Haga que la actualización de su prensa tenga un consumo óptimo 
de energía

March 27, 2014

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La mayoría de los estampadores no duda en operar una prensa hidráulica como ha estado operando durante los últimos 20 años. Al hacerlo, se están privando de enormes ahorros en costos asociados con una posible actualización ahorradora de energía que se centra en el accionamiento inteligente de bomba de velocidad variable.

Figura 1
En un sistema de velocidad variable, el control de fl ujo del sistema hidráulico se hace con un accionamiento de frecuencia variable junto con un servomotor convencional síncrono o asíncrono, un transductor de presión para medir presión hidráulica, y un sistema de bomba hidráulica de desplazamiento ya sea fi jo o variable.

Las estampadoras que forman y doblan metal a presión están ellas mismas bajo presión para mejorar el rendimiento, el control del costo del proceso y la eficiencia energética.

Hay muchas estampadoras que han estado en operación entre 20 y 25 años, y típicamente operan bajo condiciones severas. Los tiempos de ciclo para estas prensas están entre 100 milisegundos y varios segundos, y las tasas de utilización están entre 3,600 y 6,000 horas al año.

Esa operación excesiva consume mucha energía, lo que afecta significativamente la productividad y la rentabilidad de la estampadora. En la última década, los precios de la electricidad aumentaron un promedio de 25 por ciento y más en ciertos mercados de Estados Unidos y hasta 50 por ciento en Europa. Si los sistemas hidráulicos que accionan su estampadora operan con una eficiencia menor a la óptima, podría estar perdiendo una oportunidad de reducir los costos de producción. Por fortuna, usted puede ver muchos beneficios al considerar el valor de una actualización del sistema hidráulico.

Actualmente hay avanzados sistemas hidráulicos y sistemas de accionamiento inteligentes para brindar una mayor eficiencia y mejorar la productividad de la estampadora y la calidad del producto. La actualización usando nuevas tecnologías brinda:

  • Un control más preciso y dinámico de la posición y fuerza de cada carrera, optimizando el desempeño y la productividad.
  • Menor costo por parte estampada al reducir los costos de energía.
  • Menos ruido generado por el sistema hidráulico, desgaste del equipo y costos de mantenimiento.
  • Mayor vida operacional de la prensa y maximización del tiempo productivo.

Aun cuando todos estos beneficios contribuyen en última instancia a un retorno de la inversión positivo, los principales ahorros en costos resultan de la reducción del gasto de energía.

Las ventajas energéticas de la actualización

La principal razón para considerar una actualización es mejorar la eficiencia energética. Incluso en máquinas estándar, los costos de energía pueden representar del 20 al 30 por ciento del costo durante toda su vida—y una proporción mucho mayor con aplicaciones que usan mucha energía.

En la operación de una estampadora

hidráulica típica, buena parte de la energía consumida es para generar la fuerza para mover la cortina. Las soluciones convencionales utilizan una bomba de desplazamiento variable accionada por un motor eléctrico que opera a un valor constante de RPM. Los requerimientos de presión hidráulica son regulados por un control de bomba, como un compensador de presión, o mediante válvulas de control de presión y flujo hidráulico corriente abajo de la bomba.

Con un diseño con RPM constante, el motor siempre está operando a una velocidad nominal establecida, incluso si la máquina está operando en carga de partes o en vacío. Cierta potencia del motor siempre se está desperdiciando. Simultáneamente, la fuga interna en la válvula y bomba hidráulica genera calor en el fluido hidráulico, el cual debe ser enfriado para mantener condiciones de operación óptimas. El proceso de enfriamiento además resulta en una demanda adicional de energía para el sistema.

Sin embargo, con la tecnología más reciente, es posible obtener ahorros significativos de energía con una actualización que reemplaza un motor eléctrico de velocidad constante acoplado a una bomba de desplazamiento variable o fijo, con un sistema de bomba “inteligente”. El sistema de bomba inteligente además puede eliminar la necesidad de válvulas de control de presión y flujo corriente abajo en algunas máquinas.

¿Qué es una bomba inteligente? Es una bomba con inteligencia para ajustar el flujo y la presión del sistema con base en la demanda del proceso. Esto se logra variando la velocidad de accionamiento y, en algunos casos, el ángulo de giro de una bomba de desplazamiento variable. En un sistema de accionamiento de velocidad variable (vea la Figura 1), los requerimientos de flujo del sistema hidráulico son controlados usando un accionamiento electrónico de frecuencia variable (VFD) acoplado a un servomotor convencional ya sea asíncrono o síncrono. Un transductor de presión da una señal para controlar la presión hidráulica. La combinación de accionamientos de frecuencia variable (VFD) y bombas de velocidad variable permite al sistema operar a los puntos de eficiencia óptimos de la bomba y del motor. Esto reduce pérdidas de energía directamente en la fuente.

Figura 2
Un accionamiento de bomba de velocidad variable integrado adecuadamente, el cual ajusta el fl ujo y la presión del sistema según lo requiera el proceso, puede reducir el consumo de energía de la estampadora entre 30 y 80 por ciento.

Una configuración mínima, que consta de una bomba de desplazamiento fijo y VFD, proporciona una velocidad de flujo proporcional a la velocidad de accionamiento del motor. El control de lazo cerrado se localiza en el VFD y reduce la velocidad de accionamiento para que concuerde con las condiciones de carga. Además, el accionamiento de la bomba de velocidad variable puede usarse para hacer funciones de eje inteligente.

Un accionamiento de bomba de velocidad variable adecuadamente integrado puede reducir dramáticamente el consumo de energía de la estampadora (vea la Figura 2). Usando un control sobre demanda, el sistema puede ajustar el flujo y la presión de la bomba hacia el actuador hidráulico sin necesidad de válvulas de control adicionales. En consecuencia, la potencia promedio de entrada se reduce en todo el ciclo de la máquina.

Además, eliminando las caídas de presión inducidas por la válvula que generan calor, el aumento de temperatura en el aceite hidráulico con frecuencia puede minimizarse, reduciendo o eliminando la energía adicional requerida para el sistema de enfriamiento.

Pueden hacerse mejoras adicionales usando accionamientos de velocidad variable. El ciclo de la máquina puede ser más suave, minimizando el mantenimiento y el tiempo improductivo. Esto además puede extender la vida útil de la prensa. Reducir la velocidad de accionamiento de la bomba puede reducir los niveles de ruido de la unidad de potencia hidráulica entre 10 y 20 dBA.

Cuándo invertir en la actualización

Cada operación de estampadora es única, y los ahorros potenciales en energía para los sistemas varían. La variable importante es la presión competitiva que su operación enfrenta en el control de costos y la mejora el retorno de la inversión. He aquí cinco factores a evaluar al considerar una actualización a un sistema hidráulico con accionamiento de velocidad variable para su estampadora.

1. Haga cuentas del consumo de energía del sistema hidráulico. Una evaluación incorrecta de bombas, motores y controles puede tener un impacto significativo negativo en el desempeño, la confiabilidad y la eficiencia. Es crítico evaluar su operación de estampado actual en términos de tiempos de ciclo, acción de la carrera y fuerza, para calcular la energía que se necesita para generar el flujo y la presión requeridos.

También vale la pena evaluar el nivel de control necesitado para dar el rendimiento deseado, incluyendo la posición y fuerza requeridas para fabricar partes con precisión a las especificaciones de su cliente.

Para muchas aplicaciones, los sistemas hidráulicos con bomba de velocidad variable de la actualidad están diseñados para ser reemplazos competitivos para motores de velocidad constante con bombas de desplazamiento fijo o variable. La desventaja con los sistemas convencionales es que la velocidad del motor no puede reducirse para carga parcial. Por lo tanto, puede haber desperdicio de energía en una parte significativa de todo el ciclo.

En muchos casos, es más eficiente lograr el control de flujo y de presión regulando la velocidad de la bomba y la carrera que usando válvulas de control. Debido a que la energía está disponible como fluido hidráulico a alta presión, mucha de la energía se libera en forma de calor conforme el fluido pasa a través de la válvula de control, de un estado de alta presión a un estado de baja presión. La operación de las válvulas de control resulta en un gasto doble de energía. Se consume energía al presurizar el fluido, y luego la energía se pierde en la caída de presión que ocurre a través de la operación normal de la válvula. Esto ge-

nera calor que requerirá energía adicional para enfriarse. Además, disipar el calor requerirá grandes intercambiadores de calor que son caros y complejos en su operación.

Figura 3
Una plataforma moderna de controlador hidráulico puede ofrecer paquetes de software de control avanzado que minimizan los impactos transmitidos a través de un sistema hidráulico al bastidor de la prensa y a sus componentes.

Un ajuste del mecanismo inteligente de la velocidad variable del motor de accionamiento puede usarse para satisfacer la demanda precisa y evitar gasto de energía ineficiente. Como ejemplo, una máquina actualizada con un accionamiento de velocidad variable que usa un servomotor síncrono, o un sistema de control de presión y flujo de velocidad variable con un motor asíncrono, proporciona sólo la velocidad de flujo requerida mediante el ajuste de esta velocidad y desplazamiento de la bomba.

Se usa un transductor de presión para medir la presión hidráulica y ajustar la velocidad de la bomba en consecuencia. No se genera flujo en exceso, y puede eliminarse el control por estrangulamiento menos eficiente mediante válvulas proporcionales.

2. Considere modernizar y simplificar el sistema hidráulico. Debido a que las estampadoras antiguas usan bombas de desplazamiento fijo con válvulas de alivio, bombas de desplazamiento variable con válvulas proporcionales o tecnologías más antiguas de válvulas de control direccional con sensor de carga, el valor de una actualización puede determinarse respondiendo varias preguntas relacionadas con la edad:

  • ¿Qué edad tienen estos componentes? ¿Siguen estando disponibles, o se pueden reconstruir a una condición como nuevos?
  • ¿Cuáles son los requerimientos de mantenimiento del sistema? ¿Estos componentes tienen fuga de fluido?
  • ¿Necesitamos operar a velocidades de flujo y a presión más altas para mantener los requerimientos de producción actuales, o estamos operando frecuentemente a menos del tonelaje pleno y desperdiciando energía?

Actualizar a un sistema de velocidad variable puede simplificar el sistema hidráulico, evitar futuros reemplazos de componentes, y reducir enormemente los costos por mantenimiento.

3. Evalúe los requerimientos ambientales del sistema hidráulico. Con frecuencia se asume que el ruido y el calor son el precio a pagar por un ambiente de trabajo requerido para aprovechar la potencia proporcionada por una estampadora hidráulica. Considere las cuestiones del calor. Vale la pena evaluar las temperaturas del fluido del sistema con respecto a la doble penalización de generar presión y/o flujo excesivo, y la energía requerida para eliminar el exceso de calor. También es importante incluir el gasto de la capacidad de enfriamiento y depósitos de aceite sobredimensionados.

Una de las principales fuentes de ruido de máquina en una prensa hidráulica es la bomba hidráulica. El nivel de presión del sonido depende de la velocidad rotacional de la bomba y de la presión de operación. Velocidades más altas producen un ruido mayor. Más allá del ruido de la bomba, los antiguos diseños de sistemas de control y controladores pueden introducir altos niveles de “impacto” hidráulico durante el ciclo de movimiento de la prensa, lo que puede generar niveles de sonido de hasta 80 dBA y puede some-ter a esfuerzo tuberías, válvulas y sellos.

Una bomba de velocidad variable puede reducir dramáticamente la carga de calor en el sistema. Durante el estrangulamiento, las pérdidas (caídas de presión) se eliminan usando control de carrera y velocidad de la bomba, en lugar de válvulas de estrangulamiento; el calor transferido hacia el fluido se reduce, lo que resulta en una reducción drástica o la eliminación de los requerimientos de enfriamiento.

Finalmente, el control de bomba de velocidad variable resulta no sólo en menores velocidades promedio de bomba, sino también aceleraciones y desaceleraciones más suaves con transiciones controladas entre el control de fuerza y de posición. El resultado es la reducción en las emisiones promedio de ruido.

4. Evalúe y optimice los tamaños de bomba y accionamiento. Los sistemas típicos de accionamiento hidráulico están sobredimensionados para proporcionar flujo y presión pico y no lo óptimo para aplicaciones del mundo real. No es raro que los motores sean 50% más grandes que los requerimientos reales de proceso de la estampadora. El sobredimensionamiento es para compensar ineficiencias en el circuito hidráulico causadas por situaciones como caídas de presión y flujos de fuga.

Para el motor eléctrico que acciona la bomba, el tamaño correcto requiere evaluar el tiempo detenido y la operación a cargas parciales o plenas para determinar la potencia real de accionamiento requerida. Para determinar el dimesio namiento óptimo de los componentes de accionamiento, pueden usarse herramientas de simulación para investigar variables dinámicas del ciclo de estampado, incluyendo presiones, flujos, fuerzas y movimiento del cilindro.

Expertos en ingeniería de sistemas hidráulicos y de control equipados con herramientas de simulación avanzadas pueden proporcionar diseños que incorporen accionamientos de velocidad variable para actualizar una estampadora e idealmente satisfacer los requerimientos de ciclo que se demandan. Por ejemplo, accionamientos de bomba de velocidad variable, usados junto con un diseño de sistema de energía sobre demanda, puede optimizar el uso de controladores, bombas de velocidad variable y motores para que den sólo la energía precisa requerida. Además, el dimensionamiento óptimo del motor acoplado con accionamientos de bomba de velocidad variable puede ayudar a que un sistema completo quepa en un espacio de piso más pequeño en comparación con los diseños convencionales.

5. Mejore los controles para una mejor operación y una vida más larga del equipo. Los impactos transmitidos a través de un sistema hidráulico pueden resultar en esfuerzo mecánico y desgaste físico en el bastidor de la prensa, los acoplamientos, tubos, conexiones, válvulas y múltiples. Esto puede tener un impacto negativo en la vida del equipo, aumenta el tiempo improductivo, y conlleva la necesidad de un mantenimiento más frecuente. Si estas condiciones prevalecen en su estampadora, los controles de la prensa que regulan la presión y el flujo, así como el control del nivel superior, deben evaluarse. Estos impactos físicos, incluso si son intermitentes, pueden indicar que el sistema de control heredado puede estar dificultando el desempeño y la eficiencia de la energía de su estampadora.

Si estos impactos están presentes en su prensa actual, considere actualizar los controles existentes con un sistema de control de tecnología de punta, ideado específicamente para aprovechar al máximo la electrohidráulica moderna y los accionamientos de bomba de velocidad variable. Estos sistemas de última generación brindan un control inteligente de alto desempeño de sistemas de bomba de velocidad variable, así como sistemas controlados con válvulas proporcionales tradicionales.

Como ejemplo, una plataforma moderna de controlador hidráulico ofrece paquetes de software de control avanzado ajustados a las demandas únicas de las propiedades de los sistemas hidráulicos (vea la Figura 3). La compensación del software avanzado de factores como la compresibilidad del fluido y la dinámica de los sistemas no lineales pueden brindar un control óptimo. Algoritmos hidráulicos específicos para accionamientos de bomba de velocidad variable y válvula proporcional permiten transiciones suaves entre el control de posición y el control de fuerza, generación de trayectorias suaves de movimiento y sincronización de ejes múltiples. Estas capacidades reducen los impactos del sistema y reducen el impacto en el herramental.

Reenergizando la estampadora

Una mejora dramática de la eficiencia energética y del desempeño de las estampadoras hidráulicas ahora es posible con bombas inteligentes de alto desempeño que pueden dar la velocidad y el flujo requeridos sin la ineficiencia energética de las válvulas de control. Un análisis y comparación de las unidades de potencia hidráulica existentes y de los componentes relacionados, contra un sistema de accionamiento de bomba de velocidad variable, típicamente revela que el uso de energía y el impacto ambiental del calor y del ruido pueden reducirse.



Jan Komsta

Manager, New Technology Simulations
Bosch Rexroth Corp.
14001 S. Lakes Drive
Charlotte, NC 28273
Phone: 800-739-7684

Jeff Grube

Manager, Press Group
Bosch Rexroth Corp.
14001 S. Lakes Drive
Charlotte, NC 28273
Phone: 800-739-7684

Werner Wolf

Project Engineer, Press Industry
Bosch Rexroth Corp.
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