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Electrónica de potencia.
Variadores de velocidad
Autor: Gerardo David Garcia Gonzalez
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Presentación del curso
Aprende acerca de la electrónica de potencia; y la contribución al ahorro energético
mediante la optimización del consumo tanto en la industria como en servicios y en
viviendas. La electrónica se ocupa de los dispositivos y circuitos de estado sólido
requeridos en el procesamiento de señales y la conversión de la energía eléctrica.
Aprenderás la importancia que la electrónica de potencia tiene en el ahorro de
energía de los equipos electrónicos mediante un uso más eficiente de la electricidad.
Te enseñaremos que la electrónica de potencia es la tecnología clave para poner en
marcha todos los recursos de energías renovables, como son la eólica y la
fotovoltaica, así la transformación de energía en una central termoeléctrica que
produce la combustión, que genera la energía calorífica que se emplea para el
calentamiento del agua y para producir vapor.
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1. Electrónica de potencia. Introducción
Introducción
La electrónica de potencia (o electrónica de las corrientes fuertes1) es una técnica
relativamente nueva que se ha desarrollado gracias al avance tecnológico que se ha
alcanzado en la producción de dispositivos semiconductores, y se define como "la
técnica de las modificaciones de la presentación de la energía eléctrica" o bien como
"la aplicación de la electrónica de estado sólido para el control", el cual el control se
encarga del régimen permanente y de las características dinámicas de los sistemas
de lazo cerrado. La energía tiene que ver con el equipo de potencia estática,
rotatoria o giratoria, para la generación, transmisión, distribución y utilización de la
energía eléctrica. La electrónica se ocupa de los dispositivos y circuitos de estado
sólido requeridos en el procesamiento de señales para cumplir con los objetivos del
control deseados y la conversión de la energía eléctrica. En la figura 1 se puede
apreciar un esquema básico de bloques de un sistema electrónico de potencia.
Figura. 1: Diagrama de bloques del convertidor de potencia operando en lazo
cerrado
1 corrientes fuertes: se refiere a corrientes grandes como de 15Amp, o mayores.
El desarrollo tecnológico experimentado por la electrónica de potencia durante los
últimos cuarenta años la ha consolidado en la actualidad como una herramienta
indispensable para el funcionamiento de todos los ámbitos de nuestra sociedad
tanto industrial como el de servicios y domestico. Esta posición se ha conseguido
con la continua aportación, de los técnicos especializados en electrónica de
potencia. En la figura 2 se muestra un esquema de la electrónica de potencia como
una disciplina interdisiplinar.
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Figura 2. La electrónica de potencia como una disciplina interdisiplinar.
La demanda del mercado es la que estira de las tecnologías y la electrónica de
potencia empujada por el mercado, es una tecnología posibilitadora, es decir, juega
solamente un papel de soporte al desarrollo de las otras tecnologías. La demanda
actual consiste en la integración de la electrónica de potencia en sistemas de
procesado de energía. Hay que dejar de hacer electrónica de potencia para pasar a
hacer procesado de la potencia.
La introducción de las máquinas eléctricas junto con la distribución de la energía
eléctrica inicio la nueva era eléctrica que caracterizo la primera mitad del siglo XX.
Con la invención del transistor en el año de 1948 se inicio la primera revolución
electrónica, que nos introdujo en la era electrónica durante la cual asistimos a la
aparición de los circuitos integrados, ordenadores, comunicaciones, informática,
Internet y la automatización que nos llevaron hacia la sociedad de la información
que produjo el fenómeno de la llamada "globalización".
Mientas tanto, con la invención del tiristor en 1956 se produjo de forma silenciosa y
lenta la llamada por algunos "segunda revolución electrónica", que culmina con la
madurez de la electrónica de potencia a mediados del siglo XXI. Es importante
destacar que la electrónica de potencia esencialmente consiste en una mezcla de
tecnologías impulsoras de la era mecánica, de la era eléctrica y de la era electrónica.
Nos encontramos ante una nueva tecnología realmente interdisciplinar. La
electrónica de potencia, con su esencia interdisciplinar, está destinada a desempeñar
un importante papel en la consecución de estos objetivos.
La energía ha sido siempre necesaria para asegurar el continuo progreso de la
humanidad.
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2. Electrónica de potencia. Antecedentes
Antecedentes
La electrónica de potencia puede contribuir al ahorro energético mediante la
optimización del consumo tanto en la industria como en servicios y en viviendas. La
regulación de la velocidad de los motores eléctricos es una de las aplicaciones más
utilizadas de la electrónica de potencia, habiendo superado el estricto marco
industrial y habiendo llegado actualmente a los equipos de aire acondicionado,
lavadoras y ascensores.
La electrónica de potencia es también la tecnología clave para poder poner en
marcha todos los recursos de energías renovables, como son la eólica y la
fotovoltaica, junto con los nuevos sistemas de almacenamiento de energía, como
pueden ser las pilas de combustible, baterías, súper condensadores, volantes de
inercia y bobinas superconductoras. En el campo de la movilidad, la electrónica de
potencia es la tecnología base del coche eléctrico y está aportando grandes
innovaciones a los transportes ferroviarios, que deben experimentar un gran
desarrollo futuro. Procesar inteligentemente la energía en los sistemas de potencia
constituye una de las aplicaciones que ofrecen mayor posibilidades.
Donde se hace mas patente la gran importancia actual de la electrónica de potencia
es en el ahorro de energía de los equipos eléctricos mediante un uso más eficiente
de la electricidad. Se estima que aproximadamente se puede ahorrar entre un 15% y
un 20% del consumo eléctrico mediante una aplicación extensiva de la electrónica de
potencia. Aproximadamente del 60% al 65% de la electricidad generada es
consumida por motores eléctricos y la mayoría de estos accionan bombas y
ventiladores. De nuevo la eficiencia energética de la mayoría de estas bombas y
ventiladores puede beneficiarse del control a velocidad variable. Tradicionalmente,
la variación de flujo de los flujos impulsados por estos equipos se consigue
mediante válvulas obturadoras, mientras que los motores de inducción siguen
girando a su velocidad fija nominal. Se puede demostrar que el funcionamiento de
los motores y válvulas totalmente abiertas con velocidad variable puede ahorrar
hasta el 30% de energía en condiciones de carga ligera. El funcionamiento de los
motores de inducción con poca carga, se puede optimizar haciéndole trabajar a flujo
de excitación magnética reducido, con lo que se consiguen ahorros del 20%. Como
el precio de la electrónica de potencia sigue disminuyendo, es posible instalar
arrancadores de frecuencia variable en la alimentación de motores aunque sea en
aplicaciones de velocidad constante, permitiendo programar el control del flujo de
excitación del motor, con el consecuente ahorro de energía.
Se estima que el 20% de energía generada se consume en la iluminación. Las
lámparas fluorescentes tienen un rendimiento energético tres veces más elevado
que las de incandescencia. La utilización de las reactancias de electrónica de
potencia de elevadas frecuencias puede mejorar este rendimiento todavía en un 20%
adicional. La comercialización a gran escala de las nuevas fuentes de luz de altísimo
rendimiento como son los LED de luz blanca necesitará la incorporación de la
electrónica de potencia.
El actual progreso de la electrónica de potencia ha sido posible principalmente
gracias a los avances en los dispositivos semiconductores de potencia junto con las
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nuevas propuestas de topologías de convertidores de modulación PWM, modelos
analíticos, métodos de simulación, algoritmos de control y estimulación,
microcontroladores y DSP, circuitos integrados ASIC, etc. Aunque históricamente la
electrónica de potencia empezó en el año 1901 con la disponibilidad de la válvula
rectificadora de arco de mercurio, no fue hasta la aparición del tiristor en los años
50 cuando empezó la era moderna de la electrónica de potencia de estado sólido.
Gradualmente fueron apareciendo otros componentes semiconductores de potencia
que se beneficiaron de los avances de la microelectrónica. Esta evolución de los
componentes, unida a la evolución de los convertidores estáticos y del control, ha
sido muy espectacular en la última década del siglo XX, llevando al a electrónica de
potencia a su actual estado de madurez, que la convierte en una tecnología
estratégica para el futuro de la humanidad.
El tiristor, que fue el componente que domino la primera generación de la
electrónica de potencia, actualmente sigue siendo indispensable en la aplicaciones
de gran potencia y baja frecuencia, como son los rectificadores de la corriente de la
red alterna, interruptores estáticos, compensadores estáticos de energía reactiva por
control de fase, onduladores autoconmutados para motores síncronos de muy
elevadas potencias, baños galvanicos, procesos electrolíticos y sistemas de
transmisión de energía eléctrica en alta tensión continua HVDC. Para aplicaciones de
alta potencia y tensión se dispone actualmente de tiristores activados por la luz LTT
de 8kV y 3,5kV con caídas directas de tensión de 2,7 a 3,5kV. Como las órdenes del
disparo se envían en forma de luz por fibra óptica, se dispone de suficiente
aislamiento como para utilizarlo en aplicaciones de 259kV.
Durante muchos años fueron muy populares los circuitos de conmutación forzada
de los tiristores, que dejaron de usarse con la aparición del tiristor GTO (tiristor
conmutado por la compuerta), el primer interruptor de potencia que se podía
controlar tanto al cerrar como al abrir. En la actualidad se fabrican solamente GTO
para aplicaciones de muy alta tensión y potencia, 6kV, 6KA, y están en desarrollo
GTO de 9KV y 12kV.
La necesidad de complejos circuitos de puerta y de ayuda a la conmutación
(snubbers) y las bajas frecuencias a las que se puede conmutar del orden de 500 Hz,
hacen que el GTO quede relegado a aplicaciones de muy alta tensión, como pueden
ser la tracción y los sistemas eléctricos de potencia. La disponibilidad de los
modernos IGBT de alta tensión hace que el GTO haya perdido alguno de sus campos
de aplicación tanto en tracción como en grandes convertidores de frecuencia
industriales y también en la red eléctrica de alta tensión.
Desarrollo del proyecto
Una central de generación es una instalación completa la cual tiene el objetivo de
producir energía eléctrica, en base a una transformación de la energía.
Figura 3.- Transformaciones de energía en una central de generación.
La energía eléctrica se produce como resultado de una serie de transformaciones de
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energía (figura 3).Estas transformaciones de energía se realizan precisamente dentro
de la central. La central debe constar con alguna forma de energía disponible a
partir de la cual se inician todas las transformaciones necesarias hasta llegar
finalmente a la energía eléctrica.
En la actualidad la electricidad se puede producir a partir de diversos medios
energéticos primarios (carbón, petróleo, gas natural, fisión nuclear, etc.) y tomando
el principio de que para generar electricidad basta contener un campo magnético,
de una bobina y de energía mecánica suficiente como para hacerla girar.
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3. Centrales termoeléctricas (1/2)
A) Centrales termoeléctricas
Enfocamos nuestra atención a un tipo de centrales de generación, que por su
numero y capacidad, son muy importantes en el sistema eléctrico de nuestro país;
Las Centrales Termoeléctricas. En la figura 4 se muestra en un diagrama de
bloques, la transformación de energía en una central termoeléctrica. En las
transformaciones de energía que se efectúan en este tipo de centrales, observamos
lo siguiente:
La fuente de energía disponible es combustible (combustible pesado, gas, diesel,
carbón, etc.). La energía se encuentra almacenada en el combustible según su
composición química y se libera haciendo que se produzca una reacción química
que en este caso es la combustión. Al producirse la combustión, ya se tiene la
primera transformación de energía, es decir, que la energía química del combustible
se transforma en calor (energía calorífica) en la flama y en los gases calientes
producto de la combustión.
Figura 4.- Transformación de energía en una central Termoeléctrica.
La combustión se realiza en el lugar de un generador de vapor. Si la energía
calorífica de los gases se emplea para calentar el agua y producir vapor, ya se tiene
otra transformación de energía. Los gases ceden parte de su energía al vapor,
teniéndose ahora vapor con mayor energía que llamaremos térmica (Para diferenciar
con el término de energía calorífica asignado a los gases calientes).
La energía de vapor se transforma en trabajo mecánico en una turbina de vapor con
la que se tiene otra transformación de energía. Finalmente, si la turbina está
acoplada mecánicamente a un generador eléctrico, se tiene la última transformación
de la energía y se llega a un objetivo: "La producción de energía Eléctrica".
Todas las transformaciones de energía citadas se efectúan dentro de una Central
termoeléctrica, que cuenta con el equipo para realizarlas. Estas transformaciones
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hacen que la central sea precisamente termoeléctrica y no de otro tipo. Todo el
equipo de una central termoeléctrica es importante, pero de acuerdo a su
participación directa en la obtención del objetivo, así como por su tamaño y costo,
se clasifica a los siguientes equipos como principales.
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4. Centrales termoeléctricas (2/2)
Nota: Continuamos con las Centrales Termoeléctricas.
Equipo principal de una Central Termoeléctrica:
- Generador de Vapor.
- Turbina ( y condensador)
- Generador Eléctrico.
Al resto del equipo que participa directa o indirectamente en la obtención del
objetivo (producción de energía eléctrica) se clasifica como equipo auxiliar. Existe
una gran variedad de Equipo Auxiliar, entre los que citamos:
-
Bombas.
Ventiladores
Extractores
Calentadores
Enfriadores
Compresores
Eyectores
Deareador
Tanques
Se llama sistema de flujo o simplemente "SISTEMA" a un conjunto formado por
equipo y tuberías que manejan un fluido determinado, pudiendo ser, agua destilada,
agua de mar, de enfriamiento, vapor, gases, combustible o cualquier otro requerido
en la central. Los sistemas de flujos pueden ser cerrados (formando un anillo) o
abiertos. Los equipos auxiliares o los principales se integran para formar parte de
los sistemas de flujo. Un mismo equipo puede pertenecer a varios sistemas, por
ejemplo, el generador de vapor pertenecía al sistema de aire-gases de combustión,
al sistema de combustible, al de valorización y sobrecalentamiento y a otras más.
Según las necesidades de cada central en particular, pueden tenerse diversos
sistemas. Entre los principales están:
1. Condensado
2. Agua de Alimentación
3. Vaporización y Sobrecalentamiento
4. Vapor Principal
5. Vapor auxiliar
6. Extracciones y Drenajes
7. Combustible
8. Aire y gases de combustión
9. Aceite de lubricación y Control
10. Aceite de sellos
11. Sellos de Vapor
12. Gases N2, CO2, H2.
13. Enfriamiento Principal
14. Enfriamiento Auxiliar
15. Tratamiento de agua Repuesto
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Desoficación e Inyección Químicos.
Análisis y Muestreo.
Agua de Repuesto
Agua contra Incendio.
Agua de servicios.
Aire de servicio.
Aire de Instrumentos.
Lubricación Equipo Auxiliar.
Agua de Mar.
En la figura 5 se representa un diagrama general de una central Termoeléctrica
incluyendo los sistemas principales. Este diagrama es solo representativo de una
central termoeléctrica. Típica y pueden tener variaciones según cada central real en
particular. Para los efectos de este trabajo, detallaremos los componentes del
sistema de condensado, que es el sistema donde finalmente se aplico el proyecto de
ahorro de energía.
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5. Condensador de vapor (1/3)
B) El condensador
El vapor que sale por el escape de una turbina, dependiendo del diseño de está
última, puede seguir dos caminos diferentes.
a) Usarse para otros procesos (Turbina sin Condensación).
b) Condensarse (Turbina con Condensación).
En el caso de las centrales termoeléctricas de la Comisión Federal de Electricidad el
vapor se condensa, lo que permite aprovechar más energía y recuperar el agua para
alimentarse de nuevo al generador de vapor.
La condensación del vapor de escape se efectúa en el condensador (figura 6). La
condensación es un proceso inverso a la ebullición.
Figura 6.- El condensador.
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Figura 5.- Diagrama general de una central termoeléctrica.
El condensador es una gran cámara que se encuentra en la parte inferior del escape
de la turbina. La cámara esta atravesada por miles de tubos y por el interior de los
tubos circula el agua necesaria para el enfriamiento del vapor. El vapor hace
contacto con los tubos fríos y se condensa, formando gotas que se precipitan en la
parte inferior del condensador. El agua de enfriamiento se conoce como "Agua de
Circulación" y la proporcionan las bombas de circulación, pudiendo ser aguas
tratadas, agua de una laguna o de mar. Se requieren grandes cantidades de agua de
circulación. El agua de circulación sale con mayor temperatura y se envía a unas
torres de enfriamiento o se desecha nuevamente a la laguna, o mar, según
corresponda. Como se Ilustra en la figura 7.
Figura 7.- Proceso de circulación del agua.
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6. Condensador de vapor (2/3)
Nota: Continuamos con el Condensador
La condensación del vapor produce una presión de vacío dentro del condensador
(presión inferior a la atmosférica). En la figura 8 se muestra el vació en el
condensador.
Figura 8.- Vació en el condensador.
El agua resultante en el condensador, producto de la condensación del vapor de
escape, se envía nuevamente al generador de valor a través de dos sistemas, el
primero de los cuales es el sistema de condensado. La función del sistema de
condensado es extraer el agua del condensador y hacerla pasar por una serie de
equipos que le aumentan gradualmente su temperatura hasta llegar al Deareador. El
aumento de temperatura del agua hace que ésta llegue menos fría al generador de
vapor, además de que aumente la eficiencia del ciclo.
Descripción:
El sistema de condensado cuenta con el siguiente equipo:
- Condensador.
- Pozo caliente: Se determina así a la parte inferior del condensador en donde se
colecta el condensado.
- Bombas de condensado: Extraen el agua del pozo caliente y proporcionan la
presión necesaria para que el agua pase por los calentadores y llegue al Deareador.
Son bombas de presión baja comparadas con las bombas de agua de alimentación.
- Otros calentadores: El sistema incluye a dos equipos que también son
calentadores y aumentan la temperatura del agua de condensado. Se llaman
Condensador de Vapor de Sellos y Banco de Eyectores y reciben vapor de otros
puntos de ciclo que no analizamos. Calientan el agua en forma similar a los
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calentadores del punto siguiente.
Calentadores de baja presión: Son equipos que aumentan la temperatura del agua
del sistema de condensado.
En la figura 9 se muestra un dibujo esquemático del calentador de contacto.
Figura 9- Calentado de contacto.
El agua por calentarse circula por el interior de unos tubos, mientras que por el
exterior circula vapor, el agua se calienta y el vapor se enfría en los calentadores de
contacto. El agua pertenece al sistema de condensado y el vapor se toma de las
extracciones de la turbina. El agua de condensado y el vapor de extracción no se
mezclan. El número de calentadores es variable en cada central, las unidades más
grandes cuentan con 4 calentadores de baja presión. A cada calentador se le
asignan un número progresivo.
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7. Condensador de vapor (3/3)
Nota: Continuamos el estudio del Condensador.
Es usual encontrar a los calentadores 1 y 2 instalados físicamente en el cuello del
condensador. En este ultimo caso el camino seguido por el sistema de condensado y
por el sistema de las extracciones no se altera. En la figura 10 se muestra un dibujo
esquemático del calentador de agua por baja presión.
- EL Deareador: Es un equipo que cumple simultáneamente con dos funciones: Es
un calentador de agua.
Elimina los gases disueltos en el agua (Deareación).
Figura 10. Calentador de agua por baja presión.
Para lograrlo, está diseñado de tal manera que el agua del sistema del agua de
condensado llega al Deareador y se fracciona en pequeñas gotas mediante charolas
y otros dispositivos (figura 11). Se alimenta vapor de tal forma que se arrastra a los
gases disueltos en el agua y estos salen por un venteo en la parte superior del
deareador. Si el agua no se dearea, los gases disueltos producen corrosión en el
generador de vapor. La mezcla de vapor con el agua también produce un
calentamiento y por lo tanto el deareador es un calentador. Como el calentamiento
se produce por mezcla, a diferencia de lo descrito en el punto anterior, que son de
contacto.
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Figura 11.- Deareador (calentador de mezcla)
El agua deareada y caliente se almacena en un depósito inferior llamado tanque de
oscilación, de donde es succionada por las bombas de agua de alimentación quienes
la envían al generador de vapor. Al deareador se le asigna un número progresivo
dentro de los calentadores. En la figura 12 se muestra un dibujo esquemático, se
representa como se lleva acabo la circulación del agua condensada por medio de las
bombas de condensado hasta llegar al deareador.
Figura 12- Circulación del agua condensada hasta llegar al deareador.
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8. Extracción de condensado (1/2)
C) Planteamineto del problema
Para analizar la operación de la bomba de extracción de condensado (BEC). Nos
enfocamos únicamente en la bomba de la unidad 1.
Esta BEC. Se encuentra en el sistema de extracción de condensado. Este sistema es
una pequeña parte del ciclo de generación de vapor. El ciclo comienza con la
extracción de agua de los pozos; después el líquido pasa a la caldera en donde se le
aumenta la energía hasta convertirla en vapor; de aquí pasa a los economizadores
para finalmente conducirse a la turbina. En este momento, el ciclo llega a su primera
fase. Después, el vapor pasa al tanque condensador para convertirse en agua y la
BEC bombea ésta hacia el sistema de calentadores, para volver a proporcionarle
energía; y posteriormente dirigirla al tanque deareador, en donde es oxigenada.
Finalmente, el agua es conducida hacia la caldera, cerrándose así el ciclo de
producción de vapor.
El sistema de extracción de condensado comienza en el tanque condensador y
termina en el tanque deareador. La función de la BEC es la de bombear el agua
desde el primer tanque, al segundo; que se encuentra a un nivel de altura arriba del
condensador. La caldera demanda diferentes niveles de flujo de agua al deareador,
según la carga específica de la unidad de generación. Estos flujos son variables para
diferentes porcentajes de carga de la unidad. En el tanque deareador se debe
mantener el nivel de agua dentro de los límites preestablecidos por diseño del
sistema. Para satisfacer la demanda variable de la caldera y procurar que no quede
en vacío. Este nivel se mantiene con el flujo de agua recibida de la BEC. y que es
proporcional a la demanda por la caldera.
El control clásico del nivel del deareador en una central termoeléctrica, consiste en
obturar la tubería de descarga de la BEC a través de una válvula, provocando que la
BEC se sobrecargue y se produzca sobrecalentamiento y pérdidas I2R. Para
solucionar este problema, se propuso la aplicación de un variador de velocidad al
motor de la bomba, y así controlar el flujo de descarga; dejando totalmente abierta
la válvula y evitar las pérdidas de energía y el desgaste de la misma válvula. En la
aplicación del variador, es necesario primeramente conocer las velocidades de la
B.E.C. con las cuales, debe descargar los flujos de agua, proporcionales a las que
demanda la caldera para cada nivel de carga de la unidad 1 (tabla 1).
Existen presiones estáticas que la bomba debe vencer; para que la bomba de
extracción de
condensado pueda subir el agua al deareador; por lo tanto, se debe
calcular también las presiones a la descarga de la BEC (mediante la ecuación 1) y
verificar si son suficientes para vencer las presiones estáticas. Las presiones del
deareador, para los niveles de 100, 80, 50, y 25% de carga de la unidad, son de 7.0,
5.48 y 3.20Kg/cm2 respectivamente.
La presión de la columna de agua se obtiene de las ecuaciones 2 y 3.
Presión estática = P. Deareador + P. de la Columna
Presión de la columna = (altura de la columna) * (presión del agua)
Presión de la columna = ( 20 metros) * (0.093 )
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(1)
(2)
(3)
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Tabla 1.- Valores de flujo de demanda de la unidad.
Tabla 2.- Resultado de las presiones y velocidades requeridas.
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9. Extracción de condensado (2/2)
Nota: Extracción de condensado.
Extracción de condensado. Solución, construcción y pruebas.
Con los cálculos anteriores, el variador de velocidad se instaló en el motor de BEC
de la unidad 1. Las características de esta bomba son las siguientes: motor de
inducción jaula de ardilla; potencia de 150 HP, alimentación a 220/440V; Velocidad
de 1800 R. P. M. Y Tipo Centrifuga-vertical.
El variador de velocidad que se instaló es de la compañía ABB serie 502/505-B. Este
variador cuenta con un banco de rectificación propio, con el fin de disminuir las
armónicas generadas. Una vez instalado el variador, se realizaron pruebas sin y con
el grupo motor-variador, a diferentes niveles de carga de la unidad. Con el objetivo
de analizar el comportamiento de la bomba.
Las mediciones que se realizaron fueron las siguientes:
-
> Distorsión armónica a la entrada del variador.
> Vibraciones en la bomba.
> Voltaje y Corriente.
> Potencia demandada y energía consumida.
Los resultados de estas mediciones se presentan en las tablas 3, 4, 5, 6, y 7.
Tabla 3.- Medición del contenido armónico sin variador de velocidad.
Tabla 4.- Mediciones de voltaje, corriente y vibraciones en la bomba, sin el variador
de velocidad.
Tabla 5.- Medición del contenido armónico con variador de velocidad.
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Tabla 6.- Mediciones de voltaje, corriente y vibraciones en la bomba, con el
variador de velocidad.
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10. Variadores de velocidad (1/4)
Mediciones sin el variador de velocidad
El contenido armónico en la corriente y el voltaje es bajo. La corriente aumenta
conforme la carga de la unidad disminuye. Esto es bebido a que la unidad requiere
menos flujo y; por lo tanto, se utiliza la válvula para obturar la tubería, provocando
que se sobrecargue la bomba. Como consecuencia de lo anterior, también el
consumo de energía aumenta.
Mediciones con el variador de velocidad
En la utilización del variador, se observó que la corriente disminuyo y por lo tanto,
el consumo de energía disminuyo también, debido a que la válvula queda totalmente
abierta y solamente se disminuye la velocidad del motor (de la bomba).
El contenido armónico en la corriente es muy alto, a pesar de que el variador cuenta
con un filtro integrado. De esta medición se observó la necesidad de instalar otro
filtro. Al operar con el variador, las vibraciones en le motor son de magnitud similar
a las de su operación sin éste.
Uno de los puntos de más interés, es ver el ahorro en la potencia consumida por el
motor de la bomba con el variador de velocidad, a diferentes capacidades de carga.
La tabla 7 muestra estos ahorros.
En las mediciones de demanda eléctrica sin el variador, se puede observar que
cuando la unidad generadora se encontraba al 90%, el consumo de potencia activa
del motor era de 214.3 KW, y cuando la generación llegó al 50%, el consumo del
motor fue de 246.70 KW; observándose un aumento en la demanda.
En las mediciones de demanda eléctrica con el variador, se puede observar que
cuando la unidad generadora se encontraba al 90%, el consumo de potencia activa
del motor era de 143.90 KW, y cuando la generación llegó al 50%, el consumo del
motor fue de 55.47 KW; observándose una reducción en el consumo de éste del 60%.
Tabla 7.- Demanda de potencia activa, con y sin el variador de velocidad.
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11. Variadores de velocidad (2/4)
Nota: Continuamos con Mediciones con y sin variadores de velocidad
Con los datos obtenidos en las pruebas, se procedió a realizar un estudio
económico con el fin de evaluar la rentabilidad del proyecto; por lo tanto, durante
un monitoreo de 24 hr, se midieron los promedios de demanda, los cuales se
muestran en la tabla 8.
Tabla 8.- Monitoreo promedio de demanda durante 24 hrs.
De tal manera que para el ahorro al 90% de la carga tenemos los siguientes cálculos:
AHORRO = 349,465.6$/año
Para una carga al 60%:
AHORRO = 419,333.9$/año
Por lo tanto, el ahorro total anual es de 768,799.5 $/año.
De tal manera que tendríamos un flujo económico de efectivo como el mostrado en
la tabla 9. Los costos anuales son una estimación por mantenimiento.
Tabla 9.- flujos de efectivo para el análisis económico del variador de velocidad
ABB 502-B.
Para determinar el valor presente de este flujo de efectivo, se tomó una tase de
interés anual del 12% y un horizonte económico de 30 años, que es el tiempo de
vida útil del variador.
El valor presente neto (VPN) se determina de la siguiente manera: VPN = C.I. + I.A.
+ C.A.
VPN = -490,000.00 + 768,799.5 (P/A, I%, años de vida útil) - 10,000.00 (P/A, I%,
años de vida útil).
VPN = -490,000.00 + 768,799.5 (P/A, 12%, 30) - 10,000.00 (P/A, 12%, 30).
VPN = -490,000.00 + 6,192,821.41 - 80,551.84.
VPN = $ 5,622,269.567.
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Por lo tanto, el rendimiento por peso invertido (R. P. I.) queda de la siguiente manera:
R.P.I. = $ 11.47/Peso invertido.
De acuerdo al estudio que se realizo para la unidad 1 se realizaron para la unidad 3,
el variador de velocidad se instaló en el motor de Bomba de Extracción de
Condensado (BEC) de la unidad 3. Las características de esta bomba son las
siguientes: motor de inducción jaula de ardilla; potencia de 850 HP, alimentación
de 4,000V; Velocidad de 1800 R. P. M. Y Tipo Centrifuga-vertical.
El control clásico del nivel del deareador en una central termoeléctrica, consiste en
obturar la tubería de descarga de la BEC a través de una válvula, provocando que la
BEC se sobrecargue y se produzca sobrecalentamiento y pérdidas I2R. Para
solucionar este problema, se propuso la aplicación de un variador de velocidad
mencionado anteriormente, al motor de la bomba, y así controlar el flujo de
descarga; dejando totalmente abierta la válvula y evitar las pérdidas de energía y el
desgaste de la misma válvula.
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12. Variadores de velocidad (3/4)
Nota: Continuamos con Mediciones con y sin variadores de velocidad.
En la aplicación del variador, es necesario primeramente conocer las velocidades de
la BEC con las cuales, debe descargar los flujos de agua, proporcionales a las que
demanda la caldera para cada nivel de carga de la unidad 1 (tabla 1)
Tabla 1.- valores de flujo de demanda de la unidad.
El variador de velocidad que se instaló es de la compañía Rockbell Automation
Allen-Bredley, Power Flex 7000. En la figura 13 se muestra una fotografía del
variador de velocidad de la marca AB- Power Flex 7000.
Figura 13.- Fotografía del variador de velocidad marca AB- Power Flex 7000.
Este variador cuenta con un banco de rectificación e inversión propio, el cual tiene
una tecnología "direct to drive". Este variador cuenta con rectificador de frente activo
(Direct to drive) propio, con el fin de disminuir las armónicas generadas. En la figura
14 se muestra una fotografía de sistema de rectificación e inversión para las tres
fases. Una vez instalado el variador, se realizaron pruebas sin y con el grupo
motor-variador, a diferentes niveles de carga de la unidad. Con el objetivo de
analizar el comportamiento de la bomba de extracción de condensado.
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Figura 14.- Fotografía del variador de velocidad marca AB- Power Flex 7000 de la
parte inversora y rectificadora.
Los cálculos que se van a realizar se aplicaran a la bomba de extracción de
condensado (B.E.C.) que alimenta al deareador, de la unidad 3 de la central
termoeléctrica de salamanca, se eligió esta bomba como resultado del análisis
efectuado. En las cuales se muestran las características de la bomba de extracción
de condensado. La bomba a la que se le aplico el variador tiene las siguientes
características:
MOTOR
Inducción jaula de Ardilla
POTENCIA
850 HP
ALIMENTACION
4,000 Volts.
EFICIENCIA
94%
CARGA NETA DE SUCCION 960 Ton/Hr
VELOCIDAD
1800 R.P.M
TIPO
Centrifuga
Esta bomba es de tipo vertical debido a que el condensador deposita el agua sobre
un contenedor que se ubica por debajo del suelo, y sirve como deposito para
asegurar que la bomba de extracción de condensado se encuentre siempre
trabajando con carga y no se tengan problemas debido al sobrecalentamiento por
falta de agua, para tal caso es más recomendable la bomba de extracción tipo
vertical. En la figura 15 se muestra una fotografía de la bomba de extracción de
condensado.
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Figura 15.- Fotografía de la Bomba de extracción de Condensado
Así, para poder controlar el flujo de la bomba de extracción de condensado, se puso
originalmente una válvula, entre la bomba de extracción de condensado y el
deareador, como se había venido haciendo anteriormente. Este método presentaba
el inconveniente de que existían tensiones debidas a esfuerzos mecánicos en las
válvulas por estrangular el flujo, además de requerir un constante mantenimiento
debido a la fricción del flujo con la válvula.
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13. Variadores de velocidad (4/4)
Nota: Continuamos con Mediciones con y sin variadores de velocidad
De acuerdo a las características del motor y al momento de acoplarse el variador de
velocidad se realizaron las mediciones siguientes:
* Voltaje y Corriente.
* Potencia demandada y energía consumida.
* R. P. M. y Frecuencia.
Los resultados de estas mediciones se presentan en las tablas 10, 11, 12, 13 y 14.
Tabla 10.- Mediciones de voltaje, corriente, frecuencia y R. P. M. de la bomba, sin el
variador de velocidad.
Tabla 11.- Medición de Potencia demandada y energía consumida sin variador de
velocidad.
Tabla 12.- Mediciones de voltaje, corriente, frecuencia y R. P. M. de la bomba, con
el variador de velocidad.
Tabla 13.- Medición de Potencia demandada y energía consumida con variador de
velocidad.
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Mediciones sin el variador de velocidad
La corriente disminuye muy poco conforme la carga de la unidad disminuye. Esto es
bebido a que la unidad requiere menos flujo y; por lo tanto, se utiliza la válvula
para obturar la tubería, provocando que se sobrecargue la bomba. Como
consecuencia de lo anterior, también el consumo de energía aumenta.
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14. Ahorro de energía
Mediciones con el variador de velocidad
En la utilización del variador, se observó que la corriente disminuyo y por lo tanto,
el consumo de energía disminuyo también, debido a que la válvula queda totalmente
abierta y solamente se disminuye la velocidad del motor (de la bomba).
Ahorro de Energía. Uno de los puntos de más interés, es ver el ahorro en la
potencia consumida por el motor de la bomba con el variador de velocidad, a
diferentes capacidades de carga. La tabla 14 muestra estos ahorros.
En las mediciones de demanda eléctrica sin el variador, se puede observar que
cuando la unidad generadora se encontraba al 90%, el consumo de potencia activa
del motor era de 641 KW, y cuando la generación llegó al 60%, el consumo del
motor fue de 589 KW; observándose una disminución en la demanda.
En las mediciones de demanda eléctrica con el variador, se puede observar que
cuando la unidad generadora se encontraba al 90%, el consumo de potencia activa
del motor era de 525 KW, y cuando la generación llegó al 60%, el consumo del
motor fue de 245 KW; observándose como reducía un poco más el consumo de éste.
Tabla 14.- Demanda de potencia activa, con y sin el variador de velocidad.
Con los datos obtenidos en las pruebas, se procedió a realizar un estudio
económico con el fin de evaluar la rentabilidad del proyecto; por lo tanto, durante
un monitoreo de 24 hr, se midieron los promedios de demanda, los cuales se
muestran en la tabla 15.
Tabla 15.- Monitoreo promedio de demanda durante 24 hrs.
De tal manera que para el ahorro al 90% de la carga tenemos los siguientes cálculos:
AHORRO = 1,446,451.2 $/año
Para una carga al 65%:
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Por lo tanto, el ahorro total anual es de 1,942,851.2 $/año.
De tal manera que tendríamos un flujo económico de efectivo como el que se
muestra en la tabla 16.
Los costos anuales son una estimación por mantenimiento.
Tabla 16.- flujos de efectivo para el análisis económico del variador de velocidad
Allen-Bredley, Power Flex 7000 .
Para determinar el valor presente de este flujo de efectivo, se tomó una tase de
interés anual del 12% y un horizonte económico de 10 años, que es el tiempo de
vida útil del variador.
El valor presente neto (VPN) se determina de la siguiente manera:
VPN = C.I. + I.A. + C.A.
VPN = -1,659,000.00 + 1,942,851.2 (P/A, I%, años de vida útil) - 52,000.00 (P/A,
I%, años de vida útil)
VPN = -1,659,000.00 + 1,942,851.2 (P/A, 12%, 10) - 52,000.00 (P/A, 12%, 10)
VPN = - 1,659,000.00 + 10,977,542.59 - 293,811.6
VPN = $ 9,024,730.99
Por lo tanto, el rendimiento por peso invertido (R. P. I.) queda de la siguiente manera:
R.P.I. = $ 5.44/Peso invertido.
Figura 16 y 17: gráficas de comparación del ahorro económico de energía para las
B.E.C. de 480V y 4Kv.
Como se puede observar en las figuras 16 y 17 al momento de comparar las dos
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B.E.C. de 480V y 4kV. El ahorro económico de la B.E.C. para la de 480V es mayor el
ahorro que para la B.E.C. de 4kV, debido a que para la B.E.C. de 4kV. y el ahorro se
empieza a observar cuando la carga empieza a disminuir ya sea al 90, 80, 70, y 60%
de carga para las dos bombas, porque al 100% de carga las bombas están
trabajando a su máxima.
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15. Electrónica de potencia. Conclusiones
Conclusiones:
En la actualidad el costoso de la producción de la energía eléctrica que se utiliza
para el desarrollo económico del país es más elevado, por tal motivo es necesario
hacer un estudio de ahorro de energía que se fundamenta en un análisis
estadístico, para determinar posibilidades más efectivas de ahorro de energía.
Ya que la industria eléctrica ha tenido una fuerte expansión y su principal motor se
fundamenta en el uso de combustibles fósiles y siendo este un recurso no
renovable, se implanto el "Plan de ahorro de energía" el cual para su desarrollo
plantea los siguientes puntos:
-
Entender como se usa la energía y que impacto tiene su empleo.
Analizar los costos de la energía.
Realizar un análisis estadístico del consumo de auxiliares.
Determinar las áreas de oportunidad.
Se puede ahorrar energía en el consumo de auxiliares una de las cuales se puede
utilizar el ahorro de energía en las bombas de extracción de condensado, como
estas son bombas en las cuales su velocidad depende de su frecuencia, se puede
variar el flujo o mejor dicho el gasto de acuerdo a la variación de la carga y con esto
lograr que la bomba consuma una cantidad de potencia menor.
También cabe decir que se pueden aplicar los variadores de velocidad únicamente
en el caso de procesos en los cuales se utilizan una carga variable. Esto significa que
se pueden utilizar estos dispositivos para el ahorro de energía, también uno de los
problemas principales de los variadores de velocidad es el elevado contenido de
distorsión armónica, debido a que el variador se comporta como una carga no lineal
para el sistema.
Una de las ventajas que presentan estos dispositivos es el ahorro en el consumo de
potencia por el motor, proporcionando un alargamiento en la vida útil del motor
debido a que no se encuentra sometido a la misma carga. Uno de los problemas que
se presento en el variador de velocidad marca Power Flex 7000 fue que como el
variador se acoplo a la bomba de condensado, al momento de poner a trabajar a la
bomba de extracción de condensado con el variador a máximas cargas el variador se
disparaba por elevación de temperatura, el cual una de las causas principales son
los armónicos y el polvo.
Una de las soluciones que se propusieron era en poner al variador en un cuarto
cerrado en el cual tenga un flujo de aire bueno para así que no le afecte al variador
el polvo.
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16. Operación del variador de velocidad. Apendice A
Apendice A
Principios de operación del variador de velocidad
Frecuencia del rotor y fuerza electromotriz inducida
Un motor de inducción trabaja con base en los voltajes inducidos en el rotor. Lo
mismo que un transformador, el primario (Estator) induce un voltaje en el
secundario (rotor), pero a diferencia del transformador, la frecuencia en el
secundario no es necesariamente la misma frecuencia que hay en el primario.
Si el rotor de un motor bipolar de 50 ciclos esta en reposo, y se aplica una corriente
de 50 ciclos al estator, el Flujo de un polo N cortará cada uno de los conductores
del rotor 50 veces por segundo y otras tantas veces el del polo S, ya que ésta es la
velocidad del campo giratorio. Si el estator fuese de 4 polos, la velocidad del campo
se reduciría a la mitad, pero a cada uno de los conductores le cortaría entonces el
flujo de dos polos N y de dos polos S, por revolución del campo y, por tanto 50
polos N y 50 polos S en un segundo, igual que cuando el motor era bipolar. En
consecuencia, en cada caso, la frecuencia de la corriente del rotor en reposo (S = 1)
será la misma. Que la frecuencia del estator, cualquiera que sea el numero de polos.
Si el rotor del motor de 50 ciclos arriba citado girara a la mitad de su velocidad de
sincronismo en la dirección del campo giratorio (S = 0.5), cortaran los conductores
del rotor justamente a la de los flujos de polos N y S por segundo que cuando
estaba en reposo y la frecuencia de la corriente del rotor será por lo tanto, 25
periodos por segundo. Tomando otras velocidades del rotor se llega a determinar
que la frecuencia del rotor es:fr= sfe
Donde : fr = es la frecuencia del rotor.
s = es el deslizamiento.
Fe = es la frecuencia del estator.
A1.- Métodos de control de velocidad
Los métodos para controlar la velocidad de un motor eléctrico, varían con el tipo de
motor que se desea controlar. Cada método tiene sus propias limitaciones, pero es
posible satisfacer los requisitos de cualquier aplicación. En la tabla siguiente
aparecen las relaciones entre los diferentes tipos de motores de uso más común, y
el tipo de control de velocidad que corresponde a cada uno de ellos.
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Frecuentemente, cuando se desea obtener una regulación amplia y progresiva de la
velocidad, se emplean motores de corriente directa. Pero, para utilizarlos, Hay que
rectificar previamente la corriente alterna de alimentación y ésta rectificación
siempre significa pérdidas suplementarias de energía y un aumento del costo. Por
esta razón, en numerosas instalaciones regulables, se emplean motores de corriente
alterna, que son más económicos, sencillos, y requieren poco mantenimiento.
Los motores de Corriente alterna se clasifica en:
1 . - Síncronos.
2 . - Asíncronos; estos a su vez se dividen en:
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a) Jaula de Ardilla.
b) De Rotor Devanado.
c) De Colector.
Por lo general, se emplean motores de inducción de jaula de ardilla o de rotor
devanado. Los motores Síncronos se emplean frecuentemente en las instalaciones
de mediana y gran potencia, que no exigen una regulación de la velocidad. Aunque,
por principio, sea posible regular la velocidad de estos motores por variación de
frecuencia, se consideran motores de velocidad no regulable.
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17. Control de velocidad por frecuencia
A2 Control de velocidad por frecuencia
El variador de frecuencia es un aparato electrónico que permite controlar la
velocidad de motores de inducción eléctricos, siendo que el control de velocidad es
hecho cambiando la frecuencia de la salida de corriente enviada al motor, en el
rango de 0 a 400 Hz. Este variador es alimentado por un sistema trifásico en dos
rangos de voltaje: 200 a 240 Volt, 50 y 60 Hz o 380 a 480 Volt, 50 o 60 Hz.
Una excelente forma de controlar la velocidad de un motor de inducción es variando
la frecuencia del voltaje de alimentación.
Este método implica disponer de una fuente separada, en donde la frecuencia y la
tensión puedan ser variadas simultáneamente y en proporción directa una de la
otra; ya que para obtener un flujo permanente en los motores, se deben mantener
una relación constante entre la tensión V, y la frecuenta f de la fuente de
alimentación, la razón de mantener una relación constante entre la tensión aplicada
y la frecuencia de la fuente, es porque el par desarrollado depende de la magnitud
del flujo, y existen muchas aplicaciones en donde conservar el par constante, es de
especial interés.
La fuente de frecuencia variable puede ser:
a) Grupo Motor - Generador.
b) Conmutatriz o convertidor rotativo.
El primero es un montaje que emplea un motor de corriente directa de velocidad
regulable y un generador síncrono acoplado a éste. Variando la velocidad del motor
se obtienen variaciones en la frecuencia y como el campo de excitación del
generador se mantiene en un cierto valor fijo, todas las variaciones de frecuencia
irán acompañadas por cambios proporcionales en la tensión.
En el segundo inciso el convertidor rotativo es una máquina en las que se reúnen las
características del montaje motor-generador; transforma la energía de una red de
corriente alterna de una frecuencia dada, en energía de otra frecuencia. En
ocasiones se encuentran cadenas de regulación de velocidad, en donde motores de
rotor devanado se emplean como convertidores de frecuencia.
El motor de rotor devanado puede actuar como un convertidor de frecuencia, ya que
al conectar a la red su devanado del estator, el campo giratorio producido induce
tensiones en el rotor cuya frecuencia depende del deslizamiento, esto es:
En donde fr es la frecuencia del rotor expresada en ciclos por segundo, f la
frecuencia en el estator, misma de la red y S, es del deslizamiento. Así, a rotor
bloqueado (s = 1), la frecuencia en el rotor es de la misma red.
Se acostumbra acoplar el rotor del motor de rotor devanado, a un motor que lo
impulse, de tal manera, que haciendo girar en contra del campo o en la misma
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dirección que éste, se obtengan variaciones de frecuencia mayores. La máquina
impulsora puede ser un motor de corriente directa con velocidad ajustable, cuando
se desean obtener rangos diferentes, o un motor de inducción jaula de ardilla,
cuando los valores de frecuencia son fijos.
Bibliografía:
1. Variadores de velocidad para motores de inducción jaula de ardilla de C.A.
trifásicos.
2. Introducción a C.T.
3. Motor Drives - a Technology update.
4. Specifying electric motors.
5. Aplicación de Variadores de frecuencia C.T.
6. TESIS DE: Dr Miguel Ángel Gómez Martínez
Tema de tesis: Ahorro de energía mediante aplicación de variadores eléctricos de
velocidad por control de frecuencia.
7. Paper RVP-AI799-AI-31 Ponencia recomendada por el comité de aplicaciones
industriales del capitulo de Potencia del IEEE.
NOTA: Con este capítulo hemos llegado al final del curso.
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