Análisis de principios y aplicaciones de ahorro de energía VFD (Parte 1)

Análisis de principios y aplicaciones de ahorro de energía VFD (Parte 1)

Los principios de ahorro de energía del VFD varían en diferentes aplicaciones. Por ejemplo, las cargas de torque variable, como ventiladores y bombas, ofrecen ahorros de energía significativos, mientras que las cargas de torque constante pueden requerir más velocidad variable.

Cuando un motor opera a frecuencia nominal, su potencia de salida permanece constante, pero la demanda real puede fluctuar. Por ejemplo, una bomba de aire acondicionado experimenta cargas bajas por la noche y la ejecuta a toda velocidad desata la energía. VFDS ajusta la velocidad del motor ajustando la frecuencia y el voltaje, coincidiendo así con la potencia de salida con la demanda de carga y ahorrando así energía. La clave aquí es la relación entre potencia y velocidad. Para las bombas y los ventiladores, la potencia es proporcional al cubo de la velocidad, por lo que incluso una ligera reducción en la velocidad puede ahorrar significativamente la energía.

El principio central de los VFD en la conservación de la energía del motor es controlar con precisión la velocidad del motor variando la frecuencia y el voltaje de la fuente de alimentación, coincidiendo dinámicamente la potencia de salida del motor con la demanda de carga real y evitando los desechos de energía innecesarios. El siguiente es un desglose detallado de sus principios de ahorro de energía:

1. Demanda de carga variable:

En muchas aplicaciones (especialmente ventiladores, bombas, compresores, etc.), la demanda de energía de la carga impulsada por el motor varía. Por ejemplo:
Una bomba de agua en un sistema de aire acondicionado: el caudal requerido (es decir, la velocidad de la bomba) varía según la temperatura interior. Un ventilador de ventilación en un taller de fábrica: el volumen de aire requerido (es decir, la velocidad del ventilador) varía según las condiciones de producción y la temperatura ambiente. Una bomba de circulación de agua de enfriamiento en un sistema de aire acondicionado central: la velocidad de flujo requerida (es decir, la velocidad de la bomba) varía según la temperatura exterior. Según los métodos de control tradicionales (como válvulas, amortiguadores y deflectores), el motor generalmente funciona a una velocidad completa a una velocidad constante (que funciona a 50Hz/60Hz), mientras que las medias mecánicas (como las válvulas de cierre y los amortiguadores) se usan para ajustar el flujo o la presión. Esto es equivalente a generar constantemente potencia máxima y luego usar "frenos" (válvulas y amortiguadores de estrangulamiento) para disipar el exceso de energía, lo que resulta en un desperdicio de energía significativo.

2. Relación entre la potencia del motor y la velocidad:

La potencia de salida (P) de un motor está relacionada con su velocidad (N) y torque (T): P ∝ N * T. Para cargas como ventiladores y bombas (llamadas cargas de torque variables o cargas de par cuadrado), el par de carga (t) es aproximadamente proporcional al cuadrado de la velocidad (n) (t ∝ n²).
Por lo tanto, la potencia (P) requerida por el motor para conducir tales cargas es aproximadamente proporcional al cubo de la velocidad (P ∝ n³).
¡Esta es una relación extremadamente crítica! Esto significa:
Cuando disminuye la velocidad de flujo o la presión requeridas, simplemente reducir ligeramente la velocidad del motor reducirá significativamente la potencia requerida.
Por ejemplo, reducir la velocidad del ventilador/bomba al 80% de la velocidad nominal teóricamente requiere solo (0.8) ³=51.2% de la potencia nominal. Esto ahorra casi la mitad de la energía.

3. Función del VFD:

Regulación de velocidad: El VFD convierte la potencia de CA de entrada de una frecuencia fija (p. Ej., 50 Hz) y voltaje fijo en potencia de CA con frecuencia y voltaje ajustables a través de rectificación interna, filtrado e inversión (generalmente utilizando la tecnología de modulación de ancho de pulso PWM y dispositivos de potencia como IGBTS).

Control V/F (o control vectorial): para garantizar un funcionamiento eficiente del motor y un flujo magnético constante a velocidades variables (para evitar el sobrecalentamiento o la saturación), el inversor reduce proporcionalmente el voltaje de salida (V) al tiempo que reduce la frecuencia de salida (F), manteniendo una relación V/F aproximadamente constante. (Este es el método de control básico para las cargas de torque constante y también es comúnmente aplicable a los ventiladores y las bombas).

Power-on-demand: al reducir la frecuencia y el voltaje, la velocidad del motor se reduce para que coincida con precisión los requisitos de carga de corriente. El motor ya no genera potencia máxima constantemente, sino que ofrece energía lo suficiente para satisfacer las demandas de la carga.