Ahorro energético mediante el uso de los variadores de frecuencia

Ing . Mario Perez

Objetivos.

• El presente trabajo tiene como objetivo fundamental, demostrar los ahorros energéticos que se logran con la aplicación de los variadores de la velocidad en el control del aire, necesario para la combustión en las calderas.

• Mostrar además algunas aplicaciones que contribuyen al ahorro energético.

Esquema de suministro de energía eléctrica.

• Entre la Central Eléctrica que genera la energía y el consumidor, existen tres redes básicas de transporte:

• La red de Transporte (132 - 440 kv).

• Red de Distribución en alta tensión (30 - 60 kv).

• Red de Distribución en media tensión (hasta 20 kv).

Rendimiento de la red de distribución.

• La red de distribución en media tensión es la que peor rendimiento tiene, aproximadamente un 96%. Las dos primeras tienen un rendimiento medio más alto, del 98,5%. Al aplicar estos rendimientos a 1,06 kwh obtenemos que para obtener 1kwh en eje motor, es necesario generar 1,138 kwh en barras de la central.

El rendimiento medio de una central térmica convencional es aproximadamente del 28%, lo que supone que 1,138 kwh en barras de Central necesitan 4,92 kwh de energía primaria.

• Un kwh ahorrado en eje de motor, cada día, durante un año supone 1.771 kwh anuales ahorrados en energía primaria, lo que supondría quemar más de media tonelada de carbón de una calidad intermedia.

Tipo de carga mecánica

• En las bombas,ventiladores y compresores centrífugos el momento es directamente proporcional al cuadrado de la velocidad,carga tipo ventilador.

• Responden a la ley de cubo inverso entre la carga de kw y la velocidad.

• Una reducción de la velocidad del 20%, reduce el consumo de energía a la tercera potencia,en un 50%.

Ventajas que se obtienen utilizando la regulación de la velocidad

• Economía de energía• Reducción del ruido

Las bombas y ventiladores están dimensionadas para

adaptarse a la carga máxima durante un tiempo muy limitado, el resto del tiempo,el caudal esta regulado por dispositivos mecánicos,tales como válvulas y registros.

Estas regulaciones crean una presión innecesaria que

cuesta energía

Potencia necesaria en el eje

P= k( Q*H/η ) Donde: P= Potencia absorbida Q= Caudal H= Altura de presión η = Eficiencia k= densidad del medio

Métodos para variar la regulación

• Se utiliza la variación de la velocidad sincrónica de los motores de CA.

La velocidad sincrónica y por consiguiente la velocidad del rotor, pueden controlarse variando la frecuencia y el numero de pares de polos

N =60f1/p

F1- frecuencia de alimentación

P -numero de pares de polo de la maquina

Para mantener el momento electromagnético constante

• Es necesario que el flujo permanezca constante

( manteniendo constante la relación entre la fem. Inducida y la frecuencia)

Fm=e/4.44*k*f*w

E--fem. Inducida

F-- frecuencia

Características de los variadores de frecuencia

• Función de par variable

El par de salida se adapta para satisfacer el requisito de par real de las bombas ( el par aumenta como el cuadrado de la velocidad)

T1/t2=(n1/n2)^2• Siempre ofrecen una velocidad precisa y control del

par,cambian inmediatamente la salida de tensión cuando hay una variación repentina en la carga.

• Los convertidores de frecuencia hacen posible que las bombas y ventiladores se adapten a las variaciones de caudal funcionando a velocidades mas bajas y gastando menos energía,pero continúan cumpliendo con las características técnicas de los mismos.

• Pueden ejercer un control total del par del motor pasando del 0 % al 100 % cambiando únicamente la frecuencia y la tensión.

Para regular el caudal de aire

• En las calderas, el aire se genera por medio de un ventilador centrifugo, estos elevan la presión a cuenta del trabajo de la fuerza centrifuga del gas.

• Los ventiladores al igual que las bombas ,responden a la ley de cubo inverso entre la carga de kw y la velocidad del ventilador.

Modos de regulación

• Variando la frecuencia de rotación del árbol del ventilador.

• Mediante la estrangulación en la entrada y la salida del ventilador.

• Mediante dispositivos guías de distintas estructuras en la entrada.

Variando la frecuencia de rotación

• Variando la frecuencia de rotación se obtienen diferentes curvas que varían las características del ventilador

Beneficios para las calderas

• En las calderas,solamente la compuerta se abre al 100% cuando se esta realizando el barrido, el resto del tiempo la compuerta esta situada a:

• Para la 1ra llama-----30%• Para la 2da llama-----60%

Cuando se esta regulando el aire mediante la compuerta, se esta gastando energía, lo cual con el variador de frecuencia no sucederá.

• Eliminamos el retraso que presentan los posicionadores o damper ,cuando ocurren cambios muy bruscos en el flujo de combustible,provocando un empobrecimiento de la combustión.Con el uso del variador logramos que la respuesta ante la perturbación sea inmediata,obteniendose buenos resultados con un control de la combustión serie o paralelo

Ventiladores para la Combustion

Ref.Presión

Vapor

UD

BombaMedida Fuel

AlgoritmoCombustión

Presión

TXH2O Vapor

Vent.

Ref. Fuel

La versatilidad de los módulos UD-70

Elimina la Necesidad de otros Controladores

UNI

Ahorro

• Un ahorro de un kwh en el eje de motor supone 1,06 kwh de ahorro en el punto de acometida a la

fábrica.• Se obtienen resultados muy alentadores usando el

variador de velocidad en la regulación del caudal de aire.Teniendo un ahorro de 1 Kw en las calderas ,en jornadas de 8h, para 2700 calderas que atiende nuestra empresa se obtiene en un año un ahorro energético de

38257920 Kw/h en la planta generadora ( energía primaria).

• En las instalaciones de calderas se obtienen ahorros superiores a un Kw/h.

Una aplicación real de la regulación de velocidad por variación de frecuencia

• Jean T. Reynaud presentó este ejemplo en el Congreso de la UIE 1988 en Málaga.

• Se trata de un ventilador centrífugo que suministra aire para la combustión de una caldera de una fábrica de papel cuyo caudal de vapor es muy variable.

Las características del ventilador son:

• Caudal máximo de aspiración 74.060 m3/h• Masa de aire aspirado 1,148 kg/m3• Elevación de la presión 758 mm de columna de agua • Potencia mecánica absorbida 172 kw• Velocidad de rotación 1.574 r.p.m.• Regulación por compuerta• Accionado por motor eléctrico asíncrono de 220 kw a

1.484 r.p.m. por intermedio de correa.

El funcionamiento registrado del ventilador fue:

• Caudal aspirado (m'/h) 40.000 50.000 60.000 70.000

• Duración (horas/%) 1.680/20 3.360/40 2.940/35 420/5

Regulación por rejilla

CAUDAL CALADO DE POTENCIA CONSUMO(m3Ih) COMPUERTA ELÉCTRICA kW HORAS kwh

40.000 D 98,0 1.680 164.64750.000 C 116,1 3.360 390.27660.000 B 133,3 2.940 391.83470.000 A 163,7 420 68.744

TOTAL 8.400 1.015.501

Regulación por variación de la frecuencia

CAUDAL VELOCIDAD POTENCIA HORAS CONSUMO(m3/h r.p.m. ELÉCTRICA Kw kwh

40.000 864 34,5 1.680 58.02150.000 1.075 64,1 3.360 215.49660.000 1.285 106,2 2.940 312.14170.000 1.493 162,6 420 68.294

• TOTAL 8.400 653.952

Conclusiones

• En el ejemplo real que hemos considerado se consigue un ahorro de energía del 35,6% frente a la solución de estrangulación con rejillas.

• A esta economía es necesario añadir los beneficios indirectos derivados de ahorro de mano de obra por automatización y el mejor funcionamiento de la instalación debido a la regulación más precisa del caudal demandado.

Ejemplo de ventilador centrifugo usado en las

calderas.

Otras aplicaciones que contribuyen al ahorro energético.

•.Sistemas de abastecimiento de agua• Circulación del agua para los tanques de floculacion en las plantas de tratamiento de residuales.

Sistema de abastecimiento de aguaVentajas

• Mantiene la presión estable.• Disminuye la presión del sistema,actuando positivamente

en el ahorro de agua de la instalación.• Funcionamiento económico de las bombas.• Principio de control ya utilizado en centenares de

instalaciones de abastecimiento de agua.

Campos de aplicación

• Instalaciones de abastecimiento de agua.• Instalaciones de elevación de presión.• Instalaciones de bombas de circulación.

Circulación del agua para tanques de floculacion.Ventajas.

• Mantiene la presión estable, no destruyendo los floculos formados.

• Funcionamiento económico de las bombas.• No necesita el hidroneumático, ni el

compresor, disminuyendo los costos de mantenimiento y el consumo de engría eléctrica.

Resumen.

• Las calderas, por la importancia que estas tienen en la industria, están instaladas a todo lo largo del país, lograr que trabajen de la forma mas eficiente posible, es un reto de nuestra Empresa, para contribuir en el ahorro de recursos energéticos.

• Lo expuesto en este trabajo, es el comienzo de un gran camino por el cual debemos transitar.

Bibliografía

• V.M.Cherkasski:Bombas,Ventiladores,Compresores.• A.V.Ivanov-Smolenki:Maquinas Eléctricas.• Mario Moreno Hermanez:Accionamiento Eléctrico

Automatizado.• M.Kuznetsov.Fundamentos de electrotecnia.• Angel Costa Montiel:Principios Fundamentales de

Accionamiento Eléctrico

• Esteban Amador Martínez:Problemas Resueltos y Propuestos de Electrotecnia Básica

• Lester Martínez:Trabajo de Maestría de Automatización

• S.B.Dewan:Power Semiconductor Drives• Revista Danfoss 4--1989 E• Danfoss 4--1998• Danfoss 4--1995

• Revista The Danfoss Journal 3.99• Control Techniques.Accionamiento de Corriente Alterna

Unificado Unidrive• Telemecanique:Variadores de Velocidad y Arrancadores

Catalogo Octubre 1994• Telemecanique:Variable speed controllers

Catalogue October 98 .• Juventud rebelde 8 de julio 2000.

• José Esteban Rojas Nieto Coordinador del GIAL

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Mario Perez

Ing:Control Automático. Miami, Florida email: mario perez epautomation@yahoo.com www.epautomation.com