Si se dimensiona la fuente de alimentación por debajo de lo necesario, el servoaccionamiento entrará en fallo por subtensión en cuanto el eje acelere. Si la energía regenerativa no tiene dónde ir, el sistema entrará en fallo por sobretensión en cuanto el eje desacelere.
Entre esos dos modos de fallo se encuentra un procedimiento de dimensionamiento basado en cuatro valores: la corriente continua que consume realmente la aplicación, la corriente máxima que consume en breves ráfagas, la tensión de salida que necesita el motor a velocidad máxima y la energía que fluye de vuelta a través del variador cuando la carga reduce su velocidad.
Esta guía repasa los cuatro conceptos, con un ejemplo completo resuelto utilizando hardware real.
Objetivo
Determina la intensidad nominal continua, la capacidad de soporte de corriente máxima, la tensión de salida y la capacidad de regeneración que necesita una fuente de alimentación de corriente continua para hacer funcionar de forma fiable un eje servo determinado, sin pagar por un margen que la aplicación nunca va a utilizar.
¿Qué información necesitas antes de elegir la fuente de alimentación adecuada?
Antes de tomar las medidas, reúne lo siguiente:
- La corriente nominal continua, la corriente máxima y el rango de tensión de alimentación de CC del servoaccionamiento, según su ficha técnica.
- La constante de par (Kt) y la constante de fuerza electromotriz de retorno (Ke) del motor.
- Perfil de movimiento de la aplicación: el par y la duración de cada fase —aceleración, marcha a velocidad constante, desaceleración y parada—.
- La inercia total transmitida al eje del motor, incluida la carga, corregida en función de cualquier relación de transmisión por engranajes o correas.
- Tanto si el eje desacelera una inercia considerable como si soporta una carga de reaceleración. Los ejes verticales, la indexación rápida y las grandes masas giratorias hacen que la regeneración sea un factor de diseño fundamental, y no una mera nota al margen.
Cómo se reparten el trabajo el «Drive» y el «Supply»
Los servoaccionamientos diseñados con una entrada de tensión de alimentación de corriente continua —entre los que se incluyen las familias AxCent™, DigiFlex® Performance™ y FlexPro® de AMC— no rectifican la alimentación trifásica de red en la propia placa. La fuente de alimentación es un componente independiente, que se especifica por separado.
La ficha técnica del variador indica un rango de tensión de alimentación de CC (por ejemplo, 10-80 VCC en muchos de los servovariadores compactos de AMC) y los valores nominales de corriente continua y de pico; la función de la fuente de alimentación es mantener la tensión dentro de ese rango al tiempo que suministra la corriente que necesita la aplicación, incluida la que se devuelve durante la desaceleración.
Hay dos arquitecturas de suministro que cubren la mayor parte de este ámbito, y la elección entre ambas supone un verdadero dilema.
| Característica | Sin regulación (p. ej., la serie AMC PS16) | Regulado (p. ej., AMC PFC2400W375) |
|---|---|---|
| Potencia de salida bajo carga | Mide las caídas de tensión con consumo de corriente y supervisa la tensión de la línea de entrada | Se mantiene prácticamente constante independientemente de las variaciones de carga y de línea |
| Energía renovable | No admite corriente inversa; requiere un regulador de derivación externo | Puede incluir un regulador de derivación integrado |
| Coste/complejidad relativa | Inferior | Más alto |
| El más adecuado | Máquinas de un solo eje o de pocos ejes con una regeneración modesta y predecible | Sistemas multieje, amplia variedad de líneas o alto rendimiento regenerativo |
Los pasos que se indican a continuación te ayudarán a determinar cuál es el más adecuado.
Paso 1 — Determinar la demanda de corriente continua
La corriente nominal continua de la fuente de alimentación debe cubrir la corriente eficaz que consume la aplicación a lo largo de un ciclo de movimiento completo, y no la corriente nominal continua del variador, que solo coincide con esa cifra si la aplicación hace funcionar el variador a su potencia nominal máxima.
La guía de dimensionamiento de servomotores de AMC utiliza un método RMS para calcular el par del motor; este mismo método se aplica directamente a la corriente.
IRMS = √[ (I12t1 + I22t2 + … + In2tn) / (t1 + t2 + … + tn) ]
In = corriente durante el segmento de movimiento n (A); tn = duración del segmento n (s)
Consideremos una junta giratoria de un solo eje accionada por un servomotor sin escobillas con Kt = Ke = 0,09 N·m/A (aproximadamente 9,4 V por kRPM), una inercia reflejada total de 2,0×10⁻⁴ kg·m² y una velocidad máxima de 5.000 RPM (523,6 rad/s). El perfil de movimiento es el siguiente: aceleración a 1,4 N·m, funcionamiento a 0,35 N·m, desaceleración a 1,4 N·m y, a continuación, parada.
A 1,4 N·m frente a 2,0×10⁻⁴ kg·m², la aceleración angular es de 7.000 rad/s², por lo que alcanzar los 523,6 rad/s desde el reposo lleva 75 ms —y lo mismo ocurre con la desaceleración—. Si se añade un segmento de marcha de 150 ms y una pausa de 400 ms, el ciclo pasa a ser de 700 ms, es decir, aproximadamente 1,4 Hz.
Conversión del par en corriente mediante la fórmula I = T/Kt: 15,6 A durante la aceleración y la desaceleración, 3,9 A durante la fase de marcha y 0 A en reposo.
IRMS = √[(15,6² × 0,075 + 3,9² × 0,15 + 15,6² × 0,075) / 0,7] ≈ 7,4 A
Esos 7,4 A —y no los 10 A de corriente continua nominal de la unidad— son la cifra que debe cubrir la corriente continua nominal de la fuente de alimentación.
Paso 2 — Determinar la demanda máxima de corriente
La corriente máxima es la corriente instantánea más alta del perfil; en este caso, los 15,6 A durante la aceleración y la desaceleración. A diferencia de la corriente continua, la fuente de alimentación no tiene que suministrar ese pico de forma indefinida: los variadores DigiFlex® Performance™ de AMC limitan la corriente de pico en función de la carga, permitiéndola durante un intervalo determinado antes de volver a la corriente nominal continua (véase la Nota de aplicación 003 de AMC, «Recuperación de la corriente de pico»). Lo que la fuente de alimentación sí necesita es un margen suficiente para que la tensión del bus no se desplome durante ese intervalo: una impedancia de la fuente de alimentación insuficiente o los tendidos de cable demasiado largos provocan una caída en el bus bajo carga máxima, incluso cuando la corriente nominal está técnicamente disponible, y el variador interpreta una caída en el bus como subtensión.
Las propias directrices de selección de variadores de AMC recomiendan una capacidad de corriente al menos 25% superior a la que se espera que consuma la aplicación, tanto para el variador como para la fuente de alimentación. Frente a 7,4 A continuos y 15,6 A de pico, un variador con una potencia nominal de 10 A / 20 A — el DigiFlex® Performance™ DPRALTE-020B080 de AMC — supera con creces ese requisito, con un margen de 35% y 28%, respectivamente.
Paso 3 — Selecciona la tensión de salida
La tensión de salida viene determinada por la fuerza electromotriz inversa (FEM) del motor a velocidad máxima, y no por el valor nominal máximo del variador. A medida que el motor gira más rápido, la tensión que genera aumenta linealmente con la velocidad; la alimentación debe mantenerse por encima de esa tensión con un margen suficiente para que el bucle de corriente del variador siga regulando la corriente, o el eje perderá par y control de velocidad justo donde la aplicación suele necesitarlo más.
Vbemf,máx. = Ke × ωmáx.
Ke = constante de fuerza electromotriz inversa, V/(rad/s); ωmáx = velocidad máxima del motor, rad/s
Para el motor del ejemplo: Vbemf,max = 0,09 × 523,6 = 47,1 V.
Las directrices de selección de convertidores de AMC también exigen un margen de 25% entre la tensión de funcionamiento prevista y los límites de subtensión y sobretensión. Aplicado al umbral mínimo de la fuerza contraelectromotriz (FCE): Vbus,min = 1,25 × 47,1 V ≈ 58,9 V. Una fuente de alimentación de 72 VCC —el modelo PS16H72 de AMC, un modelo no regulado, aislado por transformador y con una intensidad nominal continua de 11 A — supera ese umbral mínimo con un margen de 53% por encima de la fuerza contraelectromotriz bruta, y se sitúa holgadamente dentro del rango nominal de 20-80 VCC del DPRALTE-020B080.
Sin embargo, eso deja solo un margen de unos 10% por debajo del límite máximo de 80 V del accionamiento, y la fuerza electromotriz contraria no es lo único que hace subir la tensión del bus. La desaceleración también lo hace, lo cual es el siguiente problema que hay que tener en cuenta.
Paso 4 — Dimensionamiento para la energía renovable
Cada evento de desaceleración devuelve la energía cinética de la carga a través del variador y al bus de corriente continua. Una fuente de alimentación no regulada no tiene vía para absorberla —no está diseñada para disipar corriente inversa—, por lo que, al no haber ningún lugar al que pueda ir esa energía, la tensión del bus aumenta hasta que el variador entra en fallo por sobretensión o, en el peor de los casos, los condensadores del bus se ven sometidos a una sobrecarga.
Eregen = 0,5 × Jtotal × (ωi2 − ωf2)
Jtotal = inercia reflejada en el eje del motor, kg·m²; ωi, ωf = velocidad angular antes y después de la desaceleración, rad/s
Para el eje del ejemplo, al desacelerar desde 523,6 rad/s hasta la parada: Eregen = 0,5 × 2,0×10⁻⁴ × 523,6² ≈ 27,4 J por evento.
Con una frecuencia de ciclo de 1,4 Hz del perfil, eso equivale a una potencia regenerativa media de unos 39 W (27,4 J × 1,4 eventos/s). Una solución basada en resistencias necesita, para funcionar de forma continua, un regulador en derivación dimensionado para ese valor medio —y no solo para el pico instantáneo—.
El regulador en derivación SRST80 de AMC tiene un límite máximo de 80 VCC —adaptado al máximo nominal del DPRALTE-020B080— y está clasificado para una disipación continua de 95 W. La carga media de 39 W del ejemplo utiliza bastante menos de la mitad de esa capacidad, lo que deja margen para ciclos más rápidos o una inercia mayor que en el caso de diseño nominal.
Esta es también la verdadera protección contra la falta de margen de tensión del Paso 3: el regulador en derivación limita la tensión del bus a un valor conocido antes de que alcance el límite de sobretensión del variador, en lugar de depender únicamente del margen de tensión.
Paso 5: adaptar la regulación de la alimentación a la aplicación
Una fuente de alimentación no regulada junto con un regulador de derivación externo —la combinación PS16H72/SRST80 mencionada anteriormente— es una solución habitual y rentable para máquinas de un solo eje o de pocos ejes con un perfil de regeneración limitado y predecible. Sin embargo, su salida varía en función de la carga y de la tensión de la línea de entrada: una línea alta de 10% eleva aún más el bus 10% antes incluso de que se considere la regeneración, y eso debe tenerse en cuenta en la comprobación del margen de tensión del paso 3, sin tratarlo como un margen independiente.
Una fuente regulada, como la PFC2400W375 de AMC, mantiene la tensión de salida prácticamente constante ante variaciones de carga y de red, y su regulador en derivación integrado y su corrección del factor de potencia absorben la energía de regeneración y reducen los armónicos de la corriente de entrada sin necesidad de añadir ningún componente adicional. Esa capacidad tiene un coste adicional y añade una complejidad que la mayoría de las aplicaciones de un solo eje no necesitan. Resulta rentable cuando la variación de la tensión de red es amplia, cuando varios ejes comparten un mismo bus y sus eventos de regeneración pueden solaparse, o cuando el contenido armónico es importante para la calidad de la energía de la instalación.
Los cables que conectan la fuente de alimentación y el variador provocan su propia caída de tensión en condiciones de corriente máxima; los cables largos o de sección insuficiente reducen los márgenes calculados anteriormente de forma tan directa como lo haría una fuente de alimentación de sección insuficiente.
Paso 6 — Comprobar la corriente de arranque y la carga del bus compartido
La capacitancia del bus de corriente continua presenta una carga de baja impedancia durante el encendido; comprueba la capacidad de la fuente de alimentación para soportar la corriente de arranque —o añade un circuito de precarga— antes del primer encendido, y no después de que se haya disparado un interruptor en la planta de producción.
Cuando varios variadores comparten una misma fuente de alimentación, la corriente continua debe dimensionarse como la suma de la demanda RMS de cada eje; en este aspecto no hay atajos. La corriente máxima depende más de la aplicación concreta: se debe dimensionar en función de la suma de los picos, a menos que la secuencia de movimiento verificada descarte la aceleración simultánea, en cuyo caso algunos diseños aplican un factor de diversidad; se trata de una decisión discrecional, no de una suposición por defecto.
Verificación
Seguridad: Al realizar pruebas en un bus de CC bajo tensión, se deben aplicar las precauciones estándar de descarga del bus y de bloqueo y etiquetado. Antes de establecer contacto, compruebe que la tensión del bus se encuentre dentro de los límites de seguridad, tal y como se indica en el manual de hardware del variador.
Confirma el dimensionamiento en el banco de pruebas antes de pasar a producción. Mide la tensión del bus de CC en los terminales del variador durante el evento de corriente máxima en el peor de los casos; debe mantenerse por encima de la tensión nominal mínima del variador con un margen adecuado. Mídala de nuevo a la velocidad máxima solicitada bajo carga, para confirmar que el margen de la fuerza contraelectromotriz se mantiene en la práctica, y no solo sobre el papel. Si el diseño incluye un regulador de derivación, supervise su ciclo de trabajo o la temperatura de la carcasa durante un funcionamiento continuo representativo; un regulador que se caliente en exceso o que funcione de forma casi continua indica que es necesario revisar el cálculo de la regeneración.
Solución de problemas relacionados con consumibles de tamaño inadecuado o incompatibles
Las características de la falla apuntan a una fase concreta del dimensionamiento:
| Síntoma | Causa probable | Corregir |
|---|---|---|
| Fallos del variador por subtensión durante la aceleración | El consumo máximo de corriente hace que la tensión del bus descienda por debajo del valor mínimo nominal del variador; la fuente de alimentación o el cableado no pueden soportar la carga. | Vuelve a comprobar los valores nominales de corriente continua y de pico de la alimentación según los pasos 1 y 2; acorta o aumenta el tamaño de los cables de alimentación; añade capacitancia al bus local. |
| Fallos del accionamiento por sobretensión durante la desaceleración | La energía renovable no tiene adónde ir; un suministro no regulado no puede absorber la corriente inversa | Añade o modifica el tamaño de un regulador de derivación siguiendo el paso 4; comprueba su tensión de bloqueo con respecto a la tensión máxima nominal del variador. |
| El eje pierde par o la velocidad se satura al acercarse a la velocidad máxima | El margen de tensión del bus respecto a la fuerza contraelectromotriz es insuficiente a velocidad máxima | Vuelve a calcular Vbemf,max según el paso 3; selecciona una tensión de salida de la fuente de alimentación más alta o reduce el objetivo de velocidad máxima. |
| La fuente de alimentación se sobrecalienta o se activa la protección térmica durante el funcionamiento continuo | En la fase de dimensionamiento se subestimó el consumo de corriente continua/RMS. | Vuelve a calcular el IRMS según el paso 1 a partir del perfil de movimiento real, y no de la velocidad máxima nominal del variador. |
| Los fallos molestos solo aparecen tras un tiempo de funcionamiento prolongado | La potencia de la fuente de alimentación se ha calculado a temperatura ambiente; su potencia nominal se reduce con el calor ambiental o el del recinto. | Comprueba la curva de potencia de salida en función de la temperatura ambiente de la fuente de alimentación; mejora la ventilación de la carcasa o utiliza una fuente de alimentación de mayor potencia. |
Cómo elegir el hardware de AMC según las cifras
El ejemplo práctico anterior utiliza tres componentes AMC reales y compatibles: un servoconvertidor DigiFlex® Performance™ DPRALTE-020B080 (10 A continuos / 20 A de pico, 20-80 VCC), una fuente de alimentación no regulada PS16H72 (72 VCC, 11 A continuos, con aislamiento por transformador) y un regulador en derivación SRST80 (tensión máxima de 80 VCC, disipación continua de 95 W). Cada cifra del cálculo se corresponde con una especificación de una ficha técnica real; la fiabilidad del procedimiento de dimensionamiento depende exclusivamente de dicha verificación.
En el caso de sistemas de mayor potencia o multieje, en los que las variaciones de la red eléctrica o los eventos de regeneración superpuestos suponen un verdadero problema, el PFC2400W375 de AMC —una fuente regulada con corrección del factor de potencia y regulador de derivación integrado, con una potencia nominal de 375 VCC a 2,4 kW en continuo— resuelve aquellos casos en los que las desventajas de una fuente no regulada dejan de ser aceptables. La elección entre ambas opciones se reduce a determinar qué conjunto de compensaciones del paso 5 se adapta mejor a la aplicación concreta que se tenga entre manos.
Conclusión:
El dimensionamiento de la fuente de alimentación para un servoconvertidor se reduce a cuatro comprobaciones —corriente continua, corriente máxima, margen de tensión respecto a la fuerza contraelectromotriz y destino de la energía regenerativa— que deben contrastarse con los valores reales de la ficha técnica, en lugar de con los valores máximos nominales del convertidor. Si se omite cualquiera de estas cuatro comprobaciones, la fuente de alimentación será el primer componente en fallar.
