Aplicación de los variadores de frecuencia en las bombas sumergibles (3ª PARTE)

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Proceso de selección

Es esencial comenzar el dimensionado de un sistema hidráulico de forma correcta, y para ello debe trabajarse sistemáticamente en la selección de la bomba, motor y variador. Cuando se conoce el servicio máximo de la bomba, las potencias y velocidades pico del variador deben estar claras. Es común sobredimensionar los componentes del sistema (bombas, motores, y variadores); sin embargo, esta práctica no es recomendada porque supone unos costes iniciales de los equipos más altos y mayores costes en el ciclo de vida.

Cuando seleccionamos una bomba rotodinámica en combinación con un variador de frecuencia para un sistema con alguna altura estática, se elegirá una bomba tal que el caudal esté ligeramente al lado derecho del punto de mejor eficiencia (BEP). La excepción la encontramos en un sistema regulado de caudal constante, en cuyo caso la recomendación es seleccionar una bomba que opere a la izquierda del BEP. Esta excepción es para un sistema regulado de caudal constante, en cuyo caso la recomendación es seleccionar una bomba que opera a la izquierda de BEP a máxima presión. Esta aproximación optimiza la eficiencia de operación de la bomba.

Todas las condiciones de operación deben considerarse cuando diseñemos el sistema. Algunos perfiles de operación deben satisfacerse mejor instalando bombas múltiples, que pueden ser de velocidad fija o variable. El control On/off puede usarse para variar el caudal para sistemas en los que es aceptable un caudal intermitente. Esto puede ser una solución eficiente en energía, pero estos sistemas a menudo requieren almacenamiento de líquido.

En la mayoría de los casos nos encontraremos con bombas existentes que pueden ser modificadas para hacerlas más eficientes energéticamente. Se estima que el 75 % de los sistemas de bombeo instalados están sobredimensionados, mucho más de un 20 %. Es por ello que reacondicionar bombas existentes puede suponer un ahorro considerable de energía.

Cuando consideremos añadir un VSD a un motor existente debemos tener cuidado para acoplar las características eléctricas del motor y del convertidor de frecuencia; si no se hace así, se introduce en el sistema un riesgo de fallo prematuro. Los primeros convertidores de frecuencia producían salidas con muy alto contenido de armónicos en la forma de onda, que causaba un calentamiento adicional sustancial del devanado del motor, y por lo tanto los motores fueron desclasificados para su uso con inversores. Los motores de alta eficiencia son menos afectados por los armónicos que los de eficiencia estándar.

Beneficio de usar variadores de frecuencia

Lis variadores de frecuencia ofrecen varios beneficios, algunos de los cuales son relativamente fáciles de cuantificar, y otros son menos tangibles, pero tienen algunas desventajas potenciales, que deben ser eludidas.

·         Ahorro energético: Con las instalaciones de  bombas rotodinámicas, se consiguen ahorros de entre un 30 y un 50 % en muchas instalaciones instalando variadores de frecuencia.

·         Control de procesos mejorado:  Acoplando el caudal o presión de salida de la bomba a los requerimientos del proceso, pequeñas variaciones pueden corregirse más rápidamente por un VSD que por ninguna otra forma de control, lo cual mejora el rendimiento del proceso.

·         Fiabilidad del sistema mejorada: Cualquier reducción en velocidad alcanzada usando un VSD tiene mayores beneficios al reducir el desgaste de las bombas, particularmente en rodamientos y sellos. Además, usando índices de fiabilidad, los periodos de tiempo adicionales entre mantenimiento o averías pueden computarse con exactitud.

Desventajas potenciales de VSDs

Los VSDs también tienen desventajas potenciales, que pueden ser evitadas con diseño y aplicación apropiada.

·         Resonancia estructural: Las condiciones de resonancia pueden causar excesivos niveles de vibración, que pueden ser potencialmente peligrosos para equipos y medio ambiente. Las bombas, sus estructuras soporte, y las tuberías están sujetas a una gran variedad de problemas de vibración estructural potencial (condiciones de resonancia). Las aplicaciones de velocidad fija a menudo pierden estas situaciones de resonancia potencial debido a los armónicos de excitación que se producen durante la velocidad de funcionamiento, frecuencia de paso de aspas, etc., no coinciden con las frecuencias estructurales. Para aplicaciones VSD, las frecuencias de excitación son variables y la probabilidad de encontrar una condición de resonancia dentro de un rango de velocidad de operación continua se incrementa en gran medida. Los problemas de vibración de las bombas típicamente ocurren con el alojamiento de los rodamientos y la estructura de soporte (placa base para aplicaciones horizontales y motor).

Los pulsos de presión son el mecanismo de excitación común. Estas pulsaciones de presión pueden amplificarse por resonancia acústica dentro de una bomba o tubería adyacente. Hay numerosos análisis que pueden realizarse para predecir y evitar situaciones de resonancia potencial, incluyendo:

·         Cálculos de resonancia hidráulica simple.

·         Análisis de frecuencia de paso.

·         Resonancia estructural, por ejemplo, utilizando análisis de elementos finitos.

·         Ensayo modal de máquina actual.

El ensayo modal puede suplementar el ensayo de vibración regular. Muy a menudo, una bomba prevista para operación de velocidad variable solamente será ensayada a una velocidad simple.

·         Dinámica del rotor. El riesgo de un elemento rotatorio encontrando una velocidad crítica lateral se incrementa con la aplicación de un VSD. Las velocidades críticas laterales ocurren cuando la excitación de la velocidad de funcionamiento coincide con una de las frecuencias naturales laterales del rotor. LA vibración del rotor resultante puede ser aceptable o excesiva, dependiendo de la amortiguación modal asociada con el modo correspondiente. Adicionalmente, los armónicos del par inducidos por el variador pueden causar condiciones de resonancia con modos dinámicos del motor torsional. Sin embargo, tales condiciones son usualmente corregibles o prevenibles.

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