En los últimos años, muchos países han introducido requisitos mínimos de eficiencia para los motores eléctricos. Desde el 1 de julio de 2021, estos requisitos se han endurecido aún más en la Unión Europea. Utilizar motores y variadores más eficientes es la base de un sistema energéticamente eficiente. Además, el funcionamiento a velocidad variable también permite lograr importantes ahorros de energía (normalmente entre un 15 % y un 40 %). Pero, ¿qué ocurre con los ajustes del variador? ¿Tienen algún impacto en el consumo energético del motor eléctrico?
En este artículo me centraré en los motores de inducción e intentaré responder a esta pregunta utilizando ejemplos de aplicaciones reales, en lugar de simulaciones o mediciones realizadas en laboratorio.
Par variable frente a par constante
Para empezar, es importante comprender la característica de par de la aplicación. Con frecuencia nos encontramos con los términos par variable (VT, Variable Torque) y par constante (CT, Constant Torque). ¿Qué significan?
En el contexto de los variadores de velocidad, cuando hablamos de par variable (VT) nos referimos a aplicaciones con una característica de par cuadrática, lo que significa que el par aumenta con el cuadrado de la velocidad. Este es el caso de algunas de las aplicaciones más comunes, como ventiladores y bombas centrífugas. (Cabe señalar que las bombas de desplazamiento positivo presentan una característica de par constante).
Las aplicaciones de par constante (CT) son aquellas en las que la carga no suele verse alterada de forma significativa por la velocidad. Entre ellas se incluyen las cintas transportadoras, los equipos de elevación y los mezcladores.
En las aplicaciones CT, la tensión aplicada al motor sigue una relación U/f constante. En las aplicaciones VT, el par requerido disminuye a velocidades más bajas. Por ello, es posible reducir la tensión suministrada al motor cuando este funciona por debajo de su velocidad nominal, incluso más de lo que permitiría una simple relación U/f constante.
Al reducir la tensión aplicada al motor, también se reducen las pérdidas en el propio motor, lo que se traduce en una mayor eficiencia energética. Esto se aplica cuando se utilizan los modos de control U/f o VVC+.
El uso de curvas CT o VT no siempre es óptimo
Utilizar curvas de par constante (CT) o par variable (VT) no siempre es la solución más eficiente. La principal razón es que, en la práctica, la carga real del motor suele diferir de la curva teórica. En la mayoría de las situaciones, además, el motor está sobredimensionado.
También existen casos en los que la carga varía en aplicaciones CT. No hay que dejarse engañar por la palabra «constante»: esto no significa que la carga sea constante, sino únicamente que la carga varía independientemente de la velocidad. Un ejemplo sería una escalera mecánica (una aplicación CT), donde la carga del motor depende del número de personas que la utilizan. Si la escalera está vacía, la carga es distinta que si está llena de usuarios.
La función de Optimización Automática de Energía (AEO)
La función de Optimización Automática de Energía (AEO, Automatic Energy Optimization) puede utilizarse para garantizar una eficiencia óptima incluso en las situaciones descritas anteriormente.
La AEO reduce el flujo de magnetización del motor hasta el nivel requerido por la carga real en cada momento. Gracias a algoritmos avanzados, esta función mantiene una buena respuesta dinámica. Sin embargo, tiene ciertas limitaciones y no debe utilizarse en aplicaciones con requisitos dinámicos muy exigentes.
¿Cuánta energía puede ahorrarse con la función AEO?
La respuesta no es sencilla. En algunos casos, la aplicación ya funciona de forma óptima o muy cercana a su punto óptimo, por lo que las posibilidades de mejora son reducidas. En estas situaciones, el margen de ahorro energético es limitado.
En otros casos, sin embargo, la aplicación está lejos de su nivel óptimo de funcionamiento. Evidentemente, es en estas circunstancias donde la función AEO puede aportar los mayores beneficios y generar los ahorros energéticos más significativos.
Ejemplos de aplicaciones reales
Veamos ahora cómo funciona todo esto en aplicaciones reales.
Se realizaron mediciones en tres motores que accionan ventiladores, integrados en tres unidades de tratamiento de aire. Todos los motores tienen una potencia nominal de placa de 2,2 kW.
Se midió la potencia de entrada del motor utilizando tres configuraciones diferentes del variador:
Par constante (CT)
Par variable (VT)
Optimización Automática de Energía (AEO)
A continuación, se representó el ahorro energético relativo obtenido:
con VT en comparación con CT,
con AEO en comparación con CT, y
con AEO en comparación con VT.
La diferencia entre los tres motores radica en el nivel de carga al que operan.
Ventilador 1: consume 1,05 kW a la velocidad nominal (1.500 rpm), lo que representa el 48 % de la potencia nominal del motor (2,2 kW). Esto indica que el motor está sobredimensionado.
Ventilador 2: consume 1,93 kW a la velocidad nominal, equivalente al 88 % de la potencia nominal del motor.
Ventilador 3: presenta un ajuste prácticamente perfecto entre motor y carga, ya que consume 2,29 kW a velocidad nominal, es decir, el 104 % de la potencia nominal.
…y sus resultados
Como cabía esperar, en las tres instalaciones la configuración VT (par variable) genera ahorros energéticos cuando la velocidad es inferior a la nominal. Cuanto menor es la velocidad, mayores son los ahorros relativos (aunque no necesariamente los ahorros absolutos).
En el caso del Ventilador 3, donde el dimensionamiento del motor se ajusta mejor a la carga, la función AEO ofrece prácticamente el mismo nivel de ahorro que la configuración VT cuando se compara con CT. Esto se debe a que la curva VT ya se encuentra muy cerca del punto óptimo de funcionamiento. Por tanto, no se obtienen ahorros adicionales significativos al seleccionar AEO en lugar de VT.
En el caso del Ventilador 2, donde el ajuste entre el tamaño del motor y la carga ya no es tan preciso, los ahorros a velocidad nominal se sitúan en torno al 0,5 %. A velocidades inferiores, los ahorros aumentan:
- Al 75 % de la velocidad nominal, los ahorros se sitúan entre el 7 % y el 9 %.
- Al 50 % de la velocidad nominal, los ahorros alcanzan entre el 22 % y el 25 %.
Los resultados son aún más notables en el Ventilador 1, donde la potencia nominal del motor es aproximadamente el doble de la realmente necesaria. En este caso:
- Ya a velocidad nominal se obtienen ahorros cercanos al 5 %. (¿Quién dijo que no se puede ahorrar energía con variadores funcionando a plena velocidad?)
- Al 75 % de la velocidad nominal, los ahorros oscilan entre el 7 % y el 13 %.
- Al 50 % de la velocidad nominal, los ahorros alcanzan entre el 25 % y el 37 %.
¿Son significativos estos ahorros?
Para responder a esta pregunta, conviene poner estas cifras en perspectiva.
La eficiencia media de un motor de inducción de 4 polos y 2,2 kW de clase IE1 es del 82,02 %. En un motor de clase IE2, la eficiencia aumenta aproximadamente un 2,5 %, hasta alcanzar el 85,5 %. Para un motor de clase IE3, la eficiencia media asciende al 88,06 %, lo que supone una mejora de alrededor del 6 % respecto a un motor IE1.
En muchas aplicaciones, las mejoras que pueden conseguirse mediante una correcta configuración del variador son del mismo orden de magnitud que las obtenidas al sustituir un motor IE1 por un motor IE3 o incluso IE4.
Por ello, si una empresa está dispuesta a invertir en un motor de máxima eficiencia, resulta lógico asegurarse también de que la aplicación esté optimizada mediante los ajustes adecuados del variador.
Optimice el rendimiento desde el primer día
Como muestran los ejemplos anteriores, ajustar correctamente los parámetros del variador desde el inicio tiene un claro sentido económico.
Con una calibración y configuración óptimas es posible:
Obtener ahorros energéticos anuales de hasta un 20 %.
Incrementar la disponibilidad operativa hasta en un 35 %.
Prolongar la vida útil del variador mediante unas condiciones de funcionamiento optimizadas.
Si desea aprovechar estos ahorros potenciales, puede ponerse en contacto con su especialista local de DrivePro® para obtener más información sobre los servicios de optimización y configuración de variadores.
DrivePro® Life Cycle Service, Start-up.
Authors: Norbert Hanigowszki, Director of Drives Intelligence, and Ana-Mari Tataru-Kjær, Senior Control Engineer.