Características de la carga impulsada y la potencia requerida

Las características de par y potencia, en relación con la velocidad angular del eje, determinan en parte las especificaciones del conjunto motor-accionamiento.

Potencia = velocidad angular · Par

Esta fórmula de potencia implica que el par es proporcional a la potencia nominal e inversamente proporcional a la velocidad.

Podemos clasificar las aplicaciones de accionamiento según sus requisitos de par operativo:

• Cargas de par constante

• Cargas de potencia constantes

• Cargas de par variable donde el par es la cantidad de fuerza de giro requerida por la carga.

• Eficiencia de motores y accionamientos eléctricos

Figura 8. Carga de par constante.

Una carga de par constante se caracteriza como una en la que el par es constante independientemente de la velocidad. Como resultado, el requisito de potencia es directamente proporcional a la velocidad de operación de la aplicación y varía directamente con la velocidad. Dado que el par no es una función de la velocidad, permanece constante

mientras que la potencia y la velocidad varían proporcionalmente. Los ejemplos típicos de aplicaciones de par constante incluyen:

• Transportadores

• Extrusoras

• Mezcladores

• Bombas de desplazamiento positivo y compresores.

Algunas de las ventajas que ofrecen los VFD en aplicaciones de par constante incluyen control de velocidad preciso y arranque y parada con aceleración/desaceleración controlada.

Para cargas de par constante, el rango de velocidad es típicamente 10:1. Estas aplicaciones generalmente resultan en ahorros moderados de energía a velocidades más bajas.

Figura 9. Carga de potencia constante.

El segundo tipo de característica de carga es la potencia constante. En estas aplicaciones, el requisito de par varía inversamente con la velocidad. A medida que aumenta el par, la velocidad debe disminuir para tener una carga de potencia constante. La relación se puede escribir como:

Potencia = velocidad x par = constante

Ejemplos de este tipo de carga serían un torno o máquinas de perforación y fresado donde se realizan cortes pesados a baja velocidad y cortes ligeros a alta velocidad.

Estas aplicaciones no ofrecen ahorros de energía a velocidades reducidas.

Figura 10. Carga de par variable.

El tercer tipo de característica de carga es una carga de par variable. Los ejemplos incluyen ventiladores centrífugos, sopladores y bombas. El uso de un VFD con una carga de par variable puede generar importantes ahorros de energía.

En estas aplicaciones:

• El par varía directamente con la velocidad al cuadrado

• La potencia varía directamente con la velocidad al cubo

Esto significa que, a media velocidad, la potencia requerida es aproximadamente un octavo del máximo nominal.

El estrangulamiento de un sistema mediante el uso de una válvula o amortiguador es un método ineficiente de control porque el dispositivo de estrangulamiento disipa la energía que se ha impartido al fluido. Un variador de frecuencia simplemente reduce la energía total en el sistema cuando no es necesario.

• Además del gran potencial de ahorro de energía, una unidad también ofrece los beneficios de un mayor control del proceso que a menudo afecta la calidad del producto y reduce los desechos.

• Para cargas de par variable, es típico un rango de velocidad de 3:1.

2.5.1.1 Eficiencias de motores y accionamientos

La eficiencia de carga completa de los motores eléctricos de CA varía desde alrededor

del 80% para los motores más pequeños hasta más del 95% para motores de más de 100 HP.

La eficiencia de un motor eléctrico disminuye significativamente a medida que la carga se reduce por debajo del 40%. La buena práctica dicta que los motores deben dimensionarse de modo que la operación a plena carga corresponda al 75% de la potencia nominal del motor.

La Figura 14 es una curva típica de eficiencia del motor versus carga.

Figura 11. Eficiencia típica de un motor de inducción de 10 HP de eficiencia estándar frente a la carga.

La eficiencia de un motor eléctrico y un sistema de accionamiento es la relación entre la potencia de salida mecánica y la potencia de entrada eléctrica y se expresa con mayor frecuencia como un porcentaje.

Eficiencia del sistema motor = Salida_mecánica

Entrada_Eléctrica∙100%

Un VFD es muy eficiente. Eficiencias típicas de 97% o más están disponibles a plena carga. A cargas reducidas, la eficiencia cae. Por lo general, los VFD de más de 10 HP tienen más del 90% de eficiencia para cargas superiores al 25% de la carga completa. Este es el rango operativo de interés para aplicaciones prácticas.

La tabla 5 muestra la eficiencia de los variadores de frecuencia típicos en diversas cargas.

Tabla 5

Eficiencia del variador de frecuencia en función de su potencia nominal.

Potencia nominal del

VFD (HP)

% de Eficiencia

Carga, porcentaje de salida de potencia nominal del variador

12,5 25 50 75 100

1 0,48 0,74 0,84 0,87 0,89

5 0,80 0,88 0,92 0,94 0, 95

10 0,83 0,90 0,94 0,95 0,96

25 0,88 0,93 0,95 0,96 0,97

50 0,86 0,92 0,95 0,96 0,96

75 0,86 0,94 0,97 0,97 0,97

100 0,89 0,94 0,96 0,96 0,97

200 0,91 0,95 0,96 0,97 0,97

Fuente: Programa de Tecnologías Industriales del Departamento de Energía de EE. UU.

La eficiencia del sistema es menor que el producto de la eficiencia del motor y la eficiencia del VFD porque la eficiencia del motor varía con la carga y debido a los efectos de los armónicos en el motor.

Desafortunadamente, es casi imposible saber cuál será la eficiencia del sistema de motor/accionamiento, pero debido a que la entrada de potencia a un sistema de par variable cae tan notablemente con la velocidad, una estimación de las eficiencias del sistema es realmente todo lo que se necesita.

Al calcular el consumo de energía de un sistema de accionamiento de motor, la eficiencia estimada del sistema en el rango de 80-90% se puede usar con motores que van desde 10 HP y más grandes y cargas de 25% y más.

En general, los rangos de eficiencia más bajos corresponden a cargas y tamaños de motores pequeños y los rangos de eficiencia más altos corresponden a motores y cargas más grandes.