ACCIONAMIENTOS DE VELOCIDAD VARIABLE En el presente trabajo se realizará una explicación sobre los diferentes accionamientos de velocidad variable (AVV) y su aplicación en procesos industriales. En especial se detallan los AVV eléctricos y los accionamientos de corriente alterna.
LOS PROCESOS Y SUS REQUISITOS Para entender porque se debe de usar los accionamientos de velocidad variable primeramente se debe comprender los requisitos de los procesos, como ejemplo se puede citar el uso de ventiladores para el acondicionamiento del aire, generalmente esta variable depende de otras como humedad, temperatura entre otras, para lo cual se debe ajustarse al proceso usando AVV. Estos procesos se dividen en dos categorías, el tratamiento de materiales y el transporte de materia. Los procesos de tratamiento de materiales se pueden dividir en dos subgrupos los cuales son: forma bien definida y forma indefinida; En el primer subgrupo el material tratado tendrá un forma definida como el papel o la madera y una máquina ejemplo son las laminadoras. En el segundo subgrupo el material tratado no tendrá forma como los alimentos o plásticos para lo que se centrifugas y extrusoras. Los procesos para transportar materiales, este grupo está formado por máquinas transportadoras, dosificadoras y de cambio de presión. Estas máquinas se pueden dividir dependiendo del tipo de material (Sólido, líquido y gaseoso). En el Anexo # 1.1 se puede observar un diagrama que muestra los dos diferentes tipos de procesos mencionados anteriormente. En el anexo # 1.2, se muestra un gráfico que muestra las variables que afectan al sistema de procesamiento. En el diagrama se muestro como los procesos necesitan material y energía para completar el proceso requerido, además se observan desecho ya sea de material o de energía. Los AVV son utilizados para controlar la potencia mecánica de las distintas máquinas, también pueden controlar el tratamiento del material.
LA FUERZA MOTRIZ DE LA INDUSTRIA: EL MOTOR ELÉCTRICO. Todos los procesos industriales que se mencionaron son accionados por motores eléctricos. En el Anexo # 2.1 se puede observar un diagrama que muestra el funcionamiento de estos. Su funcionamiento básico se basa en la inducción electromagnética. El control de estos motores se lo puede lograr utilizando con convertidor de frecuencia. Lo que hace este mecanismo es variar la frecuencia de alimentación del motor variando así su velocidad y par entregados a la carga. Los AVV eléctricos también ofrecen ventajas adicionales como es el ahorro de energía eléctrica, ya que el motor no utiliza más energía de la que necesita. Para calcular la eficiencia de todo el sistema se deben considerar las pérdidas del motor y de su control. El motor convierte la energía eléctrica en mecánica por lo cual se debe tener conocimientos en estas materias para poder realizar el análisis de eficiencia del motor. Entre mayor sea la potencia de salida, mayor será el requerimiento de potencia a la entrada y el convertidor de frecuencia regulará la tensión de suministro del motor, y de este modo, controlar la potencia sobre el motor. La eficiencia del convertidor de frecuencia generalmente esa en el rango de 0.97 a 0.99 y la del motor entre 0.82 y 0.97 por lo que la eficiencia general del sistema es superior al 0.8 si está controlado por un convertidor de frecuencias. Dependiendo de las características del proceso el motor pueda que tenga que invertir su giro y también variar los requerimientos de dirección del par, esto se denomina un “Accionamiento de cuatro cuadrantes”. En el anexo # 2.2 se puede ver una imagen del funcionamiento de cada uno de estos cuadrantes. En todos los casos antes de asignar un tipo de motor al proceso es imprescindible que se conozca el par de carga y la velocidad que tendrá que soportar el motor. La curva de par/velocidad de un motor es única y debe calcularse de forma independiente para cada tipo de motor. En el Anexo # 2.2 se puede observar una curva par/velocidad típica.
LOS VOLÚMENES VARIABLES REQUIEREN ALGÚN TIPO DE CONTROL Todos los procesos tienen al menos una variable por lo que requerirá algún tipo de control. Los parámetros más importantes de los procesos son: entrada, salida e interferencias. Debido a que existen interferencias o los parámetros de la salida son diferentes a los de la entrada es necesario un AVV. En el Anexo # 3.1 se puede observar una tabla con algunos procesos que exigen control de velocidad. Existen muchos métodos de control, y algunos de ellos son muy sencillos como el control ON/OFF, pero generalmente estos métodos suelen consumir más energía por lo que suelen representar un conste operativo mayor al de los AVV. En el anexo # 3.2 se presenta un cuadro con los cuatro AVV más habituales en el sector industrial. Estos son: Controles mecánicos de velocidad en la cual se utiliza un accionamiento por correa y se controla moviendo de forma manual las poleas cónicas. Acoplamientos hidráulicos aplican el principio de la turbina al cambiar el volumen de aceite en el acoplamiento, varían la diferencia de velocidad entre los ejes accionados. Accionamientos de CC utilizan un convertidor de cc cambiando la tensión de alimentación suministrada al motor. Accionamientos de CA utilizan un convertidor de frecuencias En el anexo anterior también se presenta un cuadro con argumentos que respalda que los AVV eléctricos presentan ventajas frente a los otros, entre las que incluye: Costos de mantenimiento ya que al utilizar AVV se puede tener arranques suaves reduciendo así el mantenimiento. Productividad ya que los AVV se adaptan perfectamente a aumentos de productividad. Ahorro de energía ya que simplemente con un cambio en la velocidad se puede ahorrar una gran cantidad de energía. Mayor calidad ya que el control tan preciso que se logra tiene como resultado una optimización de los procesos. Debido a los criterios presentados anteriormente los AVV de CA dominan el mercado. Es así que ha tenido un crecimiento del 10% anual desde 1990 hasta el año 2000 frente a los AVV de CC esto se debe en gran medida a que los motores de CC disponen de un conmutador mecánico con escobillas de carbón que requieren un mantenimiento regular. Además el conmutador complica la
estructura del motor. Estas son las razones por las cuales la cuota de mercado de los accionamientos de CA está creciendo en comparación a los de accionamientos de CC.
ACIONAMIENTO CA: LÍDER EN MÉTODOS DE CONTROL Las funciones básicas de un accionamiento de CA está formado por cuatro componentes distintos: la interfaz de usuario, el motor, el suministro eléctrico y la interfaz de proceso. El suministro eléctrico ofrece la energía eléctrica y mediante el accionamiento de Ca convierte la frecuencia y la tensión y alimenta al motor. La interfaz de usuario permite controlar el accionamiento y obtener información sobre el proceso a través del accionamiento. Si el motor se acciona sin un convertidor no pueden modificarse las curvas de capacidad de carga de este modo se puede realizar un accionamiento continuo con carga nominal o sobrecargarle al motor por periodos de tiempo por el sistema de enfriamiento. Para poder utilizar todas estas características es importante que la carga, el accionamiento de CA el motor sean compatibles. Hay una serie de características muy importantes en el accionamiento de CA las cuales se muestran en el anexo # 4.1. La inversión de giro mediante los accionamientos de CA resulta muy fácil, y de igual manera se puede establecer diferentes tiempos de aceleración y deceleración de rampa y modificar la forma de la rampa según los deseos del usuario. El control del par es relativamente fácil con los accionamientos de CA, los valores de U/f variables del par permiten obtener un par máximo con una velocidad de rotación inferior a la nominal. Los accionamientos de CA pueden eliminar las vibraciones mecánicas que se dan cuando está cerca de su velocidad crítica. De igual manera puede hacer funcionar al motor cuando existen cortes de energía en la red debido a la energía
cinética del motor. También se puede proteger al motor con su función de bloqueo. Existe una compensación de deslizamiento ya que se puede modificar la curva del par/de la velocidad con el convertidor de frecuencia a fin de aumentar el par con la velocidad anterior. Otra característica importante en los accionamientos es la compatibilidad electromagnética, es decir puede soportar perturbaciones conductivas y radiantes además de que no emite perturbaciones ni radiantes.
COSTE – BENEFICIO DEL ACCIONAMIENTO DE CA A pesar de todos los beneficios de los AVV de CA todavía existe una gran cantidad de motores por debajo de los 2KW que se venden sin accionamientos, a pesar de que los accionamientos de CA representan un gran avance tecnológico frente a los otros métodos de control. Otra ventaja en cuanto al coste es el hecho de que un accionamiento de CA, puede utilizarse un motor trifásico estándar, que resulta más económico que el motor monofásico utilizado en el resto de métodos de control. En el anexo # 5.1 se muestra un cuadro que muestra los factores que afectan al coste de los accionamientos de CA y los métodos convencionales. Comparando con los otros métodos de control de bombeo se puede observar que mediante un accionamiento de CA se eliminan los coste mecánicos además que la inversión del motor es menor debido a que es trifásico y generalmente suele ser la inversión más económica en comparación con los otros métodos.
ANEXOS ANEXO # 1 - LOS PROCESOS Y SUS REQUISITOS ANEXO # 1.1
ANEXO # 1.2
ANEXO # 2 LA FUERZA MOTRIZ DE LA INDUSTRI: EL MOTOR ELÉCTRICO ANEXO # 2.1
ANEXO # 2.2
ANEXO # 3 LOS VOLÚMENES VARIABLES REQUIEREN ALGÚN TIPO DE CONTROL
ANEXO 3.1
ANEXO # 3.2
ANEXO # 4. ACIONAMIENTO CA: LÍDER EN MÉTODOS DE CONTROL ANEXO # 4.1.
ANEXO # 5 COSTE – BENEFICIO DEL ACCIONAMIENTO DE CA
ANEXO # 5.1