Cómo abordar el ruido de los VFD y los motores con cables especiales

Los accionamientos de frecuencia variable (VFD) alimentan con precisión diversos tipos de motores eléctricos en la maquinaria automatizada. Estos VFD, que son esencialmente componentes de suministro de energía eléctrica-electrónica, dan forma a la tensión en los devanados del motor para estimular un control estricto de la velocidad del motor y (en las adaptaciones de control vectorial) de la salida de par. El problema es que puede haber corrientes incontroladas y otros fenómenos eléctricos asociados a este suministro eléctrico conformado... y si no se mitigan, estos fenómenos pueden resultar perjudiciales para la mayoría de los componentes y sistemas de automatización que se encuentran en las proximidades del VFD.

Figura 1: Los VFD, como el 3G3MX2-A2015-V1, son indispensables para una amplia variedad de aplicaciones de proceso y de automatización discreta, ya que proporcionan un control estricto, seguridad y máxima eficiencia a los ejes accionados por motores eléctricos. Una advertencia es que el funcionamiento de los VFD genera naturalmente una EMI que puede (si no se aborda) degradar las comunicaciones de los controles y la retroalimentación cercanos; dañar los componentes mecánicos adyacentes; y estimular varios disparos molestos junto con otro comportamiento subóptimo del sistema. (Fuente de la imagen: Omron Automation and Safety)

Considere el funcionamiento de los VFD para saber por qué pueden tener diseños subóptimos y causar problemas en los propios motores que accionan, así como en otros equipos cercanos. En resumen, los VFD:

• Acepta como entrada la corriente sinusoidal de la red eléctrica de CA y luego
• Rectificar (convertir) la energía de línea en corriente continua
• Utilizar transistores bipolares de puerta aislada (IGBT) para invertir (convertir en CA) la corriente continua, más concretamente, en trenes de impulsos modulados con precisión

Básicamente, los interruptores del accionamiento apagan y encienden la tensión para la corriente picada que hace girar al motor como si recibiera una onda sinusoidal de corriente suavemente modulada. Con esta forma de accionamiento, denominada modulación por ancho de pulsos o PWM, la velocidad de salida depende en última instancia de la frecuencia de los pulsos de corriente.

Los VFD de antaño que ejecutaban este proceso mediante rectificadores controlados por silicio (SCR) o transistores de unión bipolar (BJT) eran conmutadores más lentos que los VFD actuales basados en IGBT. Es la mayor frecuencia de conmutación de los IGBT lo que permite un control rápido y preciso del motor... pero también es lo que puede causar problemas en forma de interferencias electromagnéticas (EMI) conducidas y radiadas y de radiofrecuencia (RFI).

Efectos del ruido del VFD en el motor, los controles y el propio accionamiento

Los problemas de EMI surgen porque incluso cuando el accionamiento alimenta un motor para que funcione a baja velocidad, la forma en que cada impulso eléctrico es una onda cuadrada con amplitud de tensión de bus significa que la potencia enviada al motor incluye tiempos de subida de tensión dV/dt bastante dramáticos, expresados en μseg o fracciones de μseg.

Basta con considerar una de estas cuestiones: la de las ondas de tensión reflejadas. En el momento de la puesta en marcha, los devanados del estator del motor eléctrico se comportan como un inductor que construye gradualmente un campo magnético y luego pasa la corriente. El cable que alimenta la energía eléctrica desde el VFD hasta el motor ve un desajuste de impedancia en su unión con el motor. En este caso, los excesos antes mencionados hacen que las ondas de reflexión hagan rebotar algunos de los bordes de ataque de la forma de onda de la tensión hacia el cable (hacia la electrónica de accionamiento) en la conexión de alta impedancia del cable con el motor.

Las ondas reflejadas de tensión surgen de los excesos de tensión causados por el dramático dV/dt del PWM.

Un factor que puede agravar este fenómeno es la longitud excesiva (o, en algunos casos, inevitable) de los cables que van del accionamiento al motor. Los cables largos tienen una alta inductancia y ofrecen más oportunidades para los picos de tensión junto con la combinación de ondas reflejadas que los cables más cortos. Las ondas compuestas son especialmente perjudiciales, ya que estas ondas (que han entrado en fase) forman efectivamente nuevas ondas que tienen la suma de la tensión y la corriente de las originales.

Figura 2: La forma de onda cuadrada de los impulsos eléctricos de los VFD en la amplitud de la tensión del bus provoca tiempos de subida de tensión dV/dt dramáticos que (si no se abordan) pueden, a su vez, crear diversos problemas electromagnéticos. (Fuente de la imagen: Design World)

Tenga en cuenta que los motores (al igual que los VFD) también pueden sufrir daños por las ondas reflejadas y los picos de tensión. Por eso, muchas de las instalaciones automatizadas actuales incluyen motores con inversor. Estos motores tienen devanados de estator que presentan un aislamiento de alto rendimiento y otros elementos para aumentar la capacidad térmica general y (en la mayoría de los casos) la resistencia cuando se someten a picos de tensión. Las clasificaciones están organizadas por la magnitud y la duración de la sobretensión, con clasificaciones más altas para diseños que implican tiempos de subida más largos (menos repentinos). Por supuesto, los motores que no están construidos según las especificaciones del inversor pueden aceptar el accionamiento mediante un VFD. Sin embargo, la aplicación de estos motores menos resistentes debería limitarse, en general, a equipos automatizados con parámetros moderadamente exigentes. Cualquier motor de este tipo accionado por un VFD también puede requerir un recorrido de cable corto, así como la inclusión de reactores de línea y otros componentes de protección.

Cables al rescate: especialmente diseñados para los VFD

Además de amenazar al variador de frecuencia, las ondas compuestas en fase con una tensión suficientemente alta pueden dañar el cable de uso general utilizado de forma inadecuada. Más concretamente, los picos de alta tensión asociados al funcionamiento de los variadores de frecuencia pueden estresar, calentar e incluso perforar el aislamiento del cable. Para evitar este problema, el cable diseñado específicamente para su uso con VFDs incluye:

• Conductores de gran calibre (small-AWG) con capacidad para soportar todos los picos de tensión previstos
• Interfaces suficientemente gruesas y aislamiento de polietileno reticulado especialmente diseñado o (en algunos casos menos preferidos) de cloruro de polivinilo
• Vainas y otros elementos para dispersar y conectar a tierra los picos y ruidos generados por los VFD

Figura 3: Los cables de Alpha Wire para VFD incluyen aislamiento de polietileno reticulado para la resistencia a la corona electromagnética, baja capacitancia (incluso en tramos de cable más largos) y buen rendimiento a baja temperatura. (Fuente de la imagen: Alpha Wire)

Una medida cuantificable de la resistencia de un cable a las ondas de reflexión es su tensión de corona-incepción, que suele medirse en kV. Recordemos de la enseñanza básica de la física que la corona (llamada así por su corona de débil resplandor) es una ionización repentina del aire que rodea una tensión muy localizada. Esta ionización puede (si no se evita con un aislamiento suficiente alrededor del conductor) generar ozono y diversos compuestos nitrosos que pueden destruir rápidamente un cable aplicado de forma inadecuada. Por este motivo, se debe utilizar cable con aislamiento grueso para VFD, que cumpla o supere los requisitos de construcción indicados por los proveedores de VFD y que supere con creces las normas del Código Eléctrico Nacional (NEC) para el cable termoplástico con revestimiento de nylon de alta temperatura (THHN) de uso general. Cuando los VFD operan en el exterior o en otros lugares húmedos, los aislamientos de polietileno de ingeniería pueden ser los más apropiados. Consulte el artículo de DigiKey El cable adecuado para una aplicación industrial para obtener más información sobre otros fenómenos que afectan a los diseños accionados por VFD y a sus cables, incluidas las corrientes de entrada y las corrientes en modo común.

Mejores prácticas de cableado de VFD

Además de mantener los recorridos de los cables de los variadores de frecuencia al mínimo -a menos de 15 metros si es posible-, también es necesario conectar a tierra adecuadamente todas las partes de un equipo accionado por motor... incluidos los paneles de control y de la máquina. Esto significa utilizar un bloque de tierra común o una disposición de potencial maestro que evite los efectos perjudiciales de los bucles de tierra que surgen de los potenciales de tensión entre varios puntos de la máquina a tierra. Esto es especialmente cierto cuando la retroalimentación de la maquinaria se basa en valores de referencia de voltaje que (si no están protegidos de corrientes inadvertidas a través de la tierra) podrían reportar valores falsos. Este tema se detalla con más detalle en el artículo de DigiKey Medir las señales pequeñas que van en voltajes altos y evitar los bucles de tierra de los sensores.

De hecho, muchos diseños también requerirán la adición de subcomponentes como filtros, anillos de ferrita en el lado del cable, anillos de conexión a tierra del eje del motor y blindajes para abordar completamente la EMI. Un ejemplo: Una simple pieza complementaria que suele ser indispensable en las instalaciones de VFD se llama correa de conexión a tierra. Esta parte plana consiste en una tira trenzada de cobre estañado con un terminal de anillo en cada extremo. Cuando se integran en un diseño accionado por motor, las correas de conexión a tierra conectan el terminal de tierra de protección del accionamiento (incluido en todos los VFD) a tierra... y drenan el ruido eléctrico de alta frecuencia a tierra mucho mejor que el cable de tierra redondo. Su superficie relativamente alta se adapta a la forma en que la corriente alterna (especialmente a altas frecuencias) tiende a fluir en las superficies o la piel de un conductor, de ahí el término efecto piel para referirse a este comportamiento.

Figura 4: Esta correa de tierra de cobre estañado es resistente a la corrosión, flexible y cumple con la normativa RoHS. Estas correas son útiles para conectar a tierra partes de las instalaciones de VFD, ya que se adaptan a la forma en que el ruido de alta frecuencia tiende a viajar en las superficies de los conductores. (Fuente de la imagen: Falconer Electronics)

Sin embargo, hay otra advertencia: además de la protección contra la EMI conducida, los diseños también deben proteger contra el ruido acoplado capacitivamente transmitido a altas frecuencias. Esto incluye el ruido que puede entrar en el circuito del motor VFD a través de elementos tales como las correas de conexión a tierra, así como los cables del motor sin blindaje en conductos metálicos... los cuales conducen fácilmente EMI y generan bucles de tierra. Otra área en la que se debe mitigar el ruido acoplado capacitivamente es entre los devanados del motor accionado por el VFD y el bastidor a tierra.

Figura 5: Aquí se muestra un gráfico de un PDF educativo descargable en digikey.com que compara la construcción de tres diseños de cables industriales apropiados para VFD. (Fuente de la imagen: Belden Inc.)

Conclusión:

Los variadores de frecuencia abundan en aplicaciones de proceso en HVAC, petróleo y gas, y en operaciones generales de bombas, compresores y calderas. Los VFD también son esenciales en una serie de sistemas discretos de automatización industrial que emplean motores eléctricos para hacer funcionar ejes móviles en cintas transportadoras, molinos, ascensores y otros equipos que pueden beneficiarse del aumento de la eficiencia.

El éxito de la aplicación de estos accionamientos depende de la consideración de sus efectos eléctricos y electrónicos potencialmente dañinos en los componentes y sistemas conectados y adyacentes... y, de hecho, el uso de los VFD suele requerir la inclusión de filtros eléctricos especializados, terminaciones, sistemas de conexión a tierra y cable específico para los VFD.