Consideraciones para el uso de contactores de derivación con variadores de frecuencia (VFDs)

Los técnicos en la industria están continuamente encontrando aplicaciones que se benefician de los variadores de frecuencia (VFDs), que permiten a los usuarios adaptar o cambiar su proceso para obtener un resultado más eficiente, generalmente en términos de producción.

Por ejemplo, consideremos una cinta transportadora simple que lleva un producto a una máquina de embalaje o a un paletizador. Sin los variadores de frecuencia, este proceso estará dedicado a la velocidad base predeterminada definida por las RPM de la placa del motor, la relación de la caja de cambios y el diámetro de los piñones impulsados. Imagina qué pasaría si la velocidad de todos los motores pudiera aumentarse en un 10% o ajustarse hacia arriba o hacia abajo para cumplir con las limitaciones del equipo aguas abajo.

En otra aplicación, un proceso que depende de la presión o el flujo puede requerir que un operador observe indicadores para iniciar y detener una máquina y evitar condiciones de subvelocidad que afecten negativamente la eficiencia general. Un Variador de frecuencia conectado a un transductor utilizado para el feedback PID (proporcional, integral, derivativo) ajustaría su propia velocidad según los puntos de ajuste predefinidos.

Además, un variador de frecuencia puede proporcionar los beneficios de un arranque suave, utilizando un período de aceleración desde la velocidad cero hasta el rango objetivo que disminuye el daño al equipo mecánico, como las cajas de cambios y las cadenas. Si un empleado está enfermo o trabajando en otra línea, toda la máquina puede ralentizarse para adaptarse a las limitaciones de la fuerza laboral restante.

Sin embargo, al considerar si y cómo implementar variadores de frecuencia (VFDs), también es fundamental tener en cuenta el papel del contactor de derivación. Estos contactores aseguran que la operación del motor continúe a plena velocidad en caso de fallo del VFD o servicio de emergencia. Este artículo analiza los factores que intervienen en la determinación de si una planta debe (a) cambiar por completo de contactores de arranque directo a Variadores de Frecuencia, o (b) mantener ambos sistemas, proporcionando así un sistema de respaldo que evite una parada total de producción.

Implementación de Variadores de frecuencia y elección del sistema de respaldo

Uno de los primeros pasos para implementar VFDs es hacer una lista de los equipos existentes que son alimentados por motores eléctricos. A continuación, trabajando con el departamento de mantenimiento y producción, se debe identificar qué equipos se beneficiarían de la velocidad variable. Tenga en cuenta que una línea de producción con múltiples motores puede requerir un Variador de Frecuencia en cada uno. Un aumento en la producción, la eficiencia y la disponibilidad de retroalimentación del motor con respecto a la corriente, la velocidad y otros elementos también sumará ventajas.

Una vez que los Variadores de frecuencia estén instalados y funcionando, puede ser deseable tener un sistema de respaldo para los motores y procesos que podrían tener problemas si se detuvieran por completo e inesperadamente. Para los motores que anteriormente funcionaban solo con contactores, el antiguo sistema de control puede mantenerse en caso de fallo del VFD. En los nuevos sistemas, puede ser necesario realizar un estudio para determinar qué VFDs son críticos para un funcionamiento adecuado y cuál es el mejor sistema de respaldo para cada VFD.

A continuación, se deben definir los parámetros sobre cómo y cuándo habilitar el cambio del modo VFD al modo de derivación y viceversa. Esto podría ser tan simple como vincular una transferencia automática a un relé de falla en el VFD. Otra opción alternativa sería conectar el relé de falla del VFD o los transductores a un PLC, donde los parámetros predefinidos dictarán cuándo y dónde realizar este cambio.

Mejorando la Operatividad con Variadores de Frecuencia y Sistemas de Respaldo Eficientes

En el caso de un cambio automático del Variador de Frecuencia (VFD) de vuelta a los contactores de arranque directo, dicho cambio puede causar problemas con la calidad del producto e incluso poner en riesgo la seguridad del operador. Una herramienta útil en estos casos sería instalar luces piloto que puedan indicar que un Variador de Frecuencia ha detectado un problema y se ha desconectado. Una vez alertado por la luz piloto, un operador o técnico de mantenimiento podría analizar la situación, determinar si es seguro y necesario continuar, y transferir manualmente la operación del Variador de Frecuencia al modo de derivación.

El cambio a contactores de derivación también puede resultar en una interrupción de los procesos de producción normales, lo que afectaría la calidad del producto. En estos casos, los ingenieros de la planta deben predefinir los niveles de tolerancia del proceso para el producto terminado aceptable. También puede ser importante que los operadores, el personal de mantenimiento o ingeniería sepan que el Variador de Frecuencia ha cambiado a modo de derivación, para que se pueda investigar o corregir la causa del cambio. Esto se podría lograr a través de luces piloto en el gabinete del Variador de Frecuencia, ventanas emergentes en una pantalla de interfaz de máquina (HMI) o notificaciones a través de teléfonos móviles.

En algunos casos, un cambio automático del Variador de Frecuencia de vuelta a los contactores de arranque directo podría causar problemas de calidad o incluso poner en peligro la seguridad del operador. Para estos casos, las luces piloto podrían indicar que un Variador de Frecuencia ha detectado un problema y se ha desconectado. Estos escenarios pueden requerir que un operador o personal de mantenimiento analice la situación, determine si es seguro y necesario continuar y transfiera manualmente la operación del Variador de Frecuencia al modo de derivación.

Todos los sistemas modificados para incluir un modo de derivación también deben ser probados para asegurarse de que se puedan identificar la mayor cantidad posible de modos de falla. También deben asegurarse de que lo que sucede cuando el Variador de Frecuencia se desconecta y es reemplazado por los contactores esté claramente definido y comprendido.

Cuando se utilizan contactores de derivación en aplicaciones con múltiples motores junto con variadores de frecuencia (VFDs), ciertos parámetros a menudo definen los modos de conmutación. Por ejemplo, si los puntos de ajuste no se evalúan correctamente en un sistema de HVAC relacionado con la presión, los contactores del motor pueden encenderse y apagarse, incluso cuando el VFD está en funcionamiento. Cada vez que un contactor del motor se desconecta, se produce una sobretensión en la línea de alimentación, lo que podría dañar los transistores de salida del VFD y provocar un fallo prematuro. Cuando el mismo contactor que se apagó de repente se activa nuevamente y el VFD está funcionando a una frecuencia más alta y más cercana al nivel máximo de voltaje, la corriente instantánea generada debido al arranque podría dar lugar a una sobrecarga o a una protección por alta corriente.

Independientemente del tipo de derivación que se implemente, todos los sistemas modificados para incluir un modo de derivación también deben ser probados para asegurarse de que se puedan identificar la mayor cantidad posible de modos de fallo. También deben asegurarse de que lo que sucede cuando el VFD se desconecta y es reemplazado por contactores esté claramente definido y comprendido.

Además, en general, no es una buena idea que los contactores se activen y desactiven mientras el motor o los motores están siendo controlados y están en línea con un VFD. Los VFDs modernos pueden tener una función de «par seguro» (STO) o una entrada de habilitación que se puede conectar a un contacto auxiliar en el contactor de derivación u otro dispositivo. Cuando estos contactores se activan, o un interruptor de desconexión se apaga, el circuito STO o de habilitación en el VFD cambia de estado y permitirá el apagado adecuado requerido para evitar disparos falsos o proporcionar seguridad eléctrica al personal. El «par seguro» y la habilitación pueden estar definidos de manera diferente por cada fabricante de VFD, por lo que es importante leer el manual de instrucciones y comprender el funcionamiento adecuado y las limitaciones de cada uno.

Consideraciones operativas para el uso de contactores de derivación

El primer punto clave para garantizar un funcionamiento suave del sistema VFD/sistema de respaldo es realizar una evaluación completa para determinar si los motores objetivo requieren ambas direcciones (velocidad) hacia adelante y hacia atrás. Un VFD solo requiere una entrada para seleccionar la operación hacia adelante o hacia atrás. En el caso de los componentes de arranque directo, el modo de derivación requiere contactores de avance/reversión y aún más cableado de control.

A continuación, identificar los ciclos esperados de activación y desactivación de los contactores de derivación. Puede ser necesario utilizar contactores sobredimensionados para permitir el máximo número de ciclos y mantener las expectativas de producción y la calidad del producto. El ciclo de encendido y apagado de los contactores del motor puede permitir reanudar la producción, pero a una velocidad más baja o con un nivel de eficiencia inferior al deseado. Durante los procedimientos de prueba, asegúrese de que los motores giren en la dirección deseada en cada selección. Es posible que un motor conectado a un VFD termine girando en dirección inversa en comparación con cuando está conectado a un motor de arranque directo.

Algunas cargas no se beneficiarían de los contactores de derivación debido simplemente a la física. Si la carga es extremadamente pesada, es decir, con una alta inercia, el uso de un contactor o arrancador de arranque directo puede provocar correas deslizantes o sobrecargas de corriente. Para estas cargas, se puede utilizar un dispositivo de arranque suave en lugar de un contactor para ayudar a restringir el flujo de corriente, pero no permitirá la velocidad variable. Nuevamente, el desafío es proporcionar un sistema de respaldo adecuado para su VFD y al mismo tiempo comprender las limitaciones que pueden resultar.

A menudo, se utilizará un solo VFD para varios motores, y una estrategia de control de modo de derivación para esta aplicación puede utilizar un solo contactor para cada motor. La velocidad relativa de cada uno de los motores será determinada por los voltios y hercios (V/Hz) de salida del VFD. Dado que todos los motores están conectados a un solo VFD, este V/Hz será el mismo para cada motor. Por lo tanto, un VFD que produzca el 50% del V/Hz generará el 50% de la velocidad base de cada motor. Así, es importante tener en cuenta que un motor con una velocidad base de 1800 rpm funcionará aproximadamente a 900 rpm, mientras que un motor con una velocidad base de 1200 rpm funcionará a alrededor de 600 rpm. En caso de un fallo del VFD, el sistema podría ser operado mediante un sistema de control llamado «escalado». Utilizando el escalado, se puede poner en línea u offline un solo motor o varias unidades para ayudar a mantener el punto de ajuste u operación deseado. Esto puede no ser tan productivo como la velocidad variable proporcionada por el VFD, pero a menudo es mejor que no funcionar en absoluto. Tenga en cuenta que se requiere una planificación cuidadosa para asegurarse de que los motores no se activen y desactiven demasiadas veces para evitar el sobrecalentamiento y el fallo prematuro.

Consideraciones de seguridad y cableado de control para los contactores de derivación

Veamos algunos de los aspectos relacionados con el cableado de control en los contactores de derivación. La mayoría de los VFD no tolerarán que la tensión de línea se aplique de nuevo en su salida, donde se encuentran los transistores sensibles. Por esta razón, el contactor de salida del VFD y el contactor de derivación deben ser cableados y controlados para evitar que esto suceda. La forma más directa de lograr esto es mediante bobinas eléctricamente entrelazadas (ver Figura). Utilizando contactos auxiliares normalmente cerrados en cada contactor, la tensión de control para la bobina de un contactor específico debe pasar primero a través del otro contactor. De esta manera, solo un contactor apagado o «fuera» proporcionará un camino eléctrico completo para que la tensión de control llegue a la bobina del otro contactor.

Es importante tener en cuenta que los contactores de diferentes fabricantes se encenderán y apagarán (también conocido como colapso) a diferentes velocidades. Aunque estos tiempos están en el rango de milisegundos, una superposición en la que ambos contactores tengan contactos cerrados simultáneamente podría dañar la salida del VFD. Para evitar daños debido a diferentes velocidades de colapso, solo se deben utilizar circuitos del mismo fabricante y tipo de familia o modelo para estos contactores.

Una capa adicional de protección es el uso de interbloqueos mecánicos. Esta opción es típicamente un pequeño dispositivo mecánico colocado entre los contactores emparejados que impide físicamente que un contactor se encienda o active cuando el otro ya está activado o aún no se ha desactivado. Con mayor frecuencia, estos dos contactores son el contactor de salida del VFD y el contactor de derivación. Dado que la salida de ambos contactores conduce al(los) motor(es), las terminales de salida a menudo están vinculadas entre sí mediante barras puente o cables. Por lo tanto, si ambos contactores se activan al mismo tiempo, aunque sea brevemente, la potencia sin procesar fluirá a través del contactor de derivación, hacia el contactor de salida del VFD y de regreso a la salida del VFD. El interbloqueo mecánico está diseñado para evitar esto y proporciona otro nivel de protección para el costoso VFD.

¿Utilizar contactores de derivación o no utilizarlos?

Los variadores de frecuencia pueden realizar trabajos notables al aumentar la producción, mejorar la eficiencia y ahorrar energía. Sin embargo, suelen ser los primeros dispositivos a los que se culpa si algo sale mal. Además, si un sistema funcionó bien durante años con un diseño mecánico simple que consta de contactores y lógica de encendido/apagado, a veces agregar un dispositivo electrónico de velocidad variable puede suponer un desafío para los operadores actuales de la máquina.

El éxito de agregar VFDs a estos sistemas radica en incorporar lo nuevo con lo antiguo, al mismo tiempo que se anticipa cómo ambos pueden mejorarse constantemente para lograr una seguridad y producción máximas. El hecho de haber utilizado contactores anteriormente no significa que deban eliminarse por completo en el nuevo diseño. Se pueden fusionar con los VFDs para seguir proporcionando un sistema de derivación funcional que se pueda utilizar cuando sea necesario. Una de las mejores estrategias de prevención es capacitar al personal de mantenimiento, incluidos los operadores, en la gestión adecuada de los dispositivos y en los modos de falla comunes. Si el personal de su planta está limitado en tiempo o alcance, o se muestra reacio a asumir el desafío de diseñar e incorporar VFDs en sus sistemas actuales, póngase en contacto con integradores de terceros o ingenieros de automatización para obtener ayuda.

Preparándose para los escenarios de fallo más graves en los Variadores de frecuencia

Cualquier sistema que requiera tanto un Variador de Freciuencia como un sistema de contactores de respaldo para el modo de derivación requiere considerar los escenarios de fallo más graves. Si el VFD tiene un fallo, por ejemplo, y el sistema cambia a los contactores de derivación, el usuario podría crear un procedimiento que permita al personal de mantenimiento retirar el variador para repararlo sin apagar todo el sistema por completo. Un sistema de tres contactores generalmente incluye un contactor de entrada del VFD (que puede sustituirse por un interruptor de desconexión), un contactor de salida del VFD y un contactor de derivación.

En este punto, el análisis de fallos es fundamental, ya que muchas personas se sentirán tentadas de señalar al hardware más complicado como el culpable: el VFD. Los códigos de error proporcionados por el Variador de frecuencia proporcionarán información útil sobre lo que causó el problema. Asegúrese de que su personal de mantenimiento sepa qué parámetros incluyen el historial de fallos, para que puedan buscar patrones o identificar qué indicaba el último código de error, en caso de que sea reiniciado por un operador o técnico antes de la llegada del personal de mantenimiento.