Dimensionamiento de sistemas motor-variador: Evite sub- o sobredimensionamiento para rendimiento óptimo

El dimensionamiento adecuado es un aspecto crucial de la selección de motores. Si un motor está subdimensionado, no podrá controlar la carga, llevando a sobreimpulso y resonancia.

El sobredimensionamiento de un sistema es tan malo como el subdimensionamiento – puede controlar la carga pero también será más grande y pesado, así como más caro en términos de precio y coste de operación. Puede que no quepa físicamente y ciertamente costará más. Usará más espacio valioso en un armario de control o en la planta.

Qué considerar al comprar un motor

Con demasiada frecuencia, los proveedores simplemente reciben una llamada pidiendo un motor de cierta potencia. El ingeniero puede estar comprando un motor del mismo tamaño que el de una plataforma anterior. Puede haber añadido un margen de seguridad generoso para compensar cambios. Puede haber usado una relación de 10:1 o 5:1 de carga e inercia a inercia del motor – o alguna mezcla de lo anterior.

El objetivo debería ser especificar un motor que proporcione la velocidad, aceleración y par requeridos para posicionar la carga en la ubicación designada y el tiempo deseado. Puede incluir un margen de seguridad diseñado para compensar variación motor-a-motor o cambios esperados en la condición de funcionamiento de la máquina. El margen de seguridad debería añadirse sobre un cálculo informado, sin embargo.

Un error común es elegir un motor con par de servicio continuo igual al requisito máximo de par de la aplicación (típicamente visto durante aceleraciones/desaceleraciones extremas). Las aplicaciones de control de movimiento frecuentemente consisten en movimientos breves y rápidos. Elegir un motor dimensionado para generar este par continuamente significa esencialmente pagar por más motor del necesario.

Dimensionamiento motor-variador

Para dimensionar efectivamente el motor, es necesario calcular la inercia de carga (JL). La relación de inercia de carga a inercia del motor (esencialmente, inercia del rotor) da una medida de qué tan efectivamente el motor puede controlar la carga. Una alta relación de inercia indica un sistema que tendrá dificultad controlando la carga. Una baja relación de inercia (ej. 4:1 o 1:1) indica que el motor hará un trabajo muy efectivo controlando la carga, pero también revela que el motor puede estar sobredimensionado para el sistema.

A menudo, los diseñadores incluyen la carga real, la caja de engranajes y el motor, pero dejan fuera correas, poleas y otras cosas mecánicas de la ecuación. Simplemente pasan al siguiente tamaño mayor o usan el mismo tamaño de bastidor pero uno que produce más par. De ahí viene todo el enfoque de 10% de sobredimensionamiento.

El proceso de selección involucra la recolección de datos seguida de análisis detallado. Requiere conocimiento del sistema mecánico, parámetros de operación y circunstancias bajo las cuales el equipo será usado. También debe incluir detalles del entorno de operación, pues si no se consideran en etapa temprana, el sistema seleccionado puede no ser adecuado.

Inercia – la tendencia de un objeto a resistir cambios en aceleración – es uno de los desafíos primarios en el control de movimiento. El motor necesita poder aplicar fuerza suficiente (en sistema lineal) o par (en sistema rotacional) para cambiar la aceleración de la carga y hacerlo de forma controlada.

Las principales restricciones a considerar durante el procedimiento de dimensionamiento se resumen así:

• Par pico
• Par RMS
• Velocidad máxima
• Curvas velocidad-par del motor

Además, dos regímenes de aplicación necesitan considerarse:

• Aplicación de servicio continuo
• Aplicación de servicio intermitente

La diferencia entre estos dos regímenes puede ilustrarse con un torno. El accionamiento del husillo de un torno es una aplicación de servicio continuo, ya que funciona a velocidad constante bajo carga constante; los accionamientos de ejes son una aplicación de servicio intermitente, debido a la aceleración y desaceleración requerida para seguir la trayectoria de herramienta requerida.

Velocidad y motores

Los accionamientos de robots y herramientas de máquina cambian continuamente de velocidad para generar el perfil de movimiento requerido. La selección de la relación de engranaje y su relación con el par generado del motor necesita ser considerada plenamente. Si la carga debe operar a velocidad constante, o par, la relación de engranaje óptima puede determinarse. En la práctica, casos a considerar incluyen aceleración con y sin par de carga aplicado externamente y los efectos de inercias de carga variables.

Un conocimiento del rango de velocidad requerido de la carga y una estimación inicial de las relaciones de engranaje requeridas permitirá estimar la velocidad pico del motor. Para prevenir que el motor no alcance su velocidad requerida, debido a fluctuaciones en el voltaje de suministro, la velocidad máxima requerida debería aumentarse por un factor de 1.2. Este factor es satisfactorio para la mayoría de aplicaciones industriales, pero puede refinarse para una aplicación especial, por ejemplo cuando el sistema debe operar desde un suministro restringido como en aplicaciones tan diversas como aeronaves y plataformas petrolíferas offshore.

Voltaje

Como la velocidad pico de un motor depende del voltaje de suministro, periodos de bajo voltaje necesitan considerarse. Como guía, un variador normalmente se dimensiona para que pueda funcionar a velocidad pico al 80% del voltaje nominal de suministro. Si un sistema se alimenta de un suministro vulnerable a caídas de tensión o apagones, se debe tener considerable cuidado para asegurar que el variador, su controlador y la carga estén protegidos de daño; esto es particularmente agudo con sistemas de microprocesador, que, si no están configurados adecuadamente, pueden bloquearse o reiniciarse sin aviso, llevando a una posible situación catastrófica.

Donde el rendimiento de aceleración es lo más importante, la inercia del motor debe añadirse a la inercia de carga reflejada, y el par requerido para acelerar esta inercia total a la tasa requerida debe determinarse. Una combinación motor-variador será necesaria con capacidad de par pico de al menos 1.5 a 2 veces este valor para asegurar capacidad de par suficiente.

El par pico de la combinación motor-variador debe exceder, por un margen seguro de al menos 15%, la suma del par de fricción estimado más par de aceleración más cualquier par de carga continua presente durante la aceleración. Si esto no es alcanzable, se requerirá un motor diferente o la relación de engranaje.

En máquinas de muy alto rendimiento, la última generación de variadores con auto-ajuste puede compensar muy efectivamente resonancias y vibraciones de máquina, soportando rendimiento preciso incluso a velocidades muy altas. La compatibilidad electromagnética tiene una influencia considerable en el diseño y aplicación de un sistema.

Componentes de transmisión de potencia

Los requisitos mecánicos del motor deben identificarse en etapa temprana en el procedimiento de dimensionamiento y selección. Ítems frecuentemente pasados por alto incluyen restricciones dimensionales y de orientación resultantes del diseño mecánico.

Si estos pueden identificarse temprano, puede prevenirse rendimiento insatisfactorio una vez instalado el equipo. En particular, si el motor se monta en posición vertical, pueden requerirse calzos especiales o precargas de rodamientos.

En la determinación de los requisitos del variador, los pares de fricción son quizás el aspecto más difícil del procedimiento de dimensionamiento de motor.

Rodamientos

En el caso de un eje rotativo, un rodamiento es el método de soporte más usado. Hay muchos tipos disponibles, de los cuales el más común es el de rodillos y bolas.

Cajas de engranajes (Gearboxes)

Un tren de engranajes convencional está compuesto por dos o más engranajes para cambiar la velocidad angular y par entre un eje de entrada y salida. Las cajas de engranajes proporcionan una herramienta importante para gestionar inercia. Una caja de engranajes reduce la inercia por el cuadrado de la relación de engranaje. La contrapartida es que las cajas de engranajes también reducen la velocidad del motor. La mayoría de motores servo operan a velocidades entre 2000 y 6000 rpm, lo que les permite operar a velocidad útil incluso cuando se usan con una caja de engranajes de alta relación de reducción.

Engranajes rectos o helicoidales se emplean normalmente en trenes de engranajes convencionales. El engranaje recto tiene la ventaja de producir fuerza axial mínima, reduciendo el problema de cualquier movimiento de los rodamientos del engranaje.

Los engranajes helicoidales se usan ampliamente en sistemas robóticos ya que dan una relación de contacto mayor comparada con engranajes rectos para la misma relación de cambio de velocidad, la penalización siendo carga axial del engranaje.

Los factores limitantes en la transmisión por engranajes son la rigidez de los dientes del engranaje, que puede maximizarse seleccionando el diámetro de rueda de engranaje más grande práctico para la aplicación, junto con minimizar el juego o movimiento perdido entre engranajes individuales.

Husillos de plomo y de bolas

En un husillo de plomo, hay contacto directo entre el husillo y la tuerca, lo que lleva a fricción relativamente alta y por tanto accionamiento ineficiente. Para aplicaciones de precisión, se usan husillos de bolas debido a su baja fricción y por tanto buena respuesta dinámica.

Un husillo de bolas es idéntico en principio a un husillo de plomo, pero la potencia se transmite a la tuerca via rodamientos de bolas lineales, en la rosca de la tuerca.

Transmisión por correa

El uso de una correa dentada o cadena es un método efectivo de transmisión de potencia entre motor y carga, manteniendo aún el sincronismo.

En la aplicación de accionamiento lineal, los mismos procedimientos aplicados a husillos de plomo y bolas pueden aplicarse a una transmisión por correa.

Una referencia muy buena sobre dimensionamiento de motores puede encontrarse en la web en:
https://www.electricmotors.com/sizing.html