Voltaje industrial en Japón: 200 V trifásico y 50/60 Hz

La placa de datos de una máquina japonesa dice «3φ CA 200 V 50/60 Hz». Tu planta en México opera a 480 V y 60 Hz (o a 220/127 V, según el edificio). Antes de que alguien la conecte hay que responder tres preguntas: ¿la máquina necesita un transformador?, ¿sus motores se comportarán igual a tu frecuencia? y ¿cuáles de sus voltajes internos (200 V, 100 V, 24 V CD) sí son un problema para ti?

La respuesta corta: las fábricas japonesas suelen alimentar los motores con 200 V trifásico (y las cargas grandes con la clase de 400 V), la iluminación y los equipos pequeños con 100 V monofásico, y los controles con 24 V CD. La red es de 50 Hz en el este de Japón y de 60 Hz en el oeste. Una máquina hecha para 200 V normalmente necesitará un transformador reductor, o una versión de otro voltaje del proveedor, para operar con una alimentación de planta de 440–480 V. La frecuencia es una revisión aparte, porque cambia la velocidad de los motores y la carga de los motores y de las bobinas de CA.

Esta guía explica los voltajes japoneses que verás en planos y placas de datos, los compara con las alimentaciones típicas en México y otros países, muestra por qué el mismo motor toma la mitad de corriente a 400 V, y termina con una lista de verificación y un correo listo para enviar al proveedor japonés. Indica qué confirmar; no es un procedimiento de instalación.

Los voltajes dentro de una fábrica japonesa

Una planta japonesa no opera todo con un solo voltaje. Elige la alimentación según la carga y según el estándar de diseño de la propia fábrica. Las bombas y los ventiladores grandes son candidatos para alimentación trifásica de clase de 400 V, y las cargas de motor en general también operan con 200 V trifásico. La iluminación, los contactos y los equipos pequeños usan 100 V monofásico, mientras que los sensores, las E/S del PLC y los relevadores suelen trabajar con 24 V CD.

La «clase de 400 V» no es un solo número. Los equipos de esta clase pueden tener valores nominales de 400 V, 415 V o 440 V, así que dos equipos que ambos se llaman «de 400 V» no necesariamente son intercambiables. Una misma máquina también puede usar varios voltajes a la vez: una válvula motorizada, por ejemplo, puede tomar 200 V para su motor pero otro voltaje para la señal de abrir/cerrar y para las señales de estado.

La alimentación de 24 V CD no es solo un transformador más pequeño. La electrónica, como los PLC y las computadoras, opera con voltajes de CD bajos y estables, lo cual exige rectificación y regulación además de cualquier reducción de CA.

Para una planta fuera de Japón, esta división importa. El circuito de control de 24 V CD normalmente lo genera una fuente de poder dentro del tablero de la máquina, así que solo la capacidad de entrada de esa fuente tiene que ser compatible con tu red. En cambio, el motor trifásico y todo lo conectado a 100 V monofásico dependen directamente de ella. Los 100 V de Japón son poco comunes fuera del país: México usa 127 V en monofásico y Estados Unidos 120 V, por lo que hay que identificar cada carga de 100 V de la máquina. Una carga de 100 V conectada a 127 V recibiría 27 % más del voltaje para el que fue hecha.

50 Hz en el este, 60 Hz en el oeste

La red de Japón está dividida en dos. El este de Japón, incluido Tokio, opera a 50 Hz, y el oeste, incluido Osaka, opera a 60 Hz. La frontera va aproximadamente del río Fuji, en la prefectura de Shizuoka, a Itoigawa, en la prefectura de Niigata, y no es una línea recta. La división viene de la década de 1890, cuando Tokio instaló generadores alemanes de 50 Hz y Osaka instaló generadores estadounidenses de 60 Hz.

Por eso las placas de datos y las hojas de especificaciones japonesas tantas veces indican ambas frecuencias. Un proveedor en Nagoya u Osaka puede probar la máquina a 60 Hz, mientras que uno cerca de Tokio la prueba a 50 Hz. No supongas que «hecho en Japón» te dice con qué frecuencia se ajustó y se probó la máquina. Pregunta. México opera a 60 Hz, igual que el oeste de Japón, pero eso no te ayuda si el proveedor probó la máquina a 50 Hz.

«Teiatsu» (baja tensión) no significa seguro

Los documentos japoneses usan tres categorías legales de voltaje, tomadas del reglamento nacional de normas técnicas para equipos eléctricos (artículo 2). Tanto 200 V como 400 V de CA caen en teiatsu (baja tensión). Por ejemplo, 3,300 V y 6,600 V de CA están en la categoría koatsu (alta tensión) y se manejan de forma distinta que la fuerza de baja tensión de 200 V y 400 V. Así que cuando un documento japonés dice «alta tensión», no se refiere a 400 V.

El nombre legal no es una clasificación de seguridad. En una carga resistiva, la ley de Ohm (V = RI) indica que, con resistencia constante, la corriente sube con el voltaje; pero el cuerpo humano no se reduce a una sola resistencia fija ni a un solo umbral de corriente que separe lo seguro de lo peligroso. La gravedad de una descarga depende de dónde se toca, de la trayectoria de la corriente, del tiempo de contacto y de la humedad, e incluso 100 V implican un riesgo real de choque eléctrico. Un voltaje menor no elimina la necesidad de proteger las partes vivas, de una puesta a tierra y protecciones adecuadas, ni de los procedimientos de bloqueo y etiquetado.

Japón frente a tu planta: voltajes y frecuencias típicos de alimentación

La tabla siguiente pone a Japón junto a los sistemas que más se encuentran en plantas de la región. Úsala como punto de partida. Los valores nominales publicados y lo que mides en la planta pueden diferir, y algunas redes antiguas todavía operan con valores distintos del nominal oficial.

Destacan dos cosas. Primera: una máquina japonesa de 200 V no coincide en voltaje con casi ningún sistema fuera de Japón. Las excepciones parciales son los sistemas de 208 V de Estados Unidos y de 220 V de México, que están cerca de los 200 V japoneses pero siguen necesitando confirmación contra el rango de voltaje nominal de la máquina. Segunda: México y la mayor parte de América operan a 60 Hz, Japón tiene las dos frecuencias, así que la pregunta de la frecuencia depende de dónde está el proveedor además de dónde estás tú.

Por qué el voltaje cambia la corriente y las pérdidas del cable

Con la misma potencia, un voltaje de alimentación mayor implica una corriente menor. Por eso las plantas operan los motores grandes a clase de 400 V o a 480 V en vez de 200 V. La potencia es la rapidez con que se usa la energía eléctrica y se mide en watts (W) o kilowatts (kW). En CD es el voltaje por la corriente. En CA hay que considerar además el número de fases y el factor de potencia.

Con la misma potencia real y el mismo factor de potencia, duplicar el voltaje reduce la corriente a la mitad. Esto compara dos motores, cada uno diseñado para su propio voltaje. No significa que puedas aplicar 400 V a un motor de 200 V.

Ejemplo: corriente de línea de un motor de 7.5 kW a distintos voltajes

Los kW de la placa de datos de un motor normalmente son la potencia nominal en la flecha, no la entrada eléctrica. La eficiencia es la potencia en la flecha entre la entrada eléctrica, y el factor de potencia es la potencia real entre la potencia aparente. Para obtener la corriente a partir de la potencia en la flecha se necesitan ambos.

Tomemos un motor trifásico hipotético: 7.5 kW en la flecha, 90 % de eficiencia y factor de potencia de 0.80. Para ilustrar, supón la misma eficiencia y el mismo factor de potencia en todas las versiones de voltaje. Las corrientes nominales reales salen de la hoja de datos de cada producto.

Con 90 % de eficiencia, ambos motores toman unos 8.33 kW de entrada eléctrica. Pasar a 400 V no reduce a la mitad el consumo de energía: reduce a la mitad la corriente. La misma fórmula da lo siguiente para los voltajes que probablemente encontrarás:

Menos corriente reduce las pérdidas resistivas del cable

El calor que se pierde en un cable es proporcional al cuadrado de la corriente. Con el mismo material del conductor, la misma longitud y la misma sección, reducir la corriente a la mitad baja la pérdida resistiva del cable a una cuarta parte.

Menos corriente puede permitir un cable más delgado, pero después de reducir la sección la pérdida ya no es necesariamente la cuarta parte de la original. Elige la sección que cumpla con la ampacidad, la caída de voltaje, la resistencia a cortocircuito y las condiciones de instalación, y vuelve a evaluar con ese cable. La caída de voltaje también depende de la corriente y de la resistencia y la reactancia del cable, así que un voltaje mayor ayuda también ahí. No reduzcas a la mitad la sección de un cable solo por la relación de voltajes sin revisar el tipo de circuito, el factor de potencia y la longitud del tramo.

Qué cambia entre 50 Hz y 60 Hz

Igualar el voltaje es solo la mitad del trabajo. La velocidad de un motor de inducción sigue a la frecuencia de alimentación: la velocidad síncrona es 120 × f / polos, así que un motor de 4 polos gira a 1,500 rpm síncronas a 50 Hz y a 1,800 rpm a 60 Hz. La velocidad real es un poco menor por el deslizamiento.

Un catálogo japonés muestra cómo se ve esto en una placa de datos. El motor SF-PR de Mitsubishi Electric, clase de 400 V, 4 polos, 5.5 kW, está especificado para cuatro combinaciones de voltaje y frecuencia, cada una con su propia corriente y velocidad:

De aquí se desprenden dos cosas. Una bomba, un ventilador o un transportador accionado directamente por el motor funciona unos 20 % más rápido a 60 Hz que a 50 Hz, lo que cambia su salida y la carga sobre el motor; en bombas y ventiladores la potencia requerida sube mucho más rápido que la velocidad. Si la máquina se ajustó a 50 Hz y la vas a operar en México a 60 Hz, pregunta al proveedor si dimensionó y probó la máquina a tu frecuencia. Por otro lado, un motor con valor nominal solo a 60 Hz no está automáticamente bien a 50 Hz con el mismo voltaje: la relación voltaje/frecuencia sube cerca de 20 %, lo que aumenta el flujo magnético y puede sobrecalentar el motor, y además baja su capacidad de salida. Cualquier reducción de capacidad o ajuste de voltaje debe venir del fabricante del motor.

Otras partes sensibles a la frecuencia

Los motores no son las únicas partes que hay que revisar. Las bobinas de CA de contactores, relevadores y electroválvulas tienen valores nominales para voltajes y frecuencias específicos, y las bobinas de CA y de CD no son intercambiables. También merecen una revisión los ventiladores de CA de los tableros y cualquier cosa temporizada con la frecuencia de la línea. Muchas partes indican «50/60 Hz», pero confírmalo pieza por pieza en la lista de partes en lugar de suponerlo.

Variadores de frecuencia (inversores)

Un variador de frecuencia, que en los documentos japoneses se llama «inverter» (inversor), cambia el panorama. Su frecuencia de salida se fija con parámetros, así que un motor detrás de un variador no ve directamente la frecuencia de tu red. Aun así hay que hacer dos revisiones por separado.

• Entrada: la clase de voltaje del variador (clase de 200 V o clase de 400 V) debe cubrir tu voltaje de alimentación. Un variador de clase de 200 V no puede conectarse a una alimentación de 400 V o 480 V.
• Salida al motor: el variador y el motor deben coincidir en voltaje. Mitsubishi Electric indica que un inversor de 400 V no debe accionar un motor de 200 V, porque el voltaje pico de salida del inversor puede superar el voltaje que soporta el aislamiento del motor, aunque se baje el ajuste de salida. Usa un inversor de 200 V para un motor de 200 V, y consulta al fabricante sobre el voltaje pico de salida y el aislamiento del motor en cualquier otra combinación.

Si la máquina tiene variadores, haz una lista de cada uno con su modelo y su clase de voltaje, y pregunta al proveedor si existe una versión de clase de 400 V para tu sitio.

¿Necesitas un transformador?

Ajustar la máquina a la alimentación evita equipo de conversión. Si tu planta tiene una alimentación de 200 V y la máquina es un modelo de 200 V, quizá no necesites ningún transformador reductor para la alimentación principal. La misma lógica aplica a las cargas pequeñas: elegir un dispositivo de 200 V CA donde ya hay 200 V CA cerca puede eliminar un transformador dedicado para bajar a 100 V CA. Pero en la mayoría de las plantas fuera de Japón hay que elegir entre dos opciones: pedir la máquina en una versión que coincida con tu alimentación, o conservar la versión de 200 V y agregar un transformador reductor.

Aun cuando un transformador parezca más sencillo, no es el único factor. Las refacciones, un voltaje de control común en toda la planta, el reemplazo cuando algo falla, la protección contra descargas y el comportamiento durante un apagón apuntan a seguir el estándar eléctrico de tu propia planta. Al reemplazar una parte, compara voltaje, CA o CD, número de fases, frecuencia, potencia, corriente admisible, aislamiento y protecciones, no solo el voltaje. Algunos productos pueden conmutarse entre 200 V y 400 V, pero las conexiones de terminales y las condiciones de uso las define el manual de ese producto, no solo la placa de datos.

Elegir el voltaje tampoco resuelve todo lo demás. La continuidad durante un apagón requiere su propia revisión de UPS, y el aislamiento de señales requiere su propia revisión de aisladores. Donde un dispositivo viene en versiones de 100 V y de 200 V, como algunas válvulas motorizadas, compara también las señales de mando, la corriente de arranque, la necesidad de conversión de potencia y las refacciones de mantenimiento, además de la alimentación principal.

Revisa el circuito de 24 V CD en el extremo

Los controles de 24 V CD no dependen de tu red, pero tienen un límite propio: la caída de voltaje. Cuando una máquina japonesa se instala con un cableado de campo más largo que el de la fábrica del proveedor, una pequeña caída puede dejar a un dispositivo por debajo de su entrada mínima. Revisa no solo el estado estable, sino también la corriente cuando las electroválvulas y cargas similares conmutan al mismo tiempo, y cuenta el circuito completo (ida y regreso) desde la fuente hasta el dispositivo.

Por ejemplo, supón una fuente de 24 V, una corriente de carga de 2 A y una resistencia total del circuito de 1 Ω. El cableado provoca una caída de 2 V, así que el dispositivo recibe 22 V. Compara ese valor con el voltaje mínimo de entrada del dispositivo en su hoja de datos.

Una fuente de poder con mucha capacidad puede aun así dejar corto el extremo por la resistencia del cableado o por la corriente de arranque. Antes de subir la salida de la fuente, revisa la sección y la distancia del cable, el rango de entrada permitido de cada dispositivo y si algún dispositivo quedaría entonces con sobrevoltaje.

24 V CA y 24 V CD son alimentaciones distintas, y algunos dispositivos de CD tienen polaridad, así que confirma en el diagrama de terminales tanto el tipo de voltaje como la polaridad. Un contacto seco (libre de voltaje) no suministra voltaje por sí mismo; revisa en el diagrama de terminales el circuito de entrada que lo recibe y la alimentación externa que necesite. La alimentación principal de 200 V de la máquina no dice nada sobre las condiciones de sus señales, así que revisa por separado la especificación de alimentación y la de E/S.

Lista de verificación antes de pedir o conectar

• Alimentación de la planta: voltaje medido, frecuencia, número de fases y tipo de sistema en el punto de conexión
• Alimentación principal de la máquina: voltaje, frecuencia y fases nominales, y corriente a plena carga según la placa de datos y los planos eléctricos
• Cada motor: combinaciones de voltaje y frecuencia indicadas, y la corriente y la velocidad de la fila que coincide con tu alimentación
• Cada variador (inversor/VFD): clase de voltaje de entrada frente a tu alimentación, y voltaje del motor frente a la clase de salida del variador
• Cargas monofásicas de 100 V: cuáles son y cómo se alimentarán
• Transformador de control: derivaciones del primario disponibles y si alguna coincide con tu voltaje
• Bobinas de CA, ventiladores de tablero y partes sensibles a la frecuencia: valor nominal de 50/60 Hz en la lista de partes
• Fuente de poder de 24 V CD: capacidad de entrada, potencia y voltaje en el dispositivo más lejano
• Condiciones de prueba: el voltaje y la frecuencia a los que el proveedor hizo la prueba de aceptación en fábrica (FAT)
• Transformador (si se necesita): quién lo suministra, kVA incluido el arranque de motores, y protecciones
• Normatividad local: qué normas y aprobaciones debe cumplir la instalación, y quién la autoriza

Preguntas para el proveedor japonés

• ¿La máquina se construyó y se probó a 50 Hz o a 60 Hz? ¿También se probó a nuestra frecuencia?
• ¿Pueden suministrar una versión de clase de 400 V (o de 460 V, 60 Hz) en lugar de 200 V? ¿Qué partes cambiarían?
• Por favor, enumeren todos los motores y variadores con modelo, clase de voltaje y combinaciones nominales de voltaje y frecuencia.
• ¿Qué cargas funcionan con 100 V monofásico y cuál es la corriente total?
• ¿El transformador de control tiene una derivación en el primario para nuestro voltaje de alimentación?
• Si usamos un transformador reductor, ¿qué kVA y voltaje recomiendan, incluida la corriente de arranque?
• ¿Alguna parte tiene valor nominal para una sola frecuencia (bobinas, ventiladores, temporizadores)?
• ¿Cuál es el rango de voltaje de alimentación permitido para toda la máquina?

Plantilla de consulta

Cópiala, llena los corchetes y envíala. A un ingeniero japonés le resulta más fácil responder y traducir preguntas cortas y numeradas. Conviene mandarla en inglés, que es el idioma que el proveedor normalmente maneja.

Hasta dónde llega esta guía

• La tabla de voltajes se basa en valores nominales publicados. Los voltajes reales de planta, las tolerancias y los tipos de sistema (puesta a tierra, estrella o delta) varían según el sitio y la empresa eléctrica, y esta guía no los cubre.
• Las cifras de corriente y de pérdidas son para un motor hipotético con eficiencia y factor de potencia fijos. Los motores reales difieren según la versión de voltaje y el fabricante.
• Los datos del motor de Mitsubishi son un solo ejemplo de catálogo. Otros fabricantes y modelos indican otras combinaciones.
• La reducción de capacidad de un motor a una frecuencia no nominal, el dimensionamiento del transformador, la sección de los cables y los ajustes de protección son decisiones de diseño de tu ingeniero eléctrico y del fabricante del equipo.
• La inspección y el reemplazo deben seguir los procedimientos que fije el responsable de tu sitio para desenergizar, prevenir la re-energización y verificar la ausencia de voltaje, junto con la normatividad eléctrica y de seguridad aplicable en México (por ejemplo, la NOM-001-SEDE-2018 y la NOM-029-STPS-2011; consulta las versiones vigentes). Ten presentes las alimentaciones independientes, las salidas de UPS y la energía almacenada dentro del equipo de potencia, y asegúrate de haber identificado cada alimentación que llega al área de trabajo.

Preguntas frecuentes

¿Qué voltaje usan las fábricas japonesas?

Lo más común es 200 V trifásico para motores, la clase de 400 V (400, 415 o 440 V) para cargas grandes, 100 V monofásico para iluminación y equipos pequeños, y 24 V CD para controles. La frecuencia es de 50 Hz en el este de Japón y de 60 Hz en el oeste.

¿Puedo operar una máquina japonesa de 200 V con 480 V?

No directamente. Nunca conectes un voltaje superior al nominal, a menos que la máquina esté especificada expresamente para él. Usa un transformador reductor dimensionado por tu ingeniero, o pide al proveedor una versión de clase de 400 V / 460 V, 60 Hz, y confirma el cableado, la frecuencia y los ajustes de protección en la documentación del fabricante.

¿Funciona en México un motor japonés de 50 Hz, o uno de 60 Hz a 50 Hz?

Solo si está especificado para la frecuencia en que lo vas a usar. Muchos motores japoneses indican ambas, con valores separados de corriente y velocidad. Un motor con valor nominal solo a 50 Hz gira unos 20 % más rápido a 60 Hz, y uno nominal solo a 60 Hz gira unos 17 % más lento a 50 Hz; con el mismo voltaje, su flujo sube y puede sobrecalentarse. Consulta al fabricante antes de usarlo.

¿400 V es «alta tensión» en Japón?

No. Según el reglamento japonés de equipos eléctricos, hasta 600 V de CA es teiatsu (baja tensión), así que 400 V es baja tensión. El nombre no significa que sea seguro tocarlo. Siguen aplicando la protección de partes vivas y el bloqueo y etiquetado.

¿Los 24 V CD están libres de riesgo de choque eléctrico e incendio?

No automáticamente. Un voltaje bajo tiene ventajas, pero no vuelve seguro un circuito por sí solo. Un cortocircuito aún puede provocar una corriente grande, así que revisa las características de protección de la fuente de poder y la protección de cada circuito derivado.

Fuentes

• Categorías legales de voltaje de Japón (artículo 2): e-Gov, reglamento ministerial sobre normas técnicas de equipos eléctricos (en japonés)
• División de 50/60 Hz en Japón y su origen: Wikipedia, «Fuji River» (en inglés); IEEE Milestone, Sakuma Frequency Converter Station (en inglés)
• Frontera río Fuji–Itoigawa: Jackery Japan, zonas mixtas de 50 Hz/60 Hz (en japonés); Joshin, frecuencia por región (en japonés)
• Voltaje trifásico y frecuencia por país: WorldStandards, «Three-phase electric power» (en inglés)
• Voltajes de sistema de EE. UU. frente a voltajes de placa de motor: NEMA, «NEMA Motor Standards vs. IEC Motor Standards» (en inglés); Power Transmission Engineering, Baldor Basics (en inglés)
• Ejemplo de datos de motor (SF-PR clase de 400 V, 4 polos, 5.5 kW): Mitsubishi Electric, especificaciones SF-PR (en japonés)
• Inversor de 400 V con motor de 200 V: Mitsubishi Electric FA FAQ (en japonés)
• Ecuaciones de potencia y factor de potencia: HIOKI, ecuaciones de medición del PW4001 (en japonés); Asociación Japonesa de Ingenieros Eléctricos, método de dos wattmetros (en japonés)
• Fuentes de poder de CA a CD, valores nominales y protecciones: OMRON, glosario de fuentes de poder (en japonés); OMRON, valores nominales de la S8VK-WA (en japonés)
• Bobinas de relevador de CA/CD y polaridad: OMRON, guía técnica de relevadores generales (en japonés)
• Entradas con alimentación frente a entradas de contacto seco: OMRON, especificaciones de E/S del WT21 (en japonés)
• Factores del choque eléctrico y accidentes en baja tensión: Ministerio de Salud, Trabajo y Bienestar de Japón, «Choque eléctrico» (en japonés); MHLW, caso de accidente en baja tensión (en japonés)
• Medidas para trabajo en circuitos desenergizados (un reglamento distinto del de categorías de voltaje): MHLW, reglamento de seguridad y salud industrial (en japonés)
• Normatividad mexicana a consultar en su versión vigente: NOM-001-SEDE-2018 (instalaciones eléctricas, utilización), NOM-029-STPS-2011 (mantenimiento de instalaciones eléctricas en los centros de trabajo) y NMX-J-098-ANCE (sistemas eléctricos de potencia, voltajes normalizados)