Autores: Ramos Tomas, Arellano Miguel, Rondón Hermes/ Centro de Ingeniería Eléctrica y Sistemas (CIES).FIIIDT.
El incorporar un variador de frecuencia que permita controlar la velocidad de una bomba de succión en un sistema de suministro de agua potable garantiza que el control de la presión del vital líquido sea en zonas residenciales horizontales o en edificaciones de bajo o alto metraje sea eficiente.
A continuación, se describe la infraestructura necesaria para un sistema de bombeo tradicional para una zona residencial horizontal conformada por casas de uno y dos niveles o en su defecto edificaciones de 4 niveles a lo sumo:
- Un sistema de bombeo de agua está conformado inicialmente por un tanque en donde llega el vital líquido. Dentro del tanque se encuentra la tubería de succión con un filtro o malla en donde se extrae el agua a la bomba eléctrica como también se encuentra incorporado un flotante de almohadilla adaptado a ese tubo de succión.
El principio de funcionamiento de este flotante es activar la alarma que indicaría cuando el nivel del tanque lleva a un nivel tal que a la tubería de succión se le inyecte aire en vez de agua, provocando efectos secundarios que afecten el comportamiento eléctrico y mecánico de todo el sistema de bombeo de agua.
- Otro de los elementos que conforman la infraestructura del sistema de bombeo de agua para uso residencial es el tanque de extracción de agua a presión o pulmón en donde la bomba de succión del tanque de entrada le inyecta a este dispositivo el agua. Este pulmón está conformado por una estructura metálica cilíndrica.
Dentro de esta estructura metálica se incorpora una membrana o manga de goma en donde se inyecta aire en su espacio externo a través de un compresor y agua en su espacio interno, generando un efecto de impulso de presión de agua en su caudal de salida. Dentro de ese pulmón también debe de colocarse dispositivos que permitan medir tanto la presión del agua dentro de la membrana como la presión del aire en su exterior y poder mantener el control operativo óptimo de todo el sistema de bombeo.
Estos dispositivos son llamados presos tatos y como su nombre lo indica permiten medir la presión por una cavidad y activar un contacto seco indicando el valor medido en forma analógica.
- En relación a la infraestructura eléctrica estos sistemas poseen un tablero eléctrico y de control en donde se incorporan:
- Un interruptor termo magnético o breaker el cual suministra la tensión de entrada al resto del tablero.
- Un supervisor trifásico que monitorea el comportamiento eléctrico dela tensión de entrada al tablero.
Este dispositivo está conformado por indicadores leds que visualizan la condición operativa del supervisor, el temporizador de monitoreo y la condición de falla sea por fluctuación de tensión o por inversión de la secuencia de las fases y finalmente por una salida de relé a contacto seco donde se desactiva la bobina del contactor necesaria para energizar la bomba eléctrica.
Adicionalmente estos equipos poseen unos potenciómetros que calibran los valores máximos y mínimos de la tensión de entrada como el tiempo de monitoreo del voltaje de la red eléctrica.
- Un contactor eléctrico de 3 polos con una bobina para ser energizada a una tensión nominal de 220 Voltios en corriente alterna. Este contactor está conformado por un entrehierro con una bobina y un resorte, los cuales al ser energizado específicamente la bobina crea un campo eléctrico haciendo que los entrehierros se adhieran haciendo que la estructura movible localizada en el medio del dispositivo donde se encuentran las láminas de cada polo choquen con las láminas de los polos fijos que se encuentran en la parte superior e inferior del contactor.
- Un térmico de corriente que permite a través de su contacto normalmente cerrado o abierto indicar cuando la corriente de alimentación a la bomba eléctrica de succión es superior a la ajustada en el dispositivo a través de un potenciómetro que el posee.
- Pilotos indicadores de color verde y rojo de 20 mm para visualizar la condición operativa del tablero como la condición de falla por sobre corriente. El piloto indicador de color verde para la condición de operación estará conectado en paralelo a la bobina del contactor que alimenta la bomba eléctrica. El piloto indicador de color rojo para la condición de falla por sobre corriente se conecta al contacto normalmente abierto del térmico de corriente.
- Un interruptor de hongo normalmente cerrado como parada de emergencia principal en el caso de que se presente alguna condición de parada sin depender del resto de los sensores.
- Un interruptor de 2 posiciones para activar o desactivar el sistema general de bombeo de agua.
Ahora si se analiza el comportamiento eléctrico de toda esta infraestructura podemos desglosarlo de la siguiente forma:
- Cuando al tablero le llega 3 fases de 220 Vac, y el interruptor termo magnético se activa generando esta tensión en los polos superiores del contactor y al supervisor trifásico monitorea durante 3 minutos aproximadamente esta tensión de entrada activando el contacto seco entre el común y el normalmente abierto y sumado a que todos los sensores del flotante(normalmente cerrado), pulsador de parada de emergencia (normalmente cerrado), interruptor de 2 posiciones (normalmente cerrado), térmico de corriente (normalmente cerrado) y termostato de presión de aire y agua del pulmón (normalmente cerrado), es cuando la bobina del contactor se energiza y la bomba de succión extrae el agua del tanque para inyectarla en el pulmón y esta a su vez extraerla al resto de la zona residencial a un caudal determinado.
En general el funcionamiento óptimo del equipo depende exclusivamente de las siguientes condiciones de fallas:
- Si la posición del flotante en el tanque de entrada está en forma vertical o sea la posición de contacto seco está en normalmente abierto el lazo de control que está en serie activa a condición de falla y la bomba se apaga.
- Si se oprime el botón de parada de emergencia o sea la posición de contacto seco está en normalmente abierto el lazo de control que está en serie activa a condición de falla y la bomba se apaga.
- Si el supervisor trifásico detecta fluctuaciones de tensión que están fuera del rango que el dispositivo se encuentra configurado o sea la posición de contacto seco está en normalmente abierto, el lazo de control que está en serie activa a condición de falla y la bomba se apaga.
- Si el térmico de corriente previamente calibrado y ajustado a un valor nominal de la corriente de placa de la bomba de succión se activa o sea la posición de contacto seco está en normalmente abierto, el lazo de control que está en serie activa a condición de falla y la bomba se apaga.
- La única condición de operación del sistema de bombeo de agua residencial es la siguiente:
- Si los presos tatos que mide la presión del agua en el pulmón detecta que la misma supera a la calibrada en el dispositivo o sea la posición de contacto seco está en normalmente abierto, el lazo de control que está en serie activa a condición de parada y la bomba se apaga, esperando que nuevamente la presión disminuya la condición vuelva a su situación original de funcionamiento.
Ahora analizando la incorporación de un variador de frecuencia, a nivel de infraestructura del tablero y de distribución eléctrica del mismo la única diferencia del planteamiento original es que desde la salida del interruptor termo magnético se conecta la entrada del variador de frecuencia y la salida a los polos de entrada del contactor sumado a la incorporación de un contacto seco normalmente cerrado del variador como condición de falla en serie al lazo de control de la bomba de succión.
También es importante acotar que se incorpora un sensor de corriente que puede ser de 4 a 20 mA o de 0 a 10 Vdc según sea el caso, ya que estos sensores se conectan a las entradas analógicas del variador y se puede configurar el equipo para cualquier condición.
Finalmente, el principio a la hora de incorporar el variador de frecuencia se basa en poder controlar la presión de salida del sistema en forma gradual evitando que al llegar al valor máximo de caudal de agua no deteriore la infraestructura metálica y además cuando la presión venga en descenso y se active la bomba nuevamente, las mismas arranquen con una rampa lineal en función de la presión o sea no energizan a máxima velocidad.
Estas pruebas fueron realizadas por el personal de la Fundación Instituto de Ingeniería en la Escuela Agrícola Luis Gerónimo Guacamaya en el municipio Capaya del estado Miranda incorporando 2 tableros de control con variador de frecuencia marca DANFOS al control de flujo de agua del área residencial como del área de los corrales de los animales.
CONCLUSIONES
Haciendo un estudio comparativo sobre los 2 planteamientos de sistemas de bombeo de agua residenciales incorporando o no variadores de frecuencia se puede llegar a los siguientes análisis:
- En relación al comportamiento lineal de la presión en las tuberías de agua de salida del pulmón la incorporación del variador de frecuencia hace que el sistema sea más controlable a pesar que en ambos casos son estables.
- En relación al comportamiento térmico de la bomba de succión a bajas velocidades, la incorporación de ventilación forzada le permite mejorar y optimizar el proceso eléctrico del dispositivo, el detalle es que la alimentación de esos ventiladores también vienen del propio variador de frecuencia, o sea que a baja frecuencia también tienes baja velocidad en los ventiladores.
REFERENCIAS
[1] Manual de operaciones variador de frecuencia danfoss https://www.danfoss co m/en/products/ac-drives/?sort=default_sort
[2] Simulador variador danfoss. https://www.danfoss.com/en/products/ac-drives /dds/vlt-aqua-drive-fc-202/#tab-software
[3] Informe Técnico Proyecto “Asistencia técnica a escuela agrícola Luis Gerónimo Guacamaya en el municipio Capaya – estado Miranda”. FIIIDT-CIES (2019)
Contactos: ma.arellanob@gmail.com; tomasenriqueramosmesa@gmail.com