Una birraíl de 20 toneladas son cinco accionamientos y 24,1 kW en una misma barra colectora, no la carga de una sola grúa. Incluso con una reactancia del 5 por ciento en cada accionamiento, la barra colectora se sitúa cerca del 18 por ciento de distorsión total de demanda frente a un límite del 8 por ciento. Esto es lo que realmente se suma, y qué solución corresponde a cada grúa.
Una birraíl de 20 toneladas no representa la carga eléctrica de una sola grúa. Una entrada típica de catálogo declara un polipasto principal de 16 kW, un polipasto auxiliar de 2,6 kW, dos motores de carro de 0,55 kW y cuatro motores de traslación larga de 1,1 kW. Eso son 24,1 kW repartidos entre cinco accionamientos colgados de una misma barra colectora. Cuando funcionan juntos, las corrientes armónicas se suman antes de llegar siquiera a su transformador, y ningún cálculo de un solo accionamiento predice lo que leerá su medidor.
Este año he estado en tres obras en las que una birraíl nueva hizo disparar una planta que llevaba una década funcionando con grúas monorraíl. En las tres se discutió como si la grúa estuviera defectuosa. Dos eran problemas de barra colectora, una era un problema de refrigeración del cuadro, y ninguna era la grúa.
La razón por la que las birraíl se comportan de forma distinta se reduce a dos cosas que el artículo sobre monorraíl de este sitio no tenía que tratar. Hay más accionamientos y, por encima de 16 toneladas, hay dos polipastos. Dos polipastos significan dos rectificadores, dos juegos de control de freno y dos ocasiones para que un contactor caiga en el momento equivocado. La aritmética que sigue trata de lo que esos accionamientos se hacen entre sí.
Todo lo que hay a continuación es o bien una cifra publicada con la fuente citada, o bien un apartado de norma, o bien un número que hemos calculado. Los números calculados están etiquetados como cifras de predimensionado. Nadie ha publicado un estudio de distorsión armónica en una birraíl de 20 toneladas en una acería vietnamita, y no voy a fingir lo contrario.
Más de los que cuentan los compradores. Una monorraíl de 10 toneladas tiene un polipasto, un juego de carro y dos motores de traslación larga. Una birraíl del mismo tonelaje tiene cuatro motores de traslación larga porque cada carro testero lleva dos, y a partir de 16 toneladas tiene además un segundo polipasto para las cargas ligeras. El desglose de motores publicado a continuación procede de un catálogo estándar de birraíl que cubre de 5 a 40 toneladas, con los totales tal como se imprimen.
| Capacidad | Motor de elevación | Motores de carro | Motores de traslación larga | Potencia de la grúa | Accionamientos en la barra | Corriente a 400 V |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 5 t | 6,1 / 1 kW | 2 x 0,31 kW | 2 x 0,55 kW | 8,82 kW | 3 | 16,6 A |
| 10 t | 9,5 / 1,5 kW | 2 x 0,44 kW | 2 x 1,1 kW | 14,08 kW | 4 | 26,6 A |
| 20 t | 16 / 2,6 kW | 2 x 0,55 kW | 4 x 1,1 kW | 24,1 kW | 5 a 7 | 45,5 A |
| 32 t | 20 / 5,0 kW | 2 x 1,1 kW | 4 x 1,5 kW | 33,2 kW | 5 a 7 | 62,6 A |
| 40 t | 38 kW | 2 x 1,5 kW | 4 x 2,2 kW | 47,0 kW | 5 a 7 | 88,7 A |
| 50 t (ligera europea) | 4 / 0,67 m/min, 2 velocidades | 20 / 5 m/min | 40 / 10 m/min, conmutación de polos | 44,4 kW | 4 | 83,8 A |
Las corrientes son cálculo nuestro a 400 V, factor de potencia 0,85 y rendimiento del motor 0,90, usando los kilovatios de catálogo. El número de accionamientos es el de motores conmutados por separado, que es lo que importa para los armónicos: cada motor con su propio inversor inyecta su propia distorsión de corriente en su propio punto de la barra colectora. Nuestros propios listados de grúa birraíl publican el mismo desglose por capacidad, y es lo primero que conviene comparar entre dos ofertas.
Vale la pena detenerse en la línea de 50 toneladas. Es una máquina publicada real, 13,5 m de luz, 6 m de elevación, 8.950 kg de puente y 12.810 kg de peso total, 134,5 kN de carga estática máxima por rueda, clasificación U4/Q2 según EN 13001-1, y 44,4 kW de equipo eléctrico. No tiene inversor en ningún punto. La elevación es de 4/0,67 m/min con un motor de dos velocidades de conmutación de polos y la traslación larga es de 40/10 m/min de la misma forma. Téngalo en cuenta, porque cambia aquello de lo que debería preocuparse.
Dos polipastos en un mismo puente no es una función de redundancia. Es una función de productividad: el gancho auxiliar se mueve a 2–5 veces la velocidad del gancho principal y se ocupa de todo lo que esté por debajo de aproximadamente un cuarto de la capacidad nominal. En una máquina que pasa la mayor parte del día elevando 2 toneladas, el polipasto principal es peso muerto.
La lista de configuraciones publicada de una gama de birraíl pesada deja el patrón a la vista. A partir de 16 toneladas, cada capacidad se escribe como un par.
| Capacidad declarada | Principal / auxiliar | Proporción del auxiliar respecto al principal |
|---|---|---|
| 5 t | gancho único | ninguno |
| 10 t | gancho único | ninguno |
| 16 t | 16 / 3,2 t | 20 por ciento |
| 20 t | 20 / 5 t | 25 por ciento |
| 32 t | 32 / 5 t | 16 por ciento |
| 50 t | 50 / 10 t | 20 por ciento |
| 75 t | 75 / 20 t | 27 por ciento |
| 100 t | 100 / 20 t | 20 por ciento |
| 125 t y superiores | 125 / 32 t y superiores | 25 a 30 por ciento |
Aquí es donde la historia eléctrica se separa de la del monorraíl. El polipasto auxiliar es un segundo rectificador, un segundo circuito de control de freno y un segundo cable de motor, y está dimensionado deliberadamente pequeño. Los accionamientos pequeños son los que tienen peor distorsión de corriente en relación con su propia carga, porque la capacidad del bus de CC y la reactancia, si la hay, se eligen contra un tamaño de bastidor pequeño y no contra los armónicos. La misma lógica se aplica al lado de polipastos y accesorios del pedido: la unidad pequeña no es la sencilla.
Dos rectificadores de 6 pulsos en una misma barra colectora no se promedian. Una demostración de laboratorio publicada con dos accionamientos sobre un bus de CA común midió 10,9 A de quinto armónico del primer accionamiento y aproximadamente el doble con el segundo en marcha. Uno más uno son dos, como dice la nota de aplicación de Eaton. Las formas de onda son similares, los ángulos de fase son similares, y los ángulos similares se suman.
Entre los dos extremos, y esa brecha es toda la discusión. La suposición cómoda es la suma aritmética: cinco accionamientos, cinco veces la corriente armónica. La suposición optimista es la raíz de la suma de cuadrados: cinco accionamientos, 2,24 veces la corriente armónica. La realidad está entre ambas y depende de cuán similares sean los accionamientos y de si sus rectificadores están desfasados.
La industria lo cuantifica con un exponente de suma, que suele escribirse alfa. Un exponente de 1 es la suma aritmética sin cancelación. Un exponente de 2 es la raíz de la suma de cuadrados, que es lo que se obtiene cuando los ángulos de fase están distribuidos al azar. Un artículo IEEE de 2013 de Cuk, Cobben, Ribeiro y Kling midió accionamientos de motor de inducción en paralelo en dos emplazamientos durante una semana con resolución de un segundo, cubriendo tanto front-ends de 6 como de 12 pulsos, y derivó coeficientes para la suma simplificada precisamente porque ninguno de los dos extremos es correcto.
Lo que importa en la práctica es la distorsión total de demanda en la barra colectora, no la distorsión total armónica de un accionamiento. Son números distintos y los compradores los confunden constantemente. Esto es lo que producen las dos reglas de suma para un grupo de accionamientos idénticos.
| Accionamientos en la barra | TDD si suma aritmética, sin reactancia (THDi 100 por ciento) | TDD si raíz de suma de cuadrados, sin reactancia | TDD si suma aritmética, reactancia del 5 por ciento (THDi 40 por ciento) | TDD si raíz de suma de cuadrados, reactancia del 5 por ciento |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 100 por ciento | 100 por ciento | 40 por ciento | 40 por ciento |
| 2 | 100 por ciento | 71 por ciento | 40 por ciento | 28 por ciento |
| 3 | 100 por ciento | 58 por ciento | 40 por ciento | 23 por ciento |
| 5 | 100 por ciento | 45 por ciento | 40 por ciento | 18 por ciento |
| 7 | 100 por ciento | 38 por ciento | 40 por ciento | 15 por ciento |
| Límite IEEE 519-2022, Isc/IL 20 a 50 | 8 por ciento | 8 por ciento | 8 por ciento | 8 por ciento |
Cálculo propio, usando los rangos de THDi por accionamiento publicados por ABB para accionamientos de climatización y las reglas de suma estándar. La tabla dice algo incómodo. Aunque cada accionamiento tenga una reactancia del 5 por ciento y los ángulos de fase se distribuyan perfectamente por casualidad, una birraíl de cinco accionamientos se sitúa en 18 por ciento de TDD frente a un límite del 8 por ciento. Añadir reactancias ayuda enormemente al accionamiento individual y sigue dejando la barra colectora fuera de cumplimiento.
Eso no es razón para prescindir de la reactancia. Es razón para dejar de creer que la reactancia es toda la respuesta. En un solo accionamiento la misma tabla muestra cómo 40 por ciento baja a 18 por ciento, y por eso la reactancia vale sus doscientos dólares. En una máquina de cinco accionamientos la misma reactancia le lleva de 100 a 18, que es otro tipo de número pero sigue estando muy lejos de 8.
El desfase de fases es la solución armónica real más barata para un grupo de accionamientos, y casi nunca se especifica en una grúa. La idea es sencilla: dos rectificadores de 6 pulsos alimentados desde devanados separados 30 grados eléctricos producen armónicos quinto y séptimo separados 180 grados, de modo que se cancelan en la barra colectora compartida en lugar de sumarse. Un rectificador de 6 pulsos más otro de 6 pulsos desfasado se comporta como un rectificador de 12 pulsos en el punto donde se encuentran.
Las cifras publicadas de distorsión de corriente para los front-ends disponibles, de ABB y de los datos armónicos de Siemens para accionamientos a plena carga, explican por qué esto importa.
| Front-end | THDi de corriente típica a plena carga | Qué hace en una barra con cinco accionamientos | Uso realista en grúas |
|---|---|---|---|
| 6 pulsos, sin reactancia | 90 a 120 por ciento | domina el peor caso | muy común en cuadros de bajo coste |
| 6 pulsos, reactancia del 2 al 3 por ciento | 43 a 44 por ciento | ayuda, sigue por encima de 8 | reconversión habitual |
| 6 pulsos, reactancia del 5 por ciento | 34 a 45 por ciento | 15 a 18 por ciento si los ángulos se reparten | estándar en climatización, poco común en grúas |
| 12 pulsos | 8,8 por ciento | cerca del límite, requiere transformador de doble devanado | raro en grúas, común en acerías |
| 18 pulsos | 3,9 por ciento | por debajo del límite | ocasionalmente, para polipastos grandes |
| Front-end activo, dos cuadrantes | 1,3 a 5 por ciento | por debajo del límite, factor de potencia unitario | cada vez más especificado en polipastos de alta cadencia |
| Front-end activo, cuatro cuadrantes | 1,2 por ciento, más regeneración | por debajo del límite y recupera la energía de frenado | premium, justificado por encima de unas 50 toneladas |
Una demostración publicada vale más que la tabla. Dos accionamientos idénticos de 6 pulsos en un bus compartido, un transformador desfasador, quinto armónico de 10,9 A por accionamiento a aproximadamente 21,8 A combinados sin desfase y a casi cero con él. El transformador no filtró nada. Convirtió dos formas de onda en fase en dos formas de onda en oposición de fase.
En una birraíl esto es realmente práctico, porque los dos polipastos son accionamientos separados que no tienen por qué ser idénticos. Una máquina de 20 toneladas con un polipasto principal de 16 kW y uno auxiliar de 2,6 kW puede poner el auxiliar en una alimentación desfasada, o simplemente en un transformador pequeño separado con un grupo de conexión distinto. Eso cancela el quinto y el séptimo entre las dos fuentes más grandes por el precio de un devanado en lugar de un front-end activo.
Lo que no hace es cancelar los cuatro motores de traslación larga, que son idénticos, se alimentan de un par de inversores en maestro/esclavo y por tanto están perfectamente en fase entre sí. Cuatro accionamientos idénticos alimentados desde un inversor no son cuatro fuentes de armónicos. Son una fuente con cuatro cargas, y por eso la traslación larga suele ser el menor de los problemas y los dos polipastos suelen ser el mayor.
No, y este es el punto en el que la mayoría de los compradores invierte el diagnóstico. La máquina de 50 toneladas descrita antes tiene 44,4 kW de equipo eléctrico y ningún inversor en ningún punto. La elevación es de dos velocidades por conmutación de polos a 4 y 0,67 m/min. La traslación larga es de dos velocidades por conmutación de polos a 40 y 10 m/min. El carro va a 20 y 5 m/min. Todos los movimientos se conmutan con contactores.
Esa máquina no produce corriente armónica significativa, porque un motor de inducción de conmutación de polos es una carga lineal. Produce otra cosa: una corriente de arranque de seis a ocho veces la corriente de plena carga mantenida hasta que el motor alcanza la velocidad de acoplamiento, con un pico de primer ciclo que puede llegar a diez o doce veces según la documentación de accionamientos de ABB. En una máquina de 44 kW eso es un evento de 500 a 800 A en cada arranque, y ocurre unos cientos de veces por hora con servicio M6.
Los dos diseños necesitan por tanto mitigaciones opuestas.
| Síntoma | Grúa con conmutación de polos | Grúa con VFD | La respuesta equivocada |
|---|---|---|---|
| Las luces parpadean en cada elevación | sí, corriente de arranque | menos, salvo que el bus de CC esté al límite | comprar un transformador más grande |
| El generador dispara al arrancar | muy probable | posible si está poco dimensionado | añadir un filtro de armónicos |
| Corriente de neutro o de tierra caliente | no | sí, armónicos triples | cambiar el cable |
| La batería de condensadores funde fusibles | improbable | resonancia armónica clásica | instalar un condensador más grande |
| Picado de contactos del contactor | alto, por la corriente de arranque | menor | cambiar de marca de contactor |
| Mitigación correcta | arrancador suave o reconversión a VFD | reactancia, luego AFE o 12 pulsos | los dos existen, no son intercambiables |
Cifras de predimensionado propias, basadas en las relaciones de corriente de arranque publicadas por ABB y en las velocidades de movimiento de la hoja de datos publicada de 50 toneladas. La conclusión es que la primera pregunta ante cualquier problema eléctrico de una birraíl no es cuál es la distorsión. Es si hay o no un inversor. He visto cotizar un filtro de armónicos para una grúa con contactores, que es una forma educada de venderle a alguien un transformador que no necesita.
Porque la barra colectora es una resistencia con una inductancia, y la grúa toma corriente en el punto en que se encuentre el puente. Una grúa estacionada en el extremo de alimentación apenas ve caída. La misma grúa en el extremo lejano ve toda la longitud del conductor, y en una nave larga los números dejan de ser académicos.
Cifras publicadas de impedancia para sistemas de conductores protegidos usados en pistas de grúa, a 35 grados C, por metro.
| Conductor | Intensidad nominal | Impedancia, ohmios por metro | Resistencia de CC, ohmios por metro |
|---|---|---|---|
| Aluminio, cara de contacto de acero inoxidable | 500 A | 0,000158 | 0,000098 |
| Aluminio | 800 A | 0,000145 | 0,000075 |
| Aluminio | 1000 A | 0,000138 | 0,000052 |
| Cobre | 500 A | 0,000162 | 0,000105 |
| Cobre | 800 A | 0,000138 | 0,000058 |
| Cobre | 1000 A | 0,000128 | 0,000035 |
Los ejemplos resueltos del propio fabricante en la misma hoja son la parte útil, porque muestran qué pasa cuando una nave es compartida. Dos grúas que consumen 900 A en total sobre una barra de aluminio de 1000 A, nave de 245 m, alimentada por un extremo: 52,6 V de caída. La misma nave en cobre: 48,8 V. Una grúa que consume 1000 A sobre una barra de aluminio de 1000 A y 250 m: 59,7 V. En un sistema de 400 V eso es el 13,2 por ciento y el 14,9 por ciento.
Eso está muy fuera de cualquier límite sensato, y no lo causa la grúa. Lo causa alimentar una nave larga desde un extremo a un valor cercano a la intensidad nominal de la barra. Lo que el ejemplo demuestra en realidad es que una pista compartida es un problema de diseño eléctrico antes que un problema de grúa, y que la posición de la alimentación importa más que el material del conductor.
El anexo G de IEC 60364-5-52 es informativo y no obligatorio, pero es el número contra el que todo el mundo diseña: hasta el 3 por ciento en circuitos de alumbrado y hasta el 5 por ciento en otros circuitos finales, medido desde el punto de suministro. El mismo anexo dice explícitamente que la caída por arranque de motor debe comprobarse por separado, porque cumplir el límite en régimen permanente no garantiza una caída tolerable durante un arranque.
Así que la pregunta para una birraíl es cuánto de ese 5 por ciento se come la barra colectora. Nuestro cálculo de abajo usa las impedancias publicadas anteriores, alimentación por un extremo, 400 V, y las corrientes de grúa de la primera tabla.
| Grúa | Corriente | Longitud de pista | Barra colectora | Caída de tensión | Proporción de 400 V |
|---|---|---|---|---|---|
| 20 t | 45,5 A | 150 m | 1000 A Al | 1,63 V | 0,41 por ciento |
| 20 t | 45,5 A | 300 m | 1000 A Al | 3,26 V | 0,82 por ciento |
| 50 t | 83,8 A | 200 m | 1000 A Al | 4,01 V | 1,00 por ciento |
| 50 t | 83,8 A | 400 m | 1000 A Al | 8,01 V | 2,00 por ciento |
| 100 t | 170 A | 300 m | 1000 A Al | 12,2 V | 3,05 por ciento |
| 100 t | 170 A | 400 m | 500 A Al | 18,6 V | 4,65 por ciento |
| 2 x 50 t juntas | 167,6 A | 400 m | 1000 A Al | 16,0 V | 4,01 por ciento |
| Ejemplo publicado, 2 grúas | 900 A | 245 m | 1000 A Al | 52,6 V | 13,2 por ciento |
Cálculo propio a partir de la impedancia por metro publicada, usando la relación trifásica estándar con longitud de conductor igual a la mitad de la nave para alimentación centrada y a la nave completa para alimentación por un extremo. Todas las filas son con alimentación por un extremo para que la comparación sea homogénea.
Los resultados son tranquilizadores para la grúa e incómodos para la pista. Una sola birraíl a 45–84 A se come del 0,4 al 2 por ciento del presupuesto, lo cual está bien. Dos de ellas compartiendo una barra de 400 m se comen el 4 por ciento, lo que no deja casi nada para los alimentadores de la propia planta. Tres grúas a 900 A se comen el 13,2 por ciento, que es el ejemplo publicado y por eso una nave compartida falla mientras cada grúa individual parece correcta sobre el papel.
Hay algo más que la caída hace y que un medidor no mostrará. Ocurre en la conexión móvil, en las zapatas colectoras, no en una caja de bornes. El contacto intermitente del colector en una barra larga es una fuente clásica de lo que el sector llama movimiento débil en el extremo lejano: el contactor se mantiene, el motor gira, y la carga sigue sin elevarse. Si su síntoma aparece solo cuando el puente está en un extremo de la nave, mida la tensión en la grúa, no en el cuadro.
Lo cocinan. Las pérdidas del inversor se publican en 40 a 50 W por kVA de potencia nominal, o del 3 al 5 por ciento de la potencia nominal. Un accionamiento de polipasto de 45 kW con factor de potencia 0,85 se parece a unos 53 kVA, así que su pérdida a plena carga se sitúa entre 2,1 y 2,7 kW de calor dentro de una caja de acero.
Un ejemplo resuelto publicado por un diseñador de cuadros de grúa lo hace concreto. Un cuadro de polipasto principal metalúrgico tipo QDY acumula unos 1,68 kW de pérdida: 1,5 kW en el inversor, 0,07 kW en la barra colectora, 0,04 kW en contactores, 0,02 kW en la fuente de alimentación y 0,05 kW en elementos menores. El envolvente es de 2.000 por 800 por 600 mm, instalado exento, lo que da una superficie efectiva de transferencia de calor de 5,712 metros cuadrados según la relación de IEC TR 60890. El acero pintado transfiere a unos 5,5 W por metro cuadrado por kelvin. Con 15 K de elevación la caja disipa 471 W.
Así que 1,68 kW de pérdida en una caja que disipa 471 W de forma natural se estabiliza en una elevación de 1.680 dividido por el producto de 5,5 y 5,712, que es 53,5 K. En un taller a 42 C el interior de ese cuadro funciona a unos 95 C.
Ahora añada el segundo polipasto. Una birraíl por encima de 16 toneladas coloca dos grupos de inversores en el mismo envolvente, y el auxiliar no es despreciable porque el cuadro se comparte.
| Grúa | Potencia de accionamiento instalada | Calor al 3,5 por ciento | Disipación natural a 15 K | Elevación estabilizada, sin ventilador | Interior con ambiente a 40 C |
|---|---|---|---|---|---|
| 10 t monorraíl | 14,1 kW | 0,49 kW | 471 W | 16 K | 56 C |
| 20 t birraíl | 24,1 kW | 0,84 kW | 471 W | 27 K | 67 C |
| 32 t birraíl | 33,2 kW | 1,16 kW | 471 W | 37 K | 77 C |
| 50 t birraíl | 44,4 kW | 1,55 kW | 471 W | 49 K | 89 C |
| 50 t con un kit de ventiladores | 44,4 kW | 1,55 kW | 1.200 W con 250 m3/h de aire filtrado | unos 15 K | unos 55 C |
Cálculo propio, usando la tasa de pérdidas publicada, la relación de envolvente publicada y la curva de derrateo publicada. La última fila usa un juego de ventiladores filtrados típico de 250 metros cúbicos por hora y es solo indicativa; manda la curva del proveedor de los ventiladores.
Por qué importa específicamente para la distorsión. El derrateo publicado de los inversores es del 1,5 por ciento de la corriente de salida nominal por grado por encima de 40 C de ambiente. A 55 C dentro del envolvente al accionamiento le queda el 77,5 por ciento de su potencia nominal, así que un inversor de 45 kW se comporta como uno de 35 kW. Un accionamiento funcionando al 78 por ciento de su placa de características con un motor elegido para la carga completa o bien dispara por sobrecorriente o, peor, funciona en un punto de operación distorsionado donde la forma de onda de corriente tiene más contenido armónico que la cifra de catálogo contra la que se especificó. La refrigeración del cuadro no es un elemento de confort en una birraíl. Es parte del argumento de cumplimiento armónico.
Dos hábitos relacionados de la misma fuente merecen copiarse. Coloque la resistencia de freno fuera del envolvente, porque su superficie supera los 300 C durante un ciclo de regeneración. Y nunca monte un cuadro contra una pared sin rehacer el cálculo de calor, porque un envolvente único montado en pared pierde alrededor del 11 por ciento de su superficie efectiva en comparación con uno exento.
A veces, y el margen es más estrecho de lo que suponen la mayoría de los compradores. La bobina de un contactor tiene un rango de atraque y un rango de retención, y el rango de retención es amplio. La hoja de datos publicada de un contactor miniatura da atraque al 85–110 por ciento de la tensión nominal de bobina y retención en cualquier punto entre el 20 y el 75 por ciento. Si su unidad concreta retiene en la parte alta de esa banda, un hueco del 25 por ciento la hace caer.
En una birraíl eso importa más que en una monorraíl porque hay más contactores y más movimientos que perder. Perder uno de los cuatro contactores de traslación larga deja tres motores arrastrando un extremo y un motor a la deriva, lo que el control maestro/esclavo trata de corregir empujando más a los otros tres. Así es como un carril se sube.
| Fuente | Cifra | Qué significa en obra |
|---|---|---|
| Hoja de datos publicada de contactor | atraque 85 a 110 por ciento, retención 20 a 75 por ciento de la tensión nominal de bobina | un hueco del 25 por ciento puede soltar una bobina en el peor caso |
| IEC 60034-1, zona A | más o menos 5 por ciento de tensión, más o menos 2 por ciento de frecuencia | el motor está seguro, el contactor puede que no |
| IEC 60034-1, zona B | más o menos 10 por ciento de tensión, más 3 a menos 5 por ciento de frecuencia | par nominal disponible pero más caliente, solo por tiempo corto |
| NEMA MG 1 | más o menos 10 por ciento de tensión, más o menos 5 por ciento de frecuencia, combinados no más de 10 | el equivalente norteamericano, algo más laxo |
| Estudio de ride-through de EPRI | la mayoría de los huecos duran 5 a 15 ciclos, 83 a 250 ms | suficiente para que una bobina caiga y vuelva a cerrar |
| Práctica de dimensionado de generadores | los motores toleran el 30–35 por ciento, los prescriptores limitan al 20 por ciento | el 20 por ciento va por los contactores, no por los motores |
La solución práctica cuesta casi nada y casi nadie la aplica: alimente el circuito de control desde un pequeño transformador de tensión constante o desde una fuente de CC con condensador, para que la tensión de bobina no siga a la barra colectora de potencia. La otra solución es mandar los movimientos de forma secuencial y no simultánea, lo que el PLC puede hacer gratis.
Depende por completo de si la grúa marca su pico mensual. Donde lo hace, una tarifa industrial publicada muestra el daño. Una hoja tarifaria de una cooperativa eléctrica rural cobra USD 11,56 por kW de demanda de potencia comprada más USD 11,81 por kW de demanda de distribución, es decir unos USD 23,37 por kW al mes. La misma hoja ajusta la demanda facturable al alza cuando el factor de potencia en la demanda máxima está por debajo del 97 por ciento, multiplicando la demanda registrada por 97 dividido por el factor de potencia real. También cobra USD 0,01009 por kVARh en exceso cuando la media mensual baja del 95 por ciento.
Un accionamiento de 6 pulsos sin reactancia tiene un factor de potencia real cercano a 0,69 aunque su factor de desplazamiento sea 0,98, porque el término de distorsión arrastra el total hacia abajo. Esto es lo que eso le hace a una grúa de 24,1 kW.
| Factor de potencia | Demanda aparente | Demanda facturada | Recargo por mes | Recargo por año | Causa probable |
|---|---|---|---|---|---|
| 0,98 | 24,6 kVA | 24,1 kW | ninguno | ninguno | front-end activo |
| 0,93 | 25,9 kVA | 25,1 kW | USD 23 | USD 281 | reactancia del 5 por ciento |
| 0,85 | 28,4 kVA | 27,5 kW | USD 79 | USD 953 | reactancia del 2 al 3 por ciento |
| 0,69 | 34,9 kVA | 33,9 kW | USD 229 | USD 2.748 | 6 pulsos, sin reactancia |
| 0,69, dos grúas coincidiendo en el pico | 69,8 kVA | 67,8 kW | USD 458 | USD 5.496 | lo mismo, duplicado |
Cálculo propio aplicado a la tarifa publicada y a los 24,1 kW de la grúa, a USD 23,37 por kW al mes. Dos salvedades honestas. Esto solo muerde donde la grúa coincide con el pico de facturación, lo cual es típico en una fundición o en una planta de prefabricados y atípico en un almacén donde la grúa funciona de forma ocasional. Y supone que la compañía eléctrica aplica la letra de esa tarifa concreta, que varía según la región.
Donde sí muerde, una reactancia que cuesta unos cientos de dólares devuelve cuatro cifras al año. Ese es todo el argumento comercial para especificar reactancias en una birraíl, y no tiene nada que ver con ser un buen ciudadano.
Las grúas de puente pesadas llevan hasta cuatro motores de traslación en sincronismo, con la sincronización proporcionada por un inversor de grúa en modo maestro/esclavo. Los datos publicados de accionamientos para servicio de grúa sitúan los motores de traslación en 1,8 veces el par nominal para el arranque, servicio S4 con un factor de duración cíclica del 40 por ciento, hasta 360 arranques por hora, y aislamiento NEMA MG 1 Parte 31 para compatibilidad con inversores.
Dos modos de fallo eléctrico pertenecen a esta disposición y a nada más de la grúa. El primero es la asimetría de par: si un esclavo se retrasa, el maestro aumenta el par en los cuatro, el carro testero adelantado patina o trepa por el carril, y la grúa se sesga en la pista. El segundo es la corriente circulante entre motores conectados al mismo bus de CC cuando sus longitudes de cable difieren de forma significativa, lo que se manifiesta como un calentamiento desigual en los motores que una cámara térmica detecta mucho antes que un código de fallo.
Ninguno de los dos es un problema de armónicos, y a ambos se culpa con frecuencia de serlo porque el síntoma es un disparo. Si sus disparos ocurren durante la traslación larga y nunca durante la elevación, está ante un problema de coordinación de accionamientos, no de calidad de energía.
Casi por completo. Los límites de diseño publicados para polipastos, cruzados entre las clasificaciones ISO, FEM, CMAA y AS, imponen un techo duro de horas de funcionamiento y de arranques por hora para cada clase.
| Clase | ISO / AS | FEM | CMAA | Horas de funcionamiento al día | Arranques por hora |
|---|---|---|---|---|---|
| 4 | M4 | 1Am | B | 2 | 180 |
| 5 | M5 | 2m | C | 4 | 240 |
| 6 | M6 | 3m | D | 8 | 300 |
| 7 | M7 | 4m | E | 16 | 360 |
| 8 | M8 | 5m | F | 16 o más | 360 |
Una máquina en M5 acumula aproximadamente 8 millones de arranques a lo largo de su vida a cuatro horas diarias. Una máquina en M7 acumula unas cuatro veces eso, porque el techo de clase es cuatro veces mayor. Los armónicos por arranque no cambian. Sí cambia el número de arranques en los que los armónicos y la corriente de arranque coinciden con todo lo demás de la planta.
Aquí es donde una gama de 5 a 100 toneladas se divide, y se divide en un punto incómodo. Los límites de emisión armónica para equipos conectados a sistemas públicos de baja tensión de 16 a 75 A por fase los fija IEC 61000-3-12. Una birraíl de 20 toneladas a 45,5 A está dentro de esa ventana. Una de 50 toneladas a 83,8 A está fuera, y la misma familia de producto se juzga entonces contra el límite de distorsión de la propia compañía eléctrica y no contra la norma de equipo.
| Documento | Ámbito | Dónde cae una birraíl |
|---|---|---|
| IEC 61000-3-2 | corriente de entrada hasta 16 A por fase | solo las máquinas más pequeñas; una de 5 t con 16,6 A ya queda fuera |
| IEC 61000-3-12 | 16 a 75 A por fase, hasta 690 V, 50 o 60 Hz, baja tensión pública | de 5 a 32 t quedan dentro; 40 t y 50 t quedan fuera |
| IEEE 519-2022 | distorsión de corriente y de tensión en el punto de acoplamiento común, límites escalados por la relación de cortocircuito | el límite aplicable en la mayoría de los contratos de exportación, TDD del 5 al 20 por ciento según la relación |
| IEC 60204-32:2023 | equipo eléctrico de máquinas de elevación desde el interruptor de alimentación de la grúa en adelante, incluidos conductores de línea y festón fuera de la máquina, hasta 1000 V CA | cubre la alimentación de la pista, que es la parte que más a menudo se deja fuera del contrato de la grúa |
| IEC 60364-5-52 Anexo G | caída de tensión recomendada, 3 por ciento en alumbrado, 5 por ciento en otros circuitos finales, caída de arranque comprobada por separado | el presupuesto en el que se mete la pista |
| IEC 61800-5-1 | seguridad eléctrica de los sistemas de accionamiento de potencia, incluida la protección contra fugas a tierra | los accionamientos pueden producir corriente residual de CC suave, así que se requiere un dispositivo tipo B o B+ |
La tabla de tensión de IEEE 519-2022 merece llevarse encima, porque es la que los compradores citan sin el matiz. En el punto de acoplamiento común por debajo de 1 kV el límite es del 5,0 por ciento para cualquier armónico individual y del 8,0 por ciento total. De 1 a 69 kV se aprieta a 3,0 y 5,0. La tabla de corriente que todo el mundo olvida escala con la relación de cortocircuito: 4,0 por ciento para el quinto armónico y 5,0 por ciento de TDD cuando la relación es inferior a 20, subiendo a 15,0 y 20,0 cuando es superior a 1.000. Una grúa en una planta con un suministro rígido tiene más margen que la misma grúa al final de un alimentador rural largo, y el equipo es idéntico.
Sobre la fuga a tierra, el punto específico de las grúas es que un dispositivo tipo AC o tipo A puede quedar cegado por la componente de CC suave que un accionamiento produce bajo falta. La literatura publicada de dispositivos para instalaciones de grúa recomienda tipo B o tipo B+ con inmunización contra disparos intempestivos en cables largos, y señala que un filtro CEM integrado solo se declara eficaz en unos 5 a 10 m de cable de motor apantallado. En una birraíl con el cuadro en un extremo y el polipasto en el otro, esa distancia se supera de forma habitual, que es exactamente la situación para la que existen los dispositivos inmunizados.
Diez líneas, todas respondibles en una página por cualquier proveedor competente. Prefiero tenerlas a tener un certificado de conformidad sin números detrás.
1. Número de motores conmutados por separado y, para cada uno, si el front-end es de 6 pulsos, de 12 pulsos o activo. 2. Reactancia o filtro instalado, impedancia porcentual, lado de CA o enlace de CC. 3. Material de la barra colectora, intensidad nominal, número y posición de los puntos de alimentación, y la caída calculada con la corriente de la grúa sobre la longitud real de la nave. 4. Cuántas grúas comparten la barra y qué simultaneidad supone el diseño. 5. Carga térmica del cuadro en kW, método de refrigeración y temperatura ambiente en la ubicación del cuadro en verano. 6. Tensión de bobina y tolerancia de retención, y si el circuito de control tiene su propio transformador. 7. Aislamiento del motor según NEMA MG 1 Parte 31 si se instalan inversores. 8. Tipo y ajuste del dispositivo de fuga a tierra, y si es inmune a la corriente residual multifrecuencia. 9. Clase de servicio según ISO 4301, FEM o CMAA, con arranques por hora. 10. A qué límite armónico está diseñando el proveedor, y en qué punto de medida.
Si recibe una cotización que solo dice que la grúa tiene marcado CE, ninguna de esas diez ha sido respondida. No es una crítica al marcado CE. Es la observación de que el marcado CE no dice nada sobre la décima grúa de su nave.
Para máquinas ya en funcionamiento, el orden de trabajo de abajo es lo que yo haría realmente, ordenado por rentabilidad y no por elegancia.
| Acción | Coste | Qué resuelve | Retorno |
|---|---|---|---|
| Sacar el cuadro de la zona caliente y añadir un kit de ventiladores | USD 400 a 1.500 | 20 a 25 K de elevación interna, restituye la potencia nominal del accionamiento | menos de 1 año donde los disparos son frecuentes |
| Alimentar el circuito de control desde una fuente de tensión constante | USD 200 a 600 | la caída de contactores en los huecos de tensión | inmediato |
| Reactancia del 5 por ciento en cada accionamiento que no la tenga | USD 200 a 600 por accionamiento | THDi de unos 100 a unos 40 por ciento, factor de potencia de 0,69 a 0,93 | 6 a 18 meses en cargos por demanda |
| Segundo punto de alimentación en el centro de luz de la pista | USD 1.500 a 5.000 | reduce a la mitad la caída en una nave larga | la única cura real para el movimiento débil en el extremo lejano |
| Alimentación desfasada para el polipasto auxiliar | USD 2.000 a 6.000 | cancela el 5.º y el 7.º entre los dos accionamientos más grandes | 2 a 6 años según el límite |
| Front-end activo en el polipasto principal | USD 3.000 a 9.000 de sobreprecio | THDi por debajo del 5 por ciento, factor de potencia unitario, regeneración | 3 a 8 años, más rápido en alta cadencia |
| Filtro de armónicos en la barra colectora de la planta en lugar de en la grúa | USD 4.000 a 12.000 | el problema compartido, si varias grúas contribuyen | depende por completo de qué más haya en la barra |
| Instalar un filtro de armónicos en una grúa con contactores | USD 3.000 a 8.000 | nada, porque no hay rectificadores | nunca. Instale un arrancador suave |
Los costes son cifras de predimensionado nuestras para 2026, suministro europeo y de Oriente Medio. La última fila está en la tabla a propósito. Es el error que veo más a menudo, y es el que se aprueba porque la palabra filtro suena a ingeniería.
Sí, pero no por la razón que la gente supone. Los dos accionamientos de polipasto suman sus corrientes armónicas en la barra colectora antes de que la corriente llegue a su transformador, y accionamientos similares con ángulos de fase similares se suman de forma casi aritmética. Una demostración de laboratorio publicada midió el quinto armónico de un accionamiento en 10,9 A y aproximadamente el doble con un segundo accionamiento en marcha. El auxiliar es el más problemático de los dos porque es pequeño y funciona en un punto de operación pobre. Nuestra gama de grúa birraíl lista ambos polipastos por separado exactamente por esta razón.
No, y esta es la parte que sorprende a los compradores. Una reactancia lleva un accionamiento individual de unos 100 por ciento de THDi de corriente a unos 40 por ciento, lo que es una mejora grande y justifica el gasto. En una barra colectora con cinco accionamientos la distorsión total de demanda resultante sigue situándose en torno al 15–18 por ciento aunque los ángulos de fase se distribuyan perfectamente, frente a un límite IEEE 519 del 8 por ciento. La reactancia es necesaria y no suficiente. El desfase de fases o un front-end activo es lo que cierra el resto de la brecha.
Porque la barra colectora es el circuito, y la grúa toma corriente en el punto al que ha llegado. Una hoja de conductores publicada da 0,000138 ohmios por metro para una barra de aluminio de 1000 A, lo que sitúa una nave de 245 m compartida por grúas que consumen 900 A en 52,6 V de caída, es decir el 13,2 por ciento de 400 V. Una sola birraíl a 45–84 A solo se come del 0,4 al 2 por ciento, así que el síntoma que está viendo es casi siempre una nave compartida. Añada un punto de alimentación en el centro de luz antes de sustituir nada.
Sí, y muchas no lo tienen. Una birraíl publicada de 50 toneladas y 13,5 m declara 44,4 kW de equipo eléctrico con motores de dos velocidades de conmutación de polos en polipasto, carro y traslación larga, y ningún accionamiento en ningún punto. Esa máquina produce casi ninguna corriente armónica, porque un motor de inducción de conmutación de polos es una carga lineal. En cambio produce una corriente de arranque de seis a ocho veces la de plena carga, y la mitigación correcta es un arrancador suave, no un filtro. Pregunte qué diseño está comprando antes de aceptar una solución armónica.
Porque dos grupos de inversores comparten un mismo envolvente y las pérdidas de los inversores van del 3 al 5 por ciento de la potencia nominal. Un ejemplo resuelto publicado sitúa un cuadro de un solo polipasto de 45 kW en 1,68 kW de pérdida interna dentro de una caja que disipa 471 W de forma natural con 15 K de elevación, lo que se estabiliza en 53,5 K de elevación y unos 95 C en el interior con un taller a 42 C. Los inversores se derratean un 1,5 por ciento de la corriente de salida por grado por encima de 40 C, así que un accionamiento de 45 kW se comporta como uno de 35 kW. Instale el kit de ventiladores y saque la resistencia de freno del armario.
La refrigeración del cuadro, luego la tensión del circuito de control y luego las reactancias, en ese orden. El cuarto elemento que se amortiza es un segundo punto de alimentación en la pista, pero solo si el síntoma es movimiento débil en el extremo lejano y no distorsión. Si su planta aplica un ajuste por factor de potencia, unos cientos de dólares de reactancia en una grúa de 24,1 kW ahorran alrededor de USD 2.700 al año con un factor de potencia real de 0,69, según una tarifa publicada que cobra unos USD 23,37 por kW de demanda.
Artículos relacionados:
Calidad de energía en grúas: qué le hace una grúa monorraíl a una red débil
Consumo energético de una grúa birraíl: lo que realmente cuesta operar una máquina de 5 a 100 toneladas
Instalación de una grúa birraíl: montaje del puente en obra
Carbono incorporado en grúas: lo que realmente carga una birraíl de 20 toneladas
Consumo energético del polipasto: a dónde van realmente los kilovatios hora