Impacto de la temperatura en el rendimiento de variadores de frecuencia y motores eléctricos en aplicaciones industriales y de bombeo solar.
La temperatura ambiente tiene un impacto significativo en el rendimiento de los variadores de frecuencia. Este primer efecto suele estar tabulado y caracterizado por el fabricante y se puede prever en la elección del variador. Pero hay otros efectos de la temperatura que impactan en el rendimiento final de la solución adoptada y que tienen igual o más importancia que el propio variador, como pueden ser efectos en la vida útil y la eficiencia de los motores eléctricos involucrados, en la sensórica distribuida o incluso en las instalaciones críticas asociadas como campos solares en el caso de bombeos alimentados por energía solar.
Efectos en los variadores de frecuencia:
Las variaciones de temperatura pueden influir en la capacidad de los variadores de frecuencia para gestionar la velocidad y el par motor de manera efectiva. Las altas temperaturas pueden provocar un aumento en la resistencia eléctrica de los componentes internos, afectando la capacidad del variador para controlar la frecuencia y la velocidad del motor de manera precisa. Además, las fluctuaciones térmicas pueden comprometer la calidad de los componentes electrónicos, llevando a un mayor desgaste y reduciendo la vida útil a largo plazo.
VECTOR incluye junto con sus variadores de frecuencia unas tablas con la disminución de valores nominales por temperatura y altitud (llamado también en inglés ‘derating’). Estas tablas son muy importantes cuando se elige la talla en potencia e intensidad de salida del variador si se ha de instalar en zonas de exterior con temperaturas de trabajo elevadas (que es lo habitual en aplicaciones de bombeo solar en verano).
En la siguiente imagen se ve una tabla ejemplo de un VD690. Desde -10ºC hasta 40ºC el variador trabaja dentro de sus valores nominales. Sin embargo, en el rango de temperaturas entre +40 ºC y +50 ºC, la intensidad nominal de salida disminuye en un 1 % por cada 1ºC adicional:
La manera de minimizar o controlar estos efectos negativos de la temperatura es con una correcta ventilación y refrigeración del variador. Para ello VECTOR provee los valores de disipación de energía de nuestros equipos y puede aconsejar sobre la instalación y ventilación óptima dentro del armario eléctrico. De esta manera se pueden calcular las condiciones de trabajo y diseñar un sistema eficiente de control de temperatura en cada caso.
Impacto en los motores eléctricos:
Los motores eléctricos también experimentan cambios en su rendimiento y eficiencia en función de la temperatura. El aumento de la temperatura puede afectar negativamente la capacidad de refrigeración del motor, lo que conduce a un incremento en la resistencia de los devanados y un eventual deterioro del aislamiento. Estos efectos pueden resultar en un aumento de las pérdidas de energía y una disminución en la eficiencia general del sistema.
En bombas con motores de superficie, el fabricante del motor aconsejará una velocidad de giro en Hercios mínima para que el motor se auto-refrigere de manera pasiva con las aspas que suelen incorporar en la parte trasera y que van ligadas al eje. Si la aplicación requiere de una velocidad de rotación menor, es posible que el fabricante del motor especifique la instalación de ventilación activa para evitar daños por sobre-temperatura.
En el caso de bombas sumergidas, el arranque del motor por parte del variador es crítico para asegurar que los rodamientos se mueven hacia la posición de trabajo. En caso contrario la bomba se calentará y acabará con una avería por temperatura. Por tanto es importante elegir correctamente el variador según la aplicación que se le vaya a dar. Por ejemplo los variadores de frecuencia especiales para bombeo VECTOR de la gama VD o LS ya incorporan parámetros que facilitan el control de los arranques de bombas sumergidas y ayudan a prevenir estos efectos.
Impacto de la temperatura en el campo solar:
El voltaje de las placas solares tiene una alta dependencia con la temperatura. A temperaturas bajas las placas solares rinden mucho más y dan un voltaje mucho mayor que a temperaturas elevadas. Por tanto las placas solares rinden peor en verano debido a la temperatura, justo coincidiendo con los momentos de más demanda.
En la siguiente gráfica se puede ver cómo afecta la temperatura al voltaje total Voc (voltaje de circuito abierto) y Vmpp (Voltaje en trabajo) de un string de 14 placas solares conectadas en serie (líneas de color naranja). La aplicación es un bombeo con motor trifásico de 400VAC con un variador de frecuencia alimentado en corriente contínua proveniente de dicho campo solar:
En este caso se han marcado en verde los límites de trabajo superiores e inferiores en voltaje contínuo del busDC variador. Por encima de estos valores el variador puede romperse por sobrevoltaje. Por debajo de estos valores el variador se apagará por falta de voltaje. En azul está marcado el valor nominal de trabajo en voltaje contínuo para que el variador pueda mover el motor de manera constante a 50Hz.
Como se aprecia en la gráfica, la recta color naranja (14 placas en serie por string) del lado del Voltaje Voc está dentro de los límites de trabajo superiores e inferiores en todo el rango de temperaturas. Sin embargo, cuando el variador se pone a trabajar y comienza a consumir energía del string, el voltaje cae a los valores de voltaje Vmpp indicados en el lado izquierdo de la gráfica, llegando a estar por debajo del nominal (línea azul) a partir de los 30ºC de temperatura. A partir de los 30ºC no será posible mover el motor a 50Hz y tendrá que comenzar a girar más lentamente.
La solución propuesta desde VECTOR es utilizar un controlador de string o STC-1. Este dispositivo añade placas adicionales al string en los momentos que son necesarios. En la gráfica anterior, cuando el variador estaba parado el voltaje Voc estaba dentro de los límites seguros del variador (recta naranja de la derecha). Pero cuando el variador comienza a trabajar, el STC-1 detecta una caída de tensión Vmpp y añade 2 placas al string (pasa a ser la recta roja 16 placas por string en la parte izquierda de la gráfica). De esta manera aseguramos que la bomba se pueda mover a 50Hz hasta los 60ºC de temperatura de manera segura para el variador.
Impacto en electrónica y accesorios:
El variador recibe información del proceso a través de sensórica distribuida: Transductores de presión, sondas de nivel, sensores de radiación, filtros de entrada y salida, etc.
Todos ellos cuentan con un rango de trabajo por temperatura. Es importante comprobar que pueden funcionar correctamente para las condiciones ambientales de la aplicación. Normalmente los transductores de presión y sensores de radiación que recomendamos en VECTOR cuentan con rangos de trabajo muy amplios, desde -10ºC hasta 80ºC o 90ºC.
Ricardo Molina,
Director técnico VECTOR Energy.
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