SOLUCIONES REGENERATIVAS O CÓMO IMPULSAR LA EFICIENCIA ENERGÉTICA

Mantener operaciones altamente eficientes es importante en el mercado industrial de hoy. Los usuarios, no solo buscan que sus sistemas funcionen de manera eficiente, sino que brinden un beneficio financiero. Este rédito se materializa a través del ahorro de energía regenerativa.

Soluciones regenerativas

Las soluciones regenerativas son un método seguro para dirigir la energía de regreso a la línea. Estos sistemas pueden pagar el costo del dispositivo regenerativo y del variador de frecuencia (VFD) que utiliza el motor. Las soluciones regenerativas más comunes incluyen las FFE (Fundamental Front End), las AFE (Active Front End) y la tecnología de unidad de matriz (Matrix). Cada uno de estos sistemas se diferencia por los beneficios que proporciona, además de redirigir la regeneración.

 

Resistencias de freno

El método más común para disipar la energía regenerativa es removiéndola usando resistencias de freno (Diagrama 1). La ventaja de este método es el costo y, posiblemente, la simplicidad. Las unidades más pequeñas tienen un interruptor incorporado adicional (IGBT) para desviar la potencia adicional a una resistencia. Por lo tanto, todo lo que necesita es una resistencia externa para remover la energía extra. Es un concepto muy simple, pero si tiene grandes cantidades de energía regenerativa o el VFD no tiene un interruptor de freno incorporado, entonces necesita uno o más interruptores y resistores externos. Por lo tanto, las soluciones de freno dinámico pueden ser bastante complicadas y caras.

Además, los elementos de calefacción utilizados en este proceso pueden presentar un riesgo. Si los materiales combustibles, como el polvo de madera, caen sobre la resistencia, puede provocar un incendio. Asimismo, no hay que olvidar que el interruptor de freno interno de un variador que se usa para desviar la energía regenerativa a una resistencia tiene una capacidad limitada. Estos interruptores de freno interno, generalmente, se clasifican para un ciclo de trabajo del 10%, lo que significa que pueden volverse bastante grandes y complicados si la regeneración necesita ser disipada por largos períodos de tiempo.

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Diagrama 1: Accionamiento con interruptores de frenado externos.

La primera opción disponible

Las FFE son la primera opción disponible para ahorrar energía regenerativa (Diagrama 2). El FFE se conecta a un VFD, lo que le permite redirigir la energía adicional a la línea utilizando una forma de onda de voltaje de 6 pasos. Estos sistemas generalmente necesitan unos pocos componentes más que un simple paquete de freno dinámico. Las FFE necesitan un módulo regenerativo adicional, protección del dispositivo (fusibles) y filtro de entrada (reactores). La forma de onda regenerativa simple de 6 pasos, junto con el filtro limitado del reactor, permite que estos dispositivos se regeneren.

Además, las FFE aún requieren de un VFD para hacer funcionar el motor. Dependiendo del ciclo de trabajo regenerativo, podrían ser más caras que un paquete de freno dinámico de 10%. Sin embargo, se convierten rápidamente en una solución más económica cuando se produce energía regenerativa durante más del 20% del ciclo de trabajo de la aplicación.

LAS SOLUCIONES REGENERATIVAS MÁS COMUNES INCLUYEN LAS FFE, LAS AFE Y LA TECNOLOGÍA DE UNIDAD DE MATRIZ (MATRIX).

Una opción más avanzada

Una solución regenerativa más avanzada es una AFE (Active Front End). Estos se componen de un convertidor regenerativo y un circuito de filtro de entrada (Diagrama 3). A diferencia de una FFE, una AFE está en línea con la potencia de entrada del VFD. El convertidor regenerativo proporciona una salida de DC para el variador que permite el funcionamiento del motor. Esto significa que la AFE tiene que regular tanto la potencia del motor como de la regeneración.

Una AFE ahorra energía al devolver la energía regenerativa a la línea. Sin embargo, a diferencia de una FFE, una AFE utiliza una forma de onda de modulación de PWM (Pulse Width Modulation) para regenerarse nuevamente. Luego se filtra a través de una onda sinusoidal de entrada. La forma de la onda y la filtración proporcionan una forma de onda con un mínimo de armónicos de corriente de entrada. Un AFE mantendrá los armónicos de corriente de entrada a menos del 5% en la entrada del variador en condiciones de potencia nominal.

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Diagrama 2: Front-end fundamental (FFE).

Junto con las corrientes armónicas inferiores hay un factor de potencia mayor. Una AFE puede operar cerca del factor de potencia unitario a la carga nominal, lo que aumenta la eficiencia operativa. Similar a un FFE, un AFE todavía necesita un variador para hacer funcionar el motor. La adición de componentes y el cableado hacen que el paquete AFE sea más grande y más costoso que el FFE.

El uso ideal para una configuración AFE es proporcionar un bus de CC común para varias cargas de variadores. En una configuración de bus común, el AFE minimiza los armónicos de corriente de entrada en la carga nominal y maneja las necesidades regenerativas de todos los dispositivos conectados a su bus de CC.

 

Tecnología Matrix

La solución regenerativa final y más avanzada utiliza tecnología de unidad de matriz. A diferencia de las unidades convencionales, esta emplea un sistema de nueve interruptores bidireccionales dispuestos en una matriz para convertir una tensión de entrada de CA trifásica directamente en una tensión de salida de CA trifásica. La exclusiva topología de conversión de potencia del variador de matriz elimina la necesidad de un circuito de rectificación (puente de diodo) y un circuito de suavizado de CC (condensadores de bus de CC) que se encuentran en los inversores de variador de velocidad de CA convencionales.

Las unidades Matrix se manejan de forma inherente a la regeneración utilizando sus IGBT bidireccionales. Estos interruptores bidireccionales permiten la regeneración instantánea y automática. La tecnología de unidad de matriz permite la regeneración continua a la corriente nominal del VFD con una sobrecarga regenerativa adicional del 150% durante 60 segundos. El cableado y la instalación se simplifican utilizando unidades de matriz debido a sus requisitos simples de cableado de alimentación de tres cables de entrada y tres cables de salida.

Una AFE agrega componentes para reducir los armónicos de corriente de entrada. Sin embargo, los accionamientos de matriz consumen una corriente armónica baja de manera natural al operar el motor. Así es, los accionamientos de matriz hacen funcionar el motor. No es necesario un dispositivo adicional para operar el motor. La capacidad para ejecutar el motor y manejar la regeneración ya está incorporada en las unidades de matriz. Las unidades de matriz no solo tienen bajos armónicos en la carga nominal para facilitar el cumplimiento de IEEE 519, sino que continúan consumiendo corriente con bajos armónicos en todo el perfil de carga. Los armónicos más bajos significan un factor de potencia más alto durante la operación y un factor de potencia cercano a la unidad a la carga nominal. El factor de potencia más alto y los armónicos de corriente de entrada más bajos permiten que la unidad de matriz funcione más eficientemente que una solución combinada de AFE y VFD.

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Diagrama 3: Extremo delantero activo (AFE).

¿Cuál es la mejor solución?

Hay muchas soluciones disponibles para manejar la energía regenerativa. Entonces, ¿cuál es la mejor solución? Depende de las necesidades adicionales de la aplicación. Las resistencias de frenado, las FFE, las AFE y la tecnología de accionamiento de matriz manejan la energía regenerativa.

Las resistencias de frenado son ideales para aplicaciones de regeneración de luz, como una desaceleración forzada que solo ocurre en situaciones de emergencia (E-Stop). En estos casos, el ahorro de energía nunca estará presente en cantidades suficientes para pagar el costo de las soluciones regenerativas más avanzadas.

Sin embargo, si la regeneración se produce con más frecuencia, los paquetes de resistencia de frenado pueden ser bastante grandes. Estos paquetes siempre queman la energía extra (no se guarda nada) y no proporcionan un factor de potencia mejorado o armónicos más bajos.

Los paquetes de FFE regeneran la energía de nuevo en la línea y ahorran energía. Son la siguiente mejor solución para la regeneración. Sin embargo, pueden ser más grandes que los paquetes de frenado y no hacen nada para mejorar el factor de potencia y reducir los armónicos actuales. Las AFE ofrecen la mejor solución al proporcionar armónicos de corriente de entrada baja y un factor de potencia alto. Sin embargo, son más caros, más grandes y más complicados que las FFE. Asimismo, son ideales para configuraciones de bus comunes.

Las unidades Matrix, en tanto, proporcionan una solución regenerativa altamente eficiente, de bajo nivel armónico, de gran potencia, en una configuración simple, fácil de instalar y compacta.

Más información: www.yaskawa.com

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