Variador de Velocidad Regenerativo: Aplicaciones, Usos y Principios de Operación

En este artículo te explicamos cómo los variadores de frecuencia regenerativos pueden aplicarse en entornos industriales para ahorrar energía y brindar beneficios operativos adicionales a los responsables de plantas en México.

Históricamente en la industria, un motor eléctrico se encendía y se dejaba funcionando durante todo el turno de trabajo. A menudo había una buena razón para esto: arrancar motores solía requerir un gran aumento de energía hasta que el motor se ponía en movimiento y generaba su propia resistencia. Este aumento podía ser hasta 12 veces la corriente de trabajo del motor y, por lo tanto, los motores suelen tener una cantidad limitada de arranques directos permitidos por hora.

Dejar el motor funcionando parecía un enfoque bastante realista. Sin embargo, instalar un variador de frecuencia en el motor ofrece un régimen de arranque mucho más suave y es mucho menos restrictivo en términos del número de arranques disponibles. Esto crea la oportunidad de hacer funcionar el motor solo cuando sea necesario y ahorrar energía significativa apagando el motor cuando no se necesita.

Un variador de frecuencia para motores eléctricos ofrece aún más eficiencia energética al optimizar la energía utilizada en el motor eléctrico independientemente de la carga, y también al hacer funcionar el proceso a velocidades más bajas, lo que puede ahorrar energía y costos significativos. Con un ventilador o una bomba, por ejemplo, una ligera reducción en la velocidad puede reducir significativamente el consumo de energía.

Los ahorros obtenidos mediante el uso de inversores en términos reales son tanto financieros como ecológicos. De hecho, se ha calculado que los ahorros de CO2 realizados por los inversores vendidos en el Reino Unido cada año se relacionan con el CO2 utilizado por 100,000 automóviles comerciales que recorren una distancia normal.

 

¿Qué es un Variadores de Velocidad Regenerativo?

Un inversor no sólo ahorra energía o permite que un proceso se optimice para cargas y requisitos cambiantes; algunas aplicaciones industriales presentan una serie de otros desafíos que son fácilmente abordados por los accionamientos de inversor de alto rendimiento de hoy en día. Típico de estos es donde la energía en el proceso supera la potencia del motor. Para mantener el proceso bajo control, esta energía debe ser gestionada y, si es posible, utilizada para alimentar otras partes del ciclo de producción.

Para mantener un control continuo bajo todas las situaciones de carga, un inversor no solo tiene que impulsar un motor que está moviendo una carga, sino también desechar el exceso de energía cuando la carga está impulsando el motor (típicamente durante la desaceleración). Como esta energía generada está en forma de electricidad, a menudo se convierte y disipa como calor a través de resistencias de frenado. Sin embargo, un Variador de Velocidad Regenerativo especialmente diseñado, como el Variador de Velocidad Regenerativo A701 de Mitsubishi, controla la carga en todas las condiciones y elimina el exceso de energía convirtiendo la energía cinética en electricidad e inyectándola de forma segura en la red eléctrica o compartiéndola con otros accionamientos al conectarlos entre sí. De cualquier manera, se ahorrará energía y se reducirán los costos de electricidad.

Los requisitos básicos de un arranque y parada suaves se pueden programar en un Variador de Frecuencia Regenerativo. Además, las velocidades de funcionamiento pueden reducirse cuando la demanda es menor, lo que ahorra energía adicional, o el motor incluso puede detenerse si hay una demanda temporalmente nula.

 

¿Qué implica la regeneración en un variador de velocidad?

La regeneración es un fenómeno inherente a los variadores de velocidad, donde la energía fluye de vuelta desde el motor hacia el variador. Este proceso puede darse en dos situaciones principales:

1. Cuando el motor opera a una velocidad mayor que la velocidad deseada: Esto puede ocurrir durante el arranque del motor, cuando la carga inercial del sistema es elevada, o durante la rápida disminución de la velocidad del motor.
2. Durante el frenado: Al aplicar freno al motor, este actúa como un generador, produciendo energía eléctrica que es devuelta al variador de velocidad.

 

¿Por qué es crucial la regeneración en los variadores de velocidad?

La regeneración se vuelve fundamental por dos razones fundamentales:

1. Eficiencia energética: La energía regenerada puede ser aprovechada por el variador de velocidad para alimentar otros motores o devolverse a la red eléctrica, lo que mejora considerablemente la eficiencia energética del sistema.
2. Seguridad: Si el variador de velocidad no puede gestionar la energía regenerada de manera adecuada, corre el riesgo de daños, lo que podría resultar en fallos, tiempos de inactividad y costos de reparación.

 

¿Cómo se controla la regeneración en los variadores de velocidad?

Los variadores de velocidad modernos cuentan con diversos métodos para gestionar la energía regenerada:

1. Frenado reostático: Emplea una resistencia para disipar la energía regenerada en forma de calor. Aunque es una opción simple y económica, puede resultar ineficiente y generar calor no deseado.
2. Frenado regenerativo: Utiliza un convertidor de frecuencia bidireccional para devolver la energía regenerada a la red eléctrica. Si bien es más eficiente que el frenado reostático, puede implicar un costo mayor.
3. Frenado por inyección de CC: Este método aprovecha un convertidor de CC para inyectar la energía regenerada en el bus de CC del variador de velocidad. A pesar de ser eficiente y versátil, puede ser más complejo de implementar.

 

¿Cómo funcionan los Variadores de Velocidad Regenerativos?

Los variadores de velocidad regenerativos estándar tienen una sección de entrada, un depósito de energía y una sección de salida. En general, operan de tal manera que la energía puede fluir libremente en ambas direcciones a través de las secciones de salida del inversor, pero la sección de entrada es un puente de diodos que solo permite que la energía fluya en una dirección.

Los variadores de velocidad regenerativos mantienen las tres secciones, pero para funcionar como un accionamiento regenerativo, la energía necesita fluir en ambas direcciones tanto en la sección de entrada como en la de salida. Esto se logra mediante la fusión de dos inversores uno detrás del otro. El inversor de entrada adicional permite que la energía fluya desde la red eléctrica hasta el depósito de energía cuando sea necesario, y permite que el flujo inverso fluya sin impedimentos hacia la red cuando el depósito está por encima de los niveles de operación normales.

Cuando el motor necesita ser impulsado, la circuitería del inversor de entrada se opera automáticamente para permitir que la fuente de alimentación de la red pase a través y mantenga el depósito de energía en condiciones óptimas. Si la carga del motor supera al motor, el motor eléctrico actúa como un generador y la energía se transmite de nuevo a través de la sección de salida del inversor y comienza a acumular energía en el depósito de energía. En estas condiciones, el accionamiento regenerativo cambia la energía excedente utilizando la acción del inversor de entrada para devolver la energía excedente a la red eléctrica. Una función importante del inversor de entrada es sincronizar la potencia regenerada con la rotación de fase de las fases de entrada.

 

¿Qué consideraciones son cruciales al seleccionar un variador de velocidad con capacidad de regeneración?

Al elegir un variador de velocidad con capacidad de regeneración, es esencial tener en cuenta los siguientes aspectos:

• La cantidad de energía regenerada esperada, dependerá del tipo de motor, la carga inercial del sistema y el perfil de velocidad.
• El método preferido para gestionar la regeneración, considerando las ventajas y desventajas de cada opción.
• El costo del variador de velocidad, ya que aquellos con capacidad de regeneración suelen tener un precio más elevado.

 

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