¿Por qué la regeneración eleva la tensión del bus? ── La resistencia regenerativa, explicada con esquemas de circuito interactivos

Parte 3 de la serie «Protección y averías del circuito de control, con esquemas de circuito interactivos»

La última vez, al comparar cuatro maneras de detener un motor, la que parecía más elegante era la regeneración: en lugar de quemar la energía en forma de calor, devolverla a la fuente como electricidad. Pero el artículo terminaba con una advertencia: la mayoría de las fuentes de alimentación reales no están hechas para «recibir» electricidad de vuelta. Entonces, ¿adónde va la energía que nadie quiere aceptar?

La respuesta es la protagonista de este artículo: la subida de tensión del bus de CC. La energía sin destino se acumula en los condensadores del bus, y la tensión se infla más y más. El «disparo por sobretensión» de un variador o un servoamplificador, y esa pieza que en los catálogos se llama resistencia de frenado (regenerativa), están ligados exactamente a este fenómeno. En este artículo veremos cómo se hincha la tensión ── y cómo una resistencia la devuelve a su sitio ── con esquemas de circuito interactivos y gráficas en tiempo real.

Qué responde este artículo

Preguntas habituales y las secciones que las responden.

Pregunta	Sección
¿Adónde va a parar la energía regenerada?	§1
Si el receptor fuera una «fuente ideal», ¿pasaría algo?	§2 (figura interactiva)
¿Por qué sube la tensión del bus en los equipos reales?	§3 (figura interactiva)
¿Cómo funciona la resistencia regenerativa (de frenado en el bus)?	§4 (figura interactiva)
¿La resistencia de frenado de la Parte 2 es lo mismo que la regenerativa?	§5 (figura interactiva)
¿Cómo lo resuelven los equipos reales?	§6 / FAQ

1. El escenario de hoy ── estresar el bus con una inyección, sin motor

En la Fig. 4 de la Parte 2 seguimos la corriente regenerada hasta el punto en que «vuelve hacia la fuente». Hoy giramos la cámara y convertimos en protagonista al receptor: el bus de CC. El bus de CC es la troncal de corriente continua que comparten los circuitos internos de un variador o un servoamplificador, y de él cuelgan condensadores grandes (los condensadores del bus) que estabilizan la tensión.

Por eso en las figuras de hoy no aparece ningún motor. La corriente regenerada que devolvería un motor girando se simplifica en una inyección desde una «fuente de 48 V + 100 Ω» (el modelo didáctico más simple posible de un motor en rueda libre actuando como generador; se omiten efectos como la caída de la tensión generada con la velocidad). Con esa simplificación, la historia se reduce a «lado que inyecta» y «lado que recibe», y lo que ocurre en el bus queda a la vista.

El esqueleto del circuito es el común de la serie: a la izquierda de la frontera vertical está el lado regenerativo (el origen de la inyección); a la derecha, el bus de CC. El botón «Lógica Y0» del panel activa y desactiva la inyección; es decir, representa que «ahora mismo está volviendo regeneración». Lo único que cambia de figura a figura es cómo la recibe el bus.

V1 Vbus (tensión del bus) ── observe si sube o si queda limitada I1 Corriente inyectada ── circula mientras Lógica Y0 está en ON

Unas reglas comunes de manejo, por adelantado. Cada figura tiene además su propia guía paso a paso justo encima.

• Los botones se activan cuando el panel muestra «Conectado» (espere mientras diga «Cargando el simulador…»).
• Las gráficas se desplazan como un osciloscopio y muestran los últimos ~0,05 s. El valor numérico también aparece en el panel como «Vbus = … V».
• La simulación solo corre mientras la figura está en pantalla. Si una gráfica parece congelada, vuelva a la figura.
• En estas figuras, una tensión de bus que ha subido puede quedarse arriba aunque apague el botón: eso es el tema del artículo, no un fallo. Para empezar de cero, use el botón «Reiniciar el circuito» de la esquina superior derecha del panel.

2. Con un receptor ideal, no pasa nada (Fig. 1)

La primera figura restablece «el mundo de la Parte 2». Si el bus fuera una fuente ideal de 24 V ── un receptor perfecto que se traga cualquier corriente ── la regeneración de vuelta no causaría el menor drama. Todas las demás figuras del artículo se leen contra esta línea base.

La fuente ideal absorbe tal cual la corriente que vuelve, así que la tensión del bus ni se inmuta. Si en la Fig. 4 de la Parte 2 la 【V1】 se estabilizaba cerca de la tensión de la fuente, era precisamente porque el receptor era esta fuente ideal. ── Un mundo envidiable que solo existe dentro del simulador, la verdad. En la siguiente figura cambiamos este receptor por algo mucho más parecido al hardware real.

3. Un bus que no puede absorber ── la tensión se infla (Fig. 2)

La mayoría de las fuentes de CC reales fabrican su corriente continua rectificando CA con diodos, y un diodo es una calle de sentido único: una fuente así puede empujar corriente hacia fuera, pero no aceptarla de vuelta. Esta figura reduce esa propiedad a su mínima expresión: fuente de 24 V → diodo → condensador del bus (470 µF). La fuente puede mantener el bus a 24 V a través del diodo, pero nada de lo que hay en el bus puede regresar a la fuente.

Por eso «podemos regenerar» no equivale a «problema resuelto». La energía que vuelve es rechazada por la fuente y no le queda más remedio que acumularse en el condensador del bus; y un condensador es una pieza cuya tensión sube cuanto más almacena. Mientras dure la inyección, Vbus seguirá inflándose.

	Fig. 1 (receptor ideal)	Fig. 2 (bus realista)
【V1】 durante la inyección	Se queda en ~24 V	Sube poco a poco, sin parar
¿Vuelve corriente a la fuente?	La fuente ideal la absorbe	El diodo la bloquea
Destino de la energía	Se recupera en la fuente	Se acumula en el condensador del bus
Al detener la inyección	Sin cambios	La tensión subida se queda

4. Añada la resistencia regenerativa y mire qué cambia (Fig. 3)

Si la energía solo puede acumularse, démosle un sitio donde tirarla. Al bus de la Fig. 2 le añadimos un interruptor + resistencia de 80 Ω entre el bus y 0 V. Este es el esqueleto de la pieza que los catálogos venden como resistencia regenerativa o resistencia de frenado (del bus): la energía sobrante se convierte en calor en esta resistencia y se elimina. Esta figura es el plato fuerte del artículo: misma inyección, y el destino de la tensión del bus cambia con un solo botón.

	R de freno del bus = no	R de freno del bus = sí
【V1】 durante la inyección	Sube poco a poco (como la Fig. 2)	Queda limitada cerca de 24 V
Destino de la energía	Se acumula en el condensador	Sobre todo calor en la resistencia
Lectura práctica	Camino directo al disparo por sobretensión	La resistencia la elimina; la máquina sigue

Hay que señalar una diferencia importante con el hardware real. En esta figura, la resistencia la conectó un humano con un botón; en los equipos reales, un circuito llamado chopper de frenado (chopper regenerativo) vigila la tensión del bus y conecta la resistencia automáticamente en cuanto se cruza un umbral (en un sistema de 24 V, algún valor pactado en torno a 30 V, por ejemplo), desconectándola cuando la tensión baja. Es decir: lo que usted acaba de hacer con el dedo ── «conectar cuando sube, soltar cuando baja» ── automatizado a alta velocidad, es el producto real. El esqueleto de lo que hace es exactamente el botón de esta figura.

5. ¿La resistencia de frenado de la Parte 2 es la misma que la regenerativa? (Fig. 4)

En el FAQ de la Parte 2, la pregunta «¿una resistencia de frenado es lo mismo que una regenerativa?» recibió esta respuesta: «la pieza es parecida, pero hay dos sitios donde conectarla». Esta figura pone ambas en un mismo circuito para compararlas directamente. Hay dos caminos con resistencia: la R de terminales (150 Ω) está entre el nodo de inyección (el punto que hace de bornes del motor) y 0 V ── la misma conexión que la «resistencia de frenado» de la Fig. 3 de la Parte 2. La R de bus (80 Ω) está entre el bus y 0 V ── la misma conexión que la «resistencia regenerativa» de la Fig. 3 de este artículo.

	R de terminales (freno de la Parte 2)	R de bus (regenerativa de este artículo)
Dónde se conecta	Entre los bornes del motor (antes del bus)	Entre el bus de CC y 0 V
Su trabajo	Impedir que la energía llegue al bus	Eliminar como calor lo que ya llegó al bus
Cómo se ve en la gráfica	Apenas llega a subir	Derriba la tensión ya subida
Nombre de catálogo	Resistencia de frenado (en bornes)	Resistencia regenerativa / de frenado (bus)

Así que la respuesta completa a «¿son lo mismo?» es esta: como piezas, ambas son resistencias de potencia; pero ocupan puestos distintos en el circuito, y cuando un catálogo dice «resistencia regenerativa» suele referirse al lado del bus. Lo que la Parte 2 respondió con palabras, esta figura lo deja comprobar con los propios ojos.

6. Qué hace el equipo real ── incluidas las opciones que no queman la energía

Las figuras de hoy son modelos didácticos reducidos a «diodo + condensador + resistencia», pero las contramedidas reales comparten el mismo esqueleto. En el orden en que se encuentran en planta:

• Que lo absorban los condensadores ── para regeneraciones breves y pequeñas, la capacidad del bus basta por sí sola. Si la Fig. 2 «no falla al instante» es gracias a este colchón.
• Quemarlo con resistencia regenerativa + chopper de frenado ── la versión automatizada de la Fig. 3 y la contramedida más común. Cuando el catálogo de un servo o un variador lista una «resistencia regenerativa (opcional)», es esto.
• Que lo use otro eje ── varios servoamplificadores pueden compartir un mismo bus de CC, de modo que la energía devuelta por un eje que frena alimenta a otro que acelera. Redistribuir antes que tirar.
• Devolverlo de verdad a la red (regeneración a red) ── un convertidor regenerativo reinyecta la energía del bus en la red de CA. Se elige donde vuelve mucha energía y a menudo ── ascensores, grúas ──; es, en la práctica, el «receptor ideal» de la Fig. 1 comprado con dinero.

Cuál elegir depende de cuánta energía vuelve, con qué frecuencia y cuánto puede costar el equipo. Pero sea cual sea la opción sobre la mesa, la pregunta de partida es la misma que hicieron las cuatro figuras: «¿adónde va la energía que vuelve?»

Resumen ── diseñar la regeneración es diseñar al receptor

• La regeneración no termina en «devolverlo a la fuente». Si el receptor no puede aceptarlo, la energía se acumula en los condensadores del bus y la tensión sube (§2, §3).
• Con un receptor ideal la tensión del bus no se mueve; lo que distingue a la realidad son los diodos rectificadores de la fuente cerrando el camino de vuelta (§2, §3).
• Dejada a su aire, la subida choca con las tensiones nominales de los componentes: de ahí el disparo por sobretensión (§3).
• La resistencia regenerativa (de frenado en el bus) convierte el exceso en calor y limita la tensión; en el equipo real, un chopper de frenado automatiza el conectar/desconectar (§4).
• La resistencia de frenado de la Parte 2 (en bornes) y la regenerativa (en el bus) se parecen pero ocupan puestos distintos: la de bornes «evita que suba», la del bus «derriba lo subido» (§5).
• Más allá de quemarla: que la absorban los condensadores, compartirla entre ejes o devolverla a la red con regeneración a red (§6).

En esta serie, la Parte 1, «La fuerza contraelectromotriz de una bobina, explicada con esquemas de circuito interactivos ── el papel del diodo de rueda libre», trató la sobretensión momentánea, y la Parte 2, «Cómo se detiene un motor DC, explicado con esquemas de circuito interactivos ── giro libre, freno y regeneración», trató adónde va la energía cinética. Este artículo retoma el hilo justo donde lo dejaron: cómo se recibe la energía que vuelve.

FAQ

Q1. ¿Qué es exactamente el «bus de CC»?

A. La troncal de corriente continua que, dentro de un variador o un servoamplificador, distribuye la CC rectificada al resto de los circuitos. De ella cuelgan condensadores grandes (los del bus) que estabilizan la tensión. Es también el primer lugar al que llega la energía regenerada: la 【V1】 de estas figuras mide precisamente esa tensión de bus.

Q2. ¿Por qué una fuente de CC normal no puede aceptar corriente regenerada?

A. Porque la mayoría fabrica su CC rectificando CA con diodos, y un diodo es de sentido único. La corriente solo puede salir, así que la energía empujada desde el bus no puede entrar en la fuente. El único diodo de la Fig. 2 es esa propiedad reducida al mínimo.

Q3. Si la tensión del bus sigue subiendo, ¿qué pasa en el equipo real?

A. Primero se acerca a las tensiones nominales de condensadores y semiconductores, con riesgo de degradación o avería. El equipo real dispara por sobretensión (parada por alarma) antes de llegar ahí, gracias a su vigilancia del bus. El síntoma clásico ── acortar el tiempo de deceleración y que empiecen a saltar alarmas de sobretensión ── es exactamente este mecanismo. Las soluciones: decelerar más suave o proporcionar un desagüe, como una resistencia regenerativa.

Q4. ¿Quién conecta y desconecta la resistencia regenerativa en el hardware real?

A. Un circuito de conmutación llamado chopper de frenado (chopper regenerativo). Conecta la resistencia cuando la tensión del bus cruza un umbral y la desconecta cuando baja, repitiéndolo a alta velocidad: la versión automatizada de lo que usted hizo con el botón de la Fig. 3.

Q5. Entonces, ¿puedo tratar «resistencia de frenado» y «resistencia regenerativa» como lo mismo?

A. Como piezas son de la misma familia (resistencias de potencia), pero hay dos conexiones: entre los bornes del motor (Fig. 4 de la Parte 2; la R de terminales de este artículo) y en el bus de CC (la Fig. 3 y la R de bus de este artículo). Cuando el catálogo dice «resistencia regenerativa», normalmente se refiere al bus. La Fig. 4 permite comparar los dos papeles directamente.

Q6. Quemar la energía parece un desperdicio, ¿no se puede recuperar?

A. Se puede. Hay opciones como compartir un bus de CC entre varios ejes, de modo que la energía alimente a otro eje, y la «regeneración a red», donde un convertidor regenerativo la devuelve a la red de CA. Ambas encarecen el equipo, así que se sopesan frente a cuánta energía vuelve y con qué frecuencia. Para cantidades pequeñas, quemarla en una resistencia sigue siendo lo más barato y fiable: ese es el consenso práctico del mercado.

Q7. ¿En qué se diferencian estas figuras del hardware real?

A. La regeneración se sustituye por una inyección de «48 V + 100 Ω», así que no se reproducen la inercia real del motor ni la caída de su tensión generada, y los valores de los componentes son didácticos, elegidos para que el movimiento se vea. El chopper real, además, conmuta solo y muy rápido; las figuras usan un botón manual para exponer el esqueleto. Use las figuras para el principio; para los números de diseño reales, las hojas de datos del equipo.

Q8. Lógica Y0 está en OFF pero la tensión del bus no baja, ¿es un fallo?

A. No es un fallo: es el tema central de la Fig. 2. La carga almacenada no tiene adónde ir, así que la tensión permanece tras detener la inyección. (Los condensadores de bus reales hacen lo mismo: queda alta tensión tras apagar el equipo, y por eso los manuales especifican un tiempo de espera de descarga.) Para empezar de nuevo, pulse «Reiniciar el circuito».