Dejar lo mejor para el final ¿Arrancadores suaves, accionamientos de velocidad variable o ambos? Juan Sagarduy, Jesper Kristensson, Sören Kling, Johan Rees – En las aplica­

ciones hidráulicas, las bombas centrífugas son accionadas por un motor de inducción alimentado directamente de la red. La regulación del caudal se efectúa con varios medios distintos, principalmente mediante el empleo de dispositivos de reducción de paso, un método de muy poco rendimiento, ya que las pérdidas hidráulicas aumentan espectacularmente cuando se estrangula el paso del líquido mediante una válvula; los accionamientos de frecuencia variable (VFD), recomen­ dados como un medio eficaz para el ahorro de energía, garantizan la regulación del caudal mediante el control de la velocidad de giro del eje del motor; y como alternativa, la activación y desactivación del funcionamiento de la bomba siguien­ do un ciclo de trabajo preciso (la bomba no funciona continuamente, sino que se conecta durante el tiempo necesario para bombear el volumen de agua deseado y se desconecta el resto del tiempo). Dado que muchos sistemas hidráulicos distintos recomiendan utilizar convertidores de frecuencia o control cíclico (es decir, tecnologías de arranque suave), ¿cuál de estas dos soluciones es la más rentable para reducir el consumo de energía y proporcionar el plazo de amortiza­ ción más satisfactorio?

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­32

revista ABB 4|10

Dejar lo mejor para el final

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­33

Nomenclatura Hbep [m]: Presión hidráulica en el punto de mejor eficiencia de la bomba centrífuga. Qbep [m3/s]: Capacidad en el punto de mejor eficiencia de la bomba. H st [m]: Presión hidrostática total. Se define como la distancia vertical que debe elevar el agua la bomba. Cuando se bombea desde un pozo, se trataría de la distancia desde el nivel del agua de donde se bombea en el pozo hasta la superficie del terreno más la distancia vertical que se debe levantar el agua desde esta superficie al punto de descarga. Cuando se bombea desde una superficie de agua abierta sería la distancia total desde dicha superficie al punto de descarga. Q op [m3/s]: Capacidad en el punto de diseño del sistema. En la práctica, se determina con los picos de caudal que se producen ocasionalmente (es decir, aproximadamente el 5% del tiempo en las plantas de tratamiento de aguas). H op [m]: Presión hidráulica en el punto de diseño del sistema. H op,id [m]: Presión hidráulica en el punto de diseño de un sistema ideal. H t [m]: Presión hidráulica asociada a una capacidad genérica Q [m3/s] a velocidad constante y regulación de caudal con válvula. H d [m]: Presión hidráulica asociada a una capacidad genérica Q [m3/s] con regulación del caudal de frecuencia variable. H máx [m]: Altura máxima a la que se puede levantar el líquido con una bomba dada. Q máx [m3/s]: Capacidad máxima de una determinada bomba.

1 Ilustración de sistema para los métodos de control de caudal con válvula, cíclico y de VFD Ciclo de trabajo on-off

Perfil de capacidad a lo largo del tiempo

Control del proceso

Acción manual

Arranque suave PSE/PST Motor de inducción

Bomba centrífuga

Control cíclico

Control de la válvula de mariposa

Parado

Puesto que los dispositivos de reducción de paso ofrecen un bajo rendimiento, ¿cuál de las dos soluciones técnicas, velocidad variable o control cíclico, es la más rentable desde el punto de vista de la reducción del consumo de energía?  ➔ 1. De hecho, el factor determinante para seleccionar uno u otro de los métodos de control es la natu­ raleza de los sistemas hidráulicos en los que trabaja la bomba centrífuga.

Nota a pie de página 1 Al reducir la tensión aplicada, el arrancador suave permite poner en marcha los motores de CA con suavidad. Cuando se para la bomba, se evitan los golpes de ariete en el sistema hidráulico mediante la reducción controlada del par gracias a un algoritmo exclusivo del arrancador suave.

Por ejemplo, en el tratamiento de aguas residuales, la puesta en marcha o parada de las bombas centrífugas se basa, en ­general, en el control del proceso. Las aguas residuales (es decir, los efluentes de zonas residenciales o edificios comerciales) se recogen normalmente en fosas sépticas

revista ABB 4|10

(Hop, Qop)

(Hop, Q op)

0.75 1.0 Caudal

Regulación del caudal al 75% de la capacidad de diseño Q op (m3/h)

El compromiso de ABB con la eficiencia energética es incuestionable y la empresa ha dedicado tiempo, conocimientos y ­recursos para poder ofrecer las mejores soluciones de baja tensión del mercado (en forma de convertidores de frecuencia y arrancadores suaves 1), especialmente adecuadas para maximizar el ahorro de energía en las bombas hidráulicas y las aplicaciones de tratamientos de aguas ­residuales.

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­34

Control de velocidad variable (Alt, Q)

0.75 1.0 Caudal

Caudal t_on = 75% t_total t_off = 25% t_total

Bomba centrífuga

(Alt, Q) Presión

Presión

Presión

Motor de inducción

Bomba centrífuga

(H op, Qop)

Control de frecuencia

Acciona­ miento

Motor de inducción

En funcionamiento

Caudal

Contactor

U = 415 V

Presión

L

a eficiencia energética es un as­ pecto muy importante que los clientes buscan en productos y sistemas, y algo que los provee­ dores se esfuerzan en mejorar en su oferta de productos. De hecho, la opinión general es que la inversión dedicada a la adquisi­ ción de equipos eléctricos, así como el coste del tiempo de inmovilización corres­ pondiente a la instalación y la puesta en funcionamiento, se ven compensados por una disminución del consumo eléctrico gracias a un funcionamiento con una ma­ yor eficiencia energética.

U = 415 V

U = 415 V

2 La gama PSE de ABB se utiliza principal­ mente para aplicaciones de bombeo.

3b Bajada del rendimiento hidráulico en bombas de 90 kW y 350 kW a causa de un sobredimensionado del 15%

3a Selección de bomba para una instalación industrial

90 85 80 75 70 65 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0

Hmáx

Bomba ideal (Qop = Qbep)

Hop Hbep Hop,id

Carga hidráulica (sistema ideal) Bomba comercial disponible (Qop < Qbep) Carga hidráulica (sistema real)

Hst Q op

Qbep

Qmáx

Capacidad (m 3/h)

Rendimiento hidráulico (%)

Altura (m)

Real_350kW Ideal_90kW Real_90kW 0

4 Datos típicos de las dos bombas estudiadas Potencia del fabricante (kW)

Ideal_350kW

0,1

0,2

0,3

0,4 0,5 0,6 Q/Q op (adim)

0,7

0,8

0,9

1

H máx (m) H bep (m) Qbcp (m 3/h) η máx (%)

Aurora

90

43,6

27,6

575

74,8

Aurora

350

52,7

33,8

2.500

84,5

6 Variación del rendimiento eléctrico [%] en circuito de electrónica de potencia (arrancador suave y convertidor) con carga hidráulica 100

a

b

altura (m) Hst = 5% Hmáx

Hmáx Hop

altura (m) Hst = 25% Hmáx

H máx H op Hst

Capacidad (m3/h) Qop

c

Capacidad (m 3/h) Qop

Hmáx Hop

98 97 96 95 94 93 92 91 90 89 88

altura (m) H st = 50% Hmáx

Rendimiento relacionado con la topología de la EP (%)

99

5 Sistemas hidráulicos seleccionados para análisis del posible ahorro de energía

Curva del sistema hidráulico

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0,55 0,6 0,65 0,7 0,75 0,8 0,85 0,9 0,95 1

Q/Qop (adim)

Curva de la bomba

Convertidor (90 kW) H st

Convertidor (350 kW) Capacidad (m3/h) Qop

Arrancador suave (1 puesta en marcha por hora) Arrancador suave (2 puestas en marcha por hora)

a dominada por carga por fricción b dominada por carga mixta c dominada por carga estática

o depósitos de aguas residuales hasta que se bombean a las plantas de tratamiento municipales [1]. A causa de los distintos eventos que provocan su puesta en mar­ cha, el empleo de arrancadores suaves re­ duce considerablemente el riesgo de atas­ co de la bomba debido a la presencia de lodos en el agua  ➔ 2. En general, el control cíclico es una alternativa atractiva a la ­estrategia de accionamiento de frecuencia variable (VFD) a pesar de su menor flexibili­ dad en la regulación del caudal. En otras palabras, se considera que un arrancador suave es una tecnología adecuada y com­ petitiva que protege el motor de inducción frente a deformaciones eléctricas, golpes mecánicos y vibraciones durante el arran­ que y evita los golpes de ariete al pararse la bomba. Además, el motor se utiliza en el punto de su mejor rendimiento y se apaga el resto del tiempo.

Arrancador suave (3 puestas en marcha por hora)

En las siguientes secciones, se analizan el ahorro de energía y el plazo de amorti­ zación de las soluciones de velocidad ­variable y de control cíclico para dos ­sistemas de bomba centrífuga (de 90 kW y 350 kW). Un sistema de bombeo típico Cuando se monta un sistema de bombeo, se debe garantizar que se suministra el caudal deseado Qop [m3/h]. En un sistema ideal, la bomba seleccionada tiene un Qbep [m3/h] que coincide con Qop [m3/h]. Sin embargo, en la realidad se selecciona una bomba mayor  ➔ 3a. Como conse­ cuencia, la bomba funciona con un rendi­ miento hidráulico menor en la mayor par­ te de su intervalo de capacidad. Este punto se describe en  ➔ 3b para dos bom­ bas centrífugas Aurora con potencias ­nominales de 90 kW y 350 kW respecti­ vamente  ➔ 4 [2].

Para analizar el potencial de ahorro de energía de estas bombas se han conside­ rado tres sistemas hidráulicos distintos: predominio de la carga de fricción, es ­decir, la relación (υ) de la carga estática Hst [m] con la altura hidráulica máxima Hmáx [m] es el 5%; predominio de la carga ­estática (υ es el 50%); y mixto (υ  es el 25%)  ➔ 5. Convertidor, arrancador suave y prestaciones del motor Los convertidores de frecuencia tienen un alto rendimiento (ηconv), que cae de forma natural cuando disminuye la potencia pro­ ducida respecto al valor nominal. El rendi­ miento de los arrancadores suaves es prácticamente del 100% cuando se activa el bypass del motor. Su eficiencia disminu­ ye considerablemente con el número de arranques por hora y los períodos de ­trabajo más cortos debido a las pérdidas

Dejar lo mejor para el final

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­35

7a Repercusión del tipo de clase en el rendimiento de los motores [4]

7b Variación del rendimiento del motor con carga hidráulica Motor de inducción de 90 kW

Rendimiento de motores de 4 polos por antigüedad (%) 100 Rendimiento del motor (%)

95

Rendimiento (%)

90 85 80

IE3 2010

75

IE2 2000

70

IE1 1990

65

Iff3 1980 0,75 1,10 1,50 2,20 3,00 4,00 5,50 7,50 11,00 15,00 18,50 22 30 37 45 55 75 90 110 132 160 200 220 260 315 330 370

60

97,5 95,0 92,5 90,0 87,5 85,0 82,5 80,0 77,5 75,0 72,5 70,0 67,5 65,0 62,5 60,0

Clase IE1 Clase IE1 (sobredimensionado 85%) Clase Eff3 (sobredimensionado 85%) 0,05

Potencia del motor (kW)

0,1001 0,2001 0,3001 0,4001 0,5001 0,6001 0,7001 0,8001 0,9001 1,0001

Q/Qop (adim)

8 Efecto del sobredimensionamiento del sistema, la clase del motor y las pérdidas por armónicos en el consumo de energía eléctrica (Pn = 90 kW - frecuencia de conmutación 4 kHz)

Carga (%)

Pérdida de rendimiento (%) producida por

5%

25%

50%

75%

100%

1 – Bomba sobredimensionada (en un 15%) -1,3 -3,8 -6,0 -4,5 -2,1 2 – Motor sobredimensionado (en un 15%) -3,2 -1,2 -0,4 -3,0

0,2

3 – Clase del motor (Efic. 3) -9,5 -3,4 -3,0 -3,0 -3,0 4 – Pérdidas por armónicos -7,0 -2,1 -2,4 -1,9 -1,3 Aumento del consumo de energía (%)

adicionales por efecto Joule durante el arranque y la parada del motor  ➔ 6. En la actualidad, hay normas más estrictas (clases IEC) que garantizan un alto rendi­ miento del motor (generalmente superior al 90%) para cargas [3, 4]  ➔ 7a y  ➔ 7b. Esta eficiencia (que depende considerablemen­ te de la clase a la que pertenece) se ve afectada por el empleo de un convertidor de frecuencia o de un arrancador suave: disminuye cuando la alimentación se efec­ túa mediante un convertidor de conmuta­ ción rápida debido a la distorsión armónica de corriente y tensión pero no se ve altera­ da cuando se aplica el bypass al motor tras el arranque suave a causa de un suministro puramente sinusoidal. El impacto del sobredimensionamiento del sistema, la clase del motor y las pérdidas por armónicos (control de tracción) en un sistema real aparece en  ➔ 8. Ahorro de energía El ahorro de energía conseguido utilizando VFD y control cíclico en un sistema de bombeo de 90 kW y 350 kW se presenta en  ➔ 9a y  ➔ 9b, respectivamente. En los sistemas de predominio de la carga de fric­ ción (υ es el 5%), el control VFD garantiza un mayor ahorro de energía en casi todo el

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­36

revista ABB 4|10

26,5

11,7

13,3

10,3

6,6

intervalo de funcionamiento (es decir, entre el 7% y el 98%) en ambos sistemas de bombeo. En un sistema de predominio de

La inversión inicial total asociada a las soluciones de VFD y control cíclico se calcula como el coste del acciona­ miento o del arran­ cador suave más un ­porcentaje de los costes del ciclo de vida para cubrir los tiempos de ­inmovilización de la producción. carga estática (υ = 50%) y con una bomba de 90 kW, el control cíclico es una solución técnica mejor que el control VFD en todos

los puntos de trabajo, mientras que para el sistema de 350 kW, el control VFD ­garantiza un ahorro de energía ligeramente superior pero sólo entre el 75% y el 92% de la capacidad de la bomba. Cuando se con­ sidera un sistema hidráulico combinado (υ = 25%), el control VFD sólo ­garantiza un beneficio económico superior para capaci­ dades de la bomba por encima del 28% (para el sistema de 90 kW) y del 24% (para el sistema de 350  kW). De hecho, la ­ganancia máxima con el control VFD se ­encuentra entre el 15% y el 20% del inter­ valo de capacidad. A diferencia de los convertidores de fre­ cuencia (caracterizados por pérdidas en los semiconductores con la carga nominal), los arrancadores suaves funcionan en es­ tado de bypass con carga nominal  ➔ 9c. De esa forma, no se consideran pérdidas adicionales en los tiristores. Se muestran en  ➔ 10 2 las condiciones de funcionamien­ to y del sistema cuando la solución escogi­ da para la regulación del caudal de la bom­ ba es control cíclico o VFD. Rentabilidad de la inversión Los clientes quieren inevitablemente saber cuándo pueden esperar que su inversión sea rentable, lo que incluye los costes adi­ cionales ocasionados por los tiempos de inmovilización de la producción mientras se instala y se pone en servicio el acciona­ miento o el arranque suave.

Nota a pie de página 2 La conversión de porcentajes de ahorro de energía (en comparación con velocidad fija y control por válvula) en beneficios económicos supone que la bomba trabajará durante 8.760 horas al año (330 × 24) con un precio de 0,065 dólares el kWh de electricidad [5].

9a Ahorro de energía [%] de VFD y control cíclico en el sistema de bomba de 90 kW

9b Ahorro de energía [%] de VFD y control cíclico en el sistema de bomba de 350 kW

Bomba - 90 kW

Bomba - 350 kW 100 arranque suave

90 80

accionamiento (5% Hmáx)

70

accionamiento (25% Hmáx)

60

accionamiento (50% Hmáx)

Ahorro de energía (% de potencia / válvula y velocidad fija)

50 40 30 20 10

80

accionamiento (5% Hmáx)

70

accionamiento (25% Hmáx)

60

accionamiento (50% Hmáx)

50 40 30 20 10

Q/Qop (adim)

1,05

1,00

0,95

0,90

0,85

0,80

0,75

0,70

0,65

0,60

0,55

0,50

0,45

0,40

0,35

0,30

0,25

0,20

0,15

0,10

0,00

1,00

0,95

0,90

0,85

0,80

0,75

0,70

0,65

0,60

0,55

0,50

0,45

0,40

0,35

0,30

0,25

0,20

0,15

0,10

0,05

0 0,00

0

arranque suave

90

0,05

Ahorro de energía (% de potencia / válvula y velocidad fija)

100

Q/Q op (adim)

9c Rendimiento óptimo de la bomba de 90 kW gracias a la capacidad de puentear el arranque suave con cargas elevadas (90%-100% de la capacidad de diseño)

10 Punto de inflexión donde el ahorro económico con el control ­cíclico (arranque suave) se hace mayor que con la solución VFD 0,8

12,5

0,7

90 kW

arranque suave

10,0

0,6

7,5

accionamiento (5% Hst/Hmáx)

5,0

accionamiento (25% Hst/Hmáx)

2,5

accionamiento (50% Hst/Hmáx)

0,0 0,92

-2,5

0,93

0,94

0,95

0,96

0,97

0,98

0,99

1,00

Q/Qop (adim)

Ahorro de energía (% de potencia / válvula y velocidad fija)

350 kW

Bomba - 90 kW

0,5

Accionamiento: solución preferida

0,4 0,3

Arranque suave: solución preferida

0,2

-5,0 -7,5

0,1

-10,0 0,0

-12,5

0

Q/Qop (adim)

10

15

20

30

35

40

45

50

55

11b Plazo de amortización de soluciones de VFD y cíclico (arranque suave) para la bomba de 350 kW

Bomba - 90 kW

5,0

25

H st/Hmáx (%)

11a Plazo de amortización de soluciones de VFD y cíclico (arranque suave) para la bomba de 90 kW

Bomba - 350 kW 2,75

4,0

arranque suave

arranque suave

2,50

accionamiento (Hst/Hmáx= 5%)

2,25

accionamiento (Hst/Hmáx= 5%)

2,0

accionamiento (Hst/Hmáx= 25%)

1,75

accionamiento (Hst/Hmáx= 50%)

3,5

accionamiento (Hst/Hmáx= 25%)

3,0

accionamiento (Hst/Hmáx= 50%)

Plazo de amortización (años)

4,5 Plazo de amortización (años)

5

2,5 2,0 1,5 1,0 0,5

1,50 1,25 1,00 0,75 0,50 0,25

0,0

0,0 0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

Q/Qop (adim)

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

Q/Qop (adim)

Dejar lo mejor para el final

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­37

12 Solución recomendada de electrónica de potencia para un sistema de cuatro bombas en paralelo (sistema hidráulico dominado por la fricción) Caudal Q1 (m3/h)

Bomba n º 1

Arranque suave PSE

Bomba n º 2

Arranque suave PSE

Bomba n º 3

Accionamiento

Bomba n º 4

Transformador de distribución

14 Solución recomendada de electrónica de potencia para un sistema de tres bombas en paralelo (sistema hidráulico dominado por la presión estática/fricción)

Caudal Q2 (m3/h)

Caudal Q3 (m3/h)

Bomba n º 1

Caudal total Q (m 3/h)

Arranque suave PSE

Transformador de distribución

Caudal Q4 (m3/h)

Arranque suave PSE

Accionamiento

EP

Bomba 1

Bomba 2

Bomba 3

Bomba 4

Arrancador suave

Accionamiento

Accionamiento

Cíclico

Cíclico

VFD

VFD

Caudal Q (m3/h) 0 – 1.130

on-off (0 – 22,5%)

on-off (0 – 22,5%)

off

off

1.130 – 2.500

off

off

on (22,5 – 50% Pn)

on (22,5 – 50% Pn)

2.500– 4.740

on-off (27,5– 45%)

on-off (27,5– 45%)

on (22,5 – 50% Pn)

on (22,5 – 50% Pn)

4.740– 5.790

on-off (60%)

on-off (60%)

on (35– 85% Pn)

on (35– 85% Pn)

5.790– 8.000

on-off (75%)

on-off (75%)

on (70– 85% Pn)

on (70– 85% Pn)

8.000– 10.000

bypass

bypass

on (60– 100% Pn)

on (60– 100% Pn)

mayor que 10.000

bypass

bypass

on (> 100% Pn)

on (> 100% Pn)

Para bombas con una potencia nominal de unos 25 kW, la relación de precios del con­ vertidor con el arranque suave es de tres aproximadamente y alcanza un valor cer­ cano a cinco para bombas de 350 kW [6]. La inversión inicial total asociada a las solu­ ciones de VFD y control cíclico se calcula como la suma del coste del accionamiento o del arrancador suave más un porcentaje de los costes del ciclo de vida para cubrir los tiempos de inmovilización de la produc­ ción [7]. Para ambas topologías de electró­ nica de potencia, se utiliza un valor del 7,5%. El coste de los componentes individuales puede variar por diversas razones. En pri­ mer lugar, los VFD de baja tensión suelen trabajar más de forma continua que según una pauta de paradas y arranques y permi­ ten un control más perfeccionado. Sin em­ bargo, emplean transistores bipolares de

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­38

revista ABB 4|10

Caudal total Q (m 3/h)

Caudal Q3 (m3/h)

zando soluciones con bombas en paralelo 3 que combinan accionamientos y arranques suaves.

Arrancador suave

Control de caudal

Bomba n º 3

Caudal Q2 (m3/h)

Accionamiento

13 Esquema de control de caudal en un sistema de cuatro bombas en paralelo (dominado por las pérdidas por fricción)

Bomba n º 2

Caudal Q 1 (m3/h)

puerta aislada (IGBT) y se deben diseñar con suficiente capacidad de refrigeración, lo que los hace más caros cuando se com­ paran con los arrancadores suaves de la misma potencia nominal. Por otra parte, los arrancadores suaves, que trabajan en intervalos de tiempo reducidos de hasta 15 segundos incorporan tiristores potentes y de coste competitivo y se benefician de una refrigeración natural. Los plazos de amortización para el VFD y el control cíclico del caudal se muestran en  ➔ 11a y  ➔ 11b para las bombas de 90 kW y 350 kW respectivamente en los tres siste­ mas hidráulicos: υ = 5%, 25% y 50%. Soluciones con sistemas de bombas en paralelo En muchos sistemas hidráulicos, se puede conseguir un ahorro de energía óptimo con una buena rentabilidad de la inversión utili­

Por ejemplo, en un sistema hidráulico con predominio de fricción (υ = 5%), una solu­ ción de electrónica de potencia recomen­ dada para un sistema de cuatro bombas en paralelo [cada una de ellas con una ­potencia nominal de 350 kW (2.500 m3/h)] se compone de dos convertidores y dos arrancadores suaves  ➔ 12. El esquema que proporciona la solución óptima en cuanto a tiempo de amortización y funcionalidad del control equipa las bombas 1 y 2 con arran­ cador suave y las bombas 3 y 4 con un convertidor de frecuencia  ➔ 13. Las bom­ bas equipadas con arrancador suave están directamente conectadas a la red con ca­ pacidad elevada. Al aumentar la velocidad de giro en un intervalo predefinido (por en­ cima de 50  Hz), las bombas accionadas mediante convertidores pueden proporcio­ nar un pico de caudal si fuera necesario ocasionalmente. En un sistema hidráulico mixto (υ = 5%), la combinación que proporciona la solución óptima por lo que se refiere a tiempo de amortización y funcionalidad del control

Nota a pie de página 3 Para la regulación óptima del caudal en sistemas en paralelo, se hace trabajar una bomba sola hasta un punto crítico en el que se alcanza el caudal deseado, tras lo cual dos bombas compar­ten simultáneamente la carga hidráulica [8]. Cuando se alcanza un segundo punto crítico, entran en servicio tres bombas y así sucesiva­ mente.

15 Esquema de control del caudal en un sistema de tres bombas en paralelo (sistema hidráulico mixto) EP

17 Sistema de bombas de una planta de tratamiento de aguas

Bomba 1

Bomba 2

Bomba 3

Arrancador suave

Arrancador suave

Accionamiento

Cíclico

Cíclico

Frecuencia variable

Control de caudal Caudal Q (m 3/h) 0 – 2.500

on-off (0 – 50%)

on-off (0 – 50%)

off

2.500 –4.500

on-off (30 – 60%)

on-off (30 – 60%)

on (40 – 60% Pn)

4.500 – 5.760

on-off (60 –75%)

on-off (60–75%)

on (60 – 80% Pn)

5.760 – 6.630

bypass

on-off (75%)

on (55 – 90% Pn)

6.630 – 7.500

bypass

bypass

on (35 – 100% Pn)

> 7.500

bypass

bypass

on (> 100% Pn)

16 Plazo de amortización estimado para dos instalaciones compuestas por bombas en paralelo y distintas soluciones de electrónica de potencia 5,0 sistema de fricción (2 arranque

Plazo de amortización (años)

4,5

suave + 2 accionamiento)

4,0

sistema mixto (2 arranque

3,5

Juan Sagarduy

suave + 1 accionamiento)

3,0

ABB Corporate Research

2,5

Västerås, Suecia

2,0

[email protected]

1,5 1,0

Jesper Kristensson

0,5

Sören Kling 1,00

0,95

0,90

0,85

0,80

0,75

0,70

0,65

0,60

0,55

0,50

0,45

0,40

0,35

0,30

0,25

0,20

0,15

0,10

0,05

0,00

0,0

Q/Qop (adim)

Johan Rees ABB Cewe Control Västerås, Suecia [email protected]

utiliza tres bombas, las dos primeras equi­ padas con arrancadores suaves y la terce­ ra con un accionamiento  ➔ 14 y  ➔ 15. Para ambos sistemas, la inversión inicial en soluciones de electrónica de potencia se traduce en beneficios económicos en menos de un año y medio, con el caudal regulado por debajo del 80% de la capaci­ dad total  ➔ 16. ¿La mejor solución? Se ha analizado la idoneidad de la regu­ lación cíclica del caudal y por velocidad variable en aplicaciones de bombas centrí­ fugas para dos bombas (de 90 kW y 350 kW) en el intervalo de baja tensión. Los datos muestran que el control de frecuen­ cia ­variable es la mejor solución en los sis­ temas hidráulicos con predominio de las pérdidas por fricción (transporte de líquido sin diferencia de alturas) y el control cíclico se recomienda para sistemas con predo­ minio de la carga estática. Debe evitarse el control de velocidad en sistemas con con­ figuración muy plana de bomba y carga, ya que existe riesgo de inestabilidad y daños en la bomba [9].

Los arrancadores suaves son una solución técnica muy competitiva, especialmente para aplicaciones hidráulicas y de aguas residuales en las que sea usual la puesta en marcha y parada regulares para vaciar un depósito y bombear el líquido con vistas a un tratamiento posterior. Se trata de equipos potentes, con buena capacidad de bypass y con algoritmos de control ­exclusivos para secuencias de arranque (“kick boost”) y parada (sin golpe de ariete). Sin embargo, es posible conseguir un aho­ rro de energía óptimo y buenos tiempos de amortización para una gran diversidad de sistemas hidráulicos utilizando configura­ ciones de bombas en paralelo que utilizan combinaciones de accionamientos y arran­ cadores suaves  ➔ 17. ABB reafirma su compromiso con la eficiencia energética al tiempo que garantiza el valor adquirido por el cliente, fundándose en sus conocimien­ tos y su sólida cartera de productos de auto­matización de baja tensión.

[email protected] [email protected]

Referencias [1] ITT Industries (2007). ITT’s Place in the cycle of water: Everything but the pipes. [2] Aurora Pump (Pentair Pump Group) junio 1994, Estados Unidos. [3] IEC 60034-31:2009. Rotating electrical machines. Part 31: Guide for the selection and application of energy-efficient motors including variable speed applications. [4] Brunner, C. U. (4-5 febrero 2009). Efficiency classes: Electric motors and systems. Motor energy performance standards event, Sydney (Australia). www.motorsystems.org. [5] Department of Energy (DOE). Energy Internatio­ nal Agency (EIA) (junio 2009). Average retail price of electricity to ultimate customers. [6] Sagarduy, J. (enero 2010). Economic evaluation of reduced voltage starting methods. SECRC/PT-RM10/017. [7] Hydraulic Institute (agosto 2008). Pumps & Systems, Understanding pump system fundamentals for energy efficiency. Calculating cost of ownership. [8] ITT Flygt (2006). Cirkulationspumpar med våt motor för värmesystem i kommersiella byg-gnader. [9] Vogelesang, H. (abril 2009). Energy efficiency. Two approaches to capacity control. World Pumps Magazine.

Dejar lo mejor para el final

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