Los motores que alimentan múltiples aplicaciones suelen estar fabricados para funcionar a velocidades uniformes, independientemente de la aplicación en cuestión. Para cualquier máquina que funcione con un motor de CA, puede ahorrar dinero en costes de energía con el uso de un variador de velocidad (VSD), que ajusta la velocidad del motor según las necesidades de una aplicación determinada. Convierte la tensión de CA en CC y la vuelve a invertir en CA con una frecuencia y tensión variables.

Con un variador de velocidad, las operaciones se desarrollan con fluidez y eficacia porque los procesos se mueven en función de las demandas de una aplicación determinada. Por lo tanto, en las instalaciones equipadas con VSD no suelen producirse los siguientes problemas:

• Operaciones lentas que consumen demasiada energía. Si las exigencias de una aplicación son relativamente poco intensivas, la maquinaria que suministra la energía debe ajustar la velocidad, la fuerza y el par en consecuencia.
• Las aplicaciones variables funcionan a velocidades vertiginosas. En las aplicaciones que implican una mezcla de movimientos rápidos y lentos, la maquinaria en cuestión debe ajustarse a estas necesidades; de lo contrario, los productos sufren daños y la energía se desperdicia.

Con los variadores de velocidad, los operarios de compresores de aire y otra maquinaria industrial pueden obtener velocidades de precisión según sea necesario, pero también disfrutar de unos costes de funcionamiento considerablemente reducidos.

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Par variable frente a par constante

En la maquinaria industrial, hay piezas que requieren un giro constante y otras que se hacen girar mejor de forma variable. En términos de par -la fuerza que hay detrás de la velocidad de giro-, los variadores de velocidad se dividen en dos categorías de carga:

• Par variable: Se aplica a la mayoría de las aplicaciones de climatización, como ventiladores y bombas de aire.
• Par constante: Engloba herramientas y maquinaria industrial, como trituradoras y cintas transportadoras.

En la mayoría de los casos, las cargas de la primera categoría son más eficientes energéticamente que las que emplean un par constante. Después de todo, no todas las aplicaciones requieren velocidades de giro máximas o constantes. Con algunas máquinas y herramientas neumáticas, lo mejor es que la pieza en cuestión gire a distintas velocidades a lo largo de cada ciclo.

Par variable al cuadrado de la velocidad

La potencia utilizada para mantener las piezas de la máquina girando es similar, aunque diferente, a la potencia que aplica la fuerza. La velocidad, por ejemplo, puede ser necesaria en diferentes niveles para aplicaciones que implican par en una sección y movimiento hacia delante/atrás en otra. En las cargas de par variable, los requisitos de fuerza se correlacionan con la velocidad de la siguiente manera:

• Par = cuadrado de la velocidad
• Potencia = cubo de la velocidad

Cuando funcionan a media velocidad, las aplicaciones de par variable utilizan sólo una cuarta parte de la energía total empleada a plena velocidad. En cierto sentido, es similar a cómo los objetos que giran suelen moverse más rápido y durante más tiempo que los objetos que ruedan sobre superficies planas.

En términos relativos, los dispositivos HVAC suelen tener requisitos de carga de baja velocidad. Por ello, los operadores pueden ahorrar dinero en energía si utilizan variadores de velocidad para aplicaciones de HVAC. En los edificios públicos que dependen de grandes sistemas HVAC para calentar y enfriar cientos de habitaciones en decenas de plantas, los propietarios podrían obtener enormes ahorros mes tras mes con sistemas controlados por VSD. Todo este ahorro podría repercutirse en los inquilinos e invertirse en renovaciones y ampliaciones, lo que a su vez podría atraer a más inquilinos y compradores.

Control superior de procesos con variadores de velocidad

En comparación con otros tipos de controladores de motores de CA, los variadores de velocidad son los únicos que ofrecen velocidades precisas en todos los niveles de funcionamiento. En fábricas con procesos variables, la flexibilidad y precisión de la maquinaria accionada por VSD es vital para obtener producciones de bajo coste y máxima calidad. Por ejemplo, si una aplicación requiere 840 rpm y otra 1120 rpm, sería un despilfarro y potencialmente perjudicial tener un accionamiento que funcione todo a 1400 rpm. Éstas son sólo algunas de las razones por las que los variadores de velocidad están ganando terreno a los reguladores de velocidad.

En comparación, los métodos de control de la competencia, como los arrancadores suaves y completos, presentan los siguientes problemas:

• Arrancadores de máxima tensión: Sólo ofrecen velocidades máximas, independientemente de si una aplicación requiere rápida, media o lenta.
• Arrancadores suaves: Ya sean de tensión normal o reducida, sólo aceleran el motor hasta la velocidad máxima y lo detienen.

En cambio, un variador de velocidad está hecho para suministrar un par preciso, justo cuando se necesita, y para detenerse en momentos determinados. Es cierto que los accionamientos de CC también destacan por su precisión, velocidad y par de alta potencia, pero los motores de CA son más duraderos, están más extendidos y tienen un precio más razonable, lo que ha hecho que los controladores de CA sean los preferidos.

Aplicaciones de velocidad variable en prensas

Cuando un motor funciona con un controlador de una sola velocidad, la velocidad simplemente se catapulta de cero a 100 en una fracción de segundo. En consecuencia, los motores pueden soportar sobretensiones que a menudo superan peligrosamente las corrientes de carga. Por el contrario, los variadores de velocidad trabajan progresivamente hasta alcanzar las velocidades adecuadas, lo que evita al motor esfuerzos indebidos. Esto, a su vez, conlleva menos reparaciones, menos necesidad de mantenimiento y una vida útil más larga para el motor y el equipo de carga.

En un entorno de fábrica con máquinas que dependen de compresores de aire, el contraste entre las aplicaciones de velocidad única y las de velocidad variable podría suponer una enorme diferencia en términos de calidad del producto acabado. Imagínese las dos situaciones siguientes:

• Montaje a velocidad fija: Los tableros de madera se desplazan a lo largo de una cadena de montaje para ser cortados, lijados, pulverizados y ensamblados. Cada herramienta y función requiere una velocidad, presión o par diferentes, pero el sistema funciona con controles fijos que no reconocen estas variables.
• Montaje a velocidad variable: Podría aplicarse un conjunto similar de procesos, ya sea para la construcción en madera o en metal. Algunas herramientas requieren velocidades más rápidas que otras, mientras que determinadas aplicaciones exigen un enfoque variado en todo momento. Afortunadamente, el sistema está diseñado para comprender estas variables.

Sin lugar a dudas, la segunda planta de montaje tendría la capacidad de producir productos de mayor calidad, conservando al mismo tiempo la energía y maximizando la longevidad de cada herramienta utilizada.

Aspectos técnicos de los variadores de frecuencia

Generalmente, un VSD de bucle abierto estará equipado para calcular su corriente de salida y aproximar la disparidad entre la velocidad y el valor de consigna, al que el variador se alinea de forma natural. La mayoría de los variadores de par son compatibles con controladores proporcionales-integrales-derivativos para aplicaciones con soplantes y funciones de presión.

Las variaciones en los distintos procesos (niveles de presión y líquido, caudales de aire y líquido) son leídas por un transmisor, que envía una señal a los controladores lógicos programables, que a su vez actúan como intermediarios entre el proceso y el accionamiento. Basándose en esta información continua, el VSD modifica la velocidad en función de las necesidades.

Sobre el terreno, la mayoría de los variadores se emparejan con controles Voltios/Hercios, que funcionan para la mayoría de las aplicaciones que funcionan con variadores de velocidad.

Cuando un motor se energiza por primera vez, la corriente de arranque es aproximadamente el 600% de la corriente normal a plena carga. Aunque la corriente disminuye a medida que el motor alcanza la velocidad máxima, el sistema sufre una caída de tensión que puede provocar daños por descarga, desgaste del motor e impactos negativos en otras cargas. Un arrancador a plena tensión también podría restringir la gama de tamaños de motores aceptables para determinados sistemas de carga.

Ventajas exclusivas de los variadores de velocidad

En la mayoría de las operaciones mecánicas accionadas por motor, los variadores de velocidad ofrecen un control preciso y energéticamente eficiente de la fuerza y el par. En cualquier operación, la principal ventaja de un VSD es doble:

• Control eléctrico preciso: Las velocidades del motor pueden acelerarse, ralentizarse, mantenerse indefinidamente o detenerse repentinamente.
• Reducción de los costes energéticos: Los variadores de velocidad permiten reducir los costes energéticos hasta en un 70%, ya que los niveles de velocidad se suministran en función de las necesidades y no de forma uniforme y arbitraria.

Además, los variadores de velocidad eliminan la necesidad de diversos componentes mecánicos secundarios. Además, un VSD puede ayudarle a conservar espacio y reducir los costes de mantenimiento que suelen acumularse con el tiempo con las cargas de motor.

Capacidad para controlar la corriente de arranque. En situaciones en las que un motor de CA se pone en marcha a toda velocidad, necesita hasta ocho veces la corriente sólo para arrancar el motor y la carga. Sin embargo, con un variador de velocidad se necesita una corriente de arranque mucho menor, lo que en última instancia proporciona al motor de CA una mayor longevidad. Cuando se piensa en todos los mecanismos que se alimentan con esta corriente de arranque, resulta más crucial asegurarse de que las máquinas no se inician con la brusquedad que puede producirse con algunos de los peores reguladores de velocidad del mercado.

Menos problemas con la línea eléctrica. El sistema de alimentación vinculado al motor puede vaciarse fácilmente por las dos causas siguientes:

• Iniciación del motor de CA a través de la línea
• Demanda de corriente de arranque

Cualquiera de estos problemas puede provocar una caída de tensión, que a su vez podría afectar a otros equipos conectados a la distribución, como sensores, ordenadores y cualquier otro elemento sensible a los niveles de tensión. Sin embargo, con un variador de velocidad, no tendrá que preocuparse por las caídas de tensión y los daños que pueden infligir a maquinaria y componentes electrónicos costosos.

Menor consumo de energía en el arranque. Con un variador de velocidad, el arranque de un motor de CA requiere menos energía. Aquí es donde se producen algunos de los mayores ahorros, ya que los variadores de velocidad tienden a consumir grandes cantidades de energía en el arranque. En muchos sentidos, es muy parecido a las pantallas de ordenador y las bombillas, que cuanto más se encienden y se apagan, más rápido se queman, debido a la energía extra que requiere la activación. Del mismo modo, el arranque es uno de los procesos que más energía consumen en un motor, y cuanta más energía se utilice en esos momentos, antes será necesario realizar tareas de mantenimiento.

Proceso de aceleración controlado. Un motor de CA y todos los dispositivos conectados pueden sufrir una descarga mecánica cada vez que se pone en marcha a través de la línea. Cada vez que se produce un choque de este tipo, cada dispositivo sufre un impacto perjudicial. Por el contrario, los variadores de velocidad parten lentamente de cero y alcanzan gradualmente velocidades más altas, lo que permite un proceso de arranque más suave para cargas completas.

Velocidades modificables. Con un variador de velocidad, puede maximizar las aplicaciones y modificar los procesos sobre la marcha. En función de las necesidades de una aplicación, también puede realizar los siguientes ajustes:

• Arrancar a velocidades más lentas de lo normal
• Ajuste de la velocidad a distancia mediante el controlador de proceso

Para las máquinas que necesitan un poco de tiempo de calentamiento al arrancar, la primera opción podría ser la configuración ideal. En este sentido, algunas máquinas y aplicaciones son comparables a los aviones, en el sentido de que ambos necesitan tiempo para despegar y elevarse hasta el modo de pleno vuelo.

También hay ciertas máquinas que no necesitan tiempo adicional para activarse, pero sí cierta intervención humana debido a las exigencias variables de una aplicación determinada. Tanto si se trata de una máquina neumática como de una herramienta neumática, puede que sea necesario programarla a distancia o manejarla manualmente. Para aplicaciones como éstas, lo mejor es contar con un variador de velocidad que pueda responder a las necesidades cambiantes de velocidad y par.

Ajuste del límite de par. Con un control preciso del par a lo largo de un proceso determinado, la maquinaria y los productos están más protegidos gracias a los variadores de velocidad, que pueden programarse para restringir el par y evitar así que el motor supere este umbral. En el caso de las herramientas y máquinas que sólo necesitan una potencia de giro moderada, el variador se ajusta en consecuencia, ahorrando energía en el proceso al retener el exceso de potencia que un controlador de velocidad fija acabaría utilizando de forma derrochadora.

Parada controlada. La parada controlada reduce el número de mercancías que acaban arruinadas a causa de roturas y deterioros mecánicos provocados por golpes e interrupciones repentinas. De este modo, hay menos riesgo de pérdida de productos por impactos inesperados que, de otro modo, serían perjudiciales para los mecanismos de un motor. Además, teniendo en cuenta que no todos los daños infligidos a la maquinaria son causados externamente y cómo los daños en las piezas internas pueden ser a menudo más costosos, las máquinas que utilizan variadores de velocidad son mucho más seguras con esta característica.

Conservación de la energía. Los variadores de velocidad reducen considerablemente el consumo de energía en operaciones de carga centrífuga, como los ventiladores. Por ejemplo, si un ventilador funciona a sólo el 50% de su velocidad normal, la potencia necesaria para alimentar el dispositivo se reduce ocho veces. Si se tiene en cuenta la tasa de energía que entra en un determinado proceso y la cantidad que representa en los costes energéticos mensuales, el ahorro puede ser exponencial, sobre todo cuando los niveles de consumo se reducen a la mitad.

Capacidad para funcionar en sentido inverso. En los motores equipados con variadores de velocidad, no es necesario utilizar arrancadores de marcha atrás porque las salidas pueden conmutarse electrónicamente. Esto no sólo hace que las operaciones inversas sean más fáciles y menos engorrosas, sino que también reduce los gastos de mantenimiento y ahorra espacio, que de otro modo podría ser consumido por un arrancador inversor.

No se necesitan componentes de accionamiento mecánico. Gracias a la capacidad de un variador de velocidad para ajustar las velocidades según las necesidades de cada aplicación, no es necesario incluir un dispositivo de variación de velocidad en una configuración de accionamiento mecánico. Por lo tanto, no es necesario utilizar una caja de engranajes ni lidiar con todos los problemas que conlleva, como el espaciado y el mantenimiento adicional. Teniendo en cuenta lo costoso que puede resultar reparar los complejos mecanismos de una caja de cambios, la posibilidad de eliminar este componente de su arsenal podría ser una de las mayores ventajas de los variadores de velocidad.

Opciones de movimiento únicas. Para reducir aún más el esfuerzo mecánico o de potencia, un variador de velocidad también es capaz de controlar el motor con patrones únicos. Un ejemplo: La curva en S puede utilizarse en cintas transportadoras para facilitar los comandos de aceleración/desaceleración, lo que reduce la posibilidad de retroceso de la cinta transportadora que a veces se produce por saltos bruscos y caídas de velocidad.

El mundo se acerca a los variadores de velocidad

En la mayoría de las plantas industriales, más del 70% del coste de un compresor durante su vida útil corresponde a la electricidad. Aunque muchas instalaciones nuevas han intensificado sus esfuerzos para reducir este tipo de costes, el movimiento hacia la conservación ha sido en gran medida un esfuerzo conjunto entre los fabricantes y el público que los apoya. Al fin y al cabo, la eficiencia depende tanto de la concienciación energética como de la reducción del derroche. En el centro de estos avances se encuentran innovaciones tecnológicas como los variadores de frecuencia, que han hecho posible ser más eficientes.

La instalación de compresores de aire con variadores de velocidad permite ahorrar grandes cantidades de dinero. Por eso, los países están promoviendo los compresores VSD en todo el sector industrial, en un esfuerzo por ahorrar energía y reducir los residuos. En algunos países, el gobierno ofrece incentivos en forma de préstamos y desgravaciones fiscales para que las empresas modernicen sus sistemas de aire comprimido.

Un ejemplo: Gran parte de la energía que consume el Reino Unido depende del aire comprimido, pero gran parte de esta energía se desperdicia. A medida que la adopción de compresores de aire de velocidad variable se generaliza en toda la nación insular, el gobierno británico espera reducir las emisiones y maximizar el ahorro entre los proveedores de energía.

¿Es un compresor de velocidad variable la elección correcta?

A pesar de las ventajas de los variadores de velocidad, los compresores VSD no son ideales para todas las aplicaciones industriales. Cuando un compresor de velocidad variable funciona sin parar a máxima velocidad, una fábrica podría consumir más energía debido a las pérdidas de conmutación del convertidor de frecuencia VSD.

Los sistemas de aire comprimido mal diseñados y mantenidos provocan importantes pérdidas y derroches de energía. Para evitar el despilfarro de energía en la producción de aire comprimido, piense en un compresor VSD del tamaño adecuado.

Aunque muchas plantas requieren un funcionamiento continuo los siete días de la semana, las pausas en la producción suponen un ahorro de energía. Por ejemplo, una semana tiene 168 horas. Muchos sistemas de aire comprimido sólo requieren toda su capacidad entre 60 y 100 horas, es decir, aproximadamente la mitad del tiempo.

Cuando se produce esta carga de demanda parcial, la capacidad de salida del compresor de aire debe regularse o detenerse. Con unidades de 15 caballos de potencia o más, no es factible parar y arrancar el motor del compresor de aire varias veces por hora a lo largo del día, por lo que las operaciones utilizan una forma de regulación de control de entrada. Tanto si se hace funcionar la unidad con un control de carga/no carga (entrada totalmente cargada o cerrada para descarga y purga) o modulación (recortando la placa de mariposa de entrada) para lograr un tiempo de funcionamiento de carga parcial, estos sistemas de control pueden no ser eficientes.

Una auditoría energética del aire comprimido del perfil de demanda, los patrones de uso del aire comprimido, la capacidad de almacenamiento de aire disponible y la red de tuberías, y el entorno operativo determina si un compresor VSD puede proporcionar la eficiencia energética deseada.

Cuándo tiene sentido un variador de velocidad

Los compresores VSD de tamaño adecuado permiten ajustar la potencia del compresor a las fluctuaciones de la demanda de aire comprimido. Al variar la velocidad de su motor de accionamiento, el VSD reduce el caudal de aire suministrado y el consumo de energía eléctrica de forma prácticamente lineal a medida que disminuye la demanda.

Los compresores VSD minimizan el consumo de energía cuando la demanda fluctuante es estándar. Debido a las corrientes de arranque comparativamente bajas inherentes a los diseños de los motores de accionamiento de velocidad variable, algunos compresores VSD se detienen cuando la demanda de aire comprimido es baja, en lugar de funcionar al ralentí en condiciones de vacío. Incluso con varios arranques por hora, el tiempo de funcionamiento en vacío queda prácticamente eliminado.

Los análisis de rendimiento de los sistemas de aire comprimido muestran que muchas aplicaciones de compresores de aire son ideales para VSD. En comparación con un compresor de accionamiento de velocidad fija, un compresor VSD puede suponer un importante ahorro de energía si se dimensiona adecuadamente para el mismo uso final.

Los costes del aire comprimido pueden reducirse en un tercio en función del perfil de la demanda. Debido a los ciclos económicos y al traslado de la fabricación a otros países, muchas instalaciones han reducido significativamente el volumen de aire comprimido necesario y utilizan compresores sobredimensionados. Las instalaciones deben revisar sus necesidades de aire comprimido cuando cambien los perfiles de producción y demanda de aire comprimido. Además, muchos ayuntamientos y empresas estatales de servicios públicos ofrecen incentivos de descuento para soluciones de aire comprimido que ahorren energía, como los VSD.

Los gestores de instalaciones deben encontrar continuamente nuevas formas de reducir los costes energéticos. Muchas empresas han establecido políticas con agresivos objetivos anuales de reducción energética.

El potencial de ahorro de los compresores VSD

Supongamos que el sistema de compresión de un fabricante utiliza un compresor de aire de 200 caballos de potencia. La demanda de aire comprimido fluctúa las 24 horas del día a 3 céntimos por kWh. Estos costes energéticos se han duplicado en cinco años, aumentando en algunas zonas a 8 céntimos por kWh o más.

El coste anual de funcionamiento de ese compresor a 3 céntimos por kWh era de 41.273 dólares. Hoy, ese mismo compresor cuesta 110.062 dólares anuales, o más de medio millón de dólares en cinco años.

Una evaluación detallada de la demanda de aire comprimido determina que las fluctuaciones estaban dentro del rango de control y eran, de media, un 35% inferiores a la capacidad total del compresor. Digamos también que la fábrica tenía un almacenamiento inadecuado. El cambio a un compresor VSD del tamaño adecuado podría ahorrar a esta instalación 38.521 $ anuales, o más de 192.000 $ en cinco años si se mantienen las condiciones actuales.

Si combinamos este ahorro con la mayor eficiencia que supone la sustitución de equipos antiguos, el retorno de la inversión suele alcanzarse en menos de dos años. No todas las instalaciones pueden producir este ROI, ya que ese es el objetivo de una evaluación profesional de la demanda de aire y una selección adecuada del compresor, pero merece la pena tenerlo en cuenta. Las auditorías son realizadas por especialistas de la industria del aire comprimido que pueden determinar si el VSD es el mejor medio de control del sistema.

Al variar la salida para satisfacer las demandas de aire comprimido, los fabricantes que añaden un compresor VSD del tamaño adecuado pueden obtener ahorros de energía inmediatos que se agravan con el tiempo.

Quincy: El fabricante líder de compresores de aire de velocidad variable

En todo el mundo hay un movimiento creciente entre ingenieros y operarios industriales para sustituir los reguladores de velocidad por variadores de velocidad. En las industrias que ya han dado este paso, las ventajas han sido sustanciales en términos de ahorro de energía, vida útil de la máquina y calidad del producto. No obstante, en todos los sistemas accionados por VSD que accionan herramientas neumáticas y otras formas de maquinaria accionada por aire, el éxito de cada aplicación depende sobre todo de compresores de aire de alta calidad.

Desde los locos años veinte, el nombre líder en maquinaria de aire comprimido e innovación ha sido Quincy Compressor, fabricantes de los mejores compresores de aire y herramientas neumáticas para operaciones de todos los tamaños. En las plantas de ensamblaje de automóviles nacionales y extranjeras, los compresores Quincy han alimentado las herramientas que convierten las piezas de los coches en bellos y prestigiosos bólidos, compactos y furgonetas. En fábricas que producen productos enlatados y muebles, nuestra maquinaria ha proporcionado potencia de aire comprimido a ensamblajes que colocan alimentos en los pasillos de las tiendas de comestibles y preparan camas y sofás para su entrega a domicilio.

Desde los albores del siglo XXI, una nueva conciencia se ha apoderado del sector industrial. Atrás quedaron los días en que los fabricantes se contentaban con maximizar los beneficios con los menores gastos generales posibles; hoy, todas las empresas que prosperan hacen del respeto por el medio ambiente un principio central de la identidad de su marca. Como parte de ese objetivo, las innovaciones en tecnología de aire comprimido han convertido al compresor de aire de velocidad variable en un estándar industrial entre empresas de todo el mundo. Con una innovación tras otra, Quincy ha liderado el camino para hacer que los compresores de aire de velocidad variable sean más comunes en todas las industrias que dependen de la energía del aire.

Para una amplia gama de aplicaciones, los mejores sistemas de aire comprimido son los que funcionan con variadores de velocidad. Las unidades impulsadas por VSD no sólo ofrecen la mayor longevidad y eficiencia energética, sino que también se ajustan a los requerimientos de velocidad variable y torque de cada aplicación. Para usos comerciales, privados y públicos por igual, Quincy fabrica compresores de aire que están equipados con los últimos controladores de velocidad variable. Para conocer más acerca de nuestro vasto inventario de compresores de aire y productos relacionados, visite nuestra página de ventas y servicios.