Protección de los VFD contra el sobrecalentamiento

(Cortesía de Jon LaPorta)

Informe del fabricante cortesía de Pfannenberg Inc.

Los variadores de frecuencia son un tema candente. Los avances en la tecnología VFD y las reducciones en el precio están impulsando una rápida adopción en el mercado. Los ahorros de energía drásticos pueden brindar un período de recuperación medido en meses, y los VFD permiten un control preciso del motor en muchas aplicaciones de procesos industriales.

Pero los VFD también están de moda en el sentido literal: la electrónica avanzada empaqueta más componentes semiconductores en un factor de forma más pequeño, lo que genera una generación de calor más intensa. Las temperaturas elevadas degradan el rendimiento, afectan la confiabilidad operativa y acortan la vida útil.

Una variedad de métodos de refrigeración han demostrado su eficacia, incluida la refrigeración pasiva por aire con ventiladores e intercambiadores de calor, y la refrigeración activa con aire acondicionado y refrigeración por agua.

Desafortunadamente, determinar la carga de enfriamiento puede ser un poco confuso. Los cálculos se complican innecesariamente por un desajuste de los sistemas de medición. — Unidades imperiales (HP, BTU, CFM) mezcladas con unidades métricas (vatios) — y la conversión se pierde en la traducción.

Por lo tanto, en Pfannenberg, hemos desarrollado guías prácticas sencillas para seleccionar y dimensionar soluciones de enfriamiento VFD.

Los recintos protectores causan sobrecalentamiento

El desafío básico del enfriamiento VFD proviene del hecho de que los VFD generalmente deben colocarse en un gabinete para protegerlos del entorno inmediato y, paradójicamente, estos gabinetes atrapan el calor, lo que requiere protección contra el sobrecalentamiento.

Los gabinetes básicos de tipo NEMA 12 a menudo se especifican para proteger contra peligros comunes, como sedimentación de polvo, goteo de agua y condensación de líquidos no corrosivos. Cada vez más, las tecnologías avanzadas en los nuevos VFD, como la fibra óptica, requieren gabinetes con niveles de protección más mejorados.

Y con la adopción a gran escala de la tecnología VFD, muchas aplicaciones requieren gabinetes especialmente diseñados para entornos desafiantes, desde gabinetes para exteriores resistentes a la intemperie y a los impactos hasta gabinetes de acero inoxidable herméticamente sellados para instalaciones de producción de alimentos que deben resistir la limpieza con manguera. A medida que un recinto se sella más, naturalmente comienza a retener más calor, debido a la disminución de la disipación pasiva, lo que crea un mayor desafío de enfriamiento.

El tamaño del recinto también importa mucho. Las dimensiones típicas de los gabinetes se han reducido drásticamente en los últimos años, para adaptarse a espacios más reducidos y economizar en el costo del gabinete. En una caja grande, imagine un espacio del tamaño de una habitación, la diferencia de temperatura entre el área del piso y el área del techo provoca un ligero flujo de aire llamado convección natural. Cuanto más pequeño es el espacio, menos objetos pueden beneficiarse de este efecto de enfriamiento. Sin un flujo de aire adecuado, es más probable que se desarrolle un fenómeno conocido como "puntos calientes" en la superficie y en el interior de los VFD, causando estragos en los componentes electrónicos sensibles.

El factor de forma más pequeño de los VFD y sus gabinetes contribuyen al sobrecalentamiento de otra manera: una caja más pequeña significa que hay menos área de superficie disponible en el exterior para transmitir calor al aire circundante. Todos estos factores requieren soluciones de refrigeración eficaces y fiables.

Adopción rápida de VFD

Pero primero, demos un paso atrás y consideremos el panorama general. La eficiencia energética de los VFD no solo es buena para las empresas individuales, sino que también es clave para abordar el cambio climático.

En todo el mundo, alrededor de una cuarta parte de toda la energía eléctrica se utiliza para alimentar motores en aplicaciones industriales. En los EE. UU., aproximadamente 40 millones de motores consumen entre el 60 y el 65 % de toda la energía eléctrica. Tres cuartas partes de estos motores son cargas de compresores, bombas y ventiladores de torque variable, los tipos de aplicaciones maduros para la eficiencia energética que ofrecen los VFD.

Hoy en día, solo alrededor del 3% de los motores de CA están controlados por VFD, pero alrededor del 30-40% de los motores nuevos instalados cada año tienen un VFD. Según un informe de 2021 de Research Dive, se estima que el mercado mundial de unidades de frecuencia variable crecerá casi un 5 % anual hasta los 25 000 millones de dólares en 2027.

Los ahorros de energía son dramáticos. Los VFD reducen el consumo de energía al permitir que los motores eléctricos funcionen a una velocidad inferior a la máxima. Los motores de inducción de CA básicos están diseñados para funcionar a una velocidad constante, pero en el uso real, los requisitos de velocidad fluctúan y, por lo general, la velocidad máxima se emplea solo alrededor del 10% del tiempo. La ineficiencia inherente es obvia, análoga a hacer funcionar el motor de un automóvil con el tacómetro mostrando el motor constantemente a su velocidad máxima.

El ahorro de energía se puede calcular utilizando las Leyes de Afinidad: la potencia eléctrica consumida es proporcional al cubo de la velocidad de rotación. Por lo tanto, reducir la velocidad de una bomba o ventilador al 75 % reduce el consumo de energía en casi un 60 %, y una velocidad del 50 % ahorra casi un 90 %.

De estas ganancias de eficiencia, es necesario restar el desperdicio de energía relativamente mínimo de alrededor del 3% debido a la pérdida de calor del VFD. Es importante cuantificar esta pérdida de calor del VFD, no por su impacto financiero, que es mínimo en comparación con las ganancias de eficiencia general de utilizar la tecnología, sino por el peligro que representa el sobrecalentamiento para los componentes electrónicos del VFD si el calor queda atrapado en el gabinete. se permite exceder los límites de temperatura aceptables.

Cuándo elegir refrigeración pasiva y cuándo elegir activa

Hay dos tipos diferentes de enfriamiento, el primero es el enfriamiento pasivo y el segundo es el enfriamiento activo, ambos tipos utilizan la Segunda Ley de la Termodinámica, que en términos simples es que la energía va de una fuente superior a una fuente inferior. El enfriamiento pasivo utiliza el camino natural de la transferencia de calor con el calor yendo de la fuente de temperatura más alta a la fuente de temperatura más baja. Un buen ejemplo de esto son los ventiladores con filtro, los ventiladores con filtro mueven el aire ambiental más frío dentro y a través de un recinto donde ese aire absorbe calor hasta que se agota y el calor se disipa en el ambiente.

El enfriamiento activo requiere que se coloque una fuente de energía en el sistema para crear un camino para la transferencia de calor. Esto se hace comúnmente con el uso de un ciclo de compresión de vapor, un ciclo de compresión de vapor tiene cuatro partes principales, un compresor, un condensador, un dispositivo de regulación y un evaporador. El ciclo comienza con el compresor donde se pone energía en el sistema, el refrigerante ingresa al compresor a baja presión y baja temperatura donde se comprime, lo que hace que el refrigerante salga del compresor a alta presión y alta temperatura. A continuación, el refrigerante viaja a través del condensador, donde se elimina el calor, lo que hace que el refrigerante se convierta en un líquido saturado o subenfriado. Luego, el refrigerante pasa a través de un dispositivo de estrangulación donde su presión y temperatura descienden. Finalmente, el refrigerante pasa a través del evaporador donde se absorbe el calor convirtiéndolo en gas de baja presión y baja temperatura, donde el ciclo puede repetirse.

Decidir cuándo usar pasivo y cuándo usar activo es bastante simple. Si su temperatura ambiente es más baja que la temperatura deseada de su recinto o si tiene una fuente de agua enfriada pasivamente, entonces se puede usar una unidad de enfriamiento pasiva, lo cual es deseable para ahorrar energía. El enfriamiento pasivo usa significativamente menos energía que el enfriamiento activo, ya que el enfriamiento pasivo no requiere que se introduzca energía en el sistema para permitir un camino para la transferencia de calor. Si la temperatura ambiente es más alta que la temperatura objetivo de su recinto o no tiene una fuente de agua enfriada pasivamente, entonces debe usar una unidad activa.

Una forma sencilla de calcular los requisitos de refrigeración

Aquí hay una forma simple de calcular los requisitos de enfriamiento para los métodos de enfriamiento activo y pasivo.

Regla general de refrigeración activa

Los VFD generalmente se clasifican en caballos de fuerza (HP) y los sistemas de enfriamiento se miden en British Thermal

Unidades (BTU o BTU/h para BTU horas). Pero, ¿cómo se convierte de HP a BTU/h?

Aquí está la regla general para aire acondicionado y refrigeración por agua:

Se requieren 75 BTU/h por cada 1 HP

En otras palabras, para una unidad VFD de 100 HP, se requieren 7500 BTU/h de refrigeración.

Esta regla general se deriva de la siguiente manera:

Regla general de refrigeración pasiva

Para soluciones de refrigeración pasiva, como Pfannenberg Datawind Filterfan®, la regla general es

Se requieren 4 CFM por cada 1 HP para mantener 10 °C por encima de la temperatura ambiente en el gabinete

En otras palabras, para una unidad de 100 HP, se requieren 100 CFM.

Esta regla general se deriva de la siguiente ecuación

1 CFM = 1,82 x vatios de pérdida de calor / Δ Temp (°C)

Estas guías generales proporcionan una guía general para seleccionar un método de enfriamiento y para dimensionar los requisitos de carga de enfriamiento. Para cálculos más precisos que tengan en cuenta la temperatura y la humedad ambientales y otras consideraciones críticas, proporcionamos el software de dimensionamiento de Pfannenberg sin cargo. Al simplificar el cálculo de los requisitos de enfriamiento, esperamos que la adopción de la tecnología VFD continúe creciendo rápidamente y que los usuarios se beneficien del máximo rendimiento y vida útil.

Jon LaPorta es vicepresidente de marketing de Pfannenberg Incorporated.