Consideraciones Eléctricas en los Compresores

Editorial
Escrito por: Editorial Sección: Refrigeración, Sectores de la industria

Consideraciones Eléctricas en los Compresores

En este trabajo, se revisará la forma de conocer el consumo eléctrico de los compresores, los factores que afectan su funcionamiento, y su costo de operación.

Ing. Javier Ortega

En escritos anteriores se trató el concepto de la Relación de Eficiencia de Energías (Energy Efficiecy Rating, EER). El mejor ciclo de enfriamiento y de mayor eficiencia es aquel que toma la mayor cantidad de calor QC (btu o kcal) de la máquina, con el consumo mínimo de trabajo mecánico W (Watt-h) del compresor (mínima energía eléctrica). Por lo tanto, se define como eficiencia de una máquina frigorífica o Relación de Eficiencia de Energías a la relación de QC entre W, en las unidades btu/h-W, o kcal./h-W. Dado que el Watt-h es una unidad de energía eléctrica, equivalente a la energía calorífica de 3.413 btu, se puede también expresar la eficiencia de una máquina frigorífica en términos de W/W (valor sin unidades, expresado en por la unidad p/u) el cual se denomina Coeficiente de Funcionamiento (en inglés Coefficient of Performance, COP). Entonces el Coefficient of Performance, COP su valor es p/u, y es la relación de la Potencia Térmica en Watts, entre la Potencia Eléctrica de entrada al Motor del compresor en Watts.

Dado que el funcionamiento de los compresores y el ciclo de refrigeración son dependientes de las condiciones termodinámicas ambientales que son continuamente variables (del condensador y del evaporador), es necesario establecer los puntos nominales que nos sirvan para fines comparativos y definir en alguna forma las condiciones de operación, y un marco de referencia, ya que en otra forma las condiciones comparativas de operación entre dos compresores no tendrían significado alguno, y serían confusas.

El mejor ciclo de enfriamiento y de mayor eficiencia es aquel que toma la mayor cantidad de calor QC (btu o kcal) de la máquina, con el consumo mínimo de trabajo mecánico W (Watt-h) del compresor (mínima energía eléctrica).

Para capacidades y para valores comparativos de referencia se usan las siguientes condiciones: Ver tabla. 1

CONDICIÓN DE EVAPORACIÓN

Condición del ciclo

A/A

Temperatura alta

Temperatura mediana y media extendida

Temperatura baja

Temperatura de Evaporación H, S, D

45 ºF (7.2 ºC)

45 ºF (7.2 ºC)

20ºF (-6.7ºC)

-25ºF (-31.7ºC)

Temperatura de Condensación H, S, D

130ºF(54.5ºC)

130ºF (54.5ºC)

120ºF (48.8ºC)

105ºF (40.5ºC)

Temperatura de Liquido H, S, D

115ºF(46.1ºC)

130ºF (54.5ºC)

120ºF (48.8ºC)

105ºF (40.5ºC)

Temperatura del Gas de Retorno (*)H, S, D

65ºF (18.3ºC)

65ºF (18.3ºC)

65ºF (18.3ºC)

65ºF (18.3ºC)

H = Hermético; S = Scroll; D = Semiherméticos Discus.

 

(*) NOTA: Para los compresores Herméticos en refrigeración la Temperatura del Gas de Retorno al compresor es de 40 °F (4.4 °C), en aplicaciones de temperaturas de evaporación para media, media extendida, y baja.

Se puede establecer los rangos de temperatura de evaporación para alta, media, y baja, de acuerdo a:

Temperatura Alta (incluyendo Aire acondicionado) De 0 ºF (-17.8 ºC) a 45 ºF (7.2 ºC)
Temperatura Madia De 5 ºF (-20.5 ºC) a 25 ºF (-3.8 ºC)
Temperatura Madia Extendida De -10 ºF (-23.3 ºC) a 25 ºF (-3.8 ºC)
Temperatura Baja De 0 ºF (-17.8 ºC) a 40 ºF (-40ºC)

Anteriormente (en 1985) las curvas características de funcionamiento de los compresores Copeland de EMERSON CLIMATE TECHNOLOGIES, eran publicadas con Cero grados de subenfriamiento y a una temperatura del gas refrigerante de retorno al compresor de 65 °F (18.3 C).

Hoy día, para compresores Copelametic Discus las curvas características para alta temperatura se presentan basadas con un sub-enfriamiento de 15 °F (8.33 C). Para media y baja temperatura con un subenfriamiento de 0 °F (0 C). Para aire acondicionado R-22 con un sobrecalentamiento de 20 °F (11.1 C).

Dado que el funcionamiento de los compresores y el ciclo de refrigeración son dependientes de las condiciones termodinámicas ambientales, es necesario establecer los puntos nominales para fines comparativos y definir las condiciones de operación.

Ejemplos:

1. Compresor DISCUS para media temperatura R-22. 3DA3A0750

Se toma el valor en las condiciones de la tabla 1

A: 20 °F Evap; 120 °F Cond.; 65 °F RG; 120 °F Liq

En esta condición maneja 73000 btu/h, consume 8400 Watts, con eficiencia EER 8.6

2. Compresor DISCUS para media temperatura R-404A. 3DA3A075E

Se toma el valor en las condiciones de la tabla 1

A: 20 °F Evap; 120 °F Cond.; 65 °F RG; 120 °F Liq

En esta condición maneja 71200 btu/h, consume 9100 Watts, con eficiencia EER 7.8

3. Compresor DISCUS para baja temperatura R-404A. 3DA3A060E

Se toma el valor en las condiciones de la tabla 1

A: -25 °F Evap; 105 °F Cond.; 65 °F RG; 105 °F Liq

En esta condición maneja 23000 btu/h, consume 4,650 Watts, con eficiencia EER 5.0

4. Compresor DISCUS para baja temperatura R-404A. 3DB3A075E

Se toma el valor en las condiciones de la tabla 1

A: -25 °F Evap; 105 °F Cond.; 65 °F RG; 105 °F Liq

En esta condición maneja 33100 btu/h, consume 6300 Watts, con eficiencia EER 5.2

5. Compresor DISCUS para baja temperatura R-22. 3DB3A0750

Se toma el valor en las condiciones de la tabla 1

A: -25 °F Evap; 105 °F Cond.; 65 °F RG; 105 °F Liq

En esta condición maneja 29000btu/h, consume 5,550 Watts, con eficiencia EER 5.2

Cálculo del Consumo de Energía y su Costo

Debido a que la carga de refrigeración Btu/h, en un equipo ya instalado es difícil de determinar, es conveniente primeramente estimar el tiempo promedio diario de operación de un compresor, puesto que un equipo comercial se estima en su diseño normalmente con tiempos de operación diario de 16 a 20 horas, por lo tanto el tiempo real de operación diario podrá ser entre 12 a 18 horas.

Después de considerar o estimar el tiempo de operación de un compresor instalado, se debe conocer el costo de la energía eléctrica en la localidad donde se encuentra el compresor.

Dada la dificultad de efectuar comparaciones de consumo y costos de operación entre dos compresores, se pueden estimar con bastante precisión basándose en sus eficiencias relativas.

En México la determinación para la aplicación de la tarifa del costo del kWh es un tanto complicado, ya que existen por parte de la Comisión Federal de Electricidad más de 144 rangos de tarifas. El establecimiento y selección de la tarifa correcta, puede redundar en una gran diferencia en los costos de la energía consumida.

El cálculo del costo del consumo eléctrico depende de la clasificación de la tarifa aplicable, por ejemplo existen:

Tarifa Doméstica:

Tarifas Generales (Comerciales, Industriales, etc.):

1 (límite de 200 kWh/mes), 1A (límite de 300 kWh/mes), 1B (límite de 400 kWh/mes), 1C (límite de 850 kWh/mes), 1C (límite de 1000 kWh/mes), 1E (límite de 2000 kWh/mes), 1F (límite de 2500 kWh/mes), cuando es temporada de verano se cobra más. El costo considera un cargo fijo básico $/mes, en adición un cargo intermedio, más cargo del consumo excedente. Los precios varían de acuerdo a la temporada del año, por el lugar, y la hora (la hora punta o pico de las 20 a las 22 horas donde se demanda mayor cantidad de energía es muy costosa). La hora base es la más económica, es alrededor de las 0 a las 6 horas. La hora intermedia de las 6 a las 20 horas y de las 22 a las 24 horas.

Considerando el tipo de demanda que se tenga, las especificaciones de los compresores y los aparatos eléctricos que se vayan a conectar a la red: de baja tensión (tarifas 2, 3): En mediana tensión (tarifas, O-M, H-M, H-MC). La demanda en H-M quizás es la más común en negocios como supermercados del orden de 100 kW instalados. En alta tensión son tarifas horarias ya que depende el precio del kWh base, los kWh los kWh intermedios, los kWh de punta, los kWh semi punta, los kW base instalados y los kw punta base instalados.

Existen cargos por un bajo factor de potencia < 0.9, y bonificación cuando su valor es >0.9, (ver mi reporte técnico del 29/06/05 de cómo mejorar el factor de potencia). Se cobra por mes de acuerdo a la tarifa establecida, a la energía de kWh consumidos, a la potencia instalada en kW, la energía reactiva kVAh.

Es conveniente al celebrar el contrato de suministro de electricidad de un nuevo comercio o industria, revisar con la CFE y seleccionar la mejor opción más económica de tarifa, de acuerdo al lugar, variación estacional, disponibilidad de energía, características eléctricas del equipo (voltaje, potencia, frecuencia, horario y factor de utilización, etc.).

Mediante el siguiente ejemplo, se ilustra la forma de calcular los costos de operación y el ahorro de energía:

Supóngase que se tiene el compresor Semihermético Copeland modelo 9RS3-0765, para aplicación de R-502 baja temperatura, se estima que se encuentra operando 16 horas diarias durante los 365 días del año. Debido a que ni el refrigerante R-502 ni su compresor se producen, se desea por lo tanto reemplazarlo por un compresor actual Discus Copeland del ejemplo 4, el 3DB3A075E de baja temperatura para refrigerante R-404A. Tomando en este ejemplo un costo de la energía de 0.90 pesos por kWh.

(Nota: El costo de la energía $/kWh debe ser una estimación más precisa considerando la tarifa real contratada con la CFE).

Para el compresor existente 9RS3-0765, en aplicación de R-502 baja temperatura en la condición -25 °F Evap; 105 °F Cond.; 65 °F RG; 105 °F Liq. Se tiene una capacidad 34,300 btu/h, con una potencia de entrada de 7,500 Watts, por lo tanto un EER = 4.57

El costo anual de la energía consumida en pesos se calcula mediante:

16 horas /día x 7500 W x 0.9 $/kWh x 365 días/año ÷ 1000 W/kWh = $ 39420.00 (pesos)

Para el compresor sustituto con R-404A  3DB3A075E con capacidad de 33100 Btu/h, con una potencia de entrada 6300 Watts y una eficiencia de 5.2

16 horas /día x 34300 x 6300 W x 0.9 $/kWh x 365 días/año ÷ 1000 W/kWh = $ 34,313.26 (pesos)                              33100

Por lo tanto se tiene un ahorro anual estimado en costo de energía de $ 5,107.00 (pesos).

Un aspecto importante de los ciclos térmicos y en particular el de refrigeración, es que su operación depende de las condiciones ambientales. En Invierno o meses más fríos el condensador trabaja a una menor temperatura y por ende a una menor presión, por lo tanto el compresor demandará menos potencia (menor consumo energético kWh), entregando una mayor capacidad btu/h, y con menos tiempo de operación para una carga de refrigeración específica.

En el verano o meses calurosos sucede lo opuesto, el compresor demandará mayor potencia (mayor consumo energético kWh), entregará menor capacidad btu/h, y con un mayor tiempo de operación para una carga de refrigeración específica.

Un aumento de temperatura ambiente o de condensado de 10 °F (5.5 C), ocasiona una pérdida de capacidad alrededor del 10%, y desafortunadamente la potencia solamente disminuye en un 7%, disminuyendo el EER del compresor, aumentado el consumo y el costo de energía por un triple concepto (a.- Mayor costo del kWh; b.- Mayor tiempo de operación del compresor para cumplir con la carga de refrigeración; c.- Mayor consumo eléctrico).

VOLTAJE

Debido a la variación del suministro del voltaje, los motores de los compresores Copeland han sido diseñados para operar en un rango de voltaje más que operar en un sólo valor de voltaje. Aún cuando los motores con un rango de voltaje son más costosos, sus problemas de operación prácticamente se eliminan, inclusive cuando los voltajes de alimentación en las líneas son extremadamente bajos.

Los motores de los compresores Copeland de Emerson Climate Technologies, son desarrollados para operar en condiciones de  máxima carga (o HP, Pleno Par y Velocidad) en los extremos de su rango de voltaje y la placa de identificación del compresor Hermético debe mostrar:

1.- La corriente Nominal RLA

Se determina en forma práctica debido a que las condiciones nominales de prueba son diferentes para cada aplicación a la que el moto-compresor sea usado, temperaturas de evaporación alta, media o baja, tipo de refrigerante, temperatura ambiental moderada o clima caluroso o frío; frecuencia y voltaje eléctricos, entre otras.

Las normas Emerson para compresores Copeland indican que la Corriente Máxima Continua (MCC) permisible debe superar los límites de funcionamiento extremos del compresor, y se determina con ensayos sometiéndolo a operar en condiciones extremas de carga y condiciones eléctricas para cada condición y aplicación específica, haciendo descender el voltaje hasta que llegue al disparo del protector térmico.

Para compresores Herméticos se cumplen:

RLA = MCC/1.56  Requerimiento U.L. y N.E.C. (National Electric Code)

Copeland establece para el valor Máximo de Corriente de un Compresor 140% del RLA. Esto da un mayor margen de seguridad para la selección de los elementos de los interruptores y alambrado de las líneas de alimentación, ya que por lo general se determinan a un 125% (mínimo de 115%) del valor de corriente RLA que se encuentra en la placa de identificación del compresor.

2.- Corriente a Rotor Bloqueado (Locked Rotor Current, LRA)

Como su nombre lo indica es la corriente en amperes que resulta al detener el rotor del motor completamente. Nos indica el valor máximo de corriente de entrada al arrancar el compresor. Este valor debe ser mostrado en compresores con motores monofásicos a 115 Volts cuando el valor de LRA sea mayor de 9 amperes, o más de 4.5 amperes en voltajes de 230 Volts (NEC 440-4).

El contactor, fusibles, interruptor o medio que desconecta a un compresor Hermético, debe ser seleccionado en base de los valores mostrados en la placa de identificación del moto-compresor, el de corriente nominal (RLA), corriente a rotor bloqueado (LRA), y de su voltaje nominal.

3.- Tipo de Protección. Todos los compresores Copeland de Emerson, incluyen:

Protección Térmica de Sobrecarga,

Protección de Sobrecarga Externa, Hasta 3 HP. Con Apertura en la Línea

Protección de Sobrecarga Interna, Hasta 15 HP. Con Apertura en la Línea

Protección de Sobrecarga Interna 15 HP. Con Apertura con Circuito Piloto

Protección de Sobrecarga Interna Electrónica. De 20 HP hasta 60 HP. con Apertura Piloto

4.- Frecuencia Eléctrica en Hz.

60 Hertz para Estados Unidos y México

5.- El voltaje de operación.

En México se suministra la energía por la Comisión Federal de Electricidad, con tres voltajes principales:

– 110 Volts + 10%, 60 Hz, Monofásico

– 220 Volts + 10%, 60 Hz, Monofásico y Trifásico

– 440 Volts + 10%, 60 Hz, Trifásico

Existen otros voltajes diferentes y de mayor suministro, dependiendo de la industria o comercio de que se trate.

La placa de identificación del compresor Hermético debe mostrar:

* La corriente Nominal RLA

* Corriente a Rotor Bloqueado

* Tipo de Protección

* Frecuencia Eléctrica en Hz.

* El voltaje de operación

De acuerdo a las normas NEMA, un motor de compresor debe ser capaz de entregar sin sobrecalentarse, su Potencia Nominal sujeto a voltajes de + 10%, de lo establecido en su placa de identificación. Cabe mencionar que es importante tener en cuenta que el voltaje en la placa terminal del compresor no siempre es igual al voltaje del sistema, por lo que es necesario considerar la caída de voltaje en las líneas de alimentación para determinar si el motor está realmente conectado a su voltaje.

Considerando un motor que su voltaje de placa sea de 230 Volts; calculando el rango de ±10%, nos indica que añadiendo y substrayendo 23 V para obtener el rango de operación de voltajes del motor, en este caso es de 207 V a 253 V. Esto nos dice que un motor de 230 V puede ser usado en un sistema de 208 V.

Otra consideración es la variación del voltaje del sistema, el cual en +5% del voltaje normal (en este caso 208 V), por lo tanto, el lado bajo del sistema caerá fuera de la tolerancia del voltaje del motor de 230 V.

Cuando las cifras en una placa de identificación tienen dos o más valores de voltaje separados por una diagonal (/) se indican dos esquemas diferentes de valores o conexión, cada valor de voltaje con su propio rango de operación. Con un rango más amplio que se extiende 10% abajo del voltaje menor, y 10% del valor mayor de voltaje. Por ejemplo, para un voltaje de 208-230 el motor será adecuado de 187 V a 253 V.

La única manera de determinar si un motor y su sistema son compatibles, es midiendo su voltaje en las terminales y durante condiciones de operación. La compatibilidad del motor del compresor y su sistema eléctrico de alimentación es esencial para una instalación exitosa.

FALLAS POR VOLTAJES FUERA DE SU RANGO ESPECIFICADO

BAJO VOLTAJE

Hoy día en la medicina, al hablar de los infartos se menciona el asesino silencioso, este mismo término se puede aplicar a los problemas y fallas de compresores por problemas del bajo voltaje. Esto se debe a que tal situación puede no presentarse continuamente, y puede no mostrarse cuando el técnico o ingeniero estén presentes causando cuando menos se piensa la falla total del motor.

El bajo voltaje presenta diferentes síntomas que generalmente terminan en la destrucción de un motor debido a un sobrecalentamiento. Inicialmente el problema se manifiesta con insuficiente velocidad del motor (rpm) o con un inesperado disparo por protección térmica. La apariencia de un motor sujeto a bajo voltaje es prácticamente semejante como si estuviese sobrecargado.

Una situación común de bajo voltaje se presenta cuando la compañía que suministra la energía eléctrica tiende a bajar el voltaje para que una localidad ahorre energía, o debido a una baja regulación de voltaje de las líneas alimentadoras. Aún cuando los motores están diseñados para un + 10% de su voltaje de placa, las variaciones del bajo voltaje pueden excederlo.

Estas bajas en voltaje ocurren cuando la temperatura ambiental es la más alta, y la distribución de energía trabaja en sus límites causando aún más perdidas de voltaje en las líneas de alimentación. Sobrecargar los circuitos causa una caída de voltaje. Otra causa de bajo voltaje es la longitud y diámetro de los conductores de alimentación, que sean demasiado largos.

Cuando se sospeche de un bajo voltaje es muy importante solucionar este problema, ya que éste puede no mostrarse si el voltaje se mide en el sistema o la fuente de voltaje o cuando el motocompresor no esté energizado. La medición del voltaje debe hacerse en las terminales del motor y cuando éste se encuentre en operación.

El aumento de corriente causa un incremento en la temperatura de los devanados, y el protector térmico actuará y protegerá al motor, pero si esta situación ocurre todos los días durante muchas veces, causará un daño permanente al motor, y finalmente después de varias repeticiones se quemará.

Otra causa de sobrecalentamiento de los motores, es la condición de bajo voltaje, Esto se presenta cuando el voltaje de suministro está fuera de los límites indicados por el fabricante de los motores. Para compresores que indican en su placa un sólo valor, por ejemplo 230 Volts, sus límites de operación son de +10% de 230 Volts (207V – 253V). Para compresores que indican en su placa un rango de voltaje, por ejemplo 208/230 Volts, sus parámetros o límites de operación son 10% abajo del valor inferior de 208V, y 10% arriba del valor superior de 230V, (o sea de 187V a 253V).

Un bajo voltaje tenderá a aumentar la corriente (A). Como la potencia requerida en una condición no puede ni debe variar, si el voltaje decrece en forma desproporcionada fuera de los límites aprobados, entonces la corriente tendrá que aumentar en la proporción necesaria para mantener la relación de P. Este aumento de corriente causará un incremento en la temperatura de los devanados, y el protector térmico actuará y protegerá al motor, pero si esta situación continúa ocurriendo todos los días durante muchas veces, cada vez se le causará un daño permanente al motor, y finalmente después de varias repeticiones se quemará.

QUEMADURA DEL MOTOR EN FORMA UNIFORME

Todos los devanados son sobrecalentados o quemados, generalmente causados por un bajo voltaje o desbalance de voltajes, o por falta de enfriamiento (o ventilación) del motor.

QUEMADURA DE DOS FASES DEL MOTOR

Cuando en un motor trifásico dos fases son sobrecalentadas o quemadas debido a la apertura o falso contacto de una conexión de un interruptor (de la fase que no es afectada). Lo que pasa en esta  situación es un desbalance de fases donde en una de las fases el voltaje es cero, el motor del compresor está operando con una de sus fases abierta. Por ello, las otras dos fases que operan tomarán la carga que llevaba la fase abierta.

La corriente que tomarán estas dos fases se aumentará por lo menos una y media veces en relación a su corriente normal de operación. Si el compresor está con alta carga, la corriente actuará en la protección de sobrecarga parando el compresor, posteriormente este tratará de arrancar, pero su protector de sobrecarga se lo impedirá, se disparará y no permitirá que arranque, esta situación se repetirá varias veces hasta que las bobinas se quemen.

Si la carga del compresor es baja, la elevación de corriente no será suficiente para actuar en la protección de sobrecarga del motor, continuará operando muy caliente. Si esta situación ocurre varias veces conducirá a la falla del motor.

En un compresor con motor trifásico, su quemadura puede ocurrir debido a desbalance de voltaje que ocasionará una elevación de temperatura. Este problema que causa un incremento en la temperatura, por lo general no se detecta en largos periodos de tiempo.

DESBALANCE DE VOLTAJES

En un compresor con motor trifásico, su quemadura puede ocurrir debido a desbalance de voltaje que ocasionará una elevación de temperatura. Este problema que causa un incremento en la temperatura, por lo general no se detecta en largos periodos de tiempo.

Para calcular el desbalance de voltaje se toman lecturas de voltaje entre las líneas de alimentación al motor.

Ejemplo de desbalance de fases:

Entre L1 y L2   = 216 V

Entre L2 y L3   = 220 V

Entre L1 y L3   = 225 V

El voltaje promedio = 216 + 220 + 225 / 3 = 220.3 V

Desbalance máximo 225 – 220 = 5V

Porcentaje de desbalance = (5 / 220.3) x 100 = 2.27%

Un aumento mayor de 2% no es aceptable, y por lo tanto será necesario tomar acción en alguna forma, ya que el motor operará con mayor temperatura, pudiendo ocasionar su quemadura eventualmente

ALTO VOLTAJE

En el caso de un alto voltaje, la situación es diferente, el principal problema que se presenta es el aislamiento del motor, en que si el voltaje de aplicación sobrepasa la resistencia dieléctrica de los aislamientos del motor, causará la ruptura dieléctrica, se crea un arco interno en la parte más débil del aislamiento o en las terminales, ocasionando su falla o quemadura.

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Escrito por: Editorial Sección: Refrigeración, Sectores de la industria
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3 Comentarios

  1. juan carlos molina marzo 14, 16:53

    considero que la revista es de ayuda para los que practicamos esta profecion ademas de mantenernos informados y actualizados

    gracias

  2. fernando velazco octubre 21, 15:44

    esta muy buena la informacion gracias por el dato.

  3. junior solis diciembre 6, 13:53

    este compresor copelan discus modelo3db3a-tfc-200puede trabajar r 404 para bajar temperatura 25 grado ya q el usa r22 solo llega 16 grado

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