Artículo técnico

Variadores de velocidad en aplicaciones de grandes potencias del Sector del Agua •

Autor: Ivan Tallón, Engineered Drives Product Manager de Schneider Electric España

El uso de variadores electrónicos de velocidad en instalaciones de agua que disponen de accionadores de grandes potencias se ha convertido en un elemento imprescindible por razones ligadas, en gran medida, a la reducción de costes de explotación que su aplicación puede llegar a ofrecer. Sin embargo, su uso trae asociado una serie de inconvenientes, relacionados con la calidad de la energía, que es necesario conocer y abordar de cara a su correcta implantación. Es conocida la sequía que acontece actualmente a nivel mundial y que, en un futuro, irá en aumento. Ante la escasez de un recurso surgen oportunidades de negocio en el sector. Efectivamente, a día de hoy existen en el mundo más de 30 países (hablamos de 300 millones de personas) que sufren escasez de suministro de agua. Y la previsión para 2050 no es, para nada, halagüeña: más de 60 países se encontrarán afectados por problemas de sequía. A raíz de esta situación, muchos gobiernos han desarrollado planes de acción que permiten optimizar y/o incrementar sus recursos hídricos. Surgen, por tanto, nuevos proyectos para construcción de plantas desalinizadoras y potabilizadoras, mejora de los procesos de tratamiento de agua potable, optimización de la depuración de aguas residuales, modernización de los sistemas de regadíos, etc. Centrándonos, por ejemplo, en el proceso de una planta desalinizadora por ósmosis inversa (Figura 1), una de las topologías más complejas y comunes en la costa del mediterráneo, es posible encontrar en ellas un gran número de puntos de bombeo (agua del mar, alta presión, post-tratamiento, etc.). Concretamente, es en la zona de alta presión donde se instalan bombas cuya potencia se sitúa, habitualmente, en el entorno de los Megawatios (MW). Entre los objetivos de una planta se encontrarían la gestión de todos sus subsistemas -debido a su dispersión geográfica y variedad de disciplinas, tanto propias del proceso como generales de la plantaasí como la gestión de la energía -en términos de su eficiencia y calidad energética. Y es precisamente en este último apartado, el de la calidad energética, en el que los variadores electrónicos de velocidad pueden penalizar una instalación. Es preciso realizar, por tanto, un estudio minucioso de este apartado, pues existen muchos países con normativa muy restrictiva a este respecto.

TOMA DE AGUA

PRETRATAMIENTO

BOMBEO ALTA PRESION

BASTIDORES MEMBRANAS POST-TRATAMIENTO

ACIDIFICACION

DEPOSITO ALMACEN FILTRO ARENA BOMBA ALTA PRESION

FILTRO CARTUCHOS

POZO

BASTIDOR DE MEMBRANAS

Post-tratamiento

M

LIMPIEZA QUIMICA

TURBINA

SALMUERA

Mar

Figura 1.- Proceso de una planta desalinizadora por ósmosis inversa. GESTIÓN DE LA ENERGÍA Y EFICIENCIA ENERGÉTICA

En el sector del agua, cada vez más, está cogiendo más relevancia la gestión de la energía, dada la necesidad de aumentar la eficiencia energética de las instalaciones. En términos de una instalación, es posible reducir su coste energético desde diversos focos o puntos de vista: • • •

Diseños más eficientes (edificios con doble acristalamiento y aislamiento térmico, motores y reductoras más eficientes, etc.). Control centralizado (mantenimiento preventivo y predictivo). Consumo adaptable a requerimientos variables en tiempo real (variadores de velocidad en motores, sensores de presencia en la iluminación; en definitiva, control según demanda).

Centrándonos en el apartado relacionado con los motores eléctricos, hay que recordar que a día de hoy suponen uno de los mayores consumidores de energía a nivel mundial: representan el 30% del consumo eléctrico en edificaciones y el 60% en industria e infraestructuras. El 25% de la energía mundial se consume en motores y, de ellos, el 85% se dedican al accionamiento de bombas, ventiladores y compresores. En términos generales, el utilización de motores de alta eficiencia –frente a los tradicionales- supone, a lo sumo, ahorros energéticos entorno el 10%. Pero es en la utilización de variadores electrónicos de velocidad donde se focalizan las mayores oportunidades de ahorro: hasta el 50% en muchas aplicaciones. Entre las razones que justifican una posibilidad tan elevada de ahorro de utilizar variadores electrónicos de velocidad en aplicaciones de par variable, bombeos y ventilaciones mayormente, se encuentran:

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El sobredimensionamiento, ya que en el diseño e ingeniería siempre se aplican coeficientes de seguridad (típicamente entre un 20% y un 30%) a la hora de realizar los cálculos, para preveer posibles anomalías, pérdidas o ampliación de las instalaciones, etc. El variador puede situar el punto de trabajo de la bomba en la zona de máxima eficiencia evitando pérdidas que aparecen con la valvulería.

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Las instalaciones no trabajan continuamente al 100% de su capacidad nominal. Conocer el comportamiento del par resistente asociado a la carga de un accionamiento concreto es muy importante para poder evaluar las posibilidades de ahorro energético si se instala un variador. En términos generales, existen dos grupos característicos: par constante y par variable. En el sector del agua, nos encontraremos casi siempre con aplicaciones de par variable, con variación cuadrática del mismo en función de la velocidad y lo que es más importante, variación al cubo en consumo energético respecto a la velocidad. Para hacerse una idea de las posibilidades de ahorro con el empleo de variadores de velocidad, en una aplicación con arranque directo -en la que la regulación de caudal se realiza con válvula de estrangulamiento- una reducción del 20% en el caudal bombeado implicaría, únicamente, una reducción de entorno al 5% en el consumo del motor. Sin embargo, en el caso de esta misma aplicación con un variador de velocidad instalado, una reducción del 20% en el caudal implicaría un ahorro del 20%-30% en el consumo energético del motor. Este hecho puede suponer un ahorro energético anual equivalente a 11.300 € en una aplicación de bombeo con 100Kw de potencia y una altura manométrica de 0.5m. Este valor corresponde al coste del variador seleccionado para la aplicación, con lo que ello implica para el retorno de la inversión: 1 año aproximadamente.

Figura 2.- Software ECO2 (Schneider Electric).

No obstante, también es preciso aclarar que no siempre la aplicación de un variador de velocidad conlleva una disminución de consumo. En esos casos, hay que tener en cuenta que como cualquier otro equipo, lleva asociado unas pérdidas energéticas que, aunque leves (obtienen rendimientos del 97%-98% en muchos casos), son significativas en grandes potencias. MEJORAS EN LA CALIDAD DE LA ENERGÍA Como se ha descrito en el anterior apartado, con los variadores electrónicos de velocidad es posible obtener importantes ahorros energéticos. Estos ahorros son tanto más estratégicos cuanto más elevadas son las potencias que estos controlan. Sin embargo, su utilización conlleva una serie de precauciones a tener en cuenta ligadas, fundamentalmente, a las perturbaciones que estos ocasionan en la red eléctrica a la que están conectados. Más concretamente, podemos clasificarlas en perturbaciones de baja frecuencia (armónicos en las señales de tensión y/o corriente) y de alta frecuencia (señales electromagnéticas conducidas y/o radiadas). De manera general, los variadores electrónicos de velocidad están constituidos por tres etapas básicas: rectificador, bus de corriente continua y ondulador.

Etapa rectificadora, fuente de las perturbaciones de baja frecuencia La etapa rectificadora proporciona, a partir de una red de corriente alterna, una corriente continua con control del valor medio de la tensión. Hoy en día, esta etapa está compuesta por un conjunto de diodos y/o tiristores. Tanto diodo como tiristor son cargas no lineales que provocan la deformación de las señales sinusoidales que los alimentan y, debido a ello, introducen armónicos en la red. Las perturbaciones generadas en la línea de alimentación del variador provocan un incremento en la intensidad eficaz, un deterioro de la distorsión armónica en las ondas de tensión y corriente e, incluso, resonancia en las baterías de condensadores instaladas aguas arriba (si no disponen de inductancias antiarmónico). Debido a estos armónicos, los transformadores que alimentan al variador deben ser pensados para trabajar con cargas no lineales y por lo tanto se les debe asociar una desclasificación. Por regla general, cuanto mayor sea el número de pulsos (recargas del condensador del bus DC por periodo, que es función del número de diodos) utilizados en las etapas rectificadoras menores serán las distorsiones que se introducen en la alimentación; sin embargo, y como es lógico, a mayor número de componentes mayor será el coste de los equipos. Es preciso, por tanto, llegar a un punto de equilibrio. En los variadores más habituales, esta etapa suele ser de 6 pulsos (se ejecuta con 6 diodos o 3 diodos y 3 tiristores para la precarga inicial de los condensadores) o de 12 pulsos. Aunque poco frecuentes hoy en día en España, pero no así en Estados Unidos o Suramérica, son las etapas rectificadoras de 18 pulsos. Pero existen, incluso, variadores con etapas rectificadoras de 24 pulsos en baja tensión o 36 pulsos en media tensión, que ofrecen una distorsión prácticamente nula en su línea de alimentación y que son habituales en aplicaciones de grandes potencias.

En la actualidad, el punto de equilibrio coste/calidad en España se encuentra entre los rectificadores de 6 pulsos y, en potencias superiores a 400Kw, los de 12 pulsos conectados a un transformador de doble secundario resultan la solución más acertada o bien la utilización de variadores de frecuencia de bajo contenido en armónicos. Es recomendable analizar caso a caso la mejor solución. Etapa onduladora, fuente de las perturbaciones de alta frecuencia La etapa onduladora (o inversora) convierte la corriente continua del circuito intermedio en una corriente alterna de tensión y frecuencia variable mediante modulación por ancho de pulsos (PWM). Aunque existen etapas de modulación multinivel, en los equipos con buses de continua en baja tensión se trabaja con etapas de modulación de únicamente dos niveles. La modulación de la tensión que llega al motor se realiza a frecuencias de corte nominal que oscilan entre los 2,5KHz para aplicaciones de bombas y ventiladores y los 16KHz para aplicaciones de alta precisión (asumiendo un elevado estrés en bornes del motor). Esta forma de trabajo genera: •

Corrientes de fuga que son conducidas desde la salida de potencia del variador, a través de los cables y la capacitancia del motor, y generan perturbaciones HF de hasta 30 MHz de frecuencia. Estas perturbaciones (críticas en accionamientos con potencias superiores a los 100kW) generan vibraciones, sobrecalentamientos y desgastes en el motor y sus cojinetes, así como efectos perjudiciales en otras líneas y equipos eléctricos. •

Ondas electromagnéticas de HF que son emitidas a través del ambiente, generando perturbaciones radiadas de hasta 1GHz.

Como primera recomendación de cara a mitigar este tipo de perturbaciones, y de acuerdo con la normativa IEC/EN 60034-1, es muy conveniente que los 3 cables a motor estén en una misma manguera apantallada (o blindada) y que el cable de tierra esté en una independiente (de este modo, las capacitancias de los cables se anulan entre sí). Siendo también recomendable cualquiera de los dos montajes indicados en la figura 3 bien que el PE (cable de protección de tierra) circule por la pantalla.

Figura 3.- Estructuras de cableado variador a motor. Otra acción que contribuye a mitigar estos problemas -y de vital importancia- es la conexión a 360º entre la pantalla de cable al embarrado a tierra del cuadro del variador y, por el otro extremo, en conexión 360º en bornes del motor con la pantalla del cable así como un buena puesta a tierra del conjunto.

La instalación de filtros RFI (acrónimo en inglés de Radio Frequency Interference) en la línea de alimentación del variador, resulta imprescindible para absorber las perturbaciones conducidas y, por consiguiente, las radiadas. Otro aspecto contraproducente es la distancia de conexión variador-motor. Cuanto mayor sea la distancia entre ellos, mayor será la amplificación de las señales a estas frecuencias, amplificación que puede llegar a superar, incluso, la tensión de aislamiento en bornes del motor por el efecto de onda reflejada (dicha amplificación puede llegar a doblar el valor máximo a bajas potencias y a altas potencias rondar 1,7 veces). Es posible minorar este efecto instalando filtros RFI, cable apantallado, inductancias de salida en el circuito de salida del variado y una buena puesta a tierra, conexiónes adecuadas y tirada de cable. Estos filtros de salida o inductancias de motor tienen que ser capaces de disminuir tanto los dv/dt (pendiente de la tensión) como los picos de tensión. Con la instalación de filtros se incrementa la distancia máxima de conexión entre motor y variador. En variadores que trabajan a 400V, es posible llegar a los 400m utilizando estos filtros e, incluso, alcanzar los 600m utilizando dos inductancias en serie. En los que lo hacen a 690V, no conviene sobrepasar los 300m y 400m, y es muy recomendable -y casi obligatorio- el utilizar inductancias de salida si utilizamos motores con aislamiento estándar, ya que en los bornes del motor tendremos 972V (690V*√2) sin carga y alrededor de 690V*1.32 a plena carga lo que hace que esté al límite del aislamiento estándar permitido del motor (1.000V-1.100V).

NORMATIVA La norma IEC 61800-3, en su segunda edición, define varias categorías (C1 a C4) en función de las características del entorno en el que se sitúe el variador de velocidad y, para cada categoría, define una serie de curvas de máxima emisión (dB) por rango de frecuencias que es preciso respetar. En el caso del segmento del agua, es importante destacar que en grandes potencias no existen, a día de hoy, requerimientos (normativa de aplicación) para los variadores con intensidades superiores a 400A o tensiones de alimentación superiores a 1.000V en perturbaciones de alta frecuencia (CEM).

En cuanto a la baja frecuencia, el gráfico adjunto (Figura 5) muestra las diferentes normativas y sus límites en función del entorno en el que se encuentran. Las magnitudes que la normativa de aplicación (IEC 61000-3-12 e IEC 61000-3-2, según potencias) utiliza para limitar el valor de los armónicos de corriente y tensión son la distorsión armónica total (en inglés, Total Harmonic Distortion) en intensidad (THDi) y tensión (THDu), que se calculan según las formulaciones indicadas en la Figura 4.

Figura 4.- Formulación matemática para el cálculo de THDi y THDu.

En instalaciones industriales, la normativa hace referencia al valor de estos parámetros en el punto de conexión de clientes (PCC) con la utility o compañía eléctrica, ya que lo que ocurra aguas abajo normalmente no es de interés para ella y únicamente especifica un THDu < 10% en el PCC.

Figura 5. Esquema resumen de las normativas y recomendaciones actuales

Pero la que sí es mucho más restrictiva es la guía IEEE 519, que en España es únicamente una recomendación (no obstante se aplica, cada vez más, en proyectos de gran envergadura). pero que en Estados Unidos y muchos países de Suramérica es de obligado cumplimiento. Es necesario entender y analizar esta guía antes de implementarla, pues en función de parámetros de la instalación, que viene tabulada por el tipo de red (débil o fuerte), y más en concreto mediante la relación entre la potencia de cortocircuito de la red y la potencia máxima consumida, exige, en los casos más restrictivos, un THDi del 5% y, en los menos restrictivos o redes fuertes, valores de hasta el 20%. En cuanto al THDu debe ser inferior al 5% para sistemas generales para el total de los armónicos e inferior al 3% para cada uno de los armónicos individuales. Por lo tanto, no es siempre necesario llegar a THDi y THDu< 5% (es únicamente el caso más desfavorable para redes débiles). Alcanzar estos valores no es posible únicamente con inductancias y ello hace preciso la aplicación de técnicas adicionales. A menudo, en instalaciones que no están obligadas al cumplimiento de la normativa IEEE 519, al ser mucho más restrictiva se opta por su implementación para evitar problemas futuros. Esa apuesta conlleva una serie de inconvenientes: costes de inversión y costes de mantenimiento de las instalaciones más elevados y con más problemas en términos de tiempo medio entre fallos y rendimientos que hay ocultos tras la recomendación. La IEEE 519 es una buena guía comparativa

pero debemos percatarnos que no ocurre nada en instalaciones con valores un poco más elevados en distorsión armónica y se evitan muchos problemas que aparecen al intentar llegar a los límites de la norma IEEE 519. Por ejemplo, y sin ir más lejos la diferencia entre un THDi inferior al 5% o un THDi inferior al 10% es ínfima en términos de intensidad eficaz que circula por la línea (del orden del 0,1% de diferencia entre los dos casos) y llegar a ese nivel puede ocasionar el doble en coste de inversión y gasto de explotación. SOLUCIONES PARA MITIGAR ARMÓNICOS A la hora de minimizar las perturbaciones debidas a los armónicos, es posible utilizar soluciones a dos niveles, a nivel de variador y a nivel de instalación, pero sin perder de vista la necesidad de lograr el equilibrio óptimo entre armónicos, rendimiento y costes (tanto de inversión como de explotación). A nivel de variador, existen diversas técnicas para optimizar este apartado, entre ellas: •

La tecnología C-Less, que consiste en utilizar condensadores más pequeños de lo normal en el bus de continua. Gracias a ello, la caída de tensión será más suave en la entrada y, por tanto, el THDi será inferior. Como principal inconveniente, este tipo de técnica penaliza la precisión que se obtiene en la actuación.

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La inductancia en la línea entrada o en el bus de continua. A nivel de generación de armónicos es indiferente su situación (igual THDi); suele encontrarse instalada en el bus ya que en ese caso su tamaño es ligeramente inferior, sin embargo, su colocación en la línea de entrada permite además proteger los componentes del rectificador.

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El filtro pasivo, a menudo conocido como circuito LC, sintonizado a cada una de las frecuencias de los armónicos a filtrar. A este respecto conviene conocer que en los variadores con rectificadores de 6 pulsos, los armónicos que predominan son el 5º y el 7º. En los de 12 pulsos, lo hacen el 11º y 13º, y así sucesivamente a razón de h=n*6+/-1 donde n=1,2,3… Entre los inconvenientes de esta solución, mencionar que solo eliminan plenamente el armónico para la carga a la que fueron diseñados, lo cual implica que ante una variación de la demanda no son muy efectivos y pueden no cumplir por ejemplo con la IEEE 519 en todos sus estados. Por supuesto, estos filtros añaden el inconveniente que introducen pérdidas en la red que pueden rondar el 2-3%, cifras en absoluto despreciables cuando hablamos de grandes potencias.

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La tecnología “Low Harmonics Drive” o “AFE” (Active Front End), que consiste en utilizar un puente rectificador activo, es decir, con IGBTs en lugar de diodos, permite obtener valores de THDi inferiores al 5%. Este producto es muy adecuado para trabajar en regeneración de energía o para instalaciones ya existentes donde el transformador ya está instalado. Asocia una serie de contras (además de su superior coste de inversión y explotación), podemos destacar la disminución del MTBF (tiempo medio entre fallos) del variador, por tratarse de una disposición de equipos en serie. Y, además, esta arquitectura conlleva asociada nuevas pérdidas que pueden rondar en muchos casos el 2-3% extra (la modulación de los IGBTs comporta más pérdidas que la rectificación de los diodos). Este hecho, añadido a que el concepto de grandes potencias está estrechamente asociado a continuidad de servicio y bajas pérdidas puede no ser la mejor solución para una instalación nueva a pesar de su buen comportamiento en armónicos.

A nivel de instalación podemos mencionar: •

La selección de rectificadores con mayor número de pulsos (12, 24, 36). Como es de suponer, se trata de una solución más cara pero también una de las más eficientes y naturales. A modo de ejemplo, pasar de un rectificador de 6 pulsos a uno de 12 pulsos en un variador puede implicar pasar de valores de THDi que rondan el 30%-35% a valores que rondan el 6,5%-9,5%. Además, se trata de una solución que no implica pérdidas asociadas ni disminución de MTBF. Es, definitivamente, si se plantea desde el inicio, la solución más aconsejable en cuanto a la relación armónicos/coste inversión-explotación/rendimiento.

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La utilización de filtros activos, conectados en paralelo al embarrado o al variador, que a grandes rasgos monitorizan –mediante transformadores de intensidad- la señal sinusoidal de entrada e inyectan corrientes en contrafase que se encargan de rellenar los huecos de tensión. Con estos dispositivos es posible alcanzar con facilidad valores de THDi inferiores al 5%. Entre las ventajas destacar que, al tratarse de un sistema activo, el filtro se autoajusta ante cambios en la carga. Además, si este filtro fallase el variador podría continuar en operación, a diferencia del AFE que está instalado en serie con el variador. Como inconvenientes, mencionar que su uso conlleva asociadas unas pérdidas que penalizan el sistema.

En la figura 6 se ofrece, a modo de resumen, las diferentes soluciones ofrecidas por Schneider Electric en términos de potencia y THDi a nivel de variador.

Figura 6.- Clasificación de las diferentes soluciones ofrecidas por Schneider Electric para la reducción de THDi a nivel variador.

REQUERIMIENTOS EN VARIADORES PARA GRANDES POTENCIAS

Los variadores electrónicos de velocidad para grandes potencias (a partir de 300Kw) deben tener un diseño y una concepción que se diferencia notablemente, en ciertos aspectos, en relación al diseño de variadores de baja potencia (3-4Kw por poner un ejemplo). •

Una de las más evidentes está relacionada con su baja impedancia de salida. A estos niveles de potencia, un pequeño error (de unos voltios) en la tensión de salida del variador puede suponer una variación de varios cientos de amperios que circulan por el cable, con todo lo que ello supone. Por este y otros motivos, el software asociado a la lógica de control del variador es mucho más complejo y depurado que el utilizado en variadores de pequeña potencia.

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La continuidad en el servicio es un factor clave a tener en cuenta. Y es que estamos hablando de equipos que tienen que trabajar 24 horas al día, durante todo el año, en instalaciones críticas en las que un paro supondría incurrir en unos costes muy elevados.

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El rendimiento del equipo, por pequeñas que sean, pasan a ser muy relevantes. Una pérdida de rendimiento que en otras instalaciones se tiende a ignorar, en estas puede representar mucha potencia disipada y como problema añadido, esta potencia se en calor disipado en el interior de los equipos que será, además, necesario refrigerar. A modo de ejemplo, cada punto porcentual de pérdida extra en un sistema de 1MW supone 10Kw de potencia que, trabajando 24h/día y 365 días/año con un coste de la energía estimado de 13c€/kW, requeriría la no despreciable cantidad de 11.388€/año para evacuar ese calor disipado en la sala con climatización.

En otras ocasiones, si se tienen en cuenta estos criterios desde el diseño, hay otro sistema de evacuar el calor más económico. La refrigeración por agua con circuito cerrado y aislado puede ser una opción. Esta solución permite fabricar equipos más compactos, que ocupan menos espacio y ofrecen la posibilidad de utilizar un armario estanco -sin entrada de aire- que evita uno de los mayores problemas en este tipo de equipos: la entrada de suciedad (polvo, arena…) que provoca cortocircuitos en las placas de potencia. Es, por tanto, una solución muy a tener en cuenta cuando se sobrepasa el umbral de potencia de 700-800kW. El intercambiador aire-agua puede estar situado en la misma sala que el equipo eléctrico o es posible transferir el calor generado a otra sala contigua –o al exterior- por medio de un circuito agua-agua adicional. Con esta técnica se disminuye el gasto en climatización de la sala en la que se encuentra el variador. En el caso de equipos de gran potencia este ahorro puede llegar a suponer varias decenas de miles de euros al año. Schneider Electric Como especialista global en gestión de la energía y con operaciones en más de 100 países, Schneider Electric ofrece soluciones integrales para diferentes segmentos de mercado, ocupando posiciones de liderazgo en infraestructuras y compañías eléctricas, industria y fabricantes de maquinaria, automatización y gestión de edificios, centros de proceso de datos y redes, así como en el sector residencial. A través de su compromiso de ayudar a las personas y a las organizaciones a maximizar el uso de la energía de manera más segura, más fiable y más eficiente; los más de 130.000 colaboradores de la compañía alcanzaron un volumen de negocio de más de 22.400 millones de euros en 2011. En línea con el desarrollo sostenible y la lucha contra el cambio climático, Schneider Electric ha adquirido el compromiso mundial de cumplir más allá de su ámbito de aplicación con la reglamentación europea REACH (Registration, Evaluation, Authorization and restriction of Chemical substances) y la directiva europea RoHS (Restriction of Hazardous Substances) para todos sus productos, servicios y soluciones. En España, Schneider Electric cuenta con 9 centros de producción y un centro logístico de 58.000 m2. Desde su sede de Barcelona, Schneider Electric dirige la actividad del grupo en el territorio EMEAS, que comprende Europa, Oriente Medio, África y América del Sur. www.schneiderelectric.es