Dimensionamiento de un variador y derating

Por qué la potencia de placa no basta

La potencia en kilovatios de un variador es una referencia comercial. Lo que el variador limita, y lo que daña los transistores si se excede, es la corriente. Un mismo motor puede tomar más o menos corriente según la tensión, la carga y su diseño. Por eso los fabricantes publican para cada referencia la corriente de salida continua, la corriente máxima de sobrecarga y su duración, y sus condiciones de referencia (temperatura, altitud, frecuencia de conmutación y tensión). Las diferencias entre el control V/f, el vectorial y el DTC se comparan en control V/f, vectorial y DTC en variadores. Cuándo usar un filtro dv/dt o senoidal a la salida del variador se explica en filtros dv/dt y senoidales para variadores.

El procedimiento general es el mismo para cualquier marca:

1. Reunir los datos del motor y de la carga.
2. Determinar la corriente y la sobrecarga que necesita la aplicación.
3. Escoger la referencia cuya corriente cubra esa necesidad.
4. Aplicar los factores de reducción de las condiciones reales del sitio.
5. Confirmar la selección con las tablas del fabricante.

Datos de entrada

Servicio normal y servicio pesado

Los fabricantes publican a menudo dos valores de corriente para la misma referencia:

• Servicio normal (o ligero): mayor corriente continua con una sobrecarga corta y baja. Es la clasificación para bombas, ventiladores y compresores centrífugos, que no exigen más del nominal de arranque.
• Servicio pesado: menor corriente continua con una sobrecarga mayor y durante más tiempo. Se emplea en bandas cargadas, trituradoras, molinos, compresores de tornillo con arranque exigente, grúas y todo lo que arranca con par alto.

Elegir servicio normal para una carga pesada produce disparos por sobrecarga en el arranque; elegir servicio pesado para una bomba centrífuga sobredimensiona el equipo.

Derating: las condiciones del sitio

Los valores de la hoja de datos corresponden a unas condiciones de referencia. Fuera de ellas, el fabricante exige reducir la corriente de salida. Las categorías habituales son estas:

• Temperatura ambiente. Los ratings suelen darse a 40 °C (algunos fabricantes, a otros valores). Sobre ese valor se reduce la corriente según una curva del manual. Un manual de ABB, por ejemplo, ilustra un factor de 0,90 a 50 °C para una referencia concreta.
• Altitud. Sobre 1.000 m el aire es menos denso, enfría menos y soporta menos tensión entre partes. El mismo manual ejemplifica una reducción de un punto porcentual por cada 100 m adicionales a 40 °C, con un factor de 0,95 a 1.500 m. Esos valores varían entre fabricantes y modelos.
• Frecuencia de conmutación. Una portadora más alta aumenta las pérdidas del inversor, por lo que la corriente disponible baja. Los manuales traen una tabla por tamaño de carcasa.
• Tensión de alimentación. Algunos variadores tienen corriente distinta según la tensión de red.
• Frecuencia de salida baja. En el rango de frecuencias muy bajas, la corriente se concentra en pocos transistores y se reduce.
• Instalación. Montaje lado a lado, tableros sin ventilación suficiente y obstrucción de la entrada de aire incrementan la temperatura interna.

Cuando varias condiciones se presentan a la vez, los factores se acumulan y se multiplican. El sitio colombiano de gran altitud con temperatura alta y portadora elevada reduce más de lo que se espera sumando por separado.

Ejemplo ilustrativo

Los factores siguientes son inventados para ilustrar el método, no corresponden a ningún modelo. Hay que tomarlos siempre de la tabla del fabricante.

Un motor de 460 V consume 60 A a plena carga en una bomba centrífuga. El variador se instalará a 2.600 m de altitud, en un cuarto con 45 °C de temperatura máxima y con la portadora ajustada a un valor que, según la tabla, exige un factor de 0,95.

• Factor por altitud (ilustrativo): 1 − (2.600 − 1.000)/10.000 = 0,84.
• Factor por temperatura (ilustrativo): 0,95.
• Factor por portadora (ilustrativo): 0,95.
• Factor total: 0,84 · 0,95 · 0,95 ≈ 0,76.
• Corriente continua que el variador debe poder entregar en tablas: 60 / 0,76 ≈ 79 A.

Así, una referencia con 65 A en servicio normal, que parece suficiente por catálogo, no cubriría la aplicación, y habría que pasar a la siguiente. Bajar la temperatura del cuarto o usar una portadora menor puede evitar el salto de tamaño.

Otras comprobaciones

• Corriente máxima y duración del arranque. El perfil de arranque no puede superar la sobrecarga permitida.
• Protección del cable y de la entrada. La corriente de entrada del variador no es igual a la del motor; se toma del manual. La protección de cortocircuito se coordina según el fabricante.
• Armónicos y reactancia de línea. En redes débiles o con varios variadores se revisa el efecto en la red, como en armónicos de variadores.
• Frenado. Si hay frenado, se verifica el chopper y la resistencia (vea frenado con variador).
• Motor. El motor debe aceptar el uso con variador y el régimen de baja velocidad; vea motores para uso con variador.

Criterios adicionales de selección

Más allá de la corriente y del derating, hay decisiones que conviene cerrar al seleccionar:

• Grado de protección (IP) y ambiente. Un variador de grado IP20 va dentro de un tablero con ventilación. En ambientes con polvo, humedad o corrosión se escogen gabinetes con mayor grado de protección o tablero presurizado, y se vuelve a calcular la disipación y la temperatura interna.
• Disipación y ventilación del tablero. Las pérdidas del variador (un porcentaje de su potencia) se convierten en calor. Se suman las de todos los equipos del tablero para elegir la ventilación o el aire acondicionado.
• Reactancias y filtros de entrada. En redes débiles o con varios variadores, una reactancia de línea reduce la distorsión y protege el rectificador. Su selección acompaña a la del variador.
• Protección de entrada. Fusibles o interruptor, con la coordinación que indique el fabricante del variador para la corriente de cortocircuito disponible.
• Opciones de comunicación y seguridad. Se piden desde el pedido, porque muchas son módulos que se instalan en fábrica o en campo según el modelo.
• Repuestos y soporte. Disponibilidad local de la marca, tiempos de reemplazo y compatibilidad entre generaciones.
• Vida útil y mantenimiento. Los condensadores del bus y los ventiladores son los elementos con vida limitada; el plan de mantenimiento los incluye.

La selección documentada, con los factores de derating y las hipótesis, evita discusiones en la puesta en servicio y deja una base para ampliaciones. Si cambia el sitio o la carga, se repite el cálculo.

Errores frecuentes

• Elegir por kilovatios sin comparar la corriente con la del motor real.
• Servicio normal en una carga pesada, con disparos en cada arranque.
• Ignorar la altitud, frecuente en instalaciones de Colombia por encima de 1.000 m.
• Instalar el variador en un cuarto sin ventilación y dejar que la temperatura supere la de referencia.
• Sumar los factores de derating en lugar de multiplicarlos.
• Dimensionar para un motor y luego conectar otro más grande.
• No contar el aumento de portadora hecho para reducir el ruido.

Del cálculo a la documentación

Una memoria de selección útil recoge en una sola hoja los datos de placa del motor, el tipo de carga, la sobrecarga requerida y las condiciones del sitio. Añade los factores de derating con su fuente (página y tabla del manual), la corriente requerida resultante, la referencia elegida y el margen que queda. Con esa hoja, el comprador, el instalador y el mantenimiento hablan del mismo cálculo. Si más adelante se cambia la altitud de la instalación, el motor o la portadora, el cálculo se repite en minutos en lugar de rehacerse de memoria. En proyectos con varios variadores iguales, la hoja evita errores de copia, y en auditorías sirve como evidencia de que la selección se hizo con criterio y no por catálogo.

Lista de verificación

• Corriente nominal real del motor, tensión y velocidad.
• Tipo de carga y servicio (normal o pesado), con sobrecarga de arranque.
• Temperatura máxima en el sitio del variador, no la del exterior.
• Altitud de instalación.
• Frecuencia de conmutación prevista.
• Factores de derating tomados de la tabla del fabricante y multiplicados.
• Corriente de entrada, protección y cable.
• Frenado, filtros y reactancias necesarios.
• Ventilación del tablero verificada con la disipación del variador.

Cómo le ayudamos

Un variador mal dimensionado dispara o se calienta, y uno sobredimensionado cuesta de más. En Diseño de ingeniería y estudios hacemos la selección con la carga, el sitio y la red, y en la puesta en servicio comprobamos la operación con el proceso. Escríbanos por contacto.

Guías relacionadas

• Variador que se dispara: causas en la red eléctrica
• Arrancador suave o variador de frecuencia
• Motor de inducción y sus protecciones
• Variador ABB ACS880, ACS580 y ACS6000
• CCM inteligente
• Leyes de afinidad: ahorro en bombas y ventiladores
• Parámetros básicos de un variador y qué significan

Referencias

• Manuales de hardware de ABB (serie ACS580): derating por temperatura, altitud y frecuencia de conmutación.
• IEC 61800, sistemas de accionamiento de velocidad variable.
• Hojas de datos de los fabricantes de variadores citados en las guías de equipos.

Preguntas frecuentes