Selección de soluciones de control de velocidad por variador y frenado con recuperación de energía para grúas: comparación completa entre variadores V/F, vectoriales y DTC + recuperación de energía

Cuando el mecanismo de elevación de la grúa aerotransportada baja la carga, el motor funciona en modo generador; además, las frecuentes aceleraciones y desaceleraciones del carro principal y del carro secundario generan una gran cantidad de energía regenerada. El método de control por variador de frecuencia (V/F, vectorial, DTC) determina la precisión de la regulación de velocidad y el par a baja frecuencia, mientras que el esquema de frenado (resistencia, retroalimentación o barra colectora común) determina la forma de gestionar la energía regenerada. Una elección inadecuada puede provocar que el gancho se eleve involuntariamente, un funcionamiento irregular o un gran desperdicio de energía eléctrica. En este artículo se comparan de forma sistemática las opciones de selección técnica para los sistemas de control electrónico de las grúas puente, desde las dos perspectivas de los modos de control por variador de frecuencia y los esquemas de frenado.

Tabla comparativa para la selección de métodos de control por variador de frecuencia

Los requisitos fundamentales del mecanismo de elevación de la grúa para el variador de frecuencia son: un par elevado a baja frecuencia (par nominal de salida ≥ 1501 TP3T a 0 Hz para evitar que el gancho se deslice), un amplio rango de regulación de velocidad (velocidad de elevación mínima inferior a 0,1 m/min para el posicionamiento) y una respuesta de frenado rápida (establecimiento rápido del par inverso en caso de parada de emergencia). Los mecanismos de desplazamiento (carro principal/carro secundario) deben ofrecer una regulación de velocidad suave, tiempos de aceleración y deceleración ajustables y sincronización entre varios motores. Los tres modos de control siguientes presentan características propias.

Control V/F (control de la relación tensión-frecuencia)Se trata de un método de control de bucle abierto que regula la velocidad del motor manteniendo constante la relación entre tensión y frecuencia. Presenta una estructura sencilla y es la opción más económica, pero adolece de un par insuficiente a bajas frecuencias (entre 0 y 5 Hz, el par es solo del 50 al 701 TP3T del valor nominal), la precisión de regulación de la velocidad es baja (±1~31 TP3T), por lo que resulta adecuado para los mecanismos de desplazamiento de grúas de tamaño pequeño y mediano (carro principal/carro secundario) que no exigen una gran precisión. Dado que los mecanismos de desplazamiento de las grúas tienen requisitos bajos en cuanto a la precisión de regulación de la velocidad, el control V/F satisface plenamente las necesidades de uso, y cada variador de frecuencia permite además un ahorro de entre 2000 y 5000 yuanes.

Control vectorial (VC)Mediante una transformación de coordenadas, el motor asíncrono se equipara a un motor de corriente continua para su control, controlando simultáneamente la corriente de excitación y la corriente de par; a 0 Hz puede generar un par nominal superior a 2001 TP3T, con una precisión de regulación de velocidad de ±0,01 a 0,51 TP3T. El control vectorial de bucle cerrado con encoder es la configuración estándar del mecanismo de elevación de las grúas puente: el par elevado a baja frecuencia garantiza que el gancho no se deslice durante el arranque a plena carga, mientras que la regulación de velocidad de alta precisión garantiza el posicionamiento a baja velocidad (0,1 m/min). Los mecanismos de elevación de Krued Heavy Industry incorporan de serie el control vectorial, y el encoder seleccionado es de tipo incremental de 1024 PPR.

DTC (Control directo del par)Se trata de una tecnología patentada por ABB que, mediante el control directo del flujo magnético y el par del estator del motor, ofrece el tiempo de respuesta más rápido (1-5 ms), con un par de hasta 3001 TP3T a 0 Hz y una precisión de regulación de velocidad de ±0,0011 TP3T. El DTC permite un control de alta precisión sin necesidad de encoder (DTC sin sensor de velocidad) y constituye la configuración más avanzada para el control servo de precisión de las grúas puente. Su coste es elevado (aproximadamente entre 2 y 4 veces el de un variador V/F), por lo que resulta adecuado para aplicaciones de grúas puente no tripuladas que requieran un control de posición preciso. Krud Heavy Industry recomienda los variadores DTC de la serie ACS880 de ABB para configuraciones de gama alta.

Comparación de los parámetros técnicos de las tres opciones de frenado

El tratamiento de la energía regenerada es fundamental para el ahorro energético del sistema de control electrónico de las grúas puente. La energía potencial recuperable cuando el mecanismo de elevación baja la carga representa entre el 30 % y el 40 % del consumo energético total de la operación de elevación; devolver esta energía a la red eléctrica (o hacer que la consuman otras grúas puente) puede reducir significativamente los costes de funcionamiento. A la hora de elegir una solución de frenado, es necesario tener en cuenta de forma integral la capacidad de elevación, la frecuencia de elevación, el precio de la electricidad y el plazo de amortización de la inversión.

La elección entre las tres opciones de frenado depende de la capacidad de elevación, la frecuencia de uso y el presupuesto de inversión.Resistencia de frenadoLa conversión de la energía recuperada en energía térmica es la solución más tradicional y fiable, pero presenta el inconveniente del desperdicio de energía y el problema de la disipación de calor de los armarios de resistencias: cada vez que una grúa de 10 t sube y baja, las resistencias de frenado generan entre 50 y 80 kJ de calor; en verano, cuando varias grúas funcionan simultáneamente en la nave, el aumento de temperatura puede alcanzar los 3-5 °C.Recuperación de energía (AFE)Mediante un front-end activo, la energía recuperada se transforma en una onda sinusoidal con la misma frecuencia y fase que la red eléctrica para su reinyección, lo que permite un ahorro de energía de entre el 20 % y el 351 TP3T; sin embargo, requiere una unidad de reinyección adicional y una reactancia de entrada, lo que eleva los costes.

Barra colectora de corriente continua compartidaEl sistema ofrece un rendimiento óptimo cuando varias grúas operan de forma coordinada: la energía regenerada que genera una grúa al bajar una carga es consumida directamente por la grúa adyacente al elevar una carga, de modo que la energía circula dentro del bus de corriente continua. Datos de mediciones reales in situ: cuando cuatro grúas operan simultáneamente, el ahorro energético con el bus común es de aproximadamente entre el 15 y el 25%; si se añade una unidad de retroalimentación para absorber el exceso de energía, este ahorro puede aumentar hasta entre el 30 y el 35%. El periodo de amortización depende de la frecuencia de trabajo: en situaciones con arranques y paradas frecuentes (como en las naves de colada continua de las acerías), el periodo de amortización más corto es de aproximadamente un año, mientras que en talleres normales es de unos dos años. Krude Heavy Industry ofrece un informe de análisis de rentabilidad de la inversión para ayudar a los clientes en la toma de decisiones.

Método de ingeniería para el ajuste de los parámetros del variador de frecuencia del mecanismo de elevación de una grúa puente

El ajuste de los parámetros del variador de frecuencia del mecanismo de elevación de la grúa influye directamente en la seguridad de la elevación y en la eficiencia operativa. Los parámetros fundamentales se dividen en cinco categorías:Parámetros del motor——Potencia nominal, tensión, corriente, velocidad de giro y factor de potencia: se miden automáticamente mediante el autoajuste del variador de frecuencia (ajuste estático de 5 a 10 segundos; ajuste dinámico en rotación de 30 a 60 segundos). Se recomienda realizar un ajuste dinámico en rotación para el mecanismo de elevación de las grúas puente (con el motor desacoplado de la carga, girando en vacío), midiendo in situ la resistencia del estator, la resistencia del rotor, la inductancia de fuga y la inductancia de excitación; la precisión del ajuste es entre 3 y 5 veces mayor que la del ajuste estático. Parámetros de entrada para la autoajuste del control vectorial con encoder del Siemens G120: potencia nominal del motor = 11 kW, corriente nominal = 22 A, velocidad nominal = 1460 rpm, factor de potencia = 0,82.

Parámetros de tiempo de aceleración y desaceleración——El tiempo de aceleración del mecanismo de elevación se ha fijado entre 3 y 6 segundos (si es demasiado rápido, se produce un deslizamiento del gancho o un disparo por sobrecorriente; si es demasiado lento, afecta a la eficiencia), y el tiempo de desaceleración, entre 3 y 8 segundos (si es demasiado rápido, provoca una sobretensión de regeneración; si es demasiado lento, afecta a la precisión de posicionamiento). La condición restrictiva para el tiempo de desaceleración es que la tensión del bus de corriente continua no supere los 750 V CC (el pico de rectificación de 380 V CA es de aproximadamente 537 V; la energía de regeneración hace que la tensión del bus aumente, y la resistencia de frenado se activa a 680 V). La energía de regeneración es máxima cuando la grúa desciende a plena carga, por lo que el tiempo de desaceleración debe calcularse en función de la potencia de la unidad de frenado y el factor de carga. Parámetros estándar de Krude Heavy Industry: mecanismo de elevación de 10 t con aceleración de 4 segundos y desaceleración de 5 segundos; la potencia de la resistencia de frenado se selecciona según la potencia del motor (50%).

Parámetros de refuerzo de graves y de prevención de deslizamiento del gancho——En el modo de control V/F se activa el aumento de par a baja frecuencia (en el P1300 se configura en 2 puntos de aumento; a 0 Hz, el aumento de tensión es del 10 al 151 TP3T del valor nominal); en el modo de control vectorial se activa el mantenimiento del par a velocidad cero (P1501 se ajusta a 150% del par actual). Secuencia de control del freno: tras recibir la orden de arranque, el variador establece primero la corriente de excitación → la frecuencia de salida aumenta hasta 3 Hz → se activa el freno → continúa la aceleración hasta la frecuencia objetivo. Secuencia de parada: el variador reduce la frecuencia a 0,5 Hz → espera 100 ms para confirmar que el motor se ha detenido → se desactiva el freno. La falta de sincronización es una causa habitual de la caída del gancho. El programa de control de elevación de Krud Heavy Industry ya tiene preconfigurados los parámetros de sincronización estándar; en la instalación solo es necesario ajustar ligeramente el tiempo de espera en función de la velocidad de respuesta del freno (entre 200 y 400 ms para frenos mecánicos, y entre 100 y 200 ms para frenos hidráulicos).

Análisis de la rentabilidad de la inversión en el sistema de recuperación de energía

La rentabilidad del sistema de recuperación de energía depende de tres factores: la frecuencia de elevación, el índice de carga y la tarifa eléctrica local. Tomemos como ejemplo una grúa puente de 32 t utilizada en una línea de colada continua: funciona 18 horas al día, con una media de 15 elevaciones y descensos por hora, un índice de carga medio de 601 TP3T y una potencia del motor de 45 kW. La energía regenerada liberada en cada descenso de la carga es de aproximadamente 45 kW × 0,6 × 0,7 (coeficiente de eficiencia) × (descenso de carrera completa de unos 15 segundos / 3600 horas) = 0,079 kWh. 15 ciclos al día × 18 horas × 0,079 kWh = 21,3 kWh al día; 330 días laborables al año × 21,3 kWh = 7029 kWh al año. A una tarifa eléctrica industrial de 0,8 yuanes/kWh, el ahorro anual de electricidad por cada grúa es de unos 5623 yuanes.

La inversión en la unidad de retroalimentación es de aproximadamente 25 000 yuanes (incluye la unidad de retroalimentación AFE, la reactancia de entrada, el filtro EMC y la instalación y puesta en marcha); el periodo de amortización = 25 000 / 5 623 ≈ 4,4 años. Sin embargo, la tasa de ahorro energético real de la unidad de retroalimentación puede aumentarse hasta un 30-35 % mediante el uso de un bus de CC común. Si cuatro grúas aéreas comparten un bus de CC y una unidad de retroalimentación, la inversión es de aproximadamente 50 000 yuanes (25 000 yuanes por la unidad de retroalimentación + unos 25 000 yuanes por la reactancia de CC y el bus), el ahorro total anual de electricidad sería de 4 grúas × 7029 kWh × 1,3 (coeficiente de eficiencia de la barra colectora compartida) = 36 551 kWh/año × 0,8 yuanes = 29 241 yuanes/año, con un periodo de amortización de 50 000 / 29 241 ≈ 1,7 años. Si la frecuencia de elevación es mayor (niveles A7-A8, más de 30 subidas y bajadas por hora), el ahorro energético anual por unidad es de aproximadamente 14 000 kWh/año ≈ 11 000 yuanes, y el periodo de amortización de la unidad de recuperación de energía es de aproximadamente 2,3 años.

Antes de firmar el contrato de renovación para el ahorro energético, Krude Heavy Industry ofrece un servicio gratuito de medición del consumo energético in situ durante 7 días: se instala un analizador de calidad de la energía (Fluke 435 II) en el lado del bus de CC del variador de frecuencia, se miden los valores reales de la energía regenerada y el potencial de retroalimentación del mecanismo de elevación, y se elaboran un informe de análisis del consumo energético y un informe de evaluación del periodo de amortización de la inversión. Las obras no se inician hasta que el cliente dé su visto bueno, y la tasa de ahorro energético se verifica mediante mediciones reales en el momento de la recepción de la obra. Krude Heavy Industry cuenta ya con más de 30 sistemas de retroalimentación en funcionamiento en acerías y fundiciones, con una tasa media de ahorro energético real de entre el 25 y el 351 TP3T (solución AFE) o entre el 15 y el 251 TP3T (solución de bus común), todas ellas igualando o superando los valores estimados en la evaluación previa.

Solución de configuración estándar con variador de frecuencia para grúas puente de Krude Heavy Industry

El sistema de control de frecuencia para grúas puente de Krude Heavy Industry se divide en tres niveles de configuración estándar en función de la capacidad de elevación y la frecuencia de trabajo:Económico (clases A1 a A3, ≤ 10 t)——Control V/F del mecanismo de elevación + resistencia de frenado (ventilador de disipación de calor en la parte superior del armario); control V/F del carro principal y del carro secundario + resistencia de frenado; variador de frecuencia de serie de la serie G120 de Siemens o MD280 de Huichuan. La potencia de la resistencia de frenado se selecciona entre el 30 % y el 50 % de la potencia del motor de elevación, y se instala en la parte superior del armario de control eléctrico; el armario de la resistencia cuenta con un interruptor de temperatura (alarma a 95 °C y corte del circuito de elevación a 110 °C).

Tipo estándar (clases A4-A5, 10-32 t)——Control vectorial del mecanismo de elevación (con encoder, según los requisitos de precisión de regulación de velocidad del apartado 4.2.1 de la norma JB/T 9052-2015) + unidad de recuperación de energía; control V/F del carro principal y del carro secundario + resistencia de frenado. El variador de frecuencia de elevación viene de serie con un Siemens G120 (tipo vectorial) o un Huichuan MD880; el encoder seleccionado es de tipo incremental de 1024 PPR (señal HTL). La capacidad instalada de la unidad de recuperación de energía se selecciona en función de la potencia del motor de elevación, entre 50 y 801 TP3T. El sistema de control está configurado con un PLC y una pantalla táctil de 7 pulgadas, que muestra los parámetros de funcionamiento y el historial de averías. La solución estándar de Krued Heavy Industry ya ha suministrado más de 120 unidades, que abarcan diversos sectores como el automovilístico, siderúrgico y de materiales de construcción.

Tipo de alta gama (clases A6 a A8, ≥32 t o arranques y paradas frecuentes)——Control de par directo (DTC) para elevación + recuperación de energía AFE + barra colectora de CC compartida (en caso de varias carretillas); control vectorial de carretilla grande/pequeña + recuperación de energía. El variador de frecuencia de elevación viene de serie con el ABB ACS880 (DTC) o el Siemens S120; para el codificador se elige el tipo absoluto (EnDat o SSI, de una vuelta o multivuelta). La capacidad instalada de la unidad de recuperación de energía AFE se selecciona en función de la potencia del motor de elevación (100%). La solución de bus de CC compartido incluye un módulo de monitorización de aislamiento (alarma si el aislamiento del bus a tierra es ≤ 500 kΩ). La solución de gama alta de Krued Heavy Industry ya ha suministrado más de 30 unidades a acerías y fundiciones, con un ahorro energético real medido de entre el 25 % y el 351 TP3T.

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