Optimización del Control de Motores Industriales: Reacondicionamiento con Inversor para Ahorro de Energía
Como el núcleo de la producción industrial, los sistemas de automatización eléctrica influyen directamente en los costos totales de producción y en el impacto ambiental. La operación a velocidad constante tradicional a menudo conduce al desperdicio de energía al responder a las demandas variables de carga y dificulta el control preciso del proceso. La tecnología de regulación de velocidad por frecuencia variable, como un método avanzado de control de motores, ofrece una solución prometedora a estos problemas. Este estudio toma el sistema de automatización eléctrica de una planta de energía como ejemplo para explorar un esquema de modernización basado en la tecnología de control de velocidad por inversor y sus efectos de ahorro de energía, con el objetivo de proporcionar una referencia para mejoras en la eficiencia energética en escenarios industriales similares.
1 Estado actual y requisitos de modernización de las aplicaciones de inversores en la automatización eléctrica
1.1 Equipamiento existente
El sistema de automatización eléctrica de la planta de energía se compone principalmente de tres partes: el sistema de distribución de energía, las unidades de accionamiento de motores y el sistema de control. El sistema de distribución de energía incluye equipos de conmutación de alta tensión de 10 kV, transformadores y equipos de conmutación de baja tensión de 400 V, dispuestos en una estructura en árbol para la distribución de energía. Los accionamientos de motores son principalmente motores asíncronos controlados por arranque directo o arranque estrella-triángulo. Las cargas de bombas representan la mayor proporción del equipo en el sitio, incluyendo bombas de agua circulante, bombas de agua de refrigeración y bombas de alimentación. Estos dispositivos operan a velocidad constante, con el caudal regulado mediante válvulas, lo que resulta en un alto consumo de energía. La arquitectura del sistema existente es relativamente descentralizada, con una gestión parcialmente centralizada. El sistema de supervisión superior se comunica con los sistemas de control de campo a través de Ethernet industrial para permitir la visualización centralizada de datos y la operación remota. Sin embargo, el sistema de control actual carece de algoritmos de control avanzados para la regulación de velocidad por frecuencia variable, lo que lleva a deficiencias en la gestión de energía y la optimización del proceso.
1.2 Requisitos de modernización
Basándose en el estado actual del equipamiento, los requisitos de modernización del sistema de automatización eléctrica se centran principalmente en mejorar la eficiencia energética y optimizar el control. Es necesario introducir la tecnología de control de velocidad basada en inversores para permitir la operación eficiente de bombas y ventiladores ajustando la velocidad del motor para que coincida con las demandas de carga.
Al mismo tiempo, aprovechando las estaciones de bombeo y las instalaciones de producción existentes, hay una necesidad urgente de construir una plataforma de monitoreo inteligente conforme a los requisitos de protección cibernética de nivel 2. Centrada en la computación en la nube e integrada con la tecnología IoT, esta plataforma permitirá una integración sin fisuras entre la gestión empresarial y el control de campo. La arquitectura del sistema adopta una estructura de tres niveles de "plataforma central + subsistemas distribuidos + terminales móviles", asegurando la adquisición de datos en tiempo real, el procesamiento eficiente y el almacenamiento seguro.
La plataforma central, construida sobre un clúster de servidores de alto rendimiento, implementa algoritmos avanzados de análisis de datos para proporcionar soporte de decisión preciso. Los subsistemas distribuidos incluyen módulos para el monitoreo de la condición del equipo, vigilancia por video y recolección de parámetros ambientales, cubriendo de manera integral todos los aspectos de las operaciones de producción. Los terminales móviles, a través de aplicaciones personalizadas, permiten el monitoreo remoto y notificaciones instantáneas.
2 Base teórica de los efectos de ahorro de energía
El análisis de los efectos de ahorro de energía de la tecnología de control de velocidad por inversor en este estudio se basa principalmente en las leyes de afinidad para ventiladores y bombas y en los principios de conversión de energía de la regulación de velocidad por frecuencia variable. Según el estado operativo del equipo de la planta, una gran cantidad de bombas y ventiladores operan a velocidad constante con el caudal regulado por válvulas, lo que resulta en pérdidas significativas de energía. En contraste, el control de velocidad por frecuencia variable ajusta la velocidad del motor para que coincida con los requisitos de carga, logrando así un ahorro de energía. Las leyes de afinidad para ventiladores y bombas se establecen en base a las relaciones entre el caudal, la altura manométrica y la potencia, con las fórmulas de cálculo relevantes a continuación:
donde Q es el caudal (m³/h); n es la velocidad de rotación (r/min); H es la altura manométrica (m); P es la potencia (kW), con P1 representando la potencia nominal y P2 la potencia a velocidad reducida. La fórmula de conversión de energía para la regulación de velocidad por frecuencia variable es:
Basándose en las relaciones teóricas anteriores, cuando la demanda de flujo del sistema disminuye, el motor reduce automáticamente su velocidad a través del control de frecuencia, lo que reduce significativamente el consumo de energía y logra un ahorro de energía. Esto proporciona una base teórica para el diseño de modernización posterior y la evaluación de ahorro de energía.
3 Esquema de modernización de la tecnología de control de velocidad por inversor
3.1 Actualización del sistema de distribución de energía
Para implementar eficazmente la tecnología de control de velocidad por inversor, este estudio actualizó el sistema de distribución de energía existente. Para el sistema de alta tensión, el equipo de conmutación de 10 kV se mejoró mediante la instalación de interruptores automáticos de vacío inteligentes con una corriente nominal no inferior a 1,250 A y una capacidad de interrupción de cortocircuito nominal de 31.5 kA. Se integraron relés de protección basados en microprocesador, proporcionando protección multifunción, incluyendo sobrecorriente, cortocircuito y falla a tierra, con un tiempo de respuesta inferior a 20 ms. También se introdujo un sistema de monitoreo de calidad de energía, utilizando sensores de alta precisión de clase A para monitorear en tiempo real parámetros como contenido armónico, fluctuaciones de voltaje y desequilibrio trifásico, garantizando la estabilidad del sistema.
Para el sistema de baja tensión, el sistema de 400 V fue el enfoque de la actualización. Se agregaron circuitos de alimentación dedicados para inversores al sistema existente, utilizando gabinetes de alimentación independientes equipados con interruptores automáticos moldeados inteligentes. La corriente nominal se seleccionó entre 400 A y 630 A según los requisitos de carga, con unidades de viaje electrónicas para una protección precisa contra sobrecargas y cortocircuitos. Cada circuito de inversor está equipado con un interruptor de seccionamiento que coincide con la corriente nominal del interruptor automático y cuenta con una característica de interrupción visible para facilitar el mantenimiento del equipo.
Para la mitigación de armónicos, se instalaron filtros activos de potencia (APF) en el lado de entrada del inversor, con especificaciones específicas listadas en la Tabla 1.
Para la optimización de los sistemas de tierra, este estudio adoptó el método de cableado TN-S, separando la línea neutra (N) de la línea de tierra de protección (PE) a partir del gabinete de distribución. La línea PE principal utiliza conductores de cobre con una sección transversal no inferior a 95 mm² para garantizar una resistencia a tierra inferior a 1 Ω. Se agregaron barras de conexión a igual potencial en ubicaciones críticas, como inversores y motores, utilizando conductores de cobre con una sección transversal superior a 16 mm². Esto suprime eficazmente la interferencia de modo común y mejora el rendimiento EMC del sistema [21].
3.2 Selección y optimización de parámetros del equipo de inversores
La selección de inversores se basa en un emparejamiento preciso de las características de la carga y los requisitos del proceso. Para las cargas de bombas, se eligen inversores de control vectorial, con su potencia nominal estrictamente correspondiente a la del motor, y una capacidad de sobrecarga del 150% durante 1 minuto. Este estudio seleccionó la serie de inversores ABB ACS880, que presenta la tecnología DTC (Control Directo de Par), con un tiempo de respuesta de par inferior a 5 ms y una precisión de control de velocidad de ±0.01%. Considerando el entorno en el sitio, se utilizó un inversor sellado con una clasificación de protección IP54, equipado con un sistema de enfriamiento forzado, asegurando un flujo de aire de enfriamiento no inferior a 1 m³/(min·kW).
Para la optimización de parámetros, el enfoque se centra en el ajuste de los parámetros de control PID y en el uso del algoritmo de sintonización automática incorporado en el inversor. A través de pruebas de respuesta a escalón, se calculan automáticamente la ganancia proporcional óptima Kp, la ganancia integral Ki y la ganancia derivativa Kd. La fórmula de cálculo para la salida del controlador PID u(t) es:
Se utiliza el algoritmo de sintonización automática incorporado en el inversor para calcular automáticamente la ganancia proporcional óptima Kp (rango: 0.1-100), el tiempo integral Ti (rango: 0.1-3600 s) y el tiempo derivativo Td (rango: 0-10 s) a través de una prueba de respuesta a escalón. El tiempo de aceleración se establece en 10-30 s y el tiempo de desaceleración en 15-45 s para prevenir eficazmente el efecto de martillazo. Se habilita la limitación de par con un ajuste del 120% del par nominal del motor para prevenir sobrecargas. Para las cargas de ventiladores, se activa el modo de ahorro de energía del inversor: en condiciones de carga ligera (tasa de carga < 50%), se reduce automáticamente la tensión de salida, con una reducción máxima del 20%. Además, se optimiza la curva V/F aumentando la tensión de salida en el rango de baja velocidad (0-10 Hz) para garantizar un par de arranque suficiente.
Se configura una función de suspensión y despertar: cuando la frecuencia de operación permanece por debajo de 10 Hz durante 60 s, el inversor entra en modo de suspensión; se despierta automáticamente cuando la presión del sistema disminuye en un 5%, mejorando aún más la eficiencia del sistema. En la configuración básica del inversor, la frecuencia portadora se establece en 4 kHz. Basándose en los requisitos reales de la planta de energía, los umbrales de protección contra sobretensión y subten
