Seleccionar un variador de frecuencia es un ejercicio de compatibilidad térmica y eléctrica entre carga, motor, convertidor y red. Este artículo parte de Perfiles de carga mecánica, que describió cómo varía el par con la velocidad y en qué cuadrantes opera la máquina, y de el principio de funcionamiento del variador. Aquí se aborda cómo traducir esos datos en una especificación verificable del convertidor, con la serie IEC 61800 como marco.
Dimensionar por corriente, no solo por potencia
La potencia de placa del motor es una referencia, pero los semiconductores del inversor se calientan por corriente. Dos motores de igual potencia pueden demandar corrientes distintas según su factor de potencia y eficiencia, ya que I = P / (√3 · U · cos φ · η); un motor de muchos polos, con menor cos φ, exige más corriente que uno de dos polos de igual potencia. Por ello, el criterio primario es que la corriente de salida asignada del convertidor cubra la corriente que el motor demandará en la aplicación.
Datos de partida
IEC 61800-2 establece cómo se especifican los valores asignados de un sistema de accionamiento de potencia, PDS (Power Drive System), y sus condiciones de servicio [1]. Para aplicarla se debe reunir la siguiente información antes de consultar catálogos.
| Dato | Fuente | Uso en el dimensionamiento |
|---|---|---|
| Tensión, corriente, cos φ, η y velocidad nominales | Placa del motor (IEC 60034-1) | Corriente base requerida |
| Tipo de par (constante, cuadrático, potencia constante) | Perfil de carga | Corriente en todo el rango de velocidad |
| Par de arranque o despegue | Proceso / mecánica | Corriente de sobrecarga y su duración |
| Ciclo de trabajo y servicio (S1 a S10) | Proceso, IEC 60034-1 | Corriente RMS y periodo de sobrecarga |
| Rango de velocidad y velocidad mínima continua | Proceso | Ventilación del motor y método de control |
| Cuadrantes de operación | Perfil de carga | Necesidad de frenado o regeneración |
| Momento de inercia de la carga | Mecánica | Corriente de aceleración y energía de frenado |
| Temperatura, altitud, humedad, contaminación | Sitio (IEC 60721-3-3) | Desclasificación y grado IP |
| Tensión, potencia de cortocircuito e impedancia de red | Estudio eléctrico | Reactancia de línea, armónicos, protecciones |
| Longitud y tipo de cable motor | Disposición física | Filtros de salida y EMC |
Los servicios tipo y la información de placa están definidos en IEC 60034-1 [2], y la clasificación de condiciones ambientales para equipos estacionarios bajo techo, en IEC 60721-3-3 [3].
Capacidad de sobrecarga como ciclo de carga
La capacidad de sobrecarga de un convertidor se expresa como un ciclo de carga asignado: una corriente de base sostenible en forma continua y una corriente de sobrecarga admitida durante un tiempo dentro de un periodo de repetición, por ejemplo, durante 60 s cada 300 s. Declarar los valores asignados en términos de corriente, duración y periodo es coherente con el enfoque de IEC 61800-2 [1] y permite contrastar objetivamente el ciclo real de la máquina con lo que el equipo admite.
La verificación tiene dos niveles: el pico del ciclo y su duración no deben exceder la sobrecarga asignada, porque la constante de tiempo térmica de los semiconductores es corta; y la corriente RMS sobre el periodo completo no debe superar la corriente de base, ya desclasificada según el sitio.
Ejemplo ilustrativo
Una correa transportadora tiene un ciclo de 120 s: 150 A durante 10 s (aceleración con carga), 90 A durante 50 s y 40 A durante 60 s. La corriente RMS del ciclo es:
I_RMS = √[(150² · 10 + 90² · 50 + 40² · 60) / 120] = √(726.000 / 120) ≈ 77,8 A
Si la instalación está a 3.000 m y el manual indicara, a modo de ejemplo, una reducción de 1 % por cada 100 m sobre 1.000 m, el factor sería 0,8 y la corriente de base asignada debería ser al menos 77,8 / 0,8 ≈ 97 A. El pico de 150 A durante 10 s también debe quedar dentro de la sobrecarga asignada, corregida por altitud. Estos factores son ilustrativos: los valores concretos los entrega el manual de cada equipo.
Desclasificación por condiciones de instalación
La corriente asignada se declara para condiciones de referencia; fuera de ellas se aplica desclasificación (derating):
- Temperatura ambiente: sobre el límite de referencia disminuye la disipación y la corriente admisible.
- Altitud: la menor densidad del aire reduce la refrigeración y la rigidez dieléctrica. IEC 61800-5-1 trata la coordinación de aislamiento y la seguridad eléctrica y térmica del PDS, aspectos a revisar en instalaciones mineras de gran altitud [4].
- Frecuencia de conmutación: elevarla reduce el ruido acústico del motor, pero aumenta las pérdidas y obliga a reducir la corriente.
El grado de protección se especifica con el código IP de IEC 60529 [5]. Una envolvente más hermética limita la ventilación, por lo que grado IP y desclasificación térmica se evalúan en conjunto.
Interacción con el motor y el cable
La tensión pulsada del inversor somete al aislamiento del motor a frentes de alta dv/dt; con cables largos, la reflexión en bornes puede acercar el pico al doble de la tensión del bus DC. IEC TS 60034-25 define los motores aptos y específicos para alimentación por convertidor y aborda la solicitación del aislamiento y las corrientes por el eje [6]. Las medidas habituales son:
- Filtros dv/dt, que reducen la pendiente del frente de tensión.
- Filtros senoidales, que entregan una tensión prácticamente senoidal y permiten cables más largos o motores existentes sin aislamiento reforzado.
- Rodamiento aislado, escobilla de puesta a tierra del eje y cable apantallado simétrico, para limitar las corrientes por rodamientos de origen en modo común.
La longitud máxima de cable admisible sin filtro y con cada tipo de filtro debe obtenerse del manual del convertidor.
Frenado y regeneración
Si la carga opera en los cuadrantes II o IV, la energía devuelta eleva la tensión del bus DC. Las soluciones son: resistencia de frenado con chopper, dimensionada por potencia de pico y energía por ciclo; unidad de alimentación regenerativa, que devuelve la energía a la red y conviene en frenados frecuentes o prolongados; y bus DC común, donde los accionamientos en motorización aprovechan la energía de los que frenan.
Red de alimentación y EMC
Se debe verificar la tensión y su tolerancia, la potencia de cortocircuito en el punto de conexión y la necesidad de una reactancia de línea, que limita los picos de corriente del rectificador y reduce la distorsión. El análisis de distorsión armónica se trata en el artículo Armónicos y calidad de energía en variadores.
La compatibilidad electromagnética del PDS se rige por IEC 61800-3 [7], que distingue el primer ambiente (instalaciones residenciales o conectadas directamente a la red pública de baja tensión) y el segundo ambiente (instalaciones industriales). Define cuatro categorías: C1, para el primer ambiente; C2, para el primer ambiente con instalación por personal competente; C3, para el segundo ambiente; y C4, para sistemas de gran tensión o corriente, o complejos, en el segundo ambiente, con cumplimiento acordado mediante un plan EMC. La categoría se define antes de la compra, porque determina el filtro de entrada y el cableado.
Eficiencia energética
IEC 61800-9-2 clasifica las pérdidas del módulo de accionamiento completo, CDM (Complete Drive Module), mediante clases IE, y del sistema motor-convertidor mediante clases IES, con puntos de operación normalizados de velocidad y par [8], lo que permite estimar pérdidas en los puntos reales del perfil de carga.
Checklist de selección
- Corriente de base del convertidor ≥ corriente RMS del ciclo, ya desclasificada por temperatura, altitud y frecuencia de conmutación.
- Sobrecarga asignada (corriente, duración y periodo) ≥ pico del ciclo, incluido el arranque.
- Tensión de salida y método de control adecuados al rango de velocidad.
- Grado IP compatible con el ambiente y con la disipación.
- Aislamiento del motor, longitud de cable y filtro de salida verificados.
- Medidas contra corrientes por rodamientos definidas.
- Solución de frenado o regeneración dimensionada para los cuadrantes de operación.
- Reactancia de línea y estudio armónico resueltos.
- Categoría EMC acorde al ambiente.
- Clase IE/IES declarada por el fabricante del equipo.
Conclusión
Dimensionar un variador por corriente y por ciclo de carga, y no solo por potencia, permite seleccionar un equipo con margen térmico real y sin sobredimensionamiento. La serie IEC 61800, junto con IEC 60034 e IEC 60721, entrega un lenguaje común para especificar valores asignados, condiciones ambientales, EMC y eficiencia, lo que facilita el diálogo entre usuario, integrador y proveedor y respalda una operación confiable durante toda la vida útil de la instalación.
Sigue leyendo
Este artículo es parte de nuestra guía de accionamientos eléctricos.
- Capacitación: Curso de mantención de accionamientos G120
- Proyectos y soporte en terreno: Nuestros servicios · Solicite una cotización para su proyecto
- Artículos relacionados: Perfiles de carga · Principio del variador · Arrancador suave o variador
Referencias
[1] IEC. IEC 61800-2:2021 Adjustable speed electrical power drive systems – Part 2: General requirements – Rating specifications for adjustable speed AC power drive systems. Ginebra, 2021.
[2] IEC. IEC 60034-1:2026 Rotating electrical machines – Part 1: Rating and performance. Ginebra, 2026.
[3] IEC. IEC 60721-3-3:2019 Classification of environmental conditions – Part 3-3: Classification of groups of environmental parameters and their severities – Stationary use at weatherprotected locations. Ginebra, 2019.
[4] IEC. IEC 61800-5-1:2022 Adjustable speed electrical power drive systems – Part 5-1: Safety requirements – Electrical, thermal and energy. Ginebra, 2022.
[5] IEC. IEC 60529:1989+AMD1:1999+AMD2:2013 Degrees of protection provided by enclosures (IP Code). Ginebra, 2013.
[6] IEC. IEC TS 60034-25:2022 Rotating electrical machines – Part 25: AC electrical machines used in power drive systems – Application guide. Ginebra, 2022.
[7] IEC. IEC 61800-3:2022 Adjustable speed electrical power drive systems – Part 3: EMC requirements and specific test methods. Ginebra, 2022.
[8] IEC. IEC 61800-9-2:2023 Adjustable speed electrical power drive systems (PDS) – Part 9-2: Ecodesign for motor systems – Energy efficiency determination and classification. Ginebra, 2023.