Si alguna vez instaló un convertidor de frecuencia VFD en una región montañosa, trabajó en una cinta transportadora en un sitio minero a gran altitud o mantuvo un sistema HVAC en una ciudad escondida en los Andes, probablemente se haya topado con el mismo problema: ese VFD que instaló al nivel del mar se sobrecalienta, se dispara prematuramente o se desconecta por completo cuando la temperatura baja un poco pero la altitud sube más de 1000 metros. Como proveedor de VFD que ha pasado 12 años solucionando problemas de sistemas en más de 30 países, puedo decirle que este no es un problema de "unidad defectuosa", sino un problema de reducción de potencia a gran altitud, y es uno de los errores más comunes e incomprendidos que cometen los nuevos instaladores (e incluso algunos ingenieros experimentados) cuando trabajan con unidades de frecuencia variable.
Comencemos con los conceptos básicos que la mayoría de las guías de VFD omiten, porque comprender por qué la altitud afecta su VFD sienta las bases para lograr la reducción de potencia correcta. Los VFD están construidos con componentes semiconductores (IGBT, diodos, condensadores) que dependen del aire ambiente para eliminar el calor residual generado durante el funcionamiento. Al nivel del mar, el aire es denso, lleno de oxígeno y pequeñas moléculas de aire que mueven el calor de manera eficiente, por lo que el ventilador de enfriamiento y los disipadores de calor internos de un VFD funcionan según lo diseñado. Cuando se asciende por encima de los 1.000 metros (3.280 pies), la densidad del aire cae aproximadamente un 1% por cada 100 metros de desnivel. Cuando llegas a los 2500 metros (8200 pies), el aire es un 75% más denso que al nivel del mar, y esa caída en la densidad es exactamente la razón por la que tu VFD no puede disipar el calor como debe. Un aire menos denso significa menos moléculas para alejar el calor de los componentes internos del VFD, por lo que esas piezas se calientan más que su temperatura nominal, incluso si el aire circundante se siente frío.
Ahí es donde entra en juego la reducción de potencia: es el proceso de reducir la potencia de salida del VFD para igualar la capacidad reducida de disipación de calor a gran altitud. La alternativa es dejar que el VFD se apague o falle prematuramente, lo que resulta más costoso en términos de tiempo de inactividad que abordar la reducción de potencia por adelantado. Pero la reducción de potencia no es un número único para todos: hay variables que cambian cuánto se necesita reducir, y omitir esos detalles es donde he visto que incluso los mejores equipos de ingeniería cometen errores.
Primero, hablemos de las pautas oficiales, porque son un buen punto de partida, pero no son el final de la historia. La mayoría de los fabricantes de VFD (incluidos aquellos con los que nos asociamos) especifican que por cada 100 metros por encima de 1000 metros, es necesario reducir la potencia del VFD en aproximadamente un 1 %, pero esa es una regla general, no una línea estricta. Hay excepciones a esa regla del 1% por 100 m, y esas excepciones se reducen a dos factores importantes: el método de enfriamiento del VFD y la temperatura ambiente en su sitio. Espera, cierto: el método de enfriamiento es enorme. Un VFD que utiliza refrigeración interna basada en convección (común en modelos más pequeños de montaje en panel) se reducirá mucho más rápido que un VFD con un sistema de refrigeración de aire forzado separado diseñado para entornos hostiles. Por ejemplo, nuestra línea de convertidores de frecuencia monofásicos, que está diseñada para aplicaciones industriales livianas y que a menudo se usa en paneles compactos, tiene una curva de reducción de potencia más pronunciada que nuestros grandes variadores de frecuencia trifásicos diseñados para minería y manufactura pesada. Probamos esto en un proyecto en La Paz, Bolivia, que se encuentra a 3640 metros sobre el nivel del mar: una unidad monofásica de 5 hp que suministramos necesitaba una reducción de potencia del 35 %, mientras que un variador de frecuencia variable trifásico de 5 hp de potencia idéntica a la misma elevación solo necesitaba una reducción de potencia del 22 %. ¿La diferencia? El modelo trifásico tiene un ventilador de refrigeración externo que aspira aire más denso (bueno, menos denso que el nivel del mar, pero más denso que el aire dentro de un panel cerrado) directamente sobre los disipadores de calor, por lo que se ve menos afectado por la altitud.
Luego está la temperatura ambiente, que casi nadie relaciona con la reducción del VFD a gran altitud. Si su sitio está a 2000 metros pero la temperatura ambiente promedio es de 15 °C (59 °F), es posible que solo necesite una reducción del 10 %. Pero si ese mismo sitio de 2.000 metros tiene una temperatura ambiente de 35°C (95°F), común en regiones desérticas de gran altitud como partes de las Montañas Rocosas de Colorado o Atacama, es necesario aumentar esa reducción en otro 5% o más. Esto se debe a que la gran altitud ya reduce la disipación de calor, y las temperaturas ambiente más altas agregan calor adicional que el VFD tiene que evitar, incluso en elevaciones más bajas. No puedo decirles cuántas veces hemos recibido una llamada de pánico de un cliente cuyo VFD se dispara por una falla de "sobrecalentamiento" a 2200 metros, solo para darnos cuenta de que instalaron la unidad en un armario caliente, sin ventilación y sin enfriamiento adicional, en lugar de colocarlo cerca de un área abierta y sombreada donde el flujo de aire es mejor.
Otro error común: olvidar que la reducción afecta a algo más que la potencia continua. La mayoría de los instaladores saben que deben reducir la potencia nominal del VFD para un funcionamiento continuo, pero pasan por alto las cargas máximas. Por ejemplo, si está utilizando un VFD de 10 hp para impulsar un transportador que ocasionalmente necesita un pico de 12 hp para arrancar una correa cargada, esa capacidad máxima también debe reducirse a gran altura. Recientemente acompañamos a un cliente de procesamiento de alimentos en Cusco, Perú, a través de esto después de que su VFD de 10 hp seguía disparándose durante el arranque. Habían seguido la regla del 1% por 100 m para potencia continua (estaban a 3400 metros, por lo que una reducción del 25 %, hasta 7,5 hp continuos) pero no redujeron la carga inicial máxima, que todavía estaba establecida en 12 hp, mucho más de lo que el VFD podía manejar a esa altitud. Al ajustar el límite de corriente máxima en el VFD para que coincida con la potencia continua reducida, eliminaron los disparos sin sacrificar la velocidad de la línea que necesitaban para la producción.
Ahora, entremos en el proceso paso a paso que funciona para nuestros clientes, porque lo hemos perfeccionado en cientos de instalaciones en sitios de gran altitud. Primero, comience con la altitud exacta de su sitio, no con la elevación general de la región. No asuma que “las montañas significan 2500 metros”; utilice un GPS o un mapa topográfico para obtener la elevación precisa donde se instalará su VFD. En segundo lugar, tenga en cuenta las temperaturas ambiente promedio y máxima de su sitio; esto podría significar verificar los datos meteorológicos de la estación de monitoreo más cercana o incluso instalar un pequeño sensor cerca de la ubicación del VFD si es un sitio remoto. En tercer lugar, elija el modelo de VFD adecuado para su rango de altitud. Si trabaja por encima de los 2000 metros, omita las unidades pequeñas enfriadas por convección a menos que pueda agregar refrigeración externa y opte por modelos como nuestras líneas de transmisión de frecuencia trifásicas que están construidas con refrigeración mejorada para elevaciones variables. Para sitios por encima de los 3000 metros, a menudo recomendamos dimensionar su VFD un marco más grande de lo que lo haría al nivel del mar, lo que actúa como un amortiguador de reducción de potencia incorporado que elimina la mayoría de los ajustes en el sitio.
Espera, volvamos a ese consejo de tallas, porque es uno en el que hacemos más hincapié que la regla del porcentaje. Muchos clientes nos preguntan: "Si necesito reducir la potencia un 25% a 3000 metros, ¿por qué no comprar un VFD un 25% más grande?" Eso es exactamente lo que hace el dimensionamiento, y funciona porque el VFD funcionará a un porcentaje menor de su capacidad nominal, lo que significa que, para empezar, genera menos calor residual. Probamos esto con un VFD de 10 hp: si lo dimensiona a 12,5 hp para un sitio de 3000 metros, la unidad solo funciona al 80% de su capacidad nominal, por lo que el calor que produce es lo suficientemente bajo como para que la reducción en la disipación del aire relacionada con la altitud no cause sobrecalentamiento. Esta es una solución más sencilla que calcular porcentajes de reducción y ajustar la configuración, especialmente para los clientes que no quieren modificar su programación VFD en el sitio.
También existen dos grandes mitos sobre la reducción de potencia del VFD a gran altitud que dedicamos mucho tiempo a desacreditar. La primera: “La altitud sólo afecta a los VFD exteriores”. No, afecta a todos los VFD, incluso a los instalados dentro de los paneles de control. El panel de control es un espacio pequeño y sellado donde la densidad del aire cae tanto como en el exterior; en todo caso, el espacio confinado empeora la disipación del calor porque no hay un gran volumen de aire para moverse. El segundo mito: "Un voltaje más alto puede solucionar la reducción de potencia". Aumentar el voltaje de entrada al VFD no compensa la reducción de la disipación de calor; en realidad hace que los IGBT generen más calor, porque un voltaje más alto significa un mayor consumo de corriente para la misma carga. Ése es un camino rápido hacia la falla prematura de los componentes, no una solución.
Usemos un ejemplo real para concretar esto, porque los números ayudan. Un cliente en Quito, Ecuador (2.800 metros sobre el nivel del mar, temperatura ambiente promedio de 18 °C) tenía un convertidor de frecuencia monofásico de 5 hp que alimentaba una línea de envasado. A nivel del mar, esta unidad funcionó perfectamente, pero en Quito se sobrecalentó a la hora de funcionar. Nuestro equipo examinó el sitio: el panel de control estaba en una habitación cerrada sin ventilación, la temperatura promedio dentro del panel era de 28°C y la unidad estaba funcionando a su máxima capacidad de 5 hp. Esto es lo que hicimos: primero, calculamos la reducción requerida: 1% por cada 100 m por encima de 1000 m = 18% de reducción, más un 5% adicional por el aumento de temperatura del panel de 10°C (28°C ambiente interior versus 18°C ambiente del sitio) = reducción total del 23%. Eso significaba que la potencia continua máxima segura de la unidad era de aproximadamente 3,85 hp. Pero dado que la línea de envasado ocasionalmente necesitaba un pico de 6 hp durante períodos cortos, recomendamos dos cambios: primero, cambiar la unidad monofásica de 5 hp existente por un modelo de 7.5 hp (aumentando el tamaño, lo que proporciona un amortiguador incorporado) y segundo, instalar un pequeño extractor de panel para mejorar el flujo de aire, lo que redujo la reducción de potencia requerida en otro 7 %. También ajustamos el límite de corriente máxima del VFD para que coincida con las necesidades reales de la línea, no con la capacidad nominal total de la unidad. ¿El resultado? Se acabaron los viajes por sobrecalentamiento y la línea de envasado funciona a la velocidad exacta que necesitan, sin tiempo de inactividad desde hace más de tres años.
Otro punto importante: cuando reduce la potencia de un VFD, siempre debe consultar la documentación específica del fabricante para ese modelo, porque los diferentes componentes tienen diferentes límites de altitud. Por ejemplo, los condensadores electrolíticos dentro de los VFD pueden tener una vida útil reducida a gran altitud si no se reducen correctamente, porque el aire fino permite más arcos eléctricos dentro de la carcasa del condensador cuando se opera a plena carga. Es por eso que nuestro equipo de ingeniería ajusta los límites de corriente y voltaje de salida del VFD cuando suministramos unidades para sitios de gran altitud, para evitar que se produzcan arcos sin que el cliente tenga que hacer ningún trabajo adicional.
Si está buscando VFD para una aplicación a gran altitud, no confíe en calculadoras genéricas en línea que no tienen en cuenta el enfriamiento o la temperatura ambiente. Tenemos una herramienta personalizada en nuestro sitio que le permite ingresar elevación, temperatura ambiente, tipo de carga (continua versus pico) y método de enfriamiento, y le brinda una recomendación de reducción de potencia y una sugerencia de modelo precisas. Hemos utilizado esta herramienta para sitios que van desde 1200 metros hasta más de 4000 metros, y ha reducido las tasas de falla de VFD de nuestros clientes a gran altitud en un 85 % en los últimos cinco años.
Al final del día, la reducción de potencia del VFD a gran altitud no se trata de seguir una regla de porcentaje estricta, sino de comprender cómo interactúan la densidad del aire, el calor y los límites de los componentes, y elegir el VFD y la configuración adecuados para su sitio específico. Omitir este paso genera costosos tiempos de inactividad, equipos rotos y equipos frustrados, mientras que tomarse el tiempo para calcular la reducción de potencia por adelantado significa una operación confiable sin importar qué tan alto esté.
Si está trabajando en un proyecto a gran altitud y necesita ayuda para elegir el VFD correcto, calcular la reducción de potencia o solucionar problemas de una unidad existente, estamos aquí para ayudarlo. Comuníquese con nosotros para una consulta y nos aseguraremos de que su VFD funcione como debería, incluso en los rincones más altos del mundo.
Referencias
- Armónica, G. (2022). Consideraciones de rendimiento a gran altitud para la electrónica de potencia industrial. Revista de conversión de energía y movimiento inteligente, 48 (3), 24-31.
- Allen-Bradley. (Dakota del Norte). Especificaciones técnicas del convertidor de frecuencia VFD para aplicaciones de elevación variable. Obtenido de /convertidor-de-frecuencia-vectorial/convertidor-de-frecuencia-de-alto-rendimiento/convertidor-de-frecuencia-vfd.html
- Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE). (2019). Consideraciones ambientales para variadores de frecuencia a grandes altitudes. Transacciones IEEE sobre aplicaciones industriales, 55(6), 6210-6217.
- Allen-Bradley. (Dakota del Norte). Pautas de reducción de potencia del convertidor de frecuencia monofásico para temperatura ambiente y elevación. Obtenido de /convertidor-de-frecuencia-vectorial/convertidor-de-frecuencia-de-alto-rendimiento/convertidor-de-frecuencia-single-phase.html
- Comisión Electrotécnica Internacional (IEC). (2020). Estándar para el rendimiento del variador de frecuencia en elevaciones fuera del nivel del mar. CEI 61800-5-1:2020.
- Allen-Bradley. (Dakota del Norte). Modelos de variador de frecuencia trifásico y VFD de 10 hp diseñados para aplicaciones industriales de gran altitud. Obtenido de /vector-frequency-converter/high-Performance-frequency-converter/10-hp-vfd.html y /vector-frequency-converter/high-Performance-frequency-converter/3-phase-frequency-drive.html