Variadores de velocidad, necesidades de la industria

¿Qué es un variador de velocidad? Si nos atenemos a la mera descripción, un variador de velocidad es un elemento de electrónica de potencia que se usa para el arranque y manejo de un motor eléctrico y que es capaz de variar tanto la frecuencia como la tensión suministrada por la red eléctrica, de tal manera que al variar dichos parámetros es capaz de controlar el par y la velocidad de dicho motor eléctrico.

Normalmente, un variador de velocidad se compone de 3 fases: una etapa rectificadora donde la corriente alterna se transforma en continua, seguidamente un bus de continua donde se estabiliza la tensión mediante condensadores y, finalmente, una etapa rectificadora donde la tensión en continua se vuelve a transformar en alterna y donde podemos manejar tensión y frecuencia gracias a un puente de IGBTs. Dentro de esta configuración hay diversas posibilidades y variantes como, por ejemplo, tener en la etapa rectificadora un equipo capaz de devolver energía a red, o la inclusión en el propio equipo de filtros capaces de mitigar los armónicos que genera la propia electrónica de potencia reduciendo el impacto de estos y haciendo al variador mucho más eficiente.

Pero, más allá de la mera descripción, el variador de frecuencia es cada vez más un elemento clave en la automatización y digitalización de maquinas y procesos y un actor principal en la descarbonización de la industria.

Adaptabilidad

Los variadores además se están especializando de tal manera que cada vez más tenemos o bien variadores dedicados, o bien variadores lo suficientemente flexibles a nivel de hardware y software que son capaces de adaptarse a las diferentes demandas.

Si buscamos ejemplos de distintas industrias donde se usan variadores, como la industria del papel, la del automóvil, intralogistica… en todas ellas se demandan distintas funcionalidades, eficiencia, disponibilidad, seguridad, conectividad, virtualización, productividad, flexibilidad…. Por tanto y basándonos en dichas demandas debemos ser capaces de ofrecer configuraciones versátiles para soluciones exigidas según la industria.

Cada industria tiene sus necesidades por tanto los variadores se deben adaptar a dichas necesidades. Como resultado de esto y a pesar de que los variadores deben cubrir amplias funcionalidades, deben ser también capaces de adaptarse a cada industria. Incluso en algunos casos como el de la intralogistica donde priman los equipos descentralizados como puede ser el SINAMICS G115D o la industria alimentaria donde se demandan equipos de acero inoxidable y altos IP como el servo accionamiento SINAMICS S210 con su motor dedicado para la industria alimentaria el SIMOTICS 1FS2 o en infraestructura los variadores deben tener funcionalidades dedicadas con control en cascada, modo hibernación…. Y donde el ejemplo sería el SINAMICS G120X

Integración en la automatización

Al hablar de variadores no debemos pensar en ellos como un elemento aislado, lo importante es la aplicación o la industria.

Por tanto, cuando un cliente nos demande un variador deberíamos ofrecerle una solución que tenga en cuenta todo el tren de accionamiento considerando el motor/servo los acoplamientos y las reductoras para dar la solución mecánicamente óptima. Y por otro lado debemos pensar que tareas de control de movimiento vamos a realizar para combinar nuestro variador con el sistema de automatización correcto para que el control de nuestra aplicación sea también optimo, de esa manera reduciremos los tiempos de reacción y haremos la máquina o el sistema de nuestro cliente mucho más productivo.

Seguridad Integrada

Un elemento clave para los variadores es la seguridad integrada. La seguridad de operarios personal de mantenimiento y de las líneas de producción se debe poner en primer lugar. Para ello es muy importante que los variadores de frecuencia cuenten con funciones de seguridad integradas pues dicha integración ahorra tiempo de ingeniería y de instalación y evita errores de montaje.

Cuando hablamos de funciones de seguridad, dichas funciones son cada vez más complejas, no bastaría con un simple STO (Parada a eje libre) sino que debemos ser capaces de ofrecer funciones como la SLS (control seguro de velocidad) SSM (monitoreo seguro de la velocidad), SLT (Control de par seguro) o SP (Control de posición seguro).

Además, y cada vez más importante es que los comandos de dichas funciones de seguridad se transmitan a través de un bus seguro de comunicación como es Profisafe.

Eficiencia Energética- Descarbonización de la industria

La tecnología o requisitos de los accionamientos ha cambiado debido a la nueva norma europea EN 50598, con validez desde finales de 2014. Dicha norma define los requisitos de ecodiseño, es decir el análisis de eficiencia energética a lo largo del ciclo de vida, pero no solo para el motor o el variador sino para todo el sistema de accionamiento dentro de la máquina eléctrica.

Es muy importante por tanto contar con herramientas capaces de estimar el ahorro energético y la eficiencia del sistema, tales como la que ofrece Siemens con SinaSave, una herramienta en entorno web que nos permite simular los distintos puntos de trabajo, así como alimentar a la herramienta con el ciclo de trabajo supuesto de la bomba y comparar la solución de uso de bomba con variador con sistemas tradicionales mecánicos (válvulas) , obteniendo incluso un cálculo de retorno de inversión, muy útil para tomar decisiones en cuanto a inversiones.

Digitalización

La gran cantidad de datos que aportan los variadores nos debe permitir analizar los comportamientos operativos para de una manera sencilla estar informados de en qué condiciones se encuentran nuestros accionamientos y de ese modo tener los inputs necesarios para optimizar nuestra producción y disponibilidad. En este sentido la nueva generación de variadores debería ser concebida nativa digitalmente hablando, con elementos que permitan la conexión de los variadores a plataformas, ya sean Edge, cloud o servidores locales mediante protocolos como OPC/UA. Para aprovechar todo el potencial de dichos datos en aplicaciones dedicadas a los variadores como puede ser Analyze MyDrive Edge donde no solo se recolectan datos, sino que aplicando algoritmos e IA que provienen de la propia experiencia del fabricante seremos capaces aportar valor añadido creando diferentes escenarios que nos sirvan para llevar a cabo tareas como mantenimiento predictivo o análisis de eficiencia energética.

En el futuro estas aplicaciones no solo serán capaces de aportar valor sobre el variador sino sobre la aplicación en si misma, y dependiendo de la aplicación tendremos unos escenarios u otros.

Pero la digitalización no solo atañe a la conectividad de igual manera es importante facilitar la integración de los variadores en las herramientas de virtualización tanto del hardware como de la puesta en marcha virtual, para testar nuestras máquinas o instalaciones en el mundo virtual y de ese modo evitar errores y reducir el “time to market”. Este gemelo virtual del variador como puede ser DriveSim de Siemens nos permite realizar todas las pruebas necesarias en del variador, así como su integración con otros elementos de virtualización de la automatización, pudiendo de esa manera validar nuestra solución antes de empezar con la fabricación o puesta en marcha del modelo real. Este modelo virtual será capaz de alimentarse de los datos recogidos en nuestro modelo real una vez este funcionando para poder detectar mejoras y anomalías y de ese modo optimizar nuestras soluciones.

Conclusiones

Por tanto, a la hora de seleccionar un variador no lo debemos ver solo como un elemento auxiliar de la periferia si no como un elemento clave en nuestro sistema que nos ayuda en la automatización, digitalización y eficiencia de nuestro sistema.

Alberto Vegas

Responsable de Siemens General Motion Control para España

Este artículo aparece publicado en el nº 543 de Automática e Instrumentación págs. 40 a 42.