Servomotores: Todo lo que siempre quiso saber sobre los servomotores
Elegir el tipo de motor adecuado para su aplicación es un paso importante para garantizar que obtendrá el rendimiento que necesitan sus operaciones. En el mundo del procesamiento industrial, los motores son la fuente de energía que impulsa todo en su planta, por lo que comprender las opciones disponibles para tomar la decisión correcta le ayudará a mantener su instalación funcionando sin problemas.
Dado que muchos procesos de fabricación están cada vez más automatizados, exigen precisión y necesitan repetibilidad, los servomotores son una excelente opción. A diferencia de las bombas hidráulicas o los motores de inducción, que deben permanecer encendidos mientras están en uso, los servomotores se encienden y apagan durante su funcionamiento, lo que se traduce en un consumo de energía significativamente menor, en algunos casos con un ahorro de hasta el 65 %.
Dado que los servomotores están especialmente equipados para recibir entradas de sensores y controladores electrónicos, son excelentes para ejecutar actividades precisas, como las relacionadas con el mecanizado CNC, la robótica industrial y la fabricación automatizada avanzada. Sin embargo, los servomotores también se pueden encontrar en productos comerciales y de consumo, como cámaras y abridores de puertas. En primer lugar, veamos qué es exactamente un servomotor.
Comprender los servomotores síncronos
Un servomotor convencional convierte la energía eléctrica en movimiento giratorio. Para ello, un servomotor suele constar de un estator, que actúa como carcasa, un rotor de imán permanente y un dispositivo de retroalimentación.
El servomotor se fija al bastidor de una máquina o carga que se va a controlar. El estator comprende la característica electromagnética del motor. Cuando la corriente eléctrica fluye a través de sus bobinados de cobre, esa sección del estator genera un campo magnético que produce una fuerza de atracción sobre el rotor.
El rotor es la parte giratoria del motor que se acopla a la carga. Está formado por un eje de salida centrado en una masa de hierro construida con laminados de acero. El rotor está suspendido por un par de cojinetes que sujetan el eje de salida en el centro del estator. El campo magnético del rotor está formado por imanes permanentes incrustados en el rotor.
Cómo funcionan los servomotores
El dispositivo de retroalimentación del motor está ahí para que el controlador del motor pueda saber exactamente lo que está haciendo el motor y cambiar las entradas de control al motor según sea necesario para un funcionamiento adecuado. Cuanto más sensible sea este dispositivo a los cambios mínimos, más preciso será el control del motor.
Se debe aplicar corriente al devanado del electroimán para provocar el movimiento entre los imanes eléctricos y permanentes utilizados en un servomotor típico. Se genera un campo magnético alrededor del conductor que transporta la corriente, cuya polaridad puede invertirse cambiando la dirección del flujo de corriente. El campo magnético inducido por un cable no es suficiente para provocar el movimiento del segundo imán.
A diferencia de las bombas hidráulicas o los motores de inducción, que deben permanecer encendidos mientras están en uso, los servomotores se encienden y apagan durante su funcionamiento, lo que se traduce en un consumo de energía significativamente menor, en algunos casos con un ahorro de hasta el 65 %.
Para amplificar el campo magnético, el cable se enrolla sobre sí mismo varias veces. Al hacerlo, el campo magnético se multiplica por la cantidad de vueltas del conductor en la bobina. Además, el devanado se monta con un centro de hierro, lo que concentra aún más el campo magnético generado. Al hacer pasar corriente a través de una bobina de cable con un centro de núcleo de hierro, se genera un fuerte campo magnético. Una vez que tenemos un campo magnético generado por el electroimán, el imán permanente reacciona a él. La cantidad de fuerza de atracción o repulsión generada por los imanes coincide con la fuerza de los dos imanes.
La creación un campo de atracción lo suficientemente fuerte en el estator hace que el rotor gire hacia ese punto; el movimiento continuo del campo de atracción da como resultado la rotación. La orientación del rotor se sincroniza con la orientación del campo de atracción magnética en el estator, de ahí el nombre de motor síncrono.
Por qué son importantes los sistemas de transmisión
Controlar el campo de atracción magnética en el estator del motor no es tarea fácil. Dado que un motor se controla variando la cantidad de electricidad que se le envía, es necesario tener muy en cuenta qué controla esa energía (y con qué eficiencia).
Los controladores de servomotores que regeneran energía en lugar de descargarla como calor y utilizan transistores de alta eficiencia pueden reducir de manera considerable el consumo eléctrico.
Ahorro mediante la regeneración: Einstein reformuló la primera ley de la termodinámica diciendo: "La energía no se crea ni se destruye, solo se transforma de una forma a otra". Una vez que la energía se ha transferido a un servomotor para que se mueva, esa energía debe ir a algún sitio cuando queremos que el motor se detenga. Los sistemas servo tradicionales liberan esa energía a través de una "resistencia de descarga", convirtiéndola en calor y transmitiéndola al ambiente (donde no aporta valor). Los sistemas servo eficientes regeneran esa energía extrayéndola de los motores y devolviéndola a las líneas de suministro eléctricas para que se vuelva a utilizar. No es raro conseguir un ahorro energético del 30-40 % al pasar de sistemas de descarga a sistemas de regeneración.
Reducción de la pérdida de calor con transistores: El control del campo magnético en el estator se realiza activando una serie de transistores en el controlador del motor. Cuanto más rápido se consiga que los transistores cambien su estado de encendido/apagado (mayor frecuencia), más preciso será el control del motor y más rápido se podrá acelerar el motor hasta la velocidad de funcionamiento. Las frecuencias más altas no solo permiten un control más preciso del motor, sino también un menor consumo de energía, ya que el motor funciona durante menos tiempo. Una posible desventaja es que el ciclo repetitivo de encendido/apagado de los transistores puede generar mucho calor, que aumenta con la frecuencia. Como se ha comentado, el calor es una forma de energía que no resulta muy útil. Los servomotores accionados por amplificadores con circuitos de transistores de baja pérdida reducen esa pérdida de calor al mínimo.
Mejores prácticas para la fiabilidad de los servomotores
Ahora que comprende el funcionamiento de un servomotor y la importancia de su sistema de accionamiento para ahorrar energía, debe asegurarse de que su motor funcione de forma confiable. A continuación se ofrecen algunos consejos para sacar el máximo partido a su motor:
Comprar motores certificados y verificados: antes de comprar un motor, es útil saber cómo se ha probado y para qué entornos y condiciones se ha diseñado. Algunos fabricantes prueban la resistencia de sus motores a: vibraciones, interferencias eléctricas, fugas cuando están sumergidos, penetración de niebla, temperaturas extremas y desgaste prematuro. Los fabricantes de motores con altos estándares rechazarán los diseños que no puedan soportar el equivalente a 30 años de uso en cada una de esas pruebas. Para que los motores tengan éxito en el mundo industrial, deben someterse a las pruebas más rigurosas para garantizar que pueden soportar entornos hostiles y procedimientos de limpieza exigentes. Asegurarse de que el fabricante de motores ha sometido sus diseños a una serie de pruebas de resistencia puede ser determinante para el éxito o el fracaso de una inversión. No basta con impermeabilizar los motores: si las conexiones de los motores y otros equipos no están bien selladas, se producirán fallos en esos puntos. Es posible que recientemente haya comprado un reloj inteligente o unos audífonos que dicen tener la clasificación IP67; ¿qué significa eso y qué tiene que ver con los motores? La norma IEC 60529 define la protección contra la entrada de sólidos y líquidos en un equipo. El primer dígito indica la protección contra sólidos, que va del 1 (protección contra objetos de más de 50 mm, como una mano) al 6 (protección contra partículas del tamaño más pequeño, como el talco). El segundo dígito indica la protección contra líquidos, que va desde 1 (protección contra gotas de líquido que caen verticalmente) hasta 8 (protección incluso durante una inmersión total durante largos periodos de tiempo). En el caso de los relojes inteligentes, son completamente herméticos al polvo y pueden soportar una inmersión de hasta un metro durante 30 minutos. Para obtener la máxima fiabilidad, asegúrese de que sus motores y conexiones tengan, como mínimo, la clasificación IP67.
Flexibilidad en la ubicación de los motores: A menudo, los motores se colocan directamente debajo de la maquinaria. Sin embargo, puede que ese no sea el mejor lugar para garantizar que funcionen como es debido y alcancen su máxima vida útil. Aunque los puntos uno y dos se refieren a la impermeabilidad, si puede evitar colocar su equipo en un lugar donde se vaya a mojar constantemente, ¡hágalo! Los líquidos tienden a ingresar en áreas críticas donde no deberían estar, por lo que, si puede evitar que sus motores se mojen, esa es la mejor opción.
El refrigerante suele ser un mal necesario: el uso de refrigerante implica una gran cantidad de tareas de mantenimiento, pero no realizarlas correctamente puede dar lugar a resultados bastante desagradables. Mantener los niveles adecuados de pH y aireación contribuye en gran medida a evitar que el refrigerante se vuelva cáustico y corroa los materiales protectores, como la pintura y el caucho. Si su refrigerante desprende un olor fuerte y desagradable, puede estar seguro de que el nivel de bacterias es demasiado alto.
Piense en sus operaciones y en lo mucho que le aportan sus motores. Con solo algunas consideraciones sencillas y buenas prácticas, es posible que se ahorre muchos dolores de cabeza y pérdidas económicas.
*Nota: Este artículo, publicado originalmente en la edición de mayo de la revista Processing Magazine, también se puede consultar en línea aquí: https://www.processingmagazine.com/pumps-motors-drives/article/21140461/understanding-servo-motors-and-ensuring-their-reliability
