Los accionamientos de maquinaría pesada, centrífugas decantadoras, elevadores, grúas, ascensores entre otros, pueden ahorrar energía gracias a la regeneración frecuente de energía en paradas y arranques, la desaceleración con cargas de alta inercia y el par de sobrecarga mediante el uso de variadores de frecuencia regenerativos. Una aplicación es capaz de ahorrar el 24% de la energía utilizada, lo que representa un importe económico importante de ahorro por año.
Cuando un motor eléctrico es impulsado por un variador de frecuencia regenerativo, la energía eléctrica suministrada al motor se regenera mientras el motor desacelera aplicando un par negativo al eje del motor. Por lo general, la capacidad de almacenamiento de energía dentro del variador de frecuencia es muy limitada, por lo que la energía regenerativa debe devolverse a la red o disiparse rápidamente mediante una resistencia de frenado. De lo contrario, el bus de CC se sobrecargará y puede ocurrir un fallo de sobretensión.
Las resistencias de frenado dinámico se han utilizado ampliamente para convertir la energía regenerada en pérdida de calor debido a su simplicidad y bajo costo de instalación. Pero un variador de velocidad regenerativo proporciona una oportunidad significativa de ahorro de costos de energía, especialmente en aplicaciones que requieren paradas y arranques frecuentes, desaceleración con alta inercia carga y par de sobrecarga. Tales aplicaciones incluyen:
El costo de la electricidad por kilovatio hora se está volviendo más caro en México. Por lo tanto, valdrá la pena revisar los conceptos básicos de las unidades regenerativas y comprender el ahorro estimado de costos de energía.
Hay tres tipos de variadores regenerativos disponibles en el mercado mexicano. Se explican y comparan las características básicas y las topologías de potencia.
El variador regenerativo es una solución rentable que puede reemplazar la red de transistores y resistencias de frenado dinámico. Absorbe el exceso de energía regenerativa y la devuelve a la fuente de alimentación de CA. Durante el funcionamiento del motor, el variador de frecuencia suministra energía sin el convertidor regenerativo en el flujo de energía principal. Por lo tanto, no hay pérdida de conducción en el convertidor regenerativo durante el funcionamiento del motor. El convertidor regenerativo se activa cuando la energía regenerativa carga los condensadores del enlace de CC del VFD. El convertidor regenerativo devuelve la energía almacenada en los condensadores a la red.
El tamaño del convertidor regenerativo está determinado por el tamaño del variador de frecuencia, la potencia de regeneración y el ciclo de trabajo. Se utiliza el método de control de pulso de 6 pasos para mantener muy baja la pérdida de conmutación de los dispositivos de potencia. Para aplicaciones que requieren frenado de ciclo de trabajo alto, el convertidor regenerativo puede mejorar significativamente la eficiencia operativa del sistema y reducir el costo de la electricidad.
El convertidor regenerativo de modulación por ancho de pulso (PWM) sinusoidal es una solución de alto rendimiento diseñada para regular el voltaje del bus de CC en condiciones de potencia motriz y regenerativa. La forma de onda de la corriente del lado de la red del convertidor PWM es sinusoidal con una distorsión armónica PWM muy baja, menor a un 5% de distorsión armónica total (THD). Está diseñado para cumplir con la norma IEEE-519. La corriente de entrada también se controla para sincronizarse con la tensión de red de entrada, lo que permite lograr un factor de potencia de entrada unitario. Se conecta en serie entre la línea eléctrica entrante y el VFD. Un filtro de CA, como un filtro LCL [inductor (L) – condensador (C) – inductor (L)], se utiliza como componente externo para reducir los armónicos de corriente CA.
El conversor regenerativo PWM sinusoidal es ideal para aplicaciones que requieren una distorsión armónica de corriente muy baja para cumplir con el estándar IEEE-519 Harmonic Limits y tienen grandes cargas de sobrecarga o que hacen paradas frecuentes, como ascensores, centrífugas, bancos de pruebas y bobinadoras. Esto puede resultar en costos operativos del sistema significativamente reducidos de la maquinaria al «reciclar» el exceso de energía de regreso a la red eléctrica. El paquete del conversor PWM sinusoidal es altamente eficiente sin la pérdida de calor.
Un conversor regenerativo matricial es un convertidor de potencia de CA a CA directo que tiene capacidad de motorización y regeneración. Los recientes avances tecnológicos en la potencia de los semiconductores y la potencia de computación de la CPU han hecho posible la producción de productos comerciales. Las características básicas del conversor matricial son:
Todo en uno, donde la entrada de CA se convierte directamente en una salida de CA de frecuencia variable mediante nueve interruptores bidireccionales. Por lo tanto, las funciones del conversor de regeneración sinusoidal y del VFD se combinan. Esta característica permite que los motores operen en modos de motorización y regeneración sin un VFD adicional.
CONTENIDO ÚTIL – Cómo seleccionar un variador de frecuencia basado en las características de carga
Los variadores de frecuencia son dispositivos que controlan la velocidad de los motores eléctricos. Los Variadores de frecuencia regenerativos pueden recuperar la energía cinética del motor durante el frenado y devolverla a la red eléctrica, mientras que los VFD tradicionales con resistencias de frenado disipan esa energía como calor.
Ahorro de energía:
Costos:
Otros beneficios del Variador regenerativo:
Esta sección compara los variadores regenerativos y convencionales para ayudarte a elegir el mejor variador para tu aplicación.
A continuación se presentan algunas diferencias entre estos tipos de variadores:
Frenado
En los variadores convencionales, no hay una capacidad inherente de frenado. Necesitan un circuito de frenado dinámico adicional que ayude a disipar la energía de frenado en forma de calor en el resistor. El esfuerzo de frenado aumenta exponencialmente con el torque inicial. Este esfuerzo de frenado puede anularse a velocidad cero. Estos circuitos de frenado están destinados únicamente para detenerse; no se pueden usar como freno de retención o para mantener una retención continua.
Los variadores regenerativos tienen la capacidad de frenar de manera inherente. El frenado regenerativo es compatible con estos variadores, que transfieren la energía cinética del motor y la máquina que impulsa de vuelta a la fuente de alimentación de CA. El torque de frenado se puede ajustar para que sea cero. Típicamente pueden proporcionar un torque de frenado continuo a los motores en aplicaciones que requieren mantener la retención.
Inversión
En los variadores convencionales, no hay capacidad en inversión de energía. Estos variadores necesitan un contacto o interruptor de inversión que invierta la polaridad de la potencia aplicada al motor. Normalmente están calificados para inversión ocasional.
En los variadores regenerativos, hay una capacidad inherente en inversión de energía. La polaridad de la máquina se puede cambiar electrónicamente sin la ayuda de ningún contacto, arcos, quemaduras o desgaste. Se utilizan principalmente en aplicaciones que necesitan inversión de energía con frecuencia.
Simplicidad
Los variadores convencionales no son tan complejos como los variadores regenerativos. Los variadores regenerativos cuentan con mayor complejidad por contar con el circuito regenerativo.
Eficiencia
Para ambos, la eficiencia del controlador llega hasta el 99%, y con el variador y el motor completos, la eficiencia es del 87%. El rango de velocidad es de hasta 50:1 sin ningún tacómetro de retroalimentación y con un tacómetro de retroalimentación o cualquier codificador, es de 200:1.
Costos
Los variadores convencionales son más económicos que los variadores regenerativos. Esto se debe a que tienen menos circuitos como se mencionó anteriormente. Para los variadores regenerativos, sabemos que tienen más circuitos debido al rectificador de onda completa en ellos y también son mayormente complejos en su etapa de potencia y control que el variador convencional.
Sin embargo, como los variadores regenerativos no requieren costos adicionales de maquinaria y pueden reducir el tiempo y la energía, a menudo se consideran una mejor inversión que los variadores convencionales. Sus costos también están justificados en gran medida cuando recuperan una gran cantidad de energía. Considerar que los costos operativos se reducen al eficientar los tiempos de ejecución de proceso gracias a su capacidad regenerativa; cuidando desempeño y precisión en el proceso.
Maquinaria
Un variador convencional que funciona solo en un cuadrante tiene solo un puente de potencia y 6 SCR (rectificadores controlados de silicio) que se utilizan para controlar el voltaje aplicado al armadura del motor. Estos variadores solo pueden funcionar en modos de accionamiento y necesitarían que alguien cambie físicamente los cables del armadura o del campo para invertir la dirección del torque.
Mientras que un variador regenerativo que puede operar en cuatro cuadrantes tiene dos juegos de puentes de potencia y doce SCR que están conectados en paralelo inverso. Uno de los puentes es responsable de controlar el torque hacia adelante mientras que el otro es responsable de controlar el otro conjunto. Donde están trabajando, solo un conjunto de puentes permanece activo en ese momento. Para que la operación del motor sea directa en la dirección hacia adelante, el puente hacia adelante permanece bajo control para suministrar energía al motor, mientras que, para la operación directa del motor en la dirección inversa, el puente inverso permanece bajo control.
Tiempo de Parada y Controlabilidad
Ambos procesos de regeneración y frenado dinámico, que se utilizan para tareas similares, disminuyen la velocidad del motor. Hay algunas diferencias importantes en el tiempo de parada y el control durante la detención en ambos variadores. Por razones de seguridad, tenemos que seleccionar el tipo de variador para recordarlo. El frenado regenerativo detiene el motor de manera mucho más suave y rápida que el freno dinámico, por lo que se puede usar para detenerse rápidamente y en emergencias. El frenado regenerativo también renueva la energía a la fuente de CA si la carga supera.
Los variadores regenerativos se ven principalmente en aplicaciones que necesitan comenzar y detenerse con mucha frecuencia y también implicarían una desaceleración continua o cargas de sobrepaso. Un ejemplo de tal aplicación son las cintas transportadoras cuesta abajo que necesitan una desaceleración constante, los elevadores y los volantes. En grúas y polipastos, la inercia del motor es mayor que la inercia del rotor y la carga impulsa el motor y se conoce como carga de arrastre, por lo que cuando la carga está bajando, el motor se convierte en un generador ya que nos da energía eléctrica en lugar de consumirla. Usando un variador regenerativo, podemos devolver esta energía a la fuente de CA.
Los variadores convencionales se pueden usar en aplicaciones de reducción de costos donde no necesitamos la dirección inversa con más frecuencia, o donde un tiempo de parada preciso y oportuno no es muy necesario.
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