Tutorial sobre variadores de frecuencia variable (1ª PARTE)

INTRODUCCIÓN

Los variadores de frecuencia variable son equipos de gran importancia en eficiencia energética y mejora de procesos. Los usos más comunes están implantados incluso de serie en muchas aplicaciones comunes pero sus posibilidades son infinitas cuando trabajamos con motores.

Iniciamos un nuevo tutorial en varios capítulos en el que trataremos de exponer las ideas esenciales que permitirán al diseñador entender las aplicaciones sobre las que pueden trabajar estos sistemas.

Alcance del variador de frecuencia variable

Los VFDs, o variadores de frecuencia variable trabajan en corriente alterna, sistemas polifásicos y motores de inducción de 500 C.V. o menos y en siguiente rango:

•  600 V o menos.
•   PWM IGBT (ancho de pulso modulado usando transistores bipolares de puerta aislada).

Existen productos de ingeniería especiales para aplicaciones de grandes motores pero no están incluidos en este tutorial.

Un VFD es un dispositivo que controla el voltaje y la frecuencia que se están suministrando al motor y por lo tanto controla la velocidad del motor y el sistema que está funcionando.

Un VFD es un dispositivo que controla el voltaje y la frecuencia que se está suministrando al motor y por lo tanto controla la velocidad del motor y el sistema que está funcionando. Cumpliendo las demandas del proceso requeridas, la eficiencia del sistema mejora.

Un VFD es capaz de ajustar tanto la velocidad como el par de un motor de inducción.

Un VFD por lo tanto proporciona un control de la velocidad del proceso en un rango continuo (en comparación con el control de velocidad discreto que proporcionan las cajas de engranaje o motores multi-velocidad).

VFDs pueden referirse por una variedad de otros nombres, tales como variadores de velocidad variable, variadores de velocidad ajustable, o inversores.

Control de la velocidad del motor

Los motores de inducción AC son esencialmente máquinas de velocidad constante, con una variación de velocidad de sin carga a plena carga de aproximadamente el 2 – 5 %, representando el deslizamiento del motor.

La velocidad de la máquina viene determinada por la frecuencia de la fuente de alimentación y el número de polos magnéticos en el diseño del estator.

Los motores de velocidad fija sirven a la mayoría de las aplicaciones. En estas aplicaciones o sistemas, los elementos de control tales como compuertas en conductos y válvulas se usan para regular el caudal y la presión. Estos dispositivos usualmente resultan en operación ineficiente y pérdidas de energía debido a su acción de estrangulamiento.

Sin embargo, a menudo es deseable tener un motor que opere a dos o más velocidades discretas, o tengan una operación de velocidad completamente variable. El ahorro incluye costes de capital y costes de mantenimiento asociados con estos elementos de control.

La siguiente tabla da ejemplos típicos de cargas y su potencial de ahorro energético.

Tipo de carga	Aplicaciones	Consideraciones de energía
Carga de par variable: La potencia varía con el cubo de la velocidad. El par varía con el cubo de la velocidad.	Ventiladores centrífugos. Bombas centrífugas. Ventiladores centrífugos. Sistemas de ventilación y aire acondicionado.	La operación a baja velocidad da como resultado un ahorro significativo ya que la potencia del motor cae con el cubo de la velocidad.
Carga de par constante El par queda igual a todas las velocidades. La potencia varía directamente con la velocidad.	Mezcladores. Transportadores. Compresores. Prensas de impresión.	La operación a baja velocidad ahorra energía en proporción directa a la reducción de la velocidad.
Carga de potencia constante Desarrolla la misma potencia a todas las velocidades. El par varía inversamente con la velocidad.	Máquinas de herramienta. Tornos. Molinos. Punzonadoras.	No hay ahorro energético a velocidad reducida; sin embargo, el ahorro energético puede alcanzarse optimizando las velocidades de corte y mecanización para la parte que se está produciendo.

Economía del variador de frecuencia

La economía es típicamente uno de los factores más importantes implicados en la selección del equipamiento industrial, pero los métodos para evaluar no son tan sencillos. Muchas consideraciones económicas importantes a menudo son ignoradas en las evaluaciones de VFD.

Potencial ahorro energético reemplazando una compuerta en un conducto de entrada o salida con un VFD
Volumen de aire (porcentaje del máximo)	Tiempo de operación diario (horas)	Energía consumida con dámper (kWh/año)	Energía consumida usando un VFD (kWh/año)	Diferencia en consumo de energía (kWh/año)
50 %	2	18500	4800	13700
60 %	3	29300	9800	19500
70 %	6	61700	26800	34900
80 %	6	63300	35900	27400
90 %	4	44200	32600	11600
100 %	3	34200	35200	-1000
Total	24	251200	145100	106100

El ahorro eléctrico es importante pero hay también otros factores que serán incluidos como parte de una evaluación de los costes del ciclo de vida del equipo. Por ejemplo cuando las bombas o ventiladores operan a velocidades reducidas a menudo hay un ahorro significativo de mantenimiento debido al desgaste reducido en juntas, rodamientos, ejes, etc. Cuando consideramos el ahorro de costes en mantenimiento a lo largo del ciclo de vida debemos contemplar un precio de compra típicamente un 10 % inferior.

Consideraciones de aplicación de los VFDs

Un variador de frecuencia es el método más efectivo en costes si los ciclos de más exigentes están más uniformemente distribuidos en un amplio rango de caudales. El ahorro energético mejora si las curvas de resistencia del sistema y rendimiento son profundas.

Muchas buenas aplicaciones de los VFD son pasadas por alto porque otros beneficios aparte del ahorro energético son pasados por alto. Para cargas de par variable, el ahorro de los variadores de frecuencia variable puede ser significativamente mayor ya que la potencia varía proporcionalmente al cubo de la velocidad.

Para aplicaciones de potencias superiores a 25 C.V., los costes de instalación son usualmente comparables a los costes de capital totales del variador. En potencias inferiores a 25 C.V., los costes de instalación pueden ser superiores a los costes del variador.

Ver 2ª PARTE