AEI 517 - Presente y futuro de los variadores de frecuencia para motores

Los primeros variadores de frecuencia para motores de CA en baja tensión datan de finales de los años 60, aunque todavía eran muy voluminosos y muy caros. En medio siglo la tecnología de estos equipos, también denominados convertidores de frecuencia o variadores de velocidad, ha evolucionado enormemente siendo ahora equipos controlados digitalmente con unas posibilidades enormes de parametrización para ajustar el funcionamiento a las condiciones de la carga y de la aplicación. Es por tanto un equipo que ha sufrido una evolución muy destacada, aunque su función es básicamente la misma: control de la velocidad de un motor eléctrico para la optimización de los movimientos en procesos de fabricación discreta, reducción y optimización del consumo de energía o la disminución de los esfuerzos mecánicos.

¿Cuáles son los límites y futuras aplicaciones de los variadores de frecuencia? En este informe abordamos con detalle la evolución y el mercado de estos equipos y lo hacemos a través de la opinión de siete responsables de distintas compañías líderes en el sector de los variadores: WEG, ABB, Yaskawa, Rockwell Automation, Carlo Gavazzi, Omron y Eaton.

Situación actual y límites

Javier de la Morena, responsable de marketing de WEG, cree que los variadores de frecuencia tienen, y lo seguirán teniendo, un notable campo de aplicación, no solamente en la industria. “Disponen cada vez más de inteligencia y posibilitan realizar gestiones que hasta hace un tiempo requerían el empleo de autómatas o complicados sistemas. La posibilidad de incorporar firmware especifico según la aplicación, o bien algoritmos determinísticos, permite controlar equipos de múltiples tipos. Ya sea controlar y regular variables de proceso según el sistema, por ejemplo el caudal o presión de una bomba en función de determinadas situaciones, e incluso detectar que una tubería esté rota,…” añade De la Morena. Preguntado por los límites de los variadores, opina: “Como en otros muchos campos, los límites los pondrán los usos y aplicaciones para los que el variador se emplee. La tecnología acompaña habitualmente a estos requerimientos o necesidades. En nuestro caso, todo nuestro porfolio de variadores incorporan un PLC (SoftPLC) donde una de las limitaciones puede ser el número de entradas y salidas frente a un PLC dedicado. Esta problemática se pretende solucionar con un rediseño del concepto de los accesorios de expansión para ser más flexible”.

Por su parte, Ignacio Valdeolmillos, jefe de Producto de Carlo Gavazzi, destaca la aplicación en gestión energética de los variadores de frecuencia: “Debido a su gran flexibilidad y potencia, están empleándose cada vez más en aplicaciones industriales para la optimización de procesos, regulación y ahorro energético”.

Desde Yaskawa, Conrad Soriano, apunta: “En la actualidad, disponemos de equipos muy compactos, versátiles y que facilitan una sencilla puesta en marcha del equipo, pero todavía queda camino por recorrer para conseguir de soluciones personalizadas a cada aplicación o tipo de motor y obtener así el máximo rendimiento”.

La compañía ABB, de la mano de Daniel Gomà, responsable de marketing, nos da su visión sobre la situación actual de estos equipos: “El variador de frecuencia es un producto maduro donde cada vez hay más competencia y con crecimientos en torno al 5% y 10% anuales, por encima de la media respecto otros productos industriales. La necesidad de ahorrar energía y mejorar el control del motor cada vez es más necesaria y hoy en día la gran mayoría de usuarios ya conocen los beneficios de los variadores, aunque no sea en profundidad. Los límites en el desarrollo de los variadores vienen impuestos por los semiconductores de potencia ya que mejorar su rendimiento es prácticamente imposible hoy en día”.

Román Cazorla, Segment Marketing Manager MOEM en Eaton, señala a la eficiencia energética como motor de esta tecnología: “En casi todas las regiones altamente industrializadas del mundo, la eficiencia energética se ha convertido en un tema clave de interés para los gobiernos. Se han establecido directivas para la reducción de la huella de carbono y el consumo de energía. Esto supone un reto para la industria, pero al mismo tiempo una gran oportunidad, ya que los productos de ingeniería sostenible están superando a las alternativas menos eficientes en términos de energía. En la producción industrial, los motores eléctricos representan dos tercios del coste total de energía y su consumo de energía representa más del 95% del coste de su vida útil. Por este motivo, la directiva europea ErP ha establecido los primeros pasos en el camino de la industria hacia una producción más sostenible. Aquí es donde entran los variadores de frecuencia que actualmente se han convertido en un dispositivo fundamental para controlar el consumo en nuestras aplicaciones. Según la aplicación, el uso de un convertidor de frecuencia puede reducir el consumo energético entre un 20 y un 70% además de alargar la vida útil del motor, debido a que sufre menos estrés mecánico al efectuar arranques y paradas controladas y suaves”.

El responsable de Negocio en Rockwell Automation, Juan Robisco, destaca el crecimiento del mercado: “En la actualidad el aumento en la utilización de los variadores de frecuencia, tanto a nivel industrial como de instalación, está teniendo un incremento de demanda muy importante. La reducción de los costes de fabricación (componentes de electrónica de potencia más reducidos y económicos), facilidad de puesta en marcha y programación con softwares más intuitivos y sencillos o el ahorro energético, han hecho del variador de frecuencia el método más utilizado para la maniobra y protección del cualquier tipo de motor. Y esta tendencia se acelerará en los próximos años con productos más compactos y económicos y la presión creciente para la eficiencia energética de cualquier tipo de instalación”.

Para Alberto Fuentes, European Drive Product Marketing Manager de Omron, nos encontramos en un momento en el que los variadores deben evolucionar para mejorar en cada etapa de su vida útil, desde el diseño de la máquina hasta el mantenimiento de esta. "Históricamente, las evoluciones se han centrado en una de estas áreas solamente, como el rendimiento del control del motor, pero también deberían mejorarse otras secciones como el tiempo de programación y la puesta en marcha, por ejemplo, con soluciones de personalización fáciles de usar", explica.

De esta manera, expone Fuentes, se obtendría una configuración más rápida de todos los parámetros de la aplicación en lugar de tener que estar modificando muchos parámetros estándar del variador. "Por otro lado, durante la producción, será cada vez más importante obtener datos del variador para comprender y mejorar la flexibilidad y eficiencia de la producción de una forma continuada al mismo tiempo que se pone especial énfasis en las funciones de mantenimiento predictivo que evitarán averías en la maquinaria y por lo tanto paradas en la producción inesperadas", añade.

¿Qué necesidades presentan las diferentes industrias en las que actúan los variadores de frecuencia? (Siemens)

“Cada tipo de sector industrial que utiliza variadores responde a unas determinadas necesidades. Sin embargo, hay virtudes comunes que todas las industrian buscan en el variador como eficiencia, disponibilidad, seguridad, conectividad, virtualización, productividad o flexibilidad. Por ello, los variadores de frecuencia deben cumplir requisitos más amplios como la coordinación entre todos los elementos del tren horizontal e integración en la automatización del sistema. Además, deben estar preparados para la digitalización e integrar el mayor número de funciones de seguridad disponibles”, explican desde Siemens en el artículo '¿Qué necesidades presentan las diferentes industrias en las que actúan los variadores de frecuencia?'. No todas las industrias responde a las mismas necesidades. Por esa razón en esta razón Alberto Vegas Menchero, responsable de General Motion Control en Siemens analiza cómo son de diferentes en el ámbito de los variadores de frecuencia. “Al hablar de variadores no debemos pensar en ellos como un elemento aislado, lo importante es la aplicación en la industria”, destaca.

Tendencias de futuro

Desde la interface del sistema de supervisión al motor, hasta la incorporación en las soluciones 4.0, y otras aplicaciones cada vez más especializadas los distintos expertos nos describen el futuro que vislumbran los variadores de frecuencia.

De la Morena (WEG) explica como los variadores actualmente pueden comunicar por medio de numerosos protocolos e interactuar como ‘interface’ entre el sistema de supervisión y el motor. “Esto apoya el concepto de inteligencia, y permite el incorporarse en las soluciones de la industria 4.0 sin ningún problema. La programación, toma de datos y traslados de los mismos es y será cada vez más fácil. El desarrollo de nuevos campos en la electrónica permitirá hacer soluciones cada vez más compactas”. De la Morena además destaca los diferentes voltajes en los que pueden actuar variadores de frecuencia a baja tensión pero también a media tensión: “No hay que olvidar que disponemos de variadores de velocidad para equipos de baja tensión (400V y 690V) pero también de media tensión (3kV, 4kV, 6kV, 11 kV, 13kV) los cuales son realmente ‘cerebros’ para gestión de motores, normalmente de alta potencia, y que consiguen llevarlos al punto óptimo de trabajo (y consumo) en tiempo real”, destaca el responsable de marketing de WEG.

Soriano (Yaskawa) da las claves sobre el diseño de los futuros variadores de frecuencia, que para él debe pivotar en base a estas tres premisas: conectividad con el resto de los dispositivos industriales de planta; generación y adquisición de datos ampliados de funcionamiento; y facilitar el uso de esos datos para la toma de decisiones estratégicas de planta.

Por su parte, desde Carlo Gavazzi destacan el creciente uso de estos equipos en la industria: “El empleo de variadores está creciendo y se van a emplear cada vez más en mayor número de aplicaciones con mayor especialización, por ejemplo, en climatización y frío industrial, donde permite ahorros energéticos importantes y mejora la eficiencia de las máquinas”, apunta Valdeolmillos.

Gomà (ABB) señala, “evidentemente”, a la digitalización como principal tendencia. “Con variadores conectados y todo el abanico de servicios asociados, como el mantenimiento predictivo y servicios de mantenimiento remoto a través de dispositivos móviles con Remote Assist, por ejemplo. También los equipos de nivel de armónicos ultra bajos, que, aunque no son nuevos, vamos hacia un futuro donde los equipos dejen una huella en la red lo más limpia posible, así que poco a poco se irán imponiendo en el mercado para potencias medias y altas”.

Cazorla (Eaton) insiste en la eficiencia energética como factor de cambio en los variadores del futuro: “Se está trabajando para que el impacto medioambiental de la industria sea cada vez menor por lo que las tendencias principales pasan por ser cada vez más eficientes. En definitiva, hacer más con menos y tener no solo un control del consumo de energía sino además y gracias a la industria 4.0, tener un registro periódico del consumo que permita el análisis y mejoras a corto/largo plazo”.

Fuentes (Omron) coincide con Cazorla, al recordar como las las grandes empresas europeas han marcado sus objetivos principales para reducir el consumo de energía y para hacerlo es muy importante realizar cambios en los sistemas de producción e investigar en cada componente de la cadena para introducir posibles mejoras. "Mediante los variadores de frecuencia se controla la frecuencia de la corriente suministrada a los motores para ajustar su velocidad de rotación y acelerarlos en función de los requisitos de la aplicación. Al mismo tiempo, ayudan a garantizar que los procesos se lleven a cabo de la forma más económica posible. Por ello, pensamos que esta búsqueda de eficiencia energética es lo que va a condicionar en gran medida el futuro de los variadores", apunta.

Según Robisco (Rockwell Automation), la gran mayoría de las nuevas instalaciones con variadores de frecuencia se realizan con comunicación con otros componentes del sistema de control utilizando redes de comunicación, lo que permite mejorar el diagnóstico y control de la máquina, reducir los costes de ingeniería y de puesta en marcha y mantenimiento. “Un cambio importante ha sido que la mayoría de los fabricantes de variadores de frecuencia y servo accionamientos están pasando de redes propietarias hacia redes abiertas. La proliferación de redes industriales basadas en Ethernet/IP en aplicaciones de fabricación y de procesos industriales está creando la oportunidad de conectar máquinas y otros activos de automatización juntos en la empresa conectada en general. Esto a su vez facilita la tendencia de las empresas para generar y explotar el big data, que es la información procesable que esas máquinas y activos generan. El uso de redes industriales de comunicación permite al fabricante de la máquina la capacidad de minimizar el tiempo de ingeniería mientras que maximiza el rendimiento de la máquina”.

Evoluciones en hardware

“Desde hace ya unos años estamos viendo como la tecnología del motor está evolucionando hacia nuevas vertientes”, explican desde Omron, que ponen como ejemplo los motores de reluctancia síncrona o los de magnetización permanente. “Estos cambios están llevando la eficiencia energética a otras aplicaciones de automatización diferentes a las ya típicas de ahorro de energía como son las bombas extractoras o ventiladores”, destaca Fuentes. “Las aplicaciones energéticas regenerativas serán cada vez más populares. Esto se debe a que, mediante este tipo de soluciones más competitivas, existe un retorno de la inversión más rápido. Un buen ejemplo de este tipo de soluciones es la nueva tecnología Matrix, una aplicación competitiva en costes y que cuenta con una considerable reducción de componentes eléctricos”, añade. Además, el European Drive Product Marketing Manager de Omron afirma que las soluciones electrónicas como el carburo de silicio (SiC) están reemplazando a la tecnología estándar de IGBT y están creando “una revolución en la reducción del tamaño de los variadores gracias a su rendimiento en la disipación del calor”.

De la Morena (WEG) opina que las mejoras en software y hardware van de la mano. Y pone algunos ejemplos de novedades en hardware, como la evolución componentes y topologías para lograr una mejor eficiencia, y cumplir con las futuras normativas de eficiencia y bajos armónicos en VSD. “Por ejemplo en topologías Active Front End (AFE), con la utilización de IGBTs de última generación que permiten aumentar la frecuencia de conmutación, reduciendo el tamaño/coste de elementos magnéticos como la inductancia en el bus, para así, encontrar el compromiso óptimo entre coste, eficiencia y prestaciones”, señala. También habla de la integración de funciones de seguridad (Safety Stop) más exigentes y flexibles y de la mejora en la modularidad y soluciones más compactas.

Desde otra perspectiva, Soriano (Yaskawa) afirma: “Una de las principales evoluciones debe estar orientada a maximizar el ahorro energético en relación con el consumo de motores eléctricos, así como ofrecer información precisa de su uso actual y futuro para facilitar el mantenimiento predictivo de las instalaciones”.

Valdeolmillos (Carlo Gavazzi) destaca la especialización de los equipos como tendencia de futuro: “La evolución en hardware va a ir orientada hacia la especialización del variador y su adaptación a distintos tipos de motores y aplicaciones. El mercado exige cada vez mayor precisión y eficiencia en sus procesos y el hardware de los variadores se va a adaptar a estos casos. Por ejemplo, algunos de nuestros variadores pueden controlar motores de inducción trifásicos asíncronos y también motores de imanes permanentes PMSLV. También ofrecemos variadores específicos para compresores”. Mientras tanto, el responsable de marketing de ABB resalta algunas de las tendencias de futuro de los variadores: “Los equipos evolucionan hacia tamaños más compactos, más seguros y con mayor compatibilidad entre equipos. interfaces de usuario inteligentes, tipo smartphone con tecnología 5G Narrow Band”.

Cazorla comenta uno de los aspectos que desde Eaton creen que deben adoptar los variadores del futuro, las alteraciones eléctricas: “Actualmente una de las reticencias para el uso de convertidores de frecuencia en según qué tipo de instalaciones son las alteraciones eléctricas que provocan estos aparatos en la red eléctrica: los denominados armónicos. Sin embargo, esto está cambiando, las nuevas tecnologías en electrónica nos permiten, cada vez con mayor acierto, reducir drásticamente este tipo de perturbaciones minimizando su impacto en nuestra red eléctrica”.

En Rockwell Automation creen que los variadores de frecuencia están ya experimentando evolución en su construcción y Robisco detalla los cinco aspectos más importantes:

- Seguridad integrada: La normativa europea de maquinaria 2006/42/EC define de manera oficial los requisitos de seguridad que aplican a las máquinas, dicha normativa está alcanzando cada vez más relevancia ya que la protección de personas y máquinas es crítica y no solo en maquinaria de producción sino también en aplicaciones que a priori no eran tan restrictivas en cuanto a niveles de seguridad como pueden ser aplicaciones de ventilación. Sin embargo, gracias a las nuevas tecnologías el enfoque a la seguridad permite no comprometer la eficiencia o productividad. En lo referente a los accionamientos lo ideal es que la seguridad esté integrada ya que evitamos más elementos en el sistema susceptibles de fallar, la tendencia es que incluso la seguridad la gestionemos a través de un bus de comunicación seguro hasta SIL2, en algunas aplicaciones la exigencia es SIL3, en este caso a través de terminales pues la norma define atacar a la parte hardware del accionamiento.

- Eficiencia energética: En cuanto a eficiencia energética una de las últimas tendencias es el uso de motores síncronos de imanes permanentes en conjunción con variadores de frecuencia ya que se pueden alcanzar soluciones más eficientes que un IE4 según la EN 50598-2, dentro de esa tendencia hay un motor en particular conocido como motor síncrono de reluctancia (necesita ser controlado por variador de igual modo) que ofrece las mismas ventajas en cuanto eficiencia pero con costes más reducidos y con la capacidad de ser usado por encima del 80% de la capacidad térmica del motor sin ninguna consecuencia negativa, con lo cual se consigue reducir la talla del motor.

- Conectividad y digitalización: Una tendencia común en toda la industria es la necesidad de que los accionamientos sean conectables de manera autónoma pues de esa manera se consigue tener acceso a datos clave para el mantenimiento predictivo e incluso para el monitoreo de las medidas de eficiencia sin necesidad de conectar los controladores donde la información procesada es mucho más delicada. Por ello la demanda en comunicaciones integradas en los dispositivos sigue creciendo. Por otro lado, los accionamientos deben ser cada vez más flexibles e intuitivos en su interacción, por lo que las herramientas para la puesta en marcha deben ser capaces de integrarse en dispositivos inteligentes de uso cotidiano.

- Operación y mantenimiento: En referencia al funcionamiento de los dispositivos, cada vez es más común el monitoreo en tiempo real permitiendo que el propio dispositivo se adapte a la situación en que se encuentra, conocido como control adaptativo. Estos mismos datos se usan para tener una actitud proactiva en cuanto al mantenimiento permitiendo programarlo basándose en datos reales de funcionamiento. También se ve un crecimiento en la fácil configuración de dispositivos en caso de cambio o avería, permitiendo que el personal de mantenimiento realice el cambio sin tener que configurar nada puesto que la configuración viene descargada automáticamente en el equipo.

- Mitigación de armónicos: Otra tendencia en el mercado es la preocupación por el efecto de los armónicos. Por ello, encontramos sistemas de mitigación de armónicos y corrección del factor de potencia en cada vez más dispositivos. La reducción de la distorsión armónica reduce la necesidad de sobredimensionar los equipos así como minimizar las perturbaciones a otros dispositivos.

Novedades en software

El software es una de las cuestiones más importantes a las que se enfrenta el sector de los variadores, así lo cree De la Morena (WEG): “A fecha de hoy, podemos decir que vamos a trabajar con algoritmos de control mejorados para motores de imanes permanentes, o se mejorará la integración con múltiples dispositivos y su acceso a la red para supervisión y telecontrol (IIOT o industria 4.0). Pero, solo podemos hablar del camino, el final de camino está todavía por determinar”.

Valdeolmillos (Carlo Gavazzi) admite que una de las tendencias de futuro que abordarán los variadores será la mayor capacidad de comunicación e integración con sistemas superiores para permitir tener mayor información sobre el proceso. “Así como una evolución hacia la industria 4.0”.

En cuanto al software, desde Yaskawa, Soriano opina que se ofrecerán soluciones más adecuadas a cada tipo de aplicación, se dispondrá de “múltiples opciones para su parametrización y programación”. Soriano y De la Morena coinciden en la integración en entornos IoT; además, el primer añade la integración con la inteligencia artificial ·para ayudar a mejorar todos los procesos de planta”.

Por su parte, Gomà apunta alguno de los retos de futuro relacionados con el software: “Las principales novedades vendrán de toda una serie de software (SAS) para el análisis de datos y creación de algoritmos con el objetivo de avanzar hacia el mantenimiento predictivo de los equipos y mejorar control de las aplicaciones, basados en todos los datos que ya se están recogiendo de las aplicaciones y equipos. Los paneles de control dispondrán de software intuitivo y con la posibilidad de ser comandados por voz”.

Cazorla (Eaton) defiende que la conectividad es una de las prioridades actuales en la industria 4.0 “por lo que tener un registro de funcionamiento y consumo, entre otros, tanto a nivel local como remotamente es una de las tendencias que ya se están implementando”. Y añade: “Así el control y la configuración de los aparatos gracias a las nuevas tecnologías como los smartphone se convierten en un avance clave en el contexto actual”. En este aspecto coincide claramente con los expertos de WEG y Carlo Gavazzi.

Finalmente, Robisco, desde Rockwell Automation, defiende la integración como la gran evolución en software de futuro, en línea con De la Morena, Soriano y Valdeolmillos: “La integración de los variadores de frecuencia en las diferentes disciplinas como el control de movimiento, control de E/S, paneles de operador o seguridad coexisten en una red de comunicación permitirá la simplificación para el fabricante de la máquina y usuario final y la reducción de los costes de ingeniería de desarrollo e implementación”.