Cada vez es mayor la preocupación por los problemas medioambientales derivados del aumento de la temperatura media del planeta, el cambio climático, la disminución de la productividad de los cultivos, el impacto en los ecosistemas, la modificación del nivel del mar…
Son necesarias urgentemente acciones de ahorro energético para reducir las emisiones de CO2 a la atmosfera y así evitar el calentamiento global.
El número de dispositivos que funcionan con electricidad es asombrosamente alto. Los motores eléctricos por ejemplo, se encuentran en la vida cotidiana literalmente en todas partes. Desde aspiradoras, aparatos de aire acondicionado, escaleras mecánicas, ascensores, coches eléctricos… Y aún podemos encontrar muchos más en la industria, y es debido a esta gran cantidad de estos aparatos que representan un gran porcentaje del consumo mundial de electricidad.
Surge la pregunta: ¿Cómo podríamos reducir el consumo de energía de los motores eléctricos? Una de las ideas puede ser el uso de convertidores de frecuencia.
En este artículo intentaremos explicar como es posible el ahorro de energía usando como ejemplo los variadores de frecuencia FR-F800 y FR-F700PJ de Mitsibishi Electric y en las series Superline Premium SF-PR e IPM.
Europa
2001 | Se establece la directiva relativa a la promoción de la electricidad producida a partir de fuentes de energía renovables en el mercado interior de la electricidad. Se definen los objetivos de energía renovable por países
2009 | Se establece la Directiva sobre el fomento del uso de la energía procedente de fuentes renovables. Esta directiva establece objetivos para todos los países de la UE con el objetivo general de que las fuentes de energía renovables representen alrededor del 20% del consumo energético de la UE en 2020.
Francia
2005 | Se establece la Ley de la Energía. Esta ley define los siguientes objetivos:
- Una reducción del 75% de los gases de efecto invernadero para 2050.
- Mejora de la eficiencia energética en al menos un 2% anual de media para 2015 y un 2,5% anual de media entre 2015 y 2030.
EE.UU.
2011 | Se introdujo la ley estatal denominada «Renewable Portfolio Standards» (RPS). Treinta estados y territorios han adoptado el RPS para promover el uso de energía procedente de fuentes renovables.
China
2006: Se estableció la ley de energías renovables. El objetivo es que el 15% del uso total de la energía sea servido por fuentes de energía renovable para 2020.
2011: Se establece el 12º Plan Quinquenal. Los objetivos de este plan incluyen:
- Una reducción del 17% de las emisiones de CO2 para 2015.
- Aumentar el uso de la energía no fósil hasta el 11,4% del uso total de energía.
Fundamentos del ahorro de energía mediante el uso de variadores
¿Por qué un motor alimentado por un convertidor de frecuencia puede ahorrar energía?
Un ejemplo sencillo es un soplador. Cuándo se alimenta directamente de la red, la velocidad no varía demasiado aunque la carga cambie. Así que, para controlar el volumen de aire bombeado, se instala una placa de obturación llamada amortiguador. Esta solución desperdicia energía y requiere el uso de componentes mecánicos adicionales y un sistema de control de estos.
¿Qué cambiaría en la introducción de un convertidor de frecuencia para controlar la velocidad del motor de este sistema?
En primer lugar, se eliminará la necesidad de utilizar un acelerador, que como elemento mecánico puede provocar fallos, por ejemplo, al bloquearse en una posición. El inversor será ahora el sistema de control externo.
Cuándo el motor se alimenta mediante un variador de frecuencia a velocidad media, el voltaje se reduce en proporción a la velocidad del motor, independientemente al flujo de corriente, lo que permite el ahorro de energía. Se podría decir que prácticamente en cualquier aplicación, alimentando un motor de velocidad variable desde un variador de frecuencia, reducirá el consumo de energía.
Las características del par de carga también son importantes para una aplicación determinada. Dependiendo del objeto, el par de carga puede ser constante o cambiar cuando cambia la velocidad del motor.
Funciones de ahorro de energía útiles
Los variadores de la serie FR-F800 son fáciles y seguros de usar, y admiten una amplia gama de aplicaciones de ahorro de energía, ofreciendo una variedad de funciones ideales para ventiladores y bombas. El paquete de filtros integrados permite un diseño compacto con un cableado mínimo.
Existe un avanzado control de excitación que proporciona un gran par de arranque manteniendo la misma eficiencia del motor que con el control de excitación óptimo convencional. La aceleración rápida es posible sin ajustes de parámetros molestos (por ejemplo, aumentó de par, tiempo de aceleración/deceleración). El funcionamiento de ahorro de energía con la máxima eficiencia del motor es posible durante el funcionamiento a una velocidad constante.
La función de autoajuste fuera de línea para medir las constantes del circuito del motor permite un funcionamiento óptimo de los motores incluso cuando las constantes del motor varían, cuando se utiliza un motor de los otros fabricantes o cuando la distancia del cableado es larga. Dado que la fuente de alimentación externa de 24VDC permite que el circuito de control funcione de forma independiente, el ajuste de parámetros y la comunicación son posibles incluso después de desconectar la alimentación principal.
El ventilador del inversor puede ser controlado en respuesta s los cambios de temperatura de las aletas de refrigeración del inversor. Dado que se pueden emitir señales en respuesta al funcionamiento del ventilador del inversor, un ventilador instalado en un panel puede funcionar de forma sincronizada con el ventilador del inversor. Se puede reducir el consumo innecesario de energía mientras el motor no está en servicio. El efecto de ahorro de energía puede comprobarse mediante un panel de operaciones, un terminal de salida o una red.
Normativa sobre los motores de alta eficiencia
Se puede conseguir un gran ahorro de energía mejorando la eficiencia de los motores o utilizando motores combinados con inversores. En todo el mundo se está promoviendo la introducción de normativas para el uso obligatorio de motores de alta eficiencia debido a la creciente concienciación sobre la necesidad de ahorrar energía para evitar el calentamiento global.
IE es la abreviatura para «International Efficency Standard Level» y define las normas internacionales de eficiencia de los motores. La tendencia global hacia la mejora de la eficiencia va acompañada de un aumento de la demanda de motores de alta eficiencia en todo el mundo, por lo que era necesario integrar las normas de eficiencia en todo el mundo, por lo que era necesario integrar las normas de eficiencia de los motores que se habían definido de forma exclusiva según los distintos países. En octubre de 2008, la CEI estableció la normativa internacional IEC 60034-30. Esta norma definió los códigos IE, que incluyen cuatro clases.
Eficiencia Superline Premium SF-PR
El motor SF-PR, que se ajusta a la normativa exclusiva del programa Top Runner de Japón (equivalente a IE3), alcanza una eficiencia energética un 6% superior a la del motor estándar SF-JR (7,5kW). El funcionamiento de ahorro de energía puede reducir los gastos de electricidad, reduciendo los costes de funcionamiento.
Como podemos ver, suponiendo que los motores trabajan las 24 horas del día, los 365 días del año, con un 6% de eficiencia, aproximadamente podemos ahorrar anualmente 659,8€ por cada motor en nuestro recibo de la luz. Si ponemos que una fábrica tiene 100 motores, el ahorro sería de 65.980€ anuales.
El coste inicial de introducir un motor de alta-eficiencia (por ejemplo el SF-PR) es caro, sin embargo, su alta frecuencia y su reducido consumo de energía permitirán un funcionamiento más rentable después de los dos primeros años.
La compatibilidad en las dimensiones de instalación del motor entre la serie SF-PR y la serie SF-JR facilita la sustitución de un motor.
Ahorro de energía con el variador y el motor IPM
IPM es la abreviatura de «Interior Permanent Magnet», es decir, imán interior permanente. Los motores IPM con imanes permanentes incrustados en el rotor tienen una mayor eficiencia que los motores de inducción, y satisfacen las necesidades de los clientes para un mayor ahorro de energía.
Principio de funcionamiento del motor IPM: El campo magnético giratorio del estator y los campos magnéticos de los imanes incrustados en el rotor generan el par para producir la potencia de rotación.
Principio de funcionamiento del motor de uso general: Cuándo se aplica la tensión de alimentación al estator, aparece el campo magnético giratorio y se induce la corriente y el campo magnético giratorio para producirla potencia de rotación.
Como no circula corriente por el lado del rotor, no hay pérdidas de cobre y reduce las pérdidas de energía. El siguiente gráfico muestra el desglose de las pérdidas internas del motor.
La reducción de las pérdidas internas en un 60% para el motor de 22kW se traducirá directamente en una mejora de la eficiencia del motor, ya que, como es sabido, la eficiencia es la relación entre la energía de salida y la energía de entrada (suma de la energía de salida y las pérdidas). Incluso considerando la situación en la que el motor IPM trabaja conjuntamente con el variador a velocidad nominal, las pérdidas totales generales (inversor y motor) siguen siendo menores que con un motor de inducción estándar alimentado directamente en la red.
Elección de motores eléctricos
En conclusión, existen muchas formas de ahorrar y la elección de la opción más adecuada y óptima suele depender de muchos factores. Para las empresas de producción, en las que se utiliza un gran número de accionamientos eléctricos de funcionamiento constante, las soluciones de ahorro de energía pueden aportar beneficios. Pero en los casos en los que el dispositivo funciona durante un corto periodo de tiempo o se utiliza de forma esporádica, la inversión en tecnologías avanzadas puede no alcanzar el objetivo. Por lo tanto, conociendo el grado de uso de determinadas máquinas y las condiciones de su trabajo, el análisis debe evaluar la rentabilidad de las inversiones en nuevas tecnologías de accionamiento y el tiempo de reembolso de sus costes, y solo entonces iniciar su aplicación.
