Eficiencia energética: Variadores de velocidad en la industria.

 Después de un mes entero con exámenes que se ha hecho eterno por fin vuelvo a tener tiempo para actualizar el blog. Y qué mejor que actualizarlo abordando uno de los temas más importantes para la industria, que es la eficiencia energética.

Gráfica de rendimiento de un transformador.
A partir de una determinada intensidad,
el rendimiento comienza a disminuir.

Cuando hablamos de eficiencia energética, directamente estamos hablando, a grandes rasgos, de producir más (o lo mismo)  gastando menos energía, y para una empresa, gastar menos es lo que la puede llevar a convertirse en la más competitiva a nivel de precios dentro de un sector.
Además, el consumo eléctrico en el sector industrial, a nivel comunidad autónoma, puede abarcar más del 60 % del total, por lo tanto, a mayores de buscar la eficiencia para su propio beneficio, las empresas deben de buscar la máxima eficiencia para asegurar una correcta distribución eléctrica a la población.

Hasta aquí todo claro. Ahora bien, ¿cómo podemos disminuir el consumo eléctrico de una industria?
Para esto existen muchos métodos, desde la corrección del factor de potencia de una instalación mediante el acople de un banco de condensadores, hasta la instalación de variadores de frecuencia. En este post, me centraré específicamente en los variadores de frecuencia y concretamente en un tipo determinado, que son los variadores de velocidad.

Variador FR-D700 de Mitsubishi 

Un variador de frecuencia, como su nombre indica es un dispositivo que permite la variación de la frecuencia suministrada por la red eléctrica (50 Hz en Europa, 60 Hz en América). 

El interés práctico de estos dispositivo, reside en que en la industria, el 80 % de los motores existentes, son motores de inducción trifásicos, en general, motores asíncronos de jaula de ardilla, que debido a su escaso mantenimiento y su robustez permiten trabajar en cualquier ambiente adverso.

El único problema que presentan este tipo de motores, es que trabajan a velocidad constante, la cual viene impuesta por la frecuencia de la red y por el número de polos que tenga el motor.

Motores asíncronos de jaula de ardilla.

Por lo tanto, a lo largo de los años, en muchas aplicaciones industriales que requerían velocidades variables, se ha empleado el motor de corriente continua, el cual presenta el gran inconveniente de tener un colector delgas, que requiere un mantenimiento frecuente y lo convierte en un motor mucho menos robusto que el de jaula de ardilla.

Sin embargo, gracias a la aparición de la electrónica de potencia, los motores de c.c. han sido relegados.




El funcionamiento de un variador de velocidad (generalmente un PWM), se basa, a grandes rasgos, en la existencia de un rectificador y un inversor, de forma que la corriente alterna de línea, es convertida a corriente continua en el rectificador, y luego otra vez a alterna en el inversor, donde se le puede asignar la frecuencia deseada para alimentar posteriormente al motor.
De esta forma, manejando la velocidad del motor a nuestro antojo según se requiera, podemos disminuir enormemente el consumo eléctrico de una industria, evitar paradas innecesarias y arrancar el motor de una forma más suave, sin que tengan lugar los pares en frío a los que suelen someterse en el arranque y las elevadas intensidades de arranque, que pueden reducir enormemente la vida útil de los aislantes y conductores.

Esquema de un variador de velocidad.

Para poder calcular los beneficios que aporta la instalación de un variador de velocidad en compresores, ventiladores y bombas, hay que emplear las leyes de afinidad, las cuales están disponibles  en cualquier página  de internet, y que permiten calcular el nuevo consumo.

Leyes de afinidad.

Hace poco leí un ejemplo práctico en el que, se pasó de una potencia de consumo de 309,53 KW, a una de 251,88KW,  lo que permitió un ahorro de 63,19 KW.
Viéndolo así,  parece una cantidad sin importancia, pero teniendo en cuenta que un motor asíncrono puede operar más de 7000 horas al año, el ahorro se dispararía a 550 MW*h/año, lo que se traduciría en casi 50 000 € anuales. A parte de mejorar la calidad de funcionamiento del motor, sin forzarlo en momentos puntuales.



Un inconveniente con el que hay que tener cuidado a la hora de instalar un variador de velocidad en un motor asíncrono, es que puede puede suministrar una tensión distorsionada no senoidal, lo que implica la aparición de armónicos. En el caso de que fuesen armónicos negativos (el 5º armónico por ejemplo) el campo rotatorio que generaría se opondría al sentido de giro del motor,  por lo que se estaría perdiendo par motor y velocidad. Además, los armónicos pueden sobrecalentar los conductores a causa del "efecto Skin" por culpa del cual la corriente alterna tiende a distribuirse por la superficie del conductor.
Una solución a este problema, sería la utilización de circuitos separados para alimentar a los variadores.

La instalación de variadores de velocidad en la industria, es hoy en día  un negocio que está creciendo a pasos agigantados. La amortización económica de instalar este tipo de dispositivo, suele ser inferior al año y cada vez las personas tienen más conciencia acerca de los beneficios de la eficiencia energética.
Sin embargo aun queda mucho que andar, teniendo en cuenta datos como los que facilitan algunas estadísticas, según los cuales, tan solo el 20 % de los empresarios, tienen conocimiento de la existencia de los variadores de velocidad y de sus beneficios.

                                           Vídeo explicativo de un variador de frecuencia.