Por qué un motor con variador necesita una resistencia de frenado

Cuando el motor se convierte en generador

Un variador de frecuencia controla la velocidad de un motor de inducción imponiendo la frecuencia de la tensión que le aplica. Para frenar, reduce esa frecuencia. Si la carga tiene inercia, el rotor gira durante un tiempo más deprisa que el campo del estátor y el motor pasa a funcionar como generador: produce par de frenado y devuelve energía hacia el variador. Con un motor de imanes permanentes ocurre lo mismo.

No solo pasa al decelerar. También con cargas arrastrantes, las que empujan al motor en lugar de oponerse: bajar una carga con un polipasto, una cinta transportadora en pendiente, un desbobinador que mantiene tensión o un volante de inercia que se detiene.

Adónde va la energía: el bus de continua

Un variador típico tiene tres etapas: un rectificador de diodos que convierte la alterna de la red en continua, un bus de continua con condensadores y un inversor de transistores que fabrica la alterna de frecuencia variable para el motor. Con una red de 400 V, el bus trabaja a unos 540⁠–⁠560 V.

Los diodos solo dejan pasar la energía en un sentido, así que la que llega del motor no puede volver a la red: se acumula en los condensadores y su tensión sube. Su capacidad de almacenamiento es pequeña. Un bus de 1 mF que sube de 560 a 780 V absorbe menos de 150 J, mientras que detener una máquina con inercia puede suponer decenas de kilojulios. En segundos se llega al disparo por sobretensión, que en equipos de 400 V suele estar en torno a 800⁠–⁠850 V. El variador corta la salida y el motor queda girando libre, sin control.

Muchos variadores pueden alargar la rampa automáticamente para evitarlo, pero eso solo sirve si no importa cuánto tarde en parar.

El chopper de frenado

La solución clásica es un chopper de frenado: un transistor que conecta una resistencia entre los dos polos del bus cuando la tensión supera un umbral, típicamente entre 700 y 800 V en equipos de 400 V, según el fabricante y el ajuste. El transistor conmuta a alta frecuencia, la resistencia convierte el exceso de energía en calor y la tensión del bus queda acotada. Muchos variadores pequeños y medianos llevan el chopper integrado y solo necesitan la resistencia externa; en potencias mayores se añade un módulo aparte.

Dos detalles de seguridad: la resistencia se calienta mucho, a veces a cientos de grados, y debe montarse ventilada y lejos de cables y materiales sensibles; y conviene un termostato en la resistencia que abra el contactor de entrada si el transistor falla en cortocircuito y la deja conectada permanentemente.

Cómo dimensionar la resistencia

• Energía de cada frenada: la cinética de las masas que se detienen, ½·J·ω², más la potencial si se baja una carga. Ignorar las pérdidas del motor y del variador deja un margen de seguridad.
• Potencia de pico: con par de frenado constante, es máxima al empezar a frenar, igual al par por la velocidad angular.
• Valor óhmico: debe ser lo bastante bajo para absorber ese pico, R ≤ U²/P con U la tensión del umbral, pero nunca inferior al mínimo que indica el fabricante, que protege al transistor de una corriente excesiva.
• Ciclo de trabajo: la potencia media es la energía por frenada dividida entre el tiempo del ciclo. Los fabricantes de resistencias dan una potencia continua y la capacidad de sobrecarga durante un tiempo, a menudo expresada como porcentaje de un ciclo de referencia.

Un ejemplo orientativo: una carga con una inercia de 2 kg·m² a 1.500 rpm que debe pararse en 2 s acumula unos 24,7 kJ. El pico de potencia ronda los 25 kW y la media durante la frenada, unos 12 kW. Con un umbral de 780 V, la resistencia debe ser de 24 Ω o menos, si el mínimo del variador lo permite. Si la frenada se repite cada minuto, basta una potencia continua de algo más de 400 W, siempre que la resistencia aguante el pulso de 2 s.

Alternativas a la resistencia

• Frenado regenerativo: un rectificador activo, de transistores en lugar de diodos, o una unidad de regeneración devuelve la energía a la red. Es más caro, pero se amortiza cuando se frena mucho y a menudo, como en grúas, ascensores o bancos de ensayo.
• Bus de continua común: varios variadores comparten el bus, de modo que lo que genera un motor al frenar lo consume otro que tracciona. La resistencia solo absorbe el sobrante.
• Almacenamiento: supercondensadores en el bus guardan la energía de la frenada y la devuelven en el siguiente arranque.
• Frenado por inyección de continua: el variador aplica corriente continua al estátor y crea un campo fijo que frena el rotor; la energía se disipa en el propio motor. Sirve para detenerlo o sujetarlo a baja velocidad, pero no para decelerar de forma controlada desde velocidad alta, y calienta el motor.

Ninguna de ellas sustituye a un freno mecánico cuando hay que mantener una carga sin alimentación.