Variadores de Frecuencia de Motores (VFD)

En más de una ocasión se ha encontrado con la situación de que su personal no sabe cómo calcular el tamaño adecuado de una bomba para un circuito dado, ya sea porque el diseño original tiene una serie de "supuestos" que son desconocidos, como las caídas de presión en filtros profundos, manifolds, etc, o porque los cálculos requeridos para seleccionar la bomba son tediosos y numerosos...

Es en esos momentos en que se toma la "vieja confiable" decisión de comprar una bomba sobredimensionada para la tarea y desde ahí improvisar el proceso. Bueno, esto no sería problema si no fuese porque en la industria debemos realizar acciones coherentes con nuestro objetivo de ser rentables. Una bomba sobredimensionada genera los siguientes problemas:

• Flujos y presiones fuera de los rangos de producción requeridos.
• Movimiento de catalizador o de resina desde los reactores o camas hacia zonas no deseadas.
• Generación de circuitos paralelos o de retorno auxiliares para controlar los flujos o presiones.
• Uso de válvulas para restringir el paso (flujo o presión)
• Pérdidas económicas debido a consumo de energía

Estos y otros problemas adicionales son causados por una pobre selección de la bomba... Pero no es el único escenario en el cual un industrial puede requerir instalar una bomba en un punto de operación fuera de lo requerido. También existen justificaciones para ello, como bombas que realizan diferentes operaciones, o que deben impulsar fluidos con diferentes características reológicas. Entonces... ok, se puede justificar el uso de una bomba fuera de su BEP (punto de mejor eficiencia) y en ese caso, sabiendo los problemas que conllevan una bomba sobredimensionada, se apunta al uso de un VARIADOR DE FRECUENCIA.

Los Variadores de Frecuencia son equipos electrónicos que permiten controlar la velocidad de giro de un motor eléctrico variando la frecuencia efectiva de la corriente eléctrica que es alimentada, y por ende, la cantidad de corriente que se alimenta al motor eléctrico. Por ejemplo, un motor trifásico de 380 V, 50 hz y 2 polos se mueve a 3000 RPM, sin embargo, si se aplica un Variador de Frecuencia (VFD) al 75% de su capacidad, disminuye la velocidad hasta 2250 RPM. Al disminuir la velocidad del motor, el giro del cabezal de la bomba disminuye, la presión generada por el cabezal y, proporcionalmente el flujo, disminuyen.

EL VFD se rige por las ecuaciones de motores asíncronos y las leyes de afinidad.

Por el lado de la bomba, su curva "característica" (ojo, esta información es sólo para agua a condiciones de temperatura estable) es movida prácticamente en forma vertical, produciendo un "offset" de la original. Por el otro lado, la curva de sistema, la cual incluye todos los largos equivalentes y caídas por equipos, también se ve afectada, sin embargo, si la curva de sistema está calculada para un flujo específico, entonces lo único que se observará es el movimiento de la curva característica de la bomba.

En la imagen se aprecia el cambio en la curva característica de la bomba al utilizar un VFD al 75% (37,5 hz)

Imagen 1: Movimiento de la curva característica de una bomba tras uso de un VFD

Es importante notar que el fabricante de la bomba entrega curvas características con una presión mínima y una máxima (las cuales se conocen como cabezas de altura). En la imagen 1, se observa que para un flujo cercano a 33 m3/h, la bomba puede impulsar hasta como máximo a una altura de 5 m, mientras que para un flujo de 5.5 m3/h se alcanza una altura de casi 9 m. La bomba no será capaz de impulsar líquido a una altura menor de 5 m y una mayor de 9 m, y al variar la frecuencia, la curva sobrepasa el límite inferior cuando el flujo alcanza casi 15 m3/h lo cual es el límite operativo de la bomba a esa velocidad de 2250 RPM. Bajo esa altura de 5 m, la bomba no tiene capacidad de impulsar el líquido por lo que, si aplicamos el variador de frecuencia hasta un 70%, (35 hz) se contará con la siguiente curva resultante.

Imagen 2: Curva característica post VFD al 70%

Se observa que, para esa configuración, el flujo máximo en el cual la bomba todavía podría impulsar líquido es de 7.6 m3/h debido a que alcanza una altura de 5 m con ese flujo y una velocidad de motor de 2100 RPM, por lo que no en todos los casos un variador de frecuencia es de mucha ayuda, y también requiere de experiencia y conocimientos en el campo para su correcto dimensionamiento y uso.