Motores, variadores y electrónica de potencia

El motor asíncrono trifásico de jaula de ardilla mueve casi todo en la industria: cintas, bombas, ventiladores, compresores. Es robusto y barato, pero hay que saber leer su placa, conectarlo bien, arrancarlo de la forma adecuada y, cada vez más, manejarlo con un variador de frecuencia. Este tema reúne lo que un técnico necesita en el día a día.

La placa de características

Es lo primero que hay que mirar, y manda sobre cualquier cálculo:

• Potencia (kW): la potencia mecánica útil en el eje, no la que toma de la red.
• Tensiones (por ejemplo 230/400 V Δ/Y): con qué tensión de red va en triángulo y con cuál en estrella.
• Intensidades: la nominal para cada conexión. Es el valor al que se ajusta el relé térmico o el guardamotor.
• Velocidad (rpm), frecuencia (50 Hz), cos φ, rendimiento o clase de eficiencia (IE2, IE3…), grado de protección (IP55, por ejemplo) y tipo de servicio (S1 es servicio continuo).

Velocidad: polos y deslizamiento

La velocidad del campo giratorio (velocidad síncrona) depende de la frecuencia y del número de pares de polos:

n = 60 × f / p

A 50 Hz: con 1 par de polos (motor de 2 polos), 3000 rpm; con 2 pares (4 polos), 1500 rpm; con 3 pares (6 polos), 1000 rpm. El rotor gira algo más despacio que el campo, por ejemplo a 1450 rpm en un motor de 4 polos: esa diferencia es el deslizamiento, y es la que permite que el motor haga par. Por eso, para cambiar la velocidad de un motor asíncrono de forma continua hay que cambiar la frecuencia: es lo que hace el variador.

Estrella o triángulo en la caja de bornes

La regla práctica: cada devanado del motor soporta la tensión menor de su placa. Si la placa dice 230/400 V y la red es de 400 V entre fases, el motor va en estrella. Si dice 400/690 V y la red es de 400 V, va en triángulo.

Formas de arrancar

El variador de frecuencia por dentro

Un variador tiene tres partes: un rectificador que convierte la alterna de la red en continua, un bus de continua con condensadores que almacenan energía, y un inversor con transistores (IGBT) que fabrica una nueva alterna de frecuencia y tensión variables mediante modulación (PWM). Para que el motor dé su par a cualquier velocidad, el variador mantiene aproximadamente constante la relación entre tensión y frecuencia.

Parámetros básicos

• Datos de placa del motor: tensión, intensidad, frecuencia, velocidad y potencia. Muchos variadores hacen además una identificación del motor (autoajuste) para controlarlo mejor.
• Rampas de aceleración y deceleración: cuánto tarda en pasar de 0 a la velocidad máxima y al revés.
• Frecuencias mínima y máxima.
• Fuente de órdenes (bornes, bus de comunicaciones) y fuente de consigna (entrada analógica 0–10 V o 4–20 mA, potenciómetro, bus).

Fallos típicos del variador

• Sobretensión en el bus al frenar: al decelerar, el motor actúa como generador y devuelve energía al bus. Si la rampa es demasiado corta para la inercia de la carga, la tensión sube y el variador dispara. Se alarga la rampa o se añade una resistencia de frenado.
• Sobreintensidad: rampa de aceleración muy corta, carga bloqueada o fallo en el motor o el cable.
• Fallo a tierra: aislamiento dañado en el cable o en el motor.
• Sobretemperatura: ventilación del cuadro insuficiente o ventilador del variador sucio.

Instalación de un variador

• Cable de motor apantallado, con la pantalla conectada en los dos extremos con buena superficie de contacto, y separado de los cables de señal. Los variadores generan interferencias que pueden afectar a sensores y comunicaciones.
• Diferencial adecuado: los variadores trifásicos pueden producir fugas de corriente continua lisa, y el fabricante suele pedir un diferencial de tipo B.
• No abrir ni cerrar un contactor entre el variador y el motor con el motor en marcha, salvo que el fabricante lo permita y el variador esté bloqueado: puede dañar la etapa de salida.
• Motores a baja velocidad durante mucho tiempo: el ventilador del eje enfría menos. Puede hacer falta ventilación forzada o protección con sondas térmicas en el bobinado.

Protecciones del motor

• Contra sobrecargas: relé térmico o guardamotor ajustado a la intensidad de placa, o la protección térmica del propio variador configurada con los datos del motor.
• Contra cortocircuitos: magnetotérmico, guardamotor o fusibles.
• Contra sobrecalentamiento real: sondas PTC en el bobinado, que detectan la temperatura del motor aunque la intensidad sea normal (por ejemplo, con un ventilador obstruido).
• Falta de fase: un motor trifásico que pierde una fase sigue girando con más corriente en las otras dos y se calienta. Los relés térmicos y guardamotores modernos la detectan.

Resumen

• La placa manda: potencia útil, tensiones Δ/Y, intensidades, velocidad, cos φ y rendimiento.
• Velocidad síncrona: n = 60 × f / p. A 50 Hz, 3000, 1500 o 1000 rpm según los polos, menos el deslizamiento.
• Cada devanado aguanta la tensión menor de la placa: 230/400 V en red de 400 V va en estrella.
• Arranques: directo, estrella-triángulo (un tercio de intensidad y par), arrancador suave o variador.
• El variador rectifica, almacena en el bus de continua e invierte con PWM. Cuidado con sus condensadores.
• Rampas cortas dan sobreintensidad al acelerar y sobretensión al frenar; la solución es alargar rampas o frenar con resistencia.