Motores con conmutador frente a motores de inducción en aplicaciones industriales

Si hoy en día está buscando un nuevo accionamiento industrial, la opción más segura es un motor de inducción trifásico con un accionamiento moderno. Conmutador Las máquinas siguen siendo importantes, pero principalmente en unidades pesadas heredadas y en algunos nichos en los que la velocidad es fundamental. La mayoría de las plantas invierten su capital en migrar de los cepillos, no en añadir más. Esa es la dirección que apuntan tanto el mercado como los datos de mantenimiento.

Veredicto rápido antes de la larga historia

En entornos industriales, los motores de inducción se convirtieron en el estándar porque son estructuralmente simples, baratos de fabricar en grandes cantidades, tolerantes al maltrato y requieren muy poca atención más allá de los cojinetes y el sistema de refrigeración.

Los motores con conmutador se ganaron un lugar en la historia gracias a su elevado par de arranque, su amplio rango de velocidades y su preciso control del par, mucho antes de que los accionamientos electrónicos de alta potencia se convirtieran en algo habitual. Los accionamientos con conmutador de CC hicieron funcionar laminadoras, máquinas de papel y máquinas herramienta pesadas durante décadas precisamente por ese motivo.

Una vez que los accionamientos de inducción controlados por vector y las máquinas de imanes permanentes se hicieron prácticos y económicos, esa ventaja se redujo. Para la mayoría de las nuevas plantas, las cifras ya no justifican un conmutador, a menos que se trate de resolver un problema concreto y bien definido o de mantener los activos existentes.

¿Qué significa “motor con conmutador” en este contexto?

La frase se utiliza de forma imprecisa, por lo que conviene precisar su alcance y seguir adelante.

Los ingenieros industriales suelen trabajar con tres grandes familias de conmutadores. En primer lugar, los motores de corriente continua clásicos con conmutación mecánica: accionamientos de corriente continua en derivación, en serie, compuestos y de imanes permanentes. Estos accionaban acerías, líneas de papel, bobinadoras y los primeros robots, ya que el control del campo y del inducido proporciona un comportamiento casi lineal entre la velocidad y el par.

En segundo lugar, las máquinas con conmutador de CA, como los motores universales, los motores de repulsión y los antiguos tipos de repulsión-inducción. Son comunes en pequeños dispositivos de alta velocidad y herramientas portátiles en los que se busca un par agresivo y un tamaño compacto, pero se acepta un mayor ruido, una vida útil más corta y una menor eficiencia.

En tercer lugar, máquinas con conmutador de CA más esotéricas, como el motor Schrage: en esencia, una máquina de inducción con rotor bobinado más un convertidor de frecuencia integrado, que utiliza la posición de las escobillas para controlar la velocidad y el factor de potencia. Se trataba de una ingeniosa solución de velocidad variable para accionamientos textiles, de alfombras y similares antes de que los inversores de estado sólido tomaran el relevo.

En el otro lado de la comparación se encuentran los motores de inducción monofásicos y trifásicos. En la industria se utilizan principalmente unidades trifásicas de jaula de ardilla. Actualmente son el tipo de motor predominante en las fábricas de todo el mundo.

Las principales ventajas e inconvenientes que realmente cambian su planta

Par, rango de velocidad y comportamiento dinámico

Si se trazan curvas de par-velocidad para los principales actores, la razón por la que los accionamientos con conmutador de CC eran tan apreciados en las líneas de acero y papel resulta obvia. Con el control del voltaje del inducido y el debilitamiento del campo, los motores de CC ofrecen una amplia región de par constante y una amplia región de potencia constante, con una relación bastante lineal entre el voltaje comandado y la velocidad del eje. Eso hace que el control de la tensión, la velocidad coordinada de la línea y el funcionamiento en cuatro cuadrantes sean casi rutinarios.

Los motores universales y otros tipos similares de conmutadores de CA se sitúan en el extremo opuesto. Su alto par de arranque, su elevada velocidad base y sus límites mecánicos, más que eléctricos, tienden a limitar la velocidad. Tolera ciclos frecuentes de arranque y parada y puede funcionar a pleno rendimiento, por lo que se utiliza en herramientas y aparatos compactos.

Los motores de inducción con frecuencia fija son más limitados. Sin un variador, el rango de velocidad es reducido en torno a la velocidad síncrona, y el deslizamiento proporciona cierta flexibilidad, pero no un rango continuo amplio. Las máquinas de inducción grandes pueden proporcionar un par de arranque aceptable cuando se diseñan para ello, pero para arranques exigentes e inversiones frecuentes necesitan la ayuda de variadores, resistencia del rotor (diseños antiguos de rotor bobinado) o métodos de arranque suave.

Los modernos accionamientos de inducción controlados por vector cambiaron esa situación. Emulan el control de corriente y el comportamiento desacoplado del par/flujo que proporcionaban los accionamientos con conmutador de CC, lo que proporciona una respuesta rápida del par y un amplio rango de velocidades utilizando motores estándar de jaula de ardilla. Desde el punto de vista del ingeniero de control, una máquina de inducción se parece ahora mucho a la antigua opción de CC, especialmente en la región de par constante.

Por lo tanto, en cuanto al comportamiento del par y la velocidad, los motores con conmutador siguen siendo una buena opción, pero los accionamientos han reducido tanto la diferencia que la penalización por la complejidad mecánica empieza a ser determinante.

Pila de control y electrónica de potencia

Históricamente, los variadores de corriente continua con conmutador resultaban atractivos porque los rectificadores y los controles de chopper eran más baratos y fáciles de escalar que los inversores de frecuencia variable de alta potencia. La planta podía mantener un suministro de CA sencillo y concentrar la mayor parte de la sofisticación en un panel de variadores de CC.

Ese argumento ha perdido vigencia. Los inversores IGBT y ahora los basados en SiC, junto con los maduros esquemas de control orientado al campo, hacen que los variadores de CA sean fáciles de especificar y comprar. Un motor de inducción trifásico típico más un VFD estándar es ahora la combinación básica de catálogo para cargas de velocidad constante y variable por igual.

Las máquinas con conmutador de CA, como los motores Schrage, intentaron abordar la velocidad variable antes de la electrónica incorporando el “convertidor” en el rotor y el conmutador, ajustando la fuerza electromotriz inyectada con la posición de las escobillas. Esa solución es intelectualmente ingeniosa, pero mecánicamente delicada. Proporcionaba una variación de velocidad suave y una corrección del factor de potencia, pero con más cobre, más carbono y más elementos que alinear. Las plantas modernas prefieren los engranajes de estado sólido en armarios a los contactos deslizantes dentro del rotor.

Para los nuevos proyectos, la simplicidad de control favorece ahora a las máquinas de inducción: motores estándar, accionamientos estándar, herramientas de diagnóstico estándar. Los motores con conmutador aparecen ahora principalmente donde ya existen accionamientos y armarios de control, y los argumentos comerciales para una conversión completa son débiles.

Fiabilidad y realidad del mantenimiento

La diferencia estructural es evidente. Los motores de inducción no tienen escobillas ni conmutador; el rotor es una jaula de ardilla o un rotor bobinado con anillos colectores solo en casos especiales. Menos puntos de contacto mecánico significan menos superficies de desgaste. Eso se traduce directamente en un menor mantenimiento y intervalos de funcionamiento continuo más largos.

Los motores con conmutador sacrifican esta simplicidad en aras del rendimiento. Las escobillas se desgastan. Los segmentos del conmutador necesitan limpieza, rectificado o mecanizado. Se genera polvo de carbón, ruido mecánico y las escobillas tienen una vida útil limitada que debe programarse dentro de los periodos de parada. Los motores universales añaden además un mayor ruido acústico y vibraciones, lo cual es tolerable en herramientas portátiles, pero menos aceptable cerca de los operarios durante turnos largos.

En una acería o una máquina de papel con grandes motores de corriente continua con conmutador, estas tareas de mantenimiento se aceptan como parte de la propiedad del activo. Muchas de estas instalaciones cuentan con sólidos conocimientos internos sobre el funcionamiento de los cepillos y los conmutadores. Eso suaviza el golpe, pero no lo elimina. Cada parada imprevista por fallo de los cepillos sigue siendo costosa.

Cuando la fiabilidad y el tiempo de actividad tienen un gran peso, y cuando se dispone de varios motores similares en una planta, las máquinas de inducción obtienen una gran ventaja estadística simplemente por tener menos interfaces electromecánicas móviles.

Eficiencia y coste energético a lo largo de la vida útil

Los motores de inducción sin carcasa ya son eficientes, especialmente en su rango de funcionamiento nominal. Los diseños de eficiencia premium y superpremium lo llevan aún más lejos, y la presión regulatoria mantiene esta tendencia.

Los motores con conmutador sufren pérdidas adicionales de cobre y pérdidas de contacto en las escobillas. Los motores universales, en particular, desperdician una parte considerable de la potencia de entrada en forma de calor y ruido, lo que se tolera en máquinas pequeñas de servicio intermitente, pero no es adecuado para el servicio industrial continuo.

Con un variador en el circuito, la comparación se centra en la eficiencia del sistema. Un motor de inducción más un VFD moderno pueden mantener una buena eficiencia en un amplio rango de velocidades, aunque se producen pérdidas por conmutación y filtrado. Los sistemas de conmutador de CC con controles SCR o chopper más antiguos pueden parecer menos favorables una vez que se incluyen las pérdidas del variador, las pérdidas de campo y los mayores requisitos de refrigeración.

En un activo industrial de larga duración que funciona muchas horas al año, unos pocos puntos porcentuales en la eficiencia del sistema marcan una diferencia muy clara en el coste total de propiedad. Esta es una de las razones silenciosas por las que muchas plantas están dispuestas a asumir los trabajos de modernización mecánica y eléctrica para pasar de un conmutador de CC a accionamientos de inducción de CA o síncronos PM.

Seguridad, medio ambiente y cumplimiento normativo

Los cepillos generan chispas y polvo de carbón. En áreas polvorientas, inflamables o que deben mantenerse estrictamente limpias, esto no solo es un inconveniente, sino que puede ser motivo de descalificación. Los accionamientos para áreas peligrosas basados en máquinas de inducción de bajo deslizamiento con carcasas adecuadas y métodos de protección certificados son ahora el patrón estándar.

El ruido es otra preocupación práctica. Los motores universales y muchos otros motores con conmutador producen más ruido mecánico y electromagnético que las máquinas de inducción comparables. Esto es aceptable para herramientas manuales intermitentes, pero supone un problema para el funcionamiento continuo cuando se intenta cumplir los límites de ruido en una planta de producción.

Desde el punto de vista de la compatibilidad electromagnética (EMC), los arcos eléctricos del conmutador pueden inyectar ruido de banda ancha en los instrumentos cercanos. Los modernos variadores de frecuencia (VFD) tampoco son inocentes, pero con prácticas de mitigación bien conocidas (filtros, diseño de cables, conexión a tierra) son más fáciles de controlar que el ruido incontrolado de las escobillas dentro de una carcasa compartida.

Resumen comparativo

Para que el debate sea concreto, la tabla siguiente resume la comparación entre las tres familias principales que suelen ver los ingenieros industriales.

Donde los motores con conmutador aún se ganan su espacio

Si los nuevos motores de inducción son tan atractivos, ¿por qué siguen siendo tan importantes las máquinas con conmutador en los debates industriales? Principalmente porque las plantas no siempre se construyen desde cero.

Todavía existen numerosos accionamientos con conmutador de CC de gran tamaño en las industrias siderúrgicas, papeleras y otras industrias de procesos similares. El tren mecánico y los cimientos que los rodean se construyeron específicamente para esa máquina. Sustituir todo por máquinas de inducción o PM, además de nuevos accionamientos, puede requerir importantes obras civiles, nuevos sistemas de refrigeración y recableado. Cuando el riesgo mecánico es elevado o el tiempo de inactividad resulta costoso, los operadores a veces prefieren mantener el motor de CC y modernizar únicamente la electrónica de potencia y los controles.

También hay casos en los que se requiere una respuesta de par extremadamente rápida y un comportamiento muy preciso a baja velocidad, y el equipo de ingeniería ya domina el control de los accionamientos de CC. Un sistema de conmutador de CC bien mantenido puede seguir funcionando bien en estos casos, aunque ahora se puede alcanzar el mismo nivel de rendimiento con servoaccionamientos de CA o accionamientos síncronos de imanes permanentes en muchos rangos.

En cuanto a la corriente alterna, los motores universales y los tipos de conmutadores similares siguen siendo útiles cuando se necesitan máquinas muy compactas y de alta velocidad a un coste relativamente bajo y con ciclos de trabajo intermitentes. Muchas plantas los aceptan en herramientas manuales, pequeños dispositivos de banco o maquinaria auxiliar, donde el ruido y el mantenimiento son manejables y el coste del tiempo de inactividad es bajo.

Los motores de conmutador de CA Legacy Schrage y otros siguen instalados en algunos variadores de velocidad antiguos. Ahora son activos especializados, que a menudo se mantienen en funcionamiento hasta que una avería grave obliga a tomar la decisión de renovar por completo el variador de CA o retirar esa línea de producción.

Por qué los motores de inducción se convirtieron en la opción industrial predeterminada

Desde el punto de vista de los componentes, un rotor de inducción trifásico de jaula de ardilla es difícil de superar. Se trata de una pila de laminaciones y barras, cortocircuitadas en cada extremo. No hay contactos eléctricos deslizantes, ni conmutador, ni bobinado de campo en el rotor. Esta geometría lo hace duradero y tolerante al maltrato eléctrico y mecánico.

Desde el punto de vista del sistema, estos motores se combinan de forma natural con los variadores estándar. Las empresas eléctricas y las normativas favorecen la distribución de CA. Los fabricantes de variadores de frecuencia, los proveedores de armarios y los proveedores de automatización parten de la base de que los motores de inducción son el punto de referencia. El resultado es un ecosistema que reduce el tiempo de ingeniería y el riesgo del proyecto si se sigue el patrón predeterminado.

Los artículos industriales modernos destacan repetidamente los mismos factores: simplicidad de construcción, durabilidad, bajos requisitos de mantenimiento y buena eficiencia, especialmente a la carga nominal o cerca de ella. Encuestas recientes describen los motores de inducción como la columna vertebral de las operaciones industriales precisamente por estas razones.

Si a esto le sumamos la presión sobre los costes energéticos y los objetivos de descarbonización, la tendencia hacia máquinas síncronas PM o de inducción de alta eficiencia se hace aún más fuerte. Los motores con conmutador conllevan una pérdida mecánica inherente y una carga de mantenimiento que merma estos objetivos.

Decisiones sobre migración: mantener o sustituir los variadores de conmutador

Para los ingenieros que trabajan en plantas existentes, la verdadera pregunta a menudo no es “¿cuál es mejor en teoría?”, sino “¿retiramos ya este motor con conmutador?”.”

Los factores que suelen influir en la decisión no son nada románticos. ¿Con qué frecuencia sustituye las escobillas? ¿Cuánto tiempo de inactividad perdió el año pasado por fallos en el conmutador o en el mecanismo de escobillas? ¿Su equipo de mantenimiento local sigue pudiendo obtener material de calidad para las escobillas y contar con experiencia en el servicio técnico? ¿Qué dificultad entrañaría cambiar la altura del eje, la base y el acoplamiento si se pasara a una máquina de inducción o PM?.

En muchas instalaciones antiguas de accionamientos de corriente continua, los fabricantes de accionamientos ofrecen ahora kits de actualización que conservan el motor, pero sustituyen los antiguos equipos de tiristores y los controles analógicos por sistemas digitales. Esto permite obtener mejores diagnósticos, una mejor limitación de la corriente y un control en red sin tocar el núcleo mecánico, lo que le permite ganar más años con un menor riesgo.

Sin embargo, en algún momento, el coste de las revisiones planificadas, la pérdida de producción por problemas inesperados con los cepillos y la ineficiencia energética superan el coste de una conversión completa a un accionamiento de inducción o PM. El momento en que se produce ese cruce depende de los precios locales de la energía, los márgenes de los productos y las próximas oportunidades de parada, y no de ninguna variable técnica concreta.

Reglas prácticas sin pretender que sean universales.

Si te vieras obligado a elegir utilizando un conjunto de reglas estrictas, podría quedar así, teniendo en cuenta que todas las plantas son complicadas.

Para equipos industriales nuevos, elija un motor de inducción trifásico con un variador de frecuencia (VFD) estándar, a menos que tenga una razón clara y documentada para no hacerlo. Esta combinación cubre la mayoría de los requisitos de velocidad, par y control, desde bombas y ventiladores hasta cintas transportadoras, mezcladoras, extrusoras y ejes de movimiento de precisión moderada.

Utilice motores con conmutador de CC cuando se trate de accionamientos pesados existentes cuya mecánica e integraciones de procesos se hayan construido en torno al comportamiento de la CC y en los que el tiempo de inactividad o las obras civiles necesarias para la conversión sean inaceptables por el momento. Trabaje en la mejora de los accionamientos, la supervisión y las prácticas de mantenimiento en torno a ellos, en lugar de sustituirlos apresuradamente.

Mantenga las máquinas con conmutador de CA, especialmente los motores universales, en los márgenes de su sistema industrial, a menos que esté resolviendo un problema que realmente se beneficie de su alta velocidad y densidad de par y pueda tolerar su ruido y perfil de mantenimiento. Resérvelas para herramientas y máquinas pequeñas en las que un fallo sea un inconveniente, no un incidente que afecte a toda la planta.

Reflexiones finales

En la ingeniería industrial cotidiana, la cuestión de elegir entre un conmutador o un motor de inducción no es tanto una cuestión de teoría como de riesgo, tiempo de inactividad y la competencia que ya tiene su equipo interno.

Los motores de inducción, respaldados por modernos accionamientos, ofrecen una respuesta aburrida a la mayoría de las preguntas, y eso es exactamente lo que muchas plantas quieren: una solución que siga funcionando con un mantenimiento mínimo. Los motores con conmutador siguen siendo rentables cuando los activos heredados o las necesidades de rendimiento muy específicas justifican la complejidad mecánica adicional. La labor del ingeniero es saber en qué situación se encuentra realmente, y no solo qué ficha técnica parece mejor.