Velocidad variable

Mejor calidad del suministro de energía, diagnóstico del sistema, control de la humedad, ahorro de energía, control preciso de la temperatura, menos ruido, seguridad del proceso y mayor comodidad.

La tecnología de compresores inverter ofrece nuevas oportunidades para los sistemas de aire acondicionado, sobre todo en lo que se refiere a la eficiencia energética de los edificios, la reducción del consumo energético y la reducción de los costes de funcionamiento. 

Además, la tecnología mejora el factor de potencia, lo que nos lleva a una mejora en la calidad de la fuente de alimentación, así como a un mejor diagnóstico del sistema y a protocolos de comunicación abiertos que facilitan el mantenimiento. 

La continua adaptación a la demanda de refrigeración genera un mayor ahorro energético y un control preciso de la temperatura.

El compresor combina la potencia de entrada con la capacidad de refrigeración. La unidad soporta eficazmente los cambios de temperatura y funciona con carga parcial, lo que puede representar una reducción de más del 30 % en la factura eléctrica cada año en comparación con un compresor de velocidad fija o modulado mecánicamente. El control estable de la temperatura asegura los procesos de forma óptima y proporciona mayor comodidad. En definitiva, esto es la eficiencia energética en los edificios.

La modulación de la capacidad atenúa los picos de demanda de energía, que también contribuyen a aumentar la fiabilidad de la red y la calidad de la energía suministrada.

El control de arranque suave genera una corriente de arranque próxima a cero y mejora los ratios de eficiencia energética (EER, por sus siglas en inglés):

• El arranque en línea directo (DOL, por sus siglas en inglés) del compresor consume 5-6 veces la corriente nominal hasta que alcanza la velocidad de funcionamiento del compresor. El compresor tradicional de velocidad fija en un sistema puede realizar de 8 a 12 ciclos de arranque/parada, y cada arranque consume mucha corriente de la fuente de alimentación, lo que produce un elevado consumo de energía y una gran tensión en la fuente de alimentación y en las piezas mecánicas del compresor.
• La mayoría de los compresores scroll inverter son de arranque suave que evitan sobrecargas de par. Evita la alta tensión mecánica en la máquina y genera menos costes de servicio y menor desgaste. La baja corriente de entrada también ayuda a ahorrar en los costes fijos que cobran las empresas de servicios públicos (cálculo de corriente máxima) y reduce las cargas de la red eléctrica y de las cargas de alimentación auxiliar.

Las ventajas adicionales de los compresores inverter son:

• Un mejor control de la humedad hace que la unidad sea adecuada incluso para balnearios, gracias al ajuste de la capacidad de la unidad y, por lo tanto, ofrece un mejor control de la temperatura de evaporación.
• Menos ruido que con los sistemas convencionales on-off durante el funcionamiento.
  Además de las ventajas estándar para todos los compresores y la tecnología inverter, Danfoss Commercial Compressors ha precualificado compresores y variadores inverter diseñados para trabajar juntos.

Lo que se suma a la larga lista de ventajas para los fabricantes, ingenieros consultores y usuarios finales en términos de:

• Reducción del número de componentes en el sistema
• Mayor fiabilidad y funcionamiento continuo
• Mayor facilidad para implementar la tecnología
• Reducción de los costes aplicados
• Menor tiempo de comercialización

Figura 1

Consumo de energía de sistemas de refrigeración con diferentes configuraciones de compresores. Índice de consumo medio basado en simulaciones de compresores 10-30 TR utilizados en aplicaciones con baja relación de presión (rooftop); Index 100 = consumo de energía del compresor scroll inverter VZH de Danfoss.

Figura 2

Perfil de carga típico de un edificio.
Únicamente un porcentaje pequeño de operaciones están a plena carga en un edificio. Los sistemas de climatización (HVAC) se diseñan para condiciones de carga máxima (parte derecha del gráfico). Tales condiciones no coinciden con aquellas en las que el equipo funcionará durante la mayor parte del tiempo. El gráfico se basa en los datos climáticos típicos de un año y el número de horas de funcionamiento (porcentaje anual) en las diferentes condiciones. 

Fuente: Herramienta HVAC de Danfoss

Selección de compresores y variadores; los conocimientos del diseñador hacen que el sistema sea totalmente fiable y eficiente.

Importancia del variador inverter: el compresor y el variador deben estar homologados para funcionar juntos y para aplicaciones específicas. El variador modula la velocidad del compresor e impide que funcione fuera de los límites de funcionamiento del compresor. Los variadores de frecuencia inverter necesitan utilizar algoritmos desarrollados específicamente para calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC) o para refrigeración. Garantizan que el sistema se ejecutará dentro de las restricciones de la aplicación. El variador también puede gestionar otros dispositivos, como las válvulas de inyección de aceite o varios compresores. A medida que la velocidad de rotación del compresor cambia, la cantidad de refrigerante (y de aceite) que fluye a través del compresor aumenta o disminuye. El variador garantiza una lubricación óptima del compresor a cualquier velocidad.

Conocimientos del fabricante de equipos originales en la integración de sistemas inverter: no todos los fabricantes de equipos originales están preparados para adoptar la tecnología inverter por las siguientes razones:

1. Nivel de competencia y experiencia en ingeniería OEM en la implementación de la tecnología inverter. La gran experiencia en mecánica debe complementarse con conocimientos de ingeniería eléctrica, así como con el desarrollo y programación de controladores.
2. Los compresores inverter cambian continuamente de velocidad para adaptarse a la carga, lo que hace que la gestión del aceite del sistema sea más compleja si lo comparamos con la tecnología tradicional. Dominar la gestión del aceite es una cuestión clave (cuando no se utiliza un tipo de compresor sin aceite) donde la experiencia del fabricante del compresor marca la diferencia.
3. La asistencia en las aplicaciones para los fabricantes de equipos originales por parte del fabricante de compresores y variadores inverter es fundamental en la integración del sistema.

Conceptos erróneos sobre la tecnología de velocidad variable

La tecnología inverter reacciona con demasiada lentitud ante los cambios de carga: algunos scrolls inverter se desplazan hacia arriba/abajo en un rango de tiempo entre <0,1 s; 3600 s> El inverter a plena carga pierde entre un 5 y un 10 % a toda velocidad, un coche con inverter pierde un 3 % de eficiencia. Como la carga completa no es el perfil dominante, la pérdida será mínima en el consumo total de la unidad.

La circulación de aceite aumenta en el funcionamiento de alta frecuencia: la tasa la velocidad de circulación del aceite controlada electrónicamente por algunos scrolls inverter puede ser inferior al 3 % a máxima velocidad. La gestión del aceite es más compleja con los sistemas de compresores de inverter. Algunos scrolls inverter controlan la circulación de aceite, tanto a baja como a alta velocidad, lo que requiere un mínimo de espacio en el diseño.

Los inverter no se pueden utilizar cuando la compatibilidad electromagnética (EMC) resulta problemática: algunas soluciones inverter ofrecen dos niveles de filtración EMC que cumplen con las normativas europeas más estrictas relacionadas con las interferencias electromagnéticas.

Evitar el sobredimensionamiento de los sistemas, reducir la factura de electricidad y la corriente de entrada y mejorar la comodidad y el proceso son algunos de los factores clave que impulsan la capacidad variable.

Muchos sistemas de refrigeración y aire acondicionado requieren procesos fiables que sean más eficientes, compactos, respetuosos con el medio ambiente y fáciles de instalar y de mantener. Las necesidades de refrigeración varían mucho durante el día y durante el año debido a las condiciones ambientales, la ocupación y el uso, la iluminación, etc.

• La refrigeración de confort, también puede necesitar un control estable y preciso de la temperatura y la humedad en zonas como hospitales, áreas de informática y telecomunicaciones, y de refrigeración de procesos.
• En aplicaciones como escuelas, restaurantes y edificios de oficinas, es importante que el sistema de refrigeración sea capaz de adaptarse a los distintos cambios de carga diarios.
• En aplicaciones de procesos como la fermentación, los túneles de cultivo y los procesos industriales, se requieren ajustes de temperatura precisos para garantizar la calidad de la producción.

Son tres las tendencias del mercado que convergen para crear nuevas oportunidades para soluciones eficientes y sostenibles: 

• Eficiencia energética
• Sistemas inteligentes
• Impacto medioambiental

La eficiencia energética ya no es una opción. Las normativas energéticas se están fortaleciendo. Los códigos y normativas de construcción energética se desarrollan a nivel mundial y las iniciativas energéticas están recibiendo mayor atención. Otro asunto mundial es la seguridad energética. ¿Cómo asegurarnos de que algún día no nos faltará energía?

Los sistemas de refrigeración se suelen diseñar para satisfacer unos picos de demanda que representan únicamente un pequeño porcentaje real de funcionamiento. Dicho sobredimensionamiento da lugar a pérdidas de eficiencia y una mayor inversión en equipos sobredimensionados. La capacidad de eficiencia energética representa una forma de ajustar la capacidad de refrigeración a la demanda de refrigeración y, por lo tanto, de combinar los requisitos de estas aplicaciones.

Existen varias maneras de modular la capacidad de refrigeración en los sistemas de refrigeración o aire acondicionado y calefacción. Los más conocidos y comunes en el aire acondicionado son: los ciclos on-off, el bypass de gas caliente, la configuraciones de colector de varios compresores, la modulación mecánica y la tecnología inverter. Cada uno tiene sus ventajas e inconvenientes.

• Ciclos on-off: da lugar a la desconexión del compresor de velocidad fija en condiciones de carga ligera y podría provocar ciclos cortos y la reducción de la vida útil del compresor. La eficiencia de la unidad se reduce mediante ciclos de presión y pérdidas transitorias. La capacidad de reducción es del 100 % o del 0 %.
• Bypass de gas caliente: consiste en derivar una cantidad de gas de la descarga al lado de aspiración. El compresor seguirá funcionando a la misma velocidad, pero gracias al bypass, el flujo másico de refrigerante que circula con el sistema se reduce y, por lo tanto, la capacidad de refrigeración. Esto naturalmente hace que el compresor funcione sin necesidad durante los períodos en los que el bypass está funcionando. La capacidad de reducción varía entre el 0 % y el 100 %.
• Configuraciones del colector: es posible instalar varios compresores en un sistema para disfrutar de una capacidad de refrigeración máxima. Cada compresor puede funcionar o no para escalonar la potencia de refrigeración de la unidad. La capacidad de reducción es del 0/33/66 o del 100 % para una configuración de trío uniforme y del 0/50 o del 100 % para un tándem.
• Compresor de modulación mecánica: esta modulación de la capacidad mecánica interna se basa en un proceso de compresión periódico con una válvula de control, los dos scrolls se apartan deteniendo la compresión durante un período de tiempo determinado. Este método varía el flujo de refrigerante cambiando la velocidad media de la compresión, pero no la velocidad real del motor. A pesar de una excelente relación de reducción, del 10 % al 100 % de la capacidad de refrigeración, los scrolls modulados mecánicamente tienen un consumo de energía alto, ya que el motor funciona continuamente.
• Compresor inverter: utiliza un convertidor de frecuencia variable (también conocido como «unidad inverter») para frenar o acelerar el motor que hace girar el compresor. Este método varía el flujo de refrigerante cambiando la velocidad del compresor. La relación de reducción depende de la configuración del sistema y del fabricante. Modula desde el 10 % (dependiendo del modelo de compresor) hasta el 100 % a plena potencia con un solo inverter.

El aire acondicionado es responsable aproximadamente del 20 % del consumo total anual de electricidad en un país como Estados Unidos. La introducción de la tecnología de variadores inverter en los sistemas de aire acondicionado y bombas de calor es una oportunidad para un importante ahorro de energía, gracias a un funcionamiento eficiente con carga parcial, y también ayuda a mejorar la calidad de la energía de la red. 

El factor de potencia es una parte importante de lo duro debe trabajar la compañía eléctrica para suministrar electricidad. 

El aumento del factor de potencia de las instalaciones puede afectar directamente a la calidad del suministro de energía. En el caso de las compañías eléctricas, esto equivale a menos pérdidas y a una mayor fiabilidad del servicio. Para los propietarios de edificios y viviendas significa tener equipos más eficientes y la posibilidad de acogerse a programas de iniciativas estatales o federales e instalaciones públicas. 

El factor de potencia es la combinación del factor de potencia por desplazamiento (desplazamiento de potencia activa y reactiva) y el factor de potencia por distorsión (distorsión de la potencia eléctrica debida a armónicos).

Factor de potencia cercano a 1 significa que:

• No hay interferencias con otros equipos instalados.
• No hay interferencias con la red eléctrica. 
• Hay una reducción de las pérdidas y una mayor eficiencia. 

El uso de variadores inverter permite una mejora significativa en el factor de potencia, ya que el factor de potencia por desplazamiento es cercano a 1. Sin embargo, el factor de potencia por distorsión afecta negativamente a los transformadores, el cableado, los fusibles y los disyuntores debido a los armónicos. 

La tecnología inverter de Danfoss tiene una baja distorsión y un alto factor de potencia (0,98) debido a la corrección de un regulador de CC, mientras que otros variadores inverter o sistemas modulados mecánicamente pueden tener un factor de potencia mucho más bajo (0,60). 

Otras ventajas de la corrección de variadores precualificados en las soluciones inverter de Danfoss: 

• Aumenta la tensión del circuito inmediato siempre que sea necesario, lo que mejora la capacidad operativa con una baja tensión de alimentación. 
• Aumenta la tensión dentro del inductor de CA, reduciendo la corriente y el estrés a lo largo de toda la cadena de componentes alimentados y minimizando los costes. 
• Una mayor tensión del enlace de CC reduce la corriente y las pérdidas del motor. 
• La corrección del factor de potencia activa (PFC, por sus siglas en inglés) puede activarse y desactivarse según se desee para obtener la máxima eficacia del sistema.

Un compresor inverter está diseñado para funcionar con un variador que ajusta de forma continua la velocidad del motor del compresor para satisfacer las necesidades de refrigeración.

Puede ser un compresor scroll, rotativo o alternativo, semihermético o abierto, incluidos compresores de tornillo, centrífugos y axiales. Este tipo de compresor utiliza un variador especial para controlar la velocidad del motor del compresor (medida en vueltas por segundo [RPS]). Los compresores inverter pueden funcionar a distintas velocidades: el compresor inverter está específicamente diseñado para funcionar a distintas velocidades generando un caudal de aceite másico refrigerante modulado y una salida de refrigeración.

El variador de frecuencia variable indica la necesidad de refrigeración al motor del compresor. El motor adapta continuamente la velocidad para producir más o menos la capacidad de refrigeración de acuerdo con la necesidad exacta de refrigeración. La combinación de los dos dispositivos, compresor y variador, proporciona una modulación de la refrigeración continua. El principio de velocidad variable requiere un compresor muy robusto para el funcionamiento a máxima velocidad y un sistema especial de lubricación del compresor para los sistemas que utilizan aceite. La excelente gestión del aceite es un requisito fundamental para asegurar la vida útil del compresor. El sistema de gestión de aceite garantiza una buena lubricación del scroll ajustado a baja velocidad y evita que el exceso de aceite se inyecte en el circuito cuando funciona a máxima velocidad para mantener una perfecta relación de circulación de aceite.