Cómo se detiene un motor DC, explicado con esquemas de circuito interactivos ── giro libre, freno y regeneración

Parte 2 de la serie «Protección y averías del circuito de control, con esquemas de circuito interactivos»

Como bien sabe, un motor no se detiene en el instante en que se corta el interruptor. El giro lleva impulso (inercia) y por los devanados sigue circulando corriente. Entonces, ¿adónde van ese impulso y esa corriente? Las distintas respuestas a esa pregunta son exactamente lo que distinguen los términos parada por inercia (giro libre), freno por cortocircuito, resistencia de frenado y regeneración ── términos que conviene manejar pensando en la seguridad. ── Si solo busca definiciones, cualquier glosario las tiene. Pero en qué lazo circula la corriente, dónde sale el calor, si algo vuelve o no a la fuente ── un esquema estático rara vez deja clara la diferencia.

En este artículo observamos lo que ocurre justo después de cortar el accionamiento de un motor DC, con esquemas de circuito interactivos y gráficas de tensión y corriente en tiempo real. Las cuatro formas de parar comparten el mismo esqueleto de circuito y los mismos controles, de modo que las diferencias en el camino de la corriente y en el destino de la energía se ven a simple vista. Todas las figuras son interactivas: conmute el accionamiento con el botón y compruebe la gráfica con sus propios ojos mientras lee.

Qué cubre este artículo

Dudas habituales y las secciones que las responden.

Pregunta	Sección
¿Qué pasa con la corriente y el giro del motor tras cortar el accionamiento?	§1
¿Qué ocurre si corta el accionamiento y no hace nada más (giro libre)?	§2 (figura interactiva)
¿Por qué funciona el freno por cortocircuito? ¿Por qué lazo circula la corriente?	§3 (figura interactiva)
¿En qué se diferencia una resistencia de frenado de un simple cortocircuito?	§4 (figura interactiva)
¿Qué es exactamente la «regeneración»? ¿Qué pasa cuando la energía vuelve a la fuente?	§5 (figura interactiva)
¿Cómo se elige entre las cuatro formas de parar?	§6 (tabla comparativa) / FAQ
¿Qué relación hay con la fuerza contraelectromotriz de la bobina de la Parte 1?	§1 · FAQ

1. Un motor es un generador que gira ── parar es decidir adónde va la energía

Dentro de un motor DC hay una bobina (el inducido) girando entre imanes. Eso significa que el motor hereda la propiedad de la bobina que vimos en la Parte 1 ── detesta que le cambien la corriente de golpe. Pero el motor añade una segunda propiedad que la bobina de un relé no tenía: mientras gira, genera tensión por sí mismo. Motor y generador comparten construcción; si se le hace girar desde fuera, genera. En el instante en que se corta el accionamiento, un motor que sigue girando por inercia es, literalmente, un generador.

Hagamos inventario de la energía en juego. En la Parte 1, el problema era la energía almacenada en el campo magnético de la bobina ── aparece como una única sobretensión breve. El motor también la tiene, pero además guarda algo mucho mayor: la energía cinética del giro. Supera con creces a la energía magnética y tarda mucho más en desaparecer. Por eso «parar un motor» es, en el fondo, una decisión de diseño: ¿dónde, y en qué, se disipa (o se recupera) esa energía cinética? Las opciones son el giro libre, el freno por cortocircuito, la resistencia de frenado y la regeneración.

Todas las figuras siguientes comparten un mismo esqueleto. A la izquierda de la línea divisoria vertical está el lado externo (el motor); a la derecha, el lado del interruptor de accionamiento. El camino es: fuente de 24 V → resistencia serie de 50 Ω → interruptor de accionamiento → motor DC → 0 V. El botón «Lógica Y0» del panel hace de orden de marcha. Lo único que cambia de figura en figura es la vía de parada añadida en torno a los bornes del motor.

La instrumentación es la misma de la Parte 1: las gráficas en tiempo real sobre cada figura trazan 【V1】 (la tensión en el borne + del motor) e 【I1】 (la corriente del motor) en una ventana deslizante de aproximadamente los últimos 0,05 segundos de tiempo simulado. Si quiere empezar de cero, el botón «Reiniciar el circuito», arriba a la derecha de cada panel, recarga la figura a su estado inicial.

V1 Tensión en el borne + del motor ── observe el pico, o el techo, justo tras el OFF I1 Corriente del motor ── observe cuán rápido decae y qué camino toma

2. Giro libre ── cortar el accionamiento sin preparar ningún camino (Fig. 1)

La primera figura no tiene vía de parada alguna. Corte el interruptor de accionamiento y el circuito del motor queda simplemente abierto. Eso es la parada por inercia (giro libre), y todas las demás formas de parar de este artículo se leen contra esta referencia. Ponga «Lógica Y0» en ON, observe cómo circula la corriente y sube la velocidad, corte a OFF antes de que la velocidad llegue al máximo ── y no pierda de vista la gráfica de 【V1】 justo después del OFF.

En el instante del OFF, la corriente que quedaba en los devanados pierde su camino, y en 【V1】 aparece la misma sobretensión momentánea que vimos en la Parte 1 (el devanado de un motor es una bobina, así que hasta aquí es repaso). Lo que viene después es el verdadero tema de este artículo. Aunque la corriente muera, el motor sigue girando por inercia y, como generador, mantiene tensión en sus bornes ── pero el circuito está abierto y no circula corriente. No hay frenado eléctrico alguno, y la velocidad baja despacio, solo por la fricción de rodamientos y carga. «Lo apagué y sigue girando» ── el giro libre es la forma de parar que deja la energía cinética enteramente en manos de la fricción.

Nota: las figuras 1 a 3 incluyen una pequeña red RC serie que representa la capacidad y las fugas del cableado real, añadida para que la oscilación tras el OFF no se prolongue indefinidamente. No forma parte del camino principal.

3. El freno por cortocircuito ── una los bornes y la corriente sigue girando (Fig. 2)

Ahora añadimos un interruptor de parada entre los bornes del motor. Corte el accionamiento, cierre este interruptor, y los dos bornes del motor quedan cortocircuitados. Un motor que gira es un generador ── y un generador en cortocircuito impulsa corriente. La corriente sigue girando por el pequeño lazo motor → interruptor de cortocircuito → motor, y su fuente de energía es el propio giro. Dicho de otro modo, el giro se frena. Es el freno por cortocircuito (una forma de freno dinámico).

En la figura de abajo, esa vía de parada está en un botón. Primero deje «Freno por cortocircuito: no», haga un ciclo ON → OFF y confirme la sobretensión de la Fig. 1. Después, tras el OFF, ponga el freno en «sí» y repita los mismos pasos. Mismo circuito, mismos controles ── el pico de 【V1】 queda domado, y en su lugar se ve la corriente circular por el lazo del cortocircuito.

Una comprobación importante mientras está aquí: la corriente del freno por cortocircuito no vuelve jamás a la fuente. Circula únicamente entre el motor y el interruptor de cortocircuito, y la energía del giro se consume sobre todo como calor en la resistencia del inducido (el devanado). Es tentador imaginar que «frenar = devolver electricidad a la fuente», pero esa es la historia del §5 (la regeneración). El freno por cortocircuito, simplemente, convierte la energía en calor allí mismo y la desecha.

	Freno en «no» (giro libre)	Freno en «sí»
【V1】 justo tras el OFF	Pico brusco momentáneo	Pico domado
Camino de la corriente tras parar	Ninguno (abierto)	Lazo motor ↔ interruptor
Cómo cae la velocidad	Despacio, solo por fricción	Rápido, por frenado generador
Adónde va la energía	Sobretensión · fricción	Sobre todo calor en el inducido
¿Vuelve a la fuente?	No	No

4. La resistencia de frenado ── elegir dónde sale el calor (Fig. 3)

El freno por cortocircuito tiene dos puntos débiles ── el calor acaba en el inducido y la corriente es enorme. Ambos se alivian a la vez si el cortocircuito se sustituye por una resistencia del valor que usted elija. Eso es la resistencia de frenado. En la figura de abajo, la vía de parada entre los bornes del motor es una resistencia de 150 Ω en serie con un interruptor. Los controles son los de la Fig. 2: haga el OFF con «Resistencia de frenado: no» para ver la sobretensión, y repita después con «sí».

Compare con la Fig. 2 y verá que 【I1】 decae con más suavidad que con el cortocircuito puro. Más resistencia significa menos corriente de frenado y un freno más suave; menos resistencia le devuelve hacia el freno por cortocircuito. Y el calor sale ahora, sobre todo, en la resistencia de frenado externa en lugar del inducido. Que la energía cinética la absorba una resistencia con su disipación bien resuelta, y no el motor, sensible al calor ── por eso existen las «resistencias de frenado» (a menudo vendidas como «resistencias de regeneración») alrededor de servoamplificadores y variadores. El diseñador elige a la vez la fuerza del frenado y el lugar donde aparece el calor ── esa es la diferencia esencial frente al cortocircuito puro.

5. La regeneración ── construir un camino de vuelta a la fuente (Fig. 4)

El último método es de un carácter distinto a los otros tres. Al circuito de la Fig. 1 le añadimos un único diodo desde el borne + del motor hacia el carril de 24 V (ánodo del lado del motor, cátodo del lado de la fuente). Tras cortar el accionamiento, cada vez que la tensión de bornes del motor que gira intenta superar a la fuente, el diodo conduce y la corriente fluye hacia el lado de la fuente. En lugar de quemar la energía cinética como calor, la devolvemos como electricidad ── esta es la puerta de entrada a la regeneración.

Los controles, como siempre: ON → OFF. Esta vez, justo después del OFF, observe cómo los puntos de corriente atraviesan el diodo camino de la fuente. Y en vez del pico afilado de la Fig. 1, 【V1】 hace techo cerca de la tensión de la fuente ── la corriente que no tenía adónde ir ahora tiene un camino de vuelta a casa.

6. Elegir entre las cuatro ── por camino de la corriente y lugar del calor

Aquí está todo lo visto en las cuatro figuras, en una sola hoja. No se trata de que un método sea mejor que otro: se elige respondiendo a tres preguntas ── ¿qué lazo recorre la corriente?, ¿dónde se deshace uno de la energía? y ¿cuán rápido debe pararse el motor? Esa es la conclusión de este artículo.

Método	Camino de la corriente tras parar	Adónde va la energía	Rapidez de parada	En una línea
Giro libre (Fig. 1)	Ninguno (abierto)	Fricción (+ sobretensión del OFF)	Lenta, sin control	Una parada que nunca se diseñó
Freno por cortocircuito (Fig. 2)	Lazo de bornes en corto	Sobre todo calor en el inducido	Rápida (corriente grande)	Potente, pero el motor carga con el calor
Resistencia de frenado (Fig. 3)	Lazo de bornes + resistencia	Calor en la resistencia externa	Ajustable con la resistencia	Fuerza y lugar del calor, por diseño
Regeneración (Fig. 4)	De vuelta a la fuente	Lado de la fuente (recuperada, en el caso ideal)	Depende del receptor	Todo depende de tener a quién devolverla

Una cosa más, elija el método que elija: la sobretensión del instante del OFF sigue necesitando su propia protección (el diodo y compañía de la Parte 1). En el breve instante antes de que cierre el interruptor de la vía de parada, la corriente del devanado no tiene adónde ir. Diseñar la parada y proteger contra la sobretensión ── como dos trabajos separados, y ambos hechos. Ese es el hilo práctico que une la Parte 1 con este artículo.

En los productos reales rara vez cableará usted estos circuitos desnudos: los drivers de motor y los puentes en H traen de fábrica el freno por cortocircuito (modo brake) y los caminos de regeneración. Pero cuando una hoja de datos dice «brake», «coast» o «regenerative», las cuatro figuras de este artículo son exactamente el mapa de lo que significan esas palabras.

Resumen ── «parar» es decidir el camino de la corriente y el destino de la energía

• Cortar el accionamiento no borra ni la corriente ni el giro del motor. Un motor que gira es un generador, y diseñar una parada es elegir adónde va la energía cinética (§1).
• El giro libre no tiene camino: sin frenado eléctrico, la parada queda en manos de la fricción, y la sobretensión del instante del OFF aparece por la misma razón que en la Parte 1 (§2).
• El freno por cortocircuito hace circular la corriente en un lazo entre bornes, convirtiendo el impulso del giro en calor del inducido para una parada rápida. Nada vuelve a la fuente (§3).
• La resistencia de frenado es «un cortocircuito con los Ω elegidos»: el diseñador escoge la fuerza del frenado y dónde sale el calor (§4).
• La regeneración es un camino de vuelta a la fuente ── pero la mayoría de las fuentes reales no pueden aceptarla, lo que plantea el siguiente problema: la subida de tensión del bus (§5, continuación prevista).
• Sea cual sea el método, la protección contra la sobretensión del OFF es un requisito aparte y adicional (§6).

Los cimientos de este artículo ── «la bobina detesta los cambios bruscos de corriente» y «dónde cae la sobretensión» ── se ponen en la Parte 1, «La fuerza contraelectromotriz de una bobina, explicada con esquemas de circuito interactivos ── el papel del diodo de rueda libre», y la etapa de salida que acciona el motor se trata en «¿Relé, transistor o triac? Entender los tipos de salida de un PLC con esquemas de circuito interactivos», ambos con el mismo tipo de figuras interactivas.

FAQ

Q1. Giro libre, freno por cortocircuito, regeneración ── ¿cada uno en una línea?

R. Giro libre: no ofrecer camino alguno y esperar a la fricción. Freno por cortocircuito: crear un lazo entre bornes y quemar la energía como calor allí mismo, parando rápido. Regeneración: crear un camino hacia la fuente y devolver la energía como electricidad. El eje que los separa es qué lazo recorre la corriente después de la parada.

Q2. ¿En qué se diferencia esto de la sobretensión de la bobina de la Parte 1?

R. La Parte 1 trataba de la energía almacenada en un campo magnético ── una única sobretensión breve, combatida con una «vía de escape momentánea» como el diodo de rueda libre. Este artículo trata de deshacerse de la energía cinética del giro ── mucho mayor, mucho más duradera, y combatida diseñando la propia parada. En un motor ocurren las dos cosas a la vez, así que hacen falta la protección contra sobretensiones y el diseño de la parada como dos puntos separados.

Q3. ¿La corriente del freno por cortocircuito vuelve a la fuente?

R. No. La corriente circula solo en el lazo entre el motor y el interruptor de cortocircuito, y la energía se disipa sobre todo en la resistencia del inducido, como calor. La energía solo vuelve a la fuente cuando existe un camino hacia ella, como en la Fig. 4 (regeneración).

Q4. ¿«Resistencia de frenado» y «resistencia de regeneración» son lo mismo?

R. Como componente, ambas son resistencias de potencia; el nombre suele depender del contexto. Pero hay dos conexiones distintas: entre los bornes del motor, como en la Fig. 3, o en el bus DC de un variador o servo, donde quema la subida de tensión del bus causada por la regeneración (continuación prevista). Cuando un catálogo dice «resistencia de regeneración», normalmente se refiere a la segunda.

Q5. ¿El freno por cortocircuito puede aplicarse en cualquier momento?

R. No. Como la resistencia del lazo es mínima, la corriente de frenado en el momento de aplicarlo es grande, y desde alta velocidad o con mucha inercia puede superar los valores nominales del interruptor o del motor. Los drivers y motores reales especifican las condiciones (velocidad, frecuencia de uso, etcétera) en que puede usarse el freno. En caso de duda, inclínese por una resistencia de frenado que limite la corriente.

Q6. ¿Qué sale mal, en concreto, cuando la energía regenerada vuelve a la fuente?

R. El problema es el receptor. La fuente ideal de la Fig. 4 absorbe la corriente, pero la mayoría de las fuentes DC reales no están hechas para admitir corriente entrante. Sin destino, la corriente carga los condensadores del bus y la tensión del bus sube. Los «disparos por sobretensión» de los variadores, las resistencias de frenado regenerativo del bus y los convertidores regenerativos son, todos, respuestas a este fenómeno.

Q7. ¿Por qué las figuras piden cortar a OFF antes de que la velocidad llegue al máximo?

R. Porque cuando un motor sin carga alcanza su velocidad final, su tensión generada (fuerza contraelectromotriz) casi iguala a la fuente y la corriente prácticamente deja de circular. Si corta entonces, queda poca corriente que perder, y la sobretensión también es pequeña. Corte durante la aceleración ── mientras quede corriente ── y el comportamiento de la corriente al perder su camino se verá con claridad.

Q8. ¿Cuál de estos es el «modo brake» de un puente en H o un driver de motor?

R. Normalmente el freno por cortocircuito de la Fig. 2: los dos interruptores inferiores (o los dos superiores) del puente se activan a la vez, cortocircuitando los bornes del motor. En el lenguaje de las hojas de datos, coast (rueda libre) corresponde a la Fig. 1, brake a la Fig. 2, y regenerative braking a la familia de caminos de la Fig. 4.

Q9. ¿El mismo razonamiento vale para motores AC (de inducción)?

R. El esqueleto ── decidir adónde va la energía cinética ── es el mismo, pero los caminos se construyen de otra manera. Con un motor AC alimentado por variador, la deceleración regenera a través del variador hacia el bus DC, entrando de lleno en el mundo de la continuación de la Fig. 4: subida del bus, resistencias de frenado y convertidores regenerativos. También existen métodos propios de AC, como el frenado por inyección de corriente continua.

Q10. ¿En qué se diferencia la simulación del hardware real?

R. Está reducida al esqueleto del principio. Las constantes del motor (constante de par, inercia, fricción) son valores didácticos elegidos para que el comportamiento se vea bien, y la resistencia serie de 50 Ω sirve también para frenar los puntos de corriente en pantalla. La pequeña red RC serie de las figuras 1 a 3 representa la capacidad y las fugas del cableado real, solo para amortiguar la oscilación ── no forma parte del camino principal. La fuente de la Fig. 4 es una fuente de tensión ideal, así que la subida de tensión del bus que castiga al hardware real no aparece. Use las figuras para entender el principio, y las hojas de datos de motores y drivers para los números del diseño real.