Variadores de Media Tensión: una tecnología aún en desarrollo

La variación de velocidad y el arranque de motores en Media Tensión es una tecnología todavía en desarrollo. El uso de este tipo de equipos ofrece grandes beneficios en forma de eficiencia operativa, rentabilidad y, sobre todo, gestión y mejora de la energía en aplicaciones de gran consumo. Su aplicación es ampliamente conocida en sectores como la minería, el petróleo y el gas, el tratamiento de aguas, la desalación o la generación energética. Desde AeI queremos conocer los últimos avances y cómo estos equipos se adaptan al nuevo paradigma I4.0.

1. ¿Cuáles son las últimas novedades que ofrecen sus equipos para la variación de velocidad o el arranque en motores de CA para media tensión?

Con más de 45 años de experiencia en convertidores de media tensión, ABB sigue trabajando por mejorar su oferta de regulación de velocidad con el lanzamiento de equipos como el ACS580MV, un equipo de tecnología multicelda, muy común en el mercado hoy en día, y orientado a aplicaciones de propósito general que se puedan beneficiar de la regulación. “Con el objetivo puesto en el ahorro energético, la apuesta de ABB con este equipo se orienta, aunque no exclusivamente, al retrofit o reacondicionado de motores que actualmente están operando en directo, bien porque en su momento no había solución de regulación o bien porque no se consideró el ahorro que a medio y largo plazo podía suponer emplear un convertidor”, comenta Pedro Emilio Galán Rodríguez, Responsable de Producto convertidores de media tensión en ABB. Y, según considera, cada punto de mejora de eficiencia en un proceso son kWh de energía no consumida, y el objetivo de esta compañía con el ACS580MV es proporcionar una solución económica, fiable y fácilmente integrable en la que permita ahorrar en la factura eléctrica desde el primer día.

Por su parte, WEG dispone de una línea muy completa de convertidores de frecuencia de media tensión. Uno de los grandes diferenciales es la posibilidad de suministrar inversores de media tensión refrigerados por aire (24 MW), lo que elimina los problemas habitualmente observados en los inversores refrigerados por agua, de los que también dispone la compañía. “También es posible alimentar inversores con transformadores integrados para facilitar la instalación o inversores con transformadores externos para ahorrar refrigeración de salas eléctricas”, explica Javier de la Morena Cancela, Responsable de Grandes Cuentas en WEG Iberia Industrial S.L.U.. Y añade: “Las tensiones disponibles van desde los 2kV, 4kV, 6kV, 11kV y 13kV. Creemos que es difícil encontrar un proyecto donde no podamos participar. También disponemos de variadores de media tensión, especialmente destinados al arranque de motores, con la consiguiente conmutación cuando llegan a la velocidad nominal”.

Llegamos a la gama ATV6000 variador de media tensión de Schneider Electric, que está pensada principalmente en cubrir tres puntos básicos en este tipo de equipos:

• Seguridad, sistema electro-mecánico de interbloqueo mediante herramienta especial para apertura de puerta y bloqueo de maneta en puerta. Con mirillas especiales en cada puerta de la envolvente del variador, donde se ubican las celdas de potencia.
• Continuidad de servicio, celdas de potencia de baja tensión con posibilidad de función de By-Pass: en caso de fallo en la salida del inversor, para ofrecer un funcionamiento ininterrumpido, y sin desclasificación en la carga dando el 100% de intensidad de salida en el caso de configuración N+1.
• Robustez, capaz de trabajar hasta 50ºC con desclasificación, tarjetas electrónicas totalmente barnizadas y protegidas, grado de protección ambiental según la normativa en catalogación química tipo 3C2 y en mecánica tipo 3S1, grado de polución 2.

“Otra de las ventajas de este equipo es que permite parametrizar en el variador la curva de la bomba, pudiendo así trabajar en el BEF (Best Eficciency Point) teniendo información en tiempo real de la misma y así reducir las pérdidas”, explica Enric Buhigas, Drive Systems Offer Manager en Schneider Electric Iberia.

Para Juan Robisco, Responsable de Dispositivos Inteligentes de Rockwell Automation Iberia, la principal novedad es “la ampliación y mejora de nuestra gama de variadores de velocidad para media tensión Power Flex 6000, con la introducción del nuevo modelo Power Flex 6000T”. Las principales características de esta nueva gama son:

• Utilizan el mismo hardware de control y software de comunicaciones que los variadores de baja tensión PowerFlex 755T, que ya incorporaban el nuevo control mejorado TotalFORCE.
• Mejora de los métodos de control (Flux Vector, vectorial sin encoder y V/Hz).
• Control multimotor: control de dos motores, reparto de carga, transferencia síncrona con backup de arrancador o variador.
• Algoritmos integrados para mantenimiento predictivo y preventivo, monitorización del motor y alarmas en tiempo real.
• Hasta 10 km de cable de motor (con filtro).
• Aumento de potencias disponibles: tamaño A  (2.4 ... 4.16 kV y  0,5 A ... 215 A) y tamaño B  (2.4 kV ... 11 kV y  200 A ...680 A).

2. ¿Cuáles son los sectores o tipo de aplicación potencialmente más relevantes para el uso de esta tecnología?

“Desde mi punto de vista podemos diferenciar dos grupos fundamentales: la variación de velocidad orientada al ahorro energético y la orientada a la optimización e integración en el proceso”, argumenta Galán Rodríguez. En el primer caso, uno de los ejemplos más significativos son aplicaciones de par cuadrático, bombas y ventiladores que pueden estar raccionados en directo y en los que una pequeña reducción de velocidad supondría una disminución de potencia consumida muy importante en relación cuadrática con la velocidad. En el segundo caso, en entornos de procesos industriales, hablamos de ajustar la aplicación al milímetro de las necesidades del proceso en cada instante, aportando flexibilidad y adaptabilidad. “Hoy en día, el uso de convertidores de frecuencia de media tensión está muy extendido en casi todos los sectores y en las más diversas aplicaciones”, continúan hablando desde WEG. Los principales sectores son: Oil & Gas, minería, agua y aguas residuales, energía… mientras que las principales aplicaciones son bombas, compresores, ventiladores, molinos, etc. “Es interesante indicar que cada vez más se están empleando estos equipos por varias razones entre las que destacan el mejor control del proceso, así como el muy importante ahorro en el consumo energético”, concluyen.

Para Enric Buhigas los sectores más relevantes y estratégicos son MMM (Minería, Metal y Minerales), O&G (Oil y Gas) y WWW (Agua y tratamientos de aguas residuales), mientras que las aplicaciones más usuales son bombas centrífugas, bombas sumergibles, compresores, soplantes, ventiladores, mezcladoras y extrusoras, entre otras. “Nuestros variadores de media tensión están diseñados para su uso en cualquier tipo de aplicación de motor, aunque son especialmente útiles para Ventiladores, Bombas, Compresores, Bombas sumergibles, Cintas transportadoras (no regenerativas), Molinos y Cargas compartidas”, explica Robisco y, a nivel de sectores industriales, “este tipo de variadores son principalmente demandados en Petróleo & gas, Minería y metales, Generación de energía, Cemento y el Sector del agua”.

3. ¿Cuáles son las ventajas tradicionales en el uso de estos equipos?

“El uso de variadores de media tensión nos permite ahorros de hasta el 50% en el consumo eléctrico de los motores con la reducción de velocidad”, continúan hablando desde Rockwell Automation, “también nos permite una disminución de armónicos (THID < 5%), así como poder tener factor de potencia cercano a la unidad”. En su opinión, otras ventajas importantes serían:

• Tiempos mínimos de paro y mantenimiento gracias a los by-pass de celda
• Redundancia de ventiladores y fuentes de alimentación
• Mantenimiento predictivo integrado
• Alarmas en tiempo real

En Schneider Electric también lo tienen claro y apuntan las siguientes ventajas en el uso de estos equipos:

• Trabajar con corrientes de salida a motor mucho más bajas que en equipos de baja tensión (hasta 1000V), permitiendo tener secciones de cables más reducidas.
• Tasa de armónicos muy reducida (THDi del 2% aprox.) gracias al transformador multi-pulso integrado, lo que permite que el equipo cumpla con el estándar IEEE-519.
• Los valores de dv/dt y picos de tensión en los bobinados del motor son enormemente minimizados, respecto al PWM usado en variadores de baja tensión, gracias a la tecnología multinivel y al diseño de celdas de potencia en baja tensión. Los factores citados anteriormente hacen que la distancia de cables entre variador y motor sea mucho más larga (de hasta 1.000m), cuando en equipos de baja tensión se limita entorno de unos 300m cable sin apantallar, sin uso de filtros dV/dt de salida adicionales.

“Los convertidores de frecuencia tienen múltiples ventajas en comparación con otros equipos utilizados en el arranque de motores, tales como corriente de arranque controlada, reducción de perturbaciones en la red de suministro, baja demanda de potencia en el arranque, control de aceleración, velocidad de funcionamiento ajustable, límite de par ajustable, parada controlada, energía ahorro (ley de afinidad/ Affinity Law), eliminación de dispositivos mecánicos (reductores), funcionamiento reversible, etc. Aparte de que actualmente son muy sencillos de gestionar y parametrizar”, responden, por su parte desde WEG, mientras que para ABB,  tradicionalmente, muchas aplicaciones han sido dimensionadas en fase de diseño para los casos más desfavorables de operación, cubriendo todas las situaciones posibles y sobre ello se han añadido márgenes de seguridad en el dimensionado de cada uno de los elementos: bombas, ventiladores y los motores que los operan. “Nos encontramos entonces con aplicaciones cuyos componentes están sobredimensionados, operando en directo a velocidad constante y lejos de sus puntos óptimos de operación. Emplear un convertidor de frecuencia nos permite ajustar la aplicación a las necesidades del proceso en cada instante y reducir el consumo de energía frente a una operación a velocidad constante”, afirma Emilio Galán. Y concluye: “La comunicación del convertidor con el DCS o un control superior permite tener la aplicación controlada y supervisada en todo momento. Esto sin olvidar que los convertidores permiten arrancar la aplicación sin exceder la corriente nominal del motor, evitando por una parte caídas de tensión en la línea y por otra eliminando los sobreesfuerzos mecánicos, térmicos y eléctricos sobre el motor que suponen los arranques en directo y que a la larga reducen su vida útil”.

4. ¿Qué ventajas potencialmente relevantes se suponen para la Industria 4.0?

“Nuestros variadores de media tensión Power Flex 6000 se integran como un dispositivo más en nuestro software FactoryTalk Analytics for Devices”, contesta a la pregunta Juan Robisco. 

“Nuestros variadores de media tensión Power Flex 6000 se integran como un dispositivo más en nuestro software FactoryTalk Analytics for Devices”

Juan Robisco, Responsable de Dispositivos Inteligentes de Rockwell Automation Iberia

“Este software enlaza con los dispositivos inteligentes de planta (autómatas, variadores, relés de sobrecarga, sensores...) y permite el acceso del software de control de la planta a la información relevante de esos ‘smart devices’, generando diagnósticos y alarmas en tiempo real.  Estas características nos permiten mejorar la productividad, tener una mayor escalabilidad de la arquitectura de control, unas infraestructuras más seguras y un mejor control de los procesos y toma de decisiones”. “En este caso, ATV6000 toma una gran relevancia en la Industria 4.0 al ser un equipo conectado a cualquier tipo de bus de comunicaciones industrial (Ethernet IP, Profinet, Profibus, DeviceNet…), ya sea a través de un dispositivo de control PLC, o bien su WEBSERVER directamente a la capa Apps, Analytics y Services, permitiendo entregar datos del accionamiento, consumo de energía, temperaturas transformador de entrada, motor… Todo ello en tiempo real”, continúa, tomando el relevo, Enric Buhigas. Y, según sus palabras, siempre con la Ciberseguridad basada en protocolo industrial Achilles 2 como factor principal y garantista en una comunicación segura, contra malware y otro tipo de ciberataques. Finalmente, la posibilidad basada en esta conectividad del poder hacer mantenimiento predictivo, gracias al Servicio Digital EAA (EcoStruxure Asset Advisor), donde se tiene la posibilidad de hacer una gestión eficiente e íntegra de su equipo, “anticipándose y minimizando riesgos de paradas intempestivas posibles futuras y críticas, en su instalación y proceso y alargando la vida útil del equipo”.

“La Industria 4.0 es el paradigma donde todos los fabricantes estamos convergiendo”, afirma rotundo Javier de la Morena desde WEG. Es por ello que dispone ya hoy de aplicaciones y software como Drive Scan y WEG Motor Fleet Management que permiten el acceso y seguimiento de los inversores WEG que se aplican en cualquier tipo de industria o instalación, aumentando el rendimiento y disponibilidad de los equipos en planta, transformando la forma de producir y gestionar, permitiendo el seguimiento en cualquier momento y desde cualquier lugar del mundo. Así, la conectividad WEG Drive Scan con la plataforma de supervisión de activos WEG Motor Fleet Management permite:

• Recopilación de datos y seguimiento precisos de unidades.
• Diseños predefinidos para una navegación simplificada en diferentes niveles (geolocalización, sitio, planta, inversor, etc.).
• Cuadros de mando con indicadores, gráficos e historial de datos medidos.
• Acceso a información del inversor en tiempo real o historial de corriente, par, temperatura interna, horas de funcionamiento, potencia en kWh, entre otros.
• Diagnóstico y prevención de posibles fallos, mediante el envío de alertas al usuario.
• Mantenimiento predictivo de equipos
• Optimización en el uso de recursos
• Maximización de la utilización de activos
• Mayor disponibilidad de equipos

“La conectividad remota de estos equipos nos permite conectarnos y ver en todo momento, prácticamente desde cualquier lugar y en cualquier dispositivo, qué ocurre con nuestro convertidor”, afirman, por último desde ABB, “existe un acceso en tiempo real a las condiciones de operación de nuestro convertidor, estado de funcionamiento, histórico de parámetros y tendencias”. Permite, asimismo, una supervisión continua por parte de un equipo de expertos de soporte, que de manera proactiva “supervisan el estado y tendencias de nuestro equipo de manera continua. No solo en busca de parámetros que se puedan salir de rango, si no optimizando los intervalos de mantenimiento del equipo en base a su operación particular”. La comunicación entre ambos y este acceso a la información en tiempo real reduce el tiempo de reacción ante cualquier imprevisto: el conocimiento del usuario en su aplicación y la experiencia de soporte en el equipo proporcionan la mejor respuesta ante cualquier imprevisto que se pueda presentar, reduciendo riesgos y aumentando la disponibilidad del sistema. “Esto es a día de hoy una realidad con ABB Ability Mobile Connect for drives, equipos que se supervisan de manera prácticamente autónoma y que solo te avisan cuando precisan de tu atención. Acceder a esta información desde un teléfono móvil y tomar la acción correctiva correspondiente en remoto y con el soporte de un equipo de asistencia 24/7”, concluye Pedro Emilio Galán Rodríguez.

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