Control preciso y ahorro energético, principales ventajas del variador para media tensión

La industria pesada, la minería, la siderurgia o la generación energética necesitan grandes motores alimentados en muchos casos con tensiones por encima del kilovoltio. A veces se trata de mover grandes bombas o ventiladores o aplicaciones a par constante como el horno de una cementera. En muchas de ellas, el uso de la variación de velocidad se hace relevante, ya sea por la inherente optimización del consumo energético, por las ventajas relevantes de arrancar y parar de forma suave o por la adaptación de la velocidad al propio proceso productivo. Hablamos con los líderes del estado del arte de este tipo de productos.

PREGUNTAS

1. ¿Cuál es el rango de tensión máximo al que puede trabajar un variador de media tensión?

2. ¿Cuáles son las ventajas más relevantes?

3. ¿Cuándo se justifica el uso del variador frente a otras soluciones como, por ejemplo, los arrancadores suaves?

4. Por la criticidad habitual de estos componentes, ¿qué tipo de tecnología de nueva generación incorporan estos equipos para posibilitar estrategias de mantenimiento predictivo?

5. ¿Qué novedades o características relevantes ofrece su propuesta de producto?

1. Sería importante clarificar de qué tensión estamos hablando. Si te refieres a la alimentación del variador, ésta viene limitada por la subestación de la planta, y será transformada en el transformador desfasador que debe haber antes del variador en sí. Interesante indicar que hay topologías que ya lo pueden integrar, ahorrando mucho espacio en la sala correspondiente.

Si hablamos de salida hacia el motor, a fecha de hoy, la tensión mínima ronda los 1,15kV y la tensión máxima más habitual es 13,8kV. Esto permite una flexibilidad muy importante en el aspecto del diseño, y adaptación a las distintas zonas geográficas y normativas que existen actualmente a nivel mundial, facilitando la labor de ingeniería de diseño.

Habría que recordar que, aunque estemos en Europa, no siempre hemos de tener que trabajar con el rango de 6kV en alimentación del motor, pudiendo adaptarnos por ejemplo a motores de 3,3kV, con lo que el paquete de accionamiento reduce significativamente el precio.

2. En este capítulo, podríamos estar días enteros, pero no creo que sea posible… Los variadores de media tensión, al igual que los de BT, tienen múltiples ventajas que justifican su implantación en instalaciones donde se requiere de un control o variación de velocidad. La primera de ellas es el control preciso de la velocidad para cumplir los requerimientos del proceso, aumentar el rendimiento del equipo accionado, controlar el par, intensidad, curva del motor, etc. Otra importante es el ahorro energético que, en muchos casos, se puede conseguir en función de la demanda de carga, con la consecuente reducción de los costes de explotación. Otras ventajas importantes es el aumento de la vida útil del motor, el control del tipo de arranque, controlar la intensidad de arranque en redes con problemas, o incluso la detección de problemas en el estado del motor. Como ves, las funcionalidades de un variador son múltiples y variadas.

3. El uso de un variador de velocidad es tan amplio, que en muchas ocasiones se emplean para funciones más ‘livianas’ como únicamente arrancar y parar motores eléctricos. Si únicamente tenemos que arrancar controladamente un motor, mantenerlo funcionando a velocidad nominal un día, una semana, un mes…. y luego hacerlo parar también controladamente, esto lo hace fantásticamente un arrancador suave, a un precio de instalación menor. Solamente cuando hemos de arrancar con limitaciones importantes de intensidad en barras es cuando se justifica el poder configurar variadores para hacerlos trabajar única y exclusivamente como ‘arrancador’. En toda aplicación donde sea necesaria una adaptación de caudal, temperatura, presión o cualquier otro parámetro del proceso, y esto dependa de la velocidad de una bomba, compresor o cualquier otro equipo rotativo, el variador es el equipo a instalar.

4. Las actuales necesidades industriales de integración de equipos en la Industria 4.0 obligan a que no haya ningún equipo ‘aislado’ o sin control en las plantas. Por otro lado, tampoco se puede dar el caso de que alguno de ellos falle y que se pare repentinamente la producción, es un caso que no se puede dar. Es por ello que, no solamente los variadores de media tensión, sino prácticamente cualquier equipo en planta, dispongan de sensórica que permita aportar los datos necesarios para una supervisión continua del funcionamiento del equipo (no del proceso) y se pueda ver la tendencia a fallo, con la consiguiente ventaja de poder hacer un mantenimiento predictivo planificado, sin urgencias de producción y con todo el material preparado para realizar la intervención cuando a la empresa le sea más conveniente y en el menor tiempo posible. Esto además se complementa con plataformas en la nube que permiten la supervisión de cualquier planta, hasta el nivel de detalle que se quiera, estando ubicada en cualquier parte del mundo. Sólo hace falta un acceso a internet.

5. Los variadores de velocidad de WEG están considerados como unos de los más resistentes y diseñados para aplicaciones exigentes como instalaciones petrolíferas, plataformas marinas, buques, etc. Una ventaja muy importante de WEG es que diseñamos y fabricamos cada variador para la aplicación correspondiente, con lo que somos nosotros los que nos adaptamos al cliente, no al revés.

Podemos incorporar características especiales necesarias por el cliente, el lugar donde estará instalado, medidas especiales de seguridad de acceso, protocolos de comunicaciones, integración de sensores para controlar su funcionamiento, etc. 

Es interesante indicar que WEG dispone de dos tipologías. Una, la gama MVW01 con IGT de media tensión, que permiten disponer con menos electrónica de una eficiencia muy alta en el sistema. Normalmente el IGT limita las tensiones de salida al motor, y el rango suele ser entre 2,3kV y 6,9kV, pero las potencias controladas pueden ir perfectamente desde 400kW hasta los 36MW. Por otro lado, la gama MVW3000 dispone de tecnología de multinivel en cascada CHB), con una salida casi senoidal, no requiriéndose un aislamiento especial en el motor. Las tensiones habituales van desde 1,15kV hasta 13,8kV, y en lo relativo a potencias, hay una variedad también muy grande que permite trabajar en cualquier proyecto. Como ves, WEG dispone de equipos para trabajar en cualquier tipo de proyecto, en cualquier parte del mundo, y bajo cualquier normativa. 

1. El rango de tensión máximo al que puede trabajar un variador de media tensión suele ser hasta los 20/35 KV, dependiendo del diseño y de las especificaciones del equipo. En Schneider Electric, disponemos de nuestra gama Altivar Process ATV6000 de Media Tensión, con un rango desde 2,4 hasta 20 KV y una potencia desde 0,3 a 20 MW.

2. La introducción de un variador de velocidad en el proceso de arranque y gestión de motores nos permite disponer del máximo control del motor y de su aplicativo. Esto es una de las grandes ventajas en aquellas aplicaciones donde se requiera una respuesta rápida a una posible demanda o una reacción del sistema.

Principalmente, junto con aquellas aplicaciones de Par Variable (bombas/ventiladores) y otros tipos de carga como puede ser el Compresor, donde obtenemos un potencial de ahorro significativo, son las principales ventajas de un Variador de Velocidad accionado un motor. Cabe destacar que, con este tipo de arranque motor, reducimos potencialmente las puntas de intensidades originadas en el arranque, ya que al controlar tensión y frecuencia, el flujo permanece constante y la intensidad inicial, no supera la nominal del motor.

3. La justificación de un variador no es sólo para regular la velocidad del motor, sino que también se utiliza como arrancador en aquellas instalaciones/aplicativo, donde las puntas de intensidades pueden ser perjudiciales para el proceso o las protecciones generales. Cabe destacar que, con la instalación de un variador de velocidad, reducimos potencialmente las puntas de intensidades originadas en el arranque, ya que, al controlar tensión y frecuencia, el flujo permanece constante y la intensidad inicial en ese momento, no supera la nominal del motor. Habitualmente, los variadores de velocidad se utilizan en aquellos aplicativos donde requieran un control muy ajustado del motor (elevación, control de par/velocidad, etc.) o una reducción de velocidad a consecuencia de la demanda del sistema, por ejemplo, control de caudales o presión en bombas donde normalmente se ajusta mediante válvulas reguladoras u otros sistemas de estrangulación. Esto supone un potencial de ahorro considerable, debido a las leyes de afinidad, donde la relación entre la velocidad y la potencia consumida es cúbica.

4. Además de la ventaja que supone este tipo de topología de variador de MT, con Power Cells de IGBTs alimentadas entre 700V y 900V, donde podemos realizar un bypass de cualquier celda que pueda verse afectada por un defecto y continuar en servicio, estos equipos incorporan de serie unos sensores para ser gestionados mediante un software (Ecostruxture Asset Advisor), que nos permite adelantarnos a una posible parada incontrolada del proceso. Esto es debido la monitorización de dichos sensores, comparados con un patrón de diseño, mediante algoritmos de inteligencia artificial, que se resume en alertas predictivas que evitan una parada incontrolada en el proceso. Este tipo de Tecnologías permiten planificar tareas predictivas de mantenimiento, reduciendo a su vez el tiempo de inactividad y optimizando la vida útil de los equipos.

5. Como principal característica referente a la digitalización, este equipo tiene la capacidad de poder introducir la curva de la bomba en su sistema de control y poder obtener el punto máximo de rendimiento del aplicativo (Bomba/Ventilador), esto permite poder marcar un ancho de banda sobre la curva del sistema, desviaciones del punto máximo de rendimiento (BEP) y marcar alarmas o disparo, según queramos disponer. Incorpora de serie también funciones de Power Metering, que aportan un conocimiento general de todos los consumos del proceso.

1. Refiriéndonos a la tensión de salida del convertidor hacia el motor, lo más habitual son tensiones entre 3,3 y 6,6 kV aunque el rango de operación en media tensión alcanza los 11kV, adaptándose de esta manera a las tensiones más habituales de los motores que, inicialmente, se diseñaban para operación en directo -sin convertidor-. Las soluciones más habituales para aplicaciones de propósito general hoy en día emplean una configuración CHB - Puente en H o más comúnmente denominadas ‘multicelda’: cada fase se compone de celdas colocadas en serie hasta alcanzar la tensión deseada en salida del convertidor: 4 celdas por fase para tensiones de 4160V, 6 celdas para 6600V y 9 celdas en serie para 11000V. Cada celda se alimenta desde el secundario de un transformador, de manera que se necesita un transformador dedicado (habitualmente integrado en la cabina) que adapte la tensión de línea a la que emplea cada una de estas celdas: 18 secundarios para 6600V; 27 secundarios para 11000V.

Aunque técnicamente podría escalarse esta configuración a tensiones superiores, no son habituales motores por encima de este voltaje en aplicaciones generales de manera que es un buen punto para marcar el límite de tensión máxima en convertidores de media tensión. Sin embargo, en el caso de aplicaciones especiales y con equipos de carácter industrial las tensiones de alimentación a motor alcanzan los 15kV: hablamos de topologías del tipo LCI, muy específicas y orientadas a aplicaciones especiales del tipo arranque de turbinas de gas en plantas de ciclo combinado o de bombeos reversibles en centrales hidroeléctricas. En ambos casos, de todas maneras, lo habitual es adaptar la tensión del convertidor a la del generador de la planta por medio de transformadores si hiciera falta. 

Una nota adicional sería la tensión máxima de alimentación desde línea: en la mayoría de los casos el convertidor necesita de un transformador dedicado que adapta la tensión disponible a la que requiere internamente en su rectificador. Cuando se valora una solución con transformador integrado -habitual en configuraciones ‘multicelda’- la tensión de línea se limita a los 11-13,8kV. Esto es debido a que por las distancias dieléctricas a guardar entre terminales y partes activas no es posible acomodar tensiones superiores dentro de una cabina con unas dimensiones restringidas por las del convertidor asociado. En soluciones que emplean un transformador externo, no integrado en la misma cabina, esta restricción desaparece y podemos optar por tensiones de línea hasta típicamente los 36kV.

2. En fase de ingeniería o definición de un proyecto la principal ventaja de una tensión elevada será la menor corriente necesaria para un mismo nivel de potencia: esto revierte en una menor sección de cable requerido y menores pérdidas por efecto joule en los conductores. Una segunda ventaja a destacar es el acceso a regulación (retrofit) de motores existentes en campo alimentados a tensiones del orden 10-11kV. Son tensiones seleccionadas en su momento para minimizar el efecto del arranque en directo sobre redes relativamente débiles y que tradicionalmente no podían optar a regulación. Los convertidores de frecuencia de media tensión son ahora más accesibles y versátiles, y permiten actualizar aplicaciones existentes manteniendo el motor y añadiendo las ventajas que supone la regulación en velocidad.

3. Los arrancadores suaves son la opción mas razonable (y económica) para aquellas aplicaciones que no precisan regulación y cuyo arranque no es muy demandante: el arrancador permite iniciar la marcha reduciendo la corriente de arranque y la caída de tensión de línea, minimizando además los esfuerzos electromecánicos del arranque en el motor y la aplicación, pero a cambio de limitar el par disponible. Aplicaciones típicas pueden ser compresores, bombeos, ventilación o cintas transportadoras que una vez completado el proceso de arranque se pretende operar a velocidad constante.

Un convertidor permite disponer del par nominal -y sobrecarga- desde el inicio sin superar la corriente nominal y por ello sin limitación en tiempo ni número de arranques consecutivos. Completado el arranque, el convertidor permite además un control preciso sobre la aplicación, ajustando los puntos de operación de la aplicación a la necesidad concreta del proceso en cada instante. Aplicaciones como molinos, extrusoras, grúas, etc. se benefician de la capacidad de regulación que añade el convertidor. Por otra parte, aplicaciones dimensionadas para operar a velocidad constante pueden ver mejorada su eficiencia significativamente con un convertidor de frecuencia si en su día a día operan a carga parcial con métodos de regulación obstructivos como válvulas o clapetas: una evaluación de eficiencia energética de estas aplicaciones puede proporcionar interesantes valores de ahorro energético y retorno de inversión ligados a la instalación de un convertidor de frecuencia.

4. Todos los equipos de Media Tensión de ABB están integrados y listos para operar dentro de la plataforma ABB Ability, permitiendo acceso en tiempo real a las condiciones de operación del convertidor, estado de funcionamiento, histórico de parámetros, tendencias e irregularidades; y cuando es necesario tomar las acciones correctivas correspondiente en remoto y con el soporte de un equipo de asistencia 24/7. Un equipo de expertos de soporte supervisa el estado y tendencias del convertidor y permite tomar decisiones proactivas en base a información en tiempo real del equipo. De esta manera se optimizan los intervalos de mantenimiento del equipo en base al comportamiento real del equipo en particular: mantenimiento basado en el estado. La comunicación entre convertidor y ABB Ability y este acceso a la información en tiempo real permite tomar acciones correctivas rápidas y efectivas disminuyendo el tiempo de reacción ante cualquier imprevisto, reduciendo riesgos y aumentando la disponibilidad del sistema.

5. Con el objetivo de mejorar su oferta de regulación de velocidad, la gama de convertidores ACS580MV de ABB se ha ampliado recientemente para cubrir el rango de tensiones de 3,3 kV a 11 kV. Con esta actualización también se ha lanzado una versión compacta para el rango de tensiones de motor 3,3 – 4,16kV: esta versión condensa en una cabina de sólo 2,5m toda la funcionalidad y capacidad del convertidor pero permitiendo la instalación en espacios reducidos. Ideal para situaciones de retrofit o reacondicionado de motores que actualmente están operando en directo con restricciones de espacio. Asimismo, toda la gama de convertidores de Media Tensión de ABB es compatible con la plataforma digital ABB Ability: las soluciones de gestión de activos de ABB le permiten mejorar la fiabilidad y la disponibilidad de sus equipos, minimizando los costes operativos y aumentando la seguridad de sus empleados. Las soluciones ABB Ability permiten mantener los servicios de producción seguros y en funcionamiento de forma continua.

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Este artículo aparece publicado en el nº 552/53 de Automática e Instrumentación págs. 50 A 54.