¿Un By-pass inteligente y confiable para HVAC?

Automatizar de manera inteligente lugares críticos para asegurar la continuidad de los motores es posible sólo con un equipo innovador.

Abraham Rodríguez.

En operaciones críticas, en las que un motor industrial debe estar activo permanentemente y no puede dejar de funcionar, tales como hospitales, centros de datos, y plazas comerciales, la tecnología de variadores de velocidad con By-pass es la solución.

Un sistema de By-pass se puede definir como un tablero de control que consta de un arrancador primario y un arranque alterno en paralelo para el mismo motor con la finalidad de garantizar la continua operación del motor; esto es, que puede operar el motor de una forma alterna.

La oferta en el mercado abarca diferentes tipos de By-pass. Los más comunes son:

• By-pass Arrancador Tensión Reducida (ATR) – ATR
• By-pass Arrancador Suave (SF) – ATR
• By-pass Variador de Velocidad (VFD) – Arrancador Suave
• By-pass Variador de Velocidad (VFD) – ATR

El ATR con ATR es un tipo de arranque muy simple y económico. La desventaja de este sistema es que muchas veces se daña el motor antes que el mismo ATR. Las fallas típicas de este tipo de arrancadores suceden cuando el voltaje de línea incrementa o decrece, ya que las bobinas de los contactores son muy sensibles a las variaciones de voltaje y los contactores empiezan a trabajar de forma intermitente, provocando que los platinos se quemen o se peguen, provocando daños de mayor gravedad.

El Arrancador Suave con ATR es un sistema más eficaz. Típicamente, los arrancadores suaves monitorean la red y se pueden programar algunas protecciones eléctricas. Sin embargo, en algunos casos, el arrancador no se da cuenta cuando el motor llega a presentar una falla, lo que podría ocasionar que el motor se dañe antes de que el arrancador suave note la falla o que detecte algún incremento de corriente.

El Variador de Velocidad (VFD) con arrancador suave es más eficiente porque los variadores de velocidad tienen un amplio número de protecciones. Por ejemplo, del lado de la línea (suministro) puede detectar variaciones de voltaje. Un variador de velocidad tipo ACH550 de ABB soporta -10% V +15% V, es decir, si el voltaje de línea es de 440V entonces el rango real en el cual ese variador puede operar es de 396V a 506V, sin reportar ninguna falla o sufrir algún daño. Adicional a esto, del lado de la carga (motor), el variador de velocidad tipo ACH550 puede detectar fallas por pérdida de fase, protección térmica del motor, falla por rotor bloqueado, pérdida de carga (ruptura de banda o daño en impulsor de bomba), carga a velocidad cero, fallo a tierra, entre otras; así como programar condiciones de falla para que el sistema sea más seguro y esté preparado para reaccionar.

Los variadores de velocidad de tipo Control Vectorial Sin Sensores, como el ACH550, han demostrado ser más eficientes en el control de motores ya que, en todo momento, el variador de velocidad obtiene una retroalimentación directa del motor, evitando y anticipando cualquier daño, además el control y respuesta es mucho más eficiente.

El By-pass tipo Variador de Velocidad (VFD)-ATR cuenta con todas las ventajas que un variador de velocidad ofrece y, además, puede integrarse en el mismo circuito de protecciones, obteniendo gabinetes más pequeños y más fáciles de instalar con costos más competitivos. La primera generación de By-pass consiste en un sistema de tres contactores.

En este tipo de arreglo, cuando los contactores están enclavados, el motor puede presentar un sobrecalentamiento, provocando que las protecciones térmicas de los contactores no se abran para evitar que el motor sufra algún daño.

Otra falla típica de este sistema es que el transformador de control está conectado a dos fases de la línea principal. Si una fase falla, el voltaje se iría a la mitad. Por ejemplo, si el trafo de control es de 440V- 115V, en las bobinas de los contactores habría 75V, provocando un enclavamiento intermitente de los contactores, y el contactor de línea quedaría fuera, si se presentara una falla de este tipo, provocando que el sistema de By-pass quede totalmente deshabilitado. De igual forma se puede presentar una falla por sobrecalentamiento y éste puede causar un daño que podría llegar hasta el motor.

El By-pass tipo ACH550 Eclipse integra un variador de velocidad y un ATR inteligente. Las mismas protecciones que ofrece el variador de velocidad igualmente se obtienen del ATR inteligente. Si el variador de velocidad falla por completo, el ATR inteligente tiene un procesador propio que seguirá trabajando para mantener las mismas protecciones y ventajas en modo de By-pass (cuando el ATR esté funcionado), asegurando la operación continua del motor. Adicional a esto, el sistema ACH550 Eclipse integra un arreglo de solo dos contactores.

ZEl trasformador de control es sustituido por una fuente de poder regulada por las tres fases; esto para evitar las fallas por pérdidas de fase, es decir, si el voltaje de línea es irregular, la fuente de poder es capaz de mantener el voltaje de control estable, provocando que las bobinas de los contactores no se vean afectadas. De igual forma, con este arreglo se asegura el buen funcionamiento en el modo de By-pass. Las protecciones térmicas también son sustituidas por transductores de corriente, de tal forma que en modo de By-pass el ACH550 Eclipse se configura de forma automática para mantener operando el control, ofreciendo un mejor desempeño. En caso de que se presente una pérdida de fase, el ACH550 es capaz de mantener el equipo trabajando a un velocidad por debajo de su nominal, para evitar un sobrecalentamiento.

Aplicaciones en HVAC
Sistema VAV con variador de velocidad
Los Sistemas de Volumen de Aire Variable (VAV) tienen diferentes métodos para el control del aire. El control de compuertas es una solución común, pero el control de velocidad variable del ventilador es el método más económico y efectivo. El sistema generalmente se diseña para mantener una presión estática en el ducto de alimentación principal; el ventilador de inyección mantiene una presión constante, y las terminales o cajas de suministro tipo VAV proporcionan a las áreas a climatizar un flujo de volumen variable con una temperatura constante.

El ventilador de retorno mantiene la presión estática en las áreas de interés. El mantenimiento de estos sistemas es centralizado y se puede usar el aire exterior para enfriar las áreas de confort, eliminando el uso innecesario del equipo de enfriamiento.

La temperatura ambiente se puede lograr mediante el control de volumen de aire; control de la compuerta de By-pass, y el control de la capacidad de refrigeración.

Este sistema de VAV inyecta aire del exterior a la Unidad Manejadora de Aire (UMA) (3) donde la temperatura y la humedad del aire de entrada (8) pueden ser controladas. Los principales componentes son el UMA, el ventilador de inyección (2), la bobina de calentamiento (5), el serpentín de refrigeración (6), el filtro (7) y el equipo de control de humedad (no se muestra). La temperatura en cada una de las habitaciones se mide por termostatos (11), los cuales controlan directamente las compuertas o cajas VAV en cada habitación. La velocidad del ventilador de aire de inyección es controlada directamente por un Variador de Velocidad de CA y suministra el aire necesario para las habitaciones de todo el edificio a través de los conductos de suministro de aire. El variador de frecuencia controla el volumen de aire, manteniendo la presión estática constante. La presión se mide por el sensor (13). El Ventilador de retorno de aire (1) extrae el aire de retorno (9) fuera del edificio devuelve algo del mismo aire (10) a la UMA. El ventilador de retorno es controlado por un variador de velocidad de AC (14), que mantiene un diferencial de presión (12) con respecto a la exterior.

Sistemas de volumen de aire variable con variador de velocidad

Los sistemas de VAV han sido típicos en aplicaciones de HVAC. El control de volumen variable se ha implementado con compuertas o algún otro tipo de dispositivo mecánico, como el control de estrangulación o control de paso. Las ventajas de un sistema de aire de volumen variable utilizando el control de velocidad variable son:

•   Reducción del mantenimiento mecánico de equipos tales como bandas y cojinetes, debido a la regulación de velocidad de operación que el variador de velocidad ofrece
•   Control rápido para mantener el confort en las áreas de interés
•   Eficiente consumo de energía eléctrica

Sistema VAV con monitoreo de presión positiva
Este sistema de Volumen de Aire Variable es relativamente diferente del sistema de Volumen Variable con Variador de Velocidad. En lugar de mantener una presión estática constante en el ventilador de retorno, éste monitorea la presión positiva siguiendo al ventilador de alimentación. La idea es mantener el ventilador de retorno por debajo del ventilador de alimentación para obtener una ligera presión positiva en el edificio. Este método es más efectivo que un sistema tradicional de presión estática.

En éste, generalmente se contempla un control por medio de termostatos o compuertas para cada una de las unidades que lo integran. Según su diseño, puede ser capaz de enfriar una habitación usando el aire exterior sin tener que utilizar el sistema de refrigeración.

La temperatura ideal puede ser lograda por control de volumen de aire, compuerta de By-pass y por el control de la calefacción o de la capacidad de refrigeración.

Este Sistema de Volumen de Aire Variable expulsa aire al exterior y regresa aire a UMA (3), donde la temperatura y humedad del aire de entrada (8) pueden ser controladas. Los principales componentes son UMA, el ventilador de suministro de aire (2), la bobina de calentamiento (5), el serpentín de refrigeración (6), el filtro (7) y el equipo de control de humedad (no mostrado). El sistema es controlado remotamente por el panel de control (11). La temperatura de cada zona de confort es medida por medio de un termostato que controla directamente la compuerta de suministro. La velocidad del ventilador de alimentación es controlada por medio de un variador de velocidad (4) y éste suministra el aire a las habitaciones individuales a lo largo del edificio, a través de los conductos de suministro de aire. El variador de frecuencia controla el volumen de suministro de aire manteniendo la presión estática constante en el ducto. La presión es medida por un sensor (13). El ventilador de aire de retorno (1) expulsa el aire de escape (9) fuera del edificio o, devuelve aire (10) a la UMA. El ventilador de retorno es controlado por un variador de frecuencia (14) que sigue la velocidad del ventilador de suministro con un factor de corrección, con el fin de tener un flujo ligeramente menor en el ventilador de alimentación. El factor de corrección para el ventilador de retorno puede ser dado por medio del panel de control del sistema.

Sistema de Volumen de Aire variable con monitoreo de presión positiva

El uso de variadores de CA de Velocidad Variable mejora el control del sistema de calefacción, refrigeración y aire acondicionado, haciendo que sea fácil de mantener la zona de confort. El uso de variadores de velocidad por lo general aumenta el costo de inversión inicial; sin embargo, el ahorro de energía eléctrica en los motores logrado con estos equipos contempla un retorno de inversión obtenido gracias a la regulación de velocidad, en un tiempo de amortización de 0.2 a 1.5 años. Adicional a los ahorros en energía eléctrica, también se obtienen diferentes tipos de beneficios:

• Control rápido para mantener la zona de confort en condiciones ideales
• Control preciso para mantener la calidad del aire deseado
• Reducción del consumo de calefacción y enfriamiento
• Reducción del consumo de energía eléctrica

—————————————————————————————————————————————————–

Abraham Rodríguez
Egresado de la carrera de Ingeniería en Comunicaciones y Electrónica por la Arizona State University. Actualmente se desarrolla en ABB en México como Vertical Segment Manager para HVAC. Se ha concentrado en el área de variadores de velocidad y sus mercados con diversas posiciones dentro de esta empresa, durante ocho años de especialización total y continua.