Un servodrive y un variador de frecuencia se utilizan en máquinas para accionar motores y controlar el movimiento. Parece que hacen lo mismo, así que ¿Por qué elegir un servodrive frente a un variador de frecuencia?
Algún antecedente del servodrive y del variador de frecuencia
Tradicionalmente, los servodrive funcionan con motores de imán permanente y se utilizan en aplicaciones que necesitan una precisión de velocidad o posición control. Una característica que define a los servosistemas es que utilizan la retroalimentación para lograr precisión y exactitud. Los sistemas de servoaccionamiento son capaces de acelerar y desacelerar rápidamente y pueden seguir trayectorias de movimiento exactas.
Por otro lado, el variador de frecuencia se combina con los motores de inducción y se utilizan en aplicaciones que necesitan un control de la velocidad. Una característica que define a los sistemas del variador de frecuencia es que pueden controlar la velocidad ajustando la frecuencia de la tensión que envían al motor. De ahí viene su nombre: VFD son las siglas de Variable Frequency Drive. Otro punto importante es que no utilizan retroalimentación en el motor, por lo que el control de la velocidad es de bucle abierto. Esto significa que los VFDs no compensan si hay un calado o si la carga cambia, lo que resulta en un control de la velocidad que no es tan preciso como con los servos. Los VFDs pueden ser configurados para aumentar la velocidad y luego conducir a esa misma velocidad durante largos períodos de tiempo.
Como ocurre con muchas decisiones de ingeniería, no hay reglas rígidas y rápidas, y hay muchos ejemplos en los que los servoaccionamientos y los VFD tienen capacidades que van más allá de sus funciones tradicionales. Por ejemplo, debido a las mejoras tecnológicas y a la necesidad siempre presente de ofrecer más funciones, hoy en día no es difícil encontrar servoaccionamientos que puedan alimentar motores de inducción, tanto con retroalimentación como sin ella. En la misma línea, hay muchos VFD que también pueden alimentar motores de inducción con realimentación (un motor de inducción con realimentación se conoce comúnmente como motor vectorial de bucle cerrado o CLV).
El resultado es que hay áreas en las que las capacidades se solapan entre los servoaccionamientos y los VFD.
Cuándo escoger un servodrive frente a un variador de frecuencia
En la mayoría de los casos la decisión es obvia en cuanto a cuál elegir en función de las necesidades de la aplicación, pero la elección puede ser incierta cuando ambos pueden hacer el trabajo. En primer lugar, trataremos las situaciones más sencillas y, a continuación, repasaremos lo que ocurre cuando ambos son adecuados.
Los servoaccionamientos son, sin duda, la elección en aplicaciones como los brazos robóticos, cuando se necesita un movimiento coordinado entre varios ejes. O cuando se necesita una aceleración y desaceleración rápidas, por ejemplo con pórticos de recogida y colocación. O cuando se necesita un control preciso de la velocidad para el crecimiento de un lingote de silicio, o cuando se necesita un posicionamiento exacto submicrométrico para aplicaciones de semiconductores.
El variador de frecuencia es la opción obvia para las cintas transportadoras cuando la velocidad debe ajustarse. O con bombas hidráulicas y sopladores de aire.
El término medio es cuando ambos pueden hacer el trabajo. Por ejemplo, aplicaciones de modo de velocidad y modo de posición en las que la precisión se consideraría algo floja para un servo, pero dentro de la capacidad de un variador de frecuencia.
Los sistemas de transporte son un buen ejemplo. Por un lado, una simple aplicación de transporte podría necesitar encenderse por la mañana y funcionar todo el día a la misma velocidad. Un variador de frecuencia sería una excelente opción para ello. Por otro lado, un sistema de transporte más exigente que necesite arrancar, parar, avanzar y retroceder con frecuencia, igualar la velocidad de otro transportador y más, sería una mejor opción para un sistema servo.
Coste
Los servosistemas suelen ser más caros que los VDF porque gran parte del coste proviene del servomotor. Los servomotores utilizan imanes permanentes que aumentan los costes de material y de fabricación frente a los motores de inducción. Además, los servoaccionamientos suelen costar más que un variador de frecuencia porque tienen más funciones. Una vez llegados a este punto, es literalmente un compromiso entre coste y rendimiento.
Eficiencia
Muchas aplicaciones móviles dependen de las baterías para su alimentación, ya que no pueden enchufarse a la pared. Cuando las baterías son la fuente de energía, la eficiencia se convierte en una de las principales preocupaciones de los diseñadores de sistemas. Esto se debe a que el aumento de la eficiencia permite que las máquinas funcionen durante más tiempo entre cargas, lo que aumenta el tiempo de funcionamiento del sistema.
Recordemos que los servos utilizan motores de imanes permanentes, mientras que los VFD utilizan motores de inducción. Resulta que los motores de imanes permanentes son mucho más eficientes que los motores de inducción, así que cuando se necesita eficiencia, los servosistemas tienen una clara ventaja.
Tamaño
Para las aplicaciones móviles más pequeñas, el tamaño de los componentes empieza a ser una consideración importante por dos razones. En primer lugar, las piezas más pequeñas facilitan a los diseñadores de sistemas la integración de los componentes en su diseño. En segundo lugar, los componentes más pequeños pesan menos, lo que reduce el peso total de la máquina. Con menos peso hay menos masa que empujar, lo que significa un mejor rendimiento de aceleración y una mayor duración de la batería. Al igual que en el caso de la eficiencia, existe una clara ventaja en cuanto al tamaño de los servoaccionamientos frente al variador de frecuencia. Para la misma cantidad de potencia, un servomotor será más pequeño que un motor de inducción. Además, los últimos diseños de servos se han miniaturizado y optimizado para aplicaciones móviles. Por estas razones, los servos son los ganadores cuando se necesitan tamaños más pequeños.
Potencia
La potencia es importante para máquinas muy grandes. Los servosistemas pueden dimensionarse hasta unos cientos de kilovatios, pero los sistemas de inducción pueden llegar a los megavatios.
A medida que aumentan los requisitos de potencia, los servosistemas acaban dejando de lado los motores de inducción y los VFD, aunque esta transición se produce a un nivel de potencia mucho mayor del que requieren la mayoría de las aplicaciones.
| Categoría | Sistema de servoaccionamiento | Sistema VFD | Comentarios |
|---|---|---|---|
| Coste | ✓ | Los motores de inducción cuestan menos que los servomotores, por lo que los sistemas VFD suelen ser más baratos que los servosistemas. | |
| Potencia | ✓ | Los VFD pueden funcionar con rangos de potencia mucho más altos. | |
| Control de velocidad | ✓ | ✓ | Tanto los servos como los VFD tienen un gran control de la velocidad dependiendo de las necesidades. Los servomotores son superiores debido a la retroalimentación, pero los VFD tienen su lugar en muchas aplicaciones. |
| Control de la posición | ✓ | Los servoaccionamientos tienen un control de posición superior gracias al uso de la retroalimentación. Están específicamente adaptados a las aplicaciones de posicionamiento. | |
| Control de movimiento | ✓ | Los servoaccionamientos son la única forma de conseguir movimientos coordinados y perfiles de movimiento rápidos. | |
| Características | ✓ | Los servosistemas tienen más características, ya que se utilizan en una gama más amplia de industrias y aplicaciones | |
| Tamaño pequeño | ✓ | Existen servos optimizados para aplicaciones pequeñas. | |
| Eficiencia | ✓ | Los imanes permanentes de los servomotores hacen que los servosistemas sean más eficientes que los VFD. |
Conclusión
En general, la elección entre un servoaccionamiento y un VFD es bastante sencilla. Los servoaccionamientos tienen ventaja en cuanto a rendimiento y características, mientras que los VFD tienen ventaja en cuanto a coste. A veces, la elección cae en un área de superposición donde cualquiera de los dos puede funcionar, en este punto se necesita un poco más de consideración para encontrar el mejor sistema para tus necesidades.
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