Variadores de velocidad y recursos hídricos
Por Manuel Juan Hernández Hernández* y Ransel Hernández Pérez**
Los variadores de velocidad
en el ahorro de la energía eléctrica y el uso eficiente
de los recursos hídricos. |
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Existen criterios un tanto desacertados en cuanto a que la instalación de un denominado variador de velocidad a un motor eléctrico de corriente alterna utilizado en diferentes procesos industriales o de servicios, siempre trae consigo el ahorro de energía eléctrica, lo cual no es exactamente cierto.
¿Qué es un variador de velocidad?
El variador de velocidad es un control para el motor de inducción tipo jaula de ardilla, que es el motor más económico simple y robusto que existe, y se distingue por ser el más usado en la industria por esas ventajas.
Es el único control que energiza, protege y permite la variación de la velocidad en un motor, sin ningún accesorio extra entre el motor y la carga.
La ventaja principal de los variadores de velocidad es que disminuye los consumos de energía en algunos de los procesos que controla, dando como resultado considerables disminuciones en los costos de operación.
El suministro de tensión desde un variador de velocidad puede realizarse a frecuencias que van desde 0 hasta 120 Hz, por lo tanto la velocidad del motor es variable en la misma proporción en que cambia la frecuencia; así, el motor puede girar lento o muy rápido según la frecuencia suministrada por el variador de velocidad. Al mismo tiempo, el voltaje también es variable en la misma proporción que la frecuencia, para asegurar que la relación voltaje-frecuencia se mantenga con el mismo valor en el rango de velocidades, mientras no pasen de 60 Hz.
El variador de velocidad es conocido con diferentes nombres: convertidor de frecuencia variable, inversores, etc., siendo su nombre correcto el de convertidor de frecuencia variable, pues incorpora el término de frecuencia que los diferencia de los demás variadores de velocidad, que utilizan métodos mecánicos, de corriente directa, etc. Por otro lado, el término inversor solo se refiere a uno de los pasos del variador de velocidad. La manera cómo un variador de velocidad convierte el voltaje y frecuencia constante en voltaje y frecuencia variable, se basa en un proceso de dos pasos principales, que de manera general son los siguientes:
Primero, la corriente alterna es rectificada y convertida a voltaje de corriente continua, después la invierte y vuelve a entregar corriente alterna, pero con diferentes frecuencias y voltajes. Como se mencionaba anteriormente, el proceso de inversión es solo uno de los pasos del variador de velocidad y no representa la función total del mismo.
Aplicaciones industriales
La instalación de los variadores de velocidad nace de dos motivos principales: el mejoramiento en el proceso de operación del equipo y el ahorro de energía eléctrica. Su instalación puede conllevar los dos fines o solamente uno, para esto es importante conocer los procesos industriales y sus necesidades, lo que implica conocer los tipos y clases de carga que existen, y que básicamente se dividen en tres:
1. Carga de par constante: Es la carga que demanda del motor un par constante en cualquier rango de velocidad en que éste trabaje. Ejemplo de este tipo de carga son los elevadores, las bandas transportadoras, las bombas de desplazamiento positivo y de émbolo, las mezcladoras y los compresores de émbolos. En este tipo de carga el motivo principal para la aplicación de los variadores de velocidad es la optimización del proceso y rara vez hay ahorro de energía, a menos que se cumplan estas dos condiciones: que la potencia demandada por la carga sea menor que la nominal del motor y que se realice a velocidades menores que la nominal.
2. Carga de par variable: Es el tipo de carga en la que las necesidades del par disminuyen conforme lo hace la velocidad del motor, y por consiguiente las de la carga también disminuyen. Este tipo de carga se encuentra comúnmente en las aplicaciones de flujo variable, como ventiladores, bombas centrífugas, agitadores y compresores axiales. En este caso el variador de velocidad ofrece grandes oportunidades de ahorro de energía, pues los requerimientos de potencia disminuyen conforme lo hace la velocidad del motor.
3. Carga de potencia constante: Es la carga donde no importa la velocidad a que está girando el motor, para demandar la potencia máxima, pues así lo exige la carga. Este tipo de carga se encuentra básicamente en máquinas herramientas, bobinadoras, dobladoras, troqueladoras y bombas centrífugas de alta inercia. En estas cargas difícilmente podremos obtener ahorro de energía, debido a que el proceso exige el máximo de potencia en cualquier rango de velocidad.
Por lo tanto, es importante saber el tipo de aplicación donde se requiere instalar un variador, así como conocer algunos otros datos que nos ayudarán a llevar a cabo la elección correcta y de esta manera evitar errores costosos.
Es necesario conocer en qué rangos de velocidad va a trabajar la carga, a qué porcentaje de carga (potencia) funcionan, cuál es la potencia máxima demandada, al igual que la mínima, qué par necesitamos para que el motor se desempeñe adecuadamente, etc. Estos datos pueden obtenerse de la información técnica proporcionada por los fabricantes de los equipos y de mediciones realizadas en lugares concretos.
¿Por qué ahorra energía el variador de velocidad?
Debido a que la utilización del variador de velocidad en los procesos de par variable es la que proporciona un mayor ahorro de energía, se verán cuáles son las características y por qué se ahorra en este tipo de carga.
Las cargas de par variable son las que involucran movimientos de fluido, como aire y agua, y el mayor número de estas aplicaciones son las bombas y los ventiladores centrífugos.
Primero se analizan cuáles son las leyes que rigen estos sistemas, que nos permiten tener ahorros de energía en velocidades menores a las nominales.
• En cualquier sistema de movimiento de fluido por medio de impulsores centrífugos, el caudal Q, que es un valor dado en volumen por unidad de tiempo (m3/min), siempre estará relacionado proporcionalmente con la velocidad del impulsor, es decir, el gasto es una función lineal de la variación de la frecuencia suministrada por el variador (Fig. 1).
• Este caudal Q, que es proporcional a la velocidad, es impulsado a diferentes presiones según cambie la velocidad de rotación, y la presión p, que está dada en unidades de fuerza por unidad de área (kgf/cm2), se comporta como una función cuadrática conforme cambie la velocidad del motor determinada por la frecuencia del variador.
• Para realizar este trabajo se necesita una determinada potencia N, expresada en (kW), a fin de producir el caudal con cierta presión, ya sea que este trabajo se realice por medios mecánicos o eléctricos, y la demanda de potencia para esta variación de velocidad se comportará a partir de una función cúbica de la velocidad de rotación del motor (Fig. 1).

Fig. 1. Curvas de operación en cargas de par variable.
Tabla 1
Tipo de carga: par variable (movimiento de aire)
Estas curvas de operación en cargas de par variable se justifican a partir de las relaciones de afinidad, llamadas también relaciones características, que no son más que ecuaciones que permiten predecir el funcionamiento de una turbina o bomba bajo condiciones diferentes a las de operación actual. Si expresamos como fórmula dichas relaciones, tenemos para el cambio de velocidad las ecuaciones siguientes para el gasto (Q), la presión (p) y la potencia (N):
Q = QR (n / nR)
P = PR (n / nR)2
N = NR (n / nR)3
Analicemos a partir de la tabla 1 el comportamiento hipotético de un ventilador centrífugo de 3 500 rpm que se debe operar a partir de un variador de velocidad a la mitad de su velocidad, es decir, 1 750 rpm.
Estas disminuciones de la potencia demandada en una relación cúbica son las que nos permiten tener ahorros de energía en las cargas variables a velocidades menores a las nominales, y el variador de velocidad es el único método de control de velocidad que da todo rango de velocidades según sean las demandadas, y no requiere de ningún equipo extra entre el motor y la carga.
En un sistema de manejo de fluidos no tendría ninguna ventaja instalar variadores de velocidad si las necesidades de caudal y presión no tuvieran variaciones, y siempre se requirieran las condiciones máximas de trabajo, pero generalmente los sistemas de bombeo e inyección de aire se diseñan originalmente considerando el punto máximo de operación.

Ventajas adicionales
Al utilizar los variadores de velocidad como método de control, se puede eliminar de la inversión inicial cualquier tipo de arrancador y protección del motor, pues estos desarrollan ambas funciones, inclusive mejorar cualquier tipo de arranque y protección, ya que estas operaciones son programables y evitan los picos de arranque al hacerlo suavemente, por consiguiente eliminan las presiones excesivas y golpes de ariete en turbinas, así como los esfuerzos a que se someten las partes mecánicas, que se producirían en arranques a tensión plena o reducida.
La instalación del variador de velocidad es tan sencilla como conectar un termomagnético, pues la conexión es similar, únicamente hay que respetar los terminales de alimentación y los del motor.
Eficiencia y racionalidad en la utilización de los recursos hídricos
Hoy se habla de la crisis mundial del agua porque 36% de la población vive en precarias condiciones de abasto de agua y medidas de saneamiento, y se prevé que en pocos años esta cifra se duplicará, debido a los siguientes factores:
1. Creciente demanda del agua por la agricultura, la industria y el consumo humano.
2. Uso indiscriminado y con baja eficiencia del agua.
3. Incremento sostenido de la contaminación.
Por otra parte, el abasto de agua es un fuerte y significativo consumidor de energía eléctrica y combustible, lo que la hace vulnerable a las fluctuaciones de su disponibilidad.
Por lo tanto, se puede inferir que la aplicación de los variadores de velocidad en motores eléctricos para el bombeo de agua presupone, además del ahorro de la energía eléctrica, la utilización de forma más racional y eficiente del agua, lo cual se fundamenta a partir de que los gastos volumétricos de las turbinas Q, que son proporcionales a la velocidad del motor, es decir, a la frecuencia que suministra el variador (Fig. 1). Esto permite regular la entrega de agua en un sistema de bombeo, en función de las necesidades reales de la demanda y, por lo tanto, evitar los despilfarros de agua al no poder controlar este parámetro en muchos procesos de suministro de agua en la industria y la agricultura.
A manera de conclusiones, se puede plantear que la aplicación de los variadores de velocidad en el control de motores eléctricos en sistemas de bombeo, a pesar de su inversión inicial (que se amortiza en un breve tiempo a partir de ahorro que introduce), logra una mayor eficiencia y racionalidad en la operación del sistema, debido a los niveles de ahorro de energía eléctrica que se obtienen y a la utilización eficiente y racional de los recursos hídricos, tan deprimidos en la actualidad.
Por todo esto, se recomienda continuar promoviendo el conocimiento sobre la utilización de los variadores de velocidad acoplados a motores de inducción que accionan turbinas centrífugas para el bombeo de agua, con el objetivo de lograr ahorros considerables de energía eléctrica y hacer un uso más eficiente y racional de los recursos hídricos.
* Ingeniero Electroenergético.
** Ingeniero Mecánico.
Profesores Asistentes de la Facultad de Ciencias Técnicas, del Instituto Superior Pedagógico Rafael María de Mendive, de Pinar del Río, Cuba.
e-mail: mjhh@isppr.rimed.cu
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