Aplicación de VSD
Los Variadores de Velocidad (VSD - Variable Speed Drive), también llamados VFD (Variable Frequency Drive), permiten ajustar la velocidad del motor del compresor según la demanda. Son la tecnología más eficiente para cargas variables.
Principio de Operación
Cómo Funciona
Red eléctrica VFD Motor Compresor
60 Hz → [Rectif.] → [Variador] → ══════►
480 VAC DC bus 30-60 Hz RPM variable
│ VAC ajust.
└── Controlador
│
└── Señal de presión
Leyes de Afinidad
Para compresores (turbomáquinas), aplican las leyes de afinidad:
| Parámetro | Relación con Velocidad |
|---|---|
| Flujo (Q) | Q ∝ N (lineal) |
| Presión (P) | P ∝ N² (cuadrática) |
| Potencia (W) | W ∝ N³ (cúbica) |
Ejemplo: Reducir velocidad al 80%
Flujo: 80% del nominal
Presión: 64% del nominal (0.8²)
Potencia: 51% del nominal (0.8³)
¡Gran ahorro de energía!
Rango de Operación (Turndown)
Límites del VSD
Velocidad (%)
│
100 ┤══════════════════════════════════════ Máximo
│████████████████████████████████████████
90 ┤████████████████████████████████████████
│████████████████████████████████████████
80 ┤████████████████████████████████████████
│████████████████████████████████████████
70 ┤████████████████████████████████████████
│████████████████████████████████████████
60 ┤████████████████████████████████████████
│████████████████████████████████████████
50 ┤████████████████████████████████████████ RANGO ÓPTIMO
│████████████████████████████████████████
40 ┤════════════════════════════════════════ Mínimo típico
│░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░
30 ┤ Zona de riesgo (sobrecalentamiento)
│░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░
20 ┤══════════════════════════════════════ Prohibido
│
| Parámetro | Valor Típico |
|---|---|
| Velocidad máxima | 100-105% |
| Velocidad mínima | 40-50% |
| Turndown ratio | 2:1 a 2.5:1 |
Por Qué Hay Límite Inferior
- Enfriamiento del motor: A baja velocidad, el ventilador enfría menos
- Lubricación: Flujo de aceite reducido
- Eficiencia: Pérdidas fijas se vuelven dominantes
- Estabilidad: Compresores centrífugos pueden entrar en surge
Consideraciones Eléctricas
Armónicos
Los VFD generan armónicos que pueden afectar la red eléctrica:
Forma de onda ideal: Con armónicos:
╭───╮ ╭─╮
╱ ╲ ╱ ╲ ╲
╱ ╲ ╱ ╲ ╲
╱ ╲ ╱ ╭╮ ╲ ╲
╱ ╲ ╱ ╱ ╲ ╲ ╲
Senoidal pura Distorsionada
| Armónico | Frecuencia | Efecto |
|---|---|---|
| 5° | 300 Hz | Calentamiento |
| 7° | 420 Hz | Calentamiento |
| 11° | 660 Hz | Interferencia |
| 13° | 780 Hz | Interferencia |
Mitigación de Armónicos
| Solución | THD Resultante | Costo |
|---|---|---|
| Sin filtro | 30-40% | - |
| Reactor de línea | 20-25% | Bajo |
| Filtro pasivo | 8-12% | Medio |
| Filtro activo | menor a 5% | Alto |
| AFE (Active Front End) | menor a 3% | Muy alto |
Corrientes de Rodamiento
Los VFD pueden causar corrientes parásitas en los rodamientos del motor:
Corriente de alta
frecuencia
│
VFD ══> Motor ═══════╪═══════> Rotor
│
┌────┴────┐
│Rodamiento│ ← Daño por arco eléctrico
└─────────┘ (fluting)
Síntoma: Marcas de arco en pistas de rodamiento (fluting)
Soluciones:
| Solución | Efectividad | Costo |
|---|---|---|
| Anillo de puesta a tierra | 80-90% | Bajo |
| Rodamientos aislados | 95% | Medio |
| Rodamientos cerámicos | 99% | Alto |
| Cables blindados | 70-80% | Medio |
Configuración del VSD
Parámetros Principales
| Parámetro | Descripción | Valor Típico |
|---|---|---|
| Frecuencia mínima | Límite inferior | 25-30 Hz |
| Frecuencia máxima | Límite superior | 60-63 Hz |
| Rampa de aceleración | Tiempo 0-100% | 10-30 seg |
| Rampa de desaceleración | Tiempo 100-0% | 10-30 seg |
| Límite de corriente | Protección motor | 100-110% |
| Carrier frequency | Frecuencia PWM | 2-8 kHz |
PID Integrado
La mayoría de VFDs incluyen control PID:
Setpoint (presión objetivo)
│
▼
┌────────┐
Presión real ──────→│ PID │──────→ Frecuencia
│Control │ salida
└────────┘
│
┌─────────┴─────────┐
│ │
Kp Ki
Proporcional Integral
| Parámetro PID | Efecto |
|---|---|
| Kp alto | Respuesta rápida, posible oscilación |
| Kp bajo | Respuesta lenta, estable |
| Ki alto | Elimina error rápido, posible sobrepaso |
| Ki bajo | Error residual, muy estable |
VSD vs Velocidad Fija
Comparación Económica
Escenario: Compresor 100 HP, 8,000 h/año, $0.10/kWh
| Carga Promedio | Costo Anual VF | Costo Anual VSD | Ahorro |
|---|---|---|---|
| 100% | $60,000 | $60,000 | 0% |
| 80% | $54,000 | $42,000 | 22% |
| 60% | $48,000 | $28,000 | 42% |
| 40% | $42,000 | $18,000 | 57% |
Cuándo Usar VSD
| Condición | Recomendación |
|---|---|
| Carga mayor a 80% constante | Velocidad fija |
| Carga 50-80% variable | VSD recomendado |
| Carga menor a 50% frecuente | VSD muy recomendado |
| Sistema con un solo compresor | VSD recomendado |
| Múltiples compresores | Un VSD como "trim" |
Instalación
Requisitos
| Aspecto | Requisito |
|---|---|
| Cables motor | Blindados, longitud limitada |
| Ventilación | 10-15% capacidad del VFD en BTU/hr |
| Temperatura ambiente | 0-40°C típico |
| Altitud | Derating sobre 1000m |
| Filtro EMI | Requerido en la mayoría de instalaciones |
Diagrama Típico
┌─────────────────────────────────────────────────────────┐
│ INSTALACIÓN VSD │
│ │
│ ┌────────┐ ┌────────┐ ┌────────┐ ┌────────┐ │
│ │Interr. │ │ Filtro │ │ VFD │ │ Motor │ │
│ │Principal│═══│Armónicos│═══│ │═══│Compresor│ │
│ └────────┘ └────────┘ └────┬───┘ └────────┘ │
│ │ │
│ ┌────┴────┐ │
│ │Transductor│ │
│ │ Presión │ │
│ └──────────┘ │
└─────────────────────────────────────────────────────────┘
Problemas Comunes
| Problema | Causa | Solución |
|---|---|---|
| Sobrecalentamiento motor | Baja velocidad prolongada | Ventilar externamente |
| Falla por sobrecorriente | Rampa muy rápida | Aumentar tiempo rampa |
| Oscilación de presión | PID mal sintonizado | Ajustar Kp, Ki |
| Ruido excesivo | Carrier frequency bajo | Aumentar frecuencia PWM |
| Daño rodamientos | Corrientes parásitas | Instalar anillo tierra |
| Interferencia EMI | Sin filtro | Instalar filtro entrada |
Un Solo VSD como Trim
Nunca opere dos VSDs en paralelo intentando controlar la misma presión. Entrarán en "combate" oscilando entre ellos. Use un VSD como trim y los demás en velocidad fija.