ANTI-EXPLOSION

Introducción:

Para realizar una instalación eléctrica  Anti-explosión, lo primero que se debe hacer es la clasificación del área donde se realizara para determinar los distintos niveles o condiciones de peligrosidad de la zona donde se realizara la instalación eléctrica.

Un área clasificada se define como tal, sí existe un potencial riesgo temporal o permanente para la generación de un incendio o explosión, debido a la presencia en el ambiente de materiales combustibles o mezclas de gases, vapores, líquidos, partículas o fibras que puedan causar una ignición. Estos peligros pueden estar presentes durante los procesos normales de fabricación y/o almacenaje, o en caso de ruptura o avería accidental de los contenedores de almacenaje u operación anormal de los equipos.

Es necesario, debido a la diversidad de productos combustibles y situaciones operacionales, clasificar y caracterizar dichas áreas según diversos aspectos que son regulados por normas internacionalmente aceptadas como NEMA.

Clasificación:

El área peligrosa debe definirse especificando tres características:  Clase ( I, II ó III); División (1 ó 2) y Grupo (A, B, C, D, E, F ó G).

La Clase indica la naturaleza genérica del material inflamable:

Clase I

Donde puede haber presencia de gases o vapores inflamables mezclados en el aire en cantidades suficientes para producir mezclas explosivas o combustibles.

Clase II

Donde puede haber polvos combustibles en cantidades que originen un riesgo.

Estas agrupaciones de polvo están basadas en el tipo de material: metálico, carbonoso u orgánico. Un área pertenece a la división 1 ó 2 dependiendo de la cantidad presente de polvo en el ambiente, excepto para el grupo E, que sólo aplica para la División 1.

Clase III

Donde el material peligroso son fibras o partículas, fácilmente combustibles, y que no están normalmente suspendidas en el aire.

La División señala la probabilidad de que el material peligroso se encuentre en concentraciones inflamables:

División 1

Área donde la probabilidad de que la atmósfera sea peligrosa es alta. Ello puede ser debido a que existen concentraciones de material inflamable de manera contínua, periódica o intermitente en condiciones normales de operación o que los materiales inflamables están presentes frecuentemente debido a fugas, reparaciones o mantenimiento de equipos, o donde una falla pueda producir fuga e ignición simultáneamente.

División 2

Área que puede ser peligrosa bajo condiciones anormales o accidentales. Por ejemplo por rotura de recipientes, fallas de equipos o paso de material inflamable desde un área División 1.

Además la División 2 cubre las áreas en donde los gases inflamables, vapores o los líquidos volátiles se manejan en un sistema cerrado, o se confinan dentro de recintos adecuados. También donde las concentraciones peligrosas son prevenidas normalmente por ventilación mecánica.

Los Grupos son una subclasificación más específica sobre la naturaleza de la substancia peligrosa. Las substancias en un grupo determinado representan riesgos de características similares:

Clase I

Gases y vapores:

Grupo A: Acetileno.

Grupo B: Hidrógeno, butadieno, óxido de etileno, entre otros.

Grupo C: Etileno, acetaldehido, monóxido de carbono, dietil éter, entre otros.

Grupo D: Gasolina, propano, butano, metano (gas natural), acetona, amoníaco, entre otros. Este es el grupo más numeroso.

Clase II

Polvos combustibles:

Grupo E: Polvos metálicos como aluminio libre de Cobre y Magnesio.

Grupo F: Polvo carbón, coque y similares.

Grupo G: Harinas, almidones o polvos de granos.

La instalación eléctrica en un área clasificada debe eliminar el riesgo de inflamación o explosión. Existen para ello varias metodologías: previniendo la ignición (seguridad aumentada, seguridad intrínseca, uso de atmósferas inertes) o permitiendo ésta pero conteniéndola (equipos a prueba de explosión).

Los equipos a prueba de explosión no son herméticos, está previsto que los gases ingresen al mismo y se inflamen si existe en el interior de éste una fuente de energía. El equipo debe contener la explosión sin deformarse, y permitiendo la salida de los gases calientes a través de juntas de tolerancias controladas de manera que estos se enfríen por debajo de su punto de ignición antes de alcanzar la atmósfera externa.

Existen varias normas que rigen el diseño, fabricación y ensayo de equipos a prueba de explosión, siendo las emitidas por Underwriters Laboratories, Inc. (UL) de los Estados Unidos las de mayor difusión y aceptación a nivel mundial. Las normas UL establecen requerimientos en cuanto a materiales, espesores, tolerancias, condiciones del diseño, marcaje y pruebas a que deben someterse los productos. Por ejemplo:

A manera de ilustración, esquematizo una instalación eléctrica en un área clasificada.



RESPUESTAS SOBRE VARIADORES DE FRECUENCIA (VFD)

¿Cuál es la diferencia entre drive, inversor y variador?

Los términos anteriores son sinónimos.

El anglicismo Drive surge como un abreviado del término formal Variable Frequency Drive VFD, el cuál también se conoce como inversor porque en el equipo se efectúa una etapa de inversión (se convierte de corriente directa a corriente alterna) y el término de variador implica que este equipo tiene como objetivo variar la velocidad del motor.

¿Qué es un Variador (VFD)?

Es un dispositivo o sistema para el control de la velocidad para motores de inducción de CA, el cual se alimenta con un voltaje y una frecuencia constantes, y entrega al motor un voltaje y frecuencia variables.

 

¿Cómo funciona un variador de frecuencia?

Circuito principal

Funcionamiento:

Se alimenta al equipo con un voltaje de corriente alterna (CA), el equipo primero convierte la CA en corriente directa (CD), por medio de un puente rectificador (diodos o SCR´s), este voltaje es filtrado por un banco de capacitores interno, con el fin de suavizar el voltaje rectificado y reducir la emisión de variaciones en la señal; posteriormente en la etapa de inversión, la cual está compuesta por transistores (IGBT), que encienden y apagan en determinada secuencia (enviando pulsos) para generar una forma de onda cuadrada de voltaje de CD a un frecuencia constante, y su valor promedio tiene la forma de onda senoidal de la frecuencia que se aplica al motor.

El proceso de conmutación de los transistores es llamado PWM "Pulse Width Modulation" Modulación por ancho de pulso.

Al tener control en la frecuencia de la onda de corriente podemos también controlar la velocidad del motor de acuerdo a la siguiente fórmula:

Nm = velocidad mecánica (rpm)
f = frecuencia de alimentación (Hz)
s = deslizamiento (adimensional)
P = número de polos.

¿Se pueden conectar varios motores a un inversor?

Si se puede conectar varios motores a un inversor, tomando en cuenta las siguientes consideraciones:

·  El inversor debe ser dimensionado para que pueda suministrar la suma de las corrientes de los motores.

·  Usar sólo control V/f (tensión/frecuencia); no usar control vectorial

·  Deben usarse elementos independientes de protección para cada motor.

·  Todos los motores arrancan y paran al mismo tiempo

·  Todos los motores funcionaran a la misma velocidad

·  Si falla el inversor tendremos todos los motores detenidos.

¿Se requieren motores especiales, para usar un inversor?

No es necesario el uso de motores especiales; un inversor puede controlar cualquier motor de CA de jaula de ardilla de tipo convencional, sin embargo, motores de alta eficiencia de uso inversor (Inverter Duty Motors) presentan un mejor rendimiento, especialmente a bajas frecuencias.
¿El motor y el inversor deben ser de la misma capacidad?

Para un funcionamiento óptimo se recomienda que el inversor se dimensione en base a la corriente nominal del motor, para proveer un mejor control y una adecuada protección. En caso de urgencias pueden ser empleados motores de mayor o menor capacidad que la del inversor, recomendable hasta el doble o la mitad de la capacidad pueden ser empleados, sólo teniendo en cuenta que se tiene que limitar la corriente del inversor cuando este es mayor, y que en caso de que sea menor el inversor, la potencia que se le puede demandar al sistema es la del   

componente de menor tamaño.
¿Se puede usar un inversor con un motor monofásico?

Sí, es posible variar la velocidad de motores monofásicos, dependiendo del tipo de arranque que utiliza el motor, hay motores que solo giran en un sentido, en otros casos, es posible modificar también su sentido de giro. No es recomendable hacer esto, ya que se desperdicia una fase del inversor. Es más recomendable cambiar a motor trifásico.

¿Se puede alimentar un inversor en dos fases?

Un inversor diseñado para tres fases se puede utilizar con alimentación de dos fases, siempre y cuando la alarma por pérdida de fase de alimentación no exista o se pueda anular. Es necesario tomar en cuenta que la corriente que se consumirá en la entrada es 1.732 veces la corriente de cada fase de la salida, valor que hay que utilizar para la selección del equipo.

También existen algunos modelos de inversores diseñados para ser conectados a 2 o 3 fases, son de baja potencia, generalmente alcanzan una capacidad máxima de 5HP.
¿Se pueden usar capacitores de corrección de factor de potencia con un inversor?

No es recomendable utilizar capacitores en forma individual, puesto que el factor de potencia de desplazamiento de los inversores es prácticamente unitario. Los inversores deterioran el factor de potencia al producir armónicas, por lo que los capacitares por sí solos no ayudan a mejorarlo.

Lo ideal es realizar un estudio completo de calidad de energía y realizar los cálculos pertinentes del factor de potencia tomando en cuenta las armónicas.

¿Los inversores producen armónicas?

Los variadores de velocidad cuentan en la entrada con rectificadores, y a su salida cargan un capacitor para transformar el voltaje a corriente directa, por lo que el flujo de corriente tiene una forma de onda muy diferente a la senoidal, causando distorsión armónica en la línea de alimentación.

Se recomienda el uso de reactores y/o filtros de armónicos para mitigar esta distorsión.

¿Los inversores ahorran energía?

Cuando un motor se opera a una velocidad menor a la nominal, el motor consume menos energía.

En el caso de ventiladores y bombas centrífugas, las cuáles generalmente son controladas mediante restricciones de flujo que desperdician energía, el ahorro es mucho mayor puesto que la energía varía en forma proporcional al cubo de la velocidad.

Enseguida se presentan las formulas y la curva característica de bombas y ventiladores.

Flujo o Caudal = Q1/Q2 = n1/n2 Presión = H1/H2 = (n1/n2)2
Potencia = P1/P2 = (n1/n2)3

Donde:

Q1 = Caudal Nominal
Q2 = Caudal Reducido
H1 = Presión Nominal
H2 = Presión Reducida
P1 = Potencia Nominal
P2 = Potencia Reducida
n1 = Velocidad Nominal
n2 = Velocidad Reducida

¿Se puede manejar un motor arriba de su velocidad nominal?

Mediante el uso de un inversor, es posible llevar al motor por encima de su velocidad nominal, haciéndolo operar en la llamada zona de HP's constantes, es decir, el motor entrega los HP's nominales, entregando un par que se reduce a medida que se aumenta su velocidad.

Existen gráficas que nos muestran el comportamiento de los motores eléctricos cuando sobrepasamos la velocidad base, o velocidad nominal.

Esta grafica nos muestra que cuando llegamos a la velocidad base, tenemos el torque máximo del motor, en el momento que sobrepasamos dicha velocidad comenzamos a tener perdida de torque, este factor repercute ampliamente en cualquier aplicación ya que una de las principales ventajas que nos proporciona un variador de velocidad es tener control de velocidad manteniendo el torque.

 ¿Qué es la regeneración?

Cuando se reduce la velocidad de un inversor, la carga que mueve tiende a seguir en movimiento por su inercia. Mientras las velocidades se igualan, el motor se comporta temporalmente como generador, y esto hace que el voltaje de corriente directa en el inversor aumente. Este fenómeno es conocido como regeneración, y ocurre cuando la velocidad rotación del motor es mayor que la velocidad del motor a la frecuencia de salida del inversor. Esto puede provocar disparos por sobre voltaje. Esto se corrige utilizando resistencias o unidades de frenado.
¿Qué es un inversor regenerativo?

Se le llama variador regenerativo cuando este posee una etapa especial con el fin de que la potencia que el motor pueda generar por inercia de la carga sea regresada a la línea de alimentación.

¿Cuándo se requieren unidades y resistencias de frenado regenerativo?

Cuando se requiere frenar una carga en un tiempo inferior al tiempo de paro natural de la máquina, o bien cuando el motor actúa contra la gravedad, como en el caso de grúas y elevadores. Los inversores poseen una capacidad de frenado inherente (sin utilizar transistor o unidad de frenado) de alrededor de 10% de torque nominal. Si la demanda de frenado es mayor que este porcentaje, entonces es forzoso utilizar frenado regenerativo. Algunos modelos de inversores ya incluyen el transistor de frenado, mientras que otros requieren de la adición de unidades externas de frenado. En ambos casos es necesario agregar además resistencias de frenado, se usan como sinónimos los conceptos de Frenado dinámico y frenado regenerativo, sin embargo existe diferencia entre ellos.

El frenado dinámico es el método más común para manejar la regeneración, mediante una resistencia, la cual transforma esta energía regenerada en forma de calor.

Durante la regeneración el control del drive sensa el voltaje presente en el bus de CD. Cuando el bus alcanza alrededor de 750VDC (en drives de 460V) el circuito de control enciende el séptimo IGBT, permitiendo que la corriente pase a través de la resistencia causando así la disipación.

El frenado regenerativo emplea una unidad regenerativa por lo general externa, esta unidad regenerativa invierte el voltaje del bus y lo manda a la línea de CA.

La unidad regenerativa detecta el exceso de voltaje en el bus de CD y los transistores de regeneración invierten la CD del bus en CA que es regresada a la línea de alimentación

Se requiere de un frenado dinámico o regenerativo cuando se presenta una o todas las características siguientes:
• Alta inercia en la carga comparada con la capacidad de torque del motor
• La aplicación requiere frecuentes o bruscos cambios de velocidad
• Las pérdidas en el sistema no alcanzan para detener el motor en el tiempo adecuado
En aplicaciones donde la regeneración es continua es conveniente emplear una unidad regenerativa en lugar de una resistencia de frenado.