Si tiene un negocio que depende de cambiadores de frecuencia de CA (también llamados variadores de frecuencia, o VFD, para abreviar), probablemente haya tenido que lidiar con el dolor de cabeza del sobrecalentamiento del equipo en algún momento. Llevo más de 10 años suministrando variadores de frecuencia de CA a fábricas, pequeños talleres de fabricación e incluso instalaciones comerciales, y una de las preguntas más comunes que recibo de los clientes es: "¿Cuánta refrigeración necesito realmente para esto?" No es simplemente una pregunta descartable: si omite la disipación de calor adecuada, se enfrentará a fallas prematuras de las piezas, tiempos de inactividad no planificados y una factura de reparación mucho mayor que si hubiera planeado el enfriamiento desde el principio. Analicemos esto en términos sencillos, sin sobrecargar la jerga de ingeniería, y relacionemos lo que he aprendido trabajando con todo tipo de aplicaciones de motores que existen.
Primero, comencemos con lo básico: ¿Qué es un cambiador de frecuencia de CA y, en primer lugar, por qué genera calor? Si es nuevo en esto, un cambiador de frecuencia de CA ajusta la velocidad de un motor eléctrico modificando la frecuencia y el voltaje de la energía que llega a él. Esto es mucho más eficiente que hacer funcionar un motor a máxima velocidad todo el tiempo para tareas que no lo necesitan, como una cinta transportadora que solo necesita media velocidad para cargas livianas o un ventilador que reduce la velocidad en días templados. Pero aquí está el truco: ningún dispositivo eléctrico es 100% eficiente. Incluso los mejores cambiadores de frecuencia de CA pierden entre el 2 y el 5 % de la energía que consumen en forma de calor. A modo de contexto, si tiene un motor de 10 caballos de fuerza (HP) funcionando a máxima velocidad, el cambiador de frecuencia consumirá alrededor de 7457 vatios de potencia (ya que 1 HP = ~745,7 vatios) y desperdiciará aproximadamente entre 150 y 370 vatios en forma de calor. Si escala eso a un sistema de 100 HP, son 1500-3700 vatios de calor solo desde el propio disco. Multiplique eso por la cantidad de horas al día que funciona el disco y ese calor se acumula rápidamente.
Es por eso que lograr el requisito correcto de disipación de calor no se trata sólo de “mantener la unidad fría”, sino de proteger todo el sistema. He visto a clientes tomar atajos aquí antes: una pequeña panadería con la que trabajé hace un par de años instaló un VFD barato en su mezcladora de masa, lo metió en un armario eléctrico estrecho sin ventilación adicional y, en 6 meses, el IGBT (transistor bipolar de puerta aislada, el principal componente de energía) del variador se frió debido al sobrecalentamiento. Terminaron teniendo que reemplazar no solo el variador, sino también el motor de la batidora, lo que les costó mucho más que si hubieran agregado un pequeño ventilador o un disipador de calor al armario cuando lo instalaron.
Ahora bien, ¿cómo se calcula la disipación de calor exacta que necesita para su cambiador de frecuencia de CA específico? No es un número único para todos, por lo que siempre les digo a los clientes que comiencen con dos factores clave: la potencia nominal de la unidad y su eficiencia operativa. La mayoría de los cambiadores de frecuencia de CA modernos tienen un índice de eficiencia de entre 95% y 98%, por lo que la fórmula para la pérdida de calor es bastante simple: Pérdida de calor = (Potencia de entrada del variador) x (1 - Eficiencia). Repasemos eso con un ejemplo real. Suponga que tiene un cambiador de frecuencia de CA de 5 HP que alimenta una bomba (puede consultar nuestro modelo centrado en motores pequeños en /vector-frequency-converter/economic-frequency-converter/vfd-for-small-motors.html como referencia sobre unidades de baja potencia). La potencia de entrada de un motor de 5 CV es de unos 3.728 vatios. Si tiene una eficiencia del 96%, eso significa que pierde el 4% de esa potencia en forma de calor: 3728 x 0,04 = ~149 vatios. Esa es la cantidad de calor que emite el propio disco. Pero espera, aún no hemos terminado. También hay que tener en cuenta el calor del motor y cualquier otro componente eléctrico cercano en el mismo gabinete. Un motor de inducción de 5 HP, por ejemplo, pierde alrededor del 1 al 3 % de su potencia en forma de calor cuando funciona a plena carga, así que agregue otros 37 a 111 vatios allí, más el calor del cableado u otros controles en el armario. En total, el calor total a disipar es de alrededor de 200 a 260 vatios para ese sistema pequeño.
Para sistemas más grandes (por ejemplo, un cambiador de frecuencia de CA de 100 HP que alimenta un sistema transportador en un almacén), las matemáticas cambian, pero la lógica sigue siendo la misma. Una unidad de 100 HP tiene una potencia de entrada de ~74,570 vatios. Con una eficiencia del 97%, son 2237 vatios de calor solo del disco. Agregue los 745-2237 vatios de pérdida de calor de un motor de 100 HP y obtendrá más de 3000 vatios en total para disipar. Se trata de una cifra elevada, por lo que las unidades de disco grandes suelen necesitar refrigeración dedicada en lugar de sólo un ventilador de caja en la misma habitación.
Pero mucha gente comete un error: utilizan la potencia nominal del disco a máxima velocidad para calcular la pérdida de calor, pero la mayoría de las aplicaciones no se ejecutan a máxima velocidad el 100% del tiempo. Si su VFD solo funciona al 50 % de velocidad, su eficiencia aumenta ligeramente (alrededor del 97-98 %) y su potencia de entrada cae, por lo que la pérdida de calor también disminuye. Por ejemplo, si esa unidad de 5 HP funciona al 50 % de velocidad, su potencia de entrada es de ~1864 vatios, la eficiencia es del 97 %, por lo que la pérdida de calor es de solo ~56 vatios. Es por eso que siempre les digo a los clientes que utilicen su carga operativa promedio real, no la clasificación máxima, al calcular las necesidades de enfriamiento. Es fácil sobredimensionar el enfriamiento, pero eso desperdicia energía y dinero; si lo subestimas, tendrás los mismos problemas de sobrecalentamiento de los que hablamos antes.
A continuación, hablemos de las diferentes formas de disipar ese calor, porque el método que utilices depende de tu configuración. El más básico es el enfriamiento pasivo: un disipador de calor conectado a los componentes internos del disco, que permite que el calor irradie al aire circundante. Esto funciona muy bien para unidades pequeñas y de bajo consumo (menos de 5 HP) que se instalan en espacios abiertos y bien ventilados. Pero si tiene un motor pequeño escondido en un panel de control ajustado con otros equipos, la refrigeración pasiva no es suficiente. Ahí es donde entra en juego la refrigeración por aire forzado: un pequeño ventilador montado en o cerca de la unidad que sopla aire frío sobre el disipador de calor o extrae aire caliente del gabinete. Para unidades de tamaño mediano (5-50 HP), el aire forzado es la opción preferida: es asequible, fácil de instalar y funciona para la mayoría de las configuraciones comerciales e industriales ligeras.
Para unidades más grandes (más de 50 HP) o unidades instaladas en espacios cerrados con temperaturas ambiente altas (como una sala de calderas o un almacén en Arizona durante el verano), necesitará refrigeración líquida. Esto utiliza un circuito de refrigerante para extraer el calor de los componentes internos de la unidad y luego pasa ese refrigerante a través de un intercambiador de calor para liberar el calor al aire exterior. La refrigeración líquida es más cara al principio, pero es mucho más eficiente para sistemas de alta potencia y mantiene el disco a una temperatura constante sin importar el calor que haga afuera. He visto a clientes con unidades de más de 100 HP en almacenes no acondicionados ahorrar miles de dólares en costos de reparación al cambiar de refrigeración por aire forzado a refrigeración líquida.
Otra cosa a considerar es la temperatura ambiente. El requisito de disipación de calor se duplica si la temperatura promedio de su sala de control es 10°F más alta que la estándar (77°F o 25°C, que es el estándar de la industria para el funcionamiento del variador). Si su espacio se calienta durante la mayor parte del año, necesitará capacidad de enfriamiento adicional para compensarlo. Por ejemplo, si está en una fábrica donde las salas de control mantienen una temperatura de alrededor de 90 °F (32 °C) durante todo el año, esa unidad de 5 HP que mencioné anteriormente y que solo necesitaba 150 vatios de pérdida de calor a 77 °F ahora necesitará alrededor de 200 vatios de refrigeración. Pequeños ajustes como ese se suman, especialmente para sistemas que funcionan 24 horas al día, 7 días a la semana.
Ahora, volvamos a analizar por qué esto es importante para usted como comprador. Ya sea que esté reemplazando un viejo cambiador de frecuencia de CA o equipando una máquina nueva, lograr la disipación de calor adecuada extenderá la vida útil de su variador y evitará tiempos de inactividad no planificados. Siempre les digo a los clientes que se hagan tres preguntas antes de finalizar la configuración: 1) ¿Cuál es la producción de calor total del variador, el motor y cualquier otro componente en el mismo gabinete? 2) ¿Cuál es la temperatura ambiente donde se instalará la unidad? 3) ¿Con qué frecuencia funciona el variador a carga completa, versus carga parcial? Si puede responderlas, sabrá exactamente qué refrigeración necesita.
Y si no estás seguro de por dónde empezar, para eso estoy aquí. He trabajado con todo tipo de aplicaciones, desde pequeñas mezcladoras de panadería hasta sistemas transportadores de 200 HP, y puedo ayudarlo a dimensionar su variador y calcular sus necesidades de enfriamiento sin dolores de cabeza. Nuestro equipo se especializa en cambiadores de frecuencia de CA para todos los tamaños de motores, incluidas las unidades pequeñas enfocadas en motores vinculadas en /vector-frequency-converter/economic-frequency-converter/ac-frequency-changer.html, para que sepa que está obteniendo un variador diseñado para soportar condiciones de calor del mundo real.
Espera, una nota rápida para evitar otro error común: no olvides tener en cuenta el espacio alrededor del disco. Incluso si tiene la cantidad adecuada de refrigeración, si su VFD está encajado en un panel sin espacio para que circule el aire, el calor se acumulará. Por lo general, recomiendo dejar al menos 6 pulgadas de espacio en todos los lados de la unidad para que circule el aire. Esas 6 pulgadas pueden no parecer gran cosa, pero pueden marcar la diferencia entre una unidad que funciona durante 10 años y otra que se apaga en 2.
Al fin y al cabo, el calor es el mayor enemigo de los cambiadores de frecuencia de CA. He visto a muchos clientes escatimar en refrigeración para ahorrar unos cuantos dólares por adelantado, sólo para terminar pagando por una nueva unidad y tiempo de inactividad en el futuro. Si está buscando un nuevo cambiador de frecuencia de CA o necesita ayuda para determinar sus necesidades de disipación de calor, comuníquese con nuestro equipo para hablar sobre su proyecto; no hay argumentos de venta, solo consejos directos basados en años de trabajo con equipos como el suyo. No permita que una mala gestión del calor descarrile sus operaciones; hagámoslo bien la primera vez.
REFERENCIAS
- Variadores de motor: comprensión de los fundamentos de los variadores de frecuencia de CA, Asociación Nacional de Fabricantes Eléctricos (NEMA)
- Directrices de disipación de calor para variadores de frecuencia industriales, norma 61800-5-1 de la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC)
- Guía de aplicación de VFD para motores pequeños, Asociación de control y motores industriales (IMCA)