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Regulación de compresores de tornillo en instalaciones de refrigeración variando la velocidad

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A lo largo de esta evolución, los técnicos han buscado con frecuencia posibilidades para variar automáticamente la capacidad de las instalaciones de refrigeración por medio de compresores de velocidad variable.

STAL Rotatune, accionamiento del compresor con regulación de velocidad Se puede imaginar, como solución, un convertidor de frecuencia que alimenta un motor asíncrono controlando su velocidad por variación de la frecuencia. Pero no todo son ventajas en un sistema como éste: las oscilaciones armónicas

ABB Refrigeration ha desarrollado un nuevo accionamiento –STAL Rotatune–

generadas por el convertidor producen

para compresores de tornillo en instalaciones frigoríficas; se trata de un

calor. Si, además, el par de accionamiento

motor especial alimentado por convertidor de frecuencia. Con este acciona-

ha de ser constante en toda la gama de

miento se regula la capacidad sin escalonamientos por medio de la velocidad,

velocidades, como es el caso del compre-

de manera que el compresor mantiene su alto rendimiento incluso funcionan-

sor de tornillo, aumenta la producción de

do con carga considerablemente reducida. En comparación con las instala-

calor en el motor.

ciones equipadas con controles de capacidad convencionales, el consumo de

Partiendo de este hecho, ABB Refrigera-

energía se reduce un 15% en régimen de carga normal y si se dispone de un

tion, en colaboración con ABB Motors y

sistema economizador la reducción llega al 20%.

ABB Corporation Research, ha desarrollado el accionamiento de velocidad variable

E

STAL Rotatune, constituido por un convertiRegulación convencional de

dor de frecuencia y un motor de alta veloci-

puede considerarse con justicia como un

la capacidad de instalaciones

dad concebido para ser alimentado por un

animal de carga de la industria. Es económi-

de refrigeración

convertidor 1 .

co, fiable y barato de mantener. Normal-

La carga de las instalaciones de refrigera-

Se esperaba que el nuevo motor tuviera

mente suele alimentarse de redes CA de 50

ción no es constante, sino que depende del

pérdidas mínimas de calor como conse-

ó 60 Hz, circunstancia que origina dos gra-

tipo, de la cantidad y de la temperatura de

cuencia de las oscilaciones armónicas en el

ves limitaciones: en primer lugar, no es posi-

los productos que se desea refrigerar; y las

inducido. Los estudios teóricos y los ensa-

ble regular la velocidad del motor y, en se-

oscilaciones del clima también afectan a la

yos prácticos demostraron que la idoneidad

gundo lugar, la velocidad máxima es de

capacidad de estas instalaciones.

para la alimentación por convertidor de fre-

l motor trifásico de jaula de ardilla

3000 a 3600 rpm, en función de la frecuencia de la red.

Ya desde la aparición de esta técnica,

cuencia depende fundamentalmente de la

hace más de un siglo, los usuarios han de-

forma de la ranuras del inducido; un motor

Se pueden conseguir mayores velocida-

seado conseguir dispositivos para regular

estándar sería totalmente inadecuado para

des por medio de ciertos mecanismos si-

económicamente la capacidad. Al principio

esta aplicación.

tuados después del motor. Sin embargo,

se utilizaban elementos reguladores mecáni-

Este motor de nuevo desarrollo se distin-

para variar la capacidad es necesario traba-

cos accionados a mano, pero en el trans-

gue por generar una cantidad de calor muy

jar en régimen intermitente o, como en el

curso del tiempo se fueron introduciendo

reducida. Además, está equipado con un

caso de los compresores de tornillo [1], con

sistemas automáticos.

ventilador accionado por separado, que ex-

un control mecánico del flujo. Este último

trae el calor residual en toda la gama de ve-

tiene sentido si se necesita regular con pre-

locidades de 1000 a 6000 rpm.

cisión la temperatura del sistema de refrige-

El ventilador consume 0,75 kW a 1500

ración, aunque inevitablemente se traduzca

rpm, una parte pequeña del consumo total de

en pérdidas de energía.

Lennart Rolfsman

energía del accionamiento. Como conse-

Sven Wihlborg

cuencia de la ventilación externa, el motor

ABB Refrigeration AB

tiene un rendimiento del 95% a la velocidad nominal 2 .

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1 Accionamiento de velocidad variable STAL Rotatune para regular la capacidad en función de la velocidad de rotación de compresores de tornillo modelo FV 19; a la izquierda el convertidor de frecuencia para el motor asíncrono de alta velocidad.

Ventajas del accionamiento STAL Rotatune El nuevo sistema de accionamiento denominado STAL Rotatune permite regular con gran eficacia la capacidad del compresor de tornillo y, por tanto, regular con precisión la temperatura del proceso frigorífico. Las ventajas para el usuario son el aumento de rentabilidad y la mejora del ajuste a las necesidades de frío, por ejemplo en la industria alimentaria, en los procesos químicos o en las pistas de hielo artificial. A esto hay que añadir que un compresor de tornillo con accionamiento STAL Rotatune tiene una configuración bastante más sencilla que un compresor convencional 3 , debido a las razones siguientes:

•

Se prescinde del dispositivo de control de capacidad usual hasta ahora, bastante complicado, cuya función es asumida por el variador de velocidad.

•

Es posible accionar progresivamente el motor hasta una velocidad máxima de 6000 rpm sin necesidad de engranaje.

•

No se necesita dispositivo especial de arranque, ya que el nuevo sistema controla la corriente y la tensión directamente a través del convertidor.

•

1.00

Menor peso, puesto que tanto el compresor como el motor son más ligeros

0.95

que en las ejecuciones convencionales equiparables.

0.90

Podemos citar, además, otras ventajas:

•

Mayor fiabilidad, ya que el compresor

0.85

tiene menos piezas móviles. 0.80

d 0.75 2 Rendimiento d de los motores de alta velocidad del sistema de accionamiento STAL Rotatune (rojo) en función de la velocidad relativa n, comparado con el de los motores estándar.

0.70

0

20

40

60

80

%

100

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Puesta en marcha y parada suaves del compresor de tornillo El nuevo sistema de accionamiento se distingue además por toda una serie de per-

4

feccionamientos en las funciones generales de la instalación refrigeradora.

3 7

Podemos citar, por ejemplo, que el convertidor de frecuencia permite la puesta en marcha y frenado suaves, con control de la aceleración y frenado del compresor 4 . Esto reduce las cargas que circulan por el equipamiento eléctrico y mecánico y evita

1

2

5

6

las puntas de corriente al poner en marcha el compresor. La corriente tomada del sumi-

a

nistro eléctrico no excederá nunca el valor

b

nominal de corriente del motor. En consecuencia, no existen límites para

Compresor de tornillo convencional (a) comparado con otro compresor de igual capacidad equipado con sistema de accionamiento STAL Rotatune (b), que tiene una estructura mucho más sencilla. 1 2 3 4 5 6 7

el número de arranques del compresor en

3

un intervalo de tiempo dado. Esto permite, a su vez, un sencillo ajuste de la disponibilidad del sistema a las variaciones en las exigen-

Dispositivo de puesta en marcha Motor asíncrono de dimensión 280/315 Engranaje Compresor con regulación de capacidad Convertidor de frecuencia Motor asíncrono controlado por la frecuencia, dimensión 225 Compresor

cias de refrigeración. Puesto que, además, el sistema de accionamiento no precisa de conmutador estrella-triángulo o de dispositivo de arranque análogo, y tiene una corriente reducida de arranque, no es necesario sobredimensionar los transformadores y cables

•

Menor nivel de ruido, gracias al ventila-

•

Ni el compresor ni el motor tienen que

dor de refrigeración de baja velocidad

funcionar continuamente a la velocidad

del motor.

nominal.

de conexión. Finalmente, el motor tiene un factor de potencia prácticamente igual a la unidad en

Evolución de la corriente I del motor de un compresor de tornillo convencional (a) y de un compresor con sistema de accionamiento STAL Rotatune (b). En este segundo caso se tiene puesta en marcha suave y no hay punta de corriente.

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1.0

1.0

0.9

0.9

cos  

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cos  

0.8 0

50

%

0.8

100

0

Q

a

R

50

%

100

Q

b

Factor de potencia cos   en función de la capacidad relativa Q de un compresor de tornillo convencional (a) y de un compresor con sistema de accionamiento STAL Rotatune (b). En el segundo caso se tiene un factor de potencia cercano a la unidad, casi sin corriente reactiva.

5

toda la gama de velocidades 5 , mientras

una capacidad de refrigeración proporcional

Amortización en un

que el convertidor tiene un rendimiento muy

a la velocidad. Es suficiente, por tanto, con

año gracias al ahorro

alto. Esto garantiza que las pérdidas en el

que el motor y el compresor giren a la velo-

de energía

sistema de accionamiento sean reducidas y

cidad necesaria para conseguir el flujo de

En general, la capacidad de un compresor

que la potencia reactiva sea casi igual a

refrigerante deseado.

de tornillo que funciona a velocidad cons-

cero, lo cual permite prescindir del corres-

Puesto que en las instalaciones frigorífi-

tante se regula por medio de un sistema de

pondiente equipo de compensación con la

cas generalmente no se necesita más que el

válvulas y un control de flujo (por ejemplo

consiguiente reducción de costes.

40 al 70% de la capacidad máxima durante

by-pass), un sistema que inevitablemente

la mayor parte del tiempo de servicio, el ac-

produce pérdidas.

cionamiento STAL Rotatune funciona duran-

El sistema de accionamiento STAL Rota-

Bajo nivel de ruido

te periodos prolongados con velocidad rela-

tune hace innecesarios estos dispositivos y

Con el sistema de accionamiento STAL Ro-

tivamente baja y, en consecuencia, con bajo

permite utilizar la capacidad de carga del

tatune, el compresor de tornillo proporciona

nivel de ruido 6 .

compresor en toda la gama de velocidades.

Nivel de ruido Lp en función de la capacidad relativa Q de un compresor de tornillo convencional (azul) y de un compresor con sistema de accionamiento STAL Rotatune (rojo). La línea verde indica su valor medio.

6

7 Potencia absorbida relativa N en función de la capacidad relativa Q de un compresor de tornillo convencional (azul) y de otro equipado con sistema de accionamiento STAL Rotatune (rojo). El sistema de accionamiento STAL Rotatune proporciona mejor rendimiento, especialmente con carga parcial.

90 dB ( A ) 85

100 % 80

80

60

75 Lp

40 N

70 65 0

20 Q

40

60

80

% 100

20 0 0

20

40

60

80

% 100

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Perfil típico de carga de un compresor: duración de funcionamiento relativa tB en tanto por ciento para distintos valores de la capacidad Q

15 %

8

10

Esto economiza energía, sobre todo si la

5

instalación frigorífica funciona a capacidad reducida 7 . Si el compresor está conecta-

tB 0

do con un economizador, la capacidad es30

40

50

60

70

80

90

% 100

pecífica incrementada se obtiene en toda la gama de velocidades.

Q

Los cálculos realizados revelan que, en un sistema de refrigeración con perfil normal de carga 8 , se puede esperar un ahorro de energía del 10 al 17% empleando el sistema de accionamiento STAL Rotatune. Con un motor de 100 kW y 6000 horas de funcionamiento al año se puede conseguir, para este perfil de carga, un ahorro anual de unos 50 000 kWh. Considerando los precios de la corriente eléctrica, la inversión en un accionamiento STAL Rotatune se amortiza bastante rápidamente. Finalmente, un compresor de tornillo dotado con accionamiento STAL Rotatune consume menos energía que un compresor de pistón, incluso con carga parcial. Además, el sistema de accionamiento STAL Rotatune permite regular la temperatura de modo mucho más preciso que el equipamiento convencional.

Flexibilidad de aplicación Hoy por hoy, el nuevo sistema de accionamiento STAL Rotatune ofrece el control de capacidad para sistemas de refrigeración más eficiente del mercado. La regulación progresiva de la velocidad permite

9 Grupo frigorífico para enfriamiento de líquidos en una instalación de refrigeración a distancia, en Suecia. Comprende, entre otros sistemas, un accionamiento STAL Rotatune y un compresor de tornillo FV 26 para ajustar exactamente la capacidad a las necesidades de frío.

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sido especialmente adaptados para el funcionamiento con un convertidor de frecuencia.

Bajos costes de mantenimiento durante la vida operativa Puesto que los elementos mecánicos de regulación se hacen innecesarios, los compresores de tornillo equipados con accionamiento STAL Rotatune tienen normalmente menos piezas móviles que los compresores con accionamiento convencional. Este hecho, añadido a la suavidad de la puesta en marcha y parada, conduce a un aumento de la fiabilidad y a una reducción del desgaste. 10 Compresor de tornillo de una instalación frigorífica española para productos alimentarios. El grupo de accionamiento STAL Rotatune, con el compresor de tornillo FV 19 y el economizador, se encargan de regular la capacidad de la instalación.

El alto rendimiento y la gran disponibilidad ofrecidos por el sistema de accionamiento STAL Rotatune satisfacen las principales exigencias de los usuarios de sistemas frigoríficos. El servicio posventa de

obtener una relación volumétrica óptima

cionamiento STAL Rotatune puede contri-

ABB, que incluye contratos de manteni-

sin pérdidas de energía, incluso con carga

buir a ajustar la instalación a las cargas va-

miento y servicio de urgencia, permite man-

parcial.

riables manteniendo el rendimiento en su

tener estas propiedades año tras año, ga-

valor máximo.

rantizando al cliente que sus máquinas ten-

STAL Rotatune constituye la solución ideal para todas las instalaciones frigoríficas

Con el controlador Stalectronic 700, ba-

pequeñas y medianas en que los compre-

sado en microprocesador, se puede moni-

sores deben funcionar con capacidad varia-

torizar y hacer el control secuenciado de

ble. Pero incluso en las instalaciones de

hasta ocho compresores. La unidad ofrece

grandes dimensiones con varios compreso-

además una comunicación hombre-máqui-

res puede utilizarse uno o dos de ellos,

na muy sencilla para el usuario.

equipados con accionamientos STAL Rota-

El sistema de accionamiento STAL Ro-

tune, para regular la capacidad. En tal caso,

tatune está disponible actualmente en

los demás compresores funcionan a plena

tres tamaños de compresor de tornillo 1 ,

carga. De este modo, incluso en grandes

9 , 10 (Tabla 1). Como ya se ha mencio-

instalaciones frigoríficas, el sistema de ac-

nado, los correspondientes motores han

drán una larga vida útil con bajos costes de mantenimiento.

Bibliografía [1] Asplund, T.; Rolfsman, L.: Refrigeración: compresores helicoidales silenciosos y

Tabla 1: Dimensiones disponibles de compresores de tornillo con sistema de accionamiento STAL Rotatune Designación del tipo

Capacidad máxima m3/h

compatibles con el medio ambiente. Técnica ABB 9/95, 10–14. Potencia correspondiente del motor kW1

Dirección de los autores Lennart Rolfsman

FV 19

400

90

FV 24

660

145

ABB Refrigeration AB

FV 26

925

225

S-601 87 Norrköping, Suecia

Sven Wihlborg

Telefax: +46 (0) 11 10 23 42

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