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Comparativa servos VS variadores

Ahorro en la inyección actual, ¿servomotores o variadores?

Rafael Berengena, CEO y director técnico de Itoplas

20/12/2016
La tecnología de la maquinaria de inyección de plástico se ha mantenido con pocas alteraciones desde los años 80, sólo apareciendo cambios sustanciales relativos a los controles eléctricos y sus posibilidades de operación. Algo han evolucionado los materiales y también han mejorado los elementos y su rendimiento, pero sigue manteniéndose el mismo esquema de trabajo que entonces. La maquinaria se fundamenta en la combinación de hidráulica, mecánica y electrónica, con diseños muy similares, que hace que se haya extendido ampliamente el conocimiento del funcionamiento y el mantenimiento sencillo dentro del sector.

¿Cuál es el problema? Los sistemas funcionan, la inyección de plástico es rentable, pero en un mercado globalizado como el actual, es muy importante mejorar el rendimiento en todos los sentidos, por lo que se convierte en un factor crítico muy importante el elevado consumo eléctrico de la maquinaria actual.

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Desde hace pocos años han empezado a surgir diseños de máquinas completamente eléctricas, con una clara mejora energética, pero convertida en una tecnología cara (como todas las novedades), difícil de poner a punto, de operar y, peor aún, de mantener. Será el futuro, sí, pero todavía le faltan unos cuantos años.

Como solución al eterno problema de consumo eléctrico, desde hace ya unos años atrás han ido surgiendo diversas soluciones basadas en variadores de frecuencia. Este sistema ha sido una buena adaptación, pero tiene claras limitaciones y debe considerarse sólo para casos muy específicos.

Por otro lado, ya hace tiempo que aparecieron en escena los servomotores, como evolución a los motores eléctricos convencionales, otorgando mayor capacidad de control en funcionamiento y mayor eficiencia energética. Han ido mejorando en su rendimiento y, más importante, reduciéndose en precio. La ventaja de estos motores en la situación actual sería evidente si se pudiese solucionar un importante y nada elemental problema: el control tan avanzado que hay que tener sobre ellos para accionarlos y sacarles el rendimiento que pueden tener. Aquí es donde Itoplas tiene una ventaja con el sistema iSave.

¿Qué es un servomotor?

Un servomotor es un motor eléctrico que puede ser controlado tanto en velocidad como en posición. Es similar a un motor de corriente continua, con la capacidad de ubicarse en cualquier posición dentro de su rango de giro y mantenerse en ella de forma estable. A grandes rasgos, es un motor normal al que se le ha añadido un sistema de control inteligente, que detecta velocidad, fuerza, potencia, consumo, etc, y actúa con correcciones muy rápidas.

Típicamente, los servomotores son mucho más largos y de un diámetro menor, evitando así la inercia y pudiendo realizar movimientos de aceleración y desaceleración muy rápidos y asegurando la potencia en todas las etapas de RPM (de cero a máximas), todo esto no sólo gracias a la forma del motor sino también al empleo de imanes permanentes de alta eficiencia. Todo ello los hace ideales para el trabajo en anillo cerrado (PID), permitiendo anular las válvulas proporcionales de presión y velocidad en las máquinas de inyección de plástico, y aumentando la precisión en los movimientos independientemente de las condiciones del aceite (viscosidad, temperatura, etc).

¿Qué es un variador de frecuencia?

Un variador de frecuencia es un sistema de control de la velocidad del giro de los motores eléctricos de corriente alterna, los motores utilizados habitualmente en los sistemas de inyección. También son conocidos como drivers de frecuencia, drivers de CA, microdrivers o inversores. El funcionamiento técnico se resume en que el sistema recibe la corriente alterna que le entraba al motor y la convierte en corriente continua; se vuelve a rectificar y a filtrar el voltaje y, por último, se generan pulsos para producir la señal de frecuencia modulada final que se aplicará al motor. Con esta señal será como se podrá modificar la velocidad del mismo mediante la fuente de entrada.

¿Qué es un circuito en anillo cerrado?

Un circuito hidráulico de anillo cerrado es aquel cuyo final del circuito vuelve al origen del mismo, evitando picos por fluctuaciones y ofreciendo una respuesta más rápida ante las fugas, ya que el flujo se controla por los dos lados. Un sistema de anillo cerrado no requiere de un tanque donde desalojar aceite excedente a alta presión, ya que la presión se mantiene de forma constante dentro del circuito.

La mayoría de la maquinaria de inyección de plástico actual trabaja en anillo abierto, donde el circuito se ramifica sin volver al origen, resultando en una instalación más económica pero, por contrapartida, haciendo trabajar mucho más a las fuentes de presión, los motores, y provocando la degradación y la subida de temperatura del aceite hidráulico en el tanque.

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En el caso exclusivo de la aplicación de servomotores, el anillo cerrado lo realizan los sensores de presión y de velocidad del mismo. De esta forma, cuando un servomotor recibe la orden de realizar un movimiento a una velocidad y presión determinadas, éste se acelera hasta que el sensor de velocidad le indica que está en la velocidad consignada o hasta que el sensor de presión le indica que está en la presión consignada. Al realizar las correcciones en base a los parámetros leídos por los sensores, se asegura estabilidad en los movimientos y, por consiguiente, repetitividad en los ciclos, independientemente del estado del aceite o del circuito. A esta capacidad se le añade que las correcciones aplicadas se hacen de forma muy rápida para evitar cualquier oscilación en el circuito.

Entonces, ¿qué sistema escoger?

Cabe decir que el variador de frecuencia modifica el comportamiento de los motores de una forma para la que no están diseñados, ya que estos motores trabajan como volante de inercia, acumulando fuerzas demasiado elevadas como para hacer aceleraciones y desaceleraciones rápidas, por lo que forzar este funcionamiento requiere de un elevado aporte de energía tanto para los momentos de aceleración como para los de frenado. Es por ello que la eficacia del variador de frecuencia depende de ciclos de funcionamiento donde las rampas de aceleración y desaceleración son muy lentas, normalmente ciclos muy largos (no siempre habitual en los procesos de trabajo de inyección) y, aún así, no es óptimo por estos costes energéticos añadidos para forzar el movimiento del motor.

Además, un motor convencional operado por un variador bombea sobrante de aceite a alta presión y requiere de un bloque de proporcionales para poder ajustar las demandas de la máquina.

Por el contrario, trabajando con servomotores todo el aceite bombeado se emplea directamente al movimiento de la máquina. Este funcionamiento hace que el aceite se encuentre en todo momento a la presión necesaria, por lo que no es necesario desalojar aceite a alta presión y se evita el calentamiento y la laminación del mismo; igualmente, unido a la inexistencia de bloque de válvulas proporcionales, reduce enormemente los costes de mantenimiento, puesta a punto y regulación de las proporcionales de presión y velocidad. Al trabajar en anillo cerrado, el servomotor puede mantener la presión estando parado, por lo que elimina el consumo de energía si no se requiere movimiento.

Hace unos años los variadores eran una alternativa a tener en cuenta para el ahorro energético, pero con las actuales prestaciones de los servomotores los variadores han quedado desfasados. Además, con el abaratamiento de los servomotores ya ni siquiera son una inversión económicamente atractiva.

Con todos estos datos, encontramos la justificación esencial por la que un sistema configurado para trabajar con servomotores es más eficiente que cualquier otro sistema de trabajo: trabajando en anillo cerrado, donde se mantiene la presión de forma constante en el circuito, y pudiendo parar y arrancar el motor según requiera el movimiento, encontraremos que durante los periodos sin desplazamiento la máquina prácticamente no consume energía, a pesar de estar manteniendo una presión muy elevada en el circuito.

Con el sistema iSave se pueden adaptar la mayoría de máquinas actuales del mercado para trabajar con servomotores, sustituyendo los motores normales por un kit “transparente” para el funcionamiento de la máquina y ahorrando directamente en los períodos sin movimiento de los ciclos de trabajo. Es una herramienta totalmente asequible para alargar la vida de la maquinaria actual y dotarla de prestaciones equivalentes a máquinas de última tecnología, llegando a obtener ahorros de consumo eléctrico de entre un 40% y un 80%.

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