Si dos motores idénticos funcionan a una frecuencia de 50 Hz, uno utiliza un convertidor de frecuencia y el otro no, y la velocidad y el par se mantienen en su estado nominal, ¿puede el convertidor de frecuencia ahorrar energía? ¿Cuánto se puede ahorrar?
Respuesta: En este caso, el convertidor de frecuencia solo puede mejorar el factor de potencia y no puede ahorrar electricidad.
1. La conversión de frecuencia no puede ahorrar electricidad en todas partes y hay muchas ocasiones en las que la conversión de frecuencia no necesariamente ahorra electricidad.
2. Como circuito electrónico, el propio convertidor de frecuencia también consume energía (aproximadamente entre el 2 y el 5 % de la potencia nominal).
3. Es un hecho que los convertidores de frecuencia operan a la frecuencia de red y tienen funciones de ahorro de energía. Sin embargo, su requisito previo es:
En primer lugar, el propio dispositivo tiene una función de ahorro de energía (soporte de software), que coincide con los requisitos de todo el sistema o proceso;
En segundo lugar, el funcionamiento continuo a largo plazo.
Además, no importa si ahorra electricidad o no, no tiene sentido. Decir que el convertidor de frecuencia funciona ahorrando energía sin condiciones previas es una exageración o especulación comercial. Conociendo toda la historia, lo usará con inteligencia. Asegúrese de prestar atención a las condiciones de uso para aplicarlo correctamente; de lo contrario, se dejará engañar, se dejará engañar y se dejará engañar.
A menudo tenemos los siguientes conceptos erróneos al utilizar convertidores de frecuencia:
Concepto erróneo 1: El uso de un convertidor de frecuencia puede ahorrar electricidad
Algunas publicaciones afirman que los convertidores de frecuencia son productos de control de ahorro de energía, dando la impresión de que el uso de convertidores de frecuencia puede ahorrar electricidad.
De hecho, los convertidores de frecuencia pueden ahorrar electricidad porque regulan la velocidad de los motores eléctricos. Si los convertidores de frecuencia son productos de control de ahorro energético, todos los equipos de control de velocidad también pueden considerarse productos de control de ahorro energético. El convertidor de frecuencia es ligeramente más eficiente y tiene un factor de potencia ligeramente superior al de otros dispositivos de control de velocidad.
La capacidad de un convertidor de frecuencia para lograr ahorro de energía depende de las características de regulación de velocidad de su carga. En cargas como ventiladores y bombas centrífugas, el par es proporcional al cuadrado de la velocidad y la potencia al cubo de la misma. Si se utiliza el caudal de control de la válvula original y no se opera a plena carga, cambiar a la regulación de velocidad puede lograr ahorro de energía. Cuando la velocidad baja al 80% de la original, la potencia es solo del 51,2%. Se observa que la aplicación de convertidores de frecuencia en estas cargas tiene el mayor efecto de ahorro de energía. En cargas como los sopladores Roots, el par es independiente de la velocidad, es decir, una carga de par constante. Si se cambia el método original de usar una válvula de ventilación para liberar el exceso de volumen de aire y ajustarlo a la regulación de velocidad, también se puede lograr ahorro de energía. Cuando la velocidad baja al 80% de su valor original, la potencia alcanza el 80% de su valor original. El efecto de ahorro de energía es mucho menor que en las aplicaciones en ventiladores y bombas centrífugas. Para cargas de potencia constante, la potencia es independiente de la velocidad. Una carga de potencia constante en una planta cementera, como una báscula de banda de dosificación, reduce la velocidad de la banda cuando la capa de material es gruesa en ciertas condiciones de flujo; cuando la capa de material es delgada, la velocidad de la banda aumenta. El uso de convertidores de frecuencia en estas cargas no ahorra electricidad.
En comparación con los sistemas de control de velocidad de CC, los motores de CC presentan mayor eficiencia y factor de potencia que los motores de CA. La eficiencia de los controladores digitales de velocidad de CC es comparable a la de los convertidores de frecuencia, e incluso ligeramente superior. Por lo tanto, es incorrecto afirmar que el uso de motores asíncronos de CA y convertidores de frecuencia ahorra más electricidad que el uso de motores de CC y controladores de CC, tanto en teoría como en la práctica.
Concepto erróneo 2: La selección de la capacidad del convertidor de frecuencia se basa en la potencia nominal del motor
En comparación con los motores eléctricos, el precio de los convertidores de frecuencia es relativamente caro, por lo que es muy significativo reducir razonablemente la capacidad de los convertidores de frecuencia y al mismo tiempo garantizar un funcionamiento seguro y confiable.
La potencia de un convertidor de frecuencia se refiere a la potencia del motor asíncrono de CA de 4 polos para el que es adecuado.
Debido al diferente número de polos de los motores con la misma capacidad, la corriente nominal del motor varía. A medida que aumenta el número de polos del motor, también aumenta su corriente nominal. La selección de la capacidad del convertidor de frecuencia no puede basarse en la potencia nominal del motor. Al mismo tiempo, para proyectos de renovación que originalmente no utilizaban convertidores de frecuencia, la selección de la capacidad de los convertidores de frecuencia no puede basarse en la corriente nominal del motor. Esto se debe a que la selección de la capacidad del motor eléctrico debe considerar factores como la carga máxima, el coeficiente de excedente y las especificaciones del motor. A menudo, el excedente es grande y los motores industriales suelen operar al 50% al 60% de la carga nominal. Si la capacidad del convertidor de frecuencia se selecciona en función de la corriente nominal del motor, se deja demasiado margen, lo que resulta en un desperdicio económico y, como resultado, no se mejora la confiabilidad.
Para motores de jaula de ardilla, la selección de la capacidad del convertidor de frecuencia debe basarse en el principio de que la corriente nominal del convertidor sea mayor o igual a 1,1 veces la corriente máxima de operación normal del motor, lo que permite maximizar el ahorro de costos. Para condiciones como arranque con carga pesada, entornos de alta temperatura, motores bobinados, motores síncronos, etc., la capacidad del convertidor de frecuencia debe aumentarse adecuadamente.
En los diseños que utilizan convertidores de frecuencia desde el principio, es comprensible elegir la capacidad del convertidor en función de la corriente nominal del motor. Esto se debe a que, en este momento, la capacidad del convertidor no puede seleccionarse en función de las condiciones reales de funcionamiento. Por supuesto, para reducir la inversión, en algunos casos, la capacidad del convertidor puede ser incierta inicialmente y, tras un cierto tiempo de funcionamiento del equipo, puede seleccionarse en función de la corriente real.
En el sistema de molienda secundaria de un molino de cemento de 2,4 m × 13 m de diámetro, perteneciente a una cementera de Mongolia Interior, se encuentra un selector de polvo de alta eficiencia N-1500 O-Sepa, de fabricación nacional, equipado con un motor eléctrico modelo Y2-315M-4 de 132 kW. Sin embargo, se ha seleccionado el convertidor de frecuencia FRN160-P9S-4E, compatible con motores de 4 polos de 160 kW. Tras su puesta en funcionamiento, la frecuencia máxima de trabajo es de 48 Hz y la corriente es de tan solo 180 A, inferior al 70 % de la corriente nominal del motor. El motor en sí presenta un excedente de capacidad considerable. Además, las especificaciones del convertidor de frecuencia son un nivel superiores a las del motor de accionamiento, lo que genera un consumo innecesario y no mejora la fiabilidad.
El sistema de alimentación de la trituradora de piedra caliza n.° 3 de la planta de cemento Chaohu de Anhui utiliza un alimentador de placas de 1500 × 12000 y el motor de accionamiento es un motor de CA Y225M-4 con una potencia nominal de 45 kW y una corriente nominal de 84,6 A. Antes de la transformación de la regulación de velocidad por conversión de frecuencia, se observó mediante pruebas que, cuando el alimentador de placas acciona el motor con normalidad, la corriente trifásica promedio es de tan solo 30 A, lo que representa tan solo el 35,5 % de la corriente nominal del motor. Para ahorrar inversión, se seleccionó el convertidor de frecuencia ACS601-0060-3, que tiene una corriente de salida nominal de 76 A y es compatible con motores de 4 polos con una potencia de 37 kW, logrando un buen rendimiento.
Estos dos ejemplos ilustran que, para proyectos de renovación que originalmente no utilizaban convertidores de frecuencia, seleccionar la capacidad del convertidor de frecuencia en función de las condiciones operativas reales puede reducir significativamente la inversión.
Concepto erróneo 3: Los motores generales solo pueden funcionar a una velocidad reducida utilizando convertidores de frecuencia por debajo de su velocidad de transmisión nominal.
La teoría clásica sostiene que el límite superior de la frecuencia de un motor universal es de 55 Hz. Esto se debe a que, cuando la velocidad del motor debe ajustarse por encima de la nominal para su funcionamiento, la frecuencia del estator aumentará por encima de la nominal (50 Hz). En este punto, si se sigue aplicando el principio de par constante para el control, la tensión del estator aumentará por encima de la nominal. Por lo tanto, cuando el rango de velocidad es superior a la nominal, la tensión del estator debe mantenerse constante a dicha tensión. En este punto, al aumentar la velocidad/frecuencia, el flujo magnético disminuirá, lo que resultará en una disminución del par a la misma corriente del estator, un debilitamiento de las características mecánicas y una reducción significativa de la capacidad de sobrecarga del motor.
De esto se desprende que el límite superior de la frecuencia de un motor universal es de 55 Hz, lo cual es un requisito previo:
1. El voltaje del estator no puede exceder el voltaje nominal;
2. El motor está funcionando a potencia nominal;
3. Carga de par constante.
En la situación anterior, la teoría y los experimentos han demostrado que si la frecuencia supera los 55 Hz, el par del motor disminuirá, las características mecánicas se volverán más suaves, la capacidad de sobrecarga disminuirá, el consumo de hierro aumentará rápidamente y el calentamiento será severo.
El autor considera que las condiciones reales de funcionamiento de los motores eléctricos indican que los motores de propósito general pueden acelerarse mediante convertidores de frecuencia. ¿Es posible aumentar la velocidad de frecuencia variable? ¿Cuánto se puede aumentar? Esto se determina principalmente por la carga que arrastra el motor eléctrico. En primer lugar, es necesario determinar la tasa de carga. En segundo lugar, es necesario comprender las características de la carga y realizar cálculos basados en la situación específica de la misma. A continuación, se presenta un breve análisis:
1. De hecho, un motor universal de 380 V puede funcionar durante un tiempo prolongado cuando la tensión del estator supera el 10 % de la tensión nominal, sin afectar el aislamiento ni la vida útil del motor. La tensión del estator aumenta, el par aumenta significativamente, la corriente del estator disminuye y la temperatura del devanado disminuye.
2. La tasa de carga del motor eléctrico suele ser del 50% al 60%.
Generalmente, los motores industriales operan entre el 50% y el 60% de su potencia nominal. Según cálculos, cuando la potencia de salida del motor es del 70% de la potencia nominal y la tensión del estator aumenta un 7%, la corriente del estator disminuye un 26,4%. En este caso, incluso con control de par constante y utilizando un convertidor de frecuencia para aumentar la velocidad del motor un 20%, la corriente del estator no solo no aumenta, sino que también disminuye. Si bien las pérdidas en el hierro del motor aumentan considerablemente al aumentar la frecuencia, el calor generado es insignificante en comparación con el calor reducido por la disminución de la corriente del estator. Por lo tanto, la temperatura del devanado del motor también disminuye significativamente.
3. Existen diversas características de carga.
El sistema de accionamiento del motor eléctrico alimenta la carga, y cada carga posee características mecánicas diferentes. Los motores eléctricos deben cumplir con los requisitos de las características mecánicas de la carga tras la aceleración. Según los cálculos, la frecuencia de operación máxima admisible (fmáx) para cargas de par constante a diferentes tasas de carga (k) es inversamente proporcional a la tasa de carga, es decir, fmáx = fe/k, donde fe es la frecuencia de potencia nominal. Para cargas de potencia constante, la frecuencia de operación máxima admisible de los motores generales está limitada principalmente por la resistencia mecánica del rotor y el eje del motor. El autor considera que, en general, es recomendable limitarla a 100 Hz.
Ejemplo de aplicación:
El transportador de cangilones de cadena de una fábrica tiene una carga de par constante y, debido al aumento de la producción, es necesario aumentar la velocidad del motor en un 20 %. El modelo del motor es el Y180L-6, con una potencia nominal de 15 kW, una tensión nominal de 380 V, una corriente nominal de 31,6 A, una velocidad nominal de 980 r/min, una eficiencia del 89,5 %, un factor de potencia de 0,81, una corriente de funcionamiento de 18-20 A, una potencia máxima de funcionamiento de 7,5 kW en condiciones normales y una tasa de carga del 50 %. Tras instalar el convertidor de frecuencia CIMR-G5A4015, la frecuencia de funcionamiento es de 60 Hz, la velocidad se incrementa en un 20 %, la tensión de salida máxima del convertidor se establece en 410 V, la corriente de funcionamiento del motor es de 12-15 A, que disminuye aproximadamente un 30 % y la temperatura del devanado del motor disminuye significativamente.
Concepto erróneo 4: Descuidar las características inherentes de los convertidores de frecuencia
La depuración del convertidor de frecuencia suele ser realizada por el distribuidor, sin ningún problema. La instalación de un convertidor de frecuencia es relativamente sencilla y suele ser realizada por el usuario. Algunos usuarios no leen atentamente el manual del usuario, no siguen estrictamente los requisitos técnicos de construcción, ignoran las características del propio convertidor, lo equiparan con componentes eléctricos generales y actúan basándose en suposiciones y experiencia, lo que implica riesgos ocultos de fallos y accidentes.
Según el manual de usuario del convertidor de frecuencia, el cable conectado al motor debe ser un cable blindado o blindado, preferiblemente tendido en un tubo metálico. Los extremos del cable cortado deben estar lo más limpios posible, los segmentos sin blindaje deben ser lo más cortos posible y la longitud del cable no debe exceder una distancia determinada (normalmente 50 m). Si la distancia de cableado entre el convertidor de frecuencia y el motor es larga, la alta corriente de fuga armónica del cable puede afectar negativamente al convertidor y a los equipos circundantes. El cable de tierra que regresa del motor controlado por el convertidor de frecuencia debe conectarse directamente al terminal de tierra correspondiente del convertidor. El cable de tierra del convertidor de frecuencia no debe compartirse con máquinas de soldar ni equipos eléctricos, y debe ser lo más corto posible. Debido a la corriente de fuga generada por el convertidor de frecuencia, si está demasiado lejos del punto de tierra, el potencial del terminal de tierra será inestable. La sección transversal mínima del cable de tierra del convertidor de frecuencia debe ser mayor o igual que la sección transversal del cable de alimentación. Para evitar un funcionamiento incorrecto causado por interferencias, los cables de control deben usar cables blindados trenzados o de doble hebra. Al mismo tiempo, tenga cuidado de no tocar el cable de red blindado con otras líneas de señal ni carcasas de equipos, y envuélvalo con cinta aislante. Para evitar la influencia del ruido, la longitud del cable de control no debe superar los 50 m. El cable de control y el cable del motor deben tenderse por separado, utilizando bandejas de cables independientes, y mantenerse lo más alejados posible. Cuando deban cruzarse, deben cruzarse verticalmente. Nunca los coloque en la misma tubería o bandeja de cables. Sin embargo, algunos usuarios no siguieron estrictamente los requisitos anteriores al tender los cables, lo que provocó que el equipo funcionara con normalidad durante la depuración individual, pero causó interferencias graves durante la producción normal, impidiéndole funcionar.
Si el indicador de temperatura del aire secundario de una planta de cemento muestra lecturas anormales repentinamente, el valor indicado es significativamente bajo y fluctúa considerablemente. Anteriormente, funcionaba correctamente. Se revisaron los termopares, transmisores de temperatura e instrumentos secundarios, sin encontrar problemas. ¿Cuál es la causa? Al trasladar el instrumento a otro punto de medición, funcionó con total normalidad. Sin embargo, al reemplazar instrumentos similares de otros puntos de medición, se produjo el mismo fenómeno. Posteriormente, se descubrió que se había instalado un nuevo convertidor de frecuencia en el motor del ventilador n.° 3 del enfriador de parrilla, y solo después de ponerlo en funcionamiento, el indicador de temperatura del aire secundario mostró lecturas anormales. Detenga el convertidor de frecuencia y restablezca inmediatamente la temperatura del aire secundario a la normalidad. Al reiniciarlo, el indicador de temperatura del aire secundario volvió a mostrar lecturas anormales. Tras varias pruebas, se determinó que la interferencia del convertidor de frecuencia era la causa directa de la visualización anormal en el indicador de temperatura del aire secundario. El ventilador es centrífugo, que originalmente utilizaba válvulas para ajustar el volumen de aire, pero posteriormente se cambió a una regulación de velocidad de frecuencia variable para ajustar el volumen de aire. Debido a la gran cantidad de polvo y las duras condiciones ambientales de la obra, el convertidor de frecuencia se instala en la sala de control del Centro de Control de Motores (MCC). Para facilitar la construcción, el convertidor de frecuencia se conecta a la parte inferior del contactor principal del ventilador, y su cable de salida utiliza el cable de alimentación del motor del ventilador. Este cable, con aislamiento de PVC y revestimiento blindado, se tiende paralelo al cable de señal del medidor de temperatura del aire secundario en diferentes capas de puente de la misma zanja. Se observa que las interferencias se producen precisamente porque el cable de salida del convertidor de frecuencia no utiliza cables blindados ni se tiende a través de tuberías de hierro. Esta lección debe prestarse especial atención a los proyectos de renovación que originalmente no utilizaban convertidores de frecuencia.
También se debe tener especial cuidado con el mantenimiento diario de los convertidores de frecuencia. Algunos electricistas activan el convertidor de frecuencia inmediatamente para realizar mantenimiento en cuanto detectan una falla y lo disparan. Esto es muy peligroso y puede provocar accidentes por descarga eléctrica. Esto se debe a que, incluso si el convertidor de frecuencia no está en funcionamiento o se ha cortado la alimentación, aún puede haber tensión en la línea de entrada, el terminal de CC y el terminal del motor debido a la presencia de condensadores. Tras desconectar el interruptor, es necesario esperar unos minutos a que el convertidor de frecuencia se descargue por completo antes de comenzar a trabajar. Algunos electricistas suelen realizar pruebas de aislamiento en el motor accionado por el sistema de variador de frecuencia utilizando una mesa vibratoria al detectar la activación del sistema para determinar si se ha quemado. Esto también es muy peligroso, ya que puede provocar fácilmente la quema del convertidor de frecuencia. Por lo tanto, antes de desconectar el cable que une el motor y el convertidor de frecuencia, no se deben realizar pruebas de aislamiento en el motor ni en el cable ya conectado al convertidor de frecuencia.