Eficiencia y uso de convertidor de frecuencia en las bombas de proceso

Podemos encontrar bombas de proceso en una gran variedad de industrias, desde la industria alimentaria, a la farmacéutica pasando por la industria química o una planta de tratamiento de aguas. Dependiendo de la industria en la que estemos trabajando debemos usar un tipo de bomba u otra para adaptarnos a la aplicación y también al tipo de fluido con el que estemos trabajando.

Una bomba de proceso por tanto se utiliza para mover un fluido a través de una tubería, pero ese fluido puede ser de características muy distintas en cuanto a viscosidad, corrosión ... La eficiencia a la hora de trabajar con los distintos fluidos a parte de la solución a los distintos problemas que nos podemos encontrar al transportar dichos fluidos son claves a la hora de convertir nuestro proceso en un proceso mucho más productivo. Es aquí donde el uso de variador se vuelve clave, pues nos ayuda a ser más eficiente y a solventar problemas.

Por tanto, el tipo de fluido con el trabajemos y lo que necesitemos hacer con dicho flujo definirá el tipo de bomba con el que trabajar. Tenemos una gran variedad de bombas: desde radiales, axiales, centrifugas, de embolo, de pistón ... Y para todas ellas habrá que definir una manera óptima de trabajar con variador de frecuencia.

Uso de variador de velocidad en bombas de proceso

Como hemos adelantado en este articulo el uso de variador de velocidad en bombas es clave principalmente por dos razones: eficiencia y solución de problemas.

Eficiencia energética

La tecnología o requisitos de los accionamientos ha cambiado debido a la nueva norma Europea EN 50598, con validez desde finales de 2014. Dicha norma define los requisitos de ecodiseño, es decir el análisis de eficiencia energética a lo largo del ciclo de vida, pero no solo para el motor o el variador sino para todo el sistema de accionamiento dentro de la máquina eléctrica.

La norma define un concepto que aúna la manera en que los fabricantes de convertidores y los fabricantes de máquina eléctricas deben medir la eficiencia energética, creando las reglas básicas de definición de la eficiencia.

La norma, por otro lado, define las pérdidas y consumos en 8 puntos distintos de operación combinando distintas velocidades y distintas cargas de trabajo. Es por tanto en sistemas de par cuadrático y donde trabajemos por debajo de la carga nominal como son las bombas, donde podremos alcanzar niveles de eficiencia mayor. Y para trabajar en dichas a dichos niveles de velocidad y cargas parciales con máxima eficiencia es necesario un convertidor de frecuencia.

Es muy importante por tanto contar con herramientas capaces de estimar el ahorro energético y la eficiencia del sistema, tales como la que ofrece Siemens con SinaSave, una herramienta en entorno web que nos permite simular los distintos puntos de trabajo, así como alimentar a la herramienta con el ciclo de trabajo supuesto de la bomba y comparar la solución de uso de bomba con variador con sistemas tradicionales mecánicos (válvulas) , obteniendo incluso un calculo de retorno de inversión, muy útil para tomar decisiones en cuanto a inversiones.

Solución de problemas

Cuando trabajamos con bombas y con distintos tipos de fluidos y velocidades, pueden surgir diferentes tipos de problemas como la cavitación, funcionamiento en vacío, atascos en la bomba, sobrecalentamiento…

Si contamos con un convertidor de frecuencia adaptado para trabajar con bombas, la propia electrónica del convertidor cuenta con macros de aplicación capaces de detectar y solventar dichos problemas, con una programación muy sencilla y evitando roturas muy costosas

Por ejemplo, el convertidos de frecuencia Sinamics G120X cuenta con funciones para prevenir cavitación, es capaz de detectar sobrecorrientes que signifiquen atascos y actuar en consecuencia, tiene programación horaria, función multibombeo, y muchas más funciones adaptadas a la aplicación de bombeo. Es por tanto muy importante no solo elegir un convertidor, si no dentro de la gama de convertidores, el adaptado a la aplicación.

Otra cuestión es adelantarnos a que los problemas sucedan y es aquí donde la conectividad de nuestros equipos cobra un papel importarte, pues si somos capaces de explotar los datos que es capaz de recolectar nuestro convertidor, enviar los datos a un servidor y en dicho servidor analizarlos de manera correcta con aplicaciones como Analyze MyDrives, seremos capaces de anticiparnos a los errores buscando tendencias que no correspondan a un comportamiento adecuado y realizaremos un mantenimiento preventivo. Además, con esta misma aplicación seremos capaces de traquear los valores de eficiencia energética y analizarlos para llevar a cabo acciones que mejoren dicha eficiencia.

Un ejemplo de varios de estos conceptos lo podemos ver en la aplicación Cyclotron de la universidad UCLouvain.

En este caso particular la intención era reducir el consumo de energía en los circuitos de refrigeración del Cyclotron de UCLouvain

El Cyclotron en sí mimo y especialmente debido a la gran carga de electromagnetismo genera muchísima energía térmica, es por tanto necesario el uso de un sistema de refrigeración, el cual se compone principalmente de bombas que circulan agua en la instalación. Es obvio por tanto todo el gasto de energía que conllevaba todas esas bombas en las cuales no había ningún tipo de control con convertidor de frecuencia. Esta es la principal razón que llevó a los gestores del sistema a hacer un retrofit de la instalación e implementar el uso de convertidores de frecuencia.

Por tanto, el punto principal de este retrofit fue la instalación de convertidores de frecuencia para controlar la potencia de los motores destinados a la refrigeración. El mantenedor del sistema comenta lo siguiente: “Solíamos trabajar con motores de arranque directo controlados en tiempo real. Por lo tanto, cuando estaban en servicio siempre funcionaban a máxima potencia sin ningún tipo de regulación. La instalación de convertidores fue la clave para optimizar la aplicación, de tal manera que solo consumimos lo necesario en función de cuanto es necesario refrigerar el sistema, lo cual reduce de manera significativa nuestra demanda de energía”.

A parte de los convertidores de frecuencia SINAMICS G120 el cliente afrontó la automatización completa del sistema, aunando todos los datos del sistema incluido los parámetros de seguridad bajo el paraguas de un Simatic S7-1500 PLC e incluyendo dos HMIs para controlar y vigilar dicho PLC. Uno de los HMI está instalado en la sala de control de bombas y el otro en la sala de control de aceleración. De ese modo, todo puede ser controlado de forma remota. El PLC en este caso está jugando un papel crucial porque no solo permite un control del nivel del agua de los sistemas de refrigeración, sino que también controla la apertura y cierre de las válvulas y el nivel de temperatura del agua, por tanto es un elemento indispensable para la seguridad del sistema.

El objetivo inicial era muy ambicioso, suponía un ahorro anual de 400MWh, lo que corresponde al consumo anual de unos 150 hogares, y los resultados que arrojó el primer balance en octubre de 2021 están en línea con las expectativas.

Laurent Standaert, Deputy Head of the Cyclotron Resource Center (CRC) en UCLouvain comenta lo siguiente:

“Las ventajas son muchas: los convertidores de frecuencia SINAMICS G120X son muy intuitivos y fáciles de poner en marcha. La operación y el control se realizan de forma centralizada en TIA Portal. Elegir un sistema completo con Siemens también nos facilita el diagnóstico de todos los componentes y también nos ayuda en la programación ahorrándonos tiempo de puesta en marcha. El sistema es también muy sólido en cuanto a eficiencia energética ya que los variadores cuentan con reactancias incluidas en el bus de continua contribuyendo a generar menos armónicos y mejorando el factor de potencia”.

Alberto Vegas

Responsable de General Motion Control 

en Siemens España

Este artículo aparece publicado en el nº 541 de Automática e Instrumentación págs. 48 a 50.