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Cómo las cargas regenerativas afectan la calidad de la energía industrial
Las cargas regenerativas son comunes en los sistemas industriales modernos. Aparecen cuando un motor cambia de consumir energía a devolver energía.
Esto suele ocurrir durante el frenado, el descenso, la desaceleración o los cambios rápidos de velocidad.
Las grúas, los polipastos, los elevadores, los trenes de laminación, las centrífugas, los bancos de pruebas y los sistemas transportadores pueden crear cargas regenerativas.
Estos sistemas mejoran el control y el uso de la energía. Sin embargo, las cargas regenerativas también pueden afectar la calidad de la energía industrial.
Pueden causar aumento de tensión, sobretensión del bus de CC, factor de potencia inestable y estrés en los accionamientos industriales.
El problema se vuelve más grave cuando el sistema eléctrico no puede absorber la energía devuelta.
Este artículo explica cómo funcionan las cargas regenerativas, cómo afectan la calidad de la energía industrial y cómo la compensación dinámica puede mejorar la estabilidad del sistema.
Las cargas regenerativas devuelven energía eléctrica al sistema.
Una carga de motor normal toma energía eléctrica de la red. Convierte esa energía en movimiento mecánico.
Una carga regenerativa funciona en la dirección opuesta durante parte de su ciclo de funcionamiento.
El motor actúa como un generador. La energía mecánica regresa a través del accionamiento industrial.
Esta condición suele aparecer cuando:
Las cargas regenerativas no son fallas.
Son una parte normal de muchos procesos industriales.
El desafío es controlar la energía devuelta sin crear problemas de calidad de energía.
Las cargas regenerativas aparecen cuando el sistema mecánico impulsa el motor.
Considere una grúa que eleva un objeto pesado.
Durante la elevación, el motor consume energía eléctrica. Durante el descenso, la gravedad tira de la carga hacia abajo.
El motor debe controlar ese movimiento. Actúa como un generador y envía energía de vuelta hacia el accionamiento industrial.
El mismo proceso ocurre durante una desaceleración rápida.
Un motor giratorio y una máquina contienen energía mecánica almacenada. Cuando el sistema se ralentiza, esa energía debe ir a algún lugar.
Puede ser:
Si el sistema no puede gestionar esta energía, la tensión puede aumentar rápidamente.
Los accionamientos industriales controlan la velocidad del motor, el par, la aceleración y el frenado.
Durante el funcionamiento normal del motor, el accionamiento toma energía de la fuente eléctrica.
Durante la regeneración, la energía vuelve hacia el bus de CC.
Esto puede causar una sobretensión en el bus de CC.
El bus de CC contiene condensadores que almacenan energía eléctrica. Cuando las cargas regenerativas devuelven demasiada energía, la tensión del bus de CC aumenta.
Si la tensión supera el límite seguro, el variador industrial puede dispararse.
Los resultados comunes incluyen:
Un disparo del variador protege el equipo. Sin embargo, los disparos repetidos reducen la fiabilidad de la producción.
La solución depende de la frecuencia con la que ocurre la regeneración y de cuánta energía retorna.
La sobretensión del bus de CC es uno de los problemas más comunes relacionados con las cargas regenerativas.
El problema aparece cuando la energía devuelta entra en el bus de CC más rápido de lo que el sistema puede eliminarla.
Entonces la tensión aumenta.
Un evento regenerativo corto puede producir solo un pequeño cambio. Una carga pesada o un ciclo de frenado rápido pueden generar un aumento de tensión mucho mayor.
La sobretensión del bus de CC es común en:
La sobretensión frecuente del bus de CC puede dañar los condensadores y los componentes electrónicos de potencia.
También puede obligar a los operadores a utilizar tiempos de frenado más lentos.
Esto puede reducir la velocidad de producción.
Las cargas regenerativas también pueden causar un aumento de tensión en el sistema eléctrico más amplio.
Cuando la energía vuelve a la red, la tensión local puede aumentar.
El efecto depende de la solidez del suministro eléctrico.
Una red eléctrica fuerte normalmente puede absorber más energía devuelta. Una red débil tiene menor capacidad para controlar el aumento de tensión.
El aumento de tensión es más probable cuando el sitio tiene:
La combinación de cargas regenerativas y generación solar puede crear una condición difícil.
Ambos sistemas pueden enviar energía hacia la red al mismo tiempo.
Esto puede elevar el voltaje en el punto de conexión común.
Las cargas regenerativas afectan más que al accionamiento.
Pueden influir en la calidad de energía industrial en toda la red conectada.
Los principales problemas de calidad de energía incluyen:
El problema exacto depende del diseño del accionamiento.
Algunos accionamientos industriales usan rectificadores de diodos. Estos accionamientos no pueden devolver energía directamente a la red.
Otros sistemas usan accionamientos con frente activo. Pueden enviar energía de vuelta al suministro eléctrico.
Los accionamientos con frente activo ofrecen un mejor control regenerativo. Sin embargo, aún necesitan un diseño correcto del sistema.
Un control deficiente puede crear problemas de voltaje, armónicos o potencia reactiva.
Las resistencias de frenado son una solución común para las cargas regenerativas.
Convierten la energía eléctrica devuelta en calor.
Esto ayuda a evitar la sobretensión del bus de CC.
Las resistencias de frenado son simples y efectivas para ciclos de frenado cortos. Sin embargo, también tienen límites claros.
Ellas:
Una resistencia de frenado puede resolver el problema del bus de CC dentro de un solo accionamiento.
No controla el aumento de voltaje ni la potencia reactiva en todo el sistema eléctrico.
Para una operación regenerativa frecuente, un accionamiento regenerativo o un frente activo puede ofrecer un mejor rendimiento.
Las cargas regenerativas también pueden crear una demanda cambiante de potencia reactiva.
El accionamiento industrial puede funcionar de manera diferente durante los modos de motor y generador.
Durante una parte del ciclo, el sistema puede consumir potencia reactiva. Durante otra parte, la condición de potencia reactiva puede cambiar rápidamente.
Esto puede crear un factor de potencia inestable.
Los bancos de capacitores tradicionales pueden no seguir estos cambios rápidos.
Un banco de capacitores funciona en pasos fijos. Puede reaccionar demasiado lentamente durante ciclos regenerativos cortos.
Esto puede provocar:
La compensación dinámica de potencia reactiva responde con mayor precisión a las cargas regenerativas cambiantes.
Un Generador estático de var proporciona compensación dinámica de potencia reactiva.
Mide corriente, voltaje, factor de potencia y potencia reactiva en tiempo real.
El SVG luego suministra o absorbe potencia reactiva según la condición real del sistema.
Esto es útil para cargas regenerativas porque su comportamiento eléctrico cambia rápidamente.
Un SVG puede ayudar a:
El SVG no absorbe la energía regenerativa activa almacenada en el bus de CC.
Esa función pertenece a una resistencia de frenado, un accionamiento regenerativo, un sistema de almacenamiento de energía o un frente activo.
El SVG controla la potencia reactiva y la condición de voltaje alrededor de la carga regenerativa.
Esta distinción es importante.
Una solución completa puede necesitar tanto control de energía regenerativa como compensación dinámica de potencia reactiva.
Los accionamientos industriales son cargas no lineales.
Pueden crear distorsión armónica mientras controlan cargas regenerativas.
El nivel de armónicos depende de la topología del accionamiento.
Un accionamiento estándar de seis pulsos suele crear fuertes corrientes armónicas de quinto y séptimo orden.
Un accionamiento con frente activo puede reducir algunos armónicos de entrada. Sin embargo, los armónicos de conmutación y otras distorsiones aún pueden existir.
La alta distorsión armónica puede causar:
Si la corriente armónica es alta, puede ser necesario un filtro activo de armónicos.
El filtro activo de armónicos mide la corriente armónica e inyecta una corriente opuesta.
Esto reduce la distorsión en tiempo real.
Por lo tanto, un sitio puede utilizar:
El diseño final depende de los datos medidos del sistema.
Las grúas crean fuertes cargas regenerativas al bajar material pesado.
La carga puede cambiar rápidamente. Esto puede causar sobretensión en el bus de CC e inestabilidad del factor de potencia.
La compensación dinámica ayuda a estabilizar el sistema eléctrico durante los ciclos de elevación y descenso.
Los ascensores regeneran energía cuando se desplazan hacia abajo con una cabina pesada.
También pueden regenerar energía al elevar una cabina ligera con un contrapeso pesado.
Los grupos grandes de ascensores pueden crear eventos regenerativos repetidos.
Los laminadores cambian de velocidad y dirección con frecuencia.
Sus accionamientos industriales deben controlar un par elevado y una desaceleración rápida.
Esto crea condiciones cambiantes de potencia activa y reactiva.
Las centrífugas almacenan grandes cantidades de energía mecánica.
Durante el frenado, esa energía regresa al accionamiento industrial.
Un control deficiente de la energía puede causar sobretensión en el bus de CC.
Los bancos de pruebas de motores suelen operar un motor contra otro.
La máquina de carga absorbe energía y crea una regeneración continua.
Estos sistemas necesitan un control cuidadoso del flujo de potencia, voltaje, armónicos y potencia reactiva.
Una sola medición de corriente no es suficiente.
Los ingenieros deben medir el sistema durante el ciclo operativo completo.
La prueba debe incluir:
Los valores importantes incluyen:
La medición debería mostrar cuándo la potencia cambia de dirección.
También debería mostrar si el problema principal es la energía activa, la potencia reactiva, la distorsión armónica o las tres.
La solución correcta depende de la aplicación.
Los ingenieros deberían revisar:
Una resistencia de frenado puede funcionar para una regeneración ocasional.
Un accionamiento regenerativo puede ser mejor para frenados frecuentes.
Puede ser necesario un SVG para cambios rápidos de potencia reactiva.
Puede ser necesario un Filtro armónico activo cuando la distorsión armónica es alta.
La solución final debería basarse en datos medidos, no solo en la potencia de placa del motor.
Las cargas regenerativas devuelven energía mecánica al accionamiento industrial o a la red eléctrica durante el frenado, la bajada o la desaceleración.
La sobretensión del bus de CC ocurre cuando la energía regenerativa entra al bus de CC más rápido de lo que el sistema puede eliminarla.
Sí. La potencia activa devuelta puede aumentar la tensión local, especialmente en redes eléctricas débiles.
Un banco de condensadores puede soportar la demanda de potencia reactiva estable. No puede absorber energía regenerativa activa y puede responder demasiado lentamente a cambios rápidos de carga.
El SVG controla la potencia reactiva en tiempo real. Mejora el factor de potencia y proporciona estabilidad de tensión durante condiciones operativas cambiantes.
Puede requerirse un Filtro Activo de Armónicos cuando los accionamientos industriales generan una corriente armónica elevada.
Las cargas regenerativas son comunes en grúas, polipastos, ascensores, trenes de laminación, centrífugas y sistemas de prueba de motores.
Mejoran el uso de energía al devolver potencia durante el frenado y la desaceleración.
Sin embargo, las cargas regenerativas también pueden crear sobretensión del bus de CC, aumento de tensión, factor de potencia inestable y distorsión armónica.
La solución correcta depende del origen del problema.
Las resistencias de frenado controlan eventos regenerativos cortos. Los accionamientos regenerativos devuelven potencia activa a la red. Los SVG controlan la potencia reactiva cambiante. Los Filtros Activos de Armónicos reducen la distorsión armónica.
Un estudio completo de calidad de energía debe medir el ciclo completo de carga.
Esto ayuda a los ingenieros a seleccionar la solución correcta y mejorar la calidad de energía industrial alrededor de las cargas regenerativas.
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