28, $86, BOMBA INYECTORA ,678 $12, $73, BOMBA INYECTORA ,577 $41, $173, BOMBA INYECTORA ,467 $33, $113, BOMBA INYECTORA ,137 $9, $57, BOMBA INYECTORA ,165 $11, $57, BOMBA INYECTORA ,522 $37, $123, BOMBA INYECTORA ,329 $23, $113, BOMBA INYECTORA ,953 $32, $177, BOMBA INYECTORA ,345 $97, $192, BOMBA INYECTORA ,988 $71, $192, BOMBA INYECTORA ,282 $56, $177, BOMBA INYECTORA ,796 $57, $177, Totales ,615,148 $1,066, $3,345,

31 CARDANES S.A. DE C.V.

32 Aplicación de Convertidores de Frecuencia Variable. Esta medida para ahorro de energía consiste en acoplar convertidores de frecuencia variable a algunos motores eléctricos que operan en carga variable, particularmente en las máquinas 12, 444, 361, 362, 363, 364. Y bombas de servicio de agua helada.

33 Resultados por la instalación de convertidores de frecuencia Id Equipo Potencia del motor (HP) Potencia demandada sin CFV (KW) Consumo Total kwh/año sin CFV Costo operación total actual año Potencia demandada con CFV (KW) Consumo Total kwh/año con CFV Costo total con CFV $ año 1 M ,495 $232, ,648 $202,236 2 M ,240 $126, ,629 $105,298 3 Bomba de servicio ,912 $87, ,333 $69,031 4 M ,280 $13, ,856 $10,162 5 M ,218 $15, ,042 $11,890 6 M ,440 $14, ,463 $11,432 7 M ,280 $13, ,856 $10,162 Promedios y Totales ,865 $502, ,828 $420,211 Ahorros de energía, inversión, instalación y evaluación económica Id Equipo Ahorro en demanda (kw) Ahorro en consumo (kw/h) Ahorro Total Anual($) Inversión Amortización (años) 1 M ,847 $29,994 $55, M ,611 $20,705 $55, Bomba de servicio ,579 $18,347 $49, M ,424 $2,978 $18, M ,176 $3,484 $18, M ,977 $3,350 $14, M ,424 $2,978 $14, Promedios y Totales ,037 $81,835 $227,

34 INGENIERIA ENERGETICA INTEGRAL S.A. de C.V. Primer Lugar del Premio Mexicano de Ahorro de Energía Gracias

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37 SISTEMA DE BOMBEO BOMBA DE ALIMENTACIÓN AHORROS POR APLICACIÓN DEL CONVERTIDOR DE FRECUENCIA VARIABLE En Potencia Consumo en Periodo Punta Consumo en Periodo Intermedia Consumo en Periodo Base Ahorro total en Consumo AHORROS ECONOMICOS AL AÑO kw 95,941 kwh/año 624,535 kwh/año 345,535 kwh/año 1,066,011 kwh/año En Demanda $ 44,663 En Consumo Punta $ 93,172 En Consumo Intermedia $ 157,835 En Consumo Base $ 76,018 Total (Sin IVA) $ 371,688 Total (Con IVA) $ 427,441

38 MOTOR VENTILADOR B AHORROS POR APLICACIÓN DEL CONVERTIDOR DE FRECUENCIA VARIABLE En Potencia Consumo en Periodo Punta Consumo en Periodo Intermedia Consumo en Periodo Base Ahorro total en Consumo kw En Demanda $ 15,501 En Consumo Punta $ 21,551 En Consumo Intermedia $ 36,512 En Consumo Base $ 17,580 Total $ 91,144 15,893 kwh/año 103,464 kwh/año 57,244 kwh/año 176,600 kwh/año AHORROS ECONOMICOS AL AÑO

39 INYECTORA 5 AHORROS POR APLICACIÓN DEL CONVERTIDOR DE FRECUENCIA VARIABLE Potencia del Motor En Potencia Consumo en Periodo Punta Consumo en Periodo Intermedia Consumo en Periodo Base Ahorro total en Consumo AHORROS ECONOMICOS AL AÑO 75 HP 3.90 kw En Demanda $ 3, En Consumo Punta $ 15, En Consumo Intermedia $ 24, En Consumo Base $ 13, Total $ 64, ,682 kwh/año 52,914 kwh/año 34,797 kwh/año 98,392 kwh/año