electronica de potencia

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variadores de velocidad

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Page 1: Electronica  de Potencia

Electrónica de potencia.Variadores de velocidadAutor: Gerardo David Garcia Gonzalez

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Page 2: Electronica  de Potencia

Presentación del curso

Aprende acerca de la electrónica de potencia; y la contribución al ahorro energéticomediante la optimización del consumo tanto en la industria como en servicios y enviviendas. La electrónica se ocupa de los dispositivos y circuitos de estado sólidorequeridos en el procesamiento de señales y  la conversión de la energía eléctrica.Aprenderás la importancia que la electrónica de potencia tiene en el ahorro deenergía de los equipos electrónicos mediante un uso más eficiente de la electricidad.

Te enseñaremos que la electrónica de potencia es la tecnología clave para poner enmarcha todos los recursos de energías renovables, como son la eólica y lafotovoltaica, así la transformación de energía en una central termoeléctrica queproduce la combustión, que genera la energía calorífica que se emplea para elcalentamiento del agua y para producir vapor.

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Page 3: Electronica  de Potencia

1. Electrónica de potencia. Introducción[http://www.mailxmail.com/curso-electronica-potencia/electronica-potencia-introduccion]

Introducción

La electrónica de potencia (o electrónica de las corrientes fuertes1) es una técnicarelativamente nueva que se ha desarrollado gracias al avance tecnológico que se haalcanzado en la producción de dispositivos semiconductores, y se define como "latécnica de las modificaciones de la presentación de la energía eléctrica" o bien como"la aplicación de la electrónica de estado sólido para el control", el cual el control seencarga del régimen permanente y de las características dinámicas de los sistemasde lazo cerrado. La energía tiene que ver con el equipo de potencia estática,rotatoria o giratoria, para la generación, transmisión, distribución y utilización de laenergía eléctrica. La electrónica se ocupa de los dispositivos y circuitos de estadosólido requeridos en el procesamiento de señales para cumplir con los objetivos delcontrol deseados y  la conversión de la energía eléctrica. En la figura 1 se puedeapreciar un esquema básico de bloques de un sistema electrónico de potencia.

Figura. 1: Diagrama de  bloques del convertidor de potencia operando en lazocerrado

1 corrientes fuertes: se refiere a corrientes grandes como de 15Amp, o mayores.

El desarrollo tecnológico experimentado por la electrónica de potencia durante losúltimos cuarenta años la ha consolidado en la actualidad como una herramientaindispensable para el funcionamiento de todos los ámbitos de nuestra sociedad tanto industrial como el de servicios y domestico. Esta posición se ha conseguidocon la continua aportación, de los técnicos especializados en electrónica depotencia. En la figura 2 se muestra un esquema de la electrónica de potencia comouna disciplina interdisiplinar.

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Page 4: Electronica  de Potencia

Figura 2. La electrónica de potencia como una disciplina interdisiplinar.

La demanda del mercado es la que estira de las tecnologías y la electrónica depotencia empujada por el mercado, es una tecnología posibilitadora, es decir, juegasolamente un papel de soporte al desarrollo de las otras tecnologías. La demandaactual consiste en la integración de la electrónica de potencia en sistemas deprocesado de energía. Hay que dejar de hacer electrónica de potencia para pasar ahacer procesado de la potencia.

La introducción de las máquinas eléctricas junto con la distribución de la energíaeléctrica inicio la nueva era eléctrica que caracterizo la primera mitad del siglo XX.Con la invención del transistor en el año de 1948 se inicio la primera revoluciónelectrónica, que nos introdujo en la era electrónica durante la cual asistimos a laaparición de los circuitos integrados, ordenadores, comunicaciones, informática,Internet y la automatización que nos llevaron hacia la sociedad de la informaciónque produjo el fenómeno de la llamada "globalización".

Mientas tanto, con la invención del tiristor en 1956 se produjo de forma silenciosa ylenta la llamada por algunos "segunda revolución electrónica", que culmina con lamadurez de la electrónica de potencia a mediados del siglo XXI. Es importantedestacar que la electrónica de potencia esencialmente consiste en una mezcla detecnologías impulsoras de la era mecánica, de la era eléctrica y de la era electrónica.Nos encontramos ante una nueva tecnología realmente interdisciplinar. Laelectrónica de potencia, con su esencia interdisciplinar, está destinada a desempeñarun importante papel en la consecución de estos objetivos.

La energía ha sido siempre necesaria para asegurar el continuo progreso de lahumanidad.

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Page 5: Electronica  de Potencia

2. Electrónica de potencia. Antecedentes[http://www.mailxmail.com/curso-electronica-potencia/electronica-potencia-antecedentes]

Antecedentes

La electrónica de potencia puede contribuir al ahorro energético mediante laoptimización del consumo tanto en la industria como en servicios y en viviendas. Laregulación de la velocidad de los motores eléctricos es una de las aplicaciones másutilizadas de la electrónica de potencia, habiendo superado el estricto marcoindustrial y habiendo llegado actualmente a los equipos de aire acondicionado,lavadoras y ascensores.

La electrónica de potencia es también la tecnología clave para poder poner enmarcha todos los recursos de energías renovables, como son la eólica y lafotovoltaica, junto con los nuevos sistemas de almacenamiento de energía, comopueden ser las pilas de combustible, baterías, súper condensadores, volantes deinercia y bobinas superconductoras. En el campo de la movilidad, la electrónica depotencia es la tecnología base del coche eléctrico y está aportando grandesinnovaciones a los transportes ferroviarios, que deben experimentar un grandesarrollo futuro. Procesar inteligentemente la energía en los sistemas de potenciaconstituye una de las aplicaciones que ofrecen mayor posibilidades.

Donde se hace mas patente la gran importancia actual de la electrónica de potenciaes en el ahorro de energía de los equipos eléctricos mediante un uso más eficientede la electricidad. Se estima que aproximadamente se puede ahorrar entre un 15% yun 20% del consumo eléctrico mediante una aplicación extensiva de la electrónica depotencia. Aproximadamente del 60% al 65% de la electricidad generada esconsumida por motores eléctricos y la mayoría de estos accionan bombas yventiladores. De nuevo la eficiencia energética de la mayoría de estas bombas yventiladores puede beneficiarse del control a velocidad variable. Tradicionalmente,la variación de flujo de los flujos impulsados por estos equipos se consiguemediante válvulas obturadoras, mientras que los motores de inducción siguengirando a su velocidad fija nominal. Se puede demostrar que el funcionamiento delos motores y válvulas totalmente abiertas con velocidad variable puede ahorrarhasta el 30% de energía en condiciones de carga ligera. El funcionamiento de losmotores de inducción con poca carga, se puede optimizar haciéndole trabajar a flujode excitación magnética reducido, con lo que se consiguen ahorros del 20%. Comoel precio de la electrónica de potencia sigue disminuyendo, es posible instalararrancadores de frecuencia variable en la alimentación de motores aunque sea enaplicaciones de velocidad constante, permitiendo programar el control del flujo deexcitación del motor, con el consecuente ahorro de energía.

Se estima que el 20% de energía generada se consume en la iluminación. Laslámparas fluorescentes tienen un rendimiento energético tres veces más elevadoque las de incandescencia. La utilización de las reactancias de electrónica depotencia de elevadas frecuencias puede mejorar este rendimiento todavía en un 20%adicional. La comercialización a gran escala de las nuevas fuentes de luz de altísimorendimiento como son los LED de luz blanca necesitará la incorporación de laelectrónica de potencia.

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Page 6: Electronica  de Potencia

El actual progreso de la electrónica de potencia ha sido posible principalmentegracias a los avances en los dispositivos semiconductores de potencia junto con lasnuevas propuestas de topologías de convertidores de modulación PWM, modelosanalíticos, métodos de simulación, algoritmos de control y estimulación,microcontroladores y DSP, circuitos integrados ASIC, etc. Aunque históricamente laelectrónica de potencia empezó en el año 1901  con la disponibilidad de la válvularectificadora de arco de mercurio, no fue hasta la aparición del tiristor en los años50 cuando empezó la era moderna de la electrónica de potencia de estado sólido.Gradualmente fueron apareciendo otros componentes semiconductores de potenciaque se beneficiaron de los avances de la microelectrónica. Esta evolución de loscomponentes, unida a la evolución de los convertidores estáticos y del control, hasido muy espectacular en la última década del siglo XX, llevando al a electrónica depotencia a su actual estado de madurez, que la convierte en una tecnologíaestratégica para el futuro de la humanidad.

El tiristor, que fue el componente que domino la primera generación de laelectrónica de potencia, actualmente sigue siendo indispensable en la aplicacionesde gran potencia y baja frecuencia, como son los rectificadores de la corriente de lared alterna, interruptores estáticos, compensadores estáticos de energía reactiva porcontrol de fase, onduladores autoconmutados para motores síncronos de muyelevadas potencias, baños galvanicos, procesos electrolíticos y sistemas detransmisión de energía eléctrica en alta tensión continua HVDC. Para aplicaciones dealta potencia y tensión se dispone actualmente de tiristores activados por la luz LTTde 8kV y 3,5kV con caídas directas de tensión de 2,7 a 3,5kV. Como las órdenes deldisparo se envían en forma de luz por fibra óptica, se dispone de suficienteaislamiento como para utilizarlo en aplicaciones de 259kV.

Durante muchos años fueron muy populares los circuitos de conmutación forzadade los tiristores, que dejaron de usarse con la aparición del tiristor GTO (tiristorconmutado por la compuerta), el primer interruptor de potencia que se podíacontrolar tanto al cerrar como al abrir. En la actualidad se fabrican solamente GTOpara aplicaciones de muy alta tensión y potencia, 6kV, 6KA, y están en desarrolloGTO de 9KV y 12kV.

La necesidad de complejos circuitos de puerta y de ayuda a la conmutación(snubbers) y las bajas frecuencias a las que se puede conmutar del orden de 500 Hz,hacen que el GTO quede relegado a aplicaciones de muy alta tensión, como puedenser la tracción y los sistemas eléctricos de potencia. La disponibilidad de losmodernos IGBT de alta tensión hace que el GTO haya perdido alguno de sus camposde aplicación tanto en tracción como en grandes convertidores de frecuenciaindustriales y también en la red eléctrica de alta tensión.

Desarrollo del proyecto

Una central de generación es una instalación completa la cual tiene el objetivo deproducir energía eléctrica, en base a una transformación de la energía.

Figura 3.- Transformaciones de energía en una central de generación.

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Page 7: Electronica  de Potencia

La energía eléctrica se produce como resultado de una serie de transformaciones deenergía (figura 3).Estas transformaciones de energía se realizan precisamente dentrode la central. La central debe constar con alguna forma de energía disponible apartir de la cual se inician todas las transformaciones necesarias hasta llegarfinalmente a la energía eléctrica.

En la actualidad la electricidad se puede producir a partir de diversos mediosenergéticos primarios (carbón, petróleo, gas natural, fisión nuclear, etc.) y tomandoel principio de que para generar electricidad basta contener un campo magnético,de una bobina y de energía mecánica suficiente como para hacerla girar.

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3. Centrales termoeléctricas (1/2)[http://www.mailxmail.com/curso-electronica-potencia/centrales-termoelectricas-1-2]

A) Centrales termoeléctricas

Enfocamos nuestra atención a un tipo de centrales de generación, que por sunumero y capacidad, son muy importantes en el sistema eléctrico de nuestro país;Las Centrales Termoeléctricas.  En la figura 4 se muestra en un diagrama debloques, la transformación de energía en una central termoeléctrica. En lastransformaciones de energía que se efectúan en este tipo de centrales, observamoslo siguiente:

La fuente de energía disponible es combustible (combustible pesado, gas, diesel,carbón, etc.). La energía se encuentra almacenada en el combustible según sucomposición química y se libera haciendo que se produzca una reacción químicaque en este caso es la combustión. Al producirse la combustión, ya se tiene laprimera transformación de energía, es decir, que la energía química del combustiblese transforma en calor (energía calorífica) en la flama y en los gases calientesproducto de la combustión.

Figura 4.- Transformación de energía en una central Termoeléctrica.

La combustión se realiza en el lugar de un generador de vapor. Si la energíacalorífica de los gases se emplea para calentar el agua y producir vapor, ya se tieneotra transformación de energía. Los gases ceden parte de su energía al vapor,teniéndose ahora vapor con mayor energía que llamaremos térmica (Para diferenciarcon el término de energía calorífica asignado a los gases calientes).

La energía de vapor se transforma en trabajo mecánico en una turbina de vapor conla que se tiene otra transformación de energía. Finalmente, si la turbina estáacoplada mecánicamente a un generador eléctrico, se tiene la última transformaciónde la energía y se llega a un objetivo: "La producción de energía Eléctrica". 

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Page 9: Electronica  de Potencia

Todas las transformaciones de energía citadas se efectúan dentro de una Centraltermoeléctrica, que cuenta con el equipo para realizarlas. Estas transformacioneshacen que la central sea precisamente termoeléctrica y no de otro tipo. Todo elequipo de una central termoeléctrica es importante, pero de acuerdo a suparticipación directa en la obtención del objetivo, así como por su tamaño y costo,se clasifica a los siguientes equipos como principales.

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4. Centrales termoeléctricas (2/2)[http://www.mailxmail.com/curso-electronica-potencia/centrales-termoelectricas-2-2]

Nota: Continuamos con las Centrales Termoeléctricas.

Equipo principal de una Central Termoeléctrica:

- Generador de Vapor.- Turbina ( y condensador)- Generador Eléctrico.

Al resto del equipo que participa directa o indirectamente en la obtención delobjetivo (producción de energía eléctrica) se clasifica como equipo auxiliar. Existeuna gran variedad de Equipo Auxiliar, entre los que citamos:

- Bombas.- Ventiladores- Extractores- Calentadores- Enfriadores- Compresores- Eyectores- Deareador- Tanques

Se llama sistema de flujo o simplemente "SISTEMA" a un conjunto formado porequipo y tuberías que manejan un fluido determinado, pudiendo ser, agua destilada,agua de mar, de enfriamiento, vapor, gases, combustible o cualquier otro requeridoen la central. Los sistemas de flujos pueden ser cerrados (formando un anillo) oabiertos. Los equipos auxiliares o los principales se integran para formar parte delos sistemas de flujo. Un mismo equipo puede pertenecer a varios sistemas, porejemplo, el generador de vapor pertenecía al sistema de aire-gases de combustión,al sistema de combustible, al de valorización y sobrecalentamiento y a otras más.

Según las necesidades de cada central en particular, pueden tenerse diversossistemas. Entre los principales están:

1. Condensado2. Agua de Alimentación3. Vaporización y Sobrecalentamiento4. Vapor Principal5. Vapor auxiliar6. Extracciones y Drenajes7. Combustible8. Aire y gases de combustión9. Aceite de lubricación y Control10. Aceite de sellos11. Sellos de Vapor12. Gases N2, CO2, H2.13. Enfriamiento Principal

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14. Enfriamiento Auxiliar15. Tratamiento de agua Repuesto16. Desoficación e Inyección Químicos.17. Análisis y Muestreo.18. Agua de Repuesto19. Agua contra Incendio.20. Agua de servicios.21. Aire de servicio.22. Aire de Instrumentos.23. Lubricación Equipo Auxiliar.24. Agua de Mar.

En la figura 5 se representa un diagrama general de una central Termoeléctricaincluyendo los sistemas principales. Este diagrama es solo representativo de unacentral termoeléctrica. Típica y pueden tener variaciones según cada central real enparticular. Para los efectos de este trabajo, detallaremos los componentes delsistema de condensado, que es el sistema donde finalmente se aplico el proyecto deahorro de energía.

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5. Condensador de vapor (1/3)[http://www.mailxmail.com/curso-electronica-potencia/condensador-vapor-1-3]

 B) El condensador

El vapor que sale por el escape de una turbina, dependiendo del diseño de estáúltima, puede seguir dos caminos diferentes.

a) Usarse para otros procesos (Turbina sin Condensación).b) Condensarse (Turbina con Condensación).

En el caso de las centrales termoeléctricas de la Comisión Federal de Electricidad elvapor se condensa, lo que permite aprovechar más energía y recuperar el agua paraalimentarse de nuevo al generador de vapor.

La condensación del vapor de escape se efectúa en el condensador (figura 6). Lacondensación es un proceso inverso a la ebullición.

Figura 6.- El condensador.

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Figura 5.- Diagrama general de una central termoeléctrica.

El condensador es una gran cámara que se encuentra en la parte inferior del escapede la turbina. La cámara esta atravesada por miles de tubos y por el interior de lostubos circula el agua necesaria para el enfriamiento del vapor. El vapor hacecontacto con los tubos fríos y se condensa, formando gotas que se precipitan en laparte inferior del condensador. El agua de enfriamiento se conoce como "Agua deCirculación" y la proporcionan las bombas de circulación, pudiendo ser aguastratadas, agua de una laguna o de mar. Se requieren grandes cantidades de agua decirculación. El agua de circulación sale con mayor temperatura y se envía a unastorres de enfriamiento o se desecha nuevamente a la laguna, o mar, segúncorresponda. Como se Ilustra en la figura 7.

Figura 7.- Proceso de circulación del agua.

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6. Condensador de vapor (2/3)[http://www.mailxmail.com/curso-electronica-potencia/condensador-vapor-2-3]

Nota: Continuamos con el Condensador

La condensación del vapor produce una presión de vacío dentro del condensador(presión inferior a la atmosférica). En la figura 8 se muestra el vació en elcondensador.

Figura 8.- Vació en el condensador.

El agua resultante en el condensador, producto de la condensación del vapor deescape, se envía nuevamente al generador de valor a través de dos sistemas, elprimero de los cuales es el sistema de condensado. La función del sistema decondensado es extraer el agua del condensador y hacerla pasar por una serie deequipos que le aumentan gradualmente su temperatura hasta llegar al Deareador. Elaumento de temperatura del agua hace que ésta llegue menos fría al generador devapor, además de que aumente la eficiencia del ciclo.

Descripción:

El sistema de condensado cuenta con el siguiente equipo:

- Condensador.- Pozo caliente: Se determina así a la parte inferior del condensador en donde secolecta el condensado.- Bombas de condensado: Extraen el agua del pozo caliente y proporcionan lapresión necesaria para que el agua pase por los calentadores y llegue al Deareador.Son bombas de presión baja comparadas con las bombas de agua de alimentación.

- Otros calentadores: El sistema incluye a dos equipos que también soncalentadores y aumentan la temperatura del agua de condensado. Se llaman

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Page 16: Electronica  de Potencia

Condensador de Vapor de Sellos y Banco de Eyectores y reciben vapor de otrospuntos de ciclo que no analizamos. Calientan el agua en forma similar a loscalentadores del punto siguiente.

Calentadores de baja presión: Son equipos que aumentan la temperatura del aguadel sistema de condensado.

En la figura 9 se muestra un dibujo esquemático del calentador de contacto.

Figura 9- Calentado de contacto.

El agua por calentarse circula por el interior de unos tubos, mientras que por elexterior circula vapor, el agua se calienta y el vapor se enfría en los calentadores decontacto. El agua pertenece al sistema de condensado y el vapor se toma de lasextracciones de la turbina. El agua de condensado y el vapor de extracción no semezclan. El número de calentadores es variable en cada central, las unidades másgrandes cuentan con 4 calentadores de baja presión. A cada calentador se leasignan un número progresivo.

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7. Condensador de vapor (3/3)[http://www.mailxmail.com/curso-electronica-potencia/condensador-vapor-3-3]

Nota: Continuamos el estudio del Condensador.

Es usual encontrar a los calentadores 1 y 2 instalados físicamente en el cuello delcondensador. En este ultimo caso el camino seguido por el sistema de condensado ypor el sistema de las extracciones no se altera.  En la figura 10 se muestra un dibujoesquemático del calentador de agua por baja presión.

- EL Deareador: Es un equipo que cumple simultáneamente  con dos funciones: Esun calentador de agua.Elimina los gases disueltos en el agua (Deareación).

Figura 10. Calentador de agua por baja presión.

Para lograrlo, está diseñado de tal manera que el agua del sistema del agua decondensado llega al Deareador y se fracciona en pequeñas gotas mediante charolasy otros dispositivos (figura 11). Se alimenta vapor de tal forma que se arrastra a losgases disueltos en el agua y estos salen por un venteo en la parte superior deldeareador. Si el agua no se dearea, los gases disueltos producen corrosión en elgenerador de vapor. La mezcla de vapor con el agua también produce uncalentamiento y por lo tanto el deareador es un calentador. Como el calentamientose produce por mezcla, a diferencia de lo descrito en el punto anterior, que son decontacto.

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Figura 11.- Deareador (calentador de mezcla)

El agua deareada y caliente se almacena en un depósito inferior llamado tanque deoscilación, de donde es succionada por las bombas de agua de alimentación quienesla envían al generador de vapor. Al deareador se le asigna un número progresivodentro de los calentadores. En la figura 12 se muestra un dibujo esquemático, serepresenta como se lleva acabo la circulación del agua condensada por medio de lasbombas de condensado hasta llegar al deareador.

Figura 12- Circulación del agua condensada hasta llegar al deareador.

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8. Extracción de condensado (1/2)[http://www.mailxmail.com/curso-electronica-potencia/extraccion-condensado-1-2]

C) Planteamineto del problema

Para analizar la operación de la bomba de extracción de condensado (BEC). Nosenfocamos únicamente en la bomba de la unidad 1.

Esta BEC. Se encuentra en el sistema de extracción de condensado. Este sistema esuna pequeña parte del ciclo de generación de vapor. El ciclo comienza con laextracción de agua de los pozos; después el líquido pasa a la caldera en donde se leaumenta la energía hasta convertirla en vapor; de aquí pasa a los economizadorespara finalmente conducirse a la turbina. En este momento, el ciclo llega a su primerafase. Después, el vapor pasa al tanque condensador para convertirse en agua y laBEC bombea ésta hacia el sistema de calentadores, para volver a proporcionarleenergía; y posteriormente dirigirla al tanque deareador, en donde es oxigenada.Finalmente, el agua es conducida hacia la caldera, cerrándose así el ciclo deproducción de vapor.

El sistema de extracción de condensado comienza en el tanque condensador ytermina en el tanque deareador. La función de la BEC es la de bombear el aguadesde el primer tanque, al segundo; que se encuentra a un nivel de altura arriba delcondensador. La caldera demanda diferentes niveles de flujo de agua al deareador,según la carga específica de la unidad de generación. Estos flujos son variables paradiferentes porcentajes de carga de la unidad. En el tanque deareador se debemantener el nivel de agua dentro de los límites preestablecidos por diseño delsistema. Para satisfacer la demanda variable de la caldera y procurar que no quedeen vacío. Este nivel se mantiene con el flujo de agua recibida de la BEC. y que esproporcional a la demanda por la caldera.

El control clásico del nivel del deareador en una central termoeléctrica, consiste enobturar la tubería de descarga de la BEC a través de una válvula, provocando que laBEC se sobrecargue y se produzca sobrecalentamiento y pérdidas I2R. Parasolucionar este problema, se propuso la aplicación de un variador de velocidad almotor de la bomba, y así controlar el flujo de descarga; dejando totalmente abiertala válvula y evitar las pérdidas de energía y el desgaste de la misma válvula. En laaplicación del variador, es necesario primeramente conocer las velocidades de laB.E.C. con las cuales, debe descargar los flujos de agua, proporcionales a las quedemanda la caldera para cada nivel de carga de la unidad 1 (tabla 1).

Existen presiones estáticas que la bomba debe vencer; para que la bomba deextracción de     condensado pueda subir el agua al deareador; por lo tanto, se debecalcular también las presiones a la descarga de la BEC (mediante la ecuación 1) yverificar si son suficientes para vencer las presiones estáticas.  Las presiones deldeareador, para los niveles de 100, 80, 50, y 25% de carga de la unidad, son de 7.0,5.48 y 3.20Kg/cm2 respectivamente.

 La presión de la columna de agua se obtiene de las ecuaciones 2 y 3.

Presión estática = P. Deareador + P. de la Columna                                     (1)

Presión de la columna =  (altura de la columna) * (presión del agua)        (2)

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Presión de la columna = ( 20 metros) * (0.093 )                                               (3)

Tabla 1.- Valores de flujo de demanda de la unidad.

Tabla 2.- Resultado de las presiones y velocidades requeridas.

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9. Extracción de condensado (2/2)[http://www.mailxmail.com/curso-electronica-potencia/extraccion-condensado-2-2]

Nota: Extracción de condensado.

Extracción de condensado. Solución, construcción y pruebas.

Con los cálculos anteriores, el variador de velocidad se instaló en el motor de BECde la unidad 1. Las características de esta bomba son las siguientes: motor deinducción jaula de ardilla; potencia de 150 HP,  alimentación a 220/440V; Velocidadde 1800 R. P. M. Y Tipo Centrifuga-vertical.

El variador de velocidad que se instaló es de la compañía ABB serie 502/505-B. Estevariador cuenta con un banco de rectificación propio, con el fin de disminuir lasarmónicas generadas. Una vez instalado el variador, se realizaron pruebas sin y conel grupo motor-variador, a diferentes niveles de carga de la unidad. Con el objetivode analizar el comportamiento de la bomba.

Las mediciones que se realizaron fueron las siguientes:

- > Distorsión armónica a la entrada del variador.- > Vibraciones en la bomba.- > Voltaje y Corriente.- > Potencia demandada y energía consumida.

Los resultados de estas mediciones se presentan en las tablas 3, 4, 5, 6, y 7.

Tabla 3.- Medición del contenido armónico sin variador de velocidad.

Tabla 4.- Mediciones de voltaje, corriente y vibraciones en la bomba, sin el variadorde velocidad.

Tabla 5.- Medición del contenido armónico con variador de velocidad.

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Tabla 6.- Mediciones de voltaje, corriente y vibraciones en la bomba, con elvariador de velocidad.

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10. Variadores de velocidad (1/4)[http://www.mailxmail.com/curso-electronica-potencia/variadores-velocidad-1-4]

Mediciones sin el variador de velocidad

 El contenido armónico en la corriente y el voltaje es bajo. La corriente aumentaconforme la carga de la unidad disminuye. Esto es bebido a que la unidad  requieremenos flujo y; por lo tanto, se utiliza la válvula para obturar la tubería, provocandoque se sobrecargue la bomba. Como consecuencia de lo anterior, también elconsumo de energía aumenta.

Mediciones con el variador de velocidad

En la utilización del variador, se observó que la corriente disminuyo y por lo tanto,el consumo de energía disminuyo también, debido a que la válvula queda totalmenteabierta y solamente se disminuye la velocidad del motor (de la bomba).

El contenido armónico en la corriente es muy alto, a pesar de que el variador cuentacon un filtro integrado. De esta medición se observó la necesidad de instalar otrofiltro. Al operar con el variador, las vibraciones en le motor son de magnitud similara las de su operación sin éste.

Uno de los puntos de más interés, es ver el ahorro en la potencia consumida por elmotor de la bomba con el variador de velocidad, a diferentes capacidades de carga.La tabla 7 muestra estos ahorros.

En las mediciones de demanda eléctrica sin el variador, se puede observar quecuando la unidad generadora se encontraba al 90%, el consumo de potencia activadel motor era de 214.3 KW, y cuando la generación llegó al 50%, el consumo delmotor fue de 246.70 KW; observándose un aumento en la demanda.

En las mediciones de demanda eléctrica con el variador, se puede observar quecuando la unidad generadora se encontraba al 90%, el consumo de potencia activadel motor era de 143.90 KW, y cuando la generación llegó al 50%, el consumo delmotor fue de 55.47 KW; observándose una reducción en el consumo de éste del 60%.

Tabla 7.- Demanda de potencia activa, con y sin el variador de velocidad.

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Page 25: Electronica  de Potencia

11. Variadores de velocidad (2/4)[http://www.mailxmail.com/curso-electronica-potencia/variadores-velocidad-2-4]

Nota: Continuamos con Mediciones con y sin variadores de velocidad

Con los datos obtenidos en las pruebas, se procedió a realizar un estudioeconómico con el fin de evaluar la rentabilidad del proyecto; por lo tanto, duranteun monitoreo de 24 hr, se midieron los promedios de demanda, los cuales semuestran en la tabla 8.

Tabla 8.- Monitoreo promedio de demanda durante 24 hrs.

De tal manera que para el ahorro al 90% de la carga tenemos los siguientes cálculos:

 AHORRO = 349,465.6$/año

Para una carga al 60%:

 AHORRO = 419,333.9$/año

Por lo tanto, el ahorro total anual es de 768,799.5 $/año.

De tal manera que tendríamos un flujo económico de efectivo como el mostrado enla tabla 9. Los costos anuales son una estimación por mantenimiento.

Tabla 9.- flujos de efectivo para el análisis económico del variador de velocidad

ABB 502-B.

Para determinar el valor presente de este flujo de efectivo, se tomó una tase deinterés anual del 12% y un horizonte económico de 30 años, que es el tiempo devida útil del variador.

El valor presente neto (VPN) se determina de la siguiente manera: VPN = C.I. + I.A. +  C.A.

VPN = -490,000.00 + 768,799.5 (P/A, I%, años de vida útil) - 10,000.00 (P/A, I%,años de vida útil).VPN = -490,000.00 + 768,799.5 (P/A, 12%, 30) - 10,000.00 (P/A, 12%, 30).VPN = -490,000.00 + 6,192,821.41 - 80,551.84.

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Page 26: Electronica  de Potencia

VPN = $ 5,622,269.567.

Por lo tanto, el rendimiento por peso invertido (R. P. I.) queda de la siguiente manera:

R.P.I. = $ 11.47/Peso invertido.

De acuerdo al estudio que se realizo para la unidad 1 se realizaron para la unidad 3,el variador de velocidad se instaló en el motor de Bomba de Extracción  deCondensado (BEC) de la unidad 3. Las características de esta bomba son lassiguientes: motor de inducción jaula de ardilla; potencia de 850 HP,  alimentación de 4,000V; Velocidad de 1800 R. P. M. Y Tipo Centrifuga-vertical.

El control clásico del nivel del deareador en una central termoeléctrica, consiste enobturar la tubería de descarga de la BEC a través de una válvula, provocando que laBEC se sobrecargue y se produzca sobrecalentamiento y pérdidas I2R. Parasolucionar este problema, se propuso la aplicación de un variador de velocidadmencionado anteriormente, al motor de la bomba, y así controlar el flujo dedescarga; dejando totalmente abierta la válvula y evitar las pérdidas de energía y eldesgaste de la misma válvula.

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12. Variadores de velocidad (3/4)[http://www.mailxmail.com/curso-electronica-potencia/variadores-velocidad-3-4]

Nota: Continuamos con Mediciones con y sin variadores de velocidad.

En la aplicación del variador, es necesario primeramente conocer las velocidades dela BEC con las cuales, debe descargar los flujos de agua, proporcionales a las quedemanda la caldera para cada nivel de carga de la unidad 1 (tabla 1)

Tabla 1.- valores de flujo de demanda de la unidad.

El variador de velocidad que se instaló es de la compañía Rockbell AutomationAllen-Bredley, Power Flex 7000. En la figura 13 se muestra una fotografía delvariador de velocidad de la marca AB- Power Flex 7000.

Figura 13.- Fotografía del variador de velocidad marca AB- Power Flex 7000.

Este variador cuenta con un banco de rectificación e inversión propio, el cual tieneuna tecnología "direct to drive". Este variador cuenta con rectificador de frente activo(Direct to drive) propio, con el fin de disminuir las armónicas generadas. En la figura14 se muestra una fotografía de sistema de rectificación e inversión para las tresfases. Una vez instalado el variador, se realizaron pruebas sin y con el grupomotor-variador, a diferentes niveles de carga de la unidad. Con el objetivo deanalizar el comportamiento de la bomba de extracción de condensado.

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Page 28: Electronica  de Potencia

Figura 14.- Fotografía del variador de velocidad marca AB- Power Flex 7000 de laparte inversora y rectificadora.

Los cálculos que se van a realizar se aplicaran a la bomba de extracción decondensado (B.E.C.) que alimenta al deareador, de la unidad 3 de la centraltermoeléctrica de salamanca, se eligió esta bomba como resultado del análisisefectuado. En las cuales se muestran las características de la bomba de extracciónde condensado. La bomba a la que se le aplico el variador tiene las siguientescaracterísticas:

MOTOR                                      Inducción jaula de ArdillaPOTENCIA                                850 HPALIMENTACION                       4,000 Volts.EFICIENCIA                              94%CARGA NETA DE SUCCION 960 Ton/HrVELOCIDAD                             1800 R.P.MTIPO                                           Centrifuga

Esta bomba es de tipo vertical debido a que el condensador deposita el agua sobreun contenedor que se ubica por debajo del suelo, y sirve como deposito paraasegurar que la bomba de extracción de condensado se encuentre siempretrabajando con carga y no se tengan problemas debido al sobrecalentamiento porfalta de agua, para tal caso es más recomendable la bomba de extracción tipovertical. En la figura 15 se muestra una fotografía de la bomba de extracción decondensado.

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Page 29: Electronica  de Potencia

Figura 15.-  Fotografía de la Bomba de extracción de Condensado

Así, para poder controlar el flujo de la bomba de extracción de condensado, se pusooriginalmente una válvula, entre la bomba de extracción de condensado y eldeareador, como se había venido haciendo anteriormente. Este método presentabael inconveniente de que existían tensiones debidas a esfuerzos mecánicos en lasválvulas por estrangular el flujo, además de requerir un constante mantenimientodebido a la fricción del flujo con la válvula.

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13. Variadores de velocidad (4/4)[http://www.mailxmail.com/curso-electronica-potencia/variadores-velocidad-4-4]

Nota: Continuamos con Mediciones con y sin variadores de velocidad

De acuerdo a las características del motor y al momento de acoplarse el variador develocidad se realizaron las mediciones  siguientes:

* Voltaje y Corriente.* Potencia demandada y energía consumida.* R. P. M. y Frecuencia.

Los resultados de estas mediciones se presentan en las tablas 10, 11, 12, 13 y 14.

Tabla 10.- Mediciones de voltaje, corriente, frecuencia y R. P. M. de la bomba, sin elvariador de velocidad.

Tabla 11.- Medición de Potencia demandada y energía consumida sin variador develocidad.

Tabla 12.- Mediciones de voltaje, corriente, frecuencia y R. P. M. de la bomba, conel variador de velocidad.

Tabla 13.- Medición de Potencia demandada y energía consumida con variador develocidad.

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Page 31: Electronica  de Potencia

Mediciones sin el variador de velocidad

La corriente disminuye muy poco conforme la carga de la unidad disminuye. Esto esbebido a que la unidad  requiere menos flujo y; por lo tanto, se utiliza la válvulapara obturar la tubería, provocando que se sobrecargue la bomba. Comoconsecuencia de lo anterior, también el consumo de energía aumenta.

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14. Ahorro de energía[http://www.mailxmail.com/curso-electronica-potencia/ahorro-energia]

Mediciones con el variador de velocidad

En la utilización del variador, se observó que la corriente disminuyo y por lo tanto,el consumo de energía disminuyo también, debido a que la válvula queda totalmenteabierta y solamente se disminuye la velocidad del motor (de la bomba).

Ahorro de Energía. Uno de los puntos de más interés, es ver el ahorro en lapotencia consumida por el motor de la bomba con el variador de velocidad, adiferentes capacidades de carga. La tabla 14 muestra estos ahorros.

En las mediciones de demanda eléctrica sin el variador, se puede observar quecuando la unidad generadora se encontraba al 90%, el consumo de potencia activadel motor era de 641 KW, y cuando la generación llegó al 60%, el consumo delmotor fue de 589 KW; observándose una disminución en la demanda.

En las mediciones de demanda eléctrica con el variador, se puede observar quecuando la unidad generadora se encontraba al 90%, el consumo de potencia activadel motor era de 525 KW, y cuando la generación llegó al 60%, el consumo delmotor fue de 245 KW; observándose como reducía un poco más el consumo de éste.

Tabla 14.- Demanda de potencia activa, con y sin el variador de velocidad.

Con los datos obtenidos en las pruebas, se procedió a realizar un estudioeconómico con el fin de evaluar la rentabilidad del proyecto; por lo tanto, duranteun monitoreo de 24 hr, se midieron los promedios de demanda, los cuales semuestran en la tabla 15.

Tabla 15.- Monitoreo promedio de demanda durante 24 hrs.

De tal manera que para el ahorro al 90% de la carga tenemos los siguientes cálculos:

 AHORRO = 1,446,451.2 $/año

Para una carga al 65%:

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Page 33: Electronica  de Potencia

Por lo tanto, el ahorro total anual es de 1,942,851.2 $/año.

De tal manera que tendríamos un flujo económico de efectivo como el que semuestra en la tabla 16.Los costos anuales son una estimación por mantenimiento.

Tabla 16.- flujos de efectivo para el análisis económico del variador de velocidadAllen-Bredley, Power Flex 7000 .

Para determinar el valor presente de este flujo de efectivo, se tomó una tase deinterés anual del 12% y un horizonte económico de 10 años, que es el tiempo devida útil del variador.

El valor presente neto (VPN) se determina de la siguiente manera:

VPN = C.I. + I.A. + C.A.VPN = -1,659,000.00 + 1,942,851.2 (P/A, I%, años de vida útil) - 52,000.00 (P/A,I%, años de vida útil)VPN = -1,659,000.00 + 1,942,851.2 (P/A, 12%, 10) - 52,000.00 (P/A, 12%, 10)VPN = - 1,659,000.00 + 10,977,542.59 - 293,811.6VPN = $ 9,024,730.99

Por lo tanto, el rendimiento por peso invertido (R. P. I.) queda de la siguiente manera:

R.P.I. = $ 5.44/Peso invertido.

Figura 16 y 17: gráficas de comparación del ahorro económico de energía para lasB.E.C. de 480V y 4Kv.

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Page 34: Electronica  de Potencia

Como se puede observar en las figuras 16 y 17 al momento de comparar las dosB.E.C. de 480V y 4kV. El ahorro económico de la B.E.C. para la de 480V es mayor elahorro que para la B.E.C. de 4kV, debido a que para la B.E.C. de 4kV. y el ahorro seempieza a observar cuando la carga empieza a disminuir ya sea al 90, 80, 70, y 60%de carga para las dos bombas, porque al 100% de carga las bombas estántrabajando a su máxima.

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Page 35: Electronica  de Potencia

15. Electrónica de potencia. Conclusiones[http://www.mailxmail.com/curso-electronica-potencia/electronica-potencia-conclusiones]

Conclusiones:

En la actualidad el costoso de la producción de la energía eléctrica que se utilizapara el desarrollo económico del país es más elevado, por tal motivo es necesariohacer un estudio de ahorro de energía  que se fundamenta en un análisisestadístico, para determinar posibilidades más efectivas de ahorro de energía.

Ya que la industria eléctrica ha tenido una fuerte expansión y su principal motor sefundamenta en el uso de combustibles fósiles y siendo este un recurso norenovable, se implanto el  "Plan de ahorro de energía" el cual para su desarrolloplantea los siguientes puntos:

- Entender como se usa la energía y que impacto tiene su empleo.- Analizar los costos de la energía.- Realizar un análisis estadístico del consumo de auxiliares.- Determinar las áreas de oportunidad.

Se puede ahorrar energía en el consumo de auxiliares una de las cuales se puedeutilizar el ahorro de energía en las bombas de extracción de condensado, comoestas son bombas en las cuales su velocidad depende de su frecuencia, se puedevariar el flujo o mejor dicho el gasto de acuerdo a la variación de la carga y con estolograr que la bomba consuma una cantidad de potencia menor.

También cabe decir que se pueden aplicar los  variadores de velocidad únicamenteen el caso de procesos en los cuales se utilizan una carga variable. Esto significa quese pueden utilizar estos dispositivos para el ahorro de energía, también uno de losproblemas principales de los variadores de velocidad es el elevado contenido dedistorsión armónica, debido a que el variador se comporta como una carga no linealpara el sistema.

Una de las ventajas que presentan estos dispositivos es el ahorro en el consumo depotencia por el motor, proporcionando un alargamiento en la vida útil del motordebido a que no se encuentra sometido a la misma carga. Uno de los problemas quese presento en el variador de velocidad marca Power Flex 7000 fue que como elvariador se acoplo a la bomba de condensado, al momento de poner a trabajar a labomba de extracción de condensado con el variador a máximas cargas el variador sedisparaba por elevación de temperatura, el cual una de las causas principales sonlos armónicos y el polvo. Una de las soluciones que se propusieron era en poner al variador en un cuartocerrado en el cual tenga un flujo de aire bueno para así que no le afecte al variadorel polvo.

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Page 36: Electronica  de Potencia

16. Operación del variador de velocidad. Apendice A[http://www.mailxmail.com/...curso-electronica-potencia/operacion-variador-velocidad-apendice]

Apendice A

Principios de operación del variador de velocidad

Frecuencia del rotor y fuerza electromotriz inducida

Un motor de inducción trabaja con base en los voltajes inducidos en el rotor. Lomismo que un transformador, el primario (Estator) induce un voltaje en elsecundario (rotor), pero a diferencia del transformador, la frecuencia en elsecundario no es necesariamente la misma frecuencia que hay en el primario.

Si el rotor de un motor bipolar de 50 ciclos esta en reposo, y se aplica una corrientede 50 ciclos al estator, el Flujo de un polo N cortará cada uno de los conductoresdel rotor 50 veces por segundo y otras tantas veces el del polo S, ya que ésta es lavelocidad del campo giratorio. Si el estator fuese de 4 polos, la velocidad del campose reduciría a la mitad, pero a cada uno de los conductores le cortaría entonces elflujo de dos polos N y de dos polos S, por revolución del campo y, por tanto 50polos N y 50 polos S en un segundo, igual que cuando el motor era bipolar. Enconsecuencia, en cada caso, la frecuencia de la corriente del rotor en reposo (S = 1)será la misma. Que la frecuencia del estator, cualquiera que sea el numero de polos.

Si el rotor del motor de 50 ciclos arriba citado girara a la mitad de su velocidad desincronismo en la dirección del campo giratorio (S = 0.5), cortaran los conductoresdel rotor justamente a la de los flujos de polos N y S por segundo que cuandoestaba en reposo y la frecuencia de la corriente del rotor será por lo tanto, 25periodos por segundo. Tomando otras velocidades del rotor se llega a determinarque la frecuencia del rotor es: fr= sfe

Donde : fr = es la frecuencia del rotor.               s = es el deslizamiento.               Fe = es la frecuencia del estator.

A1.- Métodos de control de velocidad

Los métodos para controlar la velocidad de un motor eléctrico, varían con el tipo demotor que se desea controlar. Cada método tiene sus propias limitaciones, pero esposible satisfacer los requisitos de cualquier aplicación. En la tabla siguienteaparecen las relaciones entre los diferentes tipos de motores de uso más común, yel tipo de control de velocidad que corresponde a cada uno de ellos.

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Page 37: Electronica  de Potencia

Frecuentemente, cuando se desea obtener una regulación amplia y progresiva de lavelocidad, se emplean motores de corriente directa. Pero, para utilizarlos, Hay querectificar previamente la corriente alterna de alimentación y ésta rectificaciónsiempre significa pérdidas suplementarias de energía y un aumento del costo. Poresta razón, en numerosas instalaciones regulables, se emplean motores de corrientealterna, que son más económicos, sencillos, y requieren poco mantenimiento.

Los motores de Corriente alterna se clasifica en:1 . - Síncronos.2 . - Asíncronos; estos a su vez se  dividen en:a) Jaula de Ardilla.b) De Rotor Devanado.c) De Colector.

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Page 38: Electronica  de Potencia

c) De Colector.

Por lo general, se emplean motores de inducción de jaula de ardilla o de rotordevanado. Los motores Síncronos se emplean frecuentemente en las instalacionesde mediana y gran potencia, que no exigen una regulación de la velocidad. Aunque,por principio, sea posible regular la velocidad de estos motores por variación defrecuencia, se consideran motores de velocidad no regulable.

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Page 39: Electronica  de Potencia

17. Control de velocidad por frecuencia[http://www.mailxmail.com/curso-electronica-potencia/control-velocidad-frecuencia]

A2 Control de velocidad por frecuencia

El variador de frecuencia es un aparato electrónico que permite controlar lavelocidad de motores de inducción eléctricos, siendo que el control de velocidad eshecho cambiando la frecuencia de la salida de corriente enviada al motor, en elrango de 0 a 400 Hz. Este variador es alimentado por un sistema trifásico en dosrangos de voltaje: 200 a 240 Volt, 50 y 60 Hz o 380 a 480 Volt, 50 o 60 Hz.

Una excelente forma de controlar la velocidad de un motor de inducción es variandola frecuencia del voltaje de alimentación.

Este método implica disponer de una fuente separada, en donde la frecuencia y latensión puedan ser variadas simultáneamente y en proporción directa una de laotra; ya que para obtener un flujo permanente en los motores, se deben manteneruna relación constante entre la tensión V, y la frecuenta f de la fuente dealimentación, la razón de mantener una relación constante entre la tensión aplicaday la frecuencia de la fuente, es porque el par desarrollado depende de la magnituddel flujo, y existen muchas aplicaciones en donde conservar el par constante, es deespecial interés.

La fuente de frecuencia variable puede ser:

a) Grupo Motor - Generador.b) Conmutatriz o convertidor rotativo.

El primero es un montaje que emplea un motor de corriente directa de velocidadregulable y un generador síncrono acoplado a éste. Variando la velocidad del motorse obtienen variaciones en la frecuencia y como el campo de excitación delgenerador se mantiene en un cierto valor fijo, todas las variaciones de frecuenciairán acompañadas por cambios proporcionales en la tensión.

En el segundo inciso el convertidor rotativo es una máquina en las que se reúnen lascaracterísticas del montaje motor-generador; transforma la energía de una red decorriente alterna de una frecuencia dada, en energía de otra frecuencia. Enocasiones se encuentran cadenas de regulación de velocidad, en donde motores derotor devanado se emplean como convertidores de frecuencia.

El motor de rotor devanado puede actuar como un convertidor de frecuencia, ya queal conectar a la red su devanado del estator, el campo giratorio producido inducetensiones en el rotor cuya frecuencia depende del deslizamiento, esto es:

En donde fr es la frecuencia del rotor expresada en ciclos por segundo, f lafrecuencia en el estator, misma de la red y S, es del deslizamiento. Así,  a rotorbloqueado (s = 1), la frecuencia en el rotor es de la misma red.

Se acostumbra acoplar el rotor del motor de rotor devanado, a un motor que lo

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Page 40: Electronica  de Potencia

Se acostumbra acoplar el rotor del motor de rotor devanado, a un motor que loimpulse, de tal manera, que haciendo girar en contra del campo o en la mismadirección que éste, se obtengan variaciones de frecuencia mayores. La máquinaimpulsora puede ser un motor de corriente directa con velocidad ajustable, cuandose desean obtener rangos diferentes, o un motor de inducción jaula de ardilla,cuando los valores de frecuencia son fijos.

Bibliografía:

1. Variadores de velocidad para motores de inducción jaula de ardilla de  C.A.trifásicos.2. Introducción a C.T.3. Motor Drives - a Technology update.4. Specifying electric motors.5. Aplicación de Variadores de frecuencia C.T.6. TESIS DE: Dr Miguel Ángel Gómez MartínezTema de tesis: Ahorro de energía mediante aplicación de variadores eléctricos develocidad por control de frecuencia. 7. Paper RVP-AI799-AI-31 Ponencia recomendada por el comité de aplicacionesindustriales del capitulo de Potencia del IEEE.

NOTA: Con este capítulo hemos llegado al final del curso.

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