11. Controles de Motor - Usos

Anibal T. De Almeida

Día 2

Temario• Control de fluidos• Control de movimientos• Manipulación de materiales• Máquinas herramientas

Variables de los sistemas deprocesamiento

Estrategias de ahorro energéticoControles de motores1. Utilización de variadores de velocidad. En

aplicaciones de carga variable, los VSDpueden generar ahorros.

2. Utilización de controles para apagarmotores sin carga.

Usos de los VSD para ahorrar energía

1. Bombas centrífugas, ventiladores y compresores en los que el paraumenta con la velocidad de rotación del motor al cuadrado.La energía eléctrica aumenta considerablemente con la velocidad(hasta el cubo) y una sencilla adaptación a las necesidades realespuede conducir a grandes ahorros.

2. Cintas transportadoras, escaleras mecánicas, elevadoras, grúas yotros tipos de equipos similares en los que el par es más o menosindependiente de la velocidad.Las ventajas referentes a los costos y a la eficiencia energética sonmenores en comparación con las del primer grupo de usos porque elcambio en la potencia de entrada es solamente proporcional a lavelocidad. El frenado regenerativo puede producir ahorros adicionales.

Leyes de afinidad

∝∝∝=

==donde,

N = velocidad de rotación del ejeQ = FlujoH = AlturaP = Potencia

Leyes de afinidadPara poder aplicar las leyes de afinidad es necesario que todas laspérdidas del sistema sean pérdidas por fricción.Por lo tanto, los sistemas con altura estática baja suelen ser mejorescandidatos para los VSD.

Bombas centrífugasResistencia total del sistema a causa de de las pérdidas por

fricción (varían en función de la velocidad al cubo) más laspérdidas de altura estática para proveer más elevación.

Bombas centrífugas

En los sistemas de bombas centrífugas, la regulación cambia la curva delsistema mediante el uso de una válvula de control o reguladora. Pero unvariador de frecuencia cambia la curva de la bomba modificando lavelocidad de bombeo.

Ejemplo

El área limitada por las dos curvas de potencia representa la energía ahorrada alreemplazar un válvula reguladora por un variador de frecuencia.

Métodos de control de bombeo

Consumo de energíaConsumo relativo de uncaudal promedio de 70%con diferentes métodos decontrol.

Bombas centrífugasPlanta de bombeo: Relación que conviene tener en cuenta consistemas independientes de circuito cerrado en los que la "alturaestática" no es un factor importante.

VSD + bombas: ejemploAl usar un variador de velocidad para reducir la presión, los requerimientos energéticosdisminuyen, ya que la cantidad de energía hidráulica que se produce en realidaddisminuye.

Sistema de bombeo con un VSD Sistema de bombeo con tres VSDLos variadores comparten información, como por ejemplo, elestado del variador, prioridad, tiempo de funcionamiento,información acerca del proceso, etc.

VSD + bombas: ejemploEn muchas aplicaciones de aplicaciones de bombeo, hay un tanque paraalmacenamiento de líquidos. Cuando los líquidos contienen partículas, es común queaparezca una sedimentación en las paredes (figura 15, tanque izquierdo) si se usanniveles fijos al llenar y vaciar el tanque.Una forma de evitar esa sedimentación en las paredes consiste en variaraleatoriamente el nivel de la superficie dentro de un rango de límitespredeterminados. La limpieza manual del tanque puede realizarse a intervalos máslargos. La eliminación de paradas innecesarias para limpiar el tanque maximiza eltiempo de funcionamiento.

Sistemas de bombeo• Podemos mejorar las bombas que compramos por su precio

inicial más bajo, o podemos reemplazarlas por modelos demayor eficiencia.

• La erosión provocada por partículas abrasivas puede afectarlos espacios libres y la eficiencia.

• Se pueden aplicar revestimientos especiales para reparar lascavidades y para alisar la superficie interna a fin de reducir laspérdidas por fricción.

• Es conveniente que el diseño de la entrada de succióngarantice que el flujo que se acerca a la entrada sea uniforme yconstante.

• Se recomienda que antes de la brida de succión de la bombahaya un tubería de succión recta de un largo de por lo menosocho diámetros.

Sistemas de bombeoGuía europea de eficacia de bombas para bombas centrífugas de etapa simple

Ejercicio• Usando la herramienta informática ABB

PumpSave, calcule los ahorros entre el usode VSD o de un regulador para controlar elflujo.

Sistemas de ventilación

Sistemas de ventilación• Podemos mejorar los ventiladores que compramos por

su precio inicial más bajo, o podemos reemplazarlospor modelos de mayor eficiencia.

• Los controladores de variadores de velocidad (VSD)generan ahorros para todos los tipos de flujos.

• Dentro de las causas que provocan una alta resistenciadel sistema se incluyen la suciedad en las aspas, filtrosy bobinas.

• El flujo que se pierde a causa de las fugas es undesperdicio de energía.

• Los sistemas de ventilación pueden sufrir fugas en lasconexiones flexibles, por bridas flojas o deformadas y acausa de juntas deterioradas.

Sistemas de ventilación- Los ahorros potenciales de un ventilador son de entre el 5 y el 10 %

- Los ahorros potenciales del sistema de ventilación son de entre el15 y el 20%Los sistemas deventilación son másque un ventilador

Sistemas de ventilación

Métodos de control de la potencia de entrada para distintos flujos para un ventilador centrífugo

Sistemas de ventilación• El flujo de aire más eficiente para un ventilador es

un trayecto sin restricciones y uniforme.• Los codos situados en la cercanías de las entradas

de los ventiladores aumentan las pérdidas y debenevitarse.

• Las obstrucciones en las entradas y las salidas delos ventiladores perturban el flujo, provocandoturbulencia.

• Las conexiones flexibles suelen hacer que lastransiciones sean deficientes, lo que perturba enflujo.

Uso de VSDUso de un VSD en un enfriador de techo.

Sistemas de compresores• El aire comprimido representa el 10% del consumo de electricidad

industrial• Los sistemas de aire comprimido no suele ser energéticamente

eficientes: los ahorros energéticos posibles están en el rango de entreun 5% a un 50 %…

Suposiciones

Potencia 110 kWVida útil del equipo 15 años

Horas de funcionamiento 4000 h/añoPrecio de la electricidad 5 c€ /kWh

Costos de laenergía78%

Costos demantenimiento

6%

Costos deinversión

16%

Sistemas de compresores• La eficiencia energética general del sistema está limitada por la parte

del sistema con la menor eficiencia.• El compresor en sí es apenas un elemento del sistema.

Medidas de ahorros energéticosAplicabilidad% aplicable y

eficaz en funciónde los costos

GananciasReducción del

consumoenergético

anual

Contribuciónpotencial

aplicabilidad xganancias

Reducción de las fugas de aire (realizar un mantenimiento adecuado con unprograma de detección de fugas de aire periódico) 80% 20% 16,0%

Diseño del sistema general para que la presión de aire, el volumen y lacalidad se adecuen a las necesidades, incluyendo los sistemas de presiónmúltiple.

50% 9% 4,5%

Recuperación del calor residual para su uso en otras funciones 20% 20% 4,0%

Mejora en los accionadores - integración de un variador de velocidad, que esmuy eficaz en función del costo cuando la carga muestra condicionesvariables y en instalaciones con muchas máquinas.

25% 15% 3,8%

Mejora del compresor 30% 7% 2,1%

Uso de sistemas de control sofisticados para que la potencia del compresorse adecue a la demanda de aire, mediante la optimización de las transicionesentre los distintos estados del compresor (secuenciadores, control...)

20% 12% 2,4%

Optimización de algunos dispositivos de uso final, al comprar los usosfinales, eligiendo equipo eléctrico o hidráulico en lugar de dispositivos deuso final a aire comprimido.

5% 40% 2,0%

Reducción de las pérdidas de presión por fricción (por ejemplo, aumentadoel diámetro de las tuberías) 50% 3% 1,5%

Cambio de los filtros más frecuente 40% 2% 0,8%

Mejora en los accionadores - uso de motores de alta eficiencia,especialmente en los sistemas nuevos y en las máquinas pequeñas. 25% 2% 0,5%

Refrigeración, secado y filtrado mejorados 10% 5% 0,5%

Sistemas de compresores

Ahorro energético a través del uso de un VSD en un compresor de aire de tornillo rotativo

Sistemas de compresores• Instale tomas en las ubicaciones con el aire más limpio, seco y

fresco posible – en el exterior, si es posible.• Los compresores cargan el sistema a la presión preconfigurada

y la mantienen por medio de varios métodos, incluyendocirculación, venteo, control de arranque/parada y de velocidadmediante variadores de velocidad.

• Seleccione sistemas de filtros con la menor caída de presión.• Se estima que la refrigeración por compresión representa entre

el 5% y el 7% del total de los costos. Los sistemas decompresores producen un gran volumen de calor residual debajo grado, que puede usarse eficientemente en algunosprocesos industriales, en la alimentación de agua hacia lacaldera y en los sistemas de calefacción o ventilación.

Sistemas de compresores• Las fugas representan la mayor pérdida de energía asociada

con el uso de aire comprimido.• Considere otros métodos alternativos más eficientes. Los

sopladores o amplificadores de aire pueden realizar coneficiencia y a costos mucho menores muchas aplicaciones debaja presión como agitación, expulsión de partes, limpieza,enfriamiento y extracción de humos.

• Use la menor presión posible.• La pérdida de presión en una tubería es proporcional a la

longitud de la tubería; la velocidad del aire comprimido de latubería al cuadrado es inversamente proporcional al diámetrode la tubería. Cada aumento de la caída de la presión de 2 psiusa 1% de potencia adicional. Mantenga la velocidad del aire amenos de 9 m/s.

Uso de VSDAplicación de variadores de velocidad en un compresor de

refrigeración de velocidad variable (AHORROS ESTIMADOS: 25%).

Otros usos de los VSD paraahorrar energía

3. Los cambios de carga y velocidad también pueden beneficiarse de unVSD de otras formas, como control del proceso, arranque y paradasuave, y asimismo cuando se necesita un par de arranqueespecialmente elevado o frenado regenerativo.Las ventajas en términos de costo y de eficiencia energética sonpequeñas comparadas con los dos primeros grupos. Los variadoresde velocidad contribuyen a optimizar la tensión para mejorar laeficiencia del motor si el par cambia.

4. Control de movimientos - Actualmente, los controladores de ACpueden brindar un control de par y de velocidad de alto rendimiento,similar al de los variadores de servomotores.

VSD en cintas transportadoras

Ahorros energéticos de cintastransportadoras con control de

velocidad, en relación con la velocidadconstante típica.

VSD en cintas transportadoras

Alimentador de carbón con control de carga de apertura de compuerta.

VSD en cintas transportadoras

Alimentador de carbón con control de carga con VSD.

VSD en cintas transportadoras: reducción dela demanda eléctrica

Ejemplo: llenado de una tolva de carbón desde una pilaen el exterior.

- Un sistema diseñado para llenar la tolva en ocho horasnecesitará aproximadamente el triple de la electricidadque un diseño que se adapte flujo de salida de la tolva.

- Otra opción consiste en llenar la tolva en los horarios demenor demanda.

VSD en cintas transportadorasLas cintas transportadoras de las líneas de producción puedenusar las ventajas de un VSD + motor de inducción para adaptarsea las modificaciones en la líneas de producción.Los métodos tradicionales para ajustar la velocidad son las cajasde engranajes, las poleas variables y los motores de CC.En comparación con los VSD, estos métodos tienen límites deflexibilidad y mantenimiento. Por ejemplo:• Las cajas de engranajes tienen solamente velocidades

constantes, de manera que hay detener las líneas deproducción para cambiar la velocidad.

• Los motores de CC necesitan más mantenimiento debido a lasescobillas.

VSD en cintas transportadoras

Principales ventajas:- Precisión en el control de los procesos- Relación de disminución (relación entre el

rendimiento del proceso máximo y mínimoposibles. En general, se expresa como unarelación, como 5:1 o 10:1)

- Tiempo de respuesta- Menores tasas de desgaste- Capacidad de arranque suave

VSD en ascensores

Máquinas herramientas• Tornos, taladros, fresadoras son ejemplos

de máquinas herramientas.• La velocidad de rotación depende del

tamaño y el tipo de material, acabadorequerido, etc.

• Los variadores proveen continuamente unavelocidad que puede ajustarse durante laoperación de corte.

• Los variadores pueden proveer un par alto avelocidad baja y un par bajo a velocidad alta.Estos son los requisitos de la mayoría de lasoperaciones de corte.

• Los variadores también son muy adecuados parael sistema de control digital del mecanizadoautomatizado.

VSD en máquinas herramientas

Máquinas herramientasUso de la energía

La energía de mecanizado(corte) real, en general,

ronda el 15% del total; elresto de la energía se debe

a energía desobrecalentamiento y porfuncionar con baja carga.

Máquinas herramientas¡Ahorros energéticos, pero no a cualquier

precio!

La eficiencia neta de la máquina es baja.El valor del rendimiento supera en exceso los

costos energéticos.Métase bajo su propio riesgo.No juegue con los ajustes de las máquinas.Busque los extras.

Máquinas herramientas, ¿qué sedebe buscar?

Largas horas de funcionamientoAlto consumo de potencia Largos períodos de tiempo de inactividadMáquinas multipropósitosMuchos accesoriosMáquinas sobredimensionadasHerramientas desafiladas

Máquinas herramientas, ¿qué se debe buscar?

Bomba de enfriado. Control de apagado y velocidad Detección de inactividad - sentido de la carga.

Atención a la alternancia en ciclos de arranque yapagado frecuentes.

¿El ventilador de enfriamiento está en un termostato? ¿Existe un sistema de enclavamiento para remoción

de astillas? Centrarse en lo que está sucediendo entre los cortes. ¿Existe alguna máquina mejor?

Máquinas herramientas¿Líneas de producción idénticas?

Busque datos de rendimiento y de consumo deenergía.

¿Se sabe que el equipo es diferente?

Máquina papeleras• Los variadores pueden controlar con precisión la

velocidad de las máquinas papeleras en relación con eltipo y el calibre del papel.

El uso de variadores en las bombas ylos ventiladores auxiliares de lasmáquinas papeleras puede mejorar elflujo y ahorrar energía (p. ej.,ventiladores de secadoras; bombasde filtrado, dilución, limpieza y deltanque de recortes).En general, estas bombas operanbien por debajo de la capacidadnominal, cuando solamente serequiere una capacidad mayor para elarranque o si hay trastornos.Asimismo, se puede evitar el uso deengranajes y se aprovechan lasventajas inherentes a lascapacidades de arranque suave delos VSD.

Extrusión de plásticosRequisitos básicos:

• Las extrusoras tienen que ser capaces de procesarpolímeros con una tasa de producción alta y consistente.Para contribuir con eso, se necesita un variador con unalto grado de estabilidad de par/velocidad.

• El polímero producido debe estar dentro un rango detemperatura de fusión aceptable y esa temperatura nodebería variar. Un controlador de temperatura de buenacalidad con control PID sirve para aumentar el control dela temperatura.

Extrusión de plásticosRequisitos básicos (cont. ):

• La presión desarrollada debe ser consistente. Para lograrlo, senecesita tener un buen control de las variables del proceso y de lavelocidad del mismo. El uso de un controlador de procesos y de unvariador de velocidad elegido cuidadosamente ayudarán a que lacalidad de la producción sea consistente.

• El polímero debe mezclarse suficientemente bien y no debe contenervolátiles de baja temperatura que estropearían la apariencia delproducto. La mezcla se hace con la ayuda del diseño del husillo, conhusillos simples y dobles.

Extrusión de plásticos

Factores que determinan limitaciones de producción

Extrusión de plásticos

Balance energético típico de una extrusora

Extrusión de plásticos: controladoresBeneficios:• El consumo de potencia depende de la carga aplicada, por lo tanto

genera ahorros de potencia en comparación con el uso de losantiguos controladores de CA.

• Es posible mantener la velocidad con una resolución altísimamediante el uso de la información del motor proveniente de uncodificador/tacómetro. Esto es muy útil cuando se necesita que laextrusora nos dé un volumen de actividad constante.

• A medida que los filtros se van obstruyendo progresivamente, lapresión dentro del cañón va aumentando, haciendo que aumente elpar necesario para accionar la extrusora. Con un convertidor secompensa este problema automáticamente, logrando conseguir unvolumen de actividad constante.

Extrusión de plásticos: controladoresBeneficios (cont.) :• Para las extrusoras que tienen que funcionar a distintas velocidades

para distintos productos, se puede variar la velocidad fácilmentemediante el uso de potenciómetros o pulsando botones deaumentar/disminuir.

• Los controladores modernos tienen puertos de comunicación en seriepara conectarse con computadoras o con otros controladores. Lascomputadoras nos permiten controlar automáticamente sistemasintegrados, y en la medida en que cada vez más fabricantes deextrusoras avanzan hacia líneas de producción continuas, loscontroles totalmente integrados se van haciendo esenciales. Otraventaja adicional es que los parámetros de los controladores puedencambiarse "en línea". Además, los puertos de comunicación puedenusarse para recopilar datos.

Máquinas de almacenamiento y recuperación:vínculo de CC

• Con los controles convencionales, laenergía cinética o la potencial sedisipan a través de un resistor defrenado.

• Con los controles inteligentes de losaccionadores de viajes y deelevadoras, la energía cinética y lapotencial se usan directamente en elsegundo eje.

Máquinas de almacenamiento y recuperación:vínculo de CC

Máquinas de almacenamiento y recuperación: vínculo de CC

El consumo total de energía cae drásticamente hasta el 25% con una potencia máximade la unidad y utilización óptima de la dinámica de la unidad.

Máquinas de almacenamiento y recuperación: regeneración

Máquinas de almacenamiento y recuperación: regeneración

Máquinas de almacenamiento y recuperación:regeneración

La instalación de un VSD con capacidadesregenerativas puede ahorrar hasta un 40% delconsumo de energía de una máquina dealmacenamiento y recuperación.

Gracias