Variadores€Electrónicos de€Velocidad

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Variadores Electrónicosde Velocidad

• Innumerables procesos productivos requieren variar suvelocidad, luego, es importante conocer los procesosindustriales y las necesidades de los mismos.

• El motor de CD tiene condiciones de operación idóneas paravariar su velocidad sin detrimento de sus parámetros defuncionamiento, pero sus características constructivas y sumantenimiento son complicados y lo hacen más costoso.

• Necesidad de variar la velocidad de los motores de inducciónde una forma sencilla, confiable y de bajo costo.

• No fue posible sino hasta finales de los 70, con el desarrollo dela electrónica de potencia que se pudo lograr el control develocidad de un motor de corriente alterna de inducción,mediante la utilización de un variador de frecuencia (VDF).

• El personal involucrado con el mantenimiento eléctrico y elahorro de energía en el sector eléctrico debe conocer losprincipios básicos de su funcionamiento y aplicaciones.

MOTIVACIÓN:

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• La principal ventaja de los VDF es la posibilidad de disminuirlos consumos de energía eléctrica en los procesos quecontrola, dando como resultado considerable disminución enlos costos de operación. No obstante, la decisión de suaplicación conlleva un análisis de factibilidad técnico yeconómica.

• La alta confiabilidad en los VDF y la disminución de sus precioshan permitido que cada día se instalen más equipos en Méxicoy en todo el mundo.

• El VDF alimenta al motor con un voltaje modulado, lograndouna variación de frecuencia en sus terminales permitiendo quevaríe la velocidad de dicho motor sin detrimento considerablede sus características de par y manteniendo la simplicidad deoperación y facilidad de mantenimiento del motor jaula deardilla, comparativamente con los motores de corriente directa.

MOTIVACIÓN:

Motor de Inducción alimentadocon Convertidor de Frecuencia:Los variadores de velocidad modernos de los motores de inducciónutilizan el control de la frecuencia aplicada al motor mediante unconvertidor estático.La alimentación es de CA, de U y f constantes, y es convertidamediante un rectificador no controlado a una tensión de CC,mediante el inversor y utilizando la técnica de Modulación delAncho del Pulso (Pulse Width Modulation PWM) se convierte enCA de U y f variables que es la que se aplica el motor.El convertidor “aisla” al motor de la red y nos interesa elcomportamiento a la entrada del convertidor pues se analiza laafectación energética que produce el accionamiento completo en lared.

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Motor de Inducción alimentadocon Convertidor de Frecuencia:El suministro de voltaje de un VDF puede realizarse a frecuenciasque van desde 0 Hz hasta 300 o más Hz.La velocidad del motor es variable en la misma proporción que lavariación de la frecuencia, así el motor puede girar lento o muyrápido, dependiendo de la frecuencia que le suministra el VDF.Al mismo tiempo el voltaje también es variable en la mismaproporción que la variación de la frecuencia, para asegurar que la

relación voltaje/frecuencia semantenga con el mismo valor entodo el rango de velocidadesmientras no pase de 60 Hz.Para frecuencias superiores semantiene la tensión constante y sepasa a trabajar en la zona de flujodebilitado.

Motor de Inducción alimentadocon Convertidor de Frecuencia:

Si se varía la frecuencia sin variar la tensión se altera el flujomagnético de la máquina.El par que entrega el motor según diseño es determinado por larelación voltaje/frecuencia.Un motor de 460 V y 60 Hz tendrá una relación volt/frec de 7.6,si este mismo motor lo manejamos a una frecuencia de 30 Hztendremos que suministrarle un voltaje de 230 V para mantener lamisma relación y el mismo par. Cualquier cambio en esta relaciónpuede afectar el par, temperatura, velocidad o ruido del motor.Para producir el par nominal en cada motor a diferentesvelocidades, es necesario modificar el voltaje suministradoconforme modificamos la frecuencia. El VDF mantiene esa relaciónde volt/hertz suministrada al motor de manera automática.

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Partes principales del VDF:

RECTIFICADOR DE C.D. convierte el voltaje en C.A. en voltajeen C.D., dependiendo de el tipo de VDF este voltaje de C.D. puedeser fijo o variable. La mayoría de los VDF modernos operan con unvoltaje de C.D. fijo, utilizando diodos de potencia para obtenerlo.Existen también VDF con rectificadores controlados que dan unvoltaje de C.D. variable. Es importante hacer notar que el voltajedel bus de c.d. es 1.41 veces mayor al voltaje de c.a. (en elejemplo del motor de 460 V el voltaje de c.d. será de 648 V).2.FILTRO Ó ENLACE. su forma depende del tipo de variador.

Partes principales del VDF:

3.INVERSOR. convierte el voltaje de c.d. en voltaje de alterna detensión y frecuencia variables, para lo cual utiliza elementossemiconductores, transistores de potencia o igbt, y son controladospor microprocesadores o microcontroladores.Para variar la componente fundamental de la tensión a partir deuna tensión de corriente continua constante se emplea confrecuencia el método de Modulación de Ancho del Pulso (PWM).Puede apreciarse la formareal de la tensión y lacomponente fundamentalde la misma al variar lafrecuencia.

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Motor de Inducción alimentado con Convertidor PWM:

aunque la tensión se encuentradeformada notablemente, lacorriente es muy parecida auna sinusoide (el motor actúacomo un filtro pasa bajo), noobstante presenta armónicassuperiores que, lógicamente,aumentan las pérdidas. Estosaumentos deben ser tenidos encuenta a la hora de analizar losconsumos energéticos.

Motor de Inducción alimentado con Convertidor PWM:

Ventajas: excelente factor de potencia debido al uso de unrectificador no controlado, buena operación del motor a bajasvelocidades, eficiencia mayor al 92 %, se puede controlar variosmotores con un solo VDF, habilidad para sobreponerse a laspérdidas de potencia en frecuencias de 3 a 5 Hz, y un costo bajo.

Desventajas: generación de interferencia electromagnética,calentamiento del motor y fallas en el aislamiento en algunasaplicaciones debido a la alta frecuencia de resolución, laimposibilidad de regeneración y la generación de armónicassuperiores.

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VDF tipo flujo vectorial (utilizan el control vectorial):

El método de control de par usado en el VDF de flujo vectorial essimilar al usado en los de C.D., incluyendo un amplio rango develocidades con una rápida respuesta.Este variador usa un sofisticado control de lazo cerrado del motoral microprocesador del variador. La posición y velocidad del rotores monitoreada en tiempo real a través de un posicionador ocodificador digital que determina y controla la velocidad, par ypotencia del motor.El objetivo es controlar el par del motor en lugar de la velocidad ypor lo tanto tienen respuestas más rápidas y precisas a lasvariaciones del par demandado por la carga.

VDF tipo flujo vectorial (utilizan el control vectorial):

Las ventajas de este tipo de VDF son: un excelente control develocidad, par y potencia, una respuesta rápida a los cambios decarga, velocidad y par demandados; 100 % de par a velocidad 0;costos de mantenimiento relativamente bajos comparados con loscontroles y motores de C.D.

Este tipo de variadores de frecuencia es ideal para aplicacionesde una complejidad mayor que generalmente se controlan conmotores de C.D. como extrusoras, grúas, elevadores, máquinascentrífugas, máquinas de papel, impresoras, maquinaria deembalaje, embobinadoras, y otras aplicaciones conrequerimientos similares.

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• En todas las aplicaciones de VDF hay que tener muy presenteel calentamiento que pueda llegar a sufrir el motor al disminuirla velocidad del ventilador de enfriamiento acoplado al mismoen la parte posterior.

• Si el motor va a trabajar en rangos de velocidad de 0 a 1520Hz durante lapsos prolongados, se recomienda instalarventilación extra a la del motor para asegurar el enfriamientoadecuado.

• Algunas marcas manejan el motor con ventilación acopladapero conectada eléctricamente independiente a un alimentadorde 120 Volts.

Motor de Inducción alimentado con VDF:

El VDF ha llegado a ser uno de los métodos de control demotores que más han avanzado tecnológicamente en los últimosaños, disminuyendo costos, tamaños y mejorando la simplicidadde operación y ha llegado a normalizarse tanto que casi todas lasmarcas ofrecen las mismas características de operación.Las ventajas adicionales que ofrecen algunas marcas sonmínimas con respecto a otras pero que deben de serconsideradas al momento de hacer la elección: como el idioma deprogramación y lectura; facilidad de programación; datos queaporta el equipo como amperaje, % de par, potencia, voltajes,status, etc.; pantallas remotas; reactores de choque paradisminuir armónicos; desconectadores internos; fusibles de acciónrápida integrados; control PID; etc.Lo que realmente hace la diferencia entre un equipo y otro es lacalidad de los componentes que lo integran y el servicio de pre ypostventa del mismo.

Motor de Inducción alimentado con VDF:

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Aplicaciones de losvariadores de frecuencia

CARGAS DE PAR CONSTANTE• Demandan del motor un par o torque constante en cualquier

rango de velocidad; ejemplos de este tipo de carga son:elevadores, bandas transportadoras, maquinaria textil,impresoras, bombas de desplazamiento positivo y de pistón,extrusoras, mezcladoras, compresores reciprocantes, etc.

• Representan el 80 % de los motores instalados.• El motivo principal para la aplicación de los VDF en este tipo

de carga es la optimización del proceso y rara vez hay ahorrosde energía; a menos de que se cumplan estas doscondiciones: que la potencia demandada sea menor a lanominal y que esto sea a velocidades menores.

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CARGAS DE PAR CONSTANTE• es factible ahorrar energía eléctrica durante el arranque y la

operación, cuando se tengan variaciones en la carga y/o elequipo no se encuentre operando a su capacidad nominal.

• Ej: una banda transportadora de material pesado siempre sedimensiona para transportar la máxima capacidad. El motor vaa trabajar sobrado cuando no transporta la máxima carga o vasin carga pues no se les alimenta de material regularmente; enesos momentos si la velocidad baja el consumo de potencia vaa disminuir conforme a lo solicitado por la carga.

• Una banda medio cargada consume sólo un poco menos deenergía que una completamente llena. Parcialmente cargadapuede consumir hasta el 80 % de la energía necesaria paratransportar la carga completa. Esta relación se empeora si labanda va vacía, pues consume del 50 al 70 % de la energíarequerida para la carga nominal, de tal forma que aunque noesté realizando ningún trabajo ni suministrando material hayconsumo y un desperdicio del 50 % de la energía instalada.

• Con un VDF se logra ajustar la velocidad de la banda almaterial disponible en un momento dado regulando lavelocidad en base al factor de carga.

• Si, por ejemplo, la cantidad del material por transportardisminuye a la mitad entonces la velocidad de la bandadisminuiría a la mitad; y si la cantidad de material disminuyede tal forma que la banda va vacía, la velocidad de la bandase reduce hasta un mínimo, con el correspondiente ahorro deenergía.

Aplicación de los VDF en cargas de par constante

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CARGAS DE PAR VARIABLE• Las necesidades de par o torque van disminuyendo conforme

lo hace la velocidad del motor. Comúnmente son aplicacionesde flujo variable, como bombas, ventiladores y compresorescentrífugos, así como agitadores y compresores axiales

• El caudal Q, volumen por unidad de tiempo, está relacionadoproporcionalmente a la velocidad del impulsor (Ej, si unventilador centrífugo gira a 3600 rpm y mueve una cantidad de2 M³ de aire por segundo, cuando gira a 1800 rpm moverá 1 M³de aire por segundo, sin importar qué es lo que está haciendogirar el ventilador)

• El 70% de las aplicaciones de los accionamientos de velocidadvariable son en este tipo de cargas.

• El control de caudal se puede regular usando recirculación,persianas, válvula de estrangulación, cajas de volumen variable,control de arranque/paro y convertidores de frecuencia.

• Los sistemas de bombeo e inyección de aire se diseñanconsiderando el punto máximo de operación. Todas sus partes:tuberías, impulsores, motores, válvulas, tanques, se encuentrandiseñadas para abastecer el volumen máximo requerido.

• Los métodos que implican poco ahorro de energía serían los derecirculación y arranque/paro, mientras que los métodos de controlde obturador o estrangulamiento, que son los más usados, tienenuna eficiencia muy baja pues el motor continúa trabajando a suvelocidad nominal tratando de sobreponerse a las contrapresionesinnecesarias.

CARGAS DE PAR VARIABLE

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Aplicación de los VDF en cargas de par variable

• El VDF sustituye a cualquier tipo de control con grandesventajas y es el único que reduce la velocidad sin necesidades deelementos mecánicos extras; los ahorros que se obtienen de laoperación pueden llegar al 60 %.

• No deben instalarse VDF si las necesidades de caudal ypresión no son variables. Solo ofrecen grandes oportunidades deahorro cuando se controla el flujo pues sus requerimientos depotencia disminuyen considerablemente con la velocidad.

• La difusión de los VDF en las aplicaciones de circulación defluidos ha sido muy lenta, lo cual contrasta con otras aplicacionesen las que la variación velocidad/torque es necesaria por razonesindustriales (por ejemplo: en producción del papel, en fundicionesde acero), y donde la más nueva generación de variadoreselectrónicos se ha convertido en la tecnología normal.

CARGAS DE POTENCIA CONSTANTE• Es el tipo de carga que siempre va a estar demandando

la potencia máxima, sin importar la velocidad a la queesté girando el motor. Sin embargo, al incrementarse lavelocidad, la demanda de par se reduce y viceversa.

• Se encuentran básicamente en máquinas herramientas,bobinadoras, dobladoras, troqueladoras, molinos, bombascentrífugas de alta inercia.

• En estas cargas difícilmente podremos obtener ahorrosde energía, debido a que el proceso exige el máximo dela potencia.

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ES IMPORTANTE CONOCER:• El tipo de aplicación donde se va a instalar un VDF.

• Los rangos de velocidad en los que va a trabajar la carga.

• A qué porcentaje de carga se está trabajando.

• Si el VDF se utilizará en un proceso ya establecido o enuna nueva industria o maquinaria dentro del proceso.

• Las potencia máxima y mínima que la carga demanda.

• El par de arranque.

• Las relaciones de reducción si se utilizan reductores,engranes, poleas, bandas, etc. debido a las necesidadesde velocidades bajas y pares altos.

Aplicación de los variadores electrónicos ensistemas de bombeo

l En las bombas centrífugas sin alzamiento la potenciaconsumida es proporcional al cubo de la velocidad.l Si el usuario quiere reducir el flujo del proceso puede usarseuna válvula de control, o alternativamente un variador develocidad.

Aunque ambas técnicascumplen el objetivo deseado, elconsumo de energía essignificativamente más altocuando se usa una válvula deestrangulamiento.

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l Si hay un sistema de bombeo asociado con la elevación deun fluido, las bombas deben superar la presión estáticacorrespondiente.l En estos sistemas la energía mecánica se usa para vencer lafricción en las tuberías y para realizar el trabajo asociado con laelevación del fluido contra la gravedad.

Si el porciento de la potenciaasociada con superar la fricciónes significativo, pueden lograrseahorros de energía aunquetípicamente menos que ensistemas sin presión estática, esdecir, en bombeos paracirculación de fluidos ensistemas cerrados.

Aplicación de los variadores electrónicos ensistemas de bombeo

La eficiencia del sistema depende de la eficiencia de todas suspartes componentes

Para el mismo flujo a la salida, el sistema ineficaz absorbe más de dosveces la potencia absorbida por el sistema optimizado, mostrando laimportancia del diseño de los sistemas completos

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En muchas aplicaciones que usan varias bombas en paralelo paraproducir el flujo requerido pueden alcanzarse ahorros de energíasignificativos operando todas las bombas a velocidad reducida enlugar de tener un ciclo on/off de las bombas según la demanda.

Por ejemplo, en un sistema de dos bombas, con circuitos deconductos independientes, operando ambas bombas al 50% del flujonominal se requiere aproximadamente un 25% de la potencia requeridapor una sola bomba que opera al 100%, con las ventajas adicionales deque las bombas no se calientan, los sellos permanecen húmedos yactivos, eliminándose además el alto golpe de arranque del sistema.También es posible controlar el efecto del golpeo del agua que daña lastuberías controlando con el variador los procesos de aceleración /desaceleración.

Sistemas de bombeo organizados

l Se pueden obtener grandes ahorros incluso con modestosajustes de velocidad, aun en motores muy cargados, usandovariadores en lugar de estrangulando el flujo de aire, dado queen estos equipos el consumo de energía es muy sensible a lavelocidad.

Aplicación de los variadores electrónicos enventiladores centrífugos

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l En un sistema de chiller de azotea se pueden usar variadorespara modular la velocidad de la bomba, basado en el control dela temperatura, y/o en el control de la velocidad del ventilador,basado en la temperatura del retorno. El resultado, comparadocon un control cíclico on/off, es una temperatura más estable yuna operación más eficiente, disminuyendo la energía delventilador en un 25%–50%.

Aplicación de los variadores electrónicos enventiladores centrífugos

• El tornillo rotatorio y pistón de los compresores sonesencialmente cargas de torque constante que también puedenbeneficiarse con la aplicación de variadores de velocidad.

• Los ahorros dependen del sistema del mando que estáreemplazándose. Si la demanda es del 50% de la capacidadnominal, pueden ser de alrededor de un 30%.

Aplicación de variadores electrónicos en compresores

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• El ahorro de energía con cargas de torque constante esconsiderablemente menor que con bombas o ventiladorescentrífugos que obedecen la ley cúbica de la potencia. En ellasse requiere además asegurar una adecuada lubricación avelocidades reducidas.

• Sin embargo, la introducción de VDF en compresores de tornillosuele tener ahorros típicos de 15%–20%. Estas máquinasmerecen ser consideradas cuando tienen muchas horas detrabajo y hay una amplia variación en la demanda.

• También se pueden obtener ahorros cuando se reduce demanera controlada la presión de la generación principal.

• Otro ejemplo de aplicación de VSF en compresores es para lospropósitos de refrigeración.


• El uso de VSF para el control de la temperatura encompresores de refrigeración (ej. freezer) puede eliminar laspérdidas que se tienen al usar un control on/off y disminuir ladiferencia de temperatura entre el condensador y elevaporador, con grandes ahorros de energía (típicamente25%). El control de temperatura también puede mejorarse entérminos de diferencias entre temperaturas interiores yexternas.


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• se pueden lograr ahorros significativos devolviendo laenergía de frenaje a la red cuando el elevador baja lleno osube vacío al usar variadores regenerativos, si lo permite latransmisión mecánica del motor.

Aplicación de variadores electrónicos en ascensores

Aplicación de variadores electrónicos en ascensores

• Con el uso de VDF regenerativos y una transmisión eficiente, laenergía consumida puede reducirse a 19% cuando se comparacon el sistema convencional que usa cambio de polos.

• Los motores de imán permanente acoplados directamente (sinengranajes) y usando frenado regenerativo también estánintroduciéndose en nuevos ascensores de alta eficiencia.

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Aplicación de variadores electrónicosen máquinas herramientas y máquinas centrífugas

• En cargas de alta inercia (ej. máquinas herramientas) y/ocargas de gran velocidad (ej. máquinas centrífugas), confrecuentes operaciones de arranque y frenaje es posible ahorrarcantidades significativas de energía. Este tipo de cargasacumula gran cantidad de energía cinética que en un procesode frenaje puede devolverse a la red, si se usa un VDFregenerativo.

• Ejemplos de este tipo de cargas son tornos de alta velocidad osierras de alta inercia: cuando una sierra o un torno estántrabajando, la velocidad y torque están en la misma dirección,pero al terminar, típicamente se hace necesaria una paradarápida. La energía de frenaje puede reinyectarse a la red enlugar de disiparse en una resistencia. Otro aspecto importante aconsiderar es el proceso de aceleración.

Aplicación de variadores electrónicosen máquinas herramientas y máquinas centrífugas

• Si el motor simplemente se enciende [Fig. a], sin un control develocidad, las pérdidas del rotor serán más altas que si se usaun motor de poloscambiables [Fig. b].

• Una técnica de aceleración más eficaz usa un VDF [Fig. c] conlo cual se reducirá significativamente el consumo de energía,comparado a las otras técnicas mencionadas.

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• En los dispositivos de torque constante (ej., transportadoreshorizontales), el torque es aproximadamente independiente dela carga transportada (sólo depende de la fricción).

• Típicamente, el torque y velocidad son aproximadamenteconstantes. Pero, si cambia la entrada quizás sea posiblereducir la velocidad (el torque es el mismo), y se alcanzaránahorros de energía significativos, proporcional a la reducciónde velocidad.

Aplicación de variadores electrónicosen transportadores

BARRERAS TÉCNICAS AL USO DE VDFLos motores de inducción alimentados por VDF basados eninversores de voltaje con modulación del ancho del pulso,pueden tener que soportar factores de estrés tales como:aumentos de temperatura, descargas parciales y averías delaislamiento del estator.Aumento de Temperatura interior:• Se deben fundamentalmente al aumento de armónicos que

lleva a un aumento de las pérdidas de hierro y cobre y, porconsiguiente, las pérdidas totales aumentarán entre 15%–35%con factores de carga mayores que 60%.

• Un incremento de 10ºC en la temperatura de operación llevaráa un 50% la disminución de la vida de los aislamientos y a un35% la disminución de la vida lubricantes.

• En un motor totalmente cerrado de 35 kW con una eficienciadel 90%, un aumento de 7.5% en las pérdidas lleva a unaumento de 2.3ºC en la temperatura de operación.

• Además de aumentar las pérdidas de motor, las armónicas 5,11, y 17, aunque tienen bajos valores, reducirán el torque dearranque.

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BARRERAS TÉCNICAS AL USO DE VDFAumento de Temperatura interior:• Se han desarrollado técnicas del mando sofisticadas en VSDs

modernos para minimizar las armónicas, particularmente en ellado de motor.

• En el caso de motores autoventilados el aumento detemperatura también puede ser debido a la reducción develocidad de motor y, por consiguiente, del flujo de airerefrescante. Es importante entonces seleccionaradecuadamente el motor propiamente para cargas querequieren velocidades menores que la nominal.

• Para velocidades bajas (debajo de 70% de la velocidadnominal) debe utilizarse un ventilador externo para evitarsobrecalentamiento en el motor.

Descargas parciales y averías del aislamiento:• La forma de onda del voltaje de salida del VDF (caracterizada

por un alto dv/dt), la alta frecuencia de trabajo del mismo y ladiferencia de impedancia entre el motor y el cable que lo uneal variador, pueden provocar efectos de reflexión en latensión que pueden ser particularmente serios si la longitudde dicho cable excede los 50–100 pies.

• Este efecto de reflexión puede conducir a transitorios devoltaje en los terminales del motor que pueden provocardescargas parciales en las cavidades de aire del aislamientodel motor, las cuales pueden aumentar debilitando elaislamiento hasta provocar cortocircuitos.

• Los transitorios de voltaje, aunque no tengan efectos dereflexión, pueden por sí mismos debilitar el aislamiento alprovocar la circulación por el mismo de corrientesparasitarias y provocar el cortocircuito sin el efecto de lasdescargas parciales.

• El sistema de aislamiento de los motores (en particular losmás viejos) puede fallar cuando se usan VDF.

BARRERAS TÉCNICAS AL USO DE VDF

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• Debido a las capacitancias parásitas entre los enrollados y lacarcaza, los bobinados y el rotor, el rotor y la armadura, ydentro de los cojinetes, pueden circular corrientes de altafrecuencia en los cojinetes de un motor alimentado por unVDF y aunque su amplitud es baja, pueden provocar ladegradación acelerada del lubricante y las bolas.

• Los armónicas de corriente también pueden afectar la red dealimentación, provocando pérdidas adicionales, elevación detemperatura en todos los equipos conectados al sistema(máquinas, transformadores, cables, bancos decondensadores, etc.), interferencia electromagnética y ruidoen las líneas de suministro.

• Muchas armónicas se reducen al usar puentes de diodos enla primera etapa del variador, pero incluso en este caso lasarmónicas 5 y 11 de secuencia negativa pueden tambiénaumentar las pérdidas.

BARRERAS TÉCNICAS AL USO DE VDF

• Los fabricantes deben especificar el máximo el voltajetransitorio y dv/dt que los bobinados del motor pueden resistir.

• Se utilizan filtros de alta frecuencia y cables childeados entre elVDF y el motor, tratando que los variadores estén lo mas cercaposible de los motores.

• Adecuado aterramiento.• Los fabricantes de motores han realizado varias modificaciones

en los mismos para aumentar su fiabilidad. Por ejemplo, uso dealambre magnético con aislamiento reforzado, uso de técnicasde impregnación que minimizan las cavidades aéreas en elsistema de aislamiento, uso de cojinetes aislados, etc.

• Existen ya en el mercado unidades integradas de motores yVDF (hasta 15 kW). Este producto supera muchas de lasbarreras asociados con la aplicación de VSDs, ej., reducciónde sobrevoltajes, cercanía entre variador y motor, einterferencia electromagnética mínina.

ALGUNAS SOLUCIONES A LASBARRERAS TÉCNICAS

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VARIADORES DE FRECUENCIA QUE NO PRODUCEN ARMÓNICAS:

• La tecnología actual en la fabricación de variadores defrecuencia para media y baja tensión logra VDF que producenbajos contenidos de armónicas tanto hacia el motor comohacia la línea de alimentación.

• No provocan distorsiones a la línea de alimentación ni daños almotor.

• Para su aplicación no es necesario degradar la potencia delmotor ni sobredimensionar el aislamiento del cable o del motor,para el caso de media tensión.

• Se consigue eliminar las armónicas instalando transformadoresde alimentación con devanados secundarios aislados entre sí ydesfasados de tal forma que las armónicas se eliminan entreellas.


• La mayoría de las marcas incluyen dentro del propioconvertidor protecciones para el motor, tales como proteccionescontra sobreintensidad, sobretemperatura, fallo contradesequilibrios, defectos a tierra, etc, además de ofrecer procesosde arranque y frenados suaves mediante rampas de aceleración yde frenado, lo que redunda en un aumento de la vida del motor ylas instalaciones.


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• Un enorme potencial para el ahorro de energía disminuyendola velocidad del motor en muchas aplicaciones

• Mejora el proceso de control y por lo tanto la calidad delproducto.

• Se puede programar un arranque suave, parada y freno(funciones de arrancador progresivo).

• Amplio rango de velocidad, par y potencia. (velocidadescontinuas y discretas).

• Permiten el uso de lazos cerrados de velocidad.• Pueden controlar varios motores.• Factor de potencia unitario.• Respuesta dinámica comparable con los sistemas de CD.• Capacidad de bypass ante fallos del variador.• Protección integrada del motor.• Marcha paso a paso (comando JOG).

Beneficios que reporta el uso de los VDF:

• las bombas centrífugas constituyen el mecanismo accionadomás frecuente en los motores eléctricos especialmente endiapasones de potencia pequeños y medios.

• Es grande el número de estos mecanismos que necesitanregulación del caudal o flujo de líquido siendo precisotrabajar durante mucho tiempo en condiciones de caudalinferiores al nominal, y en la mayoría de ellos se sigueempleando la estrangulación de la salida.

• variando el caudal por regulación de la velocidad delimpelente se consiguen importantes ahorros de energía ypuede inclusive trabajarse con un motor más pequeño.

• mediante la introducción de variadores de velocidad en losequipos de bombeo puede conseguirse ahorro de energíaactiva y reactiva.

APLICACIÓN DE VELOCIDAD VARIABLEEN SISTEMAS DE BOMBEO:

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• Se parte del conocimiento de las características de cargahidráulica contra caudal tanto de la bomba como del sistemahidráulico y de la eficiencia contra caudal de la bomba.

• es necesario aplicar métodos de selección y operación delas bombas centrífugas que garanticen que ellas operen lamayor parte del tiempo en los puntos de mayores eficiencias(deben ser concebidos y aplicados por los especialistashidráulicos en trabajo común con los eléctricos).

APLICACIÓN DE VELOCIDAD VARIABLEEN SISTEMAS DE BOMBEO:

Leyes de Afinidad:• El diámetro del impulsor (D) tiene un comportamiento lineal con

la velocidad (N).• El flujo (Q) tiene un comportamiento lineal con la velocidad (N).• La presión tiene un comportamiento cuadrático con la

velocidad.• La potencia (P) tiene un comportamiento cúbico con la

velocidad.Matemáticamente:

3

oo

2

oooooo NN

PP

NN

HH

NN

QQ

QQ

DD

=

===

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Ejemplo 1:

Determinar el comportamiento de una bomba cuandoopera al 65% de su velocidad nominal, si se conoceque mueve un caudal de 0.72 m3 / min a una altura de70 metros con una velocidad de 3498 rpm y para ellorequiere 12 kW.Inicialmente se calcula la nueva velocidad:• N2 = 3498 x 0.65 = 2274 rpm, tal que N1/N2 = 1.538

Por tanto, se obtienen los siguientes valores:• Q1/Q2 = N1/N2 Q2 = 0.72 / 1.538 = 0.468 m3 / min

• H1/H2 = (N1/N2)2 H2 = 70 / (1.438)2 = 33.85 metros

• P1/P2 = (N1/N2)3 P2 = 70 / (1.438)3 = 3.29 kW

De variarse la velocidad de la bomba se necesitaría sólo el3.29/12 = 27.4 % de la potencia

Ejemplo 2:Una bomba tiene un flujo inicial de 58 m3 / hora, que mueve auna altura de 80 metros a una velocidad de 1765 rpm, para locual requiere una potencia de 17 kW. Sin embargo, se recirculan12 m3 / hora, es decir, se requiere se requiere solo un flujo de46 m3 / hora.Determinar el comportamiento de la bomba si trabajaúnicamente con el flujo requerido.

Mediante las relaciones de afinidad se determinan los siguientesparámetros:

• Q1/Q2 = N1/N2 (46 / 58) x 1765 = 1399 rpm

• H1/H2 = (Q1/Q2)2 H2 = 80 x (46 / 58)2 = 50.32 metros

• P1/P2 = (Q1/Q2)3 P2 = 17 x (46 / 58)3 = 8.48 kW

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26

Los métodos de regulación de caudalse obtienen mediante:

• Modificación de la curva presióncaudal del sistemasobre el que trabaja la bomba.

• Modificación de la curva presióncaudal de la bomba.• Modificación simultánea de ambas características

(sistema y bomba).• Arranque o paro de la bomba.

• Es el método más utilizado• Trata en esencia de regular el flujo mediante la

actuación de una o más válvulas, de tal forma que semodifique la curva de comportamiento del sistema deconducción.

Modificación de la curva presióncaudal delsistema sobre el que trabaja la bomba:

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Modificación de la curva presióncaudal delsistema sobre el que trabaja la bomba:

• Al estrangular la válvula para reducir el gasto de Q1 a Q2, lacurva del sistema cambia de la 1 a la 2, y la carga se veincrementada de H1 a H2.

Potenciahidráulica:Ph2 = Q2 x H2

Modificación de la curva de la bomba:• consiste en variar la curva “CargaCapacidad” de la bomba,

variando su velocidad de operación.• Nótese que, variando la velocidad de la bomba de N1 a N2,

podemos pasar de un gasto Q1 a un gasto Q2, sinincrementar la carga, por el contrario, la nueva carga H2’, esmenor a la carga inicial H1 y mucho menor a la que seobtendría con la válvula de estrangulación H2.

Potenciahidráulica:Ph2’ = Q2 x H2’

Ph2’ < < Ph2

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Modificación simultáneade las curvas del sistema y la bomba:

• Es frecuente que la curva “CargaCapacidad” de un sistemavaríe por la existencia de varios usuarios, cada uno de ellosdemandando más o menos gasto en función de susnecesidades, lo cual visto desde la bomba representavariaciones constantes del gasto y la carga del sistema.

• Se debe garantizar el mismo gasto a un usuario a pesar de queotro haya cambiado su régimen de demanda, para ello sevarían simultáneamente las curvas de la bomba y del sistemade manera talque se mantengala carga delsistema encualquiercondición deoperación.

Modificación simultáneade las curvas del sistema y la bomba:

• Obsérvese cómo ante una variación de la curva del sistema,el control ajusta la velocidad de la bomba para mantener lacarga H1, y suministrar el gasto Q2 que el sistema realmenteestá demandando.

• La potencia hidráulica en este caso es: Ph1’ = Q2 x H1• Ejemplos de este tipo de aplicaciones los tenemos en:

sistemas públicos de agua potable, sistemas de enfriamientoindustriales y sistemas de aire acondicionado tipo chiller.

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Arranque y Paro de la Bomba:

• Es un sistema muy conveniente cuando se cuenta con unacumulador, tal como hidroneumático o tanque elevado.

• La bomba operará con válvula de descarga siempre abierta ycuando se halla llegado a la presión nominal en elhidroneumático o al nivel alto en el tanque elevado, la bombaparará, para volver a arrancar cuando la presión o el nivel,según el caso, halla llegado al nivel bajo.

• El sistema es energéticamente eficiente. Tiene la limitante deque necesita del acumulador, y no siempre es posible contarcon él.

COMPARACIÓN ENERGÉTICA ENTREMÉTODOS DE REGULACIÓN DE CAUDAL:

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Ejemplo de Aplicación:Se supone que se desea seleccionar el motor para una bombacentrífuga que debe operar regulando el caudal desde 0,5 m3/seghasta unos 0,67 m3/seg.Las características de la bomba (carga hidráulica y eficiencia enfunción del caudal) y del sistema hidráulico (carga hidráulica contracaudal) se muestran en la tabla y en las figuras y fueron hechas auna velocidad de 1175 r/min. Asuma que la eficiencia de latransmisión es del 92%.

Q(m3/seg) 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8

Hb (m) 7,8 8,3 8,5 8 7,25 6 4,5 2,75 0,75

Hs (m) 2,3 2,35 2,4 2,45 2,55 2,6 2,75 3,1 3,9

ηb (%) 0 25 42 55 66 67 62 57 51

Ejemplo de Aplicación:

Q(m3/seg) 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8Hb (m) 7,8 8,3 8,5 8 7,25 6 4,5 2,75 0,75

Hs (m) 2,3 2,35 2,4 2,45 2,55 2,6 2,75 3,1 3,9

ηb (%) 0 25 42 55 66 67 62 57 51

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31

potencia que debe tener el motor en el punto de operación, sise trabajase a velocidad constante:

Se observa que, en este caso,sería necesario que el motortuviese una potencia de 47,8 kW

si se requiere variación de velocidad y se regula por estrangulación,la característica de potencia solicitada por la bomba en función delcaudal se obtiene moviéndonos por la curva Hb vs Q y calculandola correspondiente ηb para cada nuevo punto de operación. Sesustituye entonces en la expresión de Pm y se obtiene:

kWQHPtrb

m 2,381000.92,0.5778,0684,0.03,3.9810

1000....

===ηηρ

1000....

trbm

QHPηηρ

=

al regular el caudal por variaciónde velocidad, al disminuir éste, labomba pide cada vez menospotencia, contrariamente a lo quesucede al regular porestrangulación

si se requiere variación de velocidad y se regula la velocidad de labomba, la característica de potencia solicitada por la bomba enfunción del caudal se obtiene moviéndonos por la curva Hs vs Q ycalculando la correspondiente ηb para cada nuevo punto deoperación. Se sustituye entonces en la expresión de Pm y seobtiene:

1000....

trbm

QHPηηρ

=

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32

Se obtiene por la relación de la Ley de Afinidad:

y conociendo que M = P / ω y

característica mecánica de velocidaden función del torque de la bomba

para regulación por velocidad del impelente

60n..2 π

=ω

Se seleccionan dos motores, uno para operación con velocidadconstante y regulación por estrangulación y otro para operación avelocidad variable.

DATO VALORFabricante WEGPotencia nominal, en kW 55Tensión nominal, en V 440Corriente nominal, en A 94Velocidad nominal, en r/min 1180Eficiencia nominal, en % 93,6Factor de potencia nominal, en pu 0,82Par máximo, en pu 2,9

Datos del motor para operar a velocidad constante y estrangulación:

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33

Datos del motor para operar a velocidad variable:

DATO VALORFabricante WEGPotencia nominal en kW 45Tensión nominal en V 440Corriente nominal en A 77Velocidad nominal en r/min 1180Eficiencia nominal en % 93,6Factor de potencia nominal en pu 0,82Par máximo en pu 2,9

Caso Práctico de Aplicación de VDF:

• El sistema de bombeo estaba conformado por 2 bombascentrífugas impulsadas por motores de 3550 rpm.

• La descarga se conectaba en paralelo o independiente, segúnfuera la apertura de una válvula de bypass.

• Su horario de funcionamiento era de aproximadamente 38 horasal día, trabajando una bomba las 24 h continuas y la otra 14 h,cuando las temperaturas ambientales eran altas en eltranscurso del día.

• El sistema de arranque/paro era manual y se hacía pordiferenciales de temperatura del agua helada, al entrar y al salirde los compresores reciprocantes, que también se hacía pormediciones visuales.

Variador de 25 HP que se instaló en una bomba de agua helada,parte del sistema de refrigeración de un hotel de Cancún:

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34


• En todas las áreas públicas incluyendo las habitaciones, latemperatura se regula por medio de termostatos, y la entrada deagua helada a las unidades manejadoras de aire o ventiladoresse controla por medio de válvulas de 3 vías.

• Si en determinado momento la temperatura desciende pordebajo del nivel de confort, las válvulas cierran para permitir quela temperatura se regule.

• En las habitaciones al momento de apagar el aire acondicionadoautomáticamente la válvula cierra y no hay flujo de agua helada.

• Esto hace que en determinados momentos cuando latemperatura ambiente era fría, como en la madrugada, ocuando la ocupación era baja, la bomba o bombas trabajabaninnecesariamente pues el caudal de agua helada necesariopara acondicionar el edificio es menor al nominal.



• Se determinó que se podrían conseguir ahorros sustanciales alutilizar un VDF en una de las bombas mientras la otra se dejabacomo bomba auxiliar en caso de que fuera necesario trabajarcon más de una.

• Se determinó cual es la presión necesaria para que el aguahelada llegue hasta el punto más remoto del sistema deenfriamiento; se colocó un transductor de presión en la tuberíaque controla el VDF para que siempre mantenga esa presión oen su defecto baje su velocidad cuando la presión aumenta porcierre de válvulas.

• La bomba auxiliar entra cuando no es suficiente que la bombacon VDF trabaje a su velocidad nominal para mantener lapresión requerida; este arranque lo hace automáticamente elVDF por medio de relevadores internos.


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35


• La bomba de velocidad variable oscila desde un 75% hasta un100 % de la velocidad nominal.


El promedio de horasque trabaja la segundabomba disminuyó de 14a 5 horas al día (valorescorrespondientes a latemporada de verano,que es cuando lascondiciones climáticasson más drásticas en laciudad de Cancún.


Horarios y Consumos promedio en kWh del sistema de bombeoantes y después de la instalación del VDF (se recuerda que sonvariables dependiendo de la temporada del año).


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Caso Práctico de Aplicación de VDF:Variador de 25 HP que se instaló en una bomba de agua helada,parte del sistema de refrigeración de un hotel de Cancún:

Caso Práctico de Aplicación de VDF:Planta de tratamiento de aguas residuales domésticas:

• Cuenta con 5 sopladores que distribuyen aire a las áreas deDigestores constituida por 2 tanques, y a la de Tratamiento deAguas que cuenta con 4 tanques.

• El suministro de aire a los tanques de los digestores se realizamediante los sopladores 1 y 2, mientras que los sopladores 3, 4y 5 suministran aire a los 4 tanques de aireación.

• Sistema actual: control automático mediante amortiguadores.• La regulación de flujos permite satisfacer la cantidad de oxígeno

requerida de acuerdo a la carga orgánica en ambas áreas.• Las válvulas se abren a un 80% como máximo, dependiendo de

los flujos requeridos, lo cual provoca un considerable aumentoen las pérdidas de carga totales.

• Los actuadores pueden operar de manera manual o enautomático, para está modalidad se tiene un PLC que controlala apertura de las válvulas de los 5 sopladores.

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37


Se instaló un variador de frecuencia en el motor de los sopladores3, 4 y 5 el cual estará operando solamente uno de los tresmotores.

La operación del sistema estará en función de la carga orgánica yel nivel registrado mediante los sensores de oxígeno, éstosenviarán una señal al convertidor para que modifique lavelocidad del soplador. En el caso de un incremento en lasnecesidades de oxígeno deberá incrementarse la velocidad delsoplador, y si disminuyen las necesidades de flujo, se disminuyela velocidad del soplador.

En caso de no ser suficiente el suministro de aire de un soplador,se puede arrancar otro que trabaje a plena carga, mientras queel controlado con el convertidor de frecuencia lo hace a cargaparcial.


Evaluación de Flujo Promedio de Operación.En tratamiento se tiene una potencia promedio de 315 kW y un

flujo de aire de 9,839 CFM (SCFM 6,922).

Características del Soplador.Los sopladores son marca LAMSON, modelo 1850, de 5 etapas,

para una velocidad de 3,570 rpm.tiene acoplado un motor de 450 HP de 3565 rpm.Las dimensiones del impulsor son 30.5”.

Los sopladores están diseñados para entregar un flujo de 8,000SCFM a una presión atmosférica de 0.722 (10.61 PSIA) y a unatemperatura de entrada al soplador de 26°C (79 °F) con unapotencia al freno de 428 BHP.

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Para pasar de condiciones estándar a condiciones de operación oviceversa se utilizan las relaciones de gas ideal:

P1 V1 P2 V2 =

T1 T2

Condiciones de Operación en Sitio:26°C (79°F), 0.722 Atm (10.61 Psi)

Condiciones Estándar:25°C (77°F), 1 Atm (14.7 Psi)


se trabaja con unidades Inglesas (valores de diseño del soplador)El flujo de aire está dado bajo condiciones estándar (25°C y 1 Atmósfera).

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Carga Estática:En Tratamiento se consideró igual a 0.44 Atmósferas o 6.5 PSI,calculados en función de la profundidad promedio de los tanques.

Carga total del sistema:Datos para determinar las pérdidas de fricción en Tratamiento :Diámetro interior: 36 pulgadas (0.91 metros)Distancia de la tubería: 5 metrosDiámetro interior: 30 pulgadas (0.76 metros)Distancia de la tubería: 52 metrosDiámetro interior: 18 pulgadas (0.46 metros)Distancia de la tubería: 10 metrosDiámetro interior: 14 pulgadas (0.36 metros)Distancia de la tubería: 88 metrosFluido: AirePresión Manométrica: 0.51 Atm (7.5 PSI)Temperatura: 90 °C (194 °F)


curvas de comportamiento del ventilador y la carga total del sistema(carga estática + perdidas de carga).

flujo promediode operación(6,922 SCFM) o(9,839 CFM),

carga requeridapor el sistema7.15 PSI (0.48 atm.)

velocidad deoperación delsoplador parasatisfacer estosvalores3,333 rpm

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40


gráfica de potencia (kW) contra flujo de aire (CFM) en lascondiciones de operación en sitio y velocidad del Soplador (rpm).eficiencia del motor del soplador: 95.4%.

conociendo el flujo deaire (9,839 CFM) y lavelocidad del sopladoractual (3570 rpm) secalcula la potenciarequerida por el motor(309,53 kW) y unapresión de descargade 8,2 PSI.


gráfica de potencia (kW) contra flujo de aire (CFM) en lascondiciones de operación en sitio y velocidad del Soplador (rpm).eficiencia del motor del soplador: 95.4%.

Para satisfacer lapresión de 7.15 PSI yel flujo de 9,839 CFMse requiere unavelocidad de 3,333 rpmde acuerdo con lascurvas decomportamiento delsoplador.

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41


La potencia a la velocidad actual:Pot. Actual = 309.53 kW

La potencia esperada se determina utilizando las leyes de afinidad:

N1 = 3,570 RPMN2 = 3,333 RPMP1 = 309.53 kWP2 = (Q2 / Q1)3 x P1 = (3,333 / 3,570)3 x 309.53 = 251.88 kW

Potencia esperada = 251.88 kW

Finalmente el ahorro en potencia se determina como la diferenciaentre la potencia empleada actualmente y la esperada al controlarel flujo con el variador de frecuencia: 57,65 kW.


Tiempo de operación:

Horas día: 24 horasDías año: 365Base: 2,930 horas al añoIntermedia: 5,034 horas al añoPunta: 796 horas al añoTotal: 8,760

Ahorro por Consumo = Ahorro en Potencia x Horas de OperaciónAhorro por Consumo = 57.65 kW x 8,760 h = 505,014 kWh / año

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42


AHORROS ECONOMICOS, INVERSIONY TIEMPO DE RECUPERACION.

Tipo de tarifa: HM, Región Central, Enero de 2007.Costo de kW: $127.34Costo del kWh en horas base: $0.6430Costo de kWh en horas intermedia: $0.7696Costo de kWh en horas punta: $2.4062

Tiempo de Operación:Horas día: 24 horasDías año: 365Base: 2,930 horas al añoIntermedia: 5,034 horas al añoPunta: 796 horas al añoTotal: 8,760


Potencia promedio motor sin VDF = 309.53 kW,con VDF = 251.88 kW

Ahorro en potencia = 57.65 kW

Ahorro económico por demanda = 57.65x127.34 = 7,341 $/mes88,093.81 $/año

Ahorro económico por energía = (Ahorro energía horas base xCosto kWh en base + Ahorro energía horas punta x Costo kWhen intermedia + Ahorro energía horas punta x Costo kWh enpunta)= (57.65x2,93x0.643 + 57.65x5,034x0.7696 + 57.65x796x 2.4062)= 442,376.9 $/año

Ahorro total = Ahorro demanda + Ahorro Energía= 88,093.81 + 442,376.90 = 530,470.63 $/año

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43


Inversión (para un VDF para un motor de 450HP)y su instalación:$545,000 sin considerar IVA

Inversión: 545,000 $ / añoAhorro económico: 530,470.63 $ / año

Tiempo de Recuperación: 1.02 años.

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