HVAC y accionamientos: beneficios del control de motores en sistemas de climatización
Agosto 11, 2023
El variador de frecuencia (VFD) o variador de velocidad, es sin duda una de las herramientas de gestión energética más notables que se ha introducido en los sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC). En los últimos 30 años, aproximadamente, se han instalado variadores de frecuencia en los motores de ventiladores y bombas de toda una serie de aplicaciones de carga variable. La razón de esta tendencia es el ahorro energético del 50% o más con respecto a las soluciones convencionales de accionamiento de velocidad constante. En una época en la que los costos energéticos se han convertido en una gran preocupación tanto para las empresas como para los propietarios de edificios, las soluciones de calefacción, ventilación y aire acondicionado energéticamente eficientes son muy demandadas.
¿Qué es un VFD?
En pocas palabras, un variador de frecuencia es un dispositivo utilizado para controlar la velocidad de rotación de un motor eléctrico de CA ajustando la frecuencia de la energía eléctrica suministrada al motor. En los primeros tiempos de los VFD, la potencia del motor era un factor limitante en las aplicaciones HVAC, mientras que el ruido era otro problema. Hoy en día, sin embargo, estos obstáculos han desaparecido en gran medida.
Los VFD modernos pueden instalarse en prácticamente cualquier aplicación de HVAC y, en cuanto al ruido, los últimos variadores funcionan a frecuencias por encima del espectro audible, evitando así el problema anterior de la vibración de las láminas del motor, que a su vez se transmitía, de forma molesta, a los soportes del motor.
La superación de este tipo de problemas ha permitido la adopción generalizada de los VFD en los sistemas de climatización, fomentando el ahorro energético y reduciendo las emisiones de carbono en todo el mundo. Simplemente ajustando la capacidad del sistema a la carga real a lo largo del año, es posible conseguir importantes reducciones en el consumo energético de los motores.
La mayoría de los variadores de frecuencia utilizados en aplicaciones de calefacción, ventilación y aire acondicionado son variadores que utilizan tecnología de modulación por ancho de pulsos (PWM) con codificación senoidal. Este tipo de VFD funciona convirtiendo la alimentación de CA entrante en CC mediante el uso de un puente rectificador de diodos. A continuación, el VFD pasa la tensión filtrada y suavizada a la sección inversora del dispositivo, antes de controlar la tensión y la frecuencia enviadas al motor mediante transistores bipolares.
VFD en sistemas HVAC
Quienes piensen que el ahorro de energía es la única ventaja importante de los VFD deberían considerarlo mejor. Hay muchas más ventajas, como la reducción del desgaste de los motores. Los variadores de frecuencia aplican frecuencias y tensiones muy bajas a los motores, aumentando ambos parámetros de forma constante hasta los niveles normales de funcionamiento y, por tanto, prolongando la vida útil del motor. Por el contrario, un motor sin variador de frecuencia consume mucha corriente al arrancar, lo que genera altas temperaturas y una tensión elevada en los bobinados. Como consecuencia, los fallos prematuros son más frecuentes.
La precisión del control es otra ventaja de la tecnología VFD en aplicaciones de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC), que es un factor importante en edificios de varios pisos, por ejemplo. Estas estructuras suelen depender de bombas de refuerzo para mantener las presiones de suministro de agua doméstica en todas las plantas. Esto suele ser suficiente dentro de un cierto rango, pero no se puede comparar con las capacidades de los VFD más recientes, que ofrecen un control mucho más preciso en un espectro mucho mayor de caudales.
El factor de precisión también entra en juego en los sistemas de ventiladores de volumen variable que se utilizan habitualmente para distribuir aire acondicionado en unidades HVAC. Un sistema de paletas de entrada variables en el sistema de ventiladores y cajas de volumen de aire variable es una configuración de control típica, pero no es tan eficaz ni precisa como un sistema basado en VFD. Del mismo modo, un VFD instalado en un sistema de caudal de refrigerante variable puede utilizarse para controlar la velocidad de funcionamiento del compresor para adaptarla a la carga, reduciendo los requisitos energéticos en condiciones de carga parcial.
Relación VFD-motor en HVAC
Los motores más utilizados en aplicaciones HVAC son los motores de inducción; trifásicos para locales comerciales/industriales y monofásicos para determinadas instalaciones más pequeñas. Son fundamentales para la función operativa básica de los sistemas HVAC. Los motores eléctricos accionan ventiladores para mover aire, compresores para comprimir refrigerante y bombas para mover agua en aplicaciones de agua fría y agua caliente.
Es posible aplicar variadores de frecuencia tanto a motores trifásicos como monofásicos, normalmente a un porcentaje adecuado de su velocidad nominal (consulte las recomendaciones del fabricante del variador de frecuencia) para evitar cualquier posibilidad de sobrecalentamiento del motor debido a un flujo de aire inadecuado. También deben tenerse en cuenta factores operativos, como los requisitos de calidad del aire interior y los requisitos de distribución del aire.
El uso de variadores de frecuencia en aplicaciones de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC) tiene pocas desventajas, si es que tiene alguna. Algunos podrían argumentar que el uso de PWM para controlar la velocidad del motor crea EMI (interferencias electromagnéticas) debido a la rápida subida y bajada de los periodos de señal. Cualquier tipo de interferencia es claramente indeseable, pero se pueden emplear medidas sencillas para contrarrestar sus efectos.
Por ejemplo, reducir al mínimo la longitud de los cables entre el variador de frecuencia y el motor supondrá una gran ventaja. Los cables largos ofrecen un mayor potencial de tensión reflejada. En este caso, es aconsejable utilizar la frecuencia portadora de variador de frecuencia más baja, ya que las frecuencias más bajas ayudan a maximizar la longitud potencial del cable entre el variador de frecuencia y el motor.
El cable apantallado es otra táctica obvia en la batalla contra las interferencias, ya que protegerá los componentes del sistema de los campos eléctricos de alta frecuencia. El cobre o el aluminio son los materiales de blindaje preferidos; el acero es menos eficaz. Otras estrategias incluyen el uso de conductos metálicos separados para la alimentación de entrada, la alimentación de salida, los cables de control y los cables de comunicación.
Fuente: Control Techniques
