Aplicaciones y ahorro de energía con variadores de frecuencia LS

Presentación del tema: "Aplicaciones y ahorro de energía con variadores de frecuencia LS"— Transcripción de la presentación:

1 Aplicaciones y ahorro de energía con variadores de frecuencia LS
Aplicaciones y ahorro energético en la industria Ing. Mario Villalta Guatemala 2015

2 Modelos de variadores de acuerdo a las aplicaciones
Existen distintos tipos de variadores adecuados a las distintas aplicaciones, dentro de la industria podemos dividir en dos grandes grupos que son: Variadores para aplicaciones torque constante (Heavy duty o alto torque) Variadores para aplicaciones torque variable (Normal duty o torque normal)

3 Aplicaciones torque constante

4 Aplicaciones torque constante
Son aquellas aplicaciones donde el torque (fuerza) que necesita el motor en toda su velocidad hasta la nominal. Por lo general estas aplicaciones necesitan torque al inicio de 150% o más dependiendo de la aplicación y pueden darse torques transitorios en algún momento. Ejemplos: bandas transportadoras (conveyors), gruas, ascensores, sistemas con cajas reductoras, etc.

5 Aplicaciones torque constante

6 Aplicaciones torque variable

7 Aplicaciones torque variable
El torque variable son aquellas aplicaciones donde el flujo tiene un comportamiento cuadrático, es decir que no necesita vencer grandes fuerzas al inicio del arranque, la resistencia aumenta de manera cuadrática de manera la velocidad aumenta hasta llegar al valor nominal. Ejemplos: Bombas centrifugas, ventiladores, generación energía eólica, torres de enfriamiento, etc.

8 Aplicaciones torque constante

9 ¿Cuál es el variador más adecuado a mi aplicación?
Tome en cuenta las siguientes consideraciones: Datos de placa del motor Voltaje Corriente Potencia (kW o HP) RPM Tipo de aplicación Torque constante Torque variable Ambiente de instalación IP21 IP54 IP66 Inercia alta en el paro o regeneración Elevador, grua, centrifuga, ventiladores, blowers, etc.

10 LS – Industrial Systems
Soluciones LS – Industrial Systems

11 Gama de variadores: Torque constante
iC5: tipo monofásico 220V Rango 1-3HP Funciones básicas con 5 entradas Pantalla LED 7 segmentos, potenciometro integrado iG5A: trifásico 220V y 440V 1-30HP en ambos voltajes Funciones básicas con 7 entradas Pantalla LED 7 segmentos S100: Trifásico 220V y 440V 1-20HP 220V; 1-100HP 440V Gama media, 7 entradas y mejoras en el hardware Pantalla LED 7 segmento hasta 30HP, LCD de 40HP-100HP iS7: Trifásico 220V y 440V premiun 1-150HP 220V; 1-500HP 440V Gama alta, 7 entradas funciones especiales con posibilidad de PLC y encoder. Pantalla LCD multilenguaje

12 Gama de variadores: Torque variable
iP5A: Trifásico 220V, 440V y 575V 1-125HP 220V; 1-600HP 440V, 1-150HP 575V Funcionalidades especiales para aplicaciones de bombeo Pantalla LCD 2 líneas Funcionalidades de control avanzado H100: trifásico 220V y 440V 1-25HP 220V; 1-125HP 440V (2015) Funcionalidad mejoradas para bombeo y ventilación Reducción de tamaño con respecto al iP5A Pantalla LCD 4 líneas multilenguaje Puerto de programación USB o RJ45 Funcinalidades de control avanzado

13 Banda transportadora Tipo de torque: constante Observaciones:
Alimentación 220V 1PH Run, Stop y paro de emergencia remoto Velocidad fija

14 Soluciones LS para banda transportadora
iC5, iG5A, S100, iS7. ¿Cual es la más recomendable? Solo necesita 3 entradas digitales Control de velocidad fija Aplicación pequeña, el presupuesto seguramente es bajo La mejor opción es: iC5 Precio iC5: $ (para electroma) Precio iG5A (2HP): $ (para electroma) ¿Por qué el iG5A es dimensionado en 2HP?

15 Mezclador industrial Tipo de torque: constante Observaciones:
Alimentación 460V 3PH Run, Stop y paro de emergencia remoto Velocidad por potenciometro

16 Soluciones LS mezclador industrial
iS7 Solución unica por la potencia Considerar instalación de reactores de línea Considerar reactores de carga si se encuentra a más de 100 metros el variador del motor. Precio del driver Electroma: $10,500.00 Variador pedido especial, opciones de flete: Peso: 200kg 4-5 semanas en áereo, precio $2,000.00 13 a 15 semanas en consolidado, precio $600.00 8 a 10 semanas en pedido directo, aproximamente el 3%

17 Elevador de personas Tipo de torque: constante Observaciones:
Alimentación 220V 3PH Run, Stop y paro de emergencia desde tarjeta electrónica Velocidad fijas: alta y baja

18 Soluciones LS elevador de personas
iG5A, iS7 ¿Cual es la más recomendable? Utiliza 4 entradas (una en multivelocidad) Regeneración hacía el variador (uso freno dinámico) Posibilidad de utilizar encoder (control vectorial) La mejor opción es: iS7 Por lo general se mantiene stock Dimensionamiento de resistencia:

19 Bomba sumergible Tipo de torque: variable Observaciones:
Alimentación 220V 3PH Manual, Auto, Run, Stop, paro de emergencia Velocidad mínima 30Hz Utilizar protección por baja carga Función llenado suave de tubería

20 Soluciones LS bomba sumergible
iP5A, H100 ¿Cual es la más recomendable? Utiliza máximo 5 entradas Función de baja carga incluida en el H100 Función de llenado suave mejorada en el H100 La mejor opción es: H100 iP5A necesita elementos externo para considerar la baja carga (quinta entrada digital) Por lo general se mantiene stock Considerar reactor de carga en caso la profundidad del pozo supere los 100m Precio iP5A: $ (variador + pantalla) Precio H100: $ (variador completo)

21 con variadores de frecuencia
Ahorro de energía con variadores de frecuencia

22 Instrumentación en un sistema de presión constante
Dimensionamiento e instrumentación industrial aplicada a sistemas de presión constante Esquema básico Variables de medición Rangos de operación Integración de la instrumentación con los variadores de frecuencia Ajustes de señales electricas Conexionado de transductores y señales analogas Interpretación de señales en el variadores de frecuencia

23 Esquemas básico

24 Variables de medición Seleccione un transmisor adecuado a su proceso y a su tipo de conexión: Transmisores NPT ½” (muy común) Transmisores para brida (instrumentación más especializada) Depende del sistema donde se aplique el sistema de presión constante, deben tomar en cuenta el transductor correcto. Las entradas más comunes por defecto en los variadores son: Entrada analogica: Voltaje Corriente Por comunicación modbus (expandible a otras comunicaciones con tarjetas adicionales) Por pulsos

25 Rangos de operación Elija su transmisor de acuerdo al rango de operación de su proceso, trate de dejar entre un 70 ̴ 80% la presión referencia (la referencia set point en el sistema de presión constrante).

26 Rangos de operación Las señales más utilizadas para sistemas de presións constante son: Por voltaje: Rango -12 ̴ 12 VDC (por lo general) Linealidad ajustada por defecto 0 ̴ 10 VDC (lo más común en el mercado) Posibilidad de ajustar la linealidad Por corriente: Rango 0 ̴ 24 mA (por lo general) Linealidad ajustada por defecto 4 ̴ 20 mA (lo más común en el mercado) Posibilidad de ajustad la linealidad

27 Ajuste de rangos: Voltaje

28 Rangos de operación - Ejercicio
Utilizar demo kit: Presione mode hasta encontrar el grupo I/O Baje hasta encontrar los parametros y reviselos

29 Ajuste de rangos: Corriente

30 Rangos de operación - Ejercicio
Utilizar demo kit: Presione mode para acceder a los parametros Navegue a la derecha hasta encontrar el grupo IN Baje hasta el parametro 53

31 Conexionado electrico de transmisores: Voltaje

32 Conexionado electrico de transmisores: Corriente

33 Interpretación de las señales
Como las señales de los transmisores son de tipo electrico, tiene que realizar una relación de tipo lineal con el rango de presión.

34 Interpretación de las señales
El rango de trabajo del variador esta sujeta al rango de trabajo del transmisor que estará midiendo la presión en el sistema. Algunos variadores tienen opción de modificar la unidad de entrada y el rango. Por ejemplo. Transmisor de presión 0 ̴ 200 PSI con salida 4 ̴ 20mA Variador entiende que el 4 mA = 0 PSI o 0% (si no trae opción para unidad) Variador entiende que el 20mA = 200 PSI o 100% (si no trae opción para unidad) Tener cuidado al asignar la consigna en caso no tenga opción de unidad.

35 Interpretación de las señales - Ejercicio
Utilice demo kit: Busque el parametro I/O-86 Busque parametro PID-50

36 Ventajas y desventajas de la aplicación
Ventajas en ahorro energético Sistema convencional versus sistema variador Patrón cuadrático en control V/F Información de ahorro energético en el variador Factor de potencia Desventajas en calidad de energía Armónicos Onda reflejada

37 Sistemas convencionales vs sistema con variador
Un arroho de 20% a 42%. Según SFS (Siemens Financial Service) un dato conservador de ahorro energético a nivel mundial con variadores es de 25% (World news: Noviembre 2012 – Drivers and controls) Sistemas convencionales/antiguos: Por estangulación / damper Por sistemas de recirculación Damper Control Flow Power Energy save Inverter Control Q P Q-P Curve Motor & Pump Flow Drive Feedback Reference Controller Valve or Damper

38 Patrón cuadrático en control V/F
La mayoría de varaidores por defecto de fábrica son controlados por modo de control Voltaje / Frecuencia, este modo de control es el más común dentro de industria y se utilizan otros modos de control unicamente para aplicaciones más especificas. Debe elegir el patrón cuadrático para aplicaciones de par variables si quiere obtener un optimo ahorro de energía, ya que si usted elige el patrón líneal, el ahorro será mucho menor.

39 Patrón cuadrático Patrón cuadrático vs patrón líneal

40 Patrón cuadrático - Ejercicio
Utilice demo kit: Busque el parametro FU1-40 Arranque el equipo con patrón lineal y vea el torque a baja revolución Arranque el equipo con patrón cuadrático y vea el torque en baja revolución ¿Cuál es la conclusión?

41 Información de ahorro energético y factor de potencia

42 Armónicos Generada por todas aquellas cargas no lineales (equipos electrónicos como variadores, balastros electrónicos, computadoras, etc.) Genera contaminación en la red y puede dañar equipos sensibles como PLC, drives, computadoras, etc.) Aumentan las perdidas en cable por efecto Joule (I^2*R) Puede dañar bancos de capacitores sin darse cuenta en sistemas de monitoreo manual de factor de potencia

43 Armónicos Puede llegar a des configurar equipos de instrumentación, electrónicos, PLC, por errores en ciclos de paso por cero. Los drives general su mayor distorsión en la 5ta y 7ma armónica

44 Armónicos

45 Armónicos

46 Armónicos Los armónicos generados dentro de la planta son reinyectados a la red y esto puedo generar problemas a los vecinos. Actualmente para el caso de El Salvador es penado por la ley sobrepasar lo limites de: 20% de THD en corriente 5% en THD en voltaje La pena después de un periodo de gracia de 90 días para solucionar el problema sin haber tomado acción es: el 30% del promedio de las últimas 3 facturas de energía Debido a las corrientes armónicas en muchas casas se dañan computadoras, TVs y equipos de sonido, etc.

47 Onda reflejada Es el fenómeno en la electricidad que se da cuando cambia de un medio a otro de la señal rápidamente conmutada de los sistemas electrónicos del drive (transistores de potencia IGBTs), en el caso de un sistema de variador y motor tenemos que: VARIADOR – CABLE – MOTOR

48 Onda reflejada La onda generada por un variador de frecuencia común y corriente (6 pulsos) tiene una gran repercusión sobre este fenómeno por su forma control PWM de la señal. El variador de 6 pulsos es el más contaminante tanto para el motor como para la red eléctrica, existen de 12, 18 y 24 pulsos pero son mucho más complicados en su instalación y mucho más caros. (LS solo cuenta con variadores de 6 pulsos)

49 Onda reflejada El aislamiento eléctrico para motores de propósito general deben seguir la norma NEMA MG1 – parte 30, por lo general estos no sobrepasan un aislamiento de 1000 voltios para periodos de subida de 2us. El aislamiento para motores para uso con variadores tiene un aislamiento entre vuelta y vuelta o entre fase y fase de 1600 voltios para un tiempo no menor de 0.1us, esto según la normativa NEMA MG1 – parte 31.

50 Onda reflejada

51 Onda reflejada 2 metros vs 30 metros

52 Parametrización de control PID y funciones avanzadas
Parametrización del PID Parametros P, I y D. Funciones de ahorro de energía Sleep and wake up Ahorro de energía por carga Función multimotores y alternación de bombas auxiliares Funciones para llenado de tubería Pre PID + Soft Fill Funciones de tubería rota

53 Parametros PID Para el correcto funcionamiento de un controlador PID que regule un proceso o sistema se necesita, al menos: 1. Un sensor, que determine la presión del sistema. 2. Un controlador, que genere la señal que gobierna la bomba. 3. La bomba que modifique al sistema de manera controlada.

54 Parametros PID: Conceptos
Variable de Proceso PV: Es la variable medida que se desea estabilizar (controlar), Un ejemplo de variable de proceso es la presión, la cual se mide mediante algún sensor y su transductor adecuado que entreguen una señal de 4 a 20 mA proporcional a la presión. Set Point SP: Es el valor deseado de la variable de proceso, es el valor al cual el control se debe encargar de mantener la PV. Por ejemplo en una tubería la presión actual es 15 psi y el controlador esta programado de modo de llevar la presión a 20 psi. Tenemos: PV=15 y SP=20.

55 Parametros PID: Conceptos
Error: Se define error como la diferencia entre la variable de proceso PV y el set point SP, E = SP - PV En el ejemplo anterior E = (SP - PV) = (20psi – 15psi) = 5 psi. Recuerde que el error será positivo cuando la presión sea menor que el set point, PV < SP .

56 Parametros PID: Control P
En el algoritmo de control proporcional, la salida del controlador es proporcional a la señal de error, que es la diferencia entre el punto objetivo que se desea y la variable de proceso. En otras palabras, la salida de un controlador proporcional es el producto de la multiplicación de la señal de error y la ganancia proporcional.

57 Parametros PID: Control I
El modo de control Integral tiene como propósito disminuir y eliminar el error en estado estacionario, provocado por el modo proporcional. El control integral actúa cuando hay una desviación entre la variable y el punto de consigna, integrando esta desviación en el tiempo y sumándola a la acción proporcional. El error es integrado, lo cual tiene la función de promediarlo o sumarlo por un período determinado

58 Parametros PID: Control I

59 Parametros PID: Control D
Acción que pretende determinar el comportamiento de la variable de proceso de acuerdo a la pendiente de la derivada de la misma. Generalmente se programa el tiempo en que se toma la acción

60 Parametros PID - Ejercicio
Utilice el demo kit: Revise todos los parametros del APP-01 al APP-15 Revise los datos de Referencia (Set point), controlelo desde la pantalla. Revise los datos de feedback (retroalimentación), controlelo con la entrada de corriente. Limite los valores del control para trabajar en un rango de 30Hz a 55Hz Parametrice el control PI del variador con valores default Modifique control P y vea el resultado ¿Cuál es la conclusión?

61 Funciones especiales: Sleep & Wake up
Utilizada para ahorro de energía cuando el sistema esta en reposo y evita la necesidad de un presostato. Cuando la consigna es una vez alcanzada, la velocidad de la bomba baja. Programe una frecuencia a velocidad baja de la bomba y un tiempo de retardo para que el variador entre en modo stand-by. El variador inicia su control si la consigna cae un porcentaje determinado por el usuario.

62 Funciones especiales: Sleep & Wake up

63 Sleep & wake up - Ejercicio
Utilice equipo: Busque los parametros APP1 Parametrice frecuencia sleep = 40Hz Parametrice retardo sleep = 3 segs Wake up = 10 PSI menos que la consigna Delay wake up = 0 segs

64 Función ahorro de energía
Puede ser utilizada cuando la bomba esta sobredimensionada Modo de operación manual o automatico: Modo manual define el porcentaje de ahorro de energía estaticamente. Se define en porcentaje la cantidad de reducción en el torque, el variador reduce su salida de voltaje en esta proporción, de esta manera la potencia de salida es menor. Modo automatico busca el punto optimo donde la corriente no aumenta y reduce el voltaje de salida de acuerdo a un tiempo programado para que se estabilice.

65 Función multimotores En los sistemas de presión constante, es común contar con bombas de refuerzo o bombas booster. Estas son utilizadas para elevar la cantidad de flujo en una tubería y de esa manera compensar la caída de presión en la misma. No todos los variadores tienen esta función, generalmente solo la tienen variadores dedicados para bombeo. El variador siempre controla un solo motor Los motores booster son controlador por señales digitales y arrancador de acuerdo a su capacidad como el cliente defina.

66 Función multimotores

67 Función multimotores La activación de las bombas booster es de manera gradual y suavizada. La bomba lider o master siempre queda controlada con el PID. Las bombas booster son por lo general bombas más pequeñas que la master. Para activar bombas booster: Se programa frecuencia superior y tiempo de retardo Para desactivar bombas booster Se programa frecuencia inferior y tiempo de retardo

68 Función multimotores - Ejercicio
Utilice demo kit: Busque parametros APP-01 y habilite la función en MMC Revise los parametros APP-40 en adelante Revise la cantidad de auxiliares Revise las frecuencias para arrranque y paro de las auxiliares Revise los tiempos de retardo para arrancar y para parar auxiliares

69 Alternación de bombas auxiliares
En muchas industrias, edificios y residenciales, es común que no todas las bombas booster trabajen en un día normal de operación, por lo que para un desgaste uniforme entre las bombas se hace una alternación automatica. Se programa tiempo de operación de las bombas auxiliares y al cumplirse y ser apagadas, en la próxima operación de encendido cambia el orden de encendido de las bombas auxiliares.

70 Funciones llenado de tubería
Pre PID es una función que hace trabajar el variador a una determinada frecuencia pre establecida por el programador la cual espera tener un feedback (una presión en tubería) ya conocida en un tiempo específico. Ejemplo: Frecuencia Pre-PID = 35Hz, en 5 segundo alcanza 40PSI. El prorgamador puede colocar un máximo de 10 segundos para alcanzar los 40PSI a los 35Hz. Si no es alcanzado entonces reconoce que hay un problema en la tubería y desplega una alarma.

71 Funciones llenado de tubería
Soft fill es una función utilizada en conjunto con la función Pre-PID, que es utilizada para incrementar la consigna en forma de pasos que el programador considere viables para el sistema. Los pasos se van dando a medida se alcance cada paso y se cumpla un tiempo de retardo que el programador coloca. Esta función es muy utilizada en sistemas de edificios ya que la tubería puede acumular aire, lo que incrementos muy brusco en la velocidad de la bomba genera cavitación y ese aire puede llegar a la bomba lo que genera daños en la misma.

72 Funciones llenado de tubería

73 Soft fill + prePID - Ejercicio
Utilice equipo: Busque los parametros APP1-20 al 26 La referencia para el ejemplo debe ser 100 PSI Setee Frecuencia prePID = 30Hz por 5 segundos Setee el valor Soft fill value = 40 PSI Parametrice el paso del soft fill = 10 PSI Parametrice el tiempo soft fill = 5 segundos Corra la prueba, tenga cuidado de manipular el fbk de manera gradual ¿Cuál fue el resultado?

74 Función tubería rota Se utiliza en conjunto con la función Pre-PID, la cual al no alcanzar la consigna especificada por el programador, puede activar una salida para deterner el proceso y a la vez despliega una alarma de tubería rota o su traducción en ingles “Pipe broken”

75 Consideraciones instalación
Protecciones eléctricas Distancia de instalación del variador en el gabinete Distancia entre variador y bomba Grado de protección del variador y gabinete Velocidades mínimas y máximas Temperatura ambiente

76 Protecciones eléctricas
Debe tener en cuenta que el variador de frecuencia es un equipo electrónico y es suceptible a daños causados por mala calidad de la energía de suministro. Protecciones necesarias: Breaker: Proteje la rama (cable de la acometida) y es utilizado para desconexión en caso de mantenimientos o deshabilitación de equipo. Fusibles: Uno por fase para protección contra corto circuitos, por lo general son fusibles de alta velocidad (fast acting), cada fabricancte sugiere distintos modelos incluso marcas.

77 Elementos electricos alternativos
Hay algunos elementos electricos que deben ser considerados en la instalación de algunas aplicaciones: Contactor de entrada: Utilicelo si quiere proteger el variador por exceso de mala calidad de energía y actividad atmosferica intensa. Utilicelo también en aplicaciones donde controle 2 motores (uno a la vez) con el mismo driver. Reactores AC: se sugiere utilizarlos en variadores arriba de 30HP, estos disminuyen las armónicas en corriente. Utilicelo también para reducir cambios bruscos o en zona de mucha irregularidad en el servicio de energía eléctrica.

78 Efecto del reactor AC en la entrada

79 Consideraciones de distancia entre el variador y el motor
Como ya se hablo antes la onda reflejada se presenta entre más distancia exista entre el variador y el motor, para ello necesita suprimir este efecto generado por la salida del variador. Las recomendaciones son las siguientes: Utilice reactores de carga cuando su instalación sea entre 15 a 50 metros. Utilice reactores con choke cuando su instalación sea entre 51 a 300 metros. Utilice filtros de onda senoidal cuando su instalación sea entre 301 metros y 5000 metros (aprox).

80 Diferencias en salidas de acuerdo al filtro

81 Grado de protección de variador y gabinete
En el mercado puede encontrar distinta variadad de variadores con diferentes grados de protección, el grado más bajo común en el mercado es IP00 y el más alto es IP66. Los gabinetes dependiendo de su naturaleza si es metálico por lo general es un IP54/55 y un gabinete plastico es un IP66/67. Es importante que tome en cuenta el ambiente de instalación, ya que los variadores por ser equipos electrónicos tienen a danarse sus partes internas por corrosión, calor, polvo, etc.

82 Velocidades mínimas y máximas de la aplicación
Debido que las bombas en sistemas de presión constante no pueden trabajar con poca lubricación, necesitan mantener una velocidad mínima de un 50% de la velocidad, por lo general las bombas son de 3600 RPM (idealmente) por lo que su mitad son 1800 RPM. La velocidad máxima la define el cliente y puede estar atada a seguridad de la aplicación (evitar un excesivo incremento en la presión). Trate de no sobrepasar el valor de frecuencia de placa, ya que el torque disminuye de manera cuadrática despúes de su frecuencia nominal.

83 Temperatura ambiente Recuerde instalar siempre ventilación forzada (si es posible) a los gabinetes que contienen variadores de frecuencia. El exceso de calor puede acortar la vida útil de los mismos. Instale los variadores de acuerdo a las recomendaciones de cada fabricante. Evite ambientes muy humedos, estos dañan facilmente las tarjetas electrónicas. La protección IP66 no protege contra condensación