Variador de frecuencia (VFD): ahorro en bombas y ventiladores
Alguien en su planta propone instalar un variador de frecuencia (VFD) en un ventilador o una bomba, y la propuesta dice que la potencia se reducirá a la mitad. Un documento japonés llama inverter (inbata) al mismo equipo y respalda la cifra de ahorro con una tarifa en yenes y un supuesto de 50 o 60 Hz. Antes de poner esos números en una solicitud de aprobación, conviene saber cuándo son válidos.
La respuesta corta: en teoría, un ventilador a 80 % de velocidad reduce la potencia en la flecha a 51.2 % del valor nominal, porque la potencia sigue el cubo de la velocidad. Esa cifra supone que toda la resistencia del sistema es fricción. La carga estática y las cargas de par constante reducen el ahorro, y una máquina que siempre trabaja a velocidad nominal puede terminar consumiendo más.
Esta guía explica los dos nombres del equipo, las leyes de afinidad, la comparación con una compuerta (damper) o una válvula de estrangulamiento, y el punto donde la carga estática rompe la ley del cubo. Después presenta tres métodos para calcular el ahorro, un cambio de unidades a su moneda, una lista de verificación y preguntas para el proveedor japonés.
Contenido
- Inverter o VFD: un equipo, dos nombres
- Leyes de afinidad: por qué la potencia cae con el cubo de la velocidad
- VFD frente a compuerta (damper) o válvula de estrangulamiento
- Carga estática: donde falla la ley del cubo
- Dónde sí rinde un VFD y dónde no
- Cálculo del ahorro de un VFD: tres métodos
- Cómo leer cifras y especificaciones japonesas
- Qué revisar antes de instalar
- Lista de verificación: antes de presentar la cifra
- Preguntas para el proveedor japonés
- Límites de esta guía
- Preguntas frecuentes
- Fuentes
Inverter o VFD: un equipo, dos nombres
Los planos, catálogos y guías públicas de ahorro de energía de Japón suelen llamar inverter (inbata) a este equipo. En México y en el resto de América se usan más "variador de frecuencia", "variador de velocidad", "drive" o VFD (también VSD o AC drive). En sentido estricto, un VFD es el tipo más común de variador de velocidad.
Esta guía usa "VFD" de aquí en adelante. Cuando un documento japonés dice "inverter" en el contexto de un motor, se refiere a lo mismo, no al inversor de un sistema solar.
Por qué hace falta un variador se explica con una fórmula. La velocidad síncrona en rpm es 120 × frecuencia ÷ número de polos, así que un motor de 4 polos gira cerca de 1,500 rpm a 50 Hz y cerca de 1,800 rpm a 60 Hz. Con una red de frecuencia fija, un motor de inducción trabaja esencialmente a una sola velocidad.
Un VFD elimina ese límite porque reconstruye la energía que entrega al motor, como muestra la Figura 1.
El variador convierte la energía de la red en CD, luego genera CA a la frecuencia necesaria y se la envía al motor.
Dentro del variador, la CA se rectifica a CD y un capacitor la filtra. Después, interruptores semiconductores generan CA con otra frecuencia y otro voltaje. Basado en un documento de la Asociación Japonesa de Fabricantes de Equipo Eléctrico (JEMA).
Al bajar la frecuencia, el variador baja el voltaje en la misma proporción. Este control V/f constante mantiene estable el flujo magnético del motor mientras cambia la velocidad. La guía trata el par más común en las plantas: un motor de inducción trifásico con un VFD.
Leyes de afinidad: por qué la potencia cae con el cubo de la velocidad
Las leyes de afinidad (sojisoku, en los documentos japoneses) describen cómo responde un ventilador o una bomba centrífuga a un cambio de velocidad. El caudal varía con la velocidad, la presión con el cuadrado de la velocidad y la potencia en la flecha con el cubo de la velocidad. La potencia es proporcional al caudal por la presión, así que la primera y la segunda potencia se multiplican y dan una tercera.
Para un cambio de velocidad de N1 a N2, los resultados son los siguientes:
- Caudal: Q2 = Q1 × (N2/N1)
- Presión: P2 = P1 × (N2/N1)²
- Potencia en la flecha: L2 = L1 × (N2/N1)³
La Figura 2 grafica las tres curvas. El Ministerio del Medio Ambiente de Japón (MOE) usa el mismo ejemplo de 80 % en su hoja técnica, y el Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) lo plantea así: reducir 20 % la velocidad baja la potencia de entrada cerca de 50 %.
A 80 % de velocidad, el caudal es 80 %, la presión es 64 % y la potencia en la flecha es 51.2 % del valor nominal.
Estas leyes suponen el mismo impulsor, densidad del fluido constante, una eficiencia casi igual en cada punto de operación y una resistencia causada solo por la fricción de la tubería o el ducto (resistencia cero con caudal cero). Si hay una altura de elevación fija o una contrapresión, la presión no puede bajar tanto y la potencia cae más despacio que el cubo.
La Figura 2 muestra curvas ideales. Un medidor de potencia real también registra las pérdidas del motor y del variador, y la eficiencia baja a poca velocidad, así que la potencia medida resulta algo mayor que la calculada. El DOE señala que la eficiencia del VFD baja cuando baja la carga, sobre todo en variadores pequeños.
Esas pérdidas pesan menos de lo que parece. En un ejemplo del DOE, un ventilador de extracción de 20 hp (unos 15 kW) a media velocidad, con motor de 77.8 % de eficiencia y variador de 86 %, consume 2.8 kW en lugar de 16.4 kW.
Cargas de par variable y de par constante
Los ventiladores, las bombas y los sopladores son cargas de par variable: el par cae con el cuadrado de la velocidad, así que la potencia cae con el cubo. Los documentos japoneses lo llaman nijo teigen toruku (par con reducción cuadrática).
Las cargas de par constante se comportan distinto. El par se mantiene casi igual a cualquier velocidad, así que la potencia baja solo en proporción a la velocidad. Los transportadores, las extrusoras, los mezcladores, las bombas de desplazamiento positivo y los compresores de tornillo pertenecen a este grupo, y la ley del cubo no se les aplica.
VFD frente a compuerta (damper) o válvula de estrangulamiento
Sin un VFD, el flujo suele reducirse cerrando una compuerta (damper) a la salida de un ventilador o una válvula en la descarga de una bomba. El motor sigue girando casi a velocidad plena mientras una resistencia añadida recorta el flujo. La energía que se pierde en la válvula sigue formando parte de la potencia que usted paga.
Un VFD baja la curva de la bomba o del ventilador, así que no hace falta añadir resistencia. La guía del DOE afirma que el control de velocidad siempre es más eficiente que una válvula de control para regular el flujo. La Figura 3 muestra qué tan grande puede ser la diferencia en un ventilador centrífugo.
Con el mismo 80 % de flujo de aire, la potencia en la flecha es 95 % con compuerta y 51 % con velocidad reducida.
Los valores corresponden a un ventilador centrífugo, según la hoja técnica del MOE, que a su vez se basa en una gráfica de una hoja de datos del Centro de Conservación de Energía de Japón (ECCJ).
La compuerta ahorra un poco porque la potencia en la flecha de un ventilador centrífugo baja algo con el flujo. La misma hoja de datos trae también curvas para compuertas de succión, aspas de entrada y acoplamientos hidráulicos. El método de control actual cambia el ahorro, así que identifíquelo primero.
Esta tabla resume las diferencias.
| Punto de comparación | Control con compuerta o válvula | Control con VFD |
|---|---|---|
| Cómo se reduce el flujo | Resistencia añadida | Menor velocidad |
| Velocidad del motor | Casi a velocidad plena | Baja según el flujo requerido |
| Presión | Sube al estrangular | Baja con el cuadrado de la velocidad |
| Potencia en la flecha con 80 % de flujo de aire (ejemplo de ventilador centrífugo) | Cerca de 95 % | Cerca de 51 % |
| Costo del equipo | Bajo: solo la compuerta o la válvula | Requiere el variador y trabajos de instalación |
La misma comparación en la curva de una bomba
Una bomba trabaja donde su curva de desempeño cruza la curva del sistema. Al cerrar una válvula, la curva del sistema se vuelve más empinada y el punto de operación sube hacia la izquierda: baja el caudal, pero sube la carga (la altura de bombeo; no la confunda con la carga eléctrica). Al reducir la velocidad, en cambio, baja la curva de la bomba, de modo que el mismo caudal se entrega con una carga mucho menor.
La Figura 4 usa un ejemplo de J-Net21, un sitio japonés de apoyo a pequeñas y medianas empresas respaldado por el gobierno. Su bomba tiene una carga a válvula cerrada de 1.4 veces la carga nominal y una carga estática de 0.3 veces la nominal, y se reduce a la mitad del caudal nominal.
Con la mitad del caudal, el control con válvula opera a una carga de 1.3 y el control con VFD a una carga de 0.475 (carga nominal = 1.0).
Esquema dibujado con las mismas condiciones del ejemplo de J-Net21: carga a válvula cerrada de 1.4 veces la nominal, carga estática de 0.3 veces la nominal y caudal reducido a la mitad del nominal.
En este ejemplo, el control con válvula necesita 65 % de la potencia nominal y el control de velocidad necesita 24 %, lo que J-Net21 presenta como un ahorro de 63 %. Ese 63 % se mide contra el caso estrangulado, no contra la potencia nominal. Cuando lea un porcentaje de ahorro en un documento japonés, revise siempre cuál es la base de comparación.
Carga estática: donde falla la ley del cubo
La carga total tiene dos partes. La carga estática (jitsu-yotei) es la altura que debe subirse el líquido, o una contrapresión fija en el destino, y la carga por fricción varía con el cuadrado del caudal. Un circuito cerrado de recirculación solo tiene carga por fricción, y la resistencia solo por fricción es la condición que supone la ley del cubo.
La carga estática se mantiene igual por mucho que reduzca el caudal, así que esa parte de la carga no puede reducirse. Los ventiladores tienen el mismo límite cuando el extremo del ducto debe mantener una presión estática fija.
La guía del DOE califica como error común aplicar las leyes de afinidad para estimar ahorros en sistemas con carga estática, porque puede producir errores grandes. La Figura 5 muestra el tamaño de la diferencia con la mitad del caudal.
Con 50 % de caudal, la potencia requerida es 12.5 % con la ley del cubo ideal, cerca de 24 % con una carga estática de 30 % de la nominal y 65 % con control con válvula.
Esquema con las condiciones del ejemplo de J-Net21 (carga a válvula cerrada 1.4, carga estática 0.3) y con la eficiencia de la bomba constante. En la práctica la eficiencia baja con poco caudal, así que la potencia es mayor que la mostrada.
El control de velocidad sigue superando a la válvula, pero la curva queda lejos de la línea del cubo. J-Net21 dice que el control de velocidad funciona mejor cuando la carga estática es pequeña y la relación de caudal está entre 30 y 80 %. En su ejemplo, el mayor ahorro aparece cerca de 60 % de caudal.
Velocidad mínima: la bomba debe seguir venciendo la carga estática
La carga a válvula cerrada cae con el cuadrado de la velocidad. Cuando queda por debajo de la carga estática, la bomba ya no entrega caudal y, sin válvula check, el líquido puede regresar por la bomba. Una primera estimación de este piso es la raíz cuadrada de la carga estática dividida entre la carga a válvula cerrada.
Con la carga a válvula cerrada de 1.4 de arriba, el piso es cerca de 46 % de velocidad para una carga estática de 0.3 y cerca de 65 % para una de 0.6. Son cálculos propios, y el mínimo real queda más arriba. Su proveedor de bombas debe fijarlo a partir de las curvas a velocidad reducida y del caudal mínimo continuo.
Con carga estática, el caudal también cae más rápido que la velocidad. En el mismo modelo, la mitad del caudal exige cerca de 64 % de velocidad con una carga estática de 0.3 y cerca de 76 % con una de 0.6. Por eso no suponga que la relación de caudal es igual a la relación de velocidad en estos sistemas.
Para suministro de agua que necesita una carga total grande, el MOE recomienda regular el caudal con el control del número de bombas en marcha (daisu seigyo) y no con la velocidad, porque a velocidad reducida puede faltar carga. También vale la pena evaluar una combinación: secuenciación para el ajuste grueso y un VFD para el ajuste fino.
Dónde sí rinde un VFD y dónde no
Tres factores deciden en buena medida el resultado: el tipo de carga, cuánto varía el flujo y de qué está hecha la resistencia. Los mejores candidatos son las máquinas de par variable que trabajan estranguladas muchas horas contra pérdidas que son sobre todo por fricción. La Figura 6 clasifica equipos comunes.
Incluso entre ventiladores y bombas, el resultado depende de cómo opera la máquina y de qué está hecha la resistencia.
Mayor ahorro
Menor ahorro
Las máquinas que trabajan cerca del caudal nominal no tienen margen para bajar la velocidad, y las pérdidas de conversión del variador se suman a la factura. Por eso el MOE sugiere pasar a alimentación directa de línea (shoyo dengen) cuando una bomba opera a caudal nominal. Este arreglo se conoce comúnmente como bypass del VFD, y debe diseñarlo un ingeniero electricista calificado.
Cálculo del ahorro de un VFD: tres métodos
Parta de lo que la máquina consume hoy, no de su placa de datos. Los motores suelen trabajar por debajo de la carga nominal, así que usar los kW nominales como consumo real exagera el ahorro. Por eso J-Net21 aplica un factor de carga (fukaritsu) de 90 %, y una lectura de un medidor de potencia es todavía mejor.
La Figura 7 muestra la secuencia general. La fórmula correcta para el paso 3 depende de cómo se controla la máquina hoy y de su carga estática.
Convierta los datos registrados en la planta a kWh con la relación de velocidad o de potencia correcta y la eficiencia, y luego aplique su tarifa.
Con carga estática o una contrapresión fija, el ahorro es menor que el que predice la ley del cubo.
Método A: válvula totalmente abierta, solo fricción
Use este método cuando la válvula o la compuerta ya está totalmente abierta, la carga estática es cercana a cero y solo quiere menos flujo.
kWh nuevos = kWh actuales × (relación de velocidad)³ ÷ eficiencia del variador
J-Net21 desarrolla el caso de una bomba de agua de enfriamiento de 37 kW (unos 50 hp), con eficiencia de 92.5 % (aquí se interpreta como eficiencia del motor) y factor de carga de 90 %, que opera 24 horas al día durante 310 días al año. El consumo actual es de unos 267,800 kWh. A 85 % de velocidad y con 95 % de eficiencia del variador, queda en 267,800 × 0.85³ ÷ 0.95, o unos 173,100 kWh.
El ahorro es de unos 94,700 kWh al año, cerca de 35 %. A JPY 22.0/kWh, J-Net21 lo calcula en unos JPY 2.08 millones. El ejemplo supone 0 m de carga estática, así que tómelo como el mejor caso.
Método B: hoy estrangulado con compuerta o válvula
La lectura de hoy ya incluye las pérdidas por estrangulamiento, así que no la multiplique simplemente por el cubo de la velocidad. Use la relación entre los dos métodos de control al mismo flujo, tomada de una curva del ventilador o de una hoja de datos.
kWh nuevos = kWh actuales × (relación de potencia en la flecha con VFD ÷ relación de potencia en la flecha estrangulado) ÷ eficiencia del variador
El MOE modela un ventilador de extracción de 22 kW (unos 30 hp) con 80 % de flujo de aire, que opera 6,480 horas al año con motor de 95 % y variador de 90 % de eficiencia. Calcula el consumo actual en 142,600 kWh. Con relaciones de potencia en la flecha de 51 % y 95 %, el resultado es 142,600 × (51 ÷ 95) ÷ 0.90, o unos 85,000 kWh.
El ahorro es de unos 57,600 kWh al año, cerca de 40 %. Los valores de 95 % y 51 % salen de una sola gráfica para una compuerta en un ventilador centrífugo. Otros tipos de control tienen sus propias curvas.
Método C: sistema con carga estática
Cuando hay carga estática, estime la potencia a partir del caudal y la carga, no de la velocidad. Con hs como la parte estática de la carga nominal y Q como la relación de caudal, la carga en la curva del sistema es hs + (1 − hs) × Q².
Relación de potencia ≈ Q × (hs + (1 − hs) × Q²), y luego se divide entre la eficiencia del variador.
La tabla aplica esa fórmula. Con 50 % de caudal, los valores de la válvula y de hs = 0.3 coinciden con el ejemplo de J-Net21, que redondea 23.8 % a 24 %. Los demás valores son cálculos propios con el mismo modelo.
| Caudal | Control con válvula | VFD, hs = 0 (ley del cubo) | VFD, hs = 0.3 | VFD, hs = 0.6 |
|---|---|---|---|---|
| 90% | 96.8% | 72.9% | 78.0% | 83.2% |
| 80% | 91.5% | 51.2% | 59.8% | 68.5% |
| 70% | 84.3% | 34.3% | 45.0% | 55.7% |
| 60% | 75.4% | 21.6% | 33.1% | 44.6% |
| 50% | 65.0% | 12.5% | 23.8% | 35.0% |
Tome las columnas del VFD como optimistas. La guía del DOE advierte que en sistemas con carga estática alta, una pequeña reducción de velocidad reduce mucho el caudal y también la eficiencia de la bomba. Para una cifra que vaya a defender en una solicitud de aprobación, pida al proveedor las curvas de la bomba a velocidad reducida, con la eficiencia indicada.
Convierta los kWh a su propia moneda
Mantenga los kWh como resultado principal, porque las cifras en yenes de los ejemplos japoneses no se trasladan. El ejemplo del ventilador del MOE usa JPY 22.76/kWh.
La tabla siguiente aplica otras tarifas a los mismos 57,600 kWh. Esas tarifas son valores de ejemplo, no precios de mercado, así que sustitúyalas por la tarifa de su propio recibo.
| Tarifa por kWh | Ahorro anual con 57,600 kWh |
|---|---|
| JPY 22.76 (ejemplo del MOE) | Cerca de JPY 1.31 millones |
| MXN 2.00 (valor de ejemplo) | MXN 115,200 |
| USD 0.10 (valor de ejemplo) | USD 5,760 |
| Su tarifa: ____ | 57,600 × su tarifa |
Pregunte a finanzas qué tarifa debe usar la aprobación. J-Net21 usa una tarifa combinada que incluye el cargo base, pero los cargos fijos, y en una tarifa con cargo por demanda también la parte de demanda, pueden no bajar al mismo ritmo que los kWh.
Para el retorno simple de la inversión, divida el costo instalado entre el ahorro anual. Incluya el variador, la instalación, los reactores o filtros que hagan falta y un posible cambio de motor, y obtenga esos costos de una cotización.
Después de instalar, compare los kWh medidos en las mismas condiciones. La diferencia entre la estimación y la medición mejorará su siguiente estimación.
Cómo leer cifras y especificaciones japonesas
Japón trabaja con dos frecuencias: 50 Hz en el este, incluido Tokio, y 60 Hz en el oeste, incluido Osaka. Un equipo fabricado en Japón puede estar diseñado para cualquiera de las dos, y su frecuencia de origen puede no coincidir con la de su planta. México opera a 60 Hz, de modo que un equipo del oeste de Japón ya coincide, pero uno del este no.
La ley del cubo vuelve esto un problema real. Una máquina centrífuga diseñada para 50 Hz que gira a 60 Hz va 20 % más rápido, necesita cerca de 73 % más potencia en la flecha (1.2³ = 1.73) y entrega cerca de 44 % más presión (1.2² = 1.44). Una máquina de 60 Hz que trabaja a 50 Hz gira cerca de 17 % más lento, con cerca de 58 % de la potencia y cerca de 69 % de la presión.
Confirme la frecuencia nominal antes de comparar cualquier cifra. Estas relaciones son aritmética propia a partir de las leyes de afinidad. Pregunte al proveedor si la máquina y el motor pueden trabajar a su frecuencia, y si el VFD limita la frecuencia máxima.
Use esta tabla como punto de partida para las diferencias entre países.
| Lugar | Frecuencia de la red | Referencia de armónicos para empezar |
|---|---|---|
| Japón | 50 Hz (este), 60 Hz (oeste) | Guía de 1994 para consumidores de alta tensión, con la guía técnica JEAG 9702 |
| México | 60 Hz | Consulte los requisitos de la CFE y el Código de Red; confirme con su proveedor de energía |
| EE. UU. | 60 Hz | IEEE 519-2022; confirme el requisito de la compañía eléctrica |
| Colombia, Perú | 60 Hz | Confirme con su compañía eléctrica |
| Chile, Argentina | 50 Hz | Confirme con su compañía eléctrica |
Estos términos aparecen con frecuencia en los documentos y especificaciones japoneses de ahorro de energía.
| Término en romaji | Significado |
|---|---|
| sho-ene | Ahorro de energía |
| jiku-doryoku | Potencia en la flecha |
| kaitensu seigyo | Control de velocidad |
| jitsu-yotei / zen-yotei | Carga estática / carga total |
| furyo | Flujo de aire |
| shoyo dengen | Alimentación directa de línea (red eléctrica) |
| kochoha | Armónicos |
Motores Top Runner y eficiencia mínima en México
Desde abril de 2015, Japón exige que la mayoría de los motores de inducción trifásicos industriales cumplan su norma Top Runner, que la Agencia Internacional de Energía describe como nivel IE3. En la práctica, NEMA Premium suele tratarse como comparable a IE3, pero confirme la eficiencia en la hoja de datos y no trate las etiquetas como idénticas.
En México, la NOM-016-ENER-2016 fija la eficiencia energética de los motores trifásicos de inducción tipo jaula de ardilla de 0.746 kW a 373 kW. Pregunte al proveedor japonés si el motor suministrado cumple esa norma y qué certificado la respalda, porque los niveles de cada norma no tienen por qué coincidir.
La Asociación de la Industria de Equipos de Semiconductores de Japón (SEAJ) indica que estos motores tienen menos deslizamiento y giran un poco más rápido. Recomienda revisar o cambiar los ajustes de cualquier VFD que se use con ellos. Como la potencia sube con el cubo de la velocidad, pida al proveedor o a un ingeniero calificado que revise el ajuste de frecuencia cada vez que se cambie un motor y se agregue un VFD al mismo tiempo.
Qué revisar antes de instalar
Un VFD no se paga solo de manera automática. En la máquina equivocada puede causar poco flujo, un motor sobrecalentado o vibración. Haga las revisiones en este orden: datos de operación, límites del proceso, límites del motor y de la parte mecánica, y por último el sistema eléctrico.
Datos de operación y límites del proceso
Registre la posición de la compuerta o la válvula, la variación de caudal y presión, y las horas de operación durante una semana a un mes. Una máquina que se mantiene casi totalmente abierta ofrece poco ahorro. La guía del DOE propone un diagrama de duración, que muestra las horas al año a cada caudal, para calcular cada condición de operación y sumarlas.
Después confirme el flujo y la presión mínimos que necesita el proceso. La presión cae con el cuadrado de la velocidad: el MOE señala que 90 % de caudal significa 19 % menos presión de descarga. La presión requerida al final de la línea marca el límite inferior de la velocidad.
Velocidad mínima, enfriamiento y vibración
La mayoría de los motores de inducción se enfrían con un ventilador montado en la flecha, así que operar mucho tiempo a baja velocidad reduce el aire de enfriamiento. Pregunte al fabricante cuál es el rango de velocidad permitido en operación continua y si hace falta un ventilador de enfriamiento de accionamiento independiente.
La velocidad variable también aumenta la probabilidad de caer en una resonancia estructural dentro del rango de operación. Muchos variadores pueden saltar una banda de frecuencia, así que revise la vibración y el ruido durante la puesta en marcha.
Los ventiladores tienen además el riesgo de operación inestable, como el surge (bombeo), en ciertos rangos de velocidad.
Aislamiento del motor y ubicación del variador
Según la guía del DOE, los VFD se ajustan a la mayoría de los motores existentes en redes de 400 V. Eso generalmente no ocurre en EE. UU. ni en otras zonas por encima de 440 V, donde suelen hacer falta motores "inverter duty" con aislamiento reforzado. Si en su planta la distribución es de 440 o 480 V, como ocurre en muchas plantas de la región, esto le aplica directamente. Los cables largos pueden elevar el voltaje en las terminales del motor, y los motores grandes pueden sufrir daño en los baleros por el voltaje en la flecha.
Dos normas sirven de referencia al preguntar por esto: NEMA MG 1 Parte 31 para motores aptos para inversor, y IEC TS 60034-25:2022 como guía para máquinas alimentadas por convertidor. Revise también la ubicación del variador. La electrónica tolera mal las zonas corrosivas y húmedas, y la guía del DOE dice que normalmente no es posible operar un VFD en una atmósfera potencialmente explosiva.
La instalación y la conexión deben apegarse a la norma de instalaciones eléctricas vigente (NOM-001-SEDE-2018) y a las condiciones de seguridad para el mantenimiento eléctrico (NOM-029-STPS-2011); confirme con su responsable eléctrico las versiones y los artículos que aplican. Antes de intervenir el variador o el motor, aplique el bloqueo y etiquetado de su planta, porque los capacitores del variador pueden conservar carga después de apagarlo.
Armónicos y el sistema eléctrico
La carga del capacitor de filtrado del variador distorsiona la corriente de entrada, lo que crea armónicos en múltiplos enteros de la frecuencia de la red. En EE. UU., IEEE 519-2022 es una referencia común. Aplica sus límites en el punto de acoplamiento común, la interfaz entre la compañía eléctrica y el cliente, y no en cada variador.
Un resumen publicado de la edición 2022 da límites de distorsión armónica total de voltaje de 8 % a 1 kV y menos, y de 5 % por encima de 1 kV hasta 69 kV. Los límites de corriente dependen de la relación entre la corriente de cortocircuito y la corriente de carga. Confirme estos valores en la propia norma.
En México, revise los requisitos de calidad de la energía de la CFE y del Código de Red que apliquen a su contrato; esos documentos son los que fijan lo exigible en su punto de conexión. En Japón se aplica la guía de 1994 para consumidores de alta o extra alta tensión, junto con JEAG 9702, y los catálogos japoneses de variadores indican un factor de conversión para el cálculo. Las medidas incluyen reactores de CA o de CD y convertidores de modulación por ancho de pulso.
Pida a su ingeniero electricista y a la compañía eléctrica que revisen estos puntos, porque los armónicos también afectan a los capacitores de corrección del factor de potencia.
Lista de verificación: antes de presentar la cifra
Use esta lista para revisar una propuesta de VFD, sea suya o de un proveedor.
- Tipo de carga: ventilador de par variable o bomba centrífuga, no una máquina de par constante
- Control actual: compuerta de salida, compuerta de succión, aspas, válvula o totalmente abierto
- Base de comparación: kW o kWh medidos, no los kW de la placa de datos
- Perfil de flujo: horas al año a cada caudal, a partir de datos registrados
- Carga estática: porcentaje de la carga nominal y el método de cálculo que le corresponde (A, B o C)
- Límites del proceso: caudal mínimo, presión mínima y carga requerida al final de la línea
- Eficiencia: del variador y del motor a la carga parcial real, no solo a plena carga
- Frecuencia nominal: 50 o 60 Hz de la máquina, del motor y de su planta
- Motor: apto para uso con VFD, enfriamiento a baja velocidad, protección de baleros en los grandes y cumplimiento de la NOM-016-ENER-2016
- Parte eléctrica: revisión de armónicos, capacitores, longitud del cable, tensión (440/480 V) y ubicación del variador
- Dinero: su propia tarifa por kWh, el costo instalado completo y el retorno simple
- Verificación: un plan para comparar los kWh medidos antes y después
Preguntas para el proveedor japonés
Si el equipo o la cifra de ahorro vienen de Japón, envíe estas preguntas desde el principio. Están escritas para que pueda pegarlas en un correo.
- ¿Cuál es la frecuencia nominal de la máquina y del motor? Envíenos las curvas de desempeño a 50 Hz y a 60 Hz.
- Envíenos las curvas de desempeño a velocidad reducida, con la eficiencia y el caudal mínimo continuo indicados.
- ¿Cuál es el rango de velocidad permitido en operación continua? ¿Hace falta enfriar el motor por separado a baja velocidad?
- ¿El motor es apto para uso con VFD? ¿Conforme a qué norma (por ejemplo, NEMA MG 1 Parte 31 o IEC TS 60034-25)?
- ¿El motor cumple la eficiencia mínima de la NOM-016-ENER-2016 en México? ¿Qué certificado lo respalda?
- ¿Qué eficiencia tiene el variador a carga parcial? ¿Trae reactor de CA o de CD integrado? ¿Qué datos de armónicos pueden entregar?
- ¿Qué rangos de velocidad debemos evitar por resonancia u operación inestable?
- Sobre su cifra de ahorro de energía: ¿cuáles son el método de control de referencia, la carga estática, la eficiencia del variador, las horas de operación y la tarifa eléctrica?
- ¿La instalación de un VFD afecta la garantía de esta máquina?
Límites de esta guía
- Los ejemplos desarrollados provienen de guías públicas japonesas y usan valores supuestos. No son resultados medidos ni garantías.
- El Método C supone eficiencia constante de la bomba. El ahorro real es menor cuando la eficiencia baja con poco caudal.
- Los cálculos de velocidad mínima son estimaciones iniciales. Tienen prioridad las curvas del proveedor.
- Las bombas de desplazamiento positivo, los compresores y otras máquinas de par constante requieren un análisis distinto.
- Los límites de armónicos y las normas de motores se resumen a partir de fuentes secundarias. Confírmelos en las normas vigentes y en las reglas de su compañía eléctrica.
- Las tarifas eléctricas, los cargos por demanda y los incentivos varían según el país y el sitio, y esta guía no los cubre.
Preguntas frecuentes
¿Cuánta energía ahorra un VFD en un ventilador o una bomba?
No hay un solo porcentaje que aplique. Los ejemplos públicos japoneses muestran cerca de 40 % para un ventilador de 22 kW que pasa de control con compuerta a un VFD con el mismo 80 % de flujo de aire, y cerca de 35 % para una bomba de 37 kW a 85 % de velocidad. Su resultado depende del método de control actual, del perfil de flujo y de la carga estática.
¿Se aplican las leyes de afinidad cuando la bomba tiene carga estática?
No para el ahorro del sistema. Siguen describiendo cómo se mueve la curva de la bomba con la velocidad, pero la curva del sistema ya no parte de cero, así que el caudal no baja al mismo ritmo que la velocidad. Con 50 % de caudal en el ejemplo de J-Net21, la potencia es cerca de 24 % de la nominal, no el 12.5 % que predice la ley del cubo.
¿Un VFD ahorra energía en un ventilador que siempre trabaja a velocidad plena?
No. Si no hay margen para reducir la velocidad, las pérdidas de conversión del propio variador aumentan el consumo. El MOE sugiere operar una bomba a caudal nominal con alimentación directa de línea, un cambio que debe diseñar su ingeniero electricista.
¿Cuánta potencia pierde el propio VFD?
Los ejemplos públicos japoneses suponen una eficiencia del variador de 90–95 %. El DOE señala que la eficiencia baja cuando baja la carga, sobre todo en variadores más pequeños, así que pida al proveedor los valores a carga parcial.
¿Debo usar un VFD o control del número de bombas en marcha?
Un VFD conviene en sistemas con poca carga estática, donde casi toda la resistencia es fricción. Para una carga total grande, como el suministro de agua a un nivel alto, el MOE recomienda la secuenciación de bombas. También es posible usar la secuenciación para el ajuste grueso y un VFD para el ajuste fino.
Fuentes
- Leyes de afinidad del ventilador, comparación con la compuerta y ejemplo del ventilador de 22 kW: Ministerio del Medio Ambiente de Japón, "Introducción de ventiladores de extracción de flujo variable" (en japonés), basado en una hoja de datos del ECCJ
- Caudal, presión y potencia de bombas; carga estática; secuenciación; alimentación directa de línea a caudal nominal: Ministerio del Medio Ambiente de Japón, "Optimización del caudal y la presión de las bombas de suministro y drenaje de agua" (en japonés)
- Control con válvula y ejemplo de la bomba de agua de enfriamiento de 37 kW: J-Net21, control de velocidad de bombas y sopladores, parte 2 (en japonés)
- Bomba con carga estática, ejemplo numérico y rango efectivo: J-Net21, por qué los inverters ahorran poco en bombas con carga estática alta (en japonés)
- Carga estática y por fricción, errores con las leyes de afinidad, resonancia, aislamiento del motor y diagramas de duración: DOE de EE. UU., Hydraulic Institute y Europump, "Variable Speed Pumping: A Guide to Successful Applications, Executive Summary" (en inglés)
- Cargas de par variable y constante, eficiencia del variador a carga parcial y ejemplo de 20 hp: DOE de EE. UU., Motor Systems Tip Sheet #11, "Adjustable Speed Drive Part-Load Efficiency" (en inglés)
- Cargas de par variable: Mitsubishi Electric, serie FREQROL-F800 (en japonés)
- Motores Top Runner y ajustes del variador: Asociación de la Industria de Equipos de Semiconductores de Japón, eficiencia de motores (en japonés)
- Requisito IE3 de Japón: Agencia Internacional de Energía, "Minimum Energy Efficiency of Motors" (en inglés)
- NEMA Premium e IE3: WEG, "Energy Efficiency Directives Around the World" (en inglés)
- Eficiencia energética de motores de inducción en México: Diario Oficial de la Federación, NOM-016-ENER-2016 (15 de noviembre de 2016)
- Guía japonesa de armónicos, JEAG 9702 y reactores: Asociación Japonesa de Fabricantes de Equipo Eléctrico, supresión de armónicos en inverters de uso general y servoamplificadores, abril de 2022 (en japonés)
- Límites de IEEE 519-2022 y punto de acoplamiento común: Comsys, "Power Quality: IEEE 519-2022" (en inglés); IEEE Xplore, IEEE 519-2022
- NEMA MG 1 Partes 30 y 31: dV/dt Filter, "NEMA MG 1-2016 Standard for Voltage Stress in Motors and Drives" (en inglés)
- IEC TS 60034-25:2022: IEC Webstore
- Frecuencia de la red por país: Miki Pulley, "Power Supply Situations Around the World" (en inglés)
- Velocidad mínima y carga estática: Pump Industry Magazine, "Pump Curves 16: How Low Can You Go?" (en inglés)
- Límite entre 50 y 60 Hz en Japón: KEK, "Japanese Electricity" (en inglés)
Artículo original en japonésEsta guía se basa en un artículo de MONOSCOPE escrito para lectores en Japón: インバータで省エネになる仕組み｜ファン・ポンプの回転数と電力の3乗則
Acerca del editor
Editor de MONOSCOPEFOUNDER & EDITORTrabajó unos diez años en un fabricante de equipos para plantas y en una empresa de ingeniería de plantas, a cargo de propuestas, diseño y puesta en marcha de equipos, y luego se pasó al marketing digital. Hoy es consultor web para fabricantes B2B y los ayuda a explicar sus productos y su tecnología. Cuenta con licencias nacionales de Japón como Energy Manager e Ingeniero Eléctrico Jefe de Tercera Clase.
Escribe un blog de ingeniería desde 2017 (más de 500 artículos) y tiene un canal de YouTube en japonés con unos 20,000 suscriptores. Cada guía se escribe desde el punto de vista de la planta japonesa y se verifica con las normas citadas.
