Grundfos SPE + RSI:
el bombeo solar a velocidad variable
Un conjunto Grundfos SPE pilotado por un convertidor RSI tiene su propia lógica de dimensionamiento: un umbral de arranque, un caudal mínimo continuo y tres accesorios imprescindibles. A continuación se explica su funcionamiento, con cifras de apoyo, y el método para dimensionarlo.
Una hidráulica, un motor de imanes, un convertidor
Un sistema SPE se compone de tres componentes diseñados específicamente para funcionar de manera integrada. La parte hidráulica se basa en las bombas sumergibles de la gama SP, reconocidas desde hace muchos años por su fiabilidad y sus prestaciones. El accionamiento lo asegura un motor síncrono de imanes permanentes MS6000P, de diseño de cuatro polos, capaz de alcanzar una velocidad máxima de 3.000 tr/min a 100 Hz, alimentado en trifásico 3 × 350 V. El conjunto está pilotado por el variador RSI, que convierte directamente la energía en corriente continua procedente del campo fotovoltaico en alimentación trifásica y adapta continuamente la velocidad de rotación del motor en función de la potencia solar disponible, con el fin de optimizar el funcionamiento de la bomba en todo el rango de irradiación solar.
El rendimiento constituye la principal ventaja del motor de imanes permanentes. La ausencia de corrientes inducidas en el rotor limita el calentamiento del motor y reduce la cantidad de calor transmitida al líquido bombeado, dos factores que condicionan directamente la vida útil del conjunto sumergible. Grundfos anuncia una ganancia de 8 a 10 puntos de rendimiento respecto a un motor asíncrono de potencia equivalente, y publica el detalle de estos valores al 50, 75 y 100 % de carga.
El umbral de arranque, o por qué una bomba puede girar sin dar agua
Una bomba centrífuga solo desarrolla una altura manométrica útil a partir de una velocidad de rotación mínima. Por debajo de ese umbral, aunque el motor arrastre el rodete hidráulico y consuma energía, la altura generada resulta insuficiente para vencer la carga estática del circuito: no se suministra entonces ningún caudal a la salida. Las leyes de semejanza de las bombas centrífugas, publicadas en particular por Grundfos en su documentación técnica, permiten determinar esa velocidad crítica a partir de la cual el agua empieza efectivamente a ser impulsada.
La altura a caudal nulo es el punto más alto de la curva caudal-altura, a plena velocidad. Una bomba que alcanza 189 m a caudal nulo y trabaja a 75 m arranca a √(75/189), es decir, al 63 % de su velocidad. Por debajo de esa velocidad, la bomba consume energía sin suministrar caudal, mientras que por encima el caudal crece rápidamente con la velocidad de rotación. Cuanto más bajo es este cociente, más se extiende a lo largo del día el intervalo horario durante el cual la bomba funciona.
Una SPE 77-9 a 75 metros
Tomemos un ejemplo: 75 metros de altura manométrica total, con un objetivo de caudal del orden de 100 m³/h. La SPE 77-9 responde en ese punto: nueve etapas, motor de 37 kW, altura a caudal nulo de 189 metros. Arranca al 63 % de su velocidad: la bomba se pone en marcha temprano por la mañana y se detiene tarde por la noche. Esta es su jornada, para un campo fotovoltaico de 47 kWp y un rendimiento de sistema de 0,80.
| Irradiación | Potencia a la entrada del convertidor | Caudal | Qué ocurre |
|---|---|---|---|
| 150 W/m² | 5,6 kW | 0 m³/h | bajo el umbral: la bomba no da caudal |
| 197 W/m² | 7,3 kW | arranque | el agua empieza a subir |
| 300 W/m² | 11,2 kW | 32 m³/h | ya un tercio del caudal máximo |
| 500 W/m² | 18,7 kW | 61 m³/h | régimen de media mañana |
| 700 W/m² | 26,1 kW | 80 m³/h | |
| 900 W/m² | 33,6 kW | 95 m³/h | |
| 1.000 W/m² | 37,3 kW | 101 m³/h | plena velocidad, el convertidor limita |
Una ventana de 5 a 1 corresponde a un rango de funcionamiento amplio. En una bomba cuya relación altura sobre altura a caudal nulo fuera de 0,85, el arranque subiría al 92 % de la velocidad y la ventana caería a 1,3 a 1: la misma instalación ya solo trabajaría en las horas centrales del día. Este es el primer punto que el dimensionamiento debe verificar, incluso antes que la potencia del campo fotovoltaico.
Lo que el RSI impone al campo fotovoltaico
El RSI se ofrece en dos gamas de tensión, y esta elección compromete al conjunto del generador fotovoltaico, puesto que determina la arquitectura de las cadenas de módulos. La gama 3 × 380-440 V cubre de 2,2 a 250 kW, mientras que la gama 3 × 208-240 V llega hasta 15 kW y funciona a tensiones continuas más bajas.
| Gama del convertidor | Tensión MPP mínima | Tensión MPP recomendada | Tensión de entrada máxima | Potencia |
|---|---|---|---|---|
| 3 × 380-440 V | 450 V | 530 a 615 V | 800 V | 2,2 a 250 kW |
| 3 × 208-240 V | 230 V | 290 a 336 V | 400 V | 1,5 a 15 kW |
De ahí se derivan dos reglas de dimensionamiento del cableado. La cadena debe mantenerse por encima de 450 voltios en el punto de potencia máxima incluso con mucho calor, cuando la tensión de los módulos se desploma, y por debajo de 800 voltios en circuito abierto con mucho frío, cuando alcanza su máximo. La banda recomendada entre ambos límites tiene una razón física: hace falta suficiente tensión continua para que el convertidor restituya la tensión plena del motor a su frecuencia nominal.
Los tres imprescindibles
Tres elementos acompañan al conjunto y protegen el motor a lo largo del tiempo: el filtro sinusoidal, la camisa de refrigeración y la sonda de temperatura.
El filtro sinusoidal
Un variador no suministra una sinusoide, sino una sucesión de impulsos, y los picos de tensión que resultan de ello fatigan el aislamiento de los devanados, tanto más cuanto más largo es el cable de bajada. El manual de las bombas SP fija límites claros: para un motor MS6000 alimentado por un convertidor solar, sin filtro, la tensión continua del campo en circuito abierto se limita a 400 voltios y el cable no apantallado a 300 metros; con un filtro sinusoidal, estos límites pasan a 800 voltios y 500 metros.
La gama 3 × 380-440 V requiere una tensión mínima de 450 voltios en el punto de potencia máxima, y por consiguiente una tensión en circuito abierto todavía más elevada, de modo que no puede en ningún caso respetar el límite de 400 voltios. En esta gama, el filtro sinusoidal es obligatorio. La gama 3 × 208-240 V, cuya entrada está limitada a 400 voltios, está diseñada para prescindir de él.
En un motor a 3.000 tr/min alimentado en 100 Hz, el filtro se elige en la columna de 100 Hz del catálogo. La corriente admisible de un filtro es aproximadamente un cuarto más baja a 100 Hz que a 50 Hz: un motor que consume 85,6 A a 100 Hz requiere un filtro dado para aproximadamente 112 A a 50 Hz.
La camisa de refrigeración
Un motor sumergible se refrigera con el agua que lo bordea; Grundfos exige una velocidad de al menos 0,15 m/s a lo largo del motor, y facilita la fórmula para comprobarla:
En una perforación ancha, el agua se ralentiza alrededor del motor y lo refrigera menos. La camisa, un simple tubo colocado alrededor del motor, restablece la velocidad de flujo; Grundfos la recomienda también en presencia de arena.
En la SPE 77-9 del ejemplo, resulta útil a partir de unos 190 mm de diámetro de perforación; el umbral depende de la bomba.
La sonda de temperatura
Los motores sumergibles Grundfos pueden recibir un sensor de temperatura integrado, y el libro técnico indica sin ambigüedad que estos sensores son incompatibles con un variador de frecuencia. Un fusible interno del transmisor se funde nada más ponerse bajo variador, y el sensor se pierde definitivamente. Grundfos recomienda instalar en su lugar una sonda Pt100 o Pt1000 externa.
La sonda externa es la única protección térmica del conjunto. El convertidor protege el motor contra la sobrecarga eléctrica; la temperatura, en cambio, depende enteramente de la sonda: el manual precisa que el convertidor no la mide.
El rango de funcionamiento que hay que respetar
El dimensionamiento debe garantizar que la bomba funcione en todo momento dentro de su ámbito de uso, cualesquiera que sean las condiciones climáticas y las limitaciones del emplazamiento.
| Límite | Valor | Por qué |
|---|---|---|
| Caudal mínimo continuo | 0,1 × el caudal nominal | por debajo, el agua ya no circula lo suficiente para refrigerar el motor |
| Caudal máximo continuo | 1,3 × el caudal nominal | riesgo de empuje axial invertido y de cavitación |
| Marcha con válvula cerrada | 30 segundos como máximo | el líquido se calienta localmente |
| Sobrevelocidad | desaconsejada | el fabricante desaconseja superar la frecuencia nominal |
| Rampas de aceleración | 3 segundos como máximo | protección de los cojinetes lisos y de la empaquetadura |
| Número de arranques | 120 por hora, 360 por día | conviene verificarlo en un emplazamiento con pasos nubosos frecuentes |
Solarizar una bomba SP ya instalada
El RSI también pilota los motores asíncronos clásicos que equipan las bombas sumergibles de la gama SP. Una bomba ya instalada en una perforación puede así convertirse al funcionamiento solar sin modificar la hidráulica, conservando el mismo convertidor y el mismo método de dimensionamiento.
| SP + RSI (motor asíncrono) | SPE + RSI (imanes permanentes) | |
|---|---|---|
| Rendimiento del motor | del orden del 82 % | 92,4 % a plena carga |
| Rendimiento a carga parcial | raramente publicado | 90,6 % a media carga |
| Velocidad nominal | 2.900 tr/min a 50 Hz | 3.000 tr/min a 100 Hz |
| Conexión directa a red | posible | imposible, variador obligatorio |
| Filtro sinusoidal en gama 400 V | obligatorio | incluido de forma sistemática |
| Caso de uso | solarización de una bomba ya instalada | instalación nueva, búsqueda del mejor rendimiento |
Con el mismo campo fotovoltaico, el motor de imanes permanentes dispone de más potencia en el eje: arranca más temprano por la mañana y suministra un volumen de agua superior a lo largo de toda la jornada. Una diferencia de diez puntos de rendimiento se traduce así directamente en un volumen producido mayor.
Lo que LE LAB hace con todo esto
El dimensionamiento de un sistema de bombeo a velocidad variable comienza por la determinación del umbral de arranque hidráulico. Conviene en primer lugar verificar que ese umbral permite disponer de un rango de funcionamiento aprovechable en las condiciones reales de irradiación. Es necesario después asegurarse de que el caudal requerido se mantiene por encima del caudal mínimo de funcionamiento continuo de la bomba, y comprobar a continuación que el generador fotovoltaico respeta la ventana de tensión admisible por el convertidor, tanto en la tensión máxima con bajas temperaturas como en la tensión mínima con altas temperaturas. Solo después de validar estas condiciones de funcionamiento puede realizarse la evaluación de la producción de agua, mes a mes.
Durante el dimensionamiento, LE LAB compara sistemáticamente los conjuntos SPE asociados a un convertidor RSI con las soluciones de bombeo de controlador integrado. Cuando varias arquitecturas permiten alcanzar el punto de funcionamiento requerido, la aplicación propone con prioridad la solución más simple, con el fin de limitar la complejidad de la instalación, reducir los costes y facilitar tanto la puesta en marcha como la mantenimiento.
De dónde proceden estas cifras
- Libro técnico SPE 3.000 tr/min, Grundfos: descripción de la gama, motores MS6000P, rendimientos y factores de potencia, selección de los filtros sinusoidales, condiciones de funcionamiento, leyes de semejanza, diámetros de perforación recomendados.
- Manual de instalación y funcionamiento SP y SPE, Grundfos: funcionamiento con convertidor de frecuencia, límites de tensión y de longitud de cable con y sin filtro, velocidad de flujo mínima a lo largo del motor, sensores de temperatura.
- Manual de instalación y funcionamiento RSI 1,5 a 250 kW, Grundfos: tensiones en el punto de potencia máxima, tensión de entrada máxima, rango de frecuencia, tamaños e intensidades de salida, ajuste de la frecuencia mínima de impulsión, códigos de fallo.
- Manual RSI AC Drives, Grundfos: características técnicas del convertidor, tipos de motores pilotados, rangos de temperatura y reducciones de potencia.
- Curvas caudal-altura y curvas de potencia de las fichas de producto Grundfos Product Centre para la bomba citada como ejemplo.
Cifras y restricciones tomadas de la documentación oficial de Grundfos, versiones vigentes en la fecha de publicación; el manual del fabricante sigue siendo la referencia. Una página editada por SINES, distribuidor oficial de Grundfos.