válvulas y variadores de velocidad como elemento final de control

Sección Española
Conferencia Anual 2003
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VÁLVULAS Y VARIADORES DE VELOCIDAD COMO
ELEMENTO FINAL DE CONTROL
José Acedo Sánchez
Repsol YPF
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RESUMEN
Como el título indica, se trata de la utilización del variador de velocidad como elemento final de control.
Por tanto sólo se considera el variador como una “caja negra” a la cual llega una señal procedente del
sistema de control y, proporcional a ella, modifica la velocidad de un motor que mueve algún elemento
directamente relacionado con el proceso. Aunque existen diversos equipos a los que puede ser adaptado el
motor con variador de velocidad, aquí sólo se contemplan los relacionados con la industria derivada del
petróleo, entre los cuales se tiene como más significativos las bombas centrífugas, aerorrefrigerantes y
soplantes de aire o gases.
1. INTRODUCCION
El motor con variador de velocidad forma parte de un lazo de control. Cualquier estudio sobre control de
procesos debe empezar por distinguir los diferentes conceptos de “proceso”.
Desde el punto de vista de producción, se conoce generalmente como un lugar donde materia, y muy a menudo
energía, son tratados para dar como resultado un producto deseado o establecido. Por ejemplo, son procesos de
producción: reactores, hornos, intercambiadores de calor, etc.
Desde el punto de vista de control su significado es más específico. Un proceso es un bloque que se identifica
porque tiene una variable de salida que se debe mantener en un cierto valor. Como consecuencia, para
mantener constante esta “variable controlada” hay que actuar sobre otra variable denominada “manipulada”.
Por ejemplo, para mantener “controlado” el caudal de impulsión de una bomba, una de las formas consiste en
“manipular” la velocidad de giro de la misma.
2. OBJETIVOS
Cuando se instala un conjunto motor con variador de velocidad, existen dos objetivos considerados como más
importantes:
ü Ahorro de energía
ü Mayor estabilidad en el control.
Sin entrar a valorar todas las particularidades que intervienen a la hora de adquirir este sistema, está claro que,
desde el punto de vista de control, se obtiene un ahorro energético a lo largo del tiempo que puede llegar a ser
importante en función del punto de operación del equipo con respecto a su valor de diseño.
Con respecto al tipo de control, se puede hacer uso de un ejemplo tomado de un fabricante de variadores de
velocidad. Para ello imaginemos que estamos conduciendo un coche por carretera y llegamos a una población,
por lo cual es necesario reducir la velocidad. La mejor opción para ello consiste en levantar el pie del
acelerador; de esta forma se ahorra combustible al mismo tiempo que se gana estabilidad. Existe otra opción
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consistente en mantener el pie sobre el acelerador y al mismo tiempo pisar el freno. Esta última opción
ocasionará un desgaste de los frenos al mismo tiempo que se consume combustible en exceso, perdiendo
además estabilidad.
3. DESCRIPCION
En cualquier tipo de industria existen procesos que necesitan llevar a cabo el movimiento de materia de un
lugar a otro. Este movimiento se realiza por medio de equipos generalmente accionados por motores eléctricos
de corriente alterna, especialmente los construidos con rotor tipo jaula de ardilla (squirrel cage).
Lógicamente, si ha de moverse una cantidad de materia será necesario controlarla en un valor determinado.
Para ello, habitualmente se hace uso de válvulas automáticas y en algunos casos de variadores de velocidad. No
siempre se pueden utilizar variadores de velocidad, porque para ello es imprescindible que existan elementos
accionados por motor, como puede ser una bomba, una soplante, etc.
Existen diversos tipos de variadores de velocidad, dependiendo de si tienen que modificar la velocidad de un:
ü Motor de corriente alterna con voltaje ajustable
ü Motor de corriente alterna con frecuencia ajustable
ü Motor de corriente continua con potencia ajustable
Entre ellos, los más utilizados son los que se basan en la variación de frecuencia. Como se sabe, la velocidad de
giro de un motor de corriente alterna es función de la frecuencia. En un motor sincrónico simple,
 Frecuencia 
Velocidad de giro (rpm) = f 
 Pares de polos 
* 60


Por ejemplo, un motor con dos pares de polos, operando a una frecuencia de 50 Hz tendrá una velocidad de
1500 rpm.
Antes de pasar a ver algunas aplicaciones del variador como elemento final de control, es preciso conocer, al
menos conceptualmente, las partes fundamentales que lo componen. A efectos de control se trata como si fuera
una “caja negra” a la que llega una señal procedente del sistema de control y produce una salida que actúa
sobre el motor para modificar su velocidad y, por tanto, el caudal de paso de producto.
Figura 1
La Figura 1 muestra un diagrama de bloques de un variador en el que pueden apreciarse tres zonas
perfectamente diferenciadas, como son:
ü Rectificador. Convierte la corriente alterna trifásica a corriente continua.
ü Estabilizador. Almacena energía para estabilizar la corriente continua.
ü Ondulador o inversor. Convierte la corriente continua a corriente alterna con frecuencia
variable para alimentar el motor.
La utilización de los variadores va creciendo paulatinamente en la industria, aunque no pueden desplazar por
completo a las válvulas automáticas. La principal razón es que ha de ser instalado para mando sobre un motor,
lo cual hace que se presenten algunas restricciones a su uso. Por ejemplo, no todas las corrientes se encuentran
en fase líquido o no todas las corrientes de impulsión de una bomba tienen un solo destino, por lo que no se
pueden controlar ambas manipulando una sola variable. Por otro lado, no todas las corrientes de proceso
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disponen de bomba para hacer circular el producto, sino que en muchos caso la presión de origen es superior a
la de destino, pasando directamente de un lugar al otro.
Figura 2
La Figura 2 muestra un circuito clásico de cabeza de una columna de destilación con condensación parcial. Se
pueden ver las restricciones mencionadas anteriormente:
ü Existe una corriente de gas que se envía a recuperación en otro proceso.
ü La impulsión de la bomba se envía por una parte como reflujo a la propia columna y por otro
como producto destilado a límite de batería.
ü La corriente de agua se extrae por la propia presión del proceso.
Existe otra particularidad asociada a la utilización de variadores de velocidad, como es la disponibilidad para
mantener el equipo en servicio en procesos que funcionan 24 horas al día durante todo el año. Mientras que las
válvulas automáticas se instalan con bloqueos y by pass para poder ser desmontadas en tareas de
mantenimiento, los variadores han de tener una instalación redundante si se quiere mantener su disponibilidad.
Figura 3
La Figura 3 muestra una instalación típica de una bomba con un controlador de caudal en la impulsión de la
misma. La válvula automática dispone de dos válvulas de bloqueo y una de by pass de forma que, ante fallo de
la misma, cerrando los bloqueos se pueda controlar el caudal de forma manual por la válvula de by pass, sin
necesidad de parar el proceso de producción. En este momento se puede desmontar la válvula automática.
Figura 4
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La Figura 4 muestra un conjunto redundante en el que se puede ver que la salida del sistema de control se envía
a dos variadores de velocidad, uno de ellos considerado principal, el cual envía la señal de mando al motor,
mientras que el otro se encuentra en reserva, de modo que si falla el considerado principal el de reserva asume
el control. En la práctica, durante la transferencia de mando de un variador a otro el motor pierde revoluciones,
pero se vuelve a acelerar automáticamente hasta obtener las mismas que tenía antes del fallo.
Una vez vistos algunos conceptos generales relacionados con los variadores de velocidad, desde el punto de
vista de control, en los apartados siguientes se muestran algunos ejemplos de utilización relacionados con la
industria derivada del petróleo, como son:
ü Bombas centrífugas
ü Aerorrefrigerantes
ü Soplantes de aire o gases
En cada uno de los apartados se describe el sistema de control con válvulas automáticas y la alternativa con
variadores de velocidad.
3.1 Bombas centrífugas
Existen diversas formas de efectuar el control de las bombas centrífugas, como son:
ü Marcha – Parada (ON – OFF)
ü Estrangulamiento en la línea de impulsión
ü Derivación de caudal
ü Velocidad de giro
Con el método ON – OFF se corre el riesgo de ocasionar daños en los equipos debido a la frecuencia de
cambios. Con los dos métodos siguientes los costes pueden ser altos cuando se opera a bajo caudal respecto al
diseño. El control de velocidad disminuye los costes de operación, mientras que los de inversión pueden llegar a
ser altos.
3.1.1 Control Marcha – Parada
En este apartado se muestran dos ejemplos típicos de control ON – OFF. Con este sistema existe un riesgo de
fallo en los circuitos debido a la mayor o menor frecuencia de arranque y parada del equipo. El primero de los
ejemplos de este tipo de control se presenta cuando existe acumulación de volumen pero no suficiente para
mantener la bomba funcionando continuamente, como pueden ser balsas o recipientes decantadores, depósitos
para recogida de productos, etc.
Figura 5
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La Figura 5 muestra un ejemplo de este tipo con el diagrama de principio de funcionamiento. Partiendo de la
situación en la que el nivel se encuentra entre límites, al aumentar llegará un momento en el que se alcance el
nivel alto detectado por medio del LSH. En este momento se pone en marcha la bomba, quedando retenida a
través del circuito lógico OR hasta que se alcance el mínimo nivel detectado por el LSL, en cuyo momento se
para la bomba hasta que se alcance de nuevo el máximo nivel. El sistema lógico envía la señal al Centro
Control de Motores para arrancar o parar el motor que acciona la bomba.
El segundo caso se presenta cuando se instalan dos bombas en paralelo por tratarse de circuitos de proceso
críticos. En este caso la bomba considerada como reserva arranca automáticamente cuando disminuye la
presión de impulsión común a ambas bombas, bien por avería de la principal o por necesitar un mayor caudal
que el correspondiente a una sola bomba.
Figura 6
La Figura 6 muestra un ejemplo de este tipo con el diagrama eléctrico de principio de funcionamiento. Como se
puede ver, existe un selector para elegir la bomba que se quiere utilizar como reserva. Si por cualquier
circunstancia la presión en el colector común de impulsión de ambas bombas disminuye por debajo del valor
fijado como límite en el PSL la bomba considerada como reserva arranca al cerrarse el circuito de mando a
través del PSL y pulsador de parada. Aunque aumente la presión, la bomba seguirá funcionando al haberse
cerrado el contacto que en el esquema se denomina retenida. La parada de la bomba se efectúa de forma manual
abriendo el circuito por medio del pulsador de parada. Por supuesto se puede arrancar manualmente con el
pulsador de marcha, realizando este la misma función que el presostato PSL.
3.1.2 Control por estrangulamiento de la impulsión
Figura 7
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La Figura 7 muestra un ejemplo de este tipo. Por medio de este sistema, la pérdida de carga de la válvula
automática instalada en la impulsión se suma a la del resto del circuito. Cuando la válvula se cierra totalmente
se alcanza la presión de shut off de la bomba, es decir la máxima que puede alcanzar. En este momento la
bomba está “batiendo” el producto, aumentando la temperatura hasta llegar a descargar la bomba cuando se
trata de productos ligeros tipo LPG, con la consiguiente dificultad que existe para una puesta en servicio
posterior.
Figura 8
En la Figura 8 aparecen las curvas, tanto de la bomba como del circuito. Se puede ver que a medida que se va
cerrando la válvula disminuye el caudal y se alcanza mayor presión, o altura diferencial, en la impulsión. La
bomba está consumiendo energía prácticamente como si estuviera siempre a máximo caudal
3.1.3 Control por derivación de caudal
Existen procesos en los que la bomba ha de estar en marcha de forma continua, tanto si el caudal es alto como
si es bajo. Cuando la bomba opera a bajo caudal puede tener alguno, o varios, de los problemas siguientes:
ü Eléctrico. Al cerrar la válvula de impulsión para reducir el caudal se produce un aumento en la
pérdida de carga y, por tanto, en la energía consumida.
ü Térmico. Se produce calentamiento, llegando incluso a la cavitación de la bomba.
ü Hidráulico. Algunas bombas presentan inestabilidades en la zona de bajo caudal.
Figura 9
La Figura 9 muestra un ejemplo de este tipo de operación. El medidor situado inmediatamente a la salida de la
bomba mide el caudal total de impulsión, mientras que el situado después de la bifurcación mide el caudal de
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proceso. Cuando el caudal de proceso es inferior al mínimo exigido por las características de la bomba, la
diferencia entre el caudal de proceso y el mínimo se recircula a la aspiración para proteger la bomba. Se pueden
dar dos tipos de configuración:
ü Orificio de restricción (RO), en la línea de retorno. Siempre está recirculando parte del caudal
bombeado, con la consiguiente pérdida de energía.
ü Válvula automática situada en la línea de retorno. Se conoce como de caudal mínimo, y sólo
abre cuando el caudal de proceso es inferior al mínimo de la bomba.
Con cualquiera de las alternativas la bomba está consumiendo energía en exceso.
3.1.4 Control con velocidad variable
Figura 10
La Figura 10 muestra las curvas, tanto de la bomba como del circuito. Se puede ver que a medida que va
disminuyendo la velocidad disminuyen caudal y presión de impulsión. Al disminuir velocidad disminuye el
consumo, por lo que la bomba estará consumiendo la energía necesaria para impulsar el caudal de proceso. El
control se puede llevar a cabo por medio de turbinas de vapor o motores eléctricos con variador de velocidad.
Figura 11
La Figura 11 muestra que, con la instalación de un variador de velocidad, no existe ninguna válvula que
ocasione pérdida de carga adicional en el circuito, haciendo de esta manera que el consumo eléctrico del motor
disminuya.
3.2 Aerorrefrigerantes
En la práctica se suelen dar dos configuraciones para modificar el enfriamiento producido por el
aerorrefrigerante, como son:
ü Modificación del ángulo de inclinación de las paletas
ü Modificación del ángulo de inclinación de las persianas
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Figura 12
La Figura 12 muestra el primero de los casos, en el que el controlador modifica el ángulo de inclinación de las
paletas. El consumo del motor es siempre el de máxima potencia. Para poder calibrar esta inclinación es
necesario que, por seguridad, el motor se encuentre parado. La curva de respuesta de este sistema es similar al
de una válvula de apertura rápida, cuya curva aparece en la Figura 13.
Figura 13
Como se puede apreciar, el margen de regulación es relativamente pequeño, por lo que a partir de cierta
apertura prácticamente no existe regulación de caudal de paso.
Figura 14
La Figura 14 muestra el segundo de los casos, en el que el controlador modifica el ángulo de inclinación de las
persianas. Igual que en el caso anterior, el consumo del motor es siempre el de máxima potencia. La curva de
respuesta también es similar al de una válvula de apertura rápida. Normalmente se colocan las persianas por
encima de las tuberías de proceso, con objeto de dar una cierta protección frente a la lluvia.
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3.2.1 Aerorrefrigerantes con variador de velocidad
Figura 15
La Figura 15 muestra un sistema en el cual, la salida del controlador modifica la señal al variador de velocidad
del motor. En este caso el consumo de energía es siempre el necesario en cada momento en función del proceso
Por otro lado, la curva de respuesta es similar a la de una válvula lineal, consiguiendo de esta manera tener un
mejor control de la temperatura, evitando “excursiones” de la misma respecto al punto de consigna.
Figura 16
La Figura 16 muestra la curva característica inherente de una válvula lineal, en la cual el coeficiente de
distorsión es cero, así como una curva de respuesta con la válvula instalada, en este caso con un coeficiente de
distorsión igual a dos.
En una válvula instalada el coeficiente de distorsión Beta es el cociente entre la diferencia de presión en la línea
y la diferencia de presión en la válvula. Habitualmente se diseña para que:
∆P l
=2
∆P l = 2 * ∆P v por tanto β=
∆P v
3.3 Soplantes de aire o gas
Este tipo de soplantes se instalan en hornos y calderas. Antes de continuar es conveniente recordar los
conceptos de tiro forzado y tiro inducido, cuyo diagrama de principio aparece en la Figura 17.
Figura 17
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El tiro forzado utiliza una soplante para proporcionar la cantidad de aire necesaria para la combustión,
mientras que la soplante de tiro inducido extrae los gases efluentes y crea una presión ligeramente negativa en
el hogar, la cual se suele conocer como vacío o tiro. El control de estas soplantes se puede llevar a cabo por
medio de dampers o de variadores de velocidad.
Figura 18
La Figura 18 muestra el sistema con dampers situados en los conductos de aire y humos. El caudal de aire se
controla por medio del FC1 situado en la aspiración de la soplante de tiro forzado, mientras que la presión en el
interior del horno se controla por medio del PC1, modificando la posición del damper situado en la aspiración
de la soplante de humos. Existe además otro damper de seguridad situado en el conducto de humos que va
directo a la chimenea, el cual se abre automáticamente cuando falla la soplante de humos, evitando que
aumente la presión.
Figura 19
Por último, la Figura 19 muestra un horno cuyo control se efectúa por medio de variadores de velocidad. En
este caso, los variadores han de ser redundantes para evitar el riesgo de paradas del horno por fallo de alguno
de ellos. Como en el caso de las bombas centrífugas, no existen válvulas ( dampers) en los conductos, evitando
pérdidas de carga adicionales.
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4. CONCLUSIONES
Como resumen se puede decir que existen una serie de ventajas y desventajas en la utilización de
velocidad, entre las que se pueden citar como más importantes las siguientes:
variadores de
a) Ventajas
1.
2.
Se obtiene un mejor control
Se consigue un ahorro energético que puede llegar a ser importante
b) Desventajas
1.
No en todos los circuitos se pueden sustituir válvulas por variadores de velocidad.
- Para montar un variador es necesario que exista un motor. No en todos los circuitos existe
- Existen líneas de proceso con productos en fase gas
- A veces la impulsión de una bomba se envía a varios lugares.
2.
El proyecto suele tener una inversión relativamente alta
- Puede necesitar estudio de viabilidad
- En procesos críticos el variador debe ser redundante
- A veces el coste del variador es superior al del motor
c) Conclusión
1.
2.
El campo de aplicaciones futuras es muy grande
Actualmente sólo el 3% de los motores con menos de 2.2
velocidad.
REFERENCIAS
- Catálogos técnicos ABB.
- Control Avanzado de Procesos. Teoría y práctica
José Acedo Sánchez
Editorial Díaz de Santos
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KW se montan con variador de