2.2.7. Medida de la velocidad de rotación

Introducción a la velocidad de rotación en entornos industriales

En el ámbito de la automatización y del mantenimiento de sistemas eléctricos industriales, la velocidad de rotación de las máquinas rotativas representa un parámetro fundamental para el diagnóstico operativo y el control de procesos. La monitorización precisa de las revoluciones por minuto (rpm) o de la velocidad angular ($\omega$ en rad/s) permite no solo verificar el rendimiento nominal de los motores según las directrices de la norma UNE-EN 60034-1, sino también prevenir averías mecánicas catastróficas por sobrevelocidad o sobrecalentamiento. El técnico electricista debe comprender que una variación imprevista en el régimen de giro suele ser el síntoma primario de fallos severos como desalineaciones, sobrecargas en el eje, pérdidas de aislamiento en los devanados del estator o desgaste prematuro de los rodamientos.

La velocidad síncrona ($n_s$) de un motor de inducción asíncrono viene determinada de manera matemática por la frecuencia de la red eléctrica ($f$) y el número de pares de polos ($p$) de la máquina mediante la conocida fórmula:

$$n_s = \frac{60 \cdot f}{p}$$

Sin embargo, debido al deslizamiento inherente a este tipo de motores, la velocidad real de rotación bajo carga ($n$) siempre será menor que la síncrona. La medición sistemática del deslizamiento real es una herramienta fundamental de mantenimiento predictivo que ayuda a evaluar el estado de carga mecánica real que soporta la máquina. Para llevar a cabo esta tarea con la rigurosidad requerida, coexisten tecnologías con y sin contacto físico, cuyas especificaciones e implementaciones deben conocerse detalladamente para su montaje en cuadros de protección e instrumentación técnica.

Tecnologías de medición y sensores de rotación

La evolución tecnológica ha desplazado los antiguos sistemas puramente mecánicos de aguja por dispositivos electrónicos digitales de gran precisión. A continuación, se detallan las principales tipologías instrumentales que el operario del curso ELEE0109 encontrará en su actividad profesional cotidiana:

Tacómetros portátiles con contacto

Estos instrumentos emplean un cabezal de goma (normalmente cónico o en forma de rueda para velocidades lineales) que se presiona directamente contra el centro del eje giratorio expuesto de la máquina. La fricción mecánica transmite el movimiento del motor a un codificador interno de precisión dentro del propio dispositivo portátil. Aunque su precisión es elevada en rangos bajos y medios, presentan inconvenientes insalvables en ejes de difícil acceso, en ejes de muy pequeño diámetro (donde la propia presión del cabezal reduce la velocidad real del rotor) y, de forma prioritaria, implican riesgos evidentes de atrapamiento mecánico para el operario que manipula el instrumento si no se respetan escrupulosamente los protocolos de prevención de riesgos laborales.

Tacómetros ópticos por láser o infrarrojos

Constituyen la herramienta estándar para el técnico de mantenimiento predictivo de campo. El principio de funcionamiento se basa en la proyección de un haz de luz coherente (láser) o de radiación infrarroja hacia el eje de la máquina en movimiento. Previamente, el técnico debe adherir una pequeña tira de cinta reflectante en una zona limpia del eje. Cada vez que la cinta cruza el haz luminoso, la luz rebota hacia el receptor óptico integrado en el tacómetro, que convierte estos pulsos en una señal de frecuencia eléctrica digital. La electrónica de control procesa el tiempo transcurrido entre pulsos sucesivos para calcular las rpm con extraordinaria precisión. La gran ventaja reside en que el operario trabaja a distancias seguras (desde 50 mm hasta más de 1 metro) y sin perturbar dinámicamente el movimiento del rotor.

Sensores inductivos y de efecto Hall

Cuando la monitorización debe ser permanente y estar integrada en el propio cuadro de control mediante autómatas programables (PLC), se recurre a captadores fijos montados en la propia estructura del motor. Los sensores inductivos detectan el paso de elementos ferromagnéticos (como los dientes de un engranaje acoplado al eje o un saliente metálico mecanizado ad hoc) sin contacto directo. Los sensores de efecto Hall, por su parte, reaccionan ante la variación de un campo magnético provocado por un pequeño imán fijado al eje rotativo. Ambos sensores generan salidas de pulsos de onda cuadrada (típicamente 24 V CC en entornos industriales) cuya frecuencia es proporcional a la velocidad de rotación. Estas señales se conectan a tarjetas de entradas rápidas del PLC para el control en bucle cerrado de convertidores de frecuencia y variadores de velocidad.

Codificadores rotativos (Encoders)

Son los sensores de posición y velocidad más precisos de la industria. Pueden ser incrementales (generan trenes de impulsos en canales desfasados A y B para conocer velocidad y sentido de giro) o absolutos (proporcionan un código binario único para cada posición del eje, manteniendo la lectura incluso si se interrumpe la alimentación eléctrica). Su uso es indispensable en servomotores y sistemas de posicionamiento milimétrico.

Protocolos de seguridad y normativa aplicable

La medición de velocidad en elementos mecánicos rotativos exige la máxima atención por parte del instalador eléctrico. Toda intervención que requiera el acercamiento a ejes rotativos debe regirse por la norma española de prevención de riesgos laborales y el RD 614/2001 sobre riesgo eléctrico. Se debe evitar categóricamente el uso de ropa holgada, guantes no ceñidos, bufandas, colgantes o cabello largo suelto que puedan ser atrapados por el rotor. Si se instalan sensores permanentes en el cuadro de control, el técnico debe realizar la conexión mecánica del soporte del sensor con el motor completamente apagado, aplicando un procedimiento estricto de consignación y etiquetado (LOTO - Lockout/Tagout) en el disyuntor correspondiente del armario eléctrico.

Desde el punto de vista normativo, los instrumentos de medición de velocidad industrial deben cumplir con las especificaciones de compatibilidad electromagnética (Directiva 2014/30/UE) y de seguridad eléctrica en baja tensión. Además, el correcto calibrado de los tacómetros debe estar certificado anualmente bajo estándares trazables a laboratorios oficiales (ENAC en España), especialmente cuando las lecturas se emplean para certificar el rendimiento de motores según la norma UNE-EN 60034-2-1 de determinación de pérdidas y eficiencia.

# Script para calcular las RPM a partir de los pulsos leídos por un PLC

# y determinar el deslizamiento porcentual de un motor de inducción.



def calcular_parametros_motor(frecuencia_pulsos_hz, pulsos_por_vuelta, polos, frec_red_hz=50):

    # Calcular velocidad medida en rpm

    rpm_medidas = (frecuencia_pulsos_hz * 60) / pulsos_por_vuelta

    

    # Calcular velocidad síncrona

    pares_polos = polos / 2

    rpm_sincronas = (60 * frec_red_hz) / pares_polos

    

    # Deslizamiento en porcentaje

    deslizamiento = ((rpm_sincronas - rpm_medidas) / rpm_sincronas) * 100

    

    print(f"💡 Frecuencia leída por el PLC: {frecuencia_pulsos_hz} Hz")

    print(f"💡 Velocidad real del motor: {rpm_medidas:.2f} rpm")

    print(f"? Velocidad síncrona teórica: {rpm_sincronas:.2f} rpm")

    print(f"💡 Deslizamiento calculado: {deslizamiento:.2f}%")

    

    return rpm_medidas, deslizamiento



# Simulación: Sensor inductivo lee 8 dientes en un engranaje a 200 Hz

# Motor de 4 polos (2 pares de polos) conectado a red de 50 Hz

calcular_parametros_motor(frecuencia_pulsos_hz=200, pulsos_por_vuelta=8, polos=4)