Los beneficios del variador de frecuencia en sistemas de aire acondicionado, calefacción y ventilación

Una de las herramientas de gestión de energía más exitosas aplicadas a los sistemas de aire acondicionado es el variador de frecuencia (VFD). Desde hace más de 20 años, los VFDs se han instalado con éxito en motores de bombas y ventiladores en un amplio rango de aplicaciones de carga variable. El ahorro energético que se consigue con esta medida varía entre el 35 y el 50 %  respecto a las aplicaciones de velocidad constante, lo cual origina un retorno de la inversión de seis meses a dos años.

Si bien el número de aplicaciones convenientes para la primera generador de variadores estaba limitada por la potencia del motor, los variadores de hoy pueden instalarse en prácticamente todas las aplicaciones de aire acondicionado, calefacción y ventilación encontrada en los edificios comerciales e institucionales. Los sistemas actuales pueden operar con voltajes más altos que los usados por las primeras generaciones, alcanzándose potencias de hasta 500 HP.

Los sistemas de las primeras generaciones también sufrían de factores de potencia bajos. Un factor de potencia bajo roba capacidad de dsitribución eléctrica y origina penalizaciones por las compañías eléctricas. Hoy operan con un factor de potencia casi constante en el rango de velocidad completo del motor.

Otro problema que se ha corregido en los sistemas de hoy es el ruido operacional. Ya que la frecuencia de salida de los variadores decrece en respuesta a la carga, las vibraciones inducidas en las laminaciones del motor generaban ruido que fácilmente era transmitido a través de la montura del motor al interior del edificio.

El corazón de los variadores de frecuencia

La mayoría de las aplicaciones de aire acondicionado, calefacción y ventilación están diseñadas para operar ventiladores y bombas a una velocidad constante. Las cargas de los edificios, sin embargo, son todo menos constante. En un sistema convencional, se usa alguna forma de estrangulación mecánica paera reducir el agua y aire en el sistema. el motor de impulsión, sin embargo, continua operando a plena velocidad, usando casi la misma cantidad de energía independientemente de la carga de calentamiento o enfriamiento en el sistema. Si bien el estrangulamiento mecánico puede proporcionar un buen nivel de control, no es muy eficiente. Sin embargo, los variadores de frecuencia ofrecen una alternativa efectiva y eficiente.

Tres factores trabajan conjuntamente para mejorar la eficiencia de operación con los variadores de frecuencia:

1. Operan a menos que plena carga. Los sistemas de los edificios están dimensionados para condiciones de carga pico. En aplicaciones típicas, las condiciones de carga pico ocurren entre un 1 y un 5 % de las horas de operación anuales. Esto quiere decir que los motores del ventilador y compresor usan más energía de la necesaria entre el 95 y 99 % de sus horas de operación.
2. Diseño de sistemas sobredimensionados. Diseñando sobredimensionando por cargas pico el sistema trabaja por encima de lo que necesita para la mayoría de las horas de operación. Esta situación se complica más por la práctica de sobredimensionar el diseño del sistema para permitir que cargas no previstas, inesperadas o futuras.
3. Uso de energía de motores como función de velocidad: Los motores más comunes en aire acondicionado, calefacción y ventilación son motores de inducción. Con los motores de inducción, la potencia solicitada por el motor varía con el cubo de la velocidad del motor. Esto significa que si el motor va tan solo un 25 % de su velocidad de operación normal, el uso de energía se reduce en casi un 60 %. Con una reducción del 50 % en la velocidad, el uso de energía se reduce casi un 90 %.

La instalación de variadores de frecuencia en aplicaciones de aire acondicionado, calefacción y ventilación actúan sobre las ineficiencias introducidas por los dos primeros factores, mientras que el ahorro energético se consigue con el tercero. El variador de frecuencia cumple esto convirtiendo la corriente alterna en directa, luego se coloca en el sistema una salida que varía en voltaje y frecuencia basándose en la carga colocada en el sistema. Cuando la carga del sistema decrece, el controlador del variador de frecuencia reduce la velocidad de operación del motor de forma que el caudal a través del sistema no exceda los requerimientos de carga.

Beneficios de los variadores de frecuencia

El beneficio más significativo de usar variadores de frecuencia es el ahorro energético. Acoplando a la capacidad del sistema a la carga actual a través de todo el año, se alcanza el mayor ahorro en el uso de energía del motor.

Otro beneficio de las unidades es reducir el desgaste y la posible rotura de los motores. Cuando arranca un motor de inducción, requiere mucha más corriente que durante las operaciones normales. La corriente en el arranque puede llegar a ser tres a diez veces la corriente de operación del motor, generando tanto calor como tensión en el devanado del motor y otros componentes. En motores que arrancan y paran frecuentemente, esto contribuye a fallos prematuros del motor.

En contraste, cuando un motor se conecta con un variador de frecuencia, el variador de frecuenciae aplica muy baja frecuencia y bajo voltaje al motor. Ambos van subiendo de una forma controlada hasta alcanzar las condiciones de operación del motor.

Los variadores de frecuencia proporcionan unos niveles más precisos de control de aplicaciones. Por ejemplo, los edificios altos usan sistemas de bombeo para suministrar agua doméstica y mantener la presión de agua adecuada a todos los niveles dentro del edificio. Los controles de bombas convencionales de este tipo de aplicación pueden mantener la presión dentro de un cierto rango, pero un sistema basado en variadores de frecuencia puede mantener controladores más precisos en un amplio rango de caudales, a la vez que se reducen los requerimientos de energía y el desgaste de la bomba.

Bibliografía: The Benefits of VFDs In HVAC Systems, Csanygroup March 2010