Solución de problemas de energía en el equipo HVAC

Un variador de frecuencia (VFD) no varía la velocidad del ventilador de aire de descarga. Un motor se sobrecalienta y falla prematuramente. Los controles programables que generalmente funcionan sin problemas experimentan repentinamente problemas cuando funcionan con energía de reserva. Un VFD se dispara sin motivo aparente en un sistema de agua enfriada, lo que genera una alarma de alta temperatura. Se dispara un disyuntor, lo que provoca el apagado del sistema; sin embargo, la lectura de una pinza amperimétrica no revela un flujo de corriente anormal en el sistema después del reinicio.

Si bien cada problema de resolución de problemas en un sistema HVAC presenta su propio conjunto único de circunstancias, los profesionales de mantenimiento pueden reconocer tales problemas como posibles problemas de calidad de la energía.

Buscando la verdadera causa
La electrónica es la base de los sistemas de control modernos. Los controles programables, relés de estado sólido, sensores, transductores, variadores de frecuencia en ventiladores y bombas de agua enfriada, y controles electrónicos en actuadores, son todos susceptibles a problemas que los controles más antiguos, puramente electromecánicos, no tenían. Estos problemas suelen ser el resultado de la calidad del voltaje y la corriente que se suministran al equipo HVAC. La "calidad de la energía" deficiente es la energía eléctrica que no cumple con los parámetros especificados.

Al igual que con todas las formas de resolución de problemas de HVAC, los técnicos deben comprender las fuentes de los problemas potenciales para poder resolverlos. Los problemas inexplicables a menudo se atribuyen a equipos electrónicos defectuosos.
Sin embargo, es posible que la causa real no esté en absoluto en el equipo electrónico.

Pistas falsas o engañosas
Por ejemplo, un VFD que no varía correctamente la descarga (la velocidad del ventilador de aire puede ser el resultado de varios problemas del sistema) desde una anulación del DDC iniciada en el VFD, hasta un sensor de presión estática defectuoso o una fuga excesiva en el conducto. Si bien la causa de la falla inicial rara vez reside en el VFD en sí, el VFD puede de hecho estar causando otros problemas del sistema. Los motores se sobrecalientan, ocurren disparos molestos de los interruptores automáticos o fusibles quemados inexplicables, y pueden ocurrir falsas alarmas en otras partes del sistema de control digital. Dado que todas estas pueden ser características del funcionamiento normal del VFD, los técnicos siempre deben rastrear el problema hasta la fuente.

En un caso, un VFD alimentado por ventilador se dispararía inadvertidamente en un sistema de enfriamiento cuando se transfiriera energía de la fuente habitual a la fuente de reserva. El resultado fueron alarmas de alta temperatura en el equipo suministrado debido a una refrigeración inadecuada. Los VFD están diseñados para soportar una cierta cantidad de interrupción de voltaje en un sistema. Sin embargo, si se exceden las especificaciones del VFD para tales fallas, el VFD se apagará.

En este caso, primero se pensó que el accionamiento electrónico tenía la culpa. Sin embargo, la investigación de los parámetros operativos del VFD y el registro de los valores de voltaje y corriente durante las transferencias de energía del sistema revelaron la verdadera causa del problema:el tiempo del interruptor de transferencia era a menudo demasiado largo para admitir el funcionamiento del VFD.

En otro caso, un VFD en un terminal VAV se desconectaría cuando se suministra energía desde la fuente de energía de reserva. Se descubrió que el problema era la incapacidad del generador de reserva para proporcionar suficiente calidad de energía para operar el VFD. Las fluctuaciones de voltaje cuando estaba en modo de espera provocaban disparos en el VFD. La solución fue colocar el VFD en operación de derivación cuando estaba en modo de espera, evitando así los controles electrónicos de velocidad variable.

La raíz de los problemas de calidad de la energía
El equipo electrónico funciona tomando corriente alterna y convirtiéndola en corriente continua para su uso por componentes electrónicos. Este proceso crea corrientes armónicas que fluyen de regreso al sistema. Estas corrientes armónicas pueden causar sobrecalentamiento y también distorsionar las ondas sinusoidales corriente arriba de la electrónica.

Las corrientes armónicas son corrientes que aparecen en múltiplos de la frecuencia fundamental de 60 hercios (Hz). Por ejemplo, el tercer armónico es la corriente que fluye a 180 Hz (60 x 3); el quinto armónico es la corriente que fluye a 300 Hz (60 x 5), y así sucesivamente.

Cómo medir armónicos
Los técnicos miden los niveles de los distintos armónicos y la cantidad de distorsión creada para determinar si los armónicos están creando problemas. Utilice un analizador de calidad de energía para medir los niveles de armónicos y la distorsión. La medida clave es la distorsión armónica total (THD) de voltaje.

Configure el analizador de acuerdo con las instrucciones y lea la THD directamente en la cara del medidor. La THD no debe exceder el 5 por ciento cuando se mide en el punto donde el alimentador que suministra el VFD también está suministrando otras cargas. Este es el punto de acoplamiento común (PCC).

Si la THD del voltaje excede las limitaciones, consulte con el fabricante del VFD para determinar la mejor solución. Esto puede incluir la instalación de un reactor de línea o un transformador de aislamiento. Aprender a usar un analizador de calidad de energía no es difícil, y estos esfuerzos generalmente superan con creces el costo del tiempo de inactividad del sistema HVAC.

Fallo del motor
Otro problema de calidad de la energía que se experimenta en los sistemas HVAC es la falla del motor, especialmente los suministrados por VFD. Esta tasa de fallas puede aumentar si el motor tiende a funcionar a velocidades más lentas típicas de muchas aplicaciones. Las fallas a menudo incluyen sobrecalentamiento, ruptura del aislamiento o falla prematura de los rodamientos.

Todas estas fallas se pueden atribuir a las características operativas normales de los VFD. El accionamiento electrónico varía el voltaje y la frecuencia del motor para variar su velocidad. Desafortunadamente, también se suministran corrientes armónicas al motor, lo que puede provocar un sobrecalentamiento. Este voltaje y corriente de “modulación de ancho de pulso” suministrados al motor también pueden dañar el aislamiento, lo que resulta en una falla prematura y falla del motor. Las corrientes también pueden fluir a través de los cojinetes del motor, acortando en gran medida su vida útil.

La mejor solución a todos estos problemas es utilizar motores con capacidad de inversor especialmente diseñados para su uso en variadores de frecuencia.

Desequilibrio de voltaje
Los motores trifásicos que no son alimentados por un VFD también pueden fallar debido a otro problema de calidad de energía:desequilibrio de voltaje. Un voltaje de fase que está desequilibrado en tan solo un 1 por ciento puede resultar en un desequilibrio de corriente del motor de seis a diez veces mayor. Tales cantidades excesivas de flujo de corriente pueden resultar rápidamente en motores sobrecalentados.

Para determinar el desequilibrio, mida el voltaje de fase a fase para cada una de las fases, A-B, A-C y B-C. Sume las tres lecturas y divida por tres. Este es el voltaje promedio de fase a fase. Si alguna de las tres lecturas individuales varía en más del 1 por ciento del promedio, tiene un desequilibrio de voltaje.

Con un desequilibrio de voltaje del 5 por ciento, el motor generalmente se sobrecalienta y se destruye. Generalmente, el problema es que una fase individual suministra demasiadas cargas monofásicas. Estas cargas deben distribuirse uniformemente entre las fases del tablero para corregir el problema.

Directrices generales
Todos los equipos eléctricos y electrónicos de HVAC tienen parámetros de suministro eléctrico especificados. No cumplirlos simplemente garantizará que el equipo no funcione según lo planeado. Un terminal VAV alimentado por ventilador es un ejemplo típico de equipo con requisitos específicos de suministro eléctrico.

Cuando experimente un funcionamiento errático de este equipo, verifique que se cumplan los parámetros de suministro eléctrico. Para dicho equipo, el voltaje de entrada de CA debe estar dentro del 10 por ciento del voltaje nominal a la frecuencia nominal. La placa de identificación mostrará el voltaje nominal del equipo. Por ejemplo, el equipo con una potencia nominal de 208 voltios debe tener un voltaje de suministro que se encuentre entre 187 V y 229 V. No es raro encontrar voltajes bajos al solucionar problemas del equipo.

Herramientas
También es importante utilizar un medidor de verdadero valor eficaz al medir valores de voltaje y corriente. Los sistemas HVAC modernos de hoy no solo producen corrientes armónicas, sino que también pueden funcionar incorrectamente debido a las distorsiones de onda sinusoidal creadas por tales armónicos. Un medidor de respuesta promedio, utilizado por muchos técnicos de HVAC, no dará lecturas precisas si hay armónicos presentes.

Los medidores de respuesta promedio leen la corriente y el voltaje de formas de onda sinusoidales a 60 Hz sin armónicos presentes. Las cargas no lineales, como los VFD, producen formas de onda, corrientes y voltajes no sinusoidales en varias frecuencias. Debe usar el medidor correcto para leer los valores en estos circuitos de suministro. Solo los medidores de verdadero valor eficaz le darán las lecturas correctas.

Voltaje de suministro
Si el voltaje de suministro está por debajo de la especificación de bajo voltaje, puede esperar dos problemas con el equipo HVAC. Primero, la vida útil del motor se acortará a medida que los motores consuman un exceso de corriente para producir los caballos de fuerza necesarios al voltaje más bajo. En segundo lugar, la electrónica no funcionará correctamente ya que la parte de la fuente de alimentación de los controles electrónicos no tendrá suficiente voltaje para cargar los condensadores en sus circuitos de filtrado.

Los componentes electrónicos, que normalmente funcionan a solo 5 voltios CC, ahora se verán muy afectados por un voltaje de entrada bajo. Espere un funcionamiento errático y falsas alarmas, según la gravedad del bajo voltaje de entrada. Y recuerde, sin el medidor de verdadero valor eficaz, es posible que no tenga una imagen precisa del voltaje de suministro real.

También se requiere que la energía de CA esté dentro del 5 por ciento de la frecuencia nominal al voltaje nominal en un terminal VAV típico. Generalmente, esto no es un problema cuando se opera con energía de la red pública. Sin embargo, los profesionales de HVAC informan de numerosos problemas tanto con el voltaje como con la frecuencia cuando operan con generadores de reserva. Asegúrese de verificar todas las especificaciones de suministro eléctrico entrante para todas las fuentes de energía necesarias para el sistema HVAC.

Un requisito adicional del fabricante del equipo es que el suministro "debe cumplir con una variación combinada en el voltaje y la frecuencia del 10 por ciento (la suma de los valores absolutos) de los valores nominales, siempre que la variación de frecuencia no exceda el 5 por ciento de la frecuencia nominal". Una vez más, es más probable que el equipo presente este problema cuando funciona con energía de reserva. Hay varias opciones disponibles para estabilizar los problemas de control cuando se opera con energía de reserva. Si bien esto requiere trabajar con los ingenieros y técnicos de sistemas apropiados, el primer paso es asegurarse de tener lecturas precisas para respaldar su afirmación de que el problema de control reside en la energía de reserva inestable.

En resumen
Muchos problemas de resolución de problemas de HVAC continuarán resolviéndose mediante tareas rutinarias como verificar fusibles, probar la presencia de voltaje en un contactor y verificar que el flujo de corriente no exceda los datos de la placa de identificación del motor. Sin embargo, los sistemas que contienen controles electrónicos y VFD tendrán problemas debido a problemas de calidad de la energía.

Hoy en día, muchos profesionales de HVAC están ampliando sus habilidades y conocimientos en esta área. Cuantos más controles se utilicen en los sistemas de climatización y de edificios, más problemas de calidad de la energía surgirán. El uso de medidores y analizadores de verdadero valor eficaz que registran los parámetros eléctricos a lo largo del tiempo mejorará enormemente el aislamiento y la corrección de problemas de mala calidad de la energía. El conocimiento adecuado, junto con las herramientas adecuadas, contribuye en gran medida a ayudar a los profesionales de mantenimiento a resolver muchos problemas asociados con los sistemas HVAC actuales.

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