Tecnología de accionamiento sin eje en prensas de impresión: motores, sincronización y control de velocidad
Cada movimiento mecánico necesita una fuente de energía, y el accionamiento de una prensa de impresión debe hacer más que girar un eje. Debe mantener una velocidad constante, responder al operador y ofrecer un ajuste continuo de velocidad a medida que cambia el trabajo. Antes de la llegada de los accionamientos sin eje, las prensas de periódicos pasaron por dos generaciones de control eléctrico de velocidad. Los motores de CA con anillos rozantes dominaron hasta la década de 1970 y pueden considerarse la primera generación. A partir de la década de 1970, el progreso en el control de velocidad de CC trajo los accionamientos de CC y los motores de anillos rozantes a un uso generalizado, la segunda generación. El panorama cambió en 1992, cuando Rexroth construyó SYNAX, el primer sistema de accionamiento sin eje diseñado para una prensa de impresión. En una década, el control de velocidad sin eje había reemplazado los métodos anteriores en las prensas de periódicos.
Los accionamientos sin eje como nuevo concepto de prensa
La transmisión sin eje se ha convertido en un concepto novedoso en la ingeniería de prensas. Rompe los límites que un eje mecánico común impone a la disposición de la máquina y abre espacio para nuevos diseños tanto en el desarrollo como en la fabricación de prensas. La tecnología data de ese sistema SYNAX de 1992 y desde entonces se ha extendido a varios especialistas en accionamientos en todo el mundo.
Estándares de comunicación dentro de un accionamiento sin eje
El sistema se basa en inteligencia distribuida y sigue SERCOS, el Sistema de Comunicación en Tiempo Real Serie, un estándar internacional de comunicación de accionamientos. La información de control viaja digitalmente en tiempo real a través de fibra óptica. Cada grupo de motores utiliza una tarjeta inteligente distribuida que puede gestionar 40 posiciones de motor, y las tarjetas se pueden enlazar por fibra para formar un grupo de control que abarca hasta 1000 posiciones desde 32 tarjetas conectadas.
Cómo se mantienen sincronizadas las unidades
La sincronización se basa en tres partes: un convertidor de frecuencia digital inteligente, motores de CA y un codificador digital de 32 bits con retroalimentación de bucle cerrado. El sistema de codificador corrige la posición del motor 4000 veces por segundo, mientras que el convertidor de frecuencia avanza el motor de CA en unidades que suman dos millones. La transmisión digital por fibra óptica a través de una interfaz Ethernet transporta esos datos con la resolución y la precisión de registro que exige la calidad de impresión.
Qué aporta el accionamiento sin eje al control de la prensa
Diseño de accionamiento distribuido y modular. Las configuraciones de múltiples bandas pueden utilizar unidades de accionamiento más pequeñas. En una prensa de torre de ocho colores Roland de circunferencia simple y doble diámetro, por ejemplo, los motores de accionamiento pasaron de un solo motor de 90 kW o más a motores individuales de 27 kW o menos, y el impacto en la red eléctrica durante el arranque se redujo más de tres veces.
El error de registro por transmisión mecánica desaparece. Las cifras publicadas para una prensa con ocho unidades de impresión muestran que la variación entre la unidad 1 y la unidad 8 puede ser siete veces mayor que la variación entre la unidad 1 y la unidad 2, porque cada pieza sincronizada mecánicamente tiene su propia tolerancia. Ese error solo se desvanece una vez que los engranajes y ejes alcanzan una rotación continua.
El tiempo de preparación se reduce. Cada unidad de color puede accionarse de forma independiente, por lo que varias personas pueden preparar la prensa al mismo tiempo. Una prensa de torre Roland de ocho colores utiliza cuatro motores de accionamiento, y una prensa de torre KBA de ocho colores utiliza ocho.
El control se vuelve intercambiable. Dado que el sistema utiliza un estándar internacional de comunicación de accionamientos, ninguna prensa sin eje tiene una restricción de patente sobre la transferencia de información.
El diagnóstico de fallos es fiable. Con SERCOS, el fabricante puede almacenar los parámetros de funcionamiento estándar en el sistema, recopilar parámetros en vivo de la prensa y comparar ambos para localizar un fallo.
La regulación de velocidad en los rodillos de accionamiento alcanza una precisión del 0,01 por ciento, lo que permite un control preciso de la velocidad del rodillo de tracción, un recorrido estable de la banda, una tensión uniforme y un corte consistente en múltiples bandas.
La precisión de posicionamiento aumenta la fiabilidad del cambio automático de planchas y acorta el tiempo de reacción del registro de impresión y corte, lo que reduce el desperdicio.
Control de velocidad por variación de frecuencia y el motor trifásico
El accionamiento sin eje de una prensa depende estrechamente del control de velocidad por variación de frecuencia. Esa técnica se apoya en las características principales de un motor asíncrono trifásico, cuya velocidad sigue la relación n = 60f/p. La velocidad n queda determinada por la frecuencia de corriente f y el número de pares de polos magnéticos p, y los pares de polos no pueden modificarse una vez construido el motor. La velocidad del motor es, por tanto, proporcional a la frecuencia, y un variador de frecuencia utiliza exactamente esa relación para fijar la velocidad de salida.
El variador de frecuencia de CA en una prensa
A finales de la década de 1980, un nuevo transistor de efecto de campo, el IGBT, mejoró el comportamiento de los motores de frecuencia variable, y las prensas comenzaron a adoptar el control por variador de frecuencia. La configuración combina un inversor con un motor asíncrono trifásico y, con mayor frecuencia, emplea el tipo de tensión CA-CC-CA. Ese tipo se adapta al control de corriente constante, que coincide con la demanda de par constante de una prensa, y funciona con baja potencia, por lo que el control industrial también lo denomina control servo de CA. El ciclo tiene dos etapas. Primero, la alimentación trifásica de frecuencia fija se rectifica a CC. Segundo, la CC se invierte de nuevo a CA, y el control de la frecuencia de esa salida invertida controla la velocidad del motor. El puente inversor de un accionamiento sin eje utiliza circuitos IGBT, que son dispositivos controlados por tensión con baja potencia de control y frecuencias de conmutación de hasta 20 kHz. El resultado es una forma de onda de corriente más cercana a la red eléctrica, un motor que conserva mejor su comportamiento trifásico, menos ruido electromagnético, un circuito más simple, mejor autogestión de fallos comunes, una tasa de fallos menor y menos pérdidas en el propio inversor.
Tres formas de controlar un variador de frecuencia de CA
La estructura de la prensa hace que la carga sea desigual, pero la imprimibilidad exige un funcionamiento uniforme para una calidad constante. De ahí surgen dos preguntas prácticas: ¿el cambio de accionamiento de CC a CA altera el resultado impreso?, y ¿cómo se sincronizan los motores cuando algunos llevan encoder y otros no?
Control vectorial. Un motor de CC gira sobre dos campos magnéticos perpendiculares, y controlar un campo controla tanto la velocidad como el comportamiento mecánico. Un motor asíncrono trifásico solo mantiene un campo perpendicular durante un instante. El control vectorial actúa sobre el puente inversor para que se controle el campo perpendicular instantáneo. El primer paso divide la señal de consigna en dos componentes de CC giratorios, la componente de campo magnético iM y la componente de par iT. El segundo paso transforma esas componentes, utilizando los parámetros del motor, en las señales de control iA, iB e iC para el puente inversor trifásico.
Control vectorial sin realimentación. Un tipo de motor habitual en prensas sin eje no lleva encoder, pero no funciona como control en lazo abierto sin regulación de velocidad. La sincronización proviene de medir la tensión y la corriente de terminal, calcular el flujo del rotor y la velocidad angular del rotor, y utilizar esos valores con los parámetros del motor en la misma transformación. La respuesta dinámica es algo más débil, y una prensa que utiliza este control en sus motores de registro de color puede mostrar pequeñas diferencias de registro cuando cambia la velocidad.
Control vectorial con realimentación. Cuando la imprimibilidad exige un control exacto de la velocidad, como fijar la velocidad de producción o mantener la velocidad del registro de color, se monta un encoder directamente en el motor. Este informa la velocidad del rotor para la transformación y mantiene la velocidad del motor ajustada con precisión a la consigna. La respuesta dinámica es fuerte y el registro no se desplaza cuando cambia la velocidad.