Qué revisar cuando un motorreductor con variador de frecuencia trabaja a baja velocidad

No existe una frecuencia mínima universal. Hasta dónde puede bajar un motorreductor accionado por variador de frecuencia lo decide la primera de tres restricciones independientes que se agote: la térmica (el caudal del ventilador acoplado al eje cae con la velocidad, mientras la pérdida en el cobre no cae al mismo ritmo), la de par (a baja frecuencia la caída de tensión en la resistencia del estator pesa más, el par disponible disminuye y las cargas de par constante son las que más lo acusan) y la de lubricación (la lubricación por salpicadura necesita velocidad para lanzar el aceite hasta los engranajes y los rodamientos). La pregunta útil no es «qué frecuencia mínima admite», sino «cuál de las tres llega antes a su límite en este accionamiento».

Por qué la baja velocidad es un problema: el calor no baja y la refrigeración sí

La intuición dice que a menos vueltas el equipo trabaja más holgado. En un motorreductor autoventilado esa intuición falla, y la razón está en cómo se evacua el calor, no en cómo se genera.

En un motor autoventilado el ventilador va montado en el propio eje: el caudal de aire que atraviesa la carcasa es aproximadamente proporcional a la velocidad de giro. Al reducir la velocidad, la capacidad de refrigeración cae con ella. La generación de calor, en cambio, no sigue el mismo camino, porque la pérdida en el cobre del estator depende de la corriente:

P_cu = 3 · I² · R

I es la corriente de fase y R la resistencia por fase; el resultado se expresa en W. La pérdida no guarda relación directa con la velocidad, sino con el cuadrado de la corriente. Si la carga es de par constante, a baja velocidad sigue pidiendo un par alto y la corriente apenas baja: la pérdida en el cobre tampoco baja.

De ahí surge la asimetría que explica todo lo demás: el calor generado se mantiene mientras la refrigeración disminuye. La relación entre calor generado y calor evacuado sube a medida que baja la velocidad, y con ella la temperatura del devanado. No hace falta ninguna cifra para verlo: basta con aceptar que un ventilador más lento mueve menos aire y que una corriente que no baja sigue calentando lo mismo.

Primera restricción: la térmica

Lo que decide esta línea no es solo el motor, sino tres cosas que se comprueban por separado.

1. La forma de refrigeración. Un motor autoventilado depende de su propia velocidad. Un motor con ventilador independiente mantiene el caudal de aire aunque el eje gire despacio, porque el ventilador ya no va montado en él. Dos máquinas iguales en potencia y en par pueden tener márgenes completamente distintos a la misma velocidad baja solo por este detalle: es lo primero que conviene confirmar en la placa y en el esquema de montaje.
2. La característica de par de la carga. Una carga de par constante exige prácticamente el mismo par en todo el rango de velocidad: la corriente no baja y la pérdida en el cobre tampoco. Una carga de par cuadrático —ventiladores, bombas centrífugas— reduce su par con la velocidad y, con él, su consumo y su calor: ahí aparece margen en lugar de consumirse.
3. El entorno de instalación. Temperatura ambiente alta, falta de espacio alrededor de la carcasa, varios equipos alineados que se insuflan aire caliente entre sí o un carenado que tapa las aletas: todo eso se suma a una refrigeración que ya venía reducida.

La pregunta que ordena esta línea es una sola: ¿cuánto margen térmico le queda a este motor en su punto nominal? Si a velocidad nominal ya trabaja cerca de su límite, a baja velocidad no hay margen que gastar, y ninguna programación del variador lo va a crear. Ese margen se establece con la temperatura medida en el punto nominal, no con la impresión de que el equipo «va fresco».

Segunda restricción: la de par

Las relaciones de partida son dos y conviene tenerlas a la vista antes de discutir límites:

n_s = 120 · f / p
n = n_s · (1 - s)

n_s es la velocidad de sincronismo en rpm, f la frecuencia de alimentación en Hz, p el número de polos, s el deslizamiento y n la velocidad real del eje del motor.

Con el par, el razonamiento es el de cualquier transmisión:

T = 9550 · P / n

P es la potencia en kW, n la velocidad en rpm y T el par en N·m. La lectura práctica es directa: a igual potencia, cuanto menor es la velocidad, mayor es el par necesario. Y a la inversa: si el par exigido se mantiene, la potencia demandada baja con la velocidad, lo cual no alivia la restricción térmica, porque lo que calienta es la corriente y no la potencia.

El problema propio de esta línea no está en la mecánica, sino en la alimentación a baja frecuencia. Cuando la frecuencia baja, la caída de tensión en la resistencia del estator representa una parte mayor de la tensión disponible: queda menos tensión para magnetizar el entrehierro y el par disponible a igual corriente disminuye. Por eso, a baja frecuencia, hay que compensar con una elevación de par o pasar a control vectorial. No es un defecto del variador, sino una consecuencia de que en ese régimen la impedancia dominante pasa a ser resistiva en lugar de inductiva.

De ahí la conclusión que más se repite en campo: las cargas de par constante son las que más sufren, porque son las que no reducen su demanda al bajar la velocidad y las que antes agotan tanto la línea térmica como la de par.

Tercera restricción: la lubricación

Esta línea no está en el lado eléctrico, y por eso se pasa por alto con tanta facilidad.

En un reductor con lubricación por salpicadura, el aceite llega a los engranajes y a los rodamientos porque los propios engranajes en giro lo lanzan hacia ellos. Si la velocidad de salida baja, se lanza menos aceite y el caudal que alcanza los puntos de contacto disminuye. La lubricación forzada, con bomba, no depende de esa velocidad y queda fuera de esta restricción; la lubricación por salpicadura y la de baño de aceite sí están sujetas a ella.

Aquí aparece el caso más engañoso de todo el tema: un motor frío sobre un reductor que ya venía falto de aceite. Si la instrumentación solo vigila la temperatura del motor, el equipo parece correcto mientras el desgaste avanza en el lado del reductor: puntos de engrane con película insuficiente, ruido que aparece de forma intermitente, marcas de adherencia en los flancos del diente. Cuando el síntoma se hace evidente, la causa lleva tiempo trabajando.

Por eso, en un accionamiento por variador que va a funcionar despacio, conviene responder antes dos preguntas: qué tipo de lubricación tiene el reductor y si el nivel de aceite es el correcto. No se puede dar por sentado que a menos vueltas el desgaste es menor: el desgaste por lubricación insuficiente crece justo cuando el mecanismo que reparte el aceite pierde eficacia.

Lo que también hay que mirar en el lado eléctrico

Hay dos fenómenos propios de la alimentación por variador que no deciden la velocidad mínima, pero sí la vida del equipo que trabaja despacio durante mucho tiempo.

La forma de onda PWM y el cable. La salida del variador es una modulación por ancho de pulso, con una variación de tensión muy rápida en cada conmutación. Con cables largos entre variador y motor, esa variación se refleja en el extremo del cable y puede producir sobretensiones en los bornes del motor. El efecto se agrava con la longitud del cable y con la frecuencia de conmutación. De ahí que la ficha de datos deba incluir la distancia y el tipo de apantallamiento: no cambia la velocidad mínima, pero sí el esfuerzo al que se somete el aislamiento del devanado.

La tensión de modo común y la corriente de eje. La conmutación del variador establece una tensión de modo común que puede crear una diferencia de potencial entre el eje y la carcasa; si esa tensión rompe la película de aceite del rodamiento, se cierra un camino de corriente a través de él. Es un modo de fallo que no depende de la velocidad, pero que conviene tener presente al inspeccionar un rodamiento: la huella típica es un rayado regular sobre la pista, no un desgaste uniforme.

La regla general del motor para servicio con variador

Conviene separar dos condiciones de servicio que suelen tratarse como una sola. Un motor estándar puede trabajar a baja velocidad de forma ocasional; sostener ese régimen durante la mayor parte del tiempo de funcionamiento es otra condición de servicio, y para ella existe el motor para servicio con variador de frecuencia, cuyo sistema de refrigeración y cuyo aislamiento se conciben para la alimentación por variador.

Los manuales de instalación de los fabricantes de motorreductores lo recogen de forma explícita: cuando el equipo se utiliza con variador y va a trabajar habitualmente a baja frecuencia, debe emplearse un motor apto para servicio con variador. En las notas de instalación del catálogo de CHINFAR figura esa misma indicación, y es la referencia que conviene citar cuando la discusión se plantea como una cuestión de gusto o de ahorro.

La distinción importa porque cambia la respuesta a la pregunta inicial. En un régimen ocasional, el límite lo pone el propio proceso; en un régimen permanente, la elección del motor forma parte de la solución y no es solo una condición de contorno.

En qué orden se comprueba

El orden recomendado es: primero la capacidad de refrigeración, después la capacidad de par y al final la lubricación.

El motivo no es de importancia, sino de verificabilidad. La refrigeración se confirma con datos que ya existen —la forma de refrigeración en la placa, el tipo de ventilador, la temperatura medida en el punto nominal— y por tanto se resuelve antes de tocar un solo parámetro. El par exige un dato que casi nunca está a mano: la corriente real en el tramo de baja velocidad y la característica de par de la carga. Y la lubricación, aunque suele aclararse con dos preguntas, es la que se olvida, porque se da por buena mientras el motor no dé avisos. Comprobar en ese orden evita el error clásico de ajustar el variador —elevación de par, límite de frecuencia— para resolver un problema que estaba en el aceite o en el ventilador.

Tabla de condiciones

Lista de comprobación en campo

Se puede observar durante el funcionamiento:

1. Anotar la corriente real en el tramo de baja velocidad y compararla con la corriente nominal de placa.
2. Anotar la temperatura de la carcasa del motor y la de los rodamientos, y contrastarlas con las del régimen nominal.
3. Escuchar el reductor a baja velocidad: intermitencias o un roce periódico son señales tempranas de aportación insuficiente de aceite.
4. Revisar el registro de alarmas del variador: sobrecorriente, sobrecarga, sobretemperatura.

Hay que confirmar con el equipo parado:

1. Placa del motor: potencia, número de polos, tensión y frecuencia nominales, corriente nominal, clase de aislamiento y código de refrigeración.
2. Variador: modelo, modo de control —escalar V/f o vectorial— y si la elevación de par está activada.
3. Tipo de lubricación del reductor: salpicadura, baño de aceite o forzada.
4. Longitud del cable, apantallamiento y puesta a tierra.
5. Estado de los rodamientos: huellas de corriente de eje sobre las pistas.

Solo con personal especializado:

1. Determinar cuál de las tres restricciones se agota primero y fijar el rango de velocidad admisible.
2. Cualquier ajuste de parámetros eléctricos —aislamiento, frecuencia de conmutación, reactancia de salida— conforme al manual del variador.

Errores habituales y límites de aplicación

Errores habituales:

1. Aplicar una «frecuencia mínima universal» copiada de otro proyecto. Es el más frecuente y el más caro. Motor, refrigeración, característica de par y tipo de lubricación cambian de una instalación a otra, así que el límite también cambia; trasladar una cifra de un proyecto a otro es trasladar una conclusión sin sus premisas.
2. Dar por hecho que a menos vueltas el equipo trabaja más descansado. El calor generado puede no bajar mientras la refrigeración sí baja.
3. Vigilar solo la temperatura del motor. Un reductor con lubricación por salpicadura puede estar sufriendo mucho antes de que el motor dé señal alguna.
4. Tratar una carga de par constante como si fuera de par cuadrático y esperar de ella un comportamiento que no tiene.
5. Mantener control escalar V/f en régimen permanente lento sin elevación de par y atribuir después la falta de empuje al motor.
6. Dejar un cable largo sin tratamiento y considerar esporádico un fallo de aislamiento.
7. Intentar resolver un problema de proceso bajando todavía más la velocidad cuando el margen térmico del punto nominal ya era escaso.

Límites de aplicación:

• El modelo de las tres restricciones y el orden de comprobación se aplican a los motorreductores modulares R/F/K/S accionados por variador de frecuencia.
• Este artículo no ofrece ninguna frecuencia mínima, ningún porcentaje de reducción de prestaciones, ningún valor de tensión de aislamiento, ningún dv/dt admisible, ninguna longitud máxima de cable ni ningún límite de temperatura. Todos esos datos deben confirmarse con el fabricante para el modelo concreto y con el manual del variador.
• Las tres restricciones forman un modelo cualitativo pensado para ordenar la comprobación; no sustituyen la verificación del rango de velocidad admisible para un modelo concreto.
• El artículo no sustituye el diseño de seguridad eléctrica ni las instrucciones de instalación del fabricante del variador.

Datos que conviene enviar al proveedor

El dato 11 es el que más se omite y el que decide si los demás sirven. Sin una lectura de referencia tomada en el régimen nominal no se puede afirmar que la temperatura del tramo lento esté alta: como mucho se puede decir que es distinta de otra, sin saber de qué.

Sobre este artículo y el responsable de la publicación

Este artículo lo ha elaborado el equipo técnico de Chengfa Reducer (Changzhou) Co., Ltd. (CHINFAR) y se publica tras la revisión técnica de la empresa. Los motorreductores modulares R/F/K/S citados en el texto son suministrados por Chengfa Reducer (Changzhou) Co., Ltd.; los productos se fabrican y entregan dentro del sistema de fabricación conjunta compartido con HUIGUANG.

El diagnóstico general del calentamiento de un motorreductor y el razonamiento inverso a partir de una temperatura anómala se tratan en dos artículos propios y aquí no se repiten; este texto se limita al régimen de baja velocidad con alimentación por variador.

• Motorreductores modulares R/F/K/S
• Motorreductor que se calienta: causas y comprobación en campo
• Sobrecalentamiento del reductor: cómo deducir la causa desde la temperatura
• Contactar con el equipo técnico de CHINFAR

Siguiente paso

Envíe los 11 datos anteriores a sales@chinfar.com. Si la consulta se plantea únicamente como «hasta qué frecuencia puede bajar», aporte además los datos 1, 2, 4, 6 y 8: son los que sitúan cada una de las tres restricciones y, si falta uno de ellos, la respuesta deja de ser verificable. La conclusión sobre el rango de velocidad admisible queda sujeta a la revisión de ingeniería; este artículo no sustituye la comprobación para un caso concreto.