Ejemplos de aplicaciones con variadores de velocidad en plantas industriales

Los variadores de velocidad se consideran de última generación en el control de procesos en plantas industriales, pero es importante darse cuenta de que pueden no ser la respuesta a todos los problemas de control de procesos. Los usuarios finales deben comprender los requisitos de las diferentes aplicaciones con variadores de velocidad  y las limitaciones mecánicas y eléctricas del sistema para garantizar que un variador de frecuencia sea la solución adecuada, y sobre todo especificarlo correctamente. En este artículo resumimos algunas de las principales características del proceso y la carga que deben tenerse en cuenta antes de especificar un variador de velocidad.

Factores de proceso que afecta la aplicación de variadores de velocidad

La necesidad de velocidad con mayor control

Muchos procesos industriales pueden beneficiarse de la capacidad de reducir la producción de forma periódica o continua mediante la reducción de la velocidad del equipo accionado. Por ejemplo, los sistemas de tuberías a menudo están «sobredimensionados» para adaptarse a futuras expansiones o simplemente proporcionar algo de margen operativo. Si accionamos el motor a toda velocidad da como resultado una salida que debe «reducirse», por ejemplo, a través de válvulas de control, existe la posibilidad de aumentar la eficiencia general del sistema y reducir el consumo de energía utilizando un variador de velocidad. Teniendo en cuenta que los costos de capital tienden a ser más altos para el uso de variadores de velocidad, es importante determinar el porcentaje de tiempo y la reducción de flujo necesarios, para luego  usar esa información para estimar la reducción en la potencia del motor que podría tolerarse. Pensado en un ejemplo de aplicación de variadores de velocidad con bombas centrífugas, la potencia del motor varía según el cubo de la velocidad. Como resultado, una reducción en la velocidad del motor de solo un 15 % puede reducir los caballos de fuerza requeridos (y, por lo tanto, los kW consumidos) en casi un 40 % (0,853 = 0,61).

Por otro lado, algunos sistemas están diseñados de tal manera que la reducción de velocidad no proporciona ningún beneficio operativo. Un ejemplo para explicar este punto, es el caso de los sistemas de tuberías de diseño hermético con mucha presión estática disponible,en este caso el flujo del sistema tiende a controlarse de manera más eficiente con válvulas, especialmente cuando se toman en cuenta los costos de los variadores de velocidad.

Muchos procesos podrían beneficiarse de usar voltajes reducidos durante el arranque, incluso si no se requiere control de velocidad. En tales casos, se puede usar un arrancador de voltaje reducido (es decir, «suave»). El arrancador suave normalmente reducirá la corriente de irrupción, lo que a su vez reduce las tensiones mecánicas y eléctricas en el equipo accionado. Si bien la aplicación de un variador de velocidad también puede proporcionar esta función de «aumento/disminución de la rampa», bien puede ser excesivo (agregando costos y complejidad innecesarios) si no se necesita una velocidad de proceso variable.

Par de carga en aplicaciones con variadores de velocidad

Los Variadores de velocidad se dimensionan directamente por salida de amperaje continuo, no por caballos de fuerza. Si bien este último se puede usar para aproximar el tamaño del variador de velocidad, es la cantidad de corriente requerida tanto en estado estable como en condiciones de sobrecarga lo que determina el variador correcto a especificar. El par necesario para operar la carga impulsada afecta el amperaje requerido. Las cargas con perfil de par constante o potencia constante requieren una mayor cantidad de par durante el arranque, lo que impone mayores demandas de amperaje al variador en el arranque. Por lo tanto, es importante comprender los perfiles de par de carga para saber qué clasificación de amperaje del variador y capacidad de sobrecarga seleccionar.

• Par variable: este perfil es característico en bombas centrífugas  y ventiladores centrífugos. El par aumenta a medida que aumenta la velocidad de la carga, lo que se traduce en una menor demanda del variador de frecuencia en el arranque. El par aumenta con el cuadrado del aumento de la velocidad.
• Par constante: típico en equipos  transportadores, bombas/compresores de desplazamiento positivo y alimentadores de tornillo, este perfil es característico de una carga que requiere efectivamente el mismo par a cualquier velocidad dentro del rango operativo.
• Caballos de fuerza constantes: en este perfil, típico de las aplicaciones de máquinas herramienta, bobinadoras y algunos transportadores accionados por carga, el par requerido varía inversamente con la velocidad (disminuye a medida que aumenta la velocidad).

Los variadores de  velocidad clasificados para aplicaciones de par variable tienen clasificaciones de amperaje continuo más altas porque no están siendo aplicados tanto en el arranque o cuando necesitan responder a cargas cambiantes. Por ejemplo, un variador de velocidad dimensionado para una aplicación de par variable de 20 HP, capaz de suministrar 31 amperios continuos a 480 voltios, solo estaría clasificado para una aplicación de par constante de 15 HP, suministrando 23 amperios continuos. Esto se hace así  para evitar que los componentes electrónicos del variador de velocidad se sobrecarguen cuando se enfrentan a la necesidad de mantener el par en aplicaciones industriales de servicio pesado.

Consideraciones del lado de la línea de suministro eléctrico en aplicaciones con variadores de velocidad en procesos industriales

Hemos visto que definir la aplicación del variador de velocidad y las características específicas es fundamental para garantizar una instalación rentable y exitosa con el uso del variador de velocidad. Además de las consideraciones mecánicas vistas hasta el momento en este artículo, hay varios problemas de la línea eléctrica y del lado de la carga que deben tenerse en cuenta al decidir sobre la aplicación del  variador de velocidad correcto (o sin variador) para el proceso industrial específico que se busca controlar.

Consideraciones del lado de la línea de suministro eléctrico

• Voltaje: Los variadores de frecuencia (para aplicaciones de motores de CA) están clasificados para aceptar un voltaje nominal con una tolerancia estándar  de +10/-10%. Fuera de este rango, las unidades generalmente se desconectan para protegerse. En el caso de una condición de sobrevoltaje, el riesgo es para el bus de CC, que generalmente funciona a aproximadamente 1,2 veces el nivel de voltaje de entrada. Una vez que ese nivel exceda aproximadamente 1.4x del extremo superior del rango de voltaje de entrada, la unidad se desconectará (Tengamos en cuenta que, a diferencia de los variadores de CA, debido a la naturaleza de su electrónica de salida, los variadores de CC de hasta 500 V pueden funcionar con voltajes de entrada más bajos; sin embargo, su voltaje de salida se reduce en consecuencia).
• Fase: casi todos los variadores de velocidad proporcionan una salida trifásica, la mayoría de las veces alimentada por un suministro trifásico. Pero los variadores también se especifican por su capacidad para convertir voltaje monofásico en trifásico, a menudo en lugar de convertidores de fase rotativos o electrónicos. Sin embargo, lo hacen a un costo más elevado ya que su electrónica de CC debe reforzarse para manejar la entrada monofásica. En esencia, esto se debe a que los capacitores del enlace de CC se cargan solo 1/3 del tiempo que lo harían si se alimentaran con 3 fases, por lo que para suavizar la ondulación del bus de CC y suministrar al inversor el nivel de voltaje adecuado, deben ser más alta la capacidad. Además, la monofásica da como resultado corrientes de línea más altas, por lo que se necesita más capacidad de conducción.

Por lo general, un variador de CA que funciona con una sola fase deberá reducirse aproximadamente un 50 % de su valor nominal trifásico, duplicando efectivamente el tamaño del variador necesario. Encontrarás variadores de velocidad de menor potencia clasificados como «listos para usar» para entrada monofásica; estos son simplemente unidades fabricadas para manejar la mayor capacidad. Tales unidades son difíciles de encontrar en clasificaciones superiores a los 3 kW.

Impedancia: en los casos en que la impedancia de la línea aguas arriba es demasiado baja, como por ejemplo con un sistema de accionamiento conectado muy cerca de un tablero de distribución principal, es posible que sea necesario aumentar la impedancia para reducir las tensiones en la electrónica del accionamiento causadas por alta tasa de cambio de corriente. Esto a menudo se logra insertando reactores de línea para proteger variadores y motores en la línea de CA o estranguladores en el bus de CC.

Muchos variadores de velocidad vienen equipados con reactores de línea, que normalmente proporcionan una impedancia del 3 %; si se necesita más, se pueden obtener reactores opcionales. Las aplicaciones de reactores de línea para variadores tienen el beneficio adicional de reducir los armónicos en la línea de suministro, cuya generación es inherente a la mayoría de los diseños de variadores y que pueden causar problemas operativos para equipos sensibles aguas arriba.

Protección contra sobre intensidad de corriente: los variadores de velocidad brindan una amplia protección del motor programable por el usuario. Sin embargo, tienen una protección integrada limitada para sus componentes electrónicos, y la instalación adecuada requiere el uso de protección contra sobrecorriente de alta velocidad y bajo «I-cuadrado». Por lo general, los fusibles de clase J/gG se especifican para limitar la corriente y eliminarla muy rápidamente, antes de que se dañen los componentes electrónicos sensibles. En algunos casos, los fabricantes de variadores de velocidad han probado y aprobado disyuntores para este fin. Sin embargo, tienden a ofrecer una respuesta menos rápida, una coordinación más desafiante con otros dispositivos de protección y, si se ajustan demasiado, intercambian disparos molestos por la conveniencia de no tener que reemplazar la unidad una vez disparada. En cualquier caso, siempre se recomienda utilizar los dispositivos y clasificaciones recomendados por el fabricante.

Consideraciones del lado de la carga en aplicaciones con variadores de velocidad

• Amperaje del motor: las unidades tienen el tamaño adecuado por amperaje, no por caballos de fuerza. Para garantizar la capacidad de salida adecuada, se debe conocer el amperaje a plena carga de la placa de identificación del motor accionado. Es importante tener en cuenta que dimensionar la unidad en función del amperaje a plena carga  no es simplemente conservador. Bajo el supuesto de trabajo de que el motor tiene el tamaño correcto para el par de carga necesario, dimensionar un variador de velocidad solo para lo que el motor consuma en condiciones de carga «normales» (es decir, no pico) puede no proporcionar par suficiente para impulsar el proceso en condiciones de carga pesada.Además, dimensionar una unidad solo por potencia ignora la cantidad de sobrecarga que puede proporcionar la unidad.

  Un ejemplo de aplicación de variadores de velocidad para explicar este punto, es el caso de una unidad de 460 voltios adecuada para un motor de 75 hp que en condiciones de par variable puede generar 96 amperios continuamente; en condiciones de par constante (también conocido como servicio pesado), esa misma unidad sólo sería adecuada para 60 hp y 77 amperios. Esto se debe a que, en condiciones de carga pesada, los componentes electrónicos de salida (por lo general, IGBT o «transistores bipolares de puerta aislada») deben disparar durante períodos más largos y están más sujetos a sobrecalentamiento, por lo que las clasificaciones se reducen para protegerlos.

• Frecuencia y magnitud del voltaje: estos mismos IGBT están controlados por el circuito del variador para disparar (encender y apagar) a alta frecuencia, generalmente de 2 kHz a 16 kHz, creando transitorios de voltaje de alta frecuencia en la salida del variador. Y a diferencia de una onda sinusoidal trifásica pura y bien equilibrada, los transitorios no se anulan entre sí. Como resultado, pueden generar voltajes en los terminales del motor de 2 a 3 veces o más del voltaje de alimentación de entrada. Este efecto se ve muy exacerbado por la gran longitud del cable del motor. Los motores de eficiencia premium, particularmente aquellos que cumplen con los estándares NEMA MG-1, están construidos para soportar estos transitorios, hasta cierto punto. Una vez que las longitudes de los cables del motor se vuelven excesivas (según el fabricante y la agencia de pruebas, desde quizás 30 metros o más), se recomiendan los filtros de salida.
• Antigüedad / condición del motor: en gran parte debido a los factores mencionados anteriormente, se debe tener cuidado al intentar controlar un motor más antiguo o uno con un sistema de aislamiento marginal con un variador de frecuencia. Los transitorios de voltaje de alta frecuencia pueden generar mucha tensión en el aislamiento del devanado del motor, lo que eventualmente causa la ruptura del dieléctrico y cortocircuita los devanados. Además, el ruido de modo común (es decir, de línea a “tierra”) generado por la electrónica del variador puede hacer que fluyan corrientes en la estructura, el eje y los cojinetes del motor; estas corrientes buscarán un camino a tierra, lo que a menudo resulta en picaduras de rodamientos y en las pistas. Este no suele ser un factor importante para los motores de estructura más pequeña (digamos, menos de 500 NEMA/315 IEC), pero los motores más grandes a menudo requieren cojinetes aislados y conexión a tierra del eje para evitar el desgaste prematuro de los componentes de los cojinetes.
• Cableado: Para que el variador funcione limpiamente y con problemas mínimos, se deben seguir buenas prácticas de cableado: separar las conexiones de alimentación (línea y carga) entre sí y del cableado de control es una buena práctica; usar cables blindados, correctamente conectados a tierra, donde sea susceptible al ruido de modo común; proporcionar una canalización metálica donde sea posible; y asegurarse de que los conductores tengan el tamaño adecuado para la corriente de salida del variador, con un conductor de conexión a tierra del tamaño adecuado es fundamental. Te recomendamos consultar los códigos eléctricos vigentes locales/regionales para obtener información adicional.

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