Guía para proteger un variador de frecuencia del sobre calentamiento

Los variadores de frecuencia son un tema muy importante para los técnicos de mantenimiento industrial e ingenieros de planta. Los avances en la tecnología de los variadores de frecuencia y las reducciones de precio están impulsando una rápida adopción en el mercado. Los ahorros de energía pueden generar un período de recuperación medido en meses, y los variadores de frecuencia permiten un control preciso del motor en muchas aplicaciones industriales de procesos.

Pero los variadores de frecuencia también están «calientes» en el sentido literal: la electrónica avanzada incorpora más componentes semiconductores en un factor de forma más pequeño, lo que resulta en una generación de calor más intensa. Las temperaturas elevadas degradan el rendimiento, afectan la confiabilidad operativa y acortan la vida útil del dispositivo. Pueden producirse fallos en los variadores de frecuencia por sobrecalentamiento

Se han demostrado varios métodos de enfriamiento efectivos, incluyendo el enfriamiento pasivo por medio de ventiladores y intercambiadores de calor, y el enfriamiento activo con aire acondicionado y enfriamiento por agua.

Desafortunadamente, determinar la carga de enfriamiento puede resultar un poco confuso. Los cálculos se complican innecesariamente debido a la combinación de sistemas de medición, con unidades imperiales (HP, BTU, CFM) mezcladas con unidades métricas (vatios), y la conversión se pierde en la traducción.

Por lo tanto, en Tecnología para la Industria hemos desarrollado guías prácticas y sencillas para seleccionar y dimensionar soluciones de enfriamiento para variadores de frecuencia.

Las cajas protectoras causan sobrecalentamiento en los variadores de frecuencia

El desafío básico para proteger a los variadores de frecuencia del sobrecalentamiento proviene del hecho de que generalmente deben colocarse en una caja para protegerlos del entorno inmediato. Estas cajas retienen el calor, lo que hace necesario protegerse contra el sobrecalentamiento.

Los cuadros eléctricos tipo NEMA 12 suelen especificarse para proteger contra peligros comunes, como el polvo en suspensión, el goteo de agua y la condensación de líquidos no corrosivos. Cada vez más, las tecnologías avanzadas en los nuevos variadores de frecuencia, como las fibras ópticas, requieren cajas con niveles de protección mejorados.

Y con la adopción generalizada de la tecnología de los variadores de frecuencia, muchas aplicaciones requieren tableros eléctricos diseñados especialmente para entornos desafiantes, desde cajas exteriores resistentes a condiciones climáticas y golpes, hasta cajas de acero inoxidable herméticamente selladas para instalaciones de producción de alimentos que deben resistir la limpieza a chorro de agua. A medida que una caja se sella más herméticamente, naturalmente retiene más calor debido a la disipación pasiva reducida, lo que crea un desafío de enfriamiento mayor.

CONTENIDO ÚTIL – Control de temperatura de cuadros eléctricos para variadores de frecuencia

Tamaño del cuadro eléctrico

El tamaño del cuadro eléctrico también es muy importante. En los últimos años, las dimensiones típicas de los cuadros eléctricos se han reducido drásticamente para adaptarse a espacios más reducidos y economizar en el costo del cuadro. En un cuadro eléctrico grande, imaginemos un espacio del tamaño de una habitación, la diferencia de temperatura entre el área del piso y el área del techo provoca un ligero flujo de aire llamado convección natural. Cuanto más pequeño sea el espacio, menos objetos podrán beneficiarse de este efecto de enfriamiento. Sin un flujo de aire adecuado, es más probable que se desarrollen fenómenos conocidos como «puntos calientes» en la superficie y en el interior de los variadores de frecuencia, causando estragos en la electrónica sensible.

El factor de forma más pequeño de los variadores de frecuencia y sus cajas también contribuye al sobrecalentamiento de otra manera: una caja más pequeña significa que hay menos superficie exterior disponible para transmitir el calor al aire circundante. Todos estos factores hacen necesario contar con soluciones de enfriamiento efectivas y confiables.

Adopción rápida de los variadores de frecuencia

La eficiencia energética de los variadores de frecuencia no solo es beneficiosa para las empresas individuales, sino que también es fundamental para abordar el cambio climático.

En todo el mundo, aproximadamente una cuarta parte de toda la energía eléctrica se utiliza para alimentar motores en aplicaciones industriales. En Estados Unidos, se estima que 40 millones de motores consumen del 60% al 65% de toda la energía eléctrica. Tres cuartas partes de estos motores son cargas de ventiladores, bombas y compresores de par variable, los tipos de aplicaciones propicios para la eficiencia energética que ofrecen los variadores de frecuencia.

Actualmente, solo alrededor del 3% de los motores de CA están controlados por variadores de frecuencia, pero aproximadamente el 30% al 40% de los motores nuevos instalados cada año tienen un variador de frecuencia. Según un informe de 2021 de Research Dive, se estima que el mercado mundial de variadores de frecuencia crecerá casi un 5% anualmente hasta alcanzar los 25 mil millones de dólares en 2027.

Los ahorros energéticos son impresionantes. Los variadores de frecuencia reducen el consumo de energía al permitir que los motores eléctricos funcionen a velocidades inferiores a la máxima. Los motores de inducción de CA básicos están diseñados para funcionar a una velocidad constante, pero en el uso real, los requisitos de velocidad fluctúan, y la velocidad máxima se utiliza generalmente solo alrededor del 10% del tiempo. La ineficiencia inherente es evidente, similar a hacer funcionar un motor de automóvil con el cuentavueltas siempre mostrando el máximo de revoluciones.

CONTENIDO ÚTIL – Uso de variadores de frecuencia para el ahorro de energía en aplicaciones industriales

Los ahorros de energía se pueden calcular utilizando las leyes de afinidad: la potencia eléctrica consumida es proporcional al cubo de la velocidad de rotación. Por lo tanto, reducir la velocidad de una bomba o un ventilador al 75% reduce el consumo de energía en casi un 60%.

Cuándo elegir el enfriamiento pasivo y cuándo elegir el enfriamiento activo del variador de frecuencia

Existen dos tipos diferentes de enfriamiento para proteger a los variadores de frecuencia contra el sobrecalentamiento, el primero es el enfriamiento pasivo y el segundo es el enfriamiento activo. Ambos tipos utilizan la Segunda Ley de la Termodinámica, que en términos simples establece que la energía se mueve de una fuente más alta a una más baja. El enfriamiento pasivo utiliza la ruta natural de transferencia de calor, donde el calor se desplaza desde la fuente de temperatura más alta hacia la fuente de temperatura más baja. Un buen ejemplo de esto son los ventiladores con filtro. Estos ventiladores mueven el aire ambiente más frío hacia el interior de una carcasa, donde el aire absorbe calor hasta que se agota y el calor se disipa en el entorno.

El enfriamiento activo requiere una fuente de energía para crear una ruta de transferencia de calor. Esto se logra comúnmente mediante el uso de un ciclo de compresión de vapor. Un ciclo de compresión de vapor consta de cuatro partes principales: un compresor, un condensador, un dispositivo de estrangulación y un evaporador. El ciclo comienza con el compresor, donde se introduce energía en el sistema. A continuación, el refrigerante ingresa al compresor con baja presión y baja temperatura, donde se comprime, lo que hace que el refrigerante salga del compresor con alta presión y alta temperatura. Luego, el refrigerante pasa por el condensador, donde se extrae el calor y el refrigerante se convierte en un líquido saturado o subenfriado. A continuación, el refrigerante pasa por un dispositivo de estrangulación, donde su presión y temperatura disminuyen. Por último, el refrigerante pasa por el evaporador, donde absorbe calor y se convierte en un gas de baja presión y baja temperatura, lo que permite que el ciclo se repita.

Decidir cuándo usar el enfriamiento pasivo y cuándo usar el enfriamiento activo es bastante sencillo. Si la temperatura ambiente es más baja que la temperatura objetivo de la carcasa o si se dispone de una fuente de agua enfriada pasivamente, se puede utilizar un sistema de enfriamiento pasivo, lo cual es deseable para ahorrar energía. El enfriamiento pasivo utiliza significativamente menos energía que el enfriamiento activo, ya que no requiere que se introduzca energía en el sistema para permitir una ruta de transferencia de calor. Si la temperatura ambiente es más alta que la temperatura objetivo de la carcasa o si no se dispone de una fuente de agua enfriada pasivamente, entonces se debe utilizar un sistema de enfriamiento activo.

Cómo calcular los requisitos de enfriamiento para proteger a los variadores de frecuencia del sobrecalentamiento

Aquí tienes una forma sencilla de calcular los requisitos de enfriamiento tanto para los métodos de enfriamiento activo como para los de enfriamiento pasivo.

Regla práctica para el enfriamiento activo del variador de frecuencia

Los variadores de frecuencia suelen dimensionarse en caballos de fuerza (HP por sus siglas en inglés) y los sistemas de enfriamiento se miden en Unidades Térmicas Británicas (BTU, o BTU/h para BTU por hora). Pero, ¿cómo se convierte de HP a BTU/h? Aquí tienes una regla práctica para el aire acondicionado y el enfriamiento por agua:

Regla práctica para el enfriamiento pasivo

Para soluciones de enfriamiento pasivo, la regla práctica es la siguiente:

Se requieren 4 CFM por cada 1 HP para mantener una diferencia de temperatura de 10°C por encima de la temperatura ambiente en la carcasa.

En otras palabras, para un variador de frecuencia de 100 HP, se requieren 100 CFM. Esta regla práctica se calcula a partir de la siguiente ecuación: 1 CFM = 1,82 x vatios de pérdida de calor / Δ Temp (°C)

Estas guías prácticas proporcionan una orientación general para seleccionar un método de enfriamiento y para dimensionar los requisitos de carga de enfriamiento. Para cálculos más precisos que tengan en cuenta la temperatura ambiente, la humedad y otras consideraciones críticas, ofrecemos el software de dimensionamiento de Pfannenberg de forma gratuita.

Al simplificar el cálculo de los requisitos de enfriamiento, esperamos que la adopción de la tecnología de los variadores de frecuencia continúe creciendo rápidamente, y que los usuarios se beneficien de un rendimiento máximo y una vida útil prolongada.

Proteger un variador de frecuencia del sobrecalentamiento es crucial para garantizar un rendimiento óptimo y una vida útil prolongada. Los avances en la tecnología de los variadores de frecuencia y su amplia adopción en el mercado han impulsado la necesidad de soluciones de enfriamiento efectivas. Tanto el enfriamiento pasivo como el enfriamiento activo son métodos viables, cada uno con sus propias ventajas.

El enfriamiento pasivo utiliza el flujo natural de calor y no requiere una fuente de energía adicional. Los ventiladores con filtro son un ejemplo de enfriamiento pasivo que aprovecha el aire ambiente más frío para disipar el calor. El cálculo de los requisitos de enfriamiento pasivo se puede hacer utilizando la regla práctica de 4 CFM por cada 1 HP para mantener una diferencia de temperatura de 10°C por encima de la temperatura ambiente en la carcasa.

Por otro lado, el enfriamiento activo requiere una fuente de energía para crear un camino de transferencia de calor. Los sistemas de aire acondicionado y el enfriamiento por agua son ejemplos de enfriamiento activo que utilizan ciclos de compresión de vapor. Para calcular los requisitos de enfriamiento activo, se puede utilizar la regla práctica de 75 BTU/h por cada 1 HP.

Es importante considerar el tamaño del cuadro eléctrico, ya que los espacios más pequeños pueden tener menos capacidad para el enfriamiento natural por convección. Además, las cajas protectoras más selladas retienen más calor, lo que aumenta el desafío de enfriamiento.

En general, se espera que la adopción de la tecnología de los variadores de frecuencia continúe creciendo debido a sus beneficios en ahorro de energía. Al calcular y seleccionar adecuadamente las soluciones de enfriamiento, los usuarios podrán maximizar el rendimiento de sus variadores de frecuencia y asegurar su durabilidad en un entorno de funcionamiento óptimo.