Motores electrónicos para Refrigeración Comercial

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La demanda actual de los equipos de refrigeración exige contar con componentes que, además de garantizar el enfriamiento, trabajen eficientemente y contribuyan al ahorro de energía. Los motores electrónicos son una opción para cumplir con estas exigencias.

Roberto Olmos

A0CG0003863Actualmente, la industria de la refrigeración comercial está siendo participe de un cambio tecnológico en todo su contexto, desde compresores de alta eficiencia y sistemas de iluminación, hasta el uso de motores electrónicos, los cuales son parte fundamental del buen funcionamiento de un sistema de refrigeración, en donde la principal característica es mover el aire dentro de su contorno y operación en cualquier equipo, de manera correcta y eficiente.

Aunque los motores tradicionales no alcancen más del 25 por ciento de su eficiencia se continúan utilizando, lo que repercute y afecta considerablemente la calidad y eficiencia del sistema de refrigeración. Además, está comprobado que un motor polo sombreado causa más gastos y menos beneficios, para lo cual fue adquirido, que un motor electrónico. Esto ha generado que los fabricantes de equipos de refrigeración busquen alternativas que mejoren los productos actuales.

Por otra parte, el medioambiente es un factor de importancia que cada día resulta más variable y agresivo para los sistemas de refrigeración, los cuales exigen más aire del motor. Bajo tales circunstancias, los motores normales tampoco serán capaces de cumplir esa demanda, llegando a ser insuficientes para la necesidad del equipo, ya que no brindan las características que el usuario solicita.

A0CG0001655Afortunadamente, la tecnología de hoy permite que se controlen y se reduzcan las deficiencias de un motor, mejorando su consumo de energía, el movimiento del aire, la rotación, el peso, los materiales, la protección por motor bloqueado, así como su durabilidad y hermeticidad, llegando a niveles de mayor confiabilidad. Todo esto se encuentra en los motores electrónicos.

La mayor ventaja de los motores electrónicos es la alta eficiencia y, en consecuencia, un gran ahorro de electricidad, como es el caso de los motores ECR de Wellington, que típicamente utilizan sólo un tercio de la electricidad que emplea un motor de inducción polo-sombreado para generar el mismo flujo de aire. Además, es posible emplearlos como reemplazo directo para motores de inducción de baja eficiencia. El motor original se puede reemplazar sin necesidad de hacer otros cambios de forma rápida, fácil y eficiente.

A0CG0003862Los motores electrónicos tienen mayor durabilidad que los tradicionales

Los motores electrónicos que hoy son comercializados en el mercado para refrigeración comercial ligera son de 4 hasta 16 W de salida; su tecnología les permite tener un sistema tipo programable, donde a base de un algoritmo de control se crean consideraciones específicas de desempeño del motor, en velocidad (RPM), en tiempo (intervalos de trabajo) o en modos de giro (CW / CCW). Estas características combinadas sustancialmente han beneficiado e incrementado la eficiencia de condiciones de trabajo del motor, logrando una mejor distribución y disipación del aire en espacios reducidos y con diseños propiamente personalizados.

A0CG0001656Para elegir correctamente un motor, algunos parámetros que se consideran son:

  • La presión estática
  • El diámetro y ángulo del aspa
  • La velocidad del motor

De esta manera, se podrá conocer con certeza la cantidad de flujo de aire que requerirá, sin olvidar que la velocidad y el consumo de energía son indispensables para saber que contamos con un motor de alta calidad.

Este concepto en manejo de aire puede ser considerado como un motor variable en velocidad o constante en torque que algorítmicamente ejecutará una acción inteligente para dar y mantener un flujo de aire constante y voluminoso; ésa es la característica que innova la tecnología de hoy. Si la velocidad no es controlada, entonces los flujos de aire serán turbulentos y no laminados o direccionados hacia donde se requiera.

Por las condiciones actuales del mercado, esta tecnología de motores electrónicos no se ve vulnerable ante los agresivos cambios externos, como alta temperatura, exceso de humedad y, principalmente, suministro de voltaje, donde hay una mala calidad de la energía. Por ello, son una excelente opción para los sistemas de refrigeración.

Modos de operación
Los diferentes modos de operación programados en los motores electrónicos sirven para mejorar considerablemente el flujo del aire en espacios reducidos y limitados dentro de un equipo de refrigeración son las que ayudan a crear los distintos tipos de motores para que éstos se adapten a las necesidades de los clientes.

Los motores electrónicos pueden clasificarse de diferentes modos. En base a como manejan la energía eléctrica queda definida en dos tipos, sincrónico y asincrónico; y por su modo de operación se clasifican en los siguientes:

A0CG0003861Intermitente
Esta función permite romper con el diferencial de temperatura como si el motor estuviera operando de manera continua, permitiendo en tiempos pausados un mejor ahorro de energía y conservación de la temperatura; esto se puede llevar a cabo con un control de temperatura convencional en donde no se requiere de ningún aditamento especial o accesorio, el motor lo hace de forma directa con tres cables de alimentación.

A0CG0003859Al cambiar de rotación, el motor expulsa todo tipo de residuos del condensador aletado

Ciclo inverso
Este modo de operación es una característica esencial que comúnmente se utiliza en el condensador como ciclo de autolimpieza. Al cambiar de rotación, expulsa todo tipo de residuos alojados en las aletas del condensador; es comúnmente usado para reducir los mantenimientos preventivos en los que se prolonga la vida de los componentes, para disminuir el esfuerzo por exceso de acumulación de polvo en las celdas del condensador y recudir los mantenimientos correctivos, otorgándole al cliente un mejor servicio.

A0CG0003858La opción timer permite establecer tiempos predefinidos

High and low-speed (HLS) o dos velocidades
Esta característica es elemental cuando se busca mantener una mejor homogenización en las temperaturas del producto al disminuir la velocidad, mejorando considerablemente el ahorro de energía y reduciendo la condensación del producto. Ayuda a mantener un ciclo de refrigeración constante y sin retorno de refrigerante en estado líquido, ya que la baja velocidad mantiene constantemente la evaporación en el evaporador; cuando el ciclo inicia su operación, éste vuelve a su estado normal de movimiento (high-speed).

A0CG0003860Modos de operación programables en opción timer

Timer
Esta opción te permite establecer tiempos predefinidos en dos modos respecto del tiempo, sin tener que depender de un timer o dispositivo de tiempo para logar una función. Igualmente, determina el tiempo que debe pasar para que el motor ejecute una tarea específica y se pueda elegir entre:

  • A0CG0003857Baja velocidad
  • Media velocidad
  • Intermitente
  • Giro invertido
  • Alta velocidad o defrost

A0CG0003856Dichos modos de operación y configuración son parte esencial de la integración tecnológica en los motores, por ello integramos proyectos que contribuyan en diferentes espacios y medios de montaje, como la versión tangencial, desarrollada para espacios reducidos y alta demanda de aire, logrando una velocidad de 1850 rpm, con desplazamientos de flujo de aire de hasta 300 m3

Máxima velocidad
Los motores de alta velocidad permiten alcanzar niveles de hasta 650 CFM, proveyendo más caudal de aire, para espacios con mayor presión estática y donde la velocidad del aire es el factor principal de la demanda de aire para sistemas comerciales o de baja temperatura

Nuevos conceptos bivoltajes
La estandarización es uno de los requerimientos que los clientes buscan para homogenizar sus aplicaciones, directamente para voltajes a 120 y 220 V, donde debido a las necesidades del mercado se necesitan diferentes motores. Este concepto ha evolucionado con una nueva generación de motores denominada bivoltaje, que tiene como objetivo estandarizar ambos motores en uno solo y que éste sea conectado en cualquier voltaje, sea 120 o 220 V, sin que sea dañado por los cambios de voltaje. El motor trabaja de forma estable sin afectar su velocidad, lo que lo hace ser más robusto ante cualquier condición crítica de voltaje, una práctica que constantemente afecta todos aquellos componentes que trabajan mediante tarjetas electrónicas.

Los motores electrónicos de alta velocidad permiten alcanzar niveles de hasta 650 CFM

Consideraciones de diseño
Los sistemas de refrigeración requieren de un análisis de flujo de aire en el que el diseñador deberá calcular e interpretar la dirección a recorrer del volumen y la forma en la que el aire deberá pasar a través de los elementos de intercambiador de calor (celdas de aluminio). Esta transferencia de calor tiene que ser constante y eficiente con base en un volumen de aire por minuto u hora, dependiendo de las unidades que el diseñador establezca, que serán proporcionales al volumen y flujo del refrigerante que recorre sobre la tubería de alta y baja presión para el evaporador y condensador.

La presión estática es el segundo factor a considerar. Una alta presión significa restricción de espacios o espacios muy pequeños que hacen o crean una deficiencia de flujos de aire; demanda, además, una mayor potencia, que si el motor no es de la potencia necesaria, éste se puede sobrecargar a su máxima potencia de salida, habiendo un sobreesfuerzo directamente sobre el torque en su capacidad de carga; si el motor se encuentra algorítmicamente programado, éste se protegerá; en caso de haber un algoritmo diferente, sólo reducirá la velocidad (RPM), y proporcionalmente los flujos de aire se verán afectados.

En la medida de lo posible, los flujos de aire deben ser dirigidos hacia las zonas de disipación del condensador, como a las aletas de aluminio en el evaporador, que se logra con dos variables:

  • Tipos de aspas con ángulos de ataque bien diseñados
  • Desviadores de aire dentro del espacio, donde el motor estará ensamblado

El flujo de aire cambiará considerablemente su velocidad, aunque aumentará la presión estática, mayormente en espacios reducidos donde el aire buscará una salida para continuar su camino sobre la presión que se genera por el flujo continuo del aire.

En la medida de lo posible, los flujos de aire deben ser dirigidos hacia las zonas de disipación del condensador

La velocidad del aire es un factor a considerar, no siempre como la mejor opción para disipar el calor, porque a veces, al no proporcionar el flujo del refrigerante o el volumen, se presenta un desequilibrio de intercambio de calor. Lo más adecuado es que el diseñador calcule la cantidad de aire necesaria con base a las necesidades de las dimensiones del condensador y el evaporador.

En ocasiones, el diseñador toma como base una estandarización de componentes por políticas de la organización, en la que el concepto disminuye el número de partes, inventarios y gastos administrativos, sin dar pauta a que él pueda establecer el mejor diseño según el proyecto; de la misma manera sucede con los motores. En muchos casos, los flujos apropiados no son considerados, ocasionando, en un futuro, exceso de formación de hielo en el evaporador, debido a la ausencia de aire o al exceso de velocidad con poco volumen.

Los recorridos del aire no siempre son bien evaluados o analizados, ya que existen conductos que el diseñador suele crear sin establecer adecuadamente el ensamble de manera proporcional a la dirección de los ductos, lo que origina rebotes de aire; esto hace más complicado que el aire no llegue hasta el evaporador en el nivel adecuado de volumen, lo que en las pruebas arroja resultados muy pronunciados en tiempo, o simplemente no llega a la temperatura adecuada.

Los ductos de aire deben ser elementos bien diseñados, lo suficientemente abiertos y estar en la posición adecuada, para darle la oportunidad al ventilador de que le proporcione el flujo de aire para el cual fue diseñado. El fabricante proporciona información técnica, como graficas de flujo y hojas técnicas del motor, para que el diseñador o ingeniero de refrigeración revise e interprete los flujos de aire según las presiones estáticas y, así, establezca la condición de su diseño.

El flujo de aire va acompañado del ángulo del aspa, que es la inclinación de ataque de cada uno de los pétalos, dichas aspas son diseñadas de 3, 4 y 5 pétalos. Si el ángulo del aspa es muy pronunciado, se corre el riesgo de hacer un motor ineficiente que supere su potencia de salida y se vuelva lento y de alto consumo, a diferencia de los diámetros. Las necesidades de aire definirán el mejor diseño; sin embargo, por estandarización del mercado, normalmente existen aspas ya predefinidas de:

8-20 pétalos
8-28 pétalos
8-31 pétalos
8.75-25 pétalos
8.75-31 pétalos
10-28 pétalos

El correcto diseño de aspas considerará la necesidad de aire y el tamaño

Normalmente, las aspas corren a cargo de especialistas, quienes diseñan y definen la mejor dimensión para cumplir con los flujos solicitados, sin demandar exceso de energía en el motor. Hay que recordar que no siempre las aspas con más diámetro y menos grados serán eficientes para cubrir una necesidad de aire, o que un aspa con más grados y menos diámetro cambiará la eficiencia del equipo de refrigeración. El diseñador tendrá que analizar ambas informaciones a fin de determinar el flujo de aire que requiere, basándose en la experiencia del fabricante y en las recomendaciones que le den.

Es importante considerar que si el evaporador es muy largo, deberá cubrir un mayor diámetro y ángulo considerable, dependiendo de los m3 de aire que el equipo demande hacia el evaporador. Actualmente, hay diseños de aspas con alabes segmentadas y diseños aerodinámicos que las hacen ser más eficientes hasta un 20 por ciento más y con menos demanda de energía hacia el motor, lo cual lo convierte en un sistema de respuesta inmediata y arranque suave, esto para evitar picos de corriente.

Los ángulos y diámetros de cada aspa deber ser utilizados en conjunto con el número de tubos y aletas por pulgada. En este punto, es importante considerar que si se cuenta con más aletas, se debe considerar un mayor volumen de aire. Es importante saber que en un evaporador no siempre es mejor suministrar más flujo de aire, porque ocasionaría una deficiente disipación de calor.

Hoy en día, los motores electrónicos corren rangos de velocidad de 500 hasta 2 mil 200 rpm, denominados High-speed, y cuentan con velocidad escalar en intervalos de 50 rpm de velocidad, para que el fabricante asesore correctamente al diseñador sobre cuál es la velocidad idónea opcional, según el requerimiento del diseñador.

Los motores electrónicos basados sobre su tecnología pueden ser fijados en cualquier rango de velocidad, la cual puede ser programada por el usuario, desde los cables de alimentación, simplemente con una interface de conexión; esto garantizará que a pesar de que las condiciones de voltaje cambien, el motor continúe con la misma velocidad, que a su vez mantendrá las misma condiciones de disipación de calor.

El motor electrónico, por sus condiciones y construcción tecnológica, tiene una eficiencia de más del 70 por ciento y un ahorro de energía del 65 por ciento, que lo hace ser más sofisticado y con menos pérdida de calor. Tal característica lo convierte en un elemento atractivo para el evaporador al no estar absorbiendo el calor del motor, como sucede con un motor tradicional.

Los diseñadores, al conocer esta cualidad, disminuyen la capacidad frigorífica en la selección del compresor, ya que no considera este calor latente como parte de la carga térmica del sistema. El calor latente en el evaporador termina por reducir su capacidad de absorción.

Es recomendable que el diseñador tome en cuenta los factores anteriores con el objetivo de seleccionar el mejor compresor, ventilador o motor electrónico.

El motor electrónico, por sus condiciones y construcción tecnológica, tiene una eficiencia de más del 60 por ciento

Montaje y ensamble
El motor electrónico cuenta con los elementos necesarios para ser montado como el motor tradicional, lo cual se desarrolló para que el diseñador o personal de servicio para retrofit puedan elegir un motor electrónico sin la necesidad de cambiar su diseño o hacer adaptaciones; es decir, el remplazo es rápido e inmediato.

En cuanto a su diseño, este tipo de motores es más hermético y menos vulnerable a las condiciones de operación. Sus características electrónicas permiten que el motor pueda operar en cualquier condición de trabajo habiendo condiciones demasiado adversas o ambientes sucios que pueden bloquear en algún momento el motor.

Cuando tales condiciones suceden, el motor electrónico cuenta con la programación necesaria para detener su operación, apagarse y reiniciarse a fin de ponerse en marcha si su estado de programación lo permite.

El uso de motores electrónicos es una excelente opción cuando se busca contar con una eficiencia energética mayor y un mejor desempeño en los sistemas de refrigeración.

A su vez, es importante conocer bien la aplicación para la cual se va a trabajar, así como realizar pruebas iniciales con un motor y posteriormente verificar:

  • Los datos de consumo de potencia del motor
  • La revolución efectiva
  • Los datos del punto de carga con el que trabaja
  • El estado de las aspas

El ángulo y diámetro de un aspa es proporcional al número de aletas por pulgada de un evaporador o condensador

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Roberto Olmos Alegría es ingeniero de aplicación en Wellington Drive Technologies, empresa neozelandesa dedicada a producir motores conmutados electrónicamente, controladores electrónicos y soluciones especiales para la industria de la refrigeración y la ventilación. Cuenta con experiencia en motores electrónicos, inducción, sistemas de control automatizado, refrigeración comercial y electrónica aplicada.