El esfuerzo constante de mejorar el rendimiento energético y la sostenibilidad sigue siendo un importante factor de innovación en la ingeniería electromecánica.
Un mejor control de la velocidad mediante variadores de velocidad ha generado un ahorro energético significativo, pero el paso siguiente debe ser mucho más audaz: la adopción de una red de corriente continua en las plantas industriales ofrece las posibilidades de reducir los costes de explotación y de aprovechar las fuentes de energías renovables.
La confederación alemana de fabricantes de equipos eléctricos y electrónicos ZVEI (Zentralverband Elektrotechnik und Electronikindustie) estableció el proyecto de investigación DC-INDUSTRIE con la participación de 21 empresas industriales y cuatro centros de investigación. Juntos están colaborando en el proyecto para implementar la transición energética en la producción industrial, y con ello incrementar el rendimiento e introducir mayor flexibilidad energética en la producción industrial.
Entre las empresas participantes se encuentra Bauer Gear Motor, una filial de Altra Industrial Motion Corporation, con su director gerente Karl-Peter Simon asumiendo una función de responsabilidad en la investigación.
Karl-Peter Simon comenta: «Este proyecto de investigación puede llegar a beneficiar a numerosos sectores manufactureros, con un importante fabricante de automóviles preparándose ya para implementar algunas de las recomendaciones en un nuevo centro de ensayos. Bauer quiere hacer uso de su experiencia y conocimientos técnicos para ayudar a realizar esta visión innovadora y a contribuir significativamente a la mejora del rendimiento energético».
En el sector industrial, los motores eléctricos representan alrededor del 70% del consumo eléctrico y son por ello la carga de energía eléctrica más importante. La reducción de las necesidades energéticas de estos sistemas de accionamiento mediante el incremento del rendimiento contribuye a una reducción equivalente de las emisiones de CO2.
Desde el 1 de enero de 2017, todos los nuevos motores eléctricos trifásicos con potencias de 0,75 a 375 kW vendidos en Europa deben ser de clase IE3, o de clase IE2 si funcionan con convertidor de frecuencia. Estas clases de rendimiento están especificadas para motores asíncronos trifásicos funcionando a la velocidad nominal y con par de carga nominal. Sin embargo, la experiencia demuestra que la reglamentación relativa al rendimiento energético de un equipo sólo puede reducir el consumo de energía de manera sostenible en determinados modos de trabajo.
Teniendo en cuenta esto, el proyecto DC-INDUSTRIE, mediante redes de corriente continua, está dirigido a apoyar tanto la transición energética y el rendimiento, como Industria 4.0. El proyecto está patrocinado por el Ministerio Federal de Economía y Energía (BMWi) de Alemania y tiene una duración prevista de tres años.
Mermas de rendimiento en el control de la velocidad
La ventaja de emplear un convertidor de frecuencia es la adaptación continua de la velocidad del motor a las necesidades, lo que a menudo lleva a ahorros de energía. Un convertidor de frecuencia está alimentado por corriente alterna, la cual se convierte en corriente continua mediante un rectificador. Esta corriente continua se convierte a su vez en corriente alterna de frecuencia y tensión variables mediante un inversor fuente de tensión, lo que permite variar electrónicamente la velocidad de un motor trifásico.
Sin embargo, cuando el motor trifásico funciona en modo de freno –p.ej., en una grúa durante el descenso de la carga–, el flujo de energía cambia. En este caso, el convertidor de frecuencia no puede retroalimentar esta energía a la red porque el rectificador de entrada sólo permite el flujo de energía en un sentido. Por tanto, la energía retroalimentada debe ser disipada a través del circuito de tensión de corriente continua del convertidor de frecuencia.
Para ello, se conecta un troceador de freno al circuito intermedio, lo que mantiene un seguimiento de la tensión del circuito intermedio con relación al nivel de tensión. Si la tensión del circuito intermedio excede un umbral de valor determinado, el troceador invierte la polaridad de la resistencia de freno entre el positivo y el negativo del circuito intermedio. Ésta generalmente es una resistencia de freno externa suplementaria que convierte la energía de freno en energía térmica.
Reducción de armónicos
El creciente empleo de los convertidores de frecuencia para controlar la velocidad de los motores eléctricos ha conducido a problemas en la red de distribución con la aparición de armónicos y de distorsiones de la tensión. No existe una sola solución para los armónicos, dado que cada red de distribución y su carga tienen características muy distintas. En última instancia, el operador es responsable de la calidad de la tensión en su propia planta de producción. Cuanto mayor sea el número de convertidores de frecuencia y otros equipos electrónicos de potencia instalados, mayores serán los efectos en la red de distribución.
Los retos presentados indican que un mayor empleo de los convertidores de frecuencia para un control flexible de los motores eléctricos es conveniente y, muy a menudo, incluso necesario. Esto es la única manera de mejorar tanto los procesos productivos como el rendimiento energético, pero la distorsión de línea debida a los armónicos y el coste de los equipos limitan este mayor empleo.
Con el fin de realizar avances importantes en el rendimiento energético y en la optimización del coste de los sistemas, son necesarias nuevas formas de abordar estos retos. Para facilitar el rendimiento energético, la transición energética e Industria 4.0, nuevas estructuras de red serán necesarias.
Crear la solución
La nueva estructura de red se basa en una alimentación de corriente alterna a un rectificador central, el cual produce la alimentación de corriente continua para las plantas de producción. El rectificador central tiene integrados los filtros de red necesarios para asegurar los parámetros de calidad de la tensión y de los armónicos.
El suministro directo del convertidor de frecuencia con corriente continua significa que ya no se necesita ninguna conversión descentralizada de energía. Dado que la conversión centralizada de energía (de CA a CC) tiene un rendimiento mucho mayor, las pérdidas de la conversión se reducen significativamente.
Mediante un suministro directo a todos los motores eléctricos a través de un convertidor de frecuencia con un suministro de corriente continua, todos los motores están conectados a una red de tensión continua común. Además, una red de tensión continua esencialmente sólo produce pérdidas de transmisión óhmicas. En comparación con una red de tensión alterna, las pérdidas de línea capacitivas e inductivas se eliminan.
Además, la red de tensión continua central ofrece la posibilidad de integrar la generación fotovoltaica directamente al nivel de la tensión continua. En este caso, igualmente, tampoco se necesita realizar la conversión de CC a CA mediante un inversor. Esta infraestructura de red ofrece la posibilidad de optimizar la compra de energía y de estabilizar la red.
Con la eliminación del rectificador de entrada y del filtro de red con los convertidores de frecuencia, éstos pueden ser construidos más económicamente con un volumen más reducido. Esto simplifica la integración en el motor, lo que aumenta en gran medida el grado de aceptación. Los motores de velocidad variable ofrecen una reducción de las variantes y del consumo de energía. Ofrecen también señales de estado de todos los accionamientos alimentados por corriente continua, las cuales son de gran importancia para la seguridad y la flexibilidad del control de la producción.
La gestión de la red hace posible optimizar la gestión operativa en términos de los costes de la energía. La información accesible facilita las medidas preventivas de control de la producción para aumentar significativamente la productividad. Esto es un requisito indispensable para el éxito en la implementación de Industria 4.0.
