Los problemas causados por los cables largos (incluidos los cables de alimentación del motor y los cables del codificador) se deben principalmente a tres factores: el aumento de la capacitancia distribuida, la resistencia y la inductancia, así como a los efectos de línea de transmisión. Entre estos, la capacitancia distribuida del cable es la causa principal de la degradación de la calidad de la señal.
Efectos comunes a todos los tipos de motores:
- Distorsión de la forma de onda PWM (el problema principal)
1.1. Causa:
Cuanto más largo sea el cable de alimentación del motor, mayor será la capacitancia distribuida que se forma entre el conductor del núcleo y la capa de apantallamiento. La onda cuadrada PWM de alta frecuencia generada por el variador debe cargar y descargar continuamente esta capacitancia parásita.
1.2. Fenómeno:
Los flancos de subida y bajada pronunciados de la onda cuadrada se vuelven lentos y redondeados.
1.3. Riesgos:
- Aumento drástico de las pérdidas de conmutación: Durante la conmutación, los transistores de potencia del variador (MOSFET/IGBT) operan en un estado en el que se solapan alta tensión y alta corriente, lo que provoca un calentamiento anómalo del variador y puede llegar a causar su destrucción.
- Calentamiento del motor y reducción del par: La forma de onda distorsionada da lugar a una corriente del motor impura y a un aumento de los armónicos, lo que incrementa las pérdidas en el hierro y en el cobre del motor. Esto provoca un calentamiento significativo y reduce el par útil.
- Sobretensión y oscilaciones (ringing): La inductancia del cable y la capacitancia distribuida forman un circuito resonante LC, generando oscilaciones de alta frecuencia (ringing) y picos de tensión (overshoot) en los flancos de la forma de onda. Estas tensiones de pico pueden superar ampliamente la tensión del bus, poniendo en peligro el aislamiento del motor y la seguridad del variador.
- Caída de tensión
2.1. Causa:
Los cables tienen una resistencia inherente, y a mayor longitud del cable, mayor resistencia.
2.2. Riesgo:
Durante el funcionamiento a alta corriente, la tensión real en los bornes del motor es inferior a la tensión de salida del variador, lo que provoca un par insuficiente a altas velocidades y una reducción del rendimiento.
- Interferencia electromagnética (EMI)
3.1. Causa:
Los cables largos actúan como antenas eficientes, irradiando un fuerte ruido electromagnético a partir de las señales PWM de alta frecuencia distorsionadas.
3.2. Riesgo:
Interfiere con otros equipos sensibles del sistema, como sensores, codificadores y líneas de comunicación.
Efectos específicos según el tipo de motor:
| Tipo de motor | Impactos y riesgos específicos |
|---|---|
| Motores paso a paso en lazo abierto | Riesgo más elevado. Al carecer de realimentación, la distorsión de la forma de onda reduce la corriente real, lo que provoca una caída del par de salida del motor sin que el variador lo detecte. Esto hace que el motor sea muy propenso a perder pasos durante el funcionamiento a alta velocidad o ante cambios bruscos de carga, sin que el sistema tenga capacidad de detección ni corrección. El impacto suele ser catastrófico. |
| Motores paso a paso en lazo cerrado | Riesgo moderadamente alto. Aunque el codificador puede detectar y corregir la pérdida de pasos, se trata de una corrección reactiva. La distorsión de la forma de onda y las fluctuaciones de par provocadas por los cables largos persisten, lo que da lugar a un funcionamiento inestable del motor, vibraciones y un ruido significativo. El propio proceso de corrección puede introducir oscilaciones de velocidad. Además, la línea de señal del codificador es susceptible a la interferencia EMI de los cables de alimentación. |
| Servomotores | Riesgo controlable, pero aun así significativo. Los servovariadores dependen de una realimentación precisa de la corriente del motor (procedente de codificadores o resolvers) para el control en lazo cerrado. Los cables largos distorsionan la señal de realimentación de corriente, provocando errores en el cálculo de la corriente de par del variador, lo que compromete la precisión del control y la respuesta dinámica. Además, las señales del codificador son más propensas a la atenuación y a las interferencias en distancias largas, lo que puede provocar alarmas del servo o incluso paradas del sistema. |
En resumen, la razón fundamental para evitar cables excesivamente largos es que degradan intrínsecamente la forma de onda de salida del variador, desencadenando una reacción en cadena de problemas que van desde la degradación del rendimiento hasta daños en el equipo. Los sistemas de motores paso a paso en lazo abierto, al carecer de realimentación, presentan el riesgo más elevado.