Variadores de velocidad, imprescindibles para la mejora de la eficiencia global de plantas industriales

Actualizar la información de este tipo de dispositivos es un objetivo periódico de esta revista. Su enorme importancia en el ecosistema industrial es cada vez mayor. Los enormes beneficios energéticos que conlleva el uso de variadores de velocidad en aplicaciones para bombeo y ventilación los hace imprescindibles para la mejora de la eficiencia global de plantas industriales. Otros usos adicionales son claramente posibles y el mercado crece año a año. De todo esto hablamos en el siguiente informe.

PREGUNTAS

1. ¿Qué papel juega esta tecnología en las plantas industriales actuales?

2. ¿Existen nuevas aplicaciones que recomienden el uso de estos componentes?

3. ¿Qué nuevas características incluyen los dispositivos que fabrica y/o comercializa su compañía?

Daniel Goma, Marketing Manager Drives and Controls de ABB en España

1. Los convertidores de frecuencia son cruciales en el entorno industrial ya que permiten adaptar de manera precisa e instantánea la velocidad / par del motor a la necesidad de la aplicación, optimizando el rendimiento y mejorando la disponibilidad y control sobre el proceso. Esto, sumado a la reducción del consumo de corriente en caso de trabajar a velocidades parciales en aplicaciones de par cuadrático como bombas y ventiladores, hace de esta tecnología un elemento imprescindible en las plantas industriales, con retornos de inversión normalmente muy cortos.

Además, hoy en día los variadores disponen de funcionalidades de software específicas para minimizar el desgaste mecánico del sistema gracias a los distintos modos de arranques y paradas, rampas de aceleración o deceleración o a evitar la cavitación en el caso del bombeo de agua. Estas funcionalidades de software también ayudan a minimizar el tamaño y la complejidad de los cuadros eléctricos, ya que prácticamente elimina la necesidad de instalar componentes externos para gestionar la maniobra del motor.

En resumen, los convertidores de frecuencia se han convertido en elementos vitales en las plantas industriales para aumentar y gestionar el control preciso de los procesos, ahorro energético, la minimización del mantenimiento, comunicación y la digitalización de los procesos.

2. Actualmente, el uso de variadores de frecuencia se ha vuelto prácticamente indispensable para cualquier aplicación industrial que disponga de un motor eléctrico que deba ser controlado. Y es que la ventaja principal de los convertidores de frecuencia reside es su adaptabilidad al proceso, nuevo o existente. Por ello, la mayoría de las aplicaciones industriales son susceptibles de mejora, tanto en precisión como rendimiento, por el mero hecho de operar con un convertidor de frecuencia.

En lo que respecta a nuevas aplicaciones de esta tecnología, podríamos mencionar, por ejemplo, el control de vehículos eléctricos de alta potencia (maquinaria pesada como camiones y excavadoras). También se han desarrollado soluciones aplicadas a bombeo solar, donde se utiliza energía generada por placas fotovoltaicas para hacer funcionar bombas para el riego de campos en lugares remotos. Otro ejemplo de aplicación que cada vez recomienda más es el uso de esta aplicación es la refrigeración industrial, especialmente ligado al sector de alimentación, entre otras industrias.

3. Existen diversas características que hacen que cada vez los variadores sean más completos y aporten valor a los usuarios finales, especialmente en el mundo digital en el que nos encontramos.

En este sentido, desde ABB se ha trabajado en una serie de dispositivos para la digitalización de los variadores, que, entre otros beneficios, aportan información segura en tiempo real del estado del variador, permitiendo una respuesta rápida en caso de que surja cualquier problema. Además, mediante algoritmos internos, es posible llegar a predecir el desgaste tanto del variador como del motor para alargar la vida útil y realizar un mantenimiento basado en la condición, no en la corrección. Todo ello, aporta grandes beneficios, como una mayor disponibilidad, tiempo de actividad, flexibilidad, facilidad y control del mantenimiento.

Otras características nuevas incluyen la configuración del os equipos vía Bluetooth y la compatibilidad con los motores síncronos de reluctancia de alta eficiencia. Por otro lado, y pese a no ser una novedad, merece igualmente ser destacado, ABB también dispone de una gama completa de variadores de bajos armónicos, que aseguran una excelente calidad de la red y eliminan por completo los problemas que pueden llegar a causar los armónicos en las redes eléctricas y que pueden afectar los dispositivos electrónicos que tenemos conectados.

Lluís Agulló, Product Manager Variadores de Velocidad en Mitsubischi Electric 

1. Actualmente, el papel de los variadores de velocidad es fundamental a la hora de implementar políticas de eficiencia en nuestras plantas industriales. Entendiendo como eficiencia su significado más amplio; eficiencia no sólo es ahorro energético, la reducción del tiempo de puesta en marcha, la disminución de paradas imprevistas, gracias al mantenimiento predictivo, o la monitorización remota del estado de estos equipos también ayudan a aumentar los niveles de eficiencia de nuestras instalaciones.

Hoy en día, la precisión en el ajuste de la consigna de velocidad del motor que estamos controlando ha dejado de ser una de las características principales a tener en cuenta a la hora de seleccionar un variador de velocidad. La capacidad de controlar motores síncronos o de reluctancia, funciones de mantenimiento predictivo, conectividad o controles específicos para maximizar la eficiencia de nuestros motores han ganado importancia a la hora de considerar qué equipo seleccionamos.

2. Más que nuevas aplicaciones, en los últimos años los variadores de velocidad han evolucionado para mejorar la eficiencia de las aplicaciones en las que ya eran considerados. Actualmente, muy pocas aplicaciones nuevas en las que hay motores eléctricos se plantean sin variador de velocidad.

El objetivo principal de estas mejoras ha sido optimizar el rendimiento del conjunto variador/motor. Incidiendo en:

• El ahorro energético, con variadores de frente activo o regenerativos, desarrollando funciones de software para maximizar el rendimiento del motor en situaciones de baja carga o para controlar motores síncronos y de reluctancia.
• La conectividad, dotando a los equipos de red ethernet abriendo la posibilidad de acceder a ellos desde cualquier punto, facilitando la puesta en marcha, el posterior seguimiento y la integración de la solución en sistemas IoT e Industria 5.0.
• La mejora del mantenimiento, implementando algoritmos de inteligencia artificial para reducir los tiempos de reacción y actuación frente a cualquier incidencia.

3. La nueva serie de variadores de velocidad de Mitsubishi Electric, los FR-E800, disponen de doble puerto ethernet integrado de serie, llevando implementado los protocolos de comunicación Profinet, Ethernet/IP, EtherCAT y CC-Link IE TSN, así cómo sus equivalentes en Safety, Profisafe, CIP Safety, FSOE y CC-Link IE TSN SAFETY. Por lo que hace a la capacidad de control, los FR-E800 pueden manejar motores asíncronos, síncronos de imanes permanentes o de reluctancia; capaces de sacar el máximo rendimiento de nuestras aplicaciones, ofreciendo una característica par/velocidad óptima o aportando unos niveles de ahorro energético inmejorables. Añadiéndoles una tarjeta de realimentación de encoder, los FR-E800 también pueden solucionar aplicaciones de control de par/velocidad muy exigentes o aplicaciones de posicionado. También incorpora un PLC para poder añadir funcionabilidad a la aplicación y solventar, por ejemplo, maniobras externas al propio funcionamiento del variador.

A nivel de mantenimiento, el equipo dispone de un detector de corrosión, de la capacidad de monitorizar los niveles de desgaste de sus componentes internos más críticos, como son el circuito de precarga, los IGBT de salida, los condensadores de la parte de control y potencia, etc. y de algoritmos de IA para la determinación de cual ha sido el origen o detonante que ha llevado al fallo. A parte, integra funciones de software ideales para conocer en qué estado se encuentra mi instalación, como puede ser la función de detección de curva característica de par, capaz de detectar en cualquier momento el punto de trabajo actual en el que se encuentra trabajando mi motor y si este está, o no, dentro de los límites definidos por el usuario, o la detección de alta precisión de la intensidad de salida.

El software de parametrización y monitorización FR-Configurator 2, también ha evolucionado con la serie FR-E800, aportando facilidad de integración, puesta en marcha, monitorización y depuración de fallos gracias a las herramientas integradas de asignación de dirección IP, función Logging, chequeo/diagnóstico de vida o la posibilidad de alimentar la parte de control del equipo sólo conectándole el cable de comunicación USB.

Jordi Belzunce, Drives Offer Manager IBERIA zone en Schneider Electric 

1. Sobre todo, este tipo de tecnología nos ofrece dos papeles principales en las plantas industriales:

• Uno desde el punto de vista de la Eficiencia Energética (Sostenibilidad & Ahorro Energético).
• Y el otro, desde la capacidad de integración en los sistemas o plataformas de automatización industrial como producto conectado en el mundo IIoT(Industrial Internet of Things), y ayuda a la Transformación Digital.

Desde el punto de vista de la Eficiencia Energética, la Sostenibilidad juega nuestro papel principal, debido a que hasta el momento nuestras fuentes de energía son limitadas. La Sociedad demanda un Mundo sostenible y que tome medidas eficaces para ello, sobre todo con el uso y explotación de los recursos fósiles, el impacto del CO2 y el incremento de temperatura global en el planeta. Finalmente, añadiendo a todo ello la crisis energética actual y que podamos tener en el futuro, nos abocan a ser mucho más conscientes y eficientes que ahora.

En lo referente al Ahorro Energético, partimos de la base que en la generación de energía a nivel Mundial en la Industria & Infraestructuras se consume casi un 70% de la misma en el uso de motores eléctricos. Y de esta energía consumida, el 85% es para el uso de bombas, ventiladores y compresores. En este caso el variador de frecuencia es el gran aliado al poder garantizar ahorros energéticos medios de al menos un 30% en uso sobre todo de cargas denominadas de par variable, junto con el ya extenso uso de motores de media o alta eficiencia IE4 & IE5 según la normativa IEC 60034-30.

Desde el punto de vista de la capacidad de integración en sistemas o plataformas de automatización en plantas industriales visión IIoT, el variador de frecuencia a pasado de ser un mero elemento casi pasivo (donde se le daba orden de marcha con él control, y el variador podía dar una escasa información de su estado, alguna alarma… y poca cosa más). A poder ser conectado a buses de comunicación industrial, y aportar múltiples elementos de información, tales como: estado operativo, variables eléctricas y de energía, mecánicas, entradas/salidas remotas, así como ir incluso un paso más allá, dando información de la propia máquina que controla el motor eléctrico.

Como es el caso de nuestra plataforma Altivar Process, por ejemplo, en su gama ATV600 donde el variador registra y visualiza la curva de la bomba centrífuga y su BEP (Best Efficient Point), supervisa su estado de funcionamiento y alarmas en tiempo real, dando información sobre el estado de la instalación. También y cada vez más, estos variadores de frecuencia van implementándose con algoritmos de “Mantenimiento Predictivo”, denominándolos dispositivos o equipos “Orientados a Servicios”.

Todo ello, haciendo fluir la información por diversas capas de automatización, desde la más inferior lo que denominamos producto conectado, pasando por la capa de control, y finalmente llegando hasta la capa superior Apps, Analytics & Services, donde toda esta información es gestionada en la “nube(cloud)” de una forma inteligente, en su almacenamiento, su calidad y modelamiento.

Resumiendo, todo esto hace que la industria pueda ser mucho más eficaz y sostenible en su camino hacia la Transformación Digital, apoyándose en el Big Data, IA, robotización y cobots, pasando a acuñar la nueva Industria 5.0. Siendo el núcleo del cambio de la Industria 5.0 el ser humano; el objetivo es que la tecnología pueda estar al servicio de las personas y no a la inversa.

2. Sabemos perfectamente que la función más básica de un variador de frecuencia es hacer control del ‘flujo de energía’ de la red eléctrica al proceso, como una definición elemental. Ya que es un dispositivo que se ubica entre la red y el motor eléctrico. Esta energía de la red eléctrica llega al variador de frecuencia, y éste regula la potencia (par y velocidad) que llega al motor eléctrico. Por lo tanto, todas aquellas aplicaciones susceptibles al uso de un motor eléctrico y donde aparezca o sea necesario regular la velocidad en un proceso o máquina, es obligado el poner un variador de frecuencia. Haciendo foco principal en la más típicas como pueden ser entre muchas otras: bombas centrífugas, ventiladores, compresores, que ofrecen unas altas ventajas en ahorro energético, y así como en otros equipamientos industriales.

No obstante, el concepto innovador y de mayor impulso en el uso de los variadores de frecuencia en el presente y futuro de la industria, no solo está ligado al campo de las aplicaciones las cuales ya son muy conocidas por todos nosotros. Si no, viene del concepto del uso del variador de frecuencia como un elemento ‘multisensorial’ basado intrínsicamente en el IIoT, y me explico. El variador de frecuencia aprovechando su hardware de concepto como producto conectado, a través de una red o bus de comunicaciones es capaz de suministrar información, no solo del sistema red eléctrica / variador de frecuencia / motor eléctrico, sino que también de las variables del proceso que controla o de la máquina, como punto concentrador de recopilación de datos para fabricantes y usuarios. Este es y será, el verdadero avance en la industria en el uso de estos dispositivos.

3. Bien, de todo lo anteriormente ya comentado, y sobre todo muy estrechamente ligado a la respuesta del punto anterior. Se deduce rápidamente que si el variador de frecuencia es y será un elemento básico en la obtención de la información como dispositivo conectado para concentrar dicha información y obtención del dato. Este dispositivo debe obligatoriamente cumplir con los requisitos y estándares de CiberSeguridad más estrictos.

El hecho de tener productos conectados al IIoT por supuesto que nos abre tremendas oportunidades como las ya citadas, pero a la vez nos crea grandes desafíos y un incremento a la vulnerabilidad. Las amenazas e incidentes cibernéticos son un riesgo operativo y empresarial importante para toda empresa digital. En la era de la digitalización, crear y ejecutar una que le permita ver, reducir y responder a las responder a las amenazas y riesgos cibernéticos. Es la única forma de asegurar sus operaciones y alcanzar sus objetivos financieros.

Cualquier estrategia de ciberseguridad es tan fuerte como su eslabón más débil. Por eso es fundamental identificar y mitigar los riesgos aplicando normas y buenas prácticas en toda la

toda la línea de defensa, que debe integrar personas, procesos y tecnología.

Tenemos muy claro entonces que esta CiberSeguridad se apoyará en tres partes fundamentales que serán:

• Las personas, una ciberprotección sólida requiere trabajadores formados y concienciados. En muchos casos, su personal es su primera y última línea de defensa. Un elemento crucial de esta área es crear y comunicación de una cultura de seguridad de seguridad en toda la empresa.
• Los procesos, para identificar y eliminar los riesgos cibernéticos, es necesario establecer e implantar buenos procesos, prácticas y políticas. Las empresas deben empezar con evaluaciones de riesgos y amenazas y análisis de deficiencias.
• La tecnología, su ciberdefensa es tan fuerte como la tecnología desplegada para gestionar y controlar sus operaciones. Este aspecto, es fundamental para proteger lo que su empresa desarrolla y despliega, así como garantizar la procedencia de tu tecnología y hacer que la cadena de proveedores sea segura.

Aquí es donde Schneider Electric da un paso muy innovador dotando a todos sus dispositivos de arranque y control motor, y haciéndolos seguros según el estándar ISA/IEC 62443-4-1 aplicándolo a su plataforma de variadores de frecuencia Altivar Process ya lanzada en 2016, y su último lanzamiento de producto, con el arrancador progresivo Altivar ATS480. La CiberSeguridad resalta como tema estrella en sus características técnicas y funcionalidades de sus productos, reforzamos nuestro concepto “end to end”, donde la CiberSeguridad se construye su estrategia desde el inicio hasta su final en la cadena de valor de la automatización y control. Haciendo compatible con aplicaciones y análisis de datos a través de las diversas capas, haciendo converger equipos y soluciones de IT/OT, software y servicios.

Otro eje de desarrollo de novedad tecnológica en el cual Schneider Electric está trabajando, es el dotar de la suficiente analítica integrada dentro del variador de frecuencia para hacer un ‘Mantenimiento Predictivo’. Se pretende con ello el poder gestionar de forma ‘nativa’ las señales tantos eléctricas más relevantes del variador, así como todas aquellas procedentes de datos de la aplicación, máquina o proceso. Permitiendo de esta forma el poder obtener de forma muy fiable, y con precisión, requerimientos mecánicos de par y velocidad, cambios de comportamiento dinámicos del sistema, y saber en todo momento los puntos de trabajo operativos más seguros y eficientes.

Con todo ello, podremos:

• Analizar el estado de salud del motor eléctrico y elementos motorizados
• Identificar factores de estrés que puedan afectar al ciclo de vida del variador y de los equipos
• Identificar daños y malos funcionamientos que requieran de un mantenimiento de monitorización y seguimiento del equipamiento en general

Y, sobre todo, evaluar de forma rápida y eficaz la esperanza útil de vida restante del accionamiento en su conjunto.

Finalmente, con el propósito de trabajar en usar un software sencillo e intuitivo apoyándose en tres puntos de información disponible, y diferenciados en tres bloques:

• Estado: detección de niveles de estrés, y de fallos
• Predicción: tiempo útil de vida que queda, y riesgo de fallos
• Recomendaciones: para poder hacer acciones de reducir el nivel de estrés del sistema, y mitigar su impacto. Así como, priorizar el nivel de acción a ser realizado, en los tipos de alta, media o baja. Permitiendo una gestión más eficiente desde el punto de vista técnico y económico

  
  

Seguridad, conectividad y una mayor eficiencia

Desde WEG, consideran “esencial” el papel de los variadores de velocidad. Y añaden: “Como se indica en la introducción, solamente considerando el uso de Variadores para aplicaciones de cargas cuadráticas ya significa un enorme salto de calidad en ahorro energético dentro de un escenario de costes crecientes, donde la optimización de recursos es la primera prioridad de cualquier planta o industria. Según indican desde la compañía, la aportación de los Variadores de Velocidad como equipos dinamizadores para todo tipo de máquinas y soluciones industriales ha cambiado el rol del diseño de toda aplicación que utilice uno o varios motores, controlando todos los estados de estos, velocidad, par, registros, etc. Por tanto, “toda aplicación que utilice un motor es susceptible de mejora incorporando un variador”.   

Este artículo aparece publicado en el nº 543 de Automática e Instrumentación págs. 34 a 39.