El control de velocidad de motores trifásicos mediante variadores de frecuencia es una de las herramientas más efectivas para adecuar la entrega de par y potencia a los requerimientos reales de un proceso. Sin embargo, cada aplicación impone exigencias distintas: una bomba centrífuga requiere regulación de proceso y funciones de ahorro energético; una cinta transportadora necesita par de arranque elevado y seguridad funcional; una centrífuga o una extrusora demandan precisión de velocidad y, en ocasiones, realimentación por encóder.
El variador SINAMICS G120 de Siemens responde a esa diversidad mediante un concepto modular que separa la electrónica de control de la etapa de potencia. Este artículo revisa su arquitectura, sus módulos de potencia, las capacidades de cada Control Unit, sus funciones de seguridad integradas y los beneficios que se derivan de ellas en aplicaciones de factory automation y process automation.
Un concepto modular: tres componentes, múltiples combinaciones
Un SINAMICS G120 se configura a partir de tres elementos que se seleccionan de forma independiente [1]:
- Power Module (módulo de potencia): contiene la etapa de potencia (rectificador, circuito intermedio o DC link e inversor) y define la tensión de red, la potencia y el comportamiento de frenado.
- Control Unit (unidad de control): ejecuta la regulación del motor y las funciones tecnológicas, y define la cantidad de entradas y salidas, las funciones de seguridad y la interfaz de comunicación.
- Operator Panel (panel de operador): componente opcional para la puesta en marcha, la operación manual y el diagnóstico en terreno.
Todas las Control Units descritas en este artículo son compatibles con los módulos de potencia PM240, PM240-2 y PM250 [1]. De esta compatibilidad se derivan beneficios concretos para el usuario: un mismo modelo de Control Unit puede cubrir variadores de distinta potencia, lo que reduce el inventario de repuestos; la unidad de control puede sustituirse sin intervenir el cableado de potencia; y un accionamiento puede ampliarse en funcionalidad cambiando solo la Control Unit. La familia comparte, además, una plataforma común de hardware y software, y herramientas de ingeniería unificadas para selección, parametrización y puesta en marcha [1].
Módulos de potencia: potencia, tensión y comportamiento de frenado
El rango de la familia modular se extiende desde 0,55 kW hasta 250 kW, en tamaños constructivos (frame sizes) FSA a FSF, más el tamaño FSGX para las potencias superiores [1].
PM240-2. Es el módulo de potencia de uso general. Incorpora un chopper de frenado (interruptor electrónico que deriva el exceso de energía del circuito intermedio hacia una resistencia de frenado externa) en los tamaños FSA a FSF, y puede solicitarse con filtro EMC de clase A integrado, con las mismas dimensiones que la versión sin filtro [1]. Esto permite planificar el tablero eléctrico sin depender de la opción de filtro que se defina posteriormente.
| Tensión de red | Potencia en ciclo LO | Potencia en ciclo HO |
|---|---|---|
| 1AC 200–240 V | 0,55–4 kW | 0,37–3 kW |
| 3AC 200–240 V | 0,55–55 kW | 0,37–45 kW |
| 3AC 380–480 V | 0,55–250 kW | 0,37–200 kW |
| 3AC 500–690 V | 11–132 kW | 7,5–110 kW |
PM250. Este módulo incorpora la tecnología Efficient Infeed, que permite devolver a la red la energía generada durante el frenado del motor sin componentes adicionales [1]. En aplicaciones con frenados frecuentes o cargas que arrastran al motor, como transportadores en pendiente, desbobinadores o centrífugas en fase de detención, la energía que en otro caso se disiparía como calor en una resistencia se reincorpora a la instalación. El PM250 opera en redes trifásicas de 380 a 480 V, con potencias de hasta 90 kW [1].
Para aplicaciones de bombeo y ventilación existe además el módulo PM230, documentado en la variante SINAMICS G120P [1].
Capacidad de sobrecarga: ciclos LO y HO
Cada módulo de potencia se especifica para dos ciclos de carga, lo que permite dimensionar el variador según el comportamiento real de la máquina [1]:
- Low Overload (LO, baja sobrecarga): 110 % de la corriente nominal durante 57 s y 150 % durante 3 s. Corresponde a servicio continuo con característica de par cuadrática y bajo par de arranque, como en bombas centrífugas, ventiladores radiales y axiales, bombas de vacío y agitadores.
- High Overload (HO, alta sobrecarga): 150 % durante 57 s y 200 % durante 3 s. Corresponde a servicio cíclico con par constante y elevado par de arranque, como en cintas transportadoras, bombas de engranajes, bombas helicoidales excéntricas, molinos, trituradoras, equipos de transporte vertical y centrífugas.
Según el fabricante, el uso de la capacidad de sobrecarga no reduce la corriente de salida continua [1]. El beneficio práctico es evitar el sobredimensionamiento: en una aplicación de par cuadrático, el ciclo LO permite aprovechar una mayor potencia nominal con el mismo módulo.
Modos de control del motor
Las Control Units ofrecen control U/f (lineal, cuadrático, parametrizable, con regulación de flujo o FCC, y con modo ECO) y control vectorial sin encóder (SLVC, Sensorless Vector Control), orientado a velocidad o a par. La CU250S-2 agrega el control vectorial con encóder [1]. La frecuencia de salida alcanza 550 Hz en control U/f y FCC, y 200 Hz en control vectorial sin encóder; la frecuencia de pulsación estándar es de 4 kHz y puede ajustarse hasta 16 kHz [1].
La documentación de puesta en marcha del SINAMICS G120C, que comparte la plataforma de firmware de la familia, ofrece criterios cuantitativos para elegir entre ambos modos [2]:
| Criterio | Control U/f o FCC | Control vectorial sin encóder |
|---|---|---|
| Estabilización ante cambio de velocidad | 100–200 ms típico | < 100 ms típico |
| Estabilización ante golpe de carga | 500 ms típico | 20 ms típico |
| Precisión de par | — | ± 5 % entre 10 % y 100 % de la velocidad asignada |
| Uso recomendado | Aceleración a velocidad nominal > 2 s, par de carga constante sin golpes | Aceleración < 2 s, golpes de carga rápidos, arranques pesados |
El control U/f tiene la ventaja de ser poco sensible a imprecisiones en los datos del motor y de requerir pocos ajustes; el control vectorial, por su parte, aprovecha de forma más eficiente el motor, el módulo de potencia y la mecánica [2]. Para obtener ese desempeño, el variador ejecuta una identificación de datos del motor en reposo y en giro, y optimiza automáticamente sus reguladores de corriente y velocidad [2].
Las Control Units: una para cada tipo de aplicación
La selección de la Control Unit responde a cuatro preguntas: cuántas entradas y salidas requiere la aplicación, qué funciones de seguridad se necesitan, qué bus de campo utiliza la planta y si se requiere realimentación por encóder o posicionamiento [1]. Todas las unidades se alimentan con 24 V DC, ya sea desde el módulo de potencia o desde una fuente externa, cuentan con interfaz USB para conexión a un PC y grado de protección IP20 [1].
CU230P-2: bombas, ventiladores y compresores
La CU230P-2 está diseñada específicamente para aplicaciones de fluidos [1]. Dispone de 6 entradas digitales, 3 salidas digitales, 2 salidas analógicas y 4 entradas analógicas, de las cuales dos aceptan señales de tensión (±10 V) o corriente (0/4–20 mA), una acepta corriente o un sensor de temperatura Pt1000/LG-Ni1000, y una cuarta está dedicada a sensores Pt1000/LG-Ni1000 [1].
De estas características se derivan beneficios directos para el integrador. La conexión de sensores de temperatura sin transmisores intermedios simplifica la supervisión de rodamientos, fluidos o recintos. Dos de sus salidas son relés conmutados aptos para 250 V AC y 2 A, lo que permite comandar directamente contactores auxiliares o señalización en tablero [1]. El regulador tecnológico PID integrado permite que el propio variador controle presión, caudal o nivel a partir de la señal del transmisor de proceso [1].
En comunicación, está disponible con PROFINET (con soporte de EtherNet/IP), PROFIBUS DP y en una variante HVAC con USS, Modbus RTU y BACnet MS/TP [1]. Esta última facilita su integración en sistemas de gestión de edificios y en instalaciones de servicios como plantas de agua y climatización.
CU240E-2: maquinaria de uso general
La CU240E-2 cubre una amplia gama de aplicaciones de construcción de maquinaria, como cintas transportadoras, mezcladoras, agitadores y extrusoras [1]. Ofrece 6 entradas digitales, 3 salidas digitales, 2 entradas analógicas y 2 salidas analógicas [1].
Su principal diferenciador es la seguridad funcional integrada. La versión estándar incluye la función STO (Safe Torque Off) mediante una entrada de seguridad; las versiones Failsafe (CU240E-2 F, DP-F y PN-F) disponen de 3 entradas de seguridad y amplían el conjunto a STO, SS1, SLS, SDI y SSM [1]. Cada entrada de seguridad se forma a partir de dos entradas digitales, lo que permite la conexión redundante de dispositivos como paradas de emergencia o cortinas ópticas [1]. Las versiones con PROFIBUS y PROFINET permiten, además, recibir los comandos de seguridad a través de PROFIsafe [1].
Está disponible con PROFINET (con soporte de EtherNet/IP), PROFIBUS DP y con USS/Modbus RTU [1].
CU250S-2: aplicaciones de alta exigencia
La CU250S-2 está orientada a aplicaciones con requerimientos elevados de precisión y funcionalidad, como extrusoras, centrífugas, bobinadoras y grúas [1]. Es la unidad con mayor dotación de entradas y salidas: 11 entradas digitales, 4 entradas o salidas digitales rápidas bidireccionales, 3 entradas de seguridad, 3 salidas digitales (con opción de una salida de seguridad), 2 entradas analógicas y 2 salidas analógicas [1].
Sus capacidades distintivas son tres:
- Realimentación por encóder: habilita el control vectorial de velocidad o par con encóder, adecuado cuando se requiere par a velocidad cero o alta precisión de velocidad [1].
- Posicionamiento básico (EPos): mediante una licencia de funciones extendidas, la CU250S-2 ejecuta tareas de posicionamiento sin requerir módulos adicionales [1]. Esto permite resolver ejes de posicionamiento simples, como mesas de transferencia o carros de traslado, directamente en el accionamiento.
- Safety Integrated ampliado: incluye STO, SS1 y SBC (Safe Brake Control), este último con un Safe Brake Relay; las funciones SLS, SSM y SDI se habilitan mediante licencia [1].
La activación de funciones por licencia, almacenada en una tarjeta de memoria SD, permite adquirir el hardware una sola vez y ampliar sus capacidades cuando la aplicación lo requiera [1].
| Característica | CU230P-2 | CU240E-2 | CU240E-2 F | CU250S-2 |
|---|---|---|---|---|
| Entradas digitales | 6 | 6 | 6 | 11 |
| Entradas de seguridad | — | 1 | 3 | 3 |
| Salidas digitales | 3 | 3 | 3 | 3 (opc. 1 F-DO) |
| E/S digitales rápidas | — | — | — | 4 |
| Entradas analógicas | 4 | 2 | 2 | 2 |
| Salidas analógicas | 2 | 2 | 2 | 2 |
| Encóder / EPos | — | — | — | Sí / por licencia |
| Safety Integrated | — | STO | STO, SS1, SLS, SDI, SSM | STO, SS1, SBC; SLS, SSM, SDI por licencia |
| Comunicación | PN, DP, USS/Modbus RTU, BACnet MS/TP | PN, DP, USS/Modbus RTU | PN, DP | PN, DP, USS/Modbus RTU |
Safety Integrated: seguridad funcional en el propio accionamiento
Las funciones de seguridad del SINAMICS G120 corresponden a las definidas en la norma IEC 61800-5-2, que establece los requisitos de seguridad funcional para sistemas de accionamiento eléctrico de velocidad variable [3]:
| Función | Descripción | Aplicaciones típicas |
|---|---|---|
| STO (Safe Torque Off) | Desconecta de forma segura la generación de par y evita arranques involuntarios | Transportadores, logística de paquetes |
| SS1 (Safe Stop 1) | Detención rápida y supervisada, seguida de STO; apta para altos momentos de inercia | Desbobinadores, centrífugas, extrusoras |
| SBC (Safe Brake Control) | Control seguro del freno de mantenimiento del motor | Grúas, bobinadoras |
| SLS (Safely Limited Speed) | Limita y supervisa la velocidad máxima mientras la máquina opera | Punzonadoras, bobinadoras, transportadores |
| SDI (Safe Direction) | Permite el movimiento solo en el sentido habilitado | Almacenes automáticos, prensas |
| SSM (Safe Speed Monitor) | Entrega una señal segura cuando la velocidad cae bajo un límite | Taladros, fresadoras, envasadoras |
Según el fabricante, estas funciones alcanzan el nivel SIL 2 según IEC 61508 [1], [4] y pueden implementarse sin encóder [1]. Los beneficios son concretos: se reduce el número de contactores y relés de seguridad externos, se simplifica el cableado del tablero, el diagnóstico de la función de seguridad queda disponible en el propio variador y, con PROFIsafe, los comandos de seguridad se transmiten por la misma red que los datos de proceso. Funciones como SLS permiten, además, que un operador intervenga la máquina a velocidad reducida sin detener completamente la producción.
La habilitación de las funciones de seguridad se protege con contraseña, e incluye un temporizador de dinamización forzada que obliga a comprobar periódicamente los circuitos de desconexión [2]. Como en todo sistema de seguridad, la documentación del fabricante establece que la función debe definirse a partir del análisis de riesgos de la máquina y validarse mediante una prueba de funcionamiento antes de iniciar la producción [2].
Comunicación e integración en la automatización
El SINAMICS G120 es parte del concepto Totally Integrated Automation, con comunicación por PROFINET y PROFIBUS y soporte de los perfiles PROFIdrive, PROFIsafe y PROFIenergy [1]. Para la integración con sistemas de otras plataformas dispone de EtherNet/IP, Modbus RTU, USS y BACnet MS/TP [1]; la variante compacta G120C incorpora también CANopen [2].
En PROFIdrive, el usuario puede seleccionar telegramas estándar, como el 1 (dos palabras de proceso) o el 20 (orientado a procesos), telegramas específicos del fabricante como el 352, 353 y 354, o una configuración libre de las palabras de proceso [2]. Los archivos de descripción de dispositivo GSD (PROFIBUS) y GSDML (PROFINET) están almacenados en el propio variador y pueden copiarse a la tarjeta de memoria, lo que facilita la configuración cuando no se dispone de acceso a internet en terreno [2]. El variador también admite los datos de identificación y mantenimiento (I&M), que permiten registrar la ubicación funcional del equipo en la planta [2].
Eficiencia energética
El ahorro energético de un variador proviene, en primer lugar, de ajustar la velocidad del motor a la demanda del proceso. El SINAMICS G120 complementa este principio con funciones específicas [1]:
- Modo ECO: reduce el flujo magnético y, con ello, la corriente del motor en el rango de carga parcial.
- Modo de hibernación: conecta y desconecta el accionamiento automáticamente según las necesidades del proceso, por ejemplo, cuando la demanda de una bomba desaparece.
- Control en cascada: conecta y desconecta accionamientos adicionales por etapas según la demanda.
- Indicación de energía: el variador registra la energía consumida, la energía realimentada y el balance, así como una estimación de la energía ahorrada respecto de una operación sin variador [2].
- PROFIenergy: permite que el controlador desconecte de forma coordinada y centralizada los consumidores durante los períodos sin producción [1].
Sumado a la realimentación de energía del PM250, este conjunto permite no solo reducir el consumo, sino también medirlo y hacerlo visible en los sistemas de gestión energética de la planta [1].
Robustez e instalación
Varias características mecánicas y eléctricas del SINAMICS G120 se traducen en ahorro de espacio y en mayor disponibilidad [1]:
- Montaje lado a lado (side by side): reduce el espacio requerido en el tablero.
- Montaje push-through: el disipador de calor queda fuera del tablero, lo que reduce eficientemente el aumento de temperatura en su interior.
- Resistencia ambiental: clase 3C2 en los tamaños FSA a FSC (3C3 en versiones SIPLUS) y 3C3 en los tamaños FSD a FSF, según la clasificación de gases químicamente activos de la norma IEC 60721-3-3 [1], [5]. Esto resulta relevante en industrias como la celulosa o la minería, donde la atmósfera puede contener compuestos corrosivos.
- Cables de motor largos: hasta 300 m apantallados o 450 m sin apantallar.
- Bobina integrada en el circuito intermedio (tamaños FSD a FSF): elimina la necesidad de reactancias de red y de salida en esos tamaños.
- Compatibilidad electromagnética: el filtro de clase A integrado permite cumplir la categoría C2 de la norma IEC 61800-3, y un filtro externo de clase B, la categoría C1 [1], [6].
Los módulos PM240-2 cuentan con certificaciones UL, cUL, CE, C-Tick y SEMI F47, esta última relacionada con la inmunidad ante huecos de tensión [1].
Funciones de protección y continuidad operacional
El variador supervisa subtensión, sobretensión, sobrecarga, falla a tierra, cortocircuito, motor bloqueado y temperaturas del motor, la Control Unit y el módulo de potencia, además de la rotura de cable en entradas analógicas y la pérdida de comunicación con el bus de campo [1]. Incluye supervisión del par para detectar funcionamiento en seco de bombas y rotura de correa, y almacena un historial de hasta 8 fallas y 56 alarmas con su valor y momento de aparición [1].
Para la continuidad del proceso, el firmware ofrece rearranque al vuelo (captura de un motor que aún gira), rearranque automático tras falla de red, respaldo cinético (el variador utiliza la energía cinética de la carga para sostener el circuito intermedio durante microcortes) y control del freno de mantenimiento del motor [2]. Adicionalmente, la protección de escritura y la protección de know-how permiten resguardar la parametrización frente a modificaciones no autorizadas y proteger el conocimiento del fabricante de la máquina [2].
Puesta en marcha y herramientas
La puesta en marcha puede realizarse con dos paneles de operador [1], [2]:
- BOP-2 (Basic Operator Panel): pantalla de dos líneas, puesta en marcha básica guiada y operación manual.
- IOP-2 (Intelligent Operator Panel): pantalla gráfica en 14 idiomas, asistentes por aplicación que no requieren conocer los parámetros, diagnóstico en texto claro, función de clonación para puesta en marcha en serie y versión portátil (handheld) para uso en terreno.
Ambos pueden montarse en la puerta del tablero mediante un kit, con grado de protección IP54 o UL Type 12 para el IOP e IP55 para el BOP-2 [2]. Para trabajo desde PC, SINAMICS Startdrive se integra en TIA Portal y permite la configuración, puesta en marcha y diagnóstico desde el mismo entorno de ingeniería del controlador; la conexión puede realizarse por USB, PROFIBUS o PROFINET [1], [2]. La herramienta SIZER apoya el dimensionamiento del sistema de accionamiento completo [1].
Para acelerar la configuración de entradas y salidas, el variador incluye ajustes predeterminados de bornes (macros) para los casos más frecuentes: control a dos y tres hilos, velocidades fijas, consigna analógica, potenciómetro motorizado y control por bus de campo, con o sin función de seguridad [2]. La tarjeta de memoria SD permite respaldar la parametrización y replicarla en otros equipos [1].
La variante compacta SINAMICS G120C
Para aplicaciones que no requieren la modularidad completa, la familia incluye el SINAMICS G120C, en el que la unidad de control y la etapa de potencia forman un solo equipo. Cubre de 0,55 a 132 kW en siete tamaños constructivos, con alimentación trifásica de 380 a 480 V [7], [8]. Integra la bobina de circuito intermedio y el filtro EMC, y todos sus tamaños admiten montaje lado a lado sin reducción de potencia ni de corriente [7], [8]. Comparte con el G120 los paneles de operador, las herramientas de ingeniería, la función STO y las interfaces de comunicación [2], [7].
Aplicaciones típicas
La siguiente tabla orienta la configuración según el tipo de carga, a partir de los ejemplos de aplicación de la documentación del fabricante [1], [2]:
| Aplicación | Control Unit sugerida | Modo de control | Ciclo |
|---|---|---|---|
| Bombas centrífugas, ventiladores, compresores | CU230P-2 | U/f cuadrático, ECO o vectorial | LO |
| Cintas transportadoras, transportadores de rodillos y cadena | CU240E-2 / CU240E-2 F | U/f, FCC o vectorial | HO |
| Mezcladoras, agitadores, molinos, trituradoras | CU240E-2 | U/f, FCC o vectorial | HO |
| Bombas de desplazamiento positivo, hornos rotativos | CU240E-2 | Vectorial | HO |
| Extrusoras y centrífugas | CU240E-2 F / CU250S-2 | Vectorial, con o sin encóder | HO |
| Grúas, bobinadoras, ejes de posicionamiento simples | CU250S-2 | Vectorial con encóder, SBC, EPos | HO |
Conclusión
El SINAMICS G120 aborda la diversidad de las aplicaciones industriales separando la función de potencia de la función de control. El módulo de potencia se elige según la red, la potencia y el comportamiento de frenado; la Control Unit, según las entradas y salidas, la seguridad funcional, la comunicación y la precisión requerida. Esta separación se traduce en beneficios medibles: menor inventario de repuestos, mantenimiento más rápido, seguridad funcional sin componentes externos, integración directa en redes PROFINET y PROFIBUS, y herramientas para reducir y medir el consumo energético. Para el ingeniero que especifica un accionamiento, el punto de partida es caracterizar correctamente la carga: con esa información, la combinación adecuada de módulo de potencia, Control Unit y ciclo de sobrecarga queda definida de manera sistemática.
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Referencias
[1] Siemens Industry, Inc. SINAMICS G120 – El variador modular: eficiente, seguro y robusto. Folleto DRBR-G120X-0617, 2017. https://assets.new.siemens.com/siemens/assets/api/uuid:3bf25cb9-a89b-4aa0-af8a-6e7727dd1b73/sinamics-G120.pdf
[2] Siemens AG. Convertidores SINAMICS G120C – Getting Started (primeros pasos). Edición 04/2014, firmware V4.7, A5E34264105E AA. https://cache.industry.siemens.com/dl/files/689/94003689/att_81700/v1/G120C_GS4_0414_esp_es-ES.pdf
[3] IEC 61800-5-2:2016. Adjustable speed electrical power drive systems – Part 5-2: Safety requirements – Functional. International Electrotechnical Commission.
[4] IEC 61508 (serie). Functional safety of electrical/electronic/programmable electronic safety-related systems. International Electrotechnical Commission.
[5] IEC 60721-3-3. Classification of environmental conditions – Part 3-3: Classification of groups of environmental parameters and their severities – Stationary use at weatherprotected locations. International Electrotechnical Commission.
[6] IEC 61800-3:2017. Adjustable speed electrical power drive systems – Part 3: EMC requirements and specific test methods. International Electrotechnical Commission.
[7] Siemens AG. SINAMICS G120C (página de producto). https://www.siemens.com/en-us/products/sinamics/g120c/
[8] Siemens. SINAMICS G120C – The compact and versatile drive. Folleto de producto. https://assets.new.siemens.com/siemens/assets/api/uuid:2c65250d-a8fc-4e40-bbb3-550543d54a1f/version:1750975593/sinamics-g120c-brochure.pdf