Regulación de compresores de tornillo en instalaciones de refrigeración variando la velocidad ABB Refrigeration ha desarrollado un nuevo accionamiento STAL Rotatune para compresores de tornillo en instalaciones frigoríficas; se trata de un motor especial alimentado por convertidor de frecuencia. Con este accionamiento se regula la capacidad sin escalonamientos por medio de la velocidad, de manera que el compresor mantiene su alto rendimiento incluso funcionando con carga considerablemente reducida. En comparación con las instalaciones equipadas con controles de capacidad convencionales, el consumo de energía se reduce un 15% en régimen de carga normal y si se dispone de un sistema economizador la reducción llega al 20%. E l motor trifásico de jaula de ardilla puede considerarse con justicia como un animal de carga de la industria. Es económico, fiable y barato de mantener. Normalmente suele alimentarse de redes CA de 50 ó 60 Hz, circunstancia que origina dos graves limitaciones: en primer lugar, no es posible regular la velocidad del motor y, en segundo lugar, la velocidad máxima es de 3000 a 3600 rpm, en función de la frecuencia de la red. Se pueden conseguir mayores velocidades por medio de ciertos mecanismos situados después del motor. Sin embargo, para variar la capacidad es necesario trabajar en régimen intermitente o, como en el caso de los compresores de tornillo [1], con un control mecánico del flujo. Este último tiene sentido si se necesita regular con precisión la temperatura del sistema de refrigeración, aunque inevitablemente se traduzca en pérdidas de energía. Regulación convencional de la capacidad de instalaciones de refrigeración La carga de las instalaciones de refrigeración no es constante, sino que depende del tipo, de la cantidad y de la temperatura de los productos que se desea refrigerar; y las oscilaciones del clima también afectan a la capacidad de estas instalaciones. Ya desde la aparición de esta técnica, hace más de un siglo, los usuarios han deseado conseguir dispositivos para regular económicamente la capacidad. Al principio se utilizaban elementos reguladores mecánicos accionados a mano, pero en el transcurso del tiempo se fueron introduciendo sistemas automáticos. Lennart Rolfsman Sven Wihlborg ABB Refrigeration AB A lo largo de esta evolución, los técnicos han buscado con frecuencia posibilidades para variar automáticamente la capacidad de las instalaciones de refrigeración por medio de compresores de velocidad variable. STAL Rotatune, accionamiento del compresor con regulación de velocidad Se puede imaginar, como solución, un convertidor de frecuencia que alimenta un motor asíncrono controlando su velocidad por variación de la frecuencia. Pero no todo son ventajas en un sistema como éste: las oscilaciones armónicas generadas por el convertidor producen calor. Si, además, el par de accionamiento ha de ser constante en toda la gama de velocidades, como es el caso del compresor de tornillo, aumenta la producción de calor en el motor. Partiendo de este hecho, ABB Refrigeration, en colaboración con ABB Motors y ABB Corporation Research, ha desarrollado el accionamiento de velocidad variable STAL Rotatune, constituido por un convertidor de frecuencia y un motor de alta velocidad concebido para ser alimentado por un convertidor 1. Se esperaba que el nuevo motor tuviera pérdidas mínimas de calor como consecuencia de las oscilaciones armónicas en el inducido. Los estudios teóricos y los ensayos prácticos demostraron que la idoneidad para la alimentación por convertidor de frecuencia depende fundamentalmente de la forma de la ranuras del inducido; un motor estándar sería totalmente inadecuado para esta aplicación. Este motor de nuevo desarrollo se distingue por generar una cantidad de calor muy reducida. Además, está equipado con un ventilador accionado por separado, que extrae el calor residual en toda la gama de velocidades de 1000 a 6000 rpm. El ventilador consume 0,75 kw a 1500 rpm, una parte pequeña del consumo total de energía del accionamiento. Como consecuencia de la ventilación externa, el motor tiene un rendimiento del 95% a la velocidad nominal 2. 18 Revista ABB 4/1996
Accionamiento de velocidad 1 variable STAL Rotatune para regular la capacidad en función de la velocidad de rotación de compresores de tornillo modelo FV 19; a la izquierda el convertidor de frecuencia para el motor asíncrono de alta velocidad. Ventajas del accionamiento STAL Rotatune El nuevo sistema de accionamiento denominado STAL Rotatune permite regular con gran eficacia la capacidad del compresor de tornillo y, por tanto, regular con precisión la temperatura del proceso frigorífico. Las ventajas para el usuario son el aumento de rentabilidad y la mejora del ajuste a las necesidades de frío, por ejemplo en la industria alimentaria, en los procesos químicos o en las pistas de hielo artificial. A esto hay que añadir que un compresor de tornillo con accionamiento STAL Rotatune tiene una configuración bastante más sencilla que un compresor convencional 3, debido a las razones siguientes: Se prescinde del dispositivo de control de capacidad usual hasta ahora, bastante complicado, cuya función es asumida por el variador de velocidad. Es posible accionar progresivamente el motor hasta una velocidad máxima de 6000 rpm sin necesidad de engranaje. No se necesita dispositivo especial de arranque, ya que el nuevo sistema controla la corriente y la tensión directamente a través del convertidor. Menor peso, puesto que tanto el compresor como el motor son más ligeros que en las ejecuciones convencionales equiparables. Podemos citar, además, otras ventajas: Mayor fiabilidad, ya que el compresor tiene menos piezas móviles. 1.00 0.95 0.90 0.85 0.80 0.75 Rendimiento de los motores de alta velocidad del sistema de accionamiento STAL Rotatune (rojo) en función de la velocidad relativa n, comparado con el de los motores estándar. 2 0.70 0 20 40 60 80 % 100 n Revista ABB 4/1996 19
a Menor nivel de ruido, gracias al ventilador de refrigeración de baja velocidad del motor. 4 3 1 2 Compresor de tornillo convencional (a) comparado con otro compresor de igual capacidad equipado con sistema de accionamiento STAL Rotatune (b), que tiene una estructura mucho más sencilla. 1 Dispositivo de puesta en marcha 2 Motor asíncrono de dimensión 280/315 3 Engranaje 4 Compresor con regulación de capacidad 5 Convertidor de frecuencia 6 Motor asíncrono controlado por la frecuencia, dimensión 225 7 Compresor b Ni el compresor ni el motor tienen que funcionar continuamente a la velocidad nominal. 7 5 6 3 Puesta en marcha y parada suaves del compresor de tornillo El nuevo sistema de accionamiento se distingue además por toda una serie de perfeccionamientos en las funciones generales de la instalación refrigeradora. Podemos citar, por ejemplo, que el convertidor de frecuencia permite la puesta en marcha y frenado suaves, con control de la aceleración y frenado del compresor 4. Esto reduce las cargas que circulan por el equipamiento eléctrico y mecánico y evita las puntas de corriente al poner en marcha el compresor. La corriente tomada del suministro eléctrico no excederá nunca el valor nominal de corriente del motor. En consecuencia, no existen límites para el número de arranques del compresor en un intervalo de tiempo dado. Esto permite, a su vez, un sencillo ajuste de la disponibilidad del sistema a las variaciones en las exigencias de refrigeración. Puesto que, además, el sistema de accionamiento no precisa de conmutador estrella-triángulo o de dispositivo de arranque análogo, y tiene una corriente reducida de arranque, no es necesario sobredimensionar los transformadores y cables de conexión. Finalmente, el motor tiene un factor de potencia prácticamente igual a la unidad en Evolución de la corriente I del motor de un compresor de tornillo convencional (a) y de un compresor con sistema de accionamiento STAL Rotatune (b). En este segundo caso se tiene puesta en marcha suave y no hay punta de corriente. 4 I I a t b t 20 Revista ABB 4/1996
1.0 1.0 0.9 0.9 cos a 0.8 0 50 % 100 cos b 0.8 0 50 % 100 Factor de potencia cos en función de la capacidad relativa de un compresor de tornillo convencional (a) y de un compresor con sistema de accionamiento STAL Rotatune (b). En el segundo caso se tiene un factor de potencia cercano a la unidad, casi sin corriente reactiva. 5 toda la gama de velocidades 5, mientras una capacidad de refrigeración proporcional que el convertidor tiene un rendimiento muy a la velocidad. Es suficiente, por tanto, con alto. Esto garantiza que las pérdidas en el que el motor y el compresor giren a la velocidad necesaria para conseguir el flujo de sistema de accionamiento sean reducidas y que la potencia reactiva sea casi igual a refrigerante deseado. cero, lo cual permite prescindir del correspondiente equipo de compensación con la cas generalmente no se necesita más que el Puesto que en las instalaciones frigorífi- consiguiente reducción de costes. 40 al 70% de la capacidad máxima durante la mayor parte del tiempo de servicio, el accionamiento STAL Rotatune funciona durante periodos prolongados con velocidad rela- Bajo nivel de ruido Con el sistema de accionamiento STAL Rotatune, el compresor de tornillo proporciona nivel de ruido 6 tivamente baja y, en consecuencia, con bajo. Amortización en un año gracias al ahorro de energía En general, la capacidad de un compresor de tornillo que funciona a velocidad constante se regula por medio de un sistema de válvulas y un control de flujo (por ejemplo by-pass), un sistema que inevitablemente produce pérdidas. El sistema de accionamiento STAL Rotatune hace innecesarios estos dispositivos y permite utilizar la capacidad de carga del compresor en toda la gama de velocidades. Nivel de ruido L p en función de la capacidad relativa de un compresor de tornillo convencional (azul) y de un compresor con sistema de accionamiento STAL Rotatune (rojo). La línea verde indica su valor medio. 6 Potencia absorbida relativa N en función de la capacidad relativa de un compresor de tornillo convencional (azul) y de otro equipado con sistema de accionamiento STAL Rotatune (rojo). El sistema de accionamiento STAL 7 Rotatune proporciona mejor rendimiento, especialmente con carga parcial. 90 db(a) 85 80 100 % 80 60 75 40 L p 70 N 20 65 0 20 40 60 80 % 100 0 0 20 40 60 80 % 100 Revista ABB 4/1996 21
15 % Perfil típico de carga de un compresor: duración de funcionamiento relativa t B en tanto por ciento para distintos valores de la capacidad 8 10 t B 5 0 30 40 50 60 70 80 90 % 100 Esto economiza energía, sobre todo si la instalación frigorífica funciona a capacidad reducida 7. Si el compresor está conectado con un economizador, la capacidad específica incrementada se obtiene en toda la gama de velocidades. Los cálculos realizados revelan que, en un sistema de refrigeración con perfil normal de carga 8, se puede esperar un ahorro de energía del 10 al 17% empleando el sistema de accionamiento STAL Rotatune. Con un motor de 100 kw y 6000 horas de funcionamiento al año se puede conseguir, para este perfil de carga, un ahorro anual de unos 50 000 kwh. Considerando los precios de la corriente eléctrica, la inversión en un accionamiento STAL Rotatune se amortiza bastante rápidamente. Finalmente, un compresor de tornillo dotado con accionamiento STAL Rotatune consume menos energía que un compresor de pistón, incluso con carga parcial. Además, el sistema de accionamiento STAL Rotatune permite regular la temperatura de modo mucho más preciso que el equipamiento convencional. Flexibilidad de aplicación Hoy por hoy, el nuevo sistema de accionamiento STAL Rotatune ofrece el control de capacidad para sistemas de refrigeración más eficiente del mercado. La regulación progresiva de la velocidad permite Grupo frigorífico para enfriamiento 9 de líquidos en una instalación de refrigeración a distancia, en Suecia. Comprende, entre otros sistemas, un accionamiento STAL Rotatune y un compresor de tornillo FV 26 para ajustar exactamente la capacidad a las necesidades de frío. 22 Revista ABB 4/1996
sido especialmente adaptados para el funcionamiento con un convertidor de frecuencia. Compresor de tornillo de una instalación frigorífica española para productos 10 alimentarios. El grupo de accionamiento STAL Rotatune, con el compresor de tornillo FV 19 y el economizador, se encargan de regular la capacidad de la instalación. obtener una relación volumétrica óptima sin pérdidas de energía, incluso con carga parcial. STAL Rotatune constituye la solución ideal para todas las instalaciones frigoríficas pequeñas y medianas en que los compresores deben funcionar con capacidad variable. Pero incluso en las instalaciones de grandes dimensiones con varios compresores puede utilizarse uno o dos de ellos, equipados con accionamientos STAL Rotatune, para regular la capacidad. En tal caso, los demás compresores funcionan a plena carga. De este modo, incluso en grandes instalaciones frigoríficas, el sistema de accionamiento STAL Rotatune puede contribuir a ajustar la instalación a las cargas variables manteniendo el rendimiento en su valor máximo. Con el controlador Stalectronic 700, basado en microprocesador, se puede monitorizar y hacer el control secuenciado de hasta ocho compresores. La unidad ofrece además una comunicación hombre-máquina muy sencilla para el usuario. El sistema de accionamiento STAL Rotatune está disponible actualmente en tres tamaños de compresor de tornillo 1, 9, 10 (Tabla 1). Como ya se ha mencionado, los correspondientes motores han Bajos costes de mantenimiento durante la vida operativa Puesto que los elementos mecánicos de regulación se hacen innecesarios, los compresores de tornillo equipados con accionamiento STAL Rotatune tienen normalmente menos piezas móviles que los compresores con accionamiento convencional. Este hecho, añadido a la suavidad de la puesta en marcha y parada, conduce a un aumento de la fiabilidad y a una reducción del desgaste. El alto rendimiento y la gran disponibilidad ofrecidos por el sistema de accionamiento STAL Rotatune satisfacen las principales exigencias de los usuarios de sistemas frigoríficos. El servicio posventa de ABB, que incluye contratos de mantenimiento y servicio de urgencia, permite mantener estas propiedades año tras año, garantizando al cliente que sus máquinas tendrán una larga vida útil con bajos costes de mantenimiento. Tabla 1: Dimensiones disponibles de compresores de tornillo con sistema de accionamiento STAL Rotatune Designación del tipo Capacidad máxima Potencia correspondiente del motor m 3 /h kw1 FV 19 400 90 FV 24 660 145 FV 26 925 225 Bibliografía [1] Asplund, T.; Rolfsman, L.: Refrigeración: compresores helicoidales silenciosos y compatibles con el medio ambiente. Técnica ABB 9/95, 10 14. Dirección de los autores Lennart Rolfsman Sven Wihlborg ABB Refrigeration AB S-601 87 Norrköping, Suecia Telefax: +46 (0) 11 10 23 42 Revista ABB 4/1996 23