Los variadores de frecuencia

El variador de frecuencia tiene un gran interes en la operación y mantenimiento de depuradoras de aguas residuales. En este artículo trataremos, sobre uno de los dispositivos que más contribuye en una depuradora de agua residual a la eficiencia energética, y por tanto, a la disminución de gasto eléctrico.
Hablaremos sobre qué es un variador de frecuencia, sus fabricantes, sus ventajas e inconvenientes, su fundamento teórico, y veremos porqué reduce el consumo eléctrico de la instalación.

La eficiencia energética en la depuradora (EDAR)

La mejora de la eficiencia energética es la forma más adecuada y accesible de reducir el consumo energético. Pero, además proporciona otros valores añadidos como reducir las emisiones de dióxido de carbono (CO2) y mejorar la seguridad energética.
El potencial de ahorro energético en las plantas de tratamiento de aguas (depuradoras, potabilizadoras y desaladoras) es enorme. Los motores accionan máquinas, bombas,… en definitiva intervienen en un gran número de equipos presentes en estas plantas industriales. ¿y los variadores de frecuencia donde intervienen?… pues en los motores de ahí su importancia. Veamos algo más de los variadores de frecuencia.

El variador de frecuencia

El variador de frecuencia es un dispositivo electrónico que permite variar la velocidad rotacional de un motor, actuando sobre la frecuencia de la corriente eléctrica.
Pero, ¿a qué es debido esto? Pues sin meternos en muchas profundidades, hay unas fórmulas físicas denominadas leyes de los ventiladores o de proporcionalidad, que relacionan el caudal, la presión y la potencia eléctrica con la velocidad rotacional del motor.
Si actuamos sobre la frecuencia, variaremos la velocidad de giro de los motores, y en consecuencia, variará también el caudal, la presión, y la potencia eléctrica.
Estos dispositivos electrónicos se basan en el principio de la acción de un campo magnético giratorio sobre una bobina en cortocircuito.
El sistema magnético de una máquina asíncrona consta de 2 núcleos: el núcleo exterior fijo que tiene la forma de un cilindro hueco y el núcleo cilíndrico interior giratorio.
Para ello, será necesario realizar la programación del variador de frecuencia con las características del motor asociado.

¿Qué es la frecuencia en un suministro eléctrico?

Para entender el funcionamiento de un variador de velocidad, es necesario aclarar qué es la frecuencia en un suministro eléctrico. Veamos esta ilustración:

Si hacemos girar una bobina por un campo magnético (imanes norte y sur), se genera una onda de corriente alterna (cambia el sentido de la corriente y el valor de la misma varía desde el mínimo hasta el máximo). Esto es similar al funcionamiento de un alternador de una central eléctrica.
Por lo tanto, se repite la misma onda 50 veces por segundo. Para obtener esta frecuencia, deben girar a unas determinadas revoluciones por minuto, dependiendo del número de pares de polos magnéticos, entre otras variables.
La parte fija de la máquina se llama estator y la parte giratoria rotor.
En las ranuras ubicadas en el lado interior del estator se coloca una bobina trifásica, compuesta por tres bobinas iguales (una por cada fase) desplazadas 120º entre sí (para un motor con un solo par de polos). Los efectos simultáneos de las tres corrientes de una red trifásica originan un campo constante que gira a velocidad síncrona (ns).
Por otro lado, en el interior del estator colocamos una espira en cortocircuito (rotor) que pueda girar alrededor de un eje, se tiene que:
Al conectar el estator a la red se origina un campo giratorio que originará una F inducida. Esta F inducida, a su vez hace circular una corriente en la espira en cortocircuito (rotor), y por la acción del campo magnético creará un par de fuerzas distribuidas a lo largo de la espira haciendo que ésta trate de seguir al campo giratorio.
Es obvio que la espira nunca podrá alcanzar al campo giratorio debido al par resistente, que está compuesto por las pérdidas por rozamiento en los cojinetes, y por la carga que mueve el eje del motor.
Por tanto, siempre habrá una diferencia entre la velocidad “n s” del campo giratorio y la del rotor “n” (o la del eje del motor).
Por lo tanto, llamaremos velocidad relativa a la diferencia entre ns y n, que para el caso de motores será positiva y para el caso de generadores será negativa.
Nrel = ns – n
Recordando que:
Donde:
• f: es la frecuencia de la línea (Hz).
• p: es el número de pares de polos.

Llegamos a la conclusión que la velocidad de giro real de un motor (n) es función de la velocidad relativa (ns), de la cantidad de pares de polos (p) y de la frecuencia de línea (f).
Sobre ésta última, centraremos nuestra atención, ya que los variadores estáticos de frecuencia, tomando la tensión y la frecuencia de línea, podrán variarla a su salida entre 0,01 Hz y 350 Hz o más dependiendo del uso y tipo de motor a emplear. En España, los alternadores generan una frecuencia de 50 Hz.

¿Cuáles son las aplicaciones de los variadores de frecuencia?

Es fácil imaginar, que las aplicaciones principales, serán en los elementos que dispongan de motor eléctrico y cumplan con las leyes físicas descritas anteriormente. Esta situación se encuentra en casi todos los procesos de una depuradora de aguas residuales. En una EDAR existen muchas máquinas a las que se puede aplicar este dispositivo: compresores, ventiladores, bombas (centrifugas, sumergibles, y volumétricas), cintas transportadoras, centrifugas,….
En edificación, los más usuales son los ventiladores que se utilizan en sistemas de climatización y ventilación. También, las bombas centrífugas, se utilizan en circuitos hidráulicos de calefacción, climatización, agua caliente sanitaria, grupos de presión de agua, etc.
Por lo tanto, vemos que hay numerosos elementos en los que se puede actuar con variadores de frecuencia y obtener un gran ahorro de energía.
ABB tiene un video donde lo explica bastante bien:

¿Cuándo podemos reducir la velocidad de los motores?

Hasta ahora, hemos visto que con los variadores de frecuencia tenemos la posibilidad de reducir la velocidad de giro de un ventilador o una bomba centrífuga. Así que de forma natural nos planteamos la pregunta, y la mejor forma de contestar es mediante varios ejemplos:

Bombas centrifugas horizontales

El control de velocidad en bombas centrifugas de agua implica una adaptación, en todo momento, a las condiciones de aspiración, adecuando los caudales y presiones al nivel actual de los depósitos y conducciones. De esta forma se garantiza el servicio y se proporciona la máxima eficiencia y ahorro energético.
La medida más habitual es enlazar en un P&D la medida de los caudalimetros de la aspiración con los motores de las bombas.

Grupos de Presión

El funcionamiento de un grupo de presión de agua de servicio, se regula mediante presostatos, que realizan arranques y paradas de las bombas según las demandas.
Los consumos eléctricos son elevados, sin ajustarse su caudal a la demanda del sistema Si disponemos de variadores de frecuencia, las bombas suministrarán el caudal de agua necesario, adaptándose a la demanda existente en cada momento, y regulando la velocidad de las bombas, con lo que el consumo disminuye considerablemente.

Ventilación de los edificios

Para alcanzar una buena calidad de aire en los edificios de las plantas de tratamientos de aguas, es preciso hacer varias renovaciones por hora del volumen total. Sin embargo, el número de renovaciones varía (más o menos caudal de impulsión y extracción), dependiendo del lugar del proceso de la línea de fangos o línea de agua. También será mayor en la zona de oficinas, taller, comedores y otras aéreas con mayor presencia de trabajadores. Si disponemos de variadores de frecuencia para los ventiladores, y un sistema de control automático de calidad del aire, podremos adecuar los caudales a las necesidades ambientales del local.

¿Cuál es el ahorro energético que generan los variadores de frecuencia?

Los variadores de frecuencia sacan partido de las leyes de proporcionalidad, para lograr la principal ventaja del uso de estos equipos, que es el ahorro energético. Si se comparan con sistemas de control alternativos, un variador de frecuencia es el sistema óptimo para el control de ventiladores y bombas.
Consideremos un ventilador que, girando a 1.400 rev/min aporta un caudal de 15.000 m3/h, siendo la potencia eléctrica absorbida de 1.500 W. Veamos que caudal aportaría el ventilador, si con un variador de frecuencia fijamos un 20% menos de velocidad, es decir, 1.120 rev/min. Aplicando las leyes de proporcionalidad tendremos:

Caudal = 12.000 m3/h ( – 20% con respecto a caudal inicial )
Potencia = 768W (- 48,8% con respecto a consumo inicial)

Por lo tanto, si reducimos la velocidad un 20% con respecto a la velocidad nominal, el caudal también se reduce un 20%. No obstante, el consumo eléctrico se reduce aproximadamente en un 48,8%.
Dado que normalmente, se diseñan las instalaciones con una previsión de crecimiento futuro los equipos electromecánicos suelen estar sobredimensionados. Por lo que habitualmente no necesitaremos emplear los equipos al máximo de potencia. Así que ajustaremos el caudal nominal a las necesidades actuales y obtendremos grandes ahorros de energía que superarán, fácilmente, el 50% del consumo eléctrico.

Las fases de instalación de un variador de frecuencia

La instalación de convertidores de frecuencia en un bastidor conlleva las siguientes fases:

• Instalación de la reactancia o reactancias de alterna.
• Instalación y puesta a tierra del modulo o módulos de potencia.
• Conexión de los cables de alimentación internos entre la reactancia y las unidades inversoras.
• Instalación de la unidad de control.
• Preparación para las conexiones de entrada y salida de tensión.
• Disposición del aire acondicionado y la ventilación.

Y un pequeño consejo fruto de la experiencia: “No coloques la unidad de control cerca de los cables de alimentación, porque los cables de alimentación pueden producir perturbaciones en la comunicación de datos y provocar falsas alarmas.”

Recomendaciones básicas en el uso de los variadores de frecuencia en EDAR

Seguro que los fabricantes os darían muchas más, pero he seleccionado las tres que me parecen más importantes:

1. Resulta extremadamente importante para el funcionamiento y la durabilidad del variador de frecuencia que el armario esté bien ventilado con el fin de mantener la temperatura por debajo de la temperatura de funcionamiento máxima. La repetición de los sobrecalentamientos acortará la duración del variador.
2. Evita atmósferas toxicas. Es muy frecuente en las EDAR la presencia de gases corrosivos como Sulfuro de hidrogeno). Estos gases son invisibles, pero producen averías muy graves sobretodo en la electrónica. La mejor opción: colocar una ventilación forzada en la sala donde estén colocados los variadores.
3. Verificar que el equipo cumple la normativa de seguridad IEC 61800-5-2 Ed.1 “Accionamientos eléctricos de potencia de velocidad variable – Parte 5-2: Requisitos de seguridad funcional”.

Ventajas de los variadores de frecuencia

Estos dispositivos presentan grandes ventajas como son:

• Corrección del Factor de Potencia del Motor
• Eliminación de la Energía Reactiva
• Arranque suave de los motores.
• No es necesario arranques «estrella-triángulo» en motores de gran consumo
• Eliminación de ruidos por vibraciones
• No se producirán cavitaciones en las bombas hidráulicas
• Menor mantenimiento

Los fabricantes añaden muchas más ventajas como son:

• Medición precisa del sistema de supervisión del consumo de energía (desviación < 5%)
• Detección de las desviaciones de energía de la instalación
• Ethernet integrado con acceso directo a la configuración y supervisión del sistema
• Integración de las curvas de bombas reales para optimizar el punto de funcionamiento del sistema
• Supervisión de bombas optimizada según el punto de funcionamiento real
• Caudal estimado sin sensores
• Mediciones expresadas en unidades de carga
• Limitación de las sobretensiones en los terminales del motor
• Mediciones continúas en tiempo real y exportación de archivos con los datos históricos
• Funciones de seguimiento de mantenimiento preventivo y predictivo

Y la más importante: Los convertidores ajustan la velocidad de los motores eléctricos para igualarla a la demanda del proceso, lo que reduce el consumo energético de los motores normalmente entre un 20 y un 70 por ciento.

Inconvenientes de los variadores de frecuencia

Coste económico. A pesar que han mejorado sus características en los últimos años, y hay varias marcas de gran calidad, el coste es su principal inconveniente.
Cualificación del personal. Tanto para el montaje como para el funcionamiento y mantenimiento requiere técnicos con formación cualificada para operar con ellos, y aprovechar todo su potencial.

Fabricantes de variadores de frecuencia

Actualmente, existen muchos y muy buenos. Así que simplemente os citaré tres de ellos, sin menospreciar a los ausentes. Las tres marcas con las que he trabajado y no me han dado problemas son: Danfoss, ABB, y Scheneider

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