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Empleo de variadores en bombeos agrícolas

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Miguel Angel Monge Redondo
Ingeniero Técnico Agrícola por la UPM. Autor del libro: Diseño agronómico e hidráulico de riegos agrícolas a presión. Nominado mejor Blog y Post premios iAgua 2018
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  • Empleo variadores bombeos agrícolas

En muchas instalaciones de riego se precisa trabajar durante un determinado tiempo al año con caudales inferiores al máximo. El caudal máximo demandando es el caudal con el que se realizan los cálculos hidráulicos de la instalación y sirve para seleccionar el equipo de bombeo.
Debido a la anterior circunstancia se necesitará modificar a menudo el caudal suministrado por la bomba para adaptarlo a los requerimientos variables de demanda de agua. Esta regulación de caudal se puede hacer de varias maneras, siendo las más comunes el uso de una válvula de estrangulamiento, la utilización de bombas en paralelo o el empleo de variadores de velocidad. Sin lugar a dudas la utilización de variadores de velocidad nos aporta grandes ventajas, sobre todo por el ahorro en energía que se consigue.

1. ¿Qué es un variador de velocidad?

El variador de frecuencia o de velocidad se trata de un dispositivo electrónico que, a través de la modificación de la frecuencia de alimentación eléctrica, varía la velocidad de giro de los motores eléctricos. En el caso de un bombeo hidráulico alimentado por un motor eléctrico, el variador de velocidad modificará indirectamente la curva característica de la bomba al variar la velocidad de giro del motor.

El variador no es un elemento mecánico, es un dispositivo electrónico que actúa directamente sobre los motores eléctricos, variando, como se ha comentado, su velocidad de giro

Básicamente el variador de frecuencia se compone de unos armarios que se instalan en los centros de control y mando de los grupos de bombeo y se conecta mediante cables a los motores de las bombas. Consta de diversos elementos que luego veremos.

2. Variador y bomba de agua

Una bomba de agua funciona gracias a un motor eléctrico que aporta la energía necesaria para impulsar un caudal determinado a una presión o altura manométrica deseada.

Las partes principales de una bomba centrífuga, así como los métodos de regulación del caudal, los expliqué en el post: “Algunas observaciones a las instalaciones con equipos de bombeo

Para que una bomba pueda impulsar el agua, necesita de una fuente de energía externa. Esta energía la proporciona, entre otros dispositivos, un motor eléctrico.

Las bombas se ensayan en bancos de ensayo en los que se determinan las curvas Caudal-Presión, o curvas Q-H, que posteriormente los fabricantes incorporan como información técnica imprescindible para la selección de los equipos en sus catálogos de producto.

Las curvas características de una bomba son exclusivas de cada bomba o equipo de bombas. Estas curvas de trabajo relacionan el caudal bombeado y la presión de bombeo, de tal forma que a mayor caudal demandado por la instalación, tendremos una menor presión, y al contrario, a menor caudal la bomba impulsará el agua con mayor presión.

Para entenderlo veamos un ejemplo gráfico.

La gráfica 1 recoge la curva caudal-presión, Q-H [Q (caudal), H (altura manométrica = presión)], de una bomba centrífuga para dos condiciones de trabajo.

Si suponemos que la instalación y el bombeo se han diseñado para un caudal máximo de 90 m3/h y una presión de 6,5 kg/cm2, se aprecia que la condición de trabajo 1 (punto en color verde) cumple con lo exigido. Este sería el valor más extremo de la curva, es decir, todo movimiento o modificación se haría hacia la izquierda de la curva. Si la demanda de caudal bajase por ejemplo a 50 m3/h (condición de trabajo 2, punto de color rojo) la presión subiría a 8,5 kg/cm2.


Gráfica 1. Curva característica de una misma bomba con dos condiciones de trabajo


La curva de la gráfica 1 representa las variaciones de la altura manométrica de la bomba ante variaciones de caudal bombeado y se determina para la velocidad nominal del motor eléctrico (por ejemplo 2.450 rpm –revoluciones por minuto-).

Bien, si por mediación de un mecanismo externo, como un variador de velocidad, modificamos las revoluciones de giro del motor y las bajamos a 2.000 rpm empleando para ello una frecuencia menor, y realizamos un nuevo ensayo a la bomba, ya no nos situaremos en la curva de la gráfica 1, si no que nos moveremos en otra curva por debajo de la curva representada en la gráfica 1. Si seguimos bajando las revoluciones del motor y realizamos nuevos ensayos a la bomba, volveremos a obtener nuevas curvas pero siempre por debajo de las anteriores.

Cuando se ensaya en el banco de pruebas un equipo motor-bomba se hace a las revoluciones nominales del motor, que son las máximas revoluciones que ese motor es capaz de generar. Todo cambio en la velocidad del motor significará menores revoluciones, y por tanto, curvas características de la bomba por debajo de la nominal.

En definitiva el variador consigue que la bomba pueda trabajar en cualquier punto situado por debajo de la curva que se obtiene a la velocidad nominal del motor.

Si volvemos a la gráfica 1, utilizando un variador de frecuencia la bomba podría trabajar en cualquier punto de la zona que queda en el interior de la figura color rosa.

En los bombeos para riego agrícola normalmente se fija en la programación del variador la variable presión, por lo que, gracias a la actuación de este dispositivo, la presión se mantendrá constante ante los cambios de caudal que se produzcan.

Continuando con el ejemplo, cuando el caudal baja de 90 a 50 m3/h, la altura manométrica se mantendrá dentro del valor de consigna: 6,5 kg/cm2, lo que vendría representado por la línea color verde:

El ahorro energético derivado de esta actuación se explica en el post ya mencionado: “Algunas observaciones a las instalaciones con equipos de bombeo

En la siguiente figura se representa el esquema básico de instalación para el control de bomba:

El transductor de presión envía al variador la señal de presión de la red a través de una entrada analógica. El variador ajusta la velocidad y caudal de la bomba para mantener la presión en el valor de referencia. Una vez medida la diferencia entre la presión en la tubería y la presión requerida, actuaría modificando la velocidad del motor para mantener una presión constante.

3. Cómo opera un variador de frecuencia. Componentes

Todas las imágenes y croquis de este artículo proceden de la empresa POWER ELECTRONICS 

En la imagen siguiente vemos varios tamaños de variadores. El tamaño de los equipos dependerá fundamentalmente de la potencia de los motores sobre los que actúen.

Una pantalla frontal, extraíble en algunos modelos, permite programar fácilmente las funciones del variador y tener acceso a los datos y registros.

Si abrimos la puerta del armario de un variador vemos los diferentes componentes eléctricos y electrónicos.


Interior de un variador de frecuencia

Los componentes se esquematizan en el croquis siguiente.


Esquema 1. Estructura de un variador de frecuencia. Los fabricantes pueden cambiar esta estructura. Un mismo fabricante podrá disponer de componentes diferentes para cada gama de variadores

El funcionamiento del variador lo dividiremos en tres etapas.

  • Etapa 1

Se produce la rectificación de la corriente alterna procedente de la red eléctrica mediante un puente de diodos (puente rectificador).

El puente rectificador es un dispositivo electrónico que permite convertir la corriente alterna en corriente continua. Está formado por diodos rectificadores.

En el esquema 1 vemos como la corriente alterna que suministra la red tras atravesar unos filtros, llega al rectificador.

  • Etapa 2

Mediante el Bus CC se elimina el rizado de la señal continua y se consigue una señal de corriente continua lo más plana posible.

Para mejorar está señal y conseguir aplanarla se utilizan filtros de condensadores.

  • Etapa 3

Mediante un puente inversor se convierte la señal de corriente continua en una señal trifásica de corriente alterna.

Con la activación selectiva de interruptores electrónicos (transistores o tiristores) se consigue modificar la tensión y la frecuencia de la señal. Con la tensión se controla el par o fuerza de giro del motor y mediante la frecuencia se varía la velocidad del motor.

Los filtros tienen la función de mejorar las señales eléctricas de salida por un lado y también, por otra parte, corregir las perturbaciones eléctricas (armónicos) generadas por los elementos electrónicos del variador y por los motores.

4. Variadores aplicados al bombeo para riego agrícola

Es fundamental disponer de la información técnica del motor para saber si se le puede acoplar un variador de frecuencia, ya que no con todos los motores puede hacerse.

El variador puede operar sobre los motores de las bombas sumergidas.

Asimismo el variador se aplica también al bombeo solar. En este caso la fuente de alimentación de energía puede proceder exclusivamente de los paneles solares o bien disponer de una fuente de alimentación híbrida (panel / red eléctrica o generador diésel)

5. Ventajas del empleo de variadores de velocidad

Fundamentalmente el variador nos aportará las siguientes ventajas:

  • a) Ahorro de energía

Ahorro de hasta un 60% de energía eléctrica si lo comparamos con otros sistemas tradicionales de regulación de caudales. El periodo de recuperación de la inversión es muy rápido.

  • b) Mejora del proceso productivo

La introducción de un sistema de control del par y de la velocidad de los motores permite mejorar la calidad y la productividad de los procesos.

  • c) Aumento de la vida útil de los motores y reducción de su mantenimiento

El elevado número de arranques en directo provoca en los motores eléctricos un estrés mecánico y eléctrico. Las sobrecorrientes instantáneas durante los procesos de arranque que sufren los motores de inducción reducen su vida útil y aumentan sus costes de mantenimiento.

  • d) Beneficio para la naturaleza

El consumo eléctrico y de combustibles fósiles se reduce, reduciendo así las emisiones de gases de efecto invernadero.

En relación con el uso del variador aplicado a los sistemas de bombeo, además de las anteriores, nos ofrece otras nuevas ventajas:

  • e) Control del golpe de ariete y parada lenta de la instalación de bombeo.
  • f) Re-arranques automáticas tras caídas de tensión o tras cortes del flujo eléctrico.