VFD

Variadores de Frecuencia (VFD)

Un variador de frecuencia (VFD), también conocido como variador de velocidad, es un tipo de controlador de motor que ajusta la velocidad y el par de un motor eléctrico de corriente alterna (CA) variando la frecuencia y el voltaje de la energía suministrada. Se utilizan ampliamente en entornos industriales para controlar la velocidad de los motores, optimizar el consumo de energía y mejorar el rendimiento de los procesos.

¿Qué es un VFD y cómo funciona?

Un VFD está compuesto por tres componentes principales:

Rectificador: Convierte la corriente alterna (CA) de entrada en corriente continua (CC).
Enlace de CC: Actúa como un filtro y un almacenamiento intermedio para la energía de CC.
Inversor: Convierte la corriente continua (CC) de vuelta a una corriente alterna (CA) con la frecuencia y el voltaje deseados para controlar el motor.

Esta capacidad de controlar la frecuencia de salida permite al VFD arrancar y detener los motores de forma suave, lo que reduce el desgaste mecánico y el estrés en el sistema eléctrico.

Modelos y ejemplos de aplicación (Siemens)

SIMATIC SINAMICS V20: Es un variador de frecuencia compacto y de uso general de Siemens, diseñado para aplicaciones sencillas. Se utiliza comúnmente en bombas, ventiladores y cintas transportadoras, donde la eficiencia energética y la facilidad de uso son fundamentales.
SIMATIC SINAMICS G110: Este modelo es una variante modular, también utilizada en aplicaciones básicas. Permite la integración en sistemas más complejos y la expansión con otros módulos.
Motor 1LA7060-4AB10: Un ejemplo de motor de inducción de Siemens que se puede controlar con un variador como el G110 o el V20. En un entorno real, este motor podría impulsar una bomba o un ventilador, y el VFD controlaría su velocidad para mantener un flujo de aire o de líquido constante, optimizando el consumo de energía.

Conectividad y protocolos: RS-485 y Modbus

La comunicación entre un sistema de control y un VFD es fundamental. Para ello, se utilizan protocolos específicos:

Capa Física (RS-485): Es el estándar de la capa física que se utiliza para la comunicación en serie en la industria. Permite que varios dispositivos se conecten a un mismo bus (comunicación “multi-punto”) y su señalización balanceada lo hace muy resistente a las interferencias electromagnéticas, algo crucial en entornos de fábrica.
Capa de Aplicación (Modbus RTU): Modbus es el protocolo de comunicación más utilizado para controlar los VFDs. Funciona con un modelo de maestro-esclavo, en el que un controlador principal (maestro), como un PLC, envía comandos al VFD (esclavo) para ajustar la velocidad, leer el estado o diagnosticar fallos a través del bus RS-485.

Analogía de Stuxnet: El riesgo en la comunicación

El ataque del gusano Stuxnet a las instalaciones nucleares de Irán proporciona una analogía poderosa sobre la importancia de la seguridad en la comunicación de los VFDs. Stuxnet no atacó directamente el hardware de los variadores, sino que se infiltró en los PLCs. Una vez dentro, el malware manipulaba los comandos que los PLCs enviaban a los VFDs para que estos hicieran girar las centrifugadoras a velocidades peligrosas, lo que las dañaba.

La parte más ingeniosa del ataque fue que el malware también interceptaba los datos de diagnóstico que los VFDs enviaban de vuelta a los operadores, haciendo que el sistema de control mostrara datos falsos para que pareciera que todo funcionaba con normalidad.

Esta analogía ilustra que la seguridad no solo debe centrarse en el VFD o el PLC, sino también en el canal de comunicación que los conecta (por ejemplo, el enlace RS-485/Modbus), lo que resalta la importancia de la defensa en profundidad promovida por estándares como ISA/IEC 62443.

VFDs en la Industria 4.0

En la era de la Industria 4.0 y el Internet Industrial de las Cosas (IIoT), los VFDs han evolucionado de simples controladores de velocidad a dispositivos inteligentes. Ahora, muchos VFDs se conectan directamente a redes Ethernet y a la nube, lo que permite el análisis de datos en tiempo real y el mantenimiento predictivo. Esta conectividad avanzada es fundamental para optimizar los procesos de producción y minimizar el tiempo de inactividad, lo que los convierte en componentes esenciales para las fábricas del futuro.

Funcionamiento ilustrado

graph TD
    subgraph Control
        HMI(HMI del Operador)
        PLC[PLC/Controlador<br/>Maestro]
    end

    subgraph VFD Variador de Frecuencia
        AC_in[Entrada AC] --> Rect(Rectificador)
        Rect --> DC[Enlace DC]
        DC --> Inv(Inversor)
        Inv --> AC_out[Salida AC a Motor]
    end

    subgraph Comunicación
        Sub_A(Bus Modbus RTU<br/>sobre RS-485)
    end

    HMI --> PLC
    PLC -- "Comando de velocidad" --> Sub_A
    Sub_A --> VFD
    VFD --> Motor[Motor de Inducción]

    subgraph Monitoreo
        Sensor(Sensor de Velocidad) --> PLC
    end