Beneficios de los VFD y las unidades de regeneración de línea para escaleras mecánicas

Las soluciones de KEB pueden mejorar el rendimiento y reducir el consumo de energía.

por Tyler Pecha y Lindsey Guajardo

Los variadores de frecuencia (VFD) combinados con unidades regenerativas de línea son ideales para aplicaciones de escaleras mecánicas. En comparación con las escaleras mecánicas alimentadas por línea, los VFD brindan los máximos beneficios de rendimiento de la aplicación, como rampas de perfil de velocidad suave, límites de par ajustables y modos de conducción basados ​​en el tráfico de usuarios. Gracias a la mejora de su factor de potencia (PF), un VFD también reducirá las grandes corrientes de irrupción y el consumo de energía. En comparación con las resistencias de frenado, una unidad regenerativa de línea puede proporcionar ahorros de energía en aplicaciones de reacondicionamiento (es decir, escaleras mecánicas que se desplazan hacia abajo) y proporcionar una reducción tanto en la generación de calor como en el tamaño del gabinete del controlador.

El VFD presenta parámetros que se pueden adaptar a la aplicación de la escalera mecánica para facilitar la configuración y el ajuste. Se encuentran disponibles curvas en S ajustables para proporcionar perfiles de velocidad de aceleración y desaceleración suaves. Los perfiles suaves limitan la corriente de irrupción al encender, evitan el desgaste excesivo de los componentes mecánicos y brindan un viaje cómodo para los pasajeros. También se pueden establecer límites de torsión ajustables para ayudar a proteger los componentes mecánicos contra el estrés debido a un atasco u otros eventos críticos de seguridad.

Dependiendo de la instalación, algunas escaleras mecánicas pueden durar largos períodos de tiempo con poca o ninguna carga. Durante estos períodos, es posible reducir la velocidad del motor de la escalera mecánica para ahorrar energía. El modo de velocidad reducida se puede configurar para reducir la velocidad del motor de la escalera mecánica después de un período de tiempo definido. Por ejemplo, cuando una escalera mecánica ha funcionado sin carga durante 10-15 minutos, el VFD puede reducir la velocidad del motor de la escalera mecánica al 20-50% de la velocidad nominal. El VFD continúa funcionando en modo de velocidad reducida hasta que una cortina de luz o tapete de presión detecta un pasajero que se aproxima. Luego, el VFD acelera suavemente el motor hasta la velocidad nominal. La Figura 1 muestra los beneficios de ahorro de energía de usar un modo de velocidad reducida en una aplicación de escalera mecánica con un motor de inducción de 15 kW en varios modos de control. Los mayores ahorros incrementales resultan del uso de un VFD para operar el motor a una velocidad reducida durante los períodos de inactividad.

Ambos modos de control de circuito abierto y cerrado están disponibles cuando se usa un VFD. KEB ofrece un modo de control mejorado, lazo cerrado asíncrono sin sensores (ASCL) para aplicaciones que desean funcionar en lazo abierto pero que desean características de rendimiento similares a las aplicaciones de lazo cerrado. ASCL utiliza un algoritmo de control basado en los datos del motor para medir y modelar automáticamente las características del motor sin retroalimentación del codificador. Esto proporciona un control excelente en la operación del motor tanto estable como dinámica, control de velocidad preciso y estabilidad a alta velocidad sin el costo adicional y la complejidad de un codificador. Además, los modos de control ASCL y de circuito cerrado ofrecen una mejora de la FP en comparación con las aplicaciones de escaleras mecánicas controladas por circuito abierto o alimentadas por línea.

El PF es un número sin unidades que representa la relación entre la potencia que se pone en trabajo útil (medida en vatios) y la potencia eléctrica total que se transfiere (medida en voltios-amperios). Un PF unitario de 1 es ideal e indica que el motor de la escalera mecánica consume de manera útil toda la potencia suministrada. La Figura 2 muestra los beneficios de usar un VFD en comparación con un motor de inducción alimentado por línea. Los beneficios más notables serán cuando el VFD esté en funcionamiento de circuito cerrado o ASCL y cuando el motor esté parcialmente cargado, un escenario común en muchas aplicaciones de escaleras mecánicas. Sin embargo, incluso cuando el motor está a plena carga, el PF mejora en un 10% cuando se usa un VFD.

Las escaleras mecánicas alimentadas por línea experimentan altas corrientes de arranque, a veces tan altas como 500-700% de la corriente nominal del motor. Como se ilustra en la Figura 3, un PF bajo también contribuirá a una mayor corriente de entrada para una determinada cantidad de potencia de salida en el eje del motor. Nuevamente, el mayor beneficio se obtiene con carga parcial. En este caso, la corriente RMS sin carga con un VFD es más del 50% menor que la del motor alimentado por línea. Esta corriente de entrada más alta debe evitarse, porque requiere que los componentes eléctricos sean sobredimensionados para adaptarse a la transferencia de potencia reactiva no utilizada. Además, habrá más pérdidas de conductores resistivos debido a la transferencia de la potencia reactiva adicional. Por último, un PF bajo provocará un mayor calentamiento de los componentes eléctricos, lo que puede reducir la vida útil.

Los accionamientos regenerativos son excelentes candidatos para la revisión de aplicaciones de escaleras mecánicas en las que el motor de inducción actúa como generador. Tradicionalmente, se usaban resistencias de frenado con VFD para disipar la energía regenerada en forma de calor. Dependiendo de la ubicación de la resistencia de frenado, el calor adicional producido puede requerir enfriamiento adicional o un gabinete de controlador más grande. Esto podría causar problemas al diseñar el panel de control de la escalera mecánica, si el espacio es mínimo. Como alternativa a las resistencias de frenado, se puede conectar un variador de línea regenerativa (Figura 4) al VFD a través de una conexión de bus de CC. La unidad regenerativa funciona midiendo el voltaje y la frecuencia de la línea. Una vez que el voltaje del bus de CC excede un umbral predeterminado, el variador se modula, permitiendo que la corriente fluya de regreso a la línea, donde es consumida por otras cargas eléctricas (por ejemplo, en el edificio o la instalación). Dependiendo de la aplicación, se puede esperar que una unidad regenerativa se pague por sí misma, reduzca el consumo total de energía y proporcione ahorros de costos netos durante su vida útil.

Las aplicaciones de escaleras mecánicas con alto potencial de energía gravitacional (por ejemplo, escaleras mecánicas de alta capacidad que mueven a muchas personas con largas distancias de viaje hacia abajo) son excelentes candidatas para la regeneración de líneas. La energía potencial gravitacional se puede describir mediante la ecuación:

Por lo general, estas escaleras mecánicas más grandes estarán en el rango de más de 20 hp. Otros factores que afectarán la recuperación de la recuperación de la línea son la eficiencia del tren motriz de las escaleras mecánicas y el perfil de uso. Lo ideal es un engranaje cónico o helicoidal de alta eficiencia (superior al 90%). El engranaje helicoidal de baja eficiencia (menos del 60%) proporciona ahorros significativamente menores debido a que se pierde una cantidad considerable de energía en la transmisión de potencia. La cantidad de tráfico en la escalera mecánica y el deber de la escalera mecánica también afectarán los ahorros de energía devueltos. Las estaciones de metro y los aeropuertos que transportan a muchos pasajeros y operan las 24 horas del día, los 7 días de la semana, son ideales y brindan la mejor recuperación.

Los VFD brindan a las escaleras mecánicas una ventaja de rendimiento a través de una baja corriente de arranque, una mejora de la PF del motor y un menor consumo de energía. También proporcionan curvas en S suaves y límites de torsión ajustables para la calidad de conducción y los beneficios de seguridad. Las unidades de regeneración de línea ayudan a ahorrar energía y reducen el espacio del gabinete de control en la revisión de escaleras mecánicas, al tiempo que reducen la generación de calor adicional causada por las resistencias de frenado. Usados ​​juntos, los VFD y las unidades de regeneración de línea pueden agregar un valor significativo a las aplicaciones de escaleras mecánicas.