Los proveedores de dispositivos de retroalimentación de energía para convertidores de frecuencia recuerdan que, en la producción de automatización industrial moderna, el ámbito de aplicación de bombas, ventiladores y otros equipos es cada vez más amplio. Su consumo de energía eléctrica, las pérdidas por estrangulamiento de deflectores, válvulas y otros equipos, así como los costes diarios de mantenimiento y reparación, representan casi el 20 % del coste. Esto supone un gasto de producción considerable. Con el desarrollo de la economía, la profundización de las reformas y la intensificación de la competencia en el mercado, el ahorro energético y la reducción del consumo se han convertido gradualmente en un medio importante para mejorar la calidad de los productos y reducir los costes de producción.
1. Teoría básica de la tecnología de ahorro de energía de frecuencia variable
El principio básico de la tecnología de conversión de frecuencia es que, durante un largo periodo, la frecuencia de la corriente alterna utilizada por los equipos eléctricos se mantiene fija. Su aplicación consiste en convertir la frecuencia en un recurso que se pueda ajustar y utilizar libremente. Actualmente, la tecnología de frecuencia variable más activa y de mayor desarrollo es la de regulación de velocidad.
La tecnología de conversión de frecuencia incluye tecnología informática, electrónica de potencia y transmisión de clics. Es una tecnología integral que combina equipos mecánicos con corrientes fuertes y débiles. Consiste en la conversión de la señal de la corriente de frecuencia industrial a otras frecuencias, principalmente mediante componentes semiconductores. Posteriormente, la corriente alterna se convierte en corriente continua, y el inversor regula la corriente y el voltaje, logrando una regulación continua de la velocidad del equipo electromecánico. En resumen, la tecnología de conversión de frecuencia controla la velocidad de un motor modificando la frecuencia de la corriente, lo que permite un control eficaz del equipo. Todo esto se logra gracias al aumento anual de la frecuencia de la corriente y la velocidad del motor. La característica de la tecnología de conversión de frecuencia es que garantiza el buen funcionamiento del motor, controla automáticamente la aceleración y la desaceleración, reduce el consumo de energía y mejora la eficiencia.
En el uso diario de los convertidores de frecuencia, se emplean principalmente el control directo de par y el control vectorial. En el futuro desarrollo de los convertidores de frecuencia, se emplearán redes neuronales artificiales y métodos de control de autooptimización difusa. Además, a medida que los convertidores de frecuencia continúan desarrollándose, su exhaustividad será cada vez mayor. Además de las funciones básicas de regulación de velocidad, también cuentan con funciones de comunicación, programación e identificación de parámetros configuradas internamente.
2. Principio de ahorro de energía del convertidor de frecuencia
2.1 Métodos de ahorro de energía de frecuencia variable
Según la mecánica de fluidos, potencia = presión * caudal. El caudal y la velocidad elevada a la unidad son proporcionales, la presión es proporcional al cuadrado de la velocidad y la potencia es proporcional al cubo de la velocidad. Si la eficiencia de la bomba de agua es fija, al disminuir el caudal, la velocidad disminuirá proporcionalmente y la potencia de salida también disminuirá en una relación cúbica. Por lo tanto, la velocidad de la bomba de agua es aproximadamente proporcional al consumo de energía del motor. Por ejemplo, cuando el motor de una bomba de agua de 55 kW se gira al 80 % de su velocidad original, su consumo de energía es de 28 kW/h, con una tasa de ahorro de energía del 48 %. Pero si la velocidad se ajusta al 50 % de la original, el consumo de energía se convierte en 6 kilovatios por hora y la tasa de ahorro de energía alcanza el 87 %.
2.2 Adopción de la compensación del factor de potencia para la conservación de energía
La potencia reactiva no solo provoca el calentamiento de los equipos y aumenta el desgaste de los cables, sino que, lo que es más importante, la disminución del factor de potencia conlleva una disminución de la potencia activa de la red eléctrica. Como resultado, se consume una gran cantidad de energía reactiva en las líneas eléctricas, lo que reduce la eficiencia de los equipos y genera un grave desperdicio. Tras utilizar un dispositivo de regulación de velocidad de frecuencia variable, la pérdida de potencia reactiva se reduce aún más gracias al condensador de filtrado del convertidor de frecuencia, lo que aumenta la potencia activa de la red eléctrica.
2.3 Uso del método de arranque suave para la conservación de energía
Debido a que el motor se arranca mediante arranque directo (Y/D), la corriente de arranque es de cuatro a siete veces la corriente nominal, lo que puede causar graves daños a la red eléctrica y a los equipos electromecánicos. Además, esto requiere una capacidad de red muy alta, lo que genera una corriente relativamente alta durante el arranque y causa daños significativos a válvulas y deflectores durante la vibración, lo que también perjudica considerablemente la vida útil de tuberías y equipos. El uso de convertidores de frecuencia utiliza la función de arranque suave para arrancar la corriente desde cero, sin que el valor máximo supere la corriente nominal. Por lo tanto, se reduce considerablemente el impacto en la red eléctrica y los requisitos de capacidad de suministro de energía, y se prolonga considerablemente la vida útil de válvulas y equipos.
3. Ejemplos de aplicación de la tecnología de ahorro de energía de frecuencia variable
Utilizamos la instalación de un controlador de velocidad de frecuencia variable en una bomba de circulación de agua de 160 kW como ejemplo para modernizar el equipo de ahorro de energía de frecuencia variable. Analizamos el consumo eléctrico antes y después de la modernización y obtuvimos resultados muy satisfactorios.
3.1 Modo de control antes de la transformación de conversión de frecuencia
Durante el funcionamiento de una bomba de agua circulante, cuando el caudal varía debido a las necesidades del proceso, es necesario ajustar la apertura de la entrada y la salida de la bomba para modificar el caudal real. Este método de ajuste se denomina ajuste de estrangulamiento. En este ejemplo, la apertura de la válvula de entrada y salida es de aproximadamente el 60 %. Desde el punto de vista del consumo energético, este método de ajuste resulta muy poco rentable.
3.2 Modo de control después de la transformación de conversión de frecuencia
Durante el funcionamiento de una bomba de agua circulante, cuando el caudal varía según las necesidades del proceso, las válvulas de entrada y salida se abren completamente. Ajustando la velocidad del motor, se puede encontrar un nuevo punto de funcionamiento adecuado para obtener el caudal adecuado. Según la situación real y las necesidades in situ, se puede implementar un control manual o automático. En este ejemplo, al no requerirse un ajuste frecuente del caudal, la frecuencia de funcionamiento real del motor se establece en 40 Hz, según la situación real y las necesidades in situ, y se adopta el control manual principalmente para ahorrar energía.
4. Cambios en el funcionamiento tras utilizar un sistema de regulación de velocidad de frecuencia variable
Se ha logrado un arranque suave completo. Al arrancar el motor, la velocidad del rotor aumenta gradualmente con la frecuencia de la fuente de alimentación, lo que resulta en un aumento gradual de la velocidad. El tiempo de arranque de todo el sistema se ha establecido en unos 20 segundos, lo que no afecta al sistema y es más suave que el método de arranque original.
La corriente utilizada en la red eléctrica también se ha reducido significativamente, lo que aumenta la seguridad en el uso de equipos eléctricos. Al mismo tiempo, al disminuir la frecuencia, también disminuye la velocidad del motor, lo que reduce el desgaste mecánico y, en consecuencia, la probabilidad de fallos y los costes de mantenimiento. El transformador que suministra energía eléctrica a la bomba de agua ha ahorrado la mayor parte de la capacidad de suministro eléctrico. Con solo reducir la carga activa, se ha ahorrado aproximadamente 50 kilovatios, lo que mejora la eficiencia de utilización del equipo. El factor de potencia del motor también ha mejorado consecuentemente, lo que hace que su funcionamiento sea más económico.
El uso de la tecnología de conversión de frecuencia ha mejorado la calidad de los productos, reducido el consumo de energía, ahorrado energía y aumentado aún más los beneficios económicos de las empresas. La aplicación de la tecnología de regulación de velocidad por conversión de frecuencia requiere la transformación de estos equipos para lograr el ahorro energético.