Selección de parámetros del variador Siemens G120 para puentes grúa
El sistema de regulación de velocidad por frecuencia variable es el equipo de control eléctrico central para el Control de velocidad sin escalonamientos de los mecanismos de Elevación, Carro y Carro Puente en una grúa. Una selección adecuada incide directamente en la suavidad de funcionamiento, la eficiencia energética y la vida útil del equipo. Este artículo toma como ejemplo el Variador de Frecuencia Siemens G120 y desglosa el proceso completo: criterios de selección, diseño del circuito principal y configuración de Parámetros.
El sistema de regulación de velocidad por frecuencia variable es el equipo de control eléctrico central que permite el Control de velocidad sin escalonamientos del mecanismo de Elevación y de los mecanismos de traslación del Carro y del Carro Puente en un puente grúa. Una selección adecuada y una configuración correcta de Parámetros determinan directamente la suavidad de funcionamiento, el nivel de eficiencia energética y la vida útil del equipo. Este artículo toma como objeto el Variador de Frecuencia Siemens G120 y expone de forma sistemática los criterios de selección, el diseño del circuito principal, la configuración de Parámetros, el proceso de puesta en marcha y las pautas de mantenimiento del sistema de regulación de velocidad por frecuencia variable para grúas. Se aborda conforme a la Norma IEC 60204-32 (equivalente a IEC 60204-32) sobre sistemas de accionamiento eléctrico de velocidad ajustable y a los requisitos específicos del ciclo de trabajo de las grúas, ofreciendo una referencia práctica completa para ingenieros eléctricos.
Principio del variador de frecuencia y requisitos de aplicación en grúas
El Control de Velocidad por Frecuencia ajusta la Velocidad de rotación del Motor modificando la Frecuencia de alimentación del estátor, y mantiene el flujo magnético constante mediante el ajuste simultáneo del Voltaje (relación V/f constante). Esto permite un Control de par constante por debajo de la Velocidad de rotación nominal y un Control de Potencia constante por encima de ella. El mecanismo de elevación de la grúa exige un funcionamiento en cuatro cuadrantes: accionamiento eléctrico durante la Elevación y Frenado regenerativo durante el Descenso, lo que plantea un requisito claro sobre la capacidad de gestión de energía regenerativa del Variador de Frecuencia. Los mecanismos de traslación del Carro Puente y del Carro operan principalmente en dirección horizontal, con arranques y Frenados frecuentes, y requieren una alta suavidad de aceleración/Desaceleración y una elevada Precisión de Posicionamiento. La selección del Variador de Frecuencia para grúas debe considerar prioritariamente los siguientes Parámetros: la Potencia nominal debe cubrir entre 1,1 y 1,3 veces la Potencia nominal del Motor; la capacidad de sobrecarga debe satisfacer el requisito de la Norma para grúas de soportar el 150 % de la Corriente nominal durante 60 segundos; el Grado de Protección (IP) no debe ser inferior a IP20 en interiores ni a IP54 en exteriores. La serie Siemens G120, con su estructura modular que separa la Unidad de control CU del Módulo de Potencia PM, cubre un rango de Potencia de 0,37 kW a 250 kW e incorpora Módulos de función específicos para grúas (como el control del freno de Elevación y el pretratamiento de control anti-oscilación), lo que la convierte en la opción predominante para el Control de Velocidad por Frecuencia en aplicaciones de grúa.
| Elemento de comparación | mecanismo de elevación | mecanismo de traslación del puente | mecanismo de carro |
|---|---|---|---|
| Variador de Frecuencia Modelo | PM240-2 37kW | PM240-2 7.5kW×2 | PM240-2 4kW |
| Modo de control | SLVCControl Vectorial | SLVC+Maestro-esclavo de par | SLVCControl Vectorial |
| Tiempo de rampa de aceleración | 3~4s | 5~8s | 2~4s |
| Tiempo de rampa de desaceleración | 2~3s | 4~6s | 2~3s |
| Par de mantenimiento a velocidad cero | 110%/1.5s | No requerido | No requerido |
| Resistencia de Frenado | 14Ω/6kW Requerido | Ninguno | Ninguno |
| capacidad de sobrecarga | 150%/60s | 150%/60s | 150%/60s |
Diseño y selección del circuito principal
El diseño del circuito principal abarca la selección y configuración del reactor de entrada, la unidad de frenado, la Resistencia de Frenado y el reactor de salida. El reactor de entrada se utiliza para suprimir los armónicos de la red y limitar las corrientes de pico; su inductancia debe ser del 2% al 4% de la corriente nominal del variador. Se recomienda equipar todos los variadores de la grúa con un reactor de entrada. El mecanismo de elevación debe incorporar obligatoriamente una unidad de frenado y una Resistencia de Frenado para disipar la energía regenerativa generada por el frenado regenerativo del motor. El voltaje de conducción de la unidad de frenado se ajusta generalmente a 1,15~1,2 veces el voltaje del bus de corriente continua (aproximadamente 760~790V). El valor de resistencia y la potencia de la Resistencia de Frenado se calculan según las características de carga de potencial del mecanismo de elevación, dimensionándose la capacidad para una operación continua de más de 30 minutos en la condición más severa (descenso a plena carga). El reactor de salida se emplea para mitigar el daño aislante del motor causado por los armónicos de alta frecuencia en el lado de salida del variador; es imprescindible cuando la longitud del cable supera los 50 m. La selección del disyuntor o fusible se realiza considerando 1,5~2,0 veces la corriente de entrada nominal del variador. Se recomienda instalar el contactor en el lado de entrada del variador para permitir un corte rápido de la alimentación en caso de fallo.
Selección del método de control
Configuración de parámetros del mecanismo de elevación
El mecanismo de elevación es la aplicación de Variador de Frecuencia más crítica en una grúa; la configuración de parámetros debe abordar las siguientes funciones clave. Los tiempos de rampa se determinan equilibrando la comodidad operativa y la eficiencia: generalmente, el tiempo de aceleración para Elevación es de 2 a 4 segundos y el tiempo de deceleración de 2 a 3 segundos; para el Descenso, la aceleración es de 1 a 2 segundos y la deceleración de 1 a 2 segundos. La función de par a velocidad cero (sujeción a velocidad cero o Frenado por corriente continua) asegura que la carga no se deslice durante la apertura y aplicación del freno. Se recomienda establecer un tiempo de mantenimiento de 1 a 2 segundos y un par de mantenimiento del 100% al 120% del par nominal del motor. El control del freno es el núcleo de la configuración del variador para Elevación. La secuencia de apertura y cierre del freno debe controlarse a través de la salida de relé del variador: tras recibir la orden de arranque, el variador primero establece la corriente de excitación y el par, y emite la orden de apertura del freno después de un retardo de 0,3 a 0,5 segundos. Durante la parada, el variador decelera hasta velocidad cero, emite la orden de aplicación del freno y bloquea los pulsos tras un retardo de 0,1 a 0,2 segundos. Una lógica de control del freno incorrecta puede provocar el deslizamiento de la carga o accidentes por bloqueo del motor. La función de Frenado regenerativo se activa automáticamente cuando la velocidad del motor supera la velocidad síncrona; la energía regenerativa se disipa a través de la Resistencia de Frenado. Se recomienda ajustar el voltaje de activación de la unidad de frenado al 115% del voltaje del bus de corriente continua (aproximadamente 775Vdc).
Configuración de parámetros de los mecanismos de traslación
Las características operativas de los mecanismos de traslación del puente y del carro difieren de las del mecanismo de elevación; su carga es de tipo resistivo, no de potencial, y los procesos de aceleración y deceleración superan principalmente las fuerzas de inercia. La potencia de funcionamiento del mecanismo de traslación del puente suele ser del 20% al 40% de la potencia del mecanismo de elevación, y la del mecanismo de carro del 10% al 20%; los módulos de potencia PM240 o PM250 del G120 son suficientes para cumplir estos requisitos. Los tiempos de rampa se determinan según el recorrido operativo y la Velocidad de Traslación: para el puente, se suele tomar una aceleración de 4 a 8 segundos y una deceleración de 3 a 6 segundos; para el carro, una aceleración de 2 a 4 segundos y una deceleración de 2 a 3 segundos. Para el mecanismo de traslación del puente con múltiples motores (grúas de gran Luz / Vano equipadas con dos o cuatro motor de traslación del puente), es necesario utilizar la función de control maestro-esclavo de par del G120. Un variador se configura como maestro (control de velocidad) y los demás como esclavos (control de par). Los esclavos reciben la consigna de par del maestro, logrando la distribución equilibrada del par entre las Rueda motriz. La consigna de par para los esclavos se transmite a través de la Salida analógica o mediante comunicación por Bus de campo. La función de preprocesamiento Antibalanceo (Vibration Damping) superpone un componente de compensación inversa a las órdenes de aceleración/deceleración del carro para reducir la oscilación de la carga durante estos procesos. Esta función requiere el uso de realimentación por Encoder.
Integración de comunicaciones y nivel superior
El variador G120 se integra con el Sistema de control PLC de nivel superior a través de la interfaz de comunicación de la unidad de control CU. Los protocolos de comunicación habituales incluyen PROFINET (recomendado, velocidad de transmisión 100Mbps, ciclo de 1 a 4 ms), PROFIBUS DP (12Mbps, ciclo de 2 a 6 ms) y USS (serial, solo para Diagnóstico y mantenimiento). Pasos para la configuración de la comunicación PROFINET: importar el archivo GSD del G120 en TIA Portal, asignar el nombre del dispositivo y la dirección IP, y configurar el área de datos de proceso (PKW+PZD). El área de datos de proceso para el mecanismo de elevación generalmente asigna 4 palabras (palabra de control, consigna de velocidad, palabra de estado, velocidad real), mientras que para el puente y el carro se asignan 2 palabras (palabra de control + consigna de velocidad). La definición de bits de la palabra de control sigue el perfil PROFIdrive; el bit 0 de la palabra de control 0 habilita el funcionamiento, el bit 1 cancela la rampa, el bit 3 habilita los pulsos y el bit 4 habilita la rampa. Las funciones de parada de emergencia y seguridad con el PLC se conectan mediante Cableado rígido, sin pasar por el Bus de campo, garantizando que la fiabilidad y seguridad cumplan con los requisitos de las normas ISO 13849 y EN 62061.
Puesta en marcha y Diagnóstico de Fallas
Para la puesta en marcha, se recomienda utilizar el software Starter de Siemens (para proyectos que no son de TIA Portal) o TIA Portal Startdrive (integrado en la plataforma TIA Portal). El procedimiento de puesta en marcha es el siguiente: verificación del cableado del circuito principal y del circuito de control antes de la energización; confirmación del voltaje correcto del bus de corriente continua tras la energización; configuración de los parámetros del motor y ejecución de la identificación; ajuste de los tiempos de rampa y parámetros de limitación; prueba en vacío (operación en Modo de Impulso de cada mecanismo para verificar la dirección de giro correcta); y prueba con carga (aumento progresivo de la carga en el mecanismo de elevación hasta el 110% de la carga nominal, verificando que la corriente y el aumento de temperatura sean normales). Fallos comunes y su resolución: F30021 (sobretensión en el bus de corriente continua) ocurre frecuentemente durante el Descenso a plena carga; verificar el valor de la Resistencia de Frenado y el voltaje de conducción de la unidad de frenado. F30011 (sobrecarga del motor) suele deberse a tiempos de aceleración/deceleración demasiado cortos o a una secuencia incorrecta en el control del freno. F07086 (fallo del freno) requiere revisar la alimentación del freno y el cableado de control. La función de osciloscopio del software Starter permite capturar las formas de onda de corriente, velocidad y par durante los procesos de arranque y Frenado del mecanismo de elevación, lo que resulta útil para diagnosticar problemas de rendimiento dinámico.
Ejemplo de configuración típica
Como ejemplo de reforma con variador de frecuencia en un puente grúa Tipo QD de 20 t: el mecanismo de elevación incorpora un módulo de potencia G120 PM240-2 de 37 kW con unidad de control CU250S-2, reactor de entrada de 37 A/0,2 mH y resistencia de frenado de 14 Ω/6 kW (potencia continua 30 % ED). El mecanismo de traslación del puente cuenta con dos variadores G120 PM240-2 de 7,5 kW (control maestro-esclavo con motor doble), y el mecanismo de carro con un variador G120 PM240-2 de 4 kW. El tiempo de rampa de elevación es de 3,5 s; el de traslación del puente, de 6 s; y el de traslación del carro, de 3 s. En elevación, el par de mantenimiento a velocidad cero es del 110 % durante 1,5 s, con retardo de apertura del freno de 0,4 s y retardo de cierre de 0,15 s. Las pruebas de funcionamiento tras la reforma demuestran que, en elevación a plena carga, la corriente del motor se mantiene estable sin picos, el calentamiento del variador de frecuencia es de 42 K (por debajo del límite permitido de 55 K), el aumento de temperatura de la resistencia de frenado en un solo ciclo de descenso a plena carga se controla por debajo de 180 °C, y la eficiencia energética global del sistema mejora aproximadamente un 22 % en comparación con el funcionamiento anterior a frecuencia de red.
