4 Eficiencia Con ASD
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en Ambientes Industriales utilizando Convertidores de Frecuencia Eficiencia Energética : Eduardo Wiechmann F. (Ph.D.) [email protected]
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en Ambientes Industriales
utilizando Convertidores de Frecuencia
Eficiencia Energética :
Eduardo Wiechmann F. (Ph.D.) [email protected]
I.- Carga programada de correas transportadoras.
I.- Regeneración en correas transportadoras.
II.- Potencia Reactiva y Distorsión armónica en Transformadores de Potencia.
II.- Impacto del uso de Variadores de Frecuencia en el consumo de potencia reactiva.
II.- Compensación de potencia reactiva y disminución del contenido armónico con
filtros pasivos sintonizados.
III.- Control de Flujo en Bombas Centrifugas mediante válvulas de estrangulación.
III.- Operación a velocidad variable en Bombas Centrifugas.
IV.- Control de Flujo de aire en Ventiladores mediante Dampers de entrada.
IV.- Control de Flujo de aire en Ventiladores mediante Dampers de salida.
IV.- Operación a velocidad variable en Ventiladores.
Problemas de Eficiencia Energética en Plantas Convencionales
y Oportunidades de Ahorro de Energía
Correas Transportadoras
Oportunidad de Ahorro de Energía
El control de correas transportadoras utilizando Variadores
de Frecuencia (VFD) permite ajustar la velocidad asegurando
la entrega óptima de material al siguiente proceso.
Esto permite optimizar el flujo de material y la cantidad de
energía consumida mediante la carga programada de las
correas transportadoras.
En el caso de correas transportadoras con pendientes
descendientes existe la alternativa de ahorro de energía
mediante “frenado regenerativo”.
Este permite inyectar hacia la red eléctrica la energía generada
por los motores durante el frenado, en vez de quemarla sin
realizar trabajo.
Oportunidad de Ahorro de Energía
Pérdidas en Transformadores
Las pérdidas en Transformadores se incrementan con:
“Comparación de Pérdidas en un Transformador Estándar de
75kVA con Carga Lineal v/s Carga no Lineal ”
“Incremento de Pérdidas con la Temperatura en un
Transformador Estándar de 75kVA”
- Cargas lineales con mal factor de potencia, principalmente motores.
- Cargas no lineales inyectando corrientes armónicas, Rectificadores, Variadores de
Frecuencia y Cargas Pulsatorias.
Transformadores de Potencia
Transformadores de Potencia
Oportunidad de Ahorro de Energía
Pérdidas en Transformadores
Ahorro anual en un transformador al mejorar el factor de potencia.
Ahorro anual en un transformador al mejorar la distorsión armónica.
Tiempo anual de operación 8000 [h] Potencia de salida transformador 2 [MW]
Factor de potencia inicial 0.86
Factor de potencia mejorado 0.98 Costo kWh US$ 0.065 *
Ahorro anual US$ 9,075
Tiempo anual de operación 8000 [h] Potencia de salida transformador 2 [MW]
Factor de potencia 0.98
Distorsión armónica inicial 6 pulsos Distorsión armónica mejorado 18 pulsos
Costo kWh US$ 0.065 *
Ahorro anual US$ 12,463
* Precio medio de nudo SING, publicado el 3 de julio de 2007.
Control de Flujo en Bombas
Las Bombas más utilizadas industrialmente son Dinámicas o Centrífugas.
- Producen incremento de presión de fluidos utilizando fuerza centrífuga.
Situación Convencional
El control de Flujo puede utilizar válvulas de estrangulación.
- Se varía la resistencia al flujo modificando la apertura de la válvula.
- Esto produce aumento de la presión del fluido y disminución del flujo.
Este método de Control presenta baja eficiencia energética.
- Bomba opera a potencia casi nominal en todo el rango de operación.
3960
Flow Pressure Specific GravityPump Power input
Pump Efficiency
Control de Flujo en Bombas Situación Convencional
Costo anual de energía de una Bomba Centrifuga “Perfil de Operación Típico de una Bomba Centrífuga”
0
5
10
15
20
25
1020 1360 1700 2040 2380 2720 3060 3400
Flujo [m3/h]
% T
iem
po A
nu
al
de
Op
eraci
ón
Flujo Nominal 3400 [m3/h] Potencia de Motor 1 [MW]
Eficiencia de Bomba 78 %
Eficiencia de Motor 96 % Tiempo anual de operación 8000 [h]
Costo kWh US$ 0.065 *
Consumo anual de energía 4,522,339 [kWh]
Costo anual de energía US$ 293,952
* Precio medio de nudo SING, publicado el 3 de julio de 2007.
Oportunidad de Ahorro de Energía
Control de Flujo en Bombas
La operación a Velocidad Variable modifica la Curva de Operación de la Bomba.
Este método de Control es energéticamente eficiente:
- Al disminuir la velocidad de la bomba disminuye el flujo y la presión.
- De esta forma, la bomba requiere menos potencia para operar.
“Consumo Anual de una Bomba Centrífuga de 1 MW”
Válvula de
Estrangulación
Velocidad
Variable
En
erg
ía A
nu
al
Co
nsu
mid
a [
kW
h]
Oportunidad de Ahorro de Energía
Control de Flujo en Bombas
Comparación de Consumos y Costos anuales de energía de una Bomba Centrífuga
* Precio medio de nudo SING 2011-2012
Válvula de
Estrangulación Velocidad Variable
ASD
% Flujo Flujo [m3/h] Potencia [kW] Potencia [kW]
100 3400 1000 1000
80 2720 920 512
60 2040 840 216
40 1360 760 64
Consumo anual de energía [kW/h] 4.522.339 2.525.562
Tiempo de Operación anual 8.000 [h]
Costo [MW/h] US$ 120 *
Reducción de consumo 44.2 %
Ahorro anual US$ 240.000
Bombas Industriales
Bombas Industriales
Situación Convencional
Control de Flujo de Aire en Ventiladores
Los ventiladores centrífugos son los más utilizadas industrialmente.
- Entregan energía al aire utilizando fuerza centrífuga, incrementando la presión de salida.
Control de Flujo de aire se realiza mediante:
a) Dampers de entrada: controlan el ingreso de aire, modificando la curva de operación del Ventilador.
b) Dampers de salida: disminuyen la salida incrementando la resistencia al flujo de aire.
Ventilador con Dampers
de Entrada
“Requerimientos de Potencia de un Ventilador con
Control de Flujo mediante Dampers de Entrada
Variables”
“Curva Ventilador y Curva de Requerimientos del
sistema usando Dampers de Entrada Variables”
Curva
Ventilador
Curva
Sistema
Situación Convencional
Control de Flujo de Aire en Ventiladores
“Requerimientos de Potencia de un Ventilador con
Control de Flujo mediante Dampers de Salida”
Ventilador con Dampers
de Salida
“Curva Ventilador y Curva de Requerimientos del
sistema usando Dampers de Salida”
Curva Ventilador
Curva Sistema
“Requerimientos de Potencia de un Ventilador con
Control de Flujo mediante Dampers de Salida”
“Requerimientos de Potencia de un Ventilador con
Control de Flujo mediante Dampers de Entrada”
Comparación de los requerimientos de Potencia:
- Control de Flujo mediante Dampers de Entrada: Disminuyen a menores flujos de aire.
- Control de Flujo mediante Dampers de Salida: Disminuyen gradualmente a menores flujos de aire.
Situación Convencional
Control de Flujo de Aire en Ventiladores
Control de Flujo de Aire en Ventiladores
Oportunidad de Ahorro de Energía
Operación a Velocidad Variable usando Variadores de Frecuencia (VFD).
- Modificar la Curva de Operación del ventilador variando la velocidad.
“Requerimientos de Potencia de un Ventilador”
Método de Control eficiente:
- Se ajusta el ventilador al flujo de aire requerido por el sistema.
- Se asegura un mínimo de potencia de entrada en cada punto de operación.
“Perfil de Operación Típico de un Ventilador”
0,0
200,0
400,0
600,0
800,0
1000,0
1200,0
70 105 140 175 210 245 280 315 350
Flujo de Aire [m3/s]
Pote
nci
a E
ntr
ad
a [
kW
]
Dampers de SalidaVelocidad Variable
Dampers de Entrada
0
5
10
15
20
25
105 140 175 210 245 280 315 350
Flujo de Aire [m3/s]
% T
iem
po
An
ua
l d
e
Op
era
ció
n
Control de Flujo de Aire en Ventiladores
Oportunidad de Ahorro de Energía
* Precio medio de nudo SING 2011 - 2012
Comparación de Consumos y Costos anuales de energía de un Ventilador
Flujo Nominal 350 [m3/seg]
Potencia Motor 1 [MW] Eficiencia Ventilador 70 % Eficiencia Motor 96% Tiempo anual de operación 8.000 [h] Costo [MW/h] US$ 120 *
Consumo anual de energía
Dampers de entrada 4.585.213 [kW/h] Dampers de salida 6.750.107 [kW/h] Velocidad variable 3.062.239 [kW/h]
Ahorro anual
Reemplazando dampers de entrada US$ 182.757 Reemplazando dampers de salida US$ 442.544
Ventiladores Industriales
Ventiladores Industriales
Variadores de Frecuencia (VFD)
Funciones y Beneficios
Variador de Frecuencia: es un equipo electrónico utilizado para controlar de manera precisa y
continua la velocidad de un motor AC.
Voltaje AC
de Alimentación
Estos se caracterizan por presentar una elevada eficiencia (>95%) y un factor de potencia casi unitario
sobre todo el rango de velocidades.
Variador de Frecuencia Voltaje AC
de Salida
Carga
(Bomba, Ventilador)
Beneficios Adicionales: - Reducida corriente de partida. Esto permite extender la vida útil de los motores.
- Menor demanda de potencia en la partida.
- Reducción de las perturbaciones de voltaje en el sistema de distribución.
- Aceleración y frenado controlado.
- Torque máximo ajustable. Esto permite evitar la sobrecarga de motores.
- Capacidad de inversión electrónica de giro.
