Cómo instalar, conectar e integrar rápidamente variadores de velocidad de un eje en sistemas de automatización de la Industria 4.0

Los variadores de velocidad (VSD) de un solo eje son esenciales en aplicaciones industriales como bombas, ventiladores, compresores, cintas transportadoras y operaciones de procesamiento como molinos y mezcladoras. Estas aplicaciones tienen secuencias de movimiento sencillas y requieren VSD eficientes que permitan una implementación rápida y económica de las funciones básicas del accionamiento con tiempos de puesta en marcha cortos.

Pueden requerir diversas funciones de control, como voltios escalares por Hertz (V/f), V/f multipunto programable, V²/f que adapta automáticamente el fundente para ahorrar energía, y control de intensidad de fundente (FCC) que adapta automáticamente la salida del accionamiento a la carga. La implantación e integración rentables son clave para los sistemas industriales y se benefician de características como:

• Selección de aplicaciones preconfiguradas
• Tamaño compacto
• Parámetros de comunicación preestablecidos
• Transferencia eficaz de los ajustes de parámetros a varias unidades
• Puesta en servicio, funcionamiento y diagnóstico inalámbricos
• Macros de conexión y aplicación para simplificar el cableado y la configuración de E/S

Este artículo presenta una familia de variadores de frecuencia de un eje de Siemens, resistentes y energéticamente eficientes, diseñados para simplificar la instalación. También repasa varias funciones integradas, examina los accesorios básicos del sistema y una serie de módulos complementarios más especializados y avanzados, así como sugerencias de integración mediante controladores Siemens. Concluye repasando algunas consideraciones para integrar estos variadores de frecuencia en armarios de control y sistemas de movimiento industrial que cumplan la normativa EMI (interferencia electromagnética).

La digitalización del control de motores aporta múltiples ventajas a los sistemas industriales de movimiento de un solo eje. La sustitución de controles mecánicos sencillos por un VSD permite al sistema responder inmediatamente a situaciones de funcionamiento a carga parcial y puede reducir el consumo de energía en un 50% o más. El funcionamiento a velocidad variable también puede minimizar el desgaste de los motores y los componentes mecánicos, reduciendo las necesidades de mantenimiento y mejorando la disponibilidad.

La plataforma SINAMICS V20 de Siemens está disponible en nueve tamaños de bastidor y cubre una gama de potencias de 0.12 kW a 30 kW (0.16 CV a 40 CV) (Figura 1). Algunos ejemplos de VFD SINAMICS V20 son los modelos 6SL3210-5BB11-2UV1 de 0.12 kW hasta 3 kW, 6SL3210-5BB23-0UV1 de entrada monofásica de 230 V_CA y 6SL3210-5BE32-2UV0 de 0.37 kW hasta 30 kW de entrada trifásica de 480 V_CA.

Figura 1: Los nueve tamaños de trama de los convertidores SINAMICS V20 de FSAA a FSE (de 0.16 a 40 CV). (Fuente de la imagen: Siemens)

La eficiencia es una de las principales ventajas de utilizar los variadores SINAMICS V20. Son compactas y aprovechan eficientemente el espacio; permiten una instalación y puesta en marcha rápidas, con lo que se ahorra tiempo y dinero, y son eficientes desde el punto de vista energético, lo que contribuye a un planeta más verde. Algunas de sus muchas características incluyen:

• Funcionamiento económico respaldado por múltiples modos de control, incluidos V/f, V²/f, FCC y V/f multipunto
  • El ahorro de energía puede mejorarse utilizando el modo ECO para V/f, V²/f y un modo de hibernación.
  • El ahorro de energía puede controlarse sin equipos externos de medición de potencia y visualizarse en kWh, CO2 o divisa.
• Red monofásica o trifásica
  • Monofásica de 200 a 240 V_CA (-10% / +10%) también puede conectarse a dos fases de una red trifásica de 120 / 240 V_CA.
  • Trifásico 380 a 480 V_CA (-15% / +10%)
• Las macros de aplicación preconfiguradas reducen el tiempo de puesta en marcha
• Los parámetros de comunicación preestablecidos aceleran la puesta en servicio mediante bibliotecas estándar y macros de conexión.
• La adaptación automática a tensiones de red inestables garantiza un funcionamiento estable, evita interrupciones y contribuye a aumentar la productividad.
• Capacidad de sobrecarga de hasta el 150% durante 60 s dentro de un ciclo de 300 s
• El voltaje máximo de salida es el 100% del voltaje de entrada
• La carga de parámetros sin fuente de alimentación permite configurar rápidamente varias unidades
• Puesta en servicio con dispositivo móvil o computadora portátil con servidor web Smart Access
• Aplicación integrada y macros de conexión

Funciones integradas

Los variadores SINAMICS V20 disponen de varias funciones integradas que agilizan el despliegue y simplifican la integración, como un controlador proporcional-integral-derivativo (PID) para tareas de control de procesos, un interruptor de frenado integrado en los 2 tamaños de bastidor más grandes y una función de acoplamiento de CC que permite que dos variadores de igual tamaño trabajen en tándem para aumentar el ahorro de energía. El controlador PID puede utilizarse en tareas de proceso sencillas, como el control de presiones, niveles o caudales en relación con un punto de consigna.

La función PID incluye autoajuste para un funcionamiento óptimo y puede soportar el funcionamiento por etapas del motor. El escalonamiento de motores permite controlar hasta 2 motores adicionales escalonados (en cascada). En este caso, el sistema está formado por el motor primario controlado por el inversor y dos motores adicionales controlados mediante contactores o arrancadores controlados por salidas digitales del inversor.

Los tamaños de bastidor FSD y FSE tienen un chopper de frenado integrado; para otros tamaños de bastidor, hay disponible un módulo de freno externo (véase más abajo). El motor puede frenarse eléctrica o mecánicamente.

• Opciones de freno eléctrico
  • El frenado de CC se aplica al devanado del estátor, lo que produce un par de torsión de frenado significativo. Aunque no es adecuada para sujetar cargas suspendidas, la corriente puede mantener inmóvil el eje una vez que se ha detenido la rotación.
  • El frenado compuesto superpone el frenado de CC al frenado regenerativo, en el que el inversor regenera energía en el suministro del enlace de CC durante el frenado.
  • El frenado dinámico convierte la energía regenerativa en calor. La aplicación del frenado dinámico requiere una resistencia/resistor de frenado externo para disipar la energía.
• Un motor mecánico que sujeta el freno puede controlarse mediante lógica interna para evitar que el motor gire cuando el inversor está apagado.

Los variadores SINAMICS V20 también incluyen una función de acoplamiento de CC que permite acoplar eléctricamente dos inversores de igual tamaño mediante sus conexiones de CC. Cuando procede, el acoplamiento de CC puede reducir los costes energéticos al permitir que un inversor utilice la energía regenerativa extraída del otro inversor. Los inversores pueden compartir un único sistema de frenado dinámico, lo que reduce los costes de instalación. En algunos casos, el acoplamiento de CC puede eliminar la necesidad de un módulo de frenado dinámico y una resistencia/resistor de frenado dinámico.

Accesorios básicos del sistema

Además de las funciones integradas, la utilidad de los inversores SIMAMICS V20 puede mejorarse añadiendo algunos accesorios del sistema, como un panel de operador básico (BOP) y una interfaz BOP, un módulo de acceso inteligente y un cargador de parámetros (Figura 2):

• El SIMAMICS V20 tiene un panel de control integrado, pero algunas aplicaciones pueden beneficiarse añadiendo un BOP para el control remoto de la unidad. El BOP está diseñado para montaje distribuido y tiene una clasificación de gabinete/recinto UL Tipo 1.
• El BOP se conecta al SINAMICS V20 mediante un módulo de interfaz BOP especializado que se clava en el puerto de conexión del inversor y dispone de una interfaz RS232 para conectarse al BOP.
• El módulo Smart Access cuenta con un Servidor web integrado que simplifica la puesta en marcha y el funcionamiento del SINAMICS V20 mediante un smartphone, una computadora portátil o una tableta. Las funciones soportadas por este módulo incluyen:
  • Asistente de puesta en marcha para acelerar la puesta en marcha
  • Ajuste y almacenamiento de parámetros, o restablecimiento de los ajustes de fábrica
  • Pruebas de motor
  • Seguimiento de los datos operativos
  • Realización de comprobaciones de diagnóstico del sistema
• El cargador de parámetros puede cargar hasta 100 juegos de parámetros en el SINAMICS V20 o descargar juegos de parámetros de la unidad. El cargador de parámetros alimentado por batería puede utilizarse sin necesidad de encender el accionamiento.

Figura 2: FSAA SINAMICS V20 de 0.16 HP con cuatro módulos de expansión comunes. (Fuente de la imagen: Siemens)

Más accesorios

Se pueden añadir filtros de línea cuando sea necesario. Para cumplir la norma EN 61800-3 Categoría C2 Emisiones radiadas y conducidas, se requieren filtros CEM externos para los inversores SINAMICS V20 (modelos de 400 V filtrados y sin filtrar, así como modelos de 230 V sin filtrar). Por ejemplo, el modelo 6SL32030BE177BA0 está diseñado para utilizarse con inversores FSA de 400 V.

Hay reactancias de línea disponibles para suavizar los picos de voltaje o puentear los huecos de conmutación. Estas reactancias también reducen los efectos de los armónicos en la alimentación de línea y el convertidor.

El frenado puede implementarse utilizando el módulo de frenado 6SL32012AD208VA0 (Figura 3) con tamaños de bastidor FSAA a FSC. Los tamaños de bastidor FSD y FSE tienen un chopper de frenado integrado y no requieren un módulo externo. En todos los casos, se puede conseguir un mejor rendimiento de frenado y una deceleración mejorada añadiendo una resistencia/resistor de frenado externo como el modelo 6SE64004BC050AA0 para disipar la energía regenerativa producida por el motor.

Figura 3: Módulo de frenado para accionamientos de motor SINAMICS V20. (Fuente de la imagen: DigiKey)

Aplicaciones que necesitan entradas o salidas pueden añadir el módulo SINAMICS V20 I/O Extension (Figura 4). El módulo se monta directamente en inversores de la gama de 400 V y proporciona dos entradas digitales y dos salidas de relé digitales. Por ejemplo, el módulo de ampliación de E/S puede utilizarse en aplicaciones de control de varias bombas, lo que permite controlar hasta cuatro bombas con un solo accionamiento SIMAMICS V20. El módulo también es útil cuando hay que controlar varios ventiladores o compresores. Dispone de conexiones en la parte delantera y trasera y puede combinarse con otros accesorios como la interfaz BOP y los módulos de acceso inteligente. Sin embargo, no puede utilizarse simultáneamente como módulo cargador de parámetros.

Figura 4: Módulo de expansión montado en la parte frontal de un accionamiento SINAMICS V20. (Fuente de la imagen: Siemens)

Las reactancias de salida, como el modelo 6SL3202-0AE16-1CA0 para tamaño de bastidor FSA, pueden reducir la tensión en los bobinados del motor (Figura 5). Estas reactancias de salida también reducen las corrientes de carga y descarga capacitivas que pueden sobrecargar el inversor cuando se utilizan cables de motor largos.

Figura 5: Reactancia de salida para accionamientos trifásicos de 0,5 CV de 380 V_CA a 480 V_CA, bastidor FSA de 6,1 A SINAMICS V20. (Fuente de la imagen: Siemens)

Integración en sistemas más amplios

Los variadores SINAMICS V20 están diseñados para ser controlados por un controlador SINAMICS S7-1200 o S7-1500, como el modelo 6ES75173FP000AB0, a través de la interfaz RS485 y utilizando el protocolo Universal Serial Interface (USS). Existen proyectos de ejemplo que muestran cómo configurar y programar estos controladores con un SINAMICS V20. USS es la configuración por defecto, pero un SINAMICS V20 también puede utilizar el protocolo MODBUS RTU.

Un controlador maestro puede conectarse a un máximo de 31 variadores de frecuencia.

En resumen

Ensamblar los componentes detallados anteriormente en un sistema completo puede ser un reto, especialmente si el cumplimiento de la CEM es una consideración importante. Aislar las posibles fuentes de interferencia suele ser el método más rápido y rentable. Puede conseguirse organizando el armario de control y el resto del sistema en una serie de cuatro zonas aisladas, como se muestra en la figura 6. A la hora de implantar las zonas de aislamiento, hay que tener en cuenta lo siguiente:

• El desacoplamiento electromagnético de las zonas puede lograrse utilizando placas de separación conectadas a tierra o receptáculos metálicos separados.
  • El SINAMICS V20 está en la Zona B, y un controlador SIMATIC S7-1200 o S7-1500 está en la Zona C.
• Para mejorar el rendimiento CEM, se pueden añadir filtros y módulos de acoplamiento en las interfaces de las zonas.
• Los cables de conexión entre las zonas deben estar separados para evitar el acoplamiento CEM y no deben estar en el mismo canal o mazo de cables.
• Los cables de red de comunicaciones y de señales como RS485 que entren o salgan del armario deben estar apantallados.

Figura 6: Las zonas desacopladas electromagnéticamente pueden mejorar el rendimiento CEM de las instalaciones SINAMICS V20. (Fuente de la imagen: Siemens)

Conclusión:

Los convertidores SINAMICS V20 son muy versátiles, compactos y compatibles con diversas aplicaciones industriales de velocidad variable de un solo eje. Tienen una amplia matriz de características y capacidades incorporadas. Añadir accesorios como un panel de operador básico, un módulo de acceso remoto y un cargador de parámetros puede aumentar la utilidad. Además, estos accionamientos están disponibles con una amplia matriz de módulos complementarios que admiten funciones avanzadas del sistema y están optimizados para su uso con controladores Siemens. Por último, se mostró cómo integrar estos variadores de frecuencia en armarios de control y sistemas de movimiento industrial que cumplen la normativa EMI (interferencia electromagnética).