Variadores de velocidad modernos: Impulsando la eficiencia y fiabilidad de las bombas

El siguiente es un extracto de mi artículo reciente "Blown Away" para Water & Wastes Digest. La versión completa puede leerse en línea o en la edición de octubre de la revista.

Los variadores de velocidad modernos (VSD) se han utilizado con equipos de desplazamiento positivo durante más de 20 años. La tecnología VSD se originó en los años 60 para motores DC pequeños y evolucionó para su uso en grandes motores de inducción. La tecnología de modulación de ancho de pulso (PWM) usando transistores bipolares de puerta aislada condujo a opciones más pequeñas, económicas y de uso más amplio. Pronto siguieron diseños de motores para servicio de inversor (VSD), junto con el uso generalizado de tecnología VSD para aplicaciones de carga variable. Los sopladores de lóbulos de desplazamiento positivo (PD) se usan a menudo en estas aplicaciones de carga variable, y la tecnología VSD puede proporcionar ahorros energéticos adicionales.

Los sopladores de lóbulos PD se han utilizado desde su invención en 1856 por los hermanos Roots. Como cualquier máquina PD, el caudal volumétrico entregado es aproximadamente proporcional a la velocidad de operación del soplador. La mayoría de los sopladores de lóbulos rotativos son accionados por correa, y la velocidad de operación del soplador se establece por la relación de tamaño entre la polea del motor y la del elemento del soplador. Como resultado, los sopladores se dimensionaban según las necesidades de la aplicación, con las relaciones de polea correctas en unidades accionadas por correa, durante muchas décadas.

La única forma de ajustar el caudal de salida de una máquina en operación era mediante una válvula de alivio para descargar parte del flujo de descarga o arrancar/parar máquinas en la misma tubería de cabecera. Estos métodos proporcionaban una salida de flujo variable para aplicaciones que lo requerían, incluyendo aireación en tratamiento de aguas residuales, fermentación aeróbica, y aire de combustión y refrigeración. Sin embargo, esto proporcionaba ahorros limitados en eficiencia energética.

Eficiencia del VSD

En los años 90, la nueva tecnología VSD y los diseños para motores de inducción trifásicos de servicio de inversor hicieron económico proporcionar paquetes de velocidad variable. En lugar de usar una válvula de descarga o arranque/parada, el VSD variaba directamente la frecuencia de salida del soplador. Variar la velocidad de operación ajusta la curva presión vs. caudal, con velocidades más bajas desplazando menos volumen de flujo.

Esto es significativo porque reducir la velocidad del soplador puede ser más eficiente que descargar aire. Un soplador funcionando a velocidad nominal en un VSD comparado con uno de velocidad fija tendrá la misma salida de flujo y requerirá una mayor cantidad de potencia de entrada debido a pérdidas eléctricas. Con equipos VSD modernos, esta pérdida es típicamente inferior al 3 %. Sin embargo, con mayor reducción de flujo, se puede ahorrar más energía. Un soplador de lóbulos operando con VSD tiene un rango de reducción del 60 al 70 %, lo que significa que el caudal mínimo es un 60 a 70 % menor que el máximo.

Para un soplador operando con válvula de descarga, este sigue produciendo la misma cantidad de flujo en el soplador, y una ligera disminución potencial en la presión del sistema es el único beneficio energético. Por tanto, un VSD puede ofrecer casi un 60 a 70 % de ahorro energético en un proceso que requiera 60 a 70 % menos flujo que la salida nominal del soplador. Para cualquier aplicación con gran demanda variable de flujo, estos ahorros pueden amortizar fácilmente el coste de inversión del VSD.

La capacidad de aumentar la velocidad de operación más allá de la frecuencia base —60 Hz en EE. UU.— es un beneficio adicional del VSD. Equipos antiguos pueden modernizarse con VSD y un motor más grande para aumentar la salida de rendimiento. Los costes de inversión para esta modernización son considerablemente menores que comprar equipos nuevos para obtener un flujo ligeramente superior.

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