Los variadores de frecuencia (VFD: Variable Frequency Drive) son una de las herramientas más versátiles para el control de capacidad en una instalación de refrigeración industrial con compresores, aunque su uso se extiende a diferentes ámbitos de la industria.
Generalmente la frecuencia de la red en Europa es de 50 Hz. Gracias a los variadores de frecuencia podemos adaptar la frecuencia que le llega al compresor y a los ventiladores, y como consecuencia, también cambiar su velocidad de giro.
Para que un motor gire, es necesario aplicar un par de fuerza (en inglés conocido como “torque”). Sin embargo, dependiendo del tipo de motor y la carga con los que nos encontremos, podemos distinguir entre máquinas de par constante y par variable.
Se denomina funcionamiento a par constante cuando las características de la carga son tales que el par solicitado es prácticamente constante independientemente de la velocidad del eje. Son máquinas de par constante las cintas transportadoras, grúas, ascensores, etc.
Una vez que se ha aplicado un par de arranque que permita vencer los rozamientos estáticos y acelerar hasta alcanzar una velocidad, se requerirá un par aproximadamente constante independientemente de la velocidad que se quiera mantener.
El par variable, que es característico cargas centrífugas como bombas, ventiladores o algunos compresores, se denomina así cuando el par constante disminuye exponencialmente respecto a la velocidad del eje, siguiendo las siguientes leyes de afinidad.
Con las leyes de afinidad se puede observar, que el caudal aumenta de forma lineal con la velocidad, que el par aumenta de forma cuadrática y la potencia aumenta de forma cúbica.
Ahorro energético con variadores de frecuencia en el compresor
En una instalación frigorífica, el control de capacidad aporta una mejora de la eficiencia energética, puesto que las instalaciones están diseñadas para trabajar a unas condiciones nominales, que únicamente se dan durante un número de horas reducido al año. El resto de horas trabajan a cargas parciales menores que a sus cargas nominales de diseño. Para conseguir un ahorro energético significativo conviene la instalación de sistemas de regulación de capacidad.
Aunque existen varios métodos de control de capacidad, el control por variador de frecuencias es el más utilizado, más versátil y el que proporciona un mayor ahorro energético en las instalaciones frigoríficas.
Por una parte, permite regular la capacidad de una forma más eficiente que con otros sistemas como puede ser el control de capacidad por todo-nada, por by-pass, o por regulación de la válvula de corredera en los compresores de tornillo.
La instalación de variadores de frecuencia en el compresor permite aumentar la temperatura de evaporación del ciclo frigorífico cuando la demanda es menor, trabajando siempre dentro de los límites de funcionamiento del compresor y los límites de temperatura de la conservación de la carga en las cámaras. Cuanta mayor sea la temperatura de evaporación, mayor rendimiento tendrá el ciclo. Además, permite que la planta frigorífica funcione de forma estable, reduciendo las turbulencias y burbujas en el evaporador y reduciendo los stress mecánicos.
Por otra parte, también se obtiene un ahorro durante el arranque del compresor. Las 4 formas más típicas de arranque son:
- Arranque directo: hasta 7 veces la intensidad nominal del motor
- Arranque estrella-triángulo: hasta 4 veces la intensidad nominal del motor
- Arrancador suave: hasta 3 veces la intensidad nominal del motor
- Arrancador con variador de frecuencias: aumento progresivo hasta la intensidad nominal
OBSERVACIÓN: Como se puede apreciar, con la instalación de variadores de frecuencia se consigue un ahorro de energía durante el arranque del compresor, al requerir una intensidad menor que otros sistemas convencionales de arranque.
Ahorro energético con variadores de frecuencia en ventiladores de condensadores y bombas
La presión de condensación se puede regular mediante el caudal de aire que pasa través del condensador, puesto que la transferencia de calor aumenta a medida que aumenta el caudal.
Los ventiladores son máquinas de par variable o cuadrático, una reducción pequeña de la velocidad del eje, puede repercutir en un ahorro mucho mayor en la potencia absorbida por el motor, ya que la relación con el caudal es lineal mientras que la relación con la potencia absorbida es cúbica.
Por lo tanto, regulando la velocidad de giro con los variadores de frecuencia, podemos ajustar la presión de condensación y reducir la potencia absorbida de los ventiladores en las condiciones en que la temperatura exterior es menor que en condiciones nominales, es decir a carga parcial.
Una instalación frigorífica tiene que diseñarse para que pueda trabajar a 30ºC de temperatura exterior a carga total, pero solamente se alcanza esta temperatura unas pocas horas al año. El resto del año trabajará a cargas parciales.
Perfil de temperaturas en Valladolid a lo largo de un año (Fuente: https://es.weatherspark.com/).
Para conseguir esto, es necesario implementar un algoritmo de Condensación flotante y una sensorización adecuada de los condensadores. En posteriores artículos, se explicará de forma más detallada los fundamentos y las estrategias de la condensación flotante. Se deben tener en cuenta los límites de operación del compresor y de la válvula de expansión.
De igual manera, es posible incorporar variadores de frecuencia en las bombas de refrigerante (en el caso de sistemas de evaporadores inundados), bombas de agua en condensación evaporativa y bombas de circuitos secundarios. Las bombas hidráulicas, al igual que los ventiladores, también son máquina de par cuadrático, por lo que una pequeña reducción en la velocidad de giro implica una gran reducción en la potencia absorbida. Además, permite una mayor estabilidad del sistema y menor desgaste de los equipos.