La eficiencia energética en la automatización

Si alguien habla de la eficiencia energética, se refiere a la reducción de costes. Hoy en día, la evolución de las necesidades de los fabricantes de maquinaria sensibles a la reducción de precios son una importante referencia a la hora de introducir nuevos conceptos en el diseño de los servoaccionamientos. Para realizar un enfoque adecuado en la fase de diseño, es necesario analizar una serie de puntos básicos:

• La eficiencia no es posible sin un concepto predefinido
• Uso de un software de motion potente
• Evitar el sobredimensionado
• Evitar la pérdida de energía
• Energía de acoplamiento y aprovechamiento de la energía de frenado
• Análisis y optimización de la aplicación
• Colaboración de especialistas en la materia

Si un gran número de personas cometen el mismo error, quiere decir que muchos también tienen el mismo problema. Por lo tanto, echemos un vistazo a la cuestión más importante antes de debatir el dimensionado de los servos, la eficiencia o la regeneración de energía en la frenada: ¿Se está aplicando el concepto de automatización correctamente?

Los conceptos de automatización eficaces están basados en componentes multifuncionales sin las limitaciones de rendimiento causadas por los procesadores, la memoria o la tecnología de la comunicación. Algunos conceptos como el funcionamiento determinístico en multitarea, tiempos de reacción mínimos o un concepto de software completo son elementos básicos en el ahorro de energía en los servoaccionamientos.

Por lo tanto, el principal objetivo debe ser eliminar los controladores independientes, controladores de CNC independientes, controladores de robótica independientes, sistemas de control independientes, herramientas de software independientes y un sistema no unificado de buses de campo. Los conceptos uniformes de B&R para la automatización se basan en componentes que cumplen con todas las exigencias en materia de modularidad, topologías y rendimiento. Una serie de equipos muy potentes pueden usarse en una estructura local o remota en función de las necesidades. Los componentes necesarios para la gestión de los servoaccionamientos pueden distribuirse por todo el sistema según las necesidades. Ethernet Powerlink proporciona la base para una sincronización con precisión del orden de un μsec. Todos los parámetros de gestión de motores y de movimientos están disponibles para todos los componentes de la comunicación en tiempo real.

Sin un concepto moderno de automatización, la eficiencia energética no es posible. Eliminar componentes innecesarios puede ahorrar mucho coste de material, pero también permite ahorrar de energía.

Desarrollar una configuración de control de un servoaccionamiento para un solo eje que sea energéticamente eficiente no suele ser un problema, pero esto se hace mucho más difícil para un grupo de ejes. La mayoría de los procesos en máquinas no se limitan a una sola unidad sino que, muy a menudo, son el producto de los movimientos de varios ejes acoplados. En este caso, un software potente para motion con funciones integradas es fundamental en la obtención de una buena eficiencia energética. Se necesita software que permita optimizar la energía en el control del movimiento en un grupo de ejes y funciones especificas para el control de un eje. B&R ha llevado este planteamiento hasta el extremo: el concepto Generic Motion Control combina el mundo de la robótica, del CNC y de los movimientos entre ejes acoplados y ejes independientes en un sistema homogéneo. La ventaja para los clientes de B&R: la eficiencia energética mediante el uso de efectos de sinergia tecnológica, por ejemplo, mediante la integración de los distintos procesos de producción.

El software nos lleva a un nuevo sistema de automatización. Un desarrollo orientado a la aplicación ayuda a modernizar los sistemas, especialmente en lo que respecta a la eficiencia energética en configuraciones con servos.

El sobredimensionado es la principal fuente de ineficiencia y aquí hay un enorme potencial para ahorrar energía y costes de material. Una investigación realizada entre nuevos clientes de B&R demostró que aproximadamente el 20% de los componentes de motion utilizados hasta entonces estaban sobredimensionados. En realidad, los motores demasiado grandes están operando por debajo de su potencia nominal. El resultado: la eficiencia cae, y los costes de la energía suben; precisamente los costes que deben ser pagados por el usuario final y no por el proveedor de maquinaria.

B&R trabaja para ofrecer a todos sus clientes equipos de un tamaño óptimo. Unas especificaciones adecuadas son un requisito esencial para este dimensionado: la información más importante incluye un análisis preciso de la dinámica, la velocidad, el rendimiento, el tipo de movimientos, la mecánica y las condiciones ambientales, así como amplia información sobre las condiciones térmicas. Las herramientas de dimensionado incluyen el paquete de software ServoSoft. ServoSoft considera tanto la instalación eléctrica como la mecánica de los componentes y es una herramienta para el dimensionado de los motores y servoaccionamientos de B&R.

El dimensionado adecuado de los motores y servoaccionamientos es posible. Evitar el sobredimensionado no sólo ayuda a reducir costes de adquisición, sino que también reduces costes de consumo de energía.

Evitar la pérdida de energía

La eficiencia de los servoaccionamientos ha mejorado en las últimas décadas. Sin embargo, la pérdida de energía y la generación de calor asociada a ella siguen siendo problemas importantes. La pérdida de energía puede ser fácilmente evitada si se aplican las siguientes directrices que se analizan a continuación:

• Fuente de alimentación activa: utilizar solo la energía necesaria
• Unidad de regeneración de energía: la energía de frenado no debe de disiparse en forma de calor
• Tecnología de refrigeración: la disipación de calor debe ser minimizada
• Tecnología del motores: usar motores eficaces

Fuente de alimentación activa

¿Cómo asegurarse de que la energía se utiliza de forma eficaz? Las fuentes de alimentación activas con corrección del factor de potencia garantizan exclusivamente el consumo de corriente sinusoidal de la red eléctrica. Esta es una medida que también se utiliza con valores no sinusoidales y, por tanto, reduce el valor eficaz de la corriente a un mínimo. De este modo se consigue una relación óptima entre la potencia eficaz y la aparente (casi 1).

Mientras que los variadores convencionales con un factor de potencia bajo tienen un consumo de energía mucho mayor, la fuente de alimentación activa de ACOPOSmulti garantiza un uso eficiente de la energía. Analizando los costes en detalle: en realidad todas las instalaciones toman medidas para reducir la potencia aparente. Así que el usuario final que utiliza un variador y un motor, prácticamente sólo paga la potencia eficaz. La corrección activa del factor de potencia no significa por tanto necesariamente una reducción en los costes de la electricidad. Sin embargo, representa una significativa reducción de los costes indirectos: por la capacidad de regeneración de energía de los módulos activos, a través de la optimización térmica y a través de la reducción del sobredimensionado de los motores, servoaccionamientos, seguridades y transformadores.

Regeneración de la energía

Todos los módulos de alimentación ACOPOSmulti son capaces de regenerar potencia, lo que impide que la energía cinética del frenado se convierta en calor. A diferencia de los dispositivos convencionales, no existe absolutamente ninguna generación de calor causada por las resistencias de frenado. El poder de regeneración del sistema integrado proporciona un método eficiente y sostenible para evitar que la energía de frenado se convierta en calor dentro del armario eléctrico.

Tecnología de refrigeración

Incluso con las más modernas tecnologías de servoaccionamientos, el dimensionado térmico de los armarios eléctricos sigue siendo importante: el uso de ventiladores y unidades de control de temperatura en armarios eléctricos aumenta los costes de energía y los gastos adicionales de mantenimiento. Estos costes se pueden reducir mediante refrigeración por la técnica 'Cold Plate'. Este método extrae calor del armario utilizando un circuito de agua o aceite, que vuelve a circular de nuevo por el circuito. Este sistema es energéticamente mucho más eficiente que los climatizadores habituales.

Tecnología de los motores

Las máquinas de producción modernas requieren motores compactos y dinámicos, con un momento de inercia bajo y una mayor eficacia. Los servomotores síncronos son la solución ideal ya que son claramente más eficientes energéticamente en comparación con motores de inducción, porque los campos se crean utilizando imanes permanentes. El resultado: baja la potencia aparente, mejora la eficiencia, menos pérdida de calor y, por tanto, aumento de la eficiencia energética.

Si frenas, ganas: el aumento de la eficiencia de los módulos activos proviene de la capacidad para transferir la energía generada por el frenado de nuevo a la red eléctrica. Sobre este punto hay dos cuestiones:

a) ¿La máquina realmente frena? Esta pregunta parece trivial, pero un motor que funciona a velocidad constante no ofrece la posibilidad de reutilizar la energía de la frenada. En este caso, una fuente de alimentación activa no ahorra costes en comparación con una fuente de alimentación pasiva, los costes de energía son idénticos, y el único factor relevante es el coste inicial del propio módulo.

Si los componentes de la máquina funcionan en modo marcha/paro (los ejes primero aceleran y después frenan) se ahorra dinero con un módulo de regeneración de energía. Con la regeneración del 25% de la energía consumida, el coste de la energía ahorrada ya amortiza la compra de una unidad de regeneración en solo un año y medio. Y el ahorro continúa, ya que puede reducir hasta un 25% de los costes de energía, dependiendo de la cantidad de energía que se regenera. Otra ventaja: La energía de la frenada no se convierte en energía térmica cuando se utiliza la regeneración.

b) ¿Cuáles son las pérdidas de una fuente de alimentación? La regeneración de la energía de frenado deberá ser superior a todas las pérdidas de la propia fuente de alimentación, ya que de lo contrario no se ahorra energía. La fuente de alimentación del sistema ACOPOSmulti se ha diseñado específicamente con esta premisa. La pérdida de energía de los filtros, la resistencia de frenado, la fuente de alimentación y el módulo de auxiliar de 24 V se ha reducido al mínimo con el fin de disponer de condiciones óptimas a nivel de eficiencia mediante la regeneración.

¿Cuántos fabricantes de maquinaria invierten tiempo y esfuerzo en probar los modelos de servoaccionamientos normalmente sobredimensionados en los prototipos? ¿Cuántas ingenierías realizan mediciones de potencia eficaz, potencia aparente o del consumo de las instalaciones? Aquí, la cantidad de tiempo y esfuerzo que se tiene que invertir para obtener el análisis necesario son decisivos. Conclusión: Con las herramientas de software adecuadas, no es necesario invertir apenas nada.

Con el Automation Studio de B&R, todos los datos actuales e históricos de potencia están disponibles para poder hacer un diagnóstico muy detallado – un entorno ideal para optimizar la eficacia de los servoaccionamientos y motores. El vatímetro que se integra en el Automation Studio es una herramienta muy adecuada para el análisis del consumo. Ofrece una medición precisa para la obtención de la potencia eficaz, reactiva y aparente.

Los fabricantes de maquinaria normalmente instalan máquinas para clientes que quieren unos costes bajos a la vez que necesitan cumplir sus requisitos. Sin embargo, si los costes de la energía comienzan a superar los costes iniciales de la máquina tres años después de la compra, los costes del ciclo de vida se convierten en una desventaja para el usuario final. Por otro lado puede ser una desventaja si las ingenierías especifican que los fabricantes de maquinaria deben de utilizar ciertos equipos concretos: Si se instalan unidades ineficientes y se usan conceptos subministrados por las ingenierías, el fabricante de la máquina no tendrá la opción de elegir otro proveedor.

Los proveedores de maquinaria que han demostrado ser expertos en eficiencia energética son siempre un buen socio para cualquier negocio. Por ejemplo, una fuente de alimentación puede ser fácilmente vendida a un usuario final si el valor añadido después de dos años de producción se pone de manifiesto. Es importante confiar en los proveedores que asesoran a sus clientes de una forma óptima para lograr la eficiencia energética a través de productos innovadores y soluciones de automatización bien planificadas. Los ingenieros de aplicación y ventas de B&R ofrecen y desarrollan configuraciones de ‘motion’ optimizadas. Asimismo, los especialistas de B&R proporcionan a las ingenierías y usuarios finales un soporte técnico con respecto a la eficiencia energética.