2. ¿Por qué fallan los motores estándar en los variadores de frecuencia de las bombas?
3. Circuito integrado YVF2 IC416 a baja velocidad
4. Cálculo del ahorro energético calculado
5. Periodo de recuperación de la inversión y retorno de la inversión del proyecto.
6. Especificaciones YVF2 para variador de frecuencia de bomba
7. Aplicaciones de variadores de frecuencia para bombas
8. Preguntas frecuentes
1. Ley de afinidad y potencial de ahorro energético
La ley de potencia de las bombas centrífugas establece que la potencia del eje de la bomba es proporcional al cubo de la velocidad: P₂ = P₁ × (n₂/n₁)³. Esta relación cúbica entre velocidad y potencia es la base del argumento económico para el control de velocidad mediante variadores de frecuencia en los accionamientos de bombas centrífugas. Incluso reducciones modestas de velocidad generan grandes ahorros de energía, ya que el ahorro se amplifica cúbicamente.
| Reducción de velocidad | % de velocidad máxima | Potencia como % de velocidad máxima | Ahorro de energía | Reducción de flujo |
|---|---|---|---|---|
| −5% | 95% | 85.7% | 14.3% | 5% |
| −10% | 90% | 72.9% | 27.1% | 10% |
| −20% | 80% | 51.2% | 48.8% ↑ | 20% |
| −30% | 70% | 34.3% | 65.7% | 30% |
| −40% | 60% | 21.6% | 78.4% | 40% |
La regulación de la válvula de descarga de la bomba para reducir el caudal no disminuye proporcionalmente la potencia consumida por el motor. Cuando la válvula está parcialmente cerrada, la bomba opera a una altura de elevación mayor en su curva, lo que resulta menos eficiente que su punto óptimo de eficiencia. El motor continúa consumiendo casi toda su potencia, mientras que la mayor parte de esa energía se disipa en forma de calor a través de la restricción de la válvula, en lugar de transformarse en trabajo hidráulico útil. El control de velocidad mediante variador de frecuencia elimina este desperdicio: la bomba produce exactamente el caudal requerido, a la altura de elevación correcta, en el punto óptimo de eficiencia de su curva para esa condición de funcionamiento.
2. ¿Por qué fallan los motores estándar en los variadores de frecuencia para bombas?
Una bomba equipada con un variador de frecuencia (VFD) suele operar a una velocidad nominal de entre 40 y 801 TP3T durante los periodos de baja demanda. A estas velocidades reducidas, el ventilador montado en el eje de un motor IC411 estándar produce un flujo de aire de refrigeración de tan solo 6 a 511 TP3T a velocidad máxima, mientras que el motor debe generar suficiente par para superar la fricción de la bomba y mantener el flujo contra la presión del sistema. La reducción de la refrigeración, combinada con la producción continua de par, provoca que la temperatura del bobinado supere el límite de la Clase F, acelerando el envejecimiento del aislamiento y provocando una falla prematura del motor en un plazo de 2 a 5 años, en un sistema para el que fue diseñado para funcionar durante 20 años o más.
Los variadores de frecuencia modernos basados en IGBT conmutan a frecuencias de 2 a 16 kHz, generando picos de tensión de 1000 a 1600 V en los terminales del motor (amplificados por los efectos de reflexión de la longitud del cable). El aislamiento del bobinado estándar de los motores de clase F está diseñado para formas de onda de tensión sinusoidal; los picos de tensión repetidos de alta frecuencia provocan descargas parciales en el aislamiento del bobinado y una ruptura progresiva del mismo. Este modo de fallo está completamente ausente cuando el motor funciona con una alimentación sinusoidal de frecuencia fija, pero se convierte en el principal mecanismo de fallo cuando un motor estándar se conecta a un variador de frecuencia sin las especificaciones de aislamiento adecuadas.
La tensión de modo común del variador de frecuencia induce corrientes en el eje que se descargan a través de los cojinetes del motor, provocando el mecanizado por descarga eléctrica (EDM) de las pistas de rodadura. Esto produce escarcha y estrías características en la superficie de la pista, mayor vibración y fallo del cojinete en un plazo de 6 a 24 meses. Los motores de bomba conectados a variadores de frecuencia sin protección contra corrientes en los cojinetes (cojinete NDE aislado o anillo de puesta a tierra del eje) fallan por daños en los cojinetes antes de que el fallo del aislamiento tenga tiempo de desarrollarse. Ambos mecanismos de fallo deben abordarse simultáneamente en la especificación del motor YVF2 para variadores de frecuencia de bomba.
3. Refrigeración del IC416 YVF2 a baja velocidad de la bomba
La serie YVF2 de Korea Ever-Power utiliza refrigeración forzada IC416: un motor de ventilador independiente, montado en el extremo opuesto al de accionamiento, proporciona un flujo de aire de refrigeración constante a través del bastidor del motor, independientemente de la velocidad del eje principal del motor. Cuando el variador de frecuencia reduce la velocidad del motor de la bomba a 50% (25 Hz) para un funcionamiento de baja demanda, el ventilador IC416 continúa proporcionando un flujo de aire de refrigeración nominal de 100%, lo que permite que la YVF2 genere el par nominal completo a esta velocidad reducida sin ninguna pérdida de potencia por sobrecalentamiento.
El ventilador IC416 se alimenta de la red trifásica principal (no de la salida del variador de frecuencia), lo que garantiza que funcione a su velocidad nominal máxima independientemente de la frecuencia del variador. El motor del ventilador suele tener entre 1/20 y 1/10 de la potencia nominal del motor principal (para un YVF2 de 22 kW, el ventilador tiene aproximadamente entre 0,18 y 0,37 kW), y su consumo energético es insignificante en comparación con el ahorro de energía que supone el control de velocidad mediante variador de frecuencia en el accionamiento de la bomba principal.
| Velocidad | Refrigeración IC411 | Refrigeración IC416 |
|---|---|---|
| 50 Hz (100%) | 100% | 100% |
| 40 Hz (80%) | 51% | 100% |
| 25 Hz (50%) | 12.5% | 100% |
| 15 Hz (30%) | 2.7% | 100% |
| 0 Hz (estático) | 0% | 100% |
4. Cálculo del ahorro energético — Bomba de 22 kW
Eficiencia del motor (IE3): 92,6%
Horas de funcionamiento anuales: 8.000 h/año
Tarifa eléctrica: $0,13 / kWh
Demanda promedio como % a velocidad máxima: 82%
Control de la válvula de aceleración a máxima velocidad: Sí
Energía anual actual: 23,76 × 8.000 = 190.080 kWh
Coste anual actual: 190.080 × $0,13 = $24,710
Con variador de frecuencia a velocidad media de 82%:
Factor de potencia promedio: (0,82)³ = 55,1% de potencia nominal
Potencia de entrada del variador de frecuencia: 23,76 × 0,551 = 13,09 kW
Energía anual: 13,09 × 8.000 = 104.720 kWh
Coste anual: 104.720 × $0,13 = $13,614
5. Periodo de recuperación de la inversión y retorno de la inversión del proyecto.
Para el ejemplo de 22 kW mencionado anteriormente, una modernización típica de una bomba con variador de frecuencia (VFD) consta de: unidad VFD (22 kW, montaje en panel IP54) $2,500–4,000; motor YVF2 de 22 kW para variador de frecuencia $1,200–1,800; mano de obra para reemplazo del motor y alineación del acoplamiento $300–500; instalación eléctrica y puesta en marcha del VFD $800–1,200; transmisor de presión para control PID (si no está instalado previamente) $200–400. El costo total del proyecto es de aproximadamente $5,000–7,900, dependiendo de las condiciones del sitio y la infraestructura existente.
El control de velocidad mediante variador de frecuencia (VFD) en los accionamientos de bombas centrífugas ofrece beneficios adicionales más allá del ahorro energético directo: (1) Eliminación del golpe de ariete: el VFD desacelera la bomba de forma controlada en lugar de instantáneamente, evitando el aumento repentino de presión que daña las válvulas, las juntas y la instrumentación. (2) Menor desgaste de la bomba: operar a velocidad reducida reduce el desgaste del impulsor, el desgaste de los sellos y las cargas sobre los cojinetes. (3) Mayor vida útil del motor: la velocidad reducida implica menor corriente, un motor más frío y una mayor vida útil del bobinado y los cojinetes. (4) Control preciso de caudal y presión: el VFD puede modular la velocidad de la bomba en respuesta a una señal de presión o caudal del proceso, eliminando la necesidad de una válvula de control independiente en la línea de descarga.
El ahorro energético aumenta aproximadamente de forma lineal con la potencia del motor para la misma reducción de velocidad media. Una bomba de 37 kW a una velocidad media de 821 TP3T ahorra aproximadamente 1 TP4T18 700 al año; una bomba de 75 kW ahorra 1 TP4T37 800 al año. Para instalaciones con varias bombas controladas por válvula de estrangulamiento, el ahorro total puede justificar un programa de modernización de variadores de frecuencia (VFD) en toda la instalación, con un retorno de la inversión inferior a 2 años, incluso con reducciones de velocidad media estimadas de forma conservadora.
6. Especificaciones YVF2 para variador de frecuencia de bomba centrífuga
La serie Korea Ever-Power YVF2 es la especificación de motor correcta para todas las aplicaciones de modernización y construcción de bombas centrífugas con variador de frecuencia (VFD). Combina refrigeración forzada IC416 para un par máximo a cualquier velocidad, aislamiento de bobinado de clase H para VFD para una resistencia a largo plazo a los picos de tensión PWM y protección de bobinado con termistor PTC de serie. El YVF2 utiliza las mismas dimensiones de bastidor IEC 72-1 que la serie Y2 estándar, lo que permite reemplazar un motor Y2 existente en una modernización de bomba sin modificar la placa base, el acoplamiento o las tuberías de la bomba. La gama completa YVF2 está disponible en Sección de productos de motores para variadores de frecuencia.
| Rango de potencia | 0,75–200 kW |
| Postes (bomba) | 2P (2900 rpm) o 4P (1450 rpm) |
| Enfriamiento | Ventilador forzado IC416 |
| Aislamiento | Formulación de clase H para variadores de frecuencia |
| Rango de velocidad | 0–120 Hz |
| Termistores PTC | Bobinado del estator estándar 3× |
| Protección | Estándar IP54 |
| Compatibilidad del marco | IEC 72-1 — igual que la serie Y2 |
7. Aplicaciones de variadores de frecuencia para bombas
Bomba de agua fría para servicios de edificios
Los grupos de bombas de agua fría primarias y secundarias en los sistemas HVAC de edificios comerciales representan la aplicación de mayor impacto para la modernización con variadores de frecuencia (VFD) debido a su tamaño (de 7,5 a 90 kW), su funcionamiento continuo (8000 horas al año) y su perfil de carga altamente variable (carga completa solo durante los días pico de verano). La modernización con VFD y motores YVF2 en las bombas de servicios de edificios suele lograr una reducción del 40 al 60 por ciento en el consumo de energía de la bomba, con periodos de recuperación de la inversión inferiores a 12 meses en la mayoría de los edificios con arrancadores de bomba DOL o estrella-triángulo existentes. |
Agua de refrigeración para procesos industriales
Las bombas de agua de refrigeración de proceso que alimentan intercambiadores de calor, reactores y circuitos de refrigeración de compresores en plantas químicas y de fabricación operan con un caudal muy variable a medida que las cargas de proceso cambian con el programa de producción y la temperatura ambiente. Los accionamientos de bomba YVF2, modulados por una señal diferencial de temperatura o presión del agua de retorno de refrigeración, mantienen la carga de refrigeración mínima requerida, a la vez que reducen el consumo de energía de la bomba entre un 30 y un 50 % en comparación con el funcionamiento a velocidad fija con control de válvula de derivación. |
Las bombas de refuerzo para el suministro de agua municipal y los grupos presurizadores para edificios con variador de frecuencia (VFD) mantienen una presión de salida constante en un amplio rango de caudales. El modelo YVF2 de 2 polos (2900 rpm) y de 3,0 a 30 kW cubre la mayoría de las aplicaciones de presurización.
Las estaciones de bombeo para riego agrícola con demanda variable y sistemas principales de caudal variable se benefician del control de velocidad mediante variador de frecuencia (VFD) para mantener una presión de descarga constante a medida que cambian las posiciones de las válvulas de campo. El variador YVF2 de 4 polos y potencia de 11 a 90 kW es ideal para el accionamiento de bombas de riego principales.
La bomba auxiliar para el mantenimiento de la presión del sistema contra incendios funciona de forma intermitente a un caudal muy bajo para compensar las fugas del sistema. El control de velocidad mediante variador de frecuencia elimina los ciclos de encendido y apagado, manteniendo una presión constante con muchos menos arranques y eliminando las fluctuaciones de presión causadas por los arranques directos repetidos.
Bombas de retorno de condensado de vapor en sistemas de calderas industriales. El volumen de retorno de condensado varía según la demanda de vapor. El control de velocidad mediante variador de frecuencia (VFD) en la bomba de condensado elimina el desbordamiento hacia el desagüe y reduce el desgaste de la bomba por el ciclo frecuente de encendido y apagado ante un interruptor de nivel de condensado.
8. Preguntas frecuentes
Editado por Cxm
