Un eje de accionamiento servo puede presentar una precisión de posicionamiento, una respuesta dinámica y un par adecuados durante la puesta en marcha, pero perder rendimiento en funcionamiento debido a una causa menos evidente: una especificación de cable incorrecta. Para dimensionar correctamente el cable de un accionamiento servo, es necesario evaluar más que solo la sección transversal del conductor. La salida PWM del accionamiento, la corriente RMS, los picos de sobrecarga, la longitud del circuito, la compatibilidad electromagnética y el movimiento mecánico son factores que influyen en la misma decisión de ingeniería.

En aplicaciones industriales críticas, un cable de tamaño insuficiente puede aumentar las pérdidas, provocar un calentamiento excesivo, reducir el margen de tensión disponible para el motor y acelerar las fallas de aislamiento. Por otro lado, aumentar la sección transversal sin evaluar la capacitancia, el apantallamiento y las limitaciones del fabricante del variador no resolverá el problema del sistema. El dimensionamiento debe basarse en el servovariador, el servomotor, la instalación y el ciclo de funcionamiento.

¿Qué cambios se producen en el cable de un sistema servo?

El cable entre el servocontrolador y el servomotor transporta una tensión modulada por ancho de pulso. A diferencia de una fuente de alimentación sinusoidal convencional, los pulsos de alta frecuencia presentan frentes de tensión rápidos, conocidos como dv/dt elevado. Este comportamiento aumenta las exigencias en cuanto al aislamiento, el apantallamiento y la geometría de la construcción del cable.

En tramos largos, la interacción entre el inversor, el cable y el motor puede generar reflexiones de onda. En la práctica, los picos de tensión en los terminales del motor pueden superar significativamente la tensión nominal del bus. Este efecto depende de la tecnología de accionamiento, la longitud del cable, la frecuencia de conmutación, la impedancia característica y el tipo de motor. Por lo tanto, la longitud máxima permitida especificada por el fabricante del servomotor es un parámetro de diseño, no solo una recomendación.

También es necesario separar las funciones. Generalmente, hay un cable de alimentación para el servomotor y un cable de señal dedicado al codificador, al resolver o a la retroalimentación. Mezclar estos circuitos en la misma ruta sin la arquitectura adecuada aumenta la posibilidad de interferencias, errores de retroalimentación e inestabilidad en el control. En algunos sistemas, los frenos, los sensores térmicos y las señales auxiliares tienen sus propios requisitos y deben tenerse en cuenta al seleccionar el conjunto.

Cómo dimensionar el cable para un servomotor en la práctica.

El punto de partida es la documentación técnica del servomotor y del motor. La corriente nominal del motor no debe analizarse de forma aislada. El cable debe soportar la corriente efectiva prevista para el ciclo de trabajo, así como las sobrecargas permitidas por el servomotor. En ejes con aceleración rápida, la corriente máxima puede ser elevada, aunque solo por un tiempo limitado.

La secuencia de ingeniería debe considerar, como mínimo, los siguientes datos:

• Corriente nominal y corriente pico del servomotor;
• Tensión de alimentación y topología del servomotor;
• Longitud real entre la transmisión y el motor, incluyendo rutas, curvas y voladizos técnicos;
• Método de instalación, temperatura ambiente y gestión del cableado;
• sistema de movimiento, como instalación fija, portacables o robótica;
• Límite de longitud y requisitos de filtrado definidos por el fabricante del variador.

Con esta información, la sección transversal del conductor se determina según la capacidad de transporte de corriente corregida para las condiciones de instalación. Las altas temperaturas, los cables agrupados en conductos, la ventilación deficiente y la presencia de otros circuitos energizados reducen la capacidad térmica del conjunto. Un cable que cumple con los requisitos de corriente en un banco de trabajo puede no cumplirlos dentro de un panel, en una bandeja ocupada o en un circuito industrial con altas temperaturas.

La normativa aplicable varía según la máquina, el mercado y las especificaciones contractuales. En instalaciones industriales, los requisitos de las normas NBR 5410, IEC 60204-1 y las normas de producto pueden orientar el análisis. Sin embargo, el cumplimiento real depende del sistema completo, incluyendo la protección, la instalación, la documentación del fabricante y las condiciones de uso. La ficha técnica del cable debe indicar claramente la tensión nominal, la clase de flexibilidad, la composición del conductor, el rango térmico y las características de apantallamiento.

Caída de tensión: calcúlela, pero no se detenga ahí.

La caída de tensión sigue siendo un criterio necesario, especialmente en circuitos largos y con corrientes elevadas. Para un circuito trifásico, una aproximación inicial puede expresarse como:

ΔV = √3 × I × L × R

En esta expresión, ΔV representa la caída de tensión, I la corriente, L la longitud del circuito y R la resistencia del conductor por unidad de longitud. En análisis más completos, también se incluyen la reactancia, el factor de potencia y las condiciones térmicas que alteran la resistencia eléctrica.

El objetivo es mantener una tensión suficiente en los terminales del motor durante las condiciones de ciclo más exigentes. Sin embargo, este cálculo no sustituye la verificación de la longitud máxima para la salida PWM. Un cable puede presentar una caída de tensión aceptable y aun así exceder el límite recomendado por el fabricante del variador debido a la capacitancia distribuida y los efectos de reflexión.

Cuando la longitud requerida supera este límite, la solución puede implicar un filtro dv/dt, un filtro sinusoidal, un reactor de salida o una arquitectura diferente para la instalación. La elección debe validarse en función del accionamiento específico. La aplicación genérica de un filtro puede afectar las pérdidas, la respuesta del sistema, el espacio en el panel y el costo del proyecto.

La armadura y la EMC no son elementos opcionales.

Los servomotores funcionan con conmutación de alta frecuencia y pueden generar ruido conducido o radiado en el entorno industrial. El cable de alimentación debe seleccionarse con el apantallamiento adecuado para la aplicación e instalarse de forma coherente con la estrategia de puesta a tierra de la máquina. Un apantallamiento de cobre con buena cobertura, combinado con terminaciones de 360 ​​grados en conectores o prensaestopas compatibles, ofrece un rendimiento significativamente superior en comparación con una conexión de cable flexible.

La continuidad del apantallamiento debe mantenerse a lo largo de todo el recorrido. Las empalmes, los conectores inadecuados, los pasos cercanos a cables de instrumentación y una conexión a tierra deficiente comprometen la compatibilidad electromagnética. No basta con elegir un cable apantallado de un catálogo: el montaje determina en gran medida el resultado final.

El cable del codificador requiere aún mayor atención, ya que transmite señales de baja amplitud y alta sensibilidad. La separación física entre la alimentación y la señal, el uso de pares debidamente apantallados y las conexiones de bucle correctas reducen el riesgo de fallos intermitentes, pérdida de referencia y alarmas difíciles de reproducir. En ejes de alta precisión, estas precauciones influyen directamente en la estabilidad del control.

La aplicación mecánica define la construcción del cable.

Para instalaciones fijas, se puede dar prioridad a la capacidad eléctrica, la compatibilidad electromagnética (CEM), la resistencia térmica y la resistencia al aceite o a agentes químicos. Sin embargo, para sistemas portacables, el radio de curvatura mínimo , el ciclo de flexión, la velocidad, la aceleración, la capacidad de llenado del portacables y la resistencia a la torsión adquieren mayor importancia. No se debe asumir que un cable diseñado para uso fijo sea apto para movimiento continuo.

En robótica, la torsión suele ser tan crítica como la flexión. La estructura interna, el trenzado de los conductores, la disposición de los pares, el revestimiento de blindaje y el material de la cubierta deben soportar esfuerzos repetitivos sin alteración eléctrica ni fallo prematuro. Una sección correcta con una construcción mecánica inadecuada sigue siendo una especificación deficiente.

También es necesario evaluar el entorno. El aceite, la grasa, las partículas abrasivas, la humedad, la radiación UV, el lavado industrial, el calor y las atmósferas corrosivas influyen en la elección del aislamiento y el revestimiento exterior. En proyectos navales, mineros, petroleros y gasísticos, o en exteriores, los requisitos pueden incluir el comportamiento ante el fuego, la baja emisión de humo, la resistencia química o el cumplimiento de las normas específicas del cliente.

Errores que comprometen el rendimiento del eje

Un error común es especificar el cable basándose únicamente en la corriente nominal del motor. Otro es usar cables de control estándar para la retroalimentación del servomotor o cables de alimentación sin blindaje para la salida del variador. Ambos pueden funcionar en condiciones sencillas, pero fallarán cuando la máquina opere bajo carga, cuando haya otros inversores en el mismo panel o cuando el eje entre en un ciclo continuo.

La elección de los conectores también merece atención. La corriente admisible, el apantallamiento, el sellado, el alivio de tensión y la compatibilidad con la norma del motor deben coincidir con los del cable. Un sistema de alto rendimiento pierde fiabilidad cuando la transición entre el cable y el conector genera puntos calientes, discontinuidad en el apantallamiento o tensión mecánica en los terminales.

La documentación debe registrar la sección, el número de vías, el blindaje, la tensión, la identificación del par, el tipo de instalación y el límite de aplicación. Esta trazabilidad facilita el mantenimiento, la sustitución y la ampliación de la máquina sin necesidad de improvisaciones que alteren el funcionamiento del variador.

Para proyectos que requieren un rendimiento continuo, Innovcable desarrolla cables especiales que tienen en cuenta los requisitos eléctricos, mecánicos y ambientales de la aplicación. La fabricación a medida permite adaptar la solución al trazado, el movimiento, el estándar y el nivel de fiabilidad exigidos por la operación.

El calibre de cable óptimo no es necesariamente el de mayor sección transversal ni el de menor coste inicial. Es aquel que mantiene el servocontrolador dentro de sus límites, preserva la integridad de la señal y soporta las condiciones de funcionamiento reales. Antes de autorizar la compra, valide el ensamblaje con los datos del variador, el motor y la instalación: en esta etapa, el departamento de ingeniería evita tiempos de inactividad que serían mucho más costosos en el campo.