¿Qué productos de apoyo se necesitan para maximizar el impacto de usar VFD y VSD? - Parte 2

En la primera parte de esta serie de artículos, se analizan los aspectos que deben tenerse en cuenta al seleccionar los cables de conexión del motor, las reactancias de salida, las resistencias de frenado, las reactancias de línea y los filtros de línea. En la Parte 2, se continúa analizando las diferencias entre VSD/VFD y servoaccionamientos, revisando los usos de los servomotores lineales y rotativos de CA y CC, considerando dónde encajan las unidades de arranque-parada suave en las operaciones industriales y viendo cómo se utilizan los convertidores de CC para alimentar periféricos como sensores, interfaces de máquina humana (HMI) y dispositivos de seguridad.

Los variadores de velocidad y los variadores de frecuencia (VSD/VFD) son esenciales para maximizar la eficiencia y la sostenibilidad de las operaciones industriales, pero no son las únicas herramientas disponibles. Para obtener el máximo rendimiento, a menudo es necesario complementar los VSD/VFD con otros dispositivos, como servoaccionamientos y motores, unidades de arranque-parada progresiva, convertidores de CC y sistemas de alimentación ininterrumpida (SAI) de corriente continua, a fin de lograr una arquitectura de automatización industrial óptima.

Los servomotores y accionamientos de CA y CC son adecuados para diversas aplicaciones, desde tareas sencillas de 1 ó 2 ejes hasta tareas complejas con 256 o más ejes de movimiento. Los actuadores controlados por servomotor proporcionan movimientos precisos y repetibles para máquinas industriales y están disponibles con configuraciones de movimiento rotativo y lineal.

Aplicaciones de velocidad constante como cintas transportadoras, bombas y puentes grúa pueden beneficiarse a menudo del uso de unidades de arranque-parada suave en lugar de VSD/VFD.

En función de los requisitos de la aplicación, los diseñadores pueden elegir entre fuentes de alimentación de CC redundantes, una fuente de alimentación de Clase 2 según la definición del Código Eléctrico Nacional de EE.UU. (NEC) o un SAI de CC para gestionar la imprevisibilidad de la alimentación de red y mejorar la fiabilidad del sistema.

Este artículo comienza con un análisis de las diferencias entre VSD/VFD y servoaccionamientos, revisa los usos de los servomotores rotativos y lineales de CA y CC, y considera dónde encajan las unidades de arranque-parada suave en las operaciones industriales. Continúa repasando cómo se utilizan los convertidores de CC para alimentar periféricos como sensores, interfaces hombre-máquina (HMI) y dispositivos de seguridad. Examina cuándo utilizar una arquitectura de CC redundante o un SAI de CC para alimentar esos dispositivos y la elección entre el almacenamiento de energía en baterías o supercapacitores. En cada caso se presentan dispositivos representativos de Schneider Electric, Omron, Lin Engineering y Siemens.

Los sistemas de servomotores pueden complementar a los VSD/VFD en las arquitecturas de automatización industrial. Los servomotores están diseñados para sistemas de movimiento complejos y dinámicos y permiten un posicionamiento preciso. Los servoaccionamientos se utilizan con motores de imanes permanentes y codificadores para el control en bucle cerrado. Están diseñados para soportar aceleraciones y deceleraciones rápidas y pueden admitir perfiles de movimiento lineales o no lineales.

Muchos VSD/VFD utilizan el control en bucle abierto para gestionar la velocidad del motor. No ofrecen la precisión ni la capacidad de respuesta de los servomotores. Además, el control del motor en bucle abierto significa que los VSD/VFD no se compensan necesariamente si la carga cambia o el motor se cala. Mientras que los servomotores se utilizan en aplicaciones muy dinámicas, los VSD/VFD se emplean en aplicaciones que mantienen una velocidad constante, o relativamente pocos cambios de velocidad, durante un periodo prolongado.

Los servomotores suelen ser más pequeños que los variadores VSD/VFD, con potencias típicas de 40 a 5,000 A. Características: altas velocidades, hasta 5,000 revoluciones por minuto (rpm), bajo nivel de ruido y vibraciones y alto par de torsión. Los servomotores están disponibles en varios tamaños de bastidor, hasta 180 mm o más. Por ejemplo, el SBL40D1-04 de Lin Engineering es un servomotor de CC sin escobillas (BLDC) de 40 mm y 60 W con un voltaje nominal de 36 V_CC.

Los servomotores suelen ir acompañados de accionamientos. Schneider Electric ofrece el accionamiento LXM28AU07M3X y el servomotor BCH2LF0733CA5C de 5,000 rpm, ambos con una potencia nominal de 750 A (Figura 1). El accionamiento cuenta con interfaces de comunicación CANopen y CANmotion integradas y puede funcionar con alimentación monofásica o trifásica. El motor complementario de 80 mm tiene un grado de protección IP65 y puede funcionar entre -20 °C y +40 °C.

Figura 1: Servoaccionamiento de 750 A y motor con clasificación IP65. (Fuente de la imagen: Schneider Electric)

Movimiento lineal y cartesiano

El movimiento lineal se utiliza en diversos procesos industriales, desde el recubrimiento de materiales y la impresión en 3D hasta los sistemas de inspección, y está disponible en varias formas. Algunos se basan en motores paso a paso rotativos y otros utilizan motores lineales. Los motores paso a paso rotativos producen movimientos lineales mediante un eje roscado. Existen dos diseños básicos, el de tuerca externa y el de tuerca interna, a veces denominado no cautivo.

La tuerca se monta en el eje roscado en un actuador lineal de tuerca externa. El eje está fijado en ambos extremos. A medida que el motor paso a paso gira, la tuerca se desplaza hacia delante y hacia atrás a lo largo del eje, transportando el objeto (carga útil) que debe desplazarse. En un diseño no cautivo, la carga útil está unida al motor. El eje está fijo en ambos extremos, y el motor que transporta la carga útil se desplaza a lo largo del eje.

Las etapas de movimiento lineal con motores lineales con núcleo de hierro de alta eficiencia, pistas magnéticas y tecnología de encóder absoluto pueden proporcionar precisión submicrónica repetible y aceleración 5G, con movimientos de hasta 5 m/s para aplicaciones industriales de alta velocidad. A diferencia de los diseños de eje roscado, los motores lineales pueden proporcionar una mayor precisión de posicionamiento y un movimiento más rápido.

Las piezas mecánicas de las etapas de movimiento lineal pueden embalarse en estructuras muy cerradas para proteger el medio ambiente. Omron ofrece etapas de movimiento lineal basadas en motores con núcleo de hierro que van desde 30 mm de ancho de imán activo y tres bobinas hasta 110 mm de ancho de imán activo y 15 bobinas. Su fuerza nominal oscila entre 48 Newtons (N) y 760 N.

El motor actuador lineal R88L-EA-AF-0303-0686 está disponible en modelos de 230 V y 400 V. Tiene una fuerza nominal de 48 N y una fuerza máxima de 105 N. Puede controlarse con el servocontrolador R88D-KN02H-ECT, que incluye comunicación EtherCAT para su integración en redes industriales. Pueden apilarse dos etapas de movimiento lineal para proporcionar movimiento en un sistema de coordenadas cartesianas (Figura 2).

Figura 2: Se pueden apilar dos etapas de motor lineal para realizar movimientos cartesianos. (Fuente de la imagen: Omron)

Unidades de arranque y parada suaves

Mientras que los VFD/VSD y los servocontroladores controlan la velocidad y el par de los motores durante el funcionamiento, las unidades de arranque-parada suave limitan la irrupción de corriente cuando se arranca un motor para protegerlo y proporcionar una rampa suave de velocidad y par. Proporcionan rampas suaves de reducción de velocidad cuando el motor está parado. También protegen los componentes mecánicos del sistema de los dañinos picos de par de torsión al arrancar o parar.

Una unidad de arranque-parada suave del motor puede beneficiar a Aplicaciones como cintas transportadoras, bombas, ventiladores, grúas puente y puertas automáticas que no necesitan altos niveles de par de torsión de arranque y funcionan a velocidades constantes. Los cambios de velocidad controlados y predecibles también mejoran la seguridad del operador.

Las velocidades de arranque y parada del motor se guían mediante dispositivos de estado sólido como los rectificadores controlados por silicio (SCR) que controlan el voltaje y la corriente del motor. Una vez que el motor está totalmente arrancado, los SCR se puentean mediante un contactor para mejorar la eficiencia operativa.

Las unidades de arranque-parada suave como la familia Alistart 22 de Schneider Electric pueden manejar un amplio rango de/una amplia gama de motores asincrónicos trifásicos de 4 kW a 400 kW. Incluyen protección térmica y contra sobrecarga del motor de clase 10, que proporciona un tiempo de disparo rápido de 8 a 10 segundos. Las potencias de las unidades de arranque-parada suave suelen depender de la tensión de funcionamiento del motor. Por ejemplo, la unidad ATS22D17S6U de Schneider Electric puede manejar motores de 3 CV con una potencia de 208 V, 5 CV con una potencia de 230 V, 10 CV con una potencia de 460 V y 15 CV con una potencia de 575 V (Figura 3). Necesita una alimentación de 110 V_CA 50/60 Hz para los circuitos de control.

Figura 3: Esta unidad de arranque-parada suave puede funcionar con motores de hasta 15 CV. (Fuente de la imagen: DigiKey)

Alimentación redundante

Los sistemas industriales utilizan alimentación de 24 V_CC para diversas funciones, como sensores, HMI y dispositivos de seguridad. La alimentación redundante básica puede mejorar la fiabilidad de las instalaciones industriales. La alimentación redundante utiliza dos fuentes de alimentación conectadas en paralelo para alimentar una carga en la que cada fuente de alimentación es suficiente para alimentar toda la carga en caso de que falle la otra. Cuando se utilizan dos fuentes de alimentación, se denomina redundancia 1+1. Ambas fuentes de alimentación deben fallar para que falle la alimentación del sistema.

El uso de más fuentes de alimentación en una configuración N+1 puede aumentar la fiabilidad de todo el sistema de suministro eléctrico. Una arquitectura de alimentación redundante 3+1 utiliza cuatro fuentes de alimentación, tres de las cuales pueden alimentar toda la carga.

Un módulo de redundancia suele utilizar un aislamiento por diodos para conectar las fuentes de alimentación y garantizar que el fallo de una de ellas no afecte al funcionamiento de las demás. Para aplicaciones que requieren una fiabilidad aún mayor, pueden emplearse varios módulos de redundancia para eliminar la posibilidad de un único punto de fallo (Figura 4). Por ejemplo, la fuente de alimentación de CA/CC S8VK-C12024 de Omron puede soportar cargas de 24 V de hasta 120 A. Dos de esas fuentes de alimentación pueden conectarse mediante el módulo de redundancia S8VK-R10 para crear un sistema de alimentación redundante 1+1 de 120 W.

Figura 4: El uso de varios módulos de redundancia (derecha) puede eliminar el punto único de fallo y aumentar la fiabilidad. (Fuente de la imagen: Siemens)

Clase 2 y redundante

La potencia de clase 2 puede ser un importante factor de seguridad en instalaciones industriales. Según se define en la norma NEC de EE.UU., las fuentes de alimentación de clase 2 tienen una potencia limitada a menos de 100 VA. La alimentación de clase 2 también es necesaria o recomendada para algunos dispositivos industriales fuera de EE.UU.

Limitar la potencia reduce los riesgos de descarga eléctrica e incendio. Como resultado, las instalaciones de clase 2 no requieren que los cables de alimentación pasen por conductos o canalizaciones, lo que simplifica la instalación y reduce los costes. Además, las instalaciones de clase 2 requieren inspecciones más sencillas, lo que reduce aún más los costes.

Hay dos formas de conseguir una potencia de salida de clase 2. Existen fuentes de alimentación que limitan internamente la potencia de salida a menos de 100 VA. También se puede utilizar una fuente de alimentación de mayor potencia, como la 6EP15663AA00 de 480 W (24 V_CC y 20 A) de Siemens, con módulos de redundancia como el 6EP19622BA00 de Siemens, que limitan la potencia de salida y proporcionan redundancia para varias cargas (Figura 5).

Figura 5: Fuentes de alimentación redundantes 1+1 (izquierda) conectadas a cuatro cargas mediante módulos de redundancia de clase 2. (Fuente de la imagen: Siemens)

Alimentación ininterrumpida

La alimentación redundante puede ser útil, pero no es suficiente para las aplicaciones críticas. Cuando la trazabilidad y la recopilación de datos son obligatorias, la seguridad es una preocupación o se requiere un funcionamiento ininterrumpido, se necesitará un SAI como el 6EP41363AB002AY0 SITOP UPS de Siemens. Este UPS ofrece una salida de 24 V_CC y puede suministrar hasta 20 A.

Una de las cuestiones clave a la hora de elegir un UPS es la tecnología de almacenamiento de energía. Los ultracapacitores, también llamados condensadores de doble capa, son adecuados para las necesidades de energía de reserva a corto plazo, como el almacenamiento de datos de procesos y el apagado ordenado de PC industriales y otros dispositivos. Tienen una larga duración y pueden proporcionar hasta 20 kilovatios segundos (kWs) de energía de reserva. Por ejemplo, la unidad de almacenamiento de energía de capacitores modelo 6EP19332EC41 de Siemens puede proporcionar hasta 2.5 kW de energía de reserva.

Los terminales de plomo-ácido y varios de ion de litio pueden ser útiles para necesidades de energía de reserva más prolongadas, de hasta varias horas, para comunicaciones críticas u operaciones de proceso (Figura 6). Hay disponibles módulos básicos de baterías/pilas para UPS de CC con hasta 38 Ah de almacenamiento. Se pueden utilizar varios módulos de batería/pila para proporcionar tiempos de reserva de varias horas. El módulo de baterías del UPS CC 6EP19356MD31 de Siemens utiliza baterías de plomo-ácido selladas libres de mantenimiento para proporcionar hasta 15 A con una capacidad de almacenamiento de 2.5 Ah.

Figura 6: Los ultracapacitores (UPS5005 y UPS501S) pueden proporcionar energía de reserva a corto plazo (izquierda), mientras que las baterías (UPS16090 y BAT1600) pueden soportar un funcionamiento de energía de reserva mucho más prolongado (derecha). (Fuente de la imagen: Siemens)

Conclusión:

Los VSD/VFD suelen considerarse los caballos de batalla de la automatización industrial. Sin embargo, una arquitectura de automatización industrial completa requiere más, incluidos servoaccionamientos, motores y unidades de arranque y parada progresivos. Los diseñadores de sistemas de automatización industrial también disponen de numerosas arquitecturas de alimentación de CC para optimizar el tiempo de actividad y la fiabilidad.