Control de Movimiento

¿Por que es importante considerar la temperatura a la que trabajará un Servomotor?

Autor: Ing. Víctor D. Mateo

feb. 26, 2020

En una hoja de datos de un servomotor típico sin escobillas encontraremos la curva de torque-velocidad para los escenarios de trabajo continuo e intermitente. Recordemos que esta gráfica está dividida en dos secciones, la que se encuentra por debajo de la curva de torque nominal (curva roja en la imagen), la llamamos área de trabajo continuo. Esta es la frontera torque-velocidad donde el servomotor puede trabajar de forma segura y continua sin exceder la temperatura de trabajo continuo cuando el servo es energizado por un drive especifico y probado en condiciones ambientales concretas. La sección que se encuentra por debajo de la curva de torque pico (curva azul en la imagen) y arriba de la curva de torque nominal es llamada zona de trabajo intermitente, es aquí donde el servomotor puede trabajar por intervalos cortos de tiempo.

El valor de torque pico normalmente suele rondar una proporción de 2:1 del torque nominal. Algunos fabricantes de servomotores consiguen ratios mayores como 4:1 o 5:1. Claro que usar un valor de torque por arriba del torque nominal por un periodo largo de tiempo calentará el motor. Esto se debe principalmente a que el torque crece de manera lineal con la corriente proporcionada (I*kT) mientras que la capacidad de disipación del embobinado decrece al cuadrado de la corriente suministrada por el drive (I2R).

Los fabricantes de servomotores en el afán de prevenir el sobre calentamiento del devanado colocan un sensor térmico dentro del motor lo mas cercano al embobinado. El propósito es informar al drive cuando la temperatura del embobinado alcanza el máximo valor permitido. En consecuencia, en esta situación el drive debería de cortar el suministro de corriente al servomotor.

Sin embargo, aunque el servomotor cuente con este sensor térmico directamente instalado en el embobinado, no siempre protegerá al motor de calentamiento. Los fabricantes de servomotores utilizan un modelo térmico de dos o cuatro parámetros para determinar con precisión la temperatura dinámica del devanado, siempre que el motor no supere en 1x el valor de torque continuo. Pero esa no es la manera en que los servomotores son utilizados. Los servomotores suelen utilizarse para producir perfiles de movimientos altamente dinámicos que demanden, quizás, dos o cuatro veces el torque nominal, siempre y cuando los parámetros del motor y capacidad de suministrar corriente del drive lo permitan.

Entonces, ¿Cómo determinamos la temperatura a la que podemos trabajar un servomotor? Para responder esta cuestión es necesario introducir una variable llamada Torque RMS.

TORQUE RMS

El Torque RMS es el valor equivalente de torque, que comandado al servomotor a un número determinado de RPM nos producirá el mismo comportamiento térmico que tendría un servomotor que esta ejecutando un perfil de movimiento específico para mover una determinada carga.

Este valor de torque se calcula de la siguiente manera:

Básicamente, tenemos la raíz cuadrada de la suma de una serie de productos, los niveles de torque al cuadrado por cada uno de los instantes de tiempo descritos en el perfil de movimiento, divididos entre el tiempo total. Es importante anotar que en él numerador no se consideran tiempos de espera y en el denominador sí se considerarían. Es por esto último que dos aplicaciones con movimientos idénticos, pero diferentes tiempos de espera tendrían valores de torque RMS diferentes.

Por ejemplo, la siguiente gráfica muestra los diferentes valores de torque que el servomotor necesita desempeñar para posicionar la carga según un perfil de movimiento dado.

Si nosotros calculáramos el torque RMS de esa aplicación, es decir el torque equivalente que nos produzca el mismo comportamiento térmico que la gráfica anterior. El resultado sería

  • Torque RMS = 15.57 Nm
  • Velocidad media angular = 963.51 rpm

Este valor de torque se visualiza en la siguiente gráfica a través de un punto verde.

Y nos indica que, si nosotros comandáramos al servomotor un valor constante de 15.57 Nm a una velocidad continua de 963.51 RPM, tendríamos el mismo comportamiento térmico en el servomotor proporcionado por el perfil de movimiento y carga de la simulación.

¿Para qué nos sirve conocer el torque RMS de una aplicación?

En los sistemas servocontrolados la relación que existe entre el torque RMS y el torque nominal del servomotor se le llama indicador de curva de par nominal o indicador S1. Este se proporciona de manera porcentual y nos ayuda a determinar el nivel de utilización térmico de un servomotor para una aplicación en concreto.

En el ejemplo anterior vimos que, el valor de torque RMS era de 15.57 Nm, el valor de torque nominal del servomotor simulado es 22.8 Nm. Por lo tanto el indicador S1 sería:

Este resultado se interpreta de la siguiente manera: El servomotor está usando un 68.28% de su capacidad de torque continuo. Entre mas cercano el valor del indicador S1 se acerca al 100% mayor temperatura ganará el servomotor o se volverá térmicamente inestable, es decir, que este acumulará temperatura gradualmente hasta que se vaya a falla por térmico o se queme.

Limitaciones del uso del Indicador S1.

El indicador térmico S1 depende directamente de la capacidad de torque nominal o continuo que tiene un servomotor. Este valor, comúnmente proporcionado por los fabricantes de motores, se obtiene bajo condiciones de operación controlada como humedad, temperatura, altitud, entre otros. La mayoría de los casos la temperatura de muestreo es ambiente cercano a 26 grados centígrados.

Vamos a analizar dos escenarios de trabajo importantes en lo que a temperatura y disipación se refiere.

  • Servomotor trabajando en un ambiente donde la temperatura ambiente es mayor a la de muestreo.

En este caso el servomotor esta trabajando por arriba de la temperatura ambiente o en un proceso de alta temperatura. Para esta situación es recomendable usar un porcentaje de utilización del indicador de S1 conservador o en su defecto realizar un cálculo del factor de disminución de torque nominal. Este factor porcentual establece cual es la perdida en capacidad de torque continuo del servomotor. Es con este nuevo valor de torque nominal con el que deberíamos de obtener el valor del indicador S1.

  • Servomotor trabajando a una alta actitud.

Los servomotores se enfrían normalmente por convección, salvo aquellos modelos con enfriamiento líquido. Por lo tanto, la capacidad de disipación del servomotor depende directamente del aire que lo rodea. A una altitud mayor la densidad del aire se va haciendo cada vez menor y estos nos da como consecuencia una disminución en la capacidad de disipación. Por lo que considerar este aspecto a la hora de dimensionar, sintonizar y programar un servomotor es sumamente importante.

El indicador S1 es solamente una de las muchas variables de selección que debemos de tomar en cuenta para contar con un sistema servocontrolado de excelencia. Si necesitas ayuda o soporte para dimensionar o calcular el desempeño de cualquier servomotor, no dudes en contactarnos a través de nuestro chat web o en mercadotecnia@urany.net estaremos contentos de recibir tus consultas.

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