Bombeo con variador de frecuencia: aplicación y control

Respuesta corta

En un sistema de bombeo, el variador ajusta la velocidad de la bomba para mantener presión, caudal o nivel constantes, en lugar de estrangular con válvulas. Se cierra un lazo PID con un transmisor de presión, caudal o nivel. Deben definirse la velocidad mínima que la bomba y el motor admiten, las rampas que evitan el golpe de ariete, la operación de varias bombas en paralelo y las protecciones contra marcha en seco y obstrucción. El ahorro de energía depende de la curva del sistema.

Por qué se usa variador en bombeo

Una bomba centrífuga conectada directo a la red gira a velocidad fija y entrega el caudal que resulta del cruce entre su curva y la del sistema. Cuando la demanda cambia, hay que regular, y las formas tradicionales (estrangular con una válvula, recircular parte del caudal, arrancar y parar con un tanque) desperdician energía, desgastan equipos o producen presiones oscilantes.

El variador cambia la velocidad de la bomba y, con ello, su curva. Las leyes de afinidad (vea leyes de afinidad y ahorro de energía) muestran que el caudal es proporcional a la velocidad, la presión al cuadrado y la potencia al cubo, y esa es la base del ahorro cuando el sistema trabaja a caudal parcial.

Estrategias de control

Objetivo	Variable medida	Cómo actúa el variador
Presión constante en una red	Presión de descarga	Aumenta la velocidad si la presión cae por mayor consumo y la baja cuando el consumo disminuye
Presión constante compensada	Presión y caudal estimado	Reduce la consigna de presión al disminuir el caudal, pues las pérdidas por fricción bajan
Caudal constante	Caudal	Ajusta la velocidad para sostener el caudal en procesos dosificados
Nivel de un tanque	Nivel	Regula la velocidad para mantener un nivel o un caudal de llenado suave
Velocidad fija o por etapas	Orden del operador	Sin lazo; sirve cuando el proceso no necesita realimentación

El lazo suele cerrarse con un controlador PID, ya incluido en la mayoría de los variadores de aplicación, o en un PLC que envía la referencia de velocidad al variador (vea comunicación de variadores). El transmisor es de 4-20 mA y se ubica donde la medida represente el proceso, no junto a la descarga de la bomba si allí hay turbulencia. Las diferencias entre el control V/f, el vectorial y el DTC se comparan en control V/f, vectorial y DTC en variadores. Para ajustar las ganancias del PID, el método de Ziegler-Nichols y sus alternativas se explican en sintonía Ziegler-Nichols y alternativas. Cuando un solo lazo no basta, el control en cascada, de relación y anticipativo se explica en control en cascada, de relación y anticipativo.

Puntos de diseño

Curva de la bomba y curva del sistema

El variador no cambia el sistema, solo el punto de operación. Si el sistema tiene mucha altura estática, la bomba no puede bajar mucho su velocidad sin dejar de entregar caudal, y el ahorro es menor. Hay que superponer la curva del sistema a las curvas de la bomba a varias velocidades y comprobar que el rango de caudal esperado queda dentro de la zona de buena eficiencia de la bomba.

Velocidad mínima y máxima

La frecuencia mínima la fija la velocidad a la que la bomba aún vence la altura del sistema y el límite que el fabricante de la bomba y del motor indiquen (refrigeración del motor, lubricación de sellos, caudal mínimo). La máxima no debe superar la nominal sin autorización del fabricante.

Arranque y parada

Una rampa de arranque larga evita golpes de presión y de corriente. Para parar, la rampa de desaceleración y, si hace falta, el cierre coordinado de una válvula de retención o de control evitan el golpe de ariete. La parada libre de una bomba en una tubería larga es una causa clásica de golpe. Las rampas se definen con el diseño hidráulico, no con valores de fábrica.

Varias bombas

En estaciones con varias bombas se pueden usar dos esquemas:

Un variador por bomba. Todas las bombas giran a la misma velocidad, repartidas por igual. Es el más eficiente y da redundancia.
Un variador con las demás a velocidad fija. Una bomba regula (bomba líder) y las demás entran y salen por etapas. Es más económico, pero con peor eficiencia y transiciones más bruscas.

La lógica de alternancia, de entrada y salida de bombas y de rotación del desgaste está en el PLC o en el controlador multibomba del variador.

Modos especiales

Modo de reposo (sleep). Cuando la demanda es mínima, el variador detiene la bomba hasta que la presión cae por debajo de un umbral, y evita que gire inútilmente con caudal casi nulo.
Llenado de tubería. En redes vacías, una rampa de llenado lenta evita golpes.
Limpieza de bomba. Algunos variadores incorporan ciclos para despejar obstrucciones en bombas de aguas residuales.

Protecciones

Marcha en seco: la corriente cae por debajo de lo normal; se detecta por subcarga o por un sensor de nivel.
Sobrecarga o atascamiento: la corriente sube; el variador protege la bomba y el motor.
Presión excesiva o baja: alarmas y paros según el proceso.
Sobretemperatura del motor: sonda PTC o protección térmica electrónica; vea motor de inducción y sus protecciones.
Cavitación: se manifiesta con ruido, vibración y oscilación de corriente; se previene con un buen diseño de succión y no bajando demasiado la presión de entrada.

Ejemplo ilustrativo

Datos ilustrativos, no de una planta real. Una red de agua industrial mantiene 5 bar con tres bombas iguales y demanda variable.

Con una bomba líder con variador y dos a velocidad fija, a baja demanda la bomba líder trabaja al 60 % de su velocidad y la segunda entra cuando la líder llega al 100 %.
Con un variador por bomba, la demanda se reparte. Dos bombas al 70 % pueden consumir menos que una al 100 % más una al 40 %, por la relación cúbica de la potencia con la velocidad. Esto solo se cumple si cada bomba permanezca en su zona eficiente.
El resultado real se confirma con las curvas de las bombas, no solo con la regla del cubo.

Puesta en marcha de una estación de bombeo con variador

Una secuencia ordenada de puesta en marcha reduce los riesgos hidráulicos y eléctricos:

Antes de energizar. Revisar el cableado, el sentido de giro del motor con la bomba desacoplada o con el sistema preparado, los datos del motor en el variador, y que las válvulas de succión y descarga estén en la posición prevista.
Primera marcha a baja velocidad. Verificar el sentido de giro, ruido, vibración y presión de succión. Cebar la bomba si el diseño lo requiere.
Prueba de rampas. Arrancar y parar la bomba con las rampas de diseño y observar presión y golpes en la tubería.
Ajuste del lazo PID. Con el sistema en operación, ajustar las ganancias hasta tener respuesta estable sin oscilación ni retraso excesivo. Un lazo mal ajustado hace que la presión oscile y la bomba suba y baje de velocidad sin necesidad.
Prueba de protecciones. Simular marcha en seco, presión alta y baja, y pérdida de la señal del transmisor; verificar que el variador reaccione según lo definido.
Prueba de varias bombas. Verificar la entrada, salida y alternancia en escenarios de demanda creciente y decreciente.
Registro de línea base. Anotar velocidad, corriente, presión y caudal en varios puntos de operación para comparar en el futuro y para calcular el ahorro.

Con estos datos se detectan después los desgastes: una bomba que necesita más velocidad para la misma presión indica desgaste de rodete o fuga en la red, y es información útil para el mantenimiento predictivo.

Errores frecuentes

Ubicar el transmisor de presión en un punto turbulento.
No definir la velocidad mínima, y dejar que el PID lleve la bomba a velocidades que no entregan caudal.
PID con ganancias de fábrica, que producen oscilación o lentitud.
Rampas cortas en tuberías largas.
Dejar la válvula de estrangulamiento parcialmente cerrada tras instalar el variador.
Sin protección de marcha en seco.
Ignorar el efecto de los armónicos en estaciones con varios variadores.
Operar en un punto lejos del de mejor eficiencia de la bomba.

Mantenimiento y operación a largo plazo

Una estación con variador envejece de forma distinta a una de arranque directo. Los sellos y rodamientos operan en un rango de velocidades más amplio, los transmisores de presión pasan a ser un componente crítico (si derivan, el lazo mantiene una presión errónea) y los filtros del tablero requieren limpieza periódica. Un plan razonable incluye calibración periódica de los transmisores, revisión de la corriente a velocidad y presión conocidas, inspección de los ventiladores del variador, y revisión de los registros de fallas. Si se detecta una tendencia, como más velocidad para la misma presión, se investiga desgaste de la bomba o fugas antes de que el problema se vuelva paro.

Lista de verificación

Curva de la bomba y curva del sistema con altura estática.
Perfil de caudal esperado a lo largo del día y del año.
Velocidad mínima y máxima aceptadas por el fabricante.
Transmisor de presión, caudal o nivel en un punto representativo.
Rampas de arranque y parada coherentes con el diseño hidráulico.
Lógica de varias bombas, alternancia y reposo.
Protecciones de marcha en seco, sobrecarga, presión y temperatura.
Prueba con carga real y registro de energía antes y después.
Revisión de armónicos si hay varios variadores en la misma red.

Cómo le ayudamos

Un buen bombeo con variador se decide con el estudio de la curva del sistema y la calidad de potencia. En Diseño de ingeniería y estudios hacemos la selección, el esquema de control y el análisis de la red, y en la puesta en servicio verificamos la operación con el proceso real. Escríbanos por contacto.

Guías relacionadas

Referencias

Wikipedia, «Affinity laws» y «Variable-frequency drive» (relaciones de bombas y control de velocidad).
Manuales de aplicación de bombeo de los fabricantes de variadores y de bombas.
Curvas de bombas del fabricante de cada equipo.

Preguntas frecuentes

¿Qué señal se usa para controlar una bomba con variador?

La que representa el objetivo del proceso: presión de descarga para mantener una red a presión constante, caudal para un proceso dosificado, o nivel de un tanque. Un transmisor de 4-20 mA entrega la medida al variador o al PLC, que cierra el lazo PID contra una consigna.

¿Puedo bajar la velocidad de una bomba hasta casi cero?

No. Por debajo de una velocidad mínima la bomba no vence la altura del sistema y no entrega caudal, el motor se enfría mal y los sellos pueden sufrir. El fabricante de la bomba indica el rango admisible; el variador se configura con una frecuencia mínima acorde.

¿Cómo se evita el golpe de ariete con variador?

Con rampas de arranque y de parada suficientemente largas, de modo que el caudal cambie de forma gradual, y con una parada controlada en lugar de la parada libre. En tuberías largas se calcula el tiempo mínimo de la rampa. El variador ayuda, pero no corrige un diseño hidráulico deficiente.

¿Qué hace el variador si la bomba se queda sin agua?

Una bomba en seco consume menos corriente de la normal, y muchos variadores detectan esa baja de carga y paran con una falla de subcarga o marcha en seco. También se usa un sensor de nivel o un presostato de baja. La detección debe estar prevista en el diseño y ajustada al punto de operación.