Variador de Frecuencia Regenerativo y sus Aplicaciones para la Optimización de la Energía

En su forma más básica, un motor eléctrico es esencialmente un dispositivo de conversión de energía. Toma poder de una fuente, ya sea corriente alterna o corriente continua, y lo convierte en un par mecánico para impulsar una carga. ¿Pero sabías que la potencia en un motor eléctrico es bidireccional? El par del motor puede convertirse en energía eléctrica y enviarse de vuelta al variador de frecuencia que controla el motor; esto se llama regeneración de energía.

A continuación, veremos los conceptos básicos de un variador de frecuencia  estándar en comparación con un variador de frecuencia regenerativo, lo que causa la regeneración, cómo mitigar cualquier problema causado por el exceso de energía en el circuito, y cómo la regeneración podría estar ahorrándote dinero.

 

Principios básicos de un variador de frecuencia estándar

Un variador de frecuencia estándar funciona en tres etapas.

• Etapa de rectificador: Los rectificadores de entrada permiten que la corriente alterna proporcionada por la red fluya y convierten la potencia de corriente alterna en corriente continua. El flujo de energía es unidireccional aquí.
• Bus de corriente continua: Un banco de condensadores actúa como un buffer para la energía que fluye a través del circuito, ayudando a suavizar la potencia rectificada.
• Etapa de transistor: Los transistores bipolares de puerta aislada (IGBTs) de salida actúan como un interruptor electrónico. Utilizando la modulación por ancho de pulso, los IGBTs encienden y apagan la potencia continua para crear una corriente alterna altamente controlada.

La corriente puede fluir desde la fuente de alimentación de corriente alterna hacia el variador de frecuencia, pero no puede regresar a la red eléctrica con un variador de frecuencia estándar. Sin embargo, el flujo de corriente en la etapa de transistor es bidireccional ya que la potencia de corriente alterna de dirección. Esto significa que la potencia generada por el motor y enviada de vuelta al variador de frecuencia puede fluir hacia el dispositivo pero no puede regresar a la red eléctrica.

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Principios básicos de un variador regenerativo

Aunque es similar al variador de frecuencia estándar, los variadores regenerativos reemplazan los rectificadores de entrada con IGBTs. Estos IGBTs actúan como los rectificadores de entrada, pero ofrecen la oportunidad de flujo de potencia bidireccional. Entonces, cuando el motor genera energía, fluye hacia el variador de frecuencia y luego hacia la red eléctrica. Cuando esta energía generada puede fluir de regreso a la red eléctrica, reduce el consumo total de energía de la aplicación y disminuye los costos totales de energía.

¿Qué causa la «regeneración»?

En un sistema de motor de inducción de corriente alterna, ciertas situaciones hacen que el rotor del motor gire más rápido que la frecuencia de enrollamiento, manteniendo un campo magnético que genera potencia de vuelta a la línea.

Tomemos un elevador como ejemplo para entenderlo mejor.

En un sistema de elevador, la potencia se suministra al variador de frecuencia y fluye hacia el motor. El motor toma la energía eléctrica y la convierte en un par de torsión rotativo que levanta el elevador. A medida que el elevador sube, aumenta la fuerza gravitatoria. Cuando el elevador desciende, la fuerza gravitatoria produce una carga adicional en el eje del motor, haciendo que el rotor gire más rápido que la frecuencia del enrollamiento y convirtiendo el motor en un generador. La potencia generada se envía de vuelta al variador de frecuencia variable.

Alternativamente, cuando se apaga la potencia al motor, el rotor sigue girando mientras se desacelera gradualmente. Se genera potencia con el rotor que sigue girando y se envía de vuelta al variador de frecuencia. En un variador regenerativo, la potencia se devuelve a la red eléctrica para ayudar a reducir los costos de energía.

¿Qué son las aplicaciones de regeneración? ¿por qué se les conoce de esta forma?

 Las aplicaciones de regeneración se refieren al comportamiento del motor como generador. Esta regeneración se produce en dos situaciones principales, relacionadas con cargas pesadas y alta inercia.

En la primera situación, cuando una carga pesada con mucha inercia necesita detenerse rápidamente, el motor actúa como generador y devuelve la energía al variador de velocidad que lo controla.

En la segunda situación, el motor funciona como generador la mayor parte del tiempo debido a que opera a una velocidad más rápida que la indicada por el variador de velocidad. En este caso, también se regenera la energía al variador de velocidad, si está conectado a uno.

En la industria, algunas aplicaciones comunes de regeneración incluyen grúas, molinos, grúas viajeras y elevadores. Por ejemplo, en elevadores que transportan personas o materiales, cuando el elevador desciende, el motor actúa como generador debido a la fuerza de gravedad, y la energía regenerada se redirige adecuadamente.

La regeneración es una práctica importante en aplicaciones donde el peso y la inercia pueden superar la velocidad del motor, lo que permite aprovechar la energía generada y reducir costos de energía.

Aplicaciones de variadores regenerativos

• Máquinas que levantan y bajan cargas, como grúas, montacargas y elevadores.
• Aplicaciones que requieren un par altamente controlado, como sistemas de manipulación de material, bancos de pruebas y desenrolladores de tensión.
• Aplicaciones cíclicas como centrifugadoras para masas más grandes que necesitan empezar y detenerse rápidamente.

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Optimizando la Eficiencia Energética con Variadores de Frecuencia Regenerativos

En el ámbito de las soluciones para la regeneración de energía, existen tanto opciones sencillas como avanzadas. La elección de la solución adecuada depende del tipo de aplicación específica que se esté considerando. Por ejemplo, algunas aplicaciones solo requieren gestionar la regeneración durante la desaceleración, como en el caso de las centrífugas. Otras aplicaciones, como transportadores de cinta inclinados, experimentan regeneración constante debido a la gravedad mientras se mueven de arriba a abajo.

Una solución común para gestionar la regeneración es el frenado dinámico, que involucra componentes electrónicos como IGBTs y resistencias. Esta solución es efectiva y se puede implementar con equipos de disponibilidad inmediata.

Otra opción es utilizar variadores de frecuencia regenerativos, como la serie FR-XC de la marca Mitsubishi electric, que permite un control más eficiente de la regeneración de energía. Estos variadores son especialmente útiles en aplicaciones donde el motor funciona constantemente por encima de la velocidad indicada por el variador, permitiendo un aprovechamiento óptimo de la energía regenerada.

Estos variadores regenerativos son ideales para proyectos nuevos donde la regeneración es una parte integral del proceso. Además, son especialmente efectivos cuando la cantidad de energía regenerada es significativa, lo que permite un retorno de inversión a lo largo del tiempo al compensar los costos de energía.

Sin embargo, es importante realizar un análisis del ciclo de trabajo para determinar si el uso de un variador regenerativo es costeable en situaciones donde la regeneración es intermitente. En aplicaciones con alta inercia y ciclos de trabajo constantes, la inversión en un variador de frecuencia regenerativo puede proporcionar beneficios sustanciales en términos de eficiencia energética y ahorro a largo plazo.

Además de estas soluciones, también se pueden emplear módulos regenerativos para convertir un variador estándar en uno regenerativo con un módulo adicional.

En cuanto a los beneficios, el uso de tecnologías de regeneración de energía proporciona un ahorro energético significativo al evitar la pérdida de energía en resistencias de frenado. Esto puede traducirse en un retorno de inversión a lo largo del tiempo al compensar los costos de energía.

Se puede decir que la falta de soluciones adecuadas para gestionar la regeneración de energía en aplicaciones industriales puede llevar a la ineficiencia energética y a mayores costos. La implementación de tecnologías como los variadores de frecuencia regenerativos puede marcar la diferencia en términos de eficiencia y rentabilidad.

 

Alternativas cuando no se tiene un Variador de Frecuencia Regenerativo

¿Y si no tienes un variador de frecuencia regenerativo?

Como se mencionó al inicio de este artículo, la etapa de rectificación de un variador de frecuencia estándar sólo permite el flujo unidireccional de energía. Por lo tanto, cuando se produce la generación de energía, no hay ningún lugar para que el exceso de energía fluya. En su lugar, la energía continuará acumulándose dentro del banco de capacitores del bus de corriente continua (CC) hasta que se produzca una falla por sobretensión.

Más allá de los variadores de frecuencia regenerativos, existen algunas otras formas de lidiar con el exceso de energía en el circuito: resistencias de frenado o sistemas de variadores de frecuencia en conexión al bus de CC.

Resistencias de Frenado

Las resistencias de frenado son un circuito de frenado junto con una resistencia conectados en serie, utilizados para disipar el exceso de energía de un sistema. Cuando el estadio de bus de CC alcanza un umbral de voltaje específico, el circuito de frenado se cierra, enviando la corriente a través de una resistencia externa grande que convierte la energía eléctrica en calor. Como operador, debes asegurarte de disipar este calor adecuadamente para evitar cualquier fallo que pueda causar.

Algunos variadores vienen de serie con una resistencia de frenado, mientras que otros requieren que se agregue una externa al circuito.

Sistemas de Variadores de Frecuencia

Dos o más variadores de frecuencia estándar pueden conectarse en serie en un circuito, enlazando el estadio de bus de CC de los variadores individuales. Esta conexión crea un bus de CC común que permite a los dos variadores independientes compartir energía. Así, cuando se produce la regeneración en un variador de frecuencia, el variador motriz puede tomar energía del bus de CC en lugar de la red eléctrica.

La energía aquí nunca se devuelve a la red; se comparte entre los variadores de frecuencia que controlan diferentes sistemas de motores.

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