En las últimas décadas, el uso de variadores de frecuencia (VFD) en los motores de los sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC) se ha vuelto cada vez más común para gestionar el consumo de energía. En comparación con los motores eléctricos que funcionan a una velocidad constante, los motores equipados con VFD ofrecen ventajas significativas, ya que a menudo consumen el 50 por ciento o menos de la energía que utilizan los motores cuando funcionan directamente en línea. Los ahorros se hacen aún más evidentes en las grandes instalaciones comerciales e industriales, donde la eficiencia energética afecta el resultado final de una empresa. En términos simples, un VFD controla la velocidad de rotación de un motor eléctrico de corriente alterna (CA) ajustando la frecuencia de la corriente que fluye hacia el motor. Sin embargo, para comprender qué hacen los VFD en los sistemas HVAC, es importante observar cómo funcionan dentro de estos sistemas.
¿Qué son los variadores de frecuencia en los sistemas de climatización?
Dependiendo de la ubicación de la estructura en el mundo, los sistemas de climatización en entornos construidos normalmente solo funcionan con carga máxima durante períodos cortos a lo largo del año. Los variadores de frecuencia se instalan a menudo en estos sistemas para regular el funcionamiento de los compresores, ventiladores, bombas y otros componentes eléctricos del sistema de climatización para mejorar la eficiencia energética de un edificio. El variador de frecuencia ajustará la velocidad de los motores dentro del sistema según los requisitos operativos para reducir el gasto de energía.
En Estados Unidos, un informe publicado en 2013 por el Departamento de Energía (DOE) reveló que los sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC) representaban el 93 por ciento del consumo total de energía de los motores eléctricos en entornos comerciales. Los variadores de frecuencia se utilizan para ajustar la velocidad del motor y así reducir el consumo de energía y mejorar la eficiencia energética en entornos construidos.
Ventajas de los VFD en los sistemas HVAC
Cuando se introdujeron inicialmente para aplicaciones HVAC, los VFD tendían a aumentar los niveles de ruido, ocupaban un espacio considerable y estaban limitados por la potencia del motor. Sin embargo, estos impedimentos ya no son factores con los avances tecnológicos recientes. La principal ventaja para las instalaciones más grandes que utilizan VFD para aplicaciones HVAC es su capacidad de reducir sustancialmente el consumo de energía. Para las bombas centrífugas y los ventiladores, reducir la velocidad del motor HVAC en un 25 por ciento reducirá el consumo de energía en aproximadamente un 60 por ciento. De manera similar, cuando el motor que impulsa la bomba o el ventilador se reduce en un 50 por ciento, el consumo de energía cae casi un 90 por ciento.
El uso de un VFD en un sistema HVAC también puede extender la vida útil de los componentes del sistema. Con el motor funcionando a menos de la velocidad máxima, los sistemas HVAC habilitados con VFD experimentan menos desgaste con el tiempo. Además, los motores HVAC conectados a un VFD no se encienden ni se detienen con tanta frecuencia, una función que causa un desgaste considerable, y cuando lo hacen, no consumen una corriente de arranque alta. En lugar de poner en marcha el motor a toda velocidad, el VFD aumenta lentamente la velocidad del motor. Esto también provoca menos tensión en los devanados del motor y otras piezas de HVAC aguas abajo.
Los VFD en los sistemas de HVAC también proporcionan un mayor control sobre el funcionamiento del edificio. Por ejemplo, un edificio alto de varios pisos a menudo utiliza sistemas de bombas de refuerzo para garantizar una presión de agua adecuada en cada nivel. Con las bombas de refuerzo convencionales, la presión del agua no se puede mantener con precisión. Por el contrario, los sistemas de bombas de refuerzo controlados por un VFD podrán mantener una presión de agua precisa y, al mismo tiempo, reducir los requisitos de energía del sistema. En las plantas de refrigeración, un VFD a menudo podrá regular la velocidad del compresor para mantener los puntos de ajuste de temperatura tanto para el suministro de agua como de aire.
Al ofrecer un mayor control, un VFD permite ajustes más exactos de la velocidad a la que los motores de HVAC impulsan los compresores, ventiladores y bombas para alterar el flujo de aire en todo el sistema. Esto, a su vez, mejora las condiciones interiores para los ocupantes, lo que permite un mayor control de la temperatura y la presión del aire, el dióxido de carbono y los niveles de humedad en todos los niveles de un edificio. Si bien los VFD se utilizan ampliamente para accionar compresores, ventiladores y bombas, también pueden informar parámetros eléctricos como el consumo de corriente y potencia, la frecuencia, la velocidad y el par del motor. Estos indicadores se pueden utilizar para diagnósticos y para detectar fallas, lo que mejora la confiabilidad de un sistema HVAC y reduce los gastos de mantenimiento.
En resumen, los VFD ofrecen las siguientes ventajas:
- Capacidades de arranque suave que disminuyen la corriente de entrada para reducir el estrés eléctrico y mecánico del motor y, al mismo tiempo, mejorar la confiabilidad
- Regulación de la velocidad del motor de una manera más fluida, sin tirones ni saltos
- Reducción considerable del consumo de energía al suministrar solo la energía necesaria
- Mejora del factor de potencia de los motores
- Habilitación de sistemas de monitoreo para mejorar aún más la eficiencia y el rendimiento
Con todas estas ventajas, no es de extrañar que cada vez se instalen más variadores de frecuencia en los sistemas HVAC. Ya sea en un sistema HVAC nuevo o existente, el costo adicional de un VFD puede generar un retorno de la inversión en un tiempo relativamente corto, generalmente menos de tres años.
¿Para qué se utiliza específicamente el VFD en HVAC en las instalaciones?
Los sistemas HVAC en instalaciones comerciales o industriales rara vez necesitan funcionar en condiciones de carga máxima, aunque están diseñados con esto en mente. El diseño del sistema de las unidades HVAC comerciales e industriales garantiza que el motor pueda manejar estas cargas máximas. Debido a esto, los sistemas HVAC que utilizan motores sin un VFD consumirán considerablemente más energía, en particular para las bombas y los ventiladores del sistema.
Problemas que causan los variadores de frecuencia en los sistemas HVAC
La eficiencia energética se ha convertido en una prioridad en todo el mundo, por lo que los VFD se han promocionado como un medio para reducir fácilmente el consumo de electricidad en muchas instalaciones al permitir que los motores funcionen por debajo de la velocidad máxima. A menudo, los ventiladores y las bombas de los sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado funcionan constantemente, por lo que el uso de un VFD garantizará que el motor consuma menos energía cuando se reduzca la demanda. Aunque la velocidad del motor se puede controlar mediante un mecanismo de regulación, esto es un desperdicio, ya que el exceso de energía que produce el motor simplemente se convierte en calor. Los VFD son mucho más eficientes. Por ejemplo, reducir la velocidad de un ventilador a la mitad reduce la potencia necesaria en un factor de ocho.
Esto significa que un motor de 100 caballos de fuerza que impulsa un ventilador requeriría poco más de 12 caballos de fuerza cuando la velocidad del ventilador se reduce a la mitad, lo que resulta en una reducción considerable del gasto de energía. Estos ahorros pueden superar el 30 por ciento. Si bien esto es una ventaja para los administradores de instalaciones y las empresas con las que trabajan, los VFD también tienen desventajas. Cuando funcionan a cualquier velocidad, los VFD pueden producir corrientes parásitas que provocan daños en los cojinetes que acortan la vida útil del motor. Esto puede eliminar potencialmente cualquier ahorro que proporcione el VFD, ya que los costos de tiempo de inactividad y reparación o reemplazo de piezas lo consumen. Por este motivo, los sistemas HVAC necesitan protección para los cojinetes de sus motores.
La necesidad de conexión a tierra del eje en los sistemas HVAC
Nunca se ha discutido que los VFD ahorran energía, pero durante muchos años, la falla prematura de los cojinetes en los motores habilitados con VFD a menudo no se diagnosticaba correctamente. Después de muchas pruebas, se determinó que la erosión de los cojinetes de los motores controlados por VFD resultó en daños eléctricos causados por una combinación de tiempos de aumento de voltaje rápidos, voltajes pico altos, salida de corriente y voltaje no sinusoidal y capacitancia parásita dentro del motor. Como los motores modernos tienen cojinetes de motor sellados para evitar la entrada de contaminantes, es probable que la causa más común de falla de cojinetes en motores con VFD sea ahora el daño eléctrico de los cojinetes.
La Asociación Nacional de Fabricantes Eléctricos (NEMA) promueve normas que destacan esta necesidad de proporcionar protección adicional a los cojinetes de los motores equipados con un VFD. Existen varias formas de proteger los cojinetes del motor. Un método consiste en utilizar cojinetes cerámicos para evitar que la corriente pase a través de ellos, aunque son caros. Esto también puede provocar que el daño eléctrico se traslade al equipo acoplado, ya que la corriente parásita sigue buscando un camino hacia tierra. Otro método implica aislar los cojinetes, aunque esto tiene inconvenientes similares a los de los cojinetes cerámicos. Los cojinetes aislados también sufren ocasionalmente daños eléctricos en la pista no aislada.
Anillos de puesta a tierra de ejes AEGIS®
El uso de un anillo de conexión a tierra es la mejor opción para proteger los cojinetes de los motores de HVAC. El anillo de conexión a tierra del eje AEGIS®, fabricado por Electro Static Technology, está especialmente diseñado para canalizar la corriente desde el eje del motor hasta el bastidor (y luego a tierra). Sus microfibras conductoras proporcionan una ruta de menor resistencia a tierra que los cojinetes del motor. De esta manera, los cojinetes del motor están protegidos, y también otros componentes conectados al motor. Los anillos AEGIS brindan protección total para motores pequeños, de 100 hp (75 kW) o menos. Los motores más grandes también requieren un cojinete aislado en el extremo opuesto del anillo, para interrumpir la corriente circulante.
Con millones de instalaciones, el anillo AEGIS® se puede utilizar en unidades de tratamiento de aire en interiores y exteriores, bombas de agua helada, enfriadores, compresores, ventiladores de condensación, paredes de ventiladores, sistemas de techo, ventiladores de ventilación y otras aplicaciones de HVAC.
En Electro Static Technology, confiamos tanto en los anillos AEGIS que ofrecemos una garantía extendida de 2 años contra daños por estrías en los cojinetes. Ninguna otra forma de puesta a tierra del eje ofrece una garantía como ésta.