¿Qué productos de apoyo se necesitan para maximizar el impacto de usar VFD y VSD? - Parte 1

En la Parte 1 de esta serie de artículos, se analiza lo que hay que tener en cuenta al seleccionar los cables de conexión del motor, las reactancias de salida, las resistencias de frenado, las reactancias de línea y los filtros de línea. En la Parte 2, se continúa analizando las diferencias entre VSD/VFD y servoaccionamientos, revisando los usos de los servomotores lineales y rotativos de CA y CC, considerando dónde encajan las unidades de arranque-parada suave en las operaciones industriales y viendo cómo se utilizan los convertidores de CC para alimentar periféricos como sensores, interfaces de máquina humana (HMI) y dispositivos de seguridad.

El uso de variadores de velocidad y de frecuencia (VSD/VFD) es necesario para maximizar la eficiencia y la sostenibilidad de las operaciones industriales, pero no es suficiente. Para obtener el máximo beneficio de los VSD/VFD, se necesitan componentes adicionales como cables de alto rendimiento, resistencias de frenado, filtros de línea, reactancias de línea, reactancias de salida, etc.

El cableado es omnipresente y fundamental. Un cable mal especificado que conecte el VSD/VFD al motor puede degradar significativamente el rendimiento del sistema. Otros elementos como las resistencias/resistores de frenado, los filtros y las reactancias varían de una instalación a otra y pueden ser muy importantes para el éxito de la implantación.

Por ejemplo, algunos sistemas funcionan en zonas donde es necesario controlar las interferencias electromagnéticas (EMI) y pueden beneficiarse del uso de filtros de línea que cumplan la norma EN 61800-3 Categoría C2. Aplicaciones donde se requiera una desaceleración rápida necesitarán resistencias de frenado. Las reactancias de línea pueden mejorar el factor de potencia y aumentar la eficiencia, y las reactancias de salida pueden permitir el uso de cables más largos.

Este artículo comienza con algunas consideraciones a la hora de seleccionar los cables de conexión del motor y presenta las opciones de cableado típicas de LAPP y Belden. A continuación, revisa los factores que impactan en la selección de reactancias de salida, resistencias de frenado, reactancias de línea y filtros de línea, incluyendo dispositivos representativos de ABB, Schneider Electric, Omron, Delta Electronics, Panasonic y Siemens.

Los cables de motor están disponibles en varias configuraciones para satisfacer los requisitos específicos de cada aplicación. Suelen tener tres conductores principales, a menudo aislados con polietileno reticulado (XLPE). Algunos tienen cables de tierra sin aislar. Puede haber varios cableados de señal y numerosas opciones de blindaje trenzado y de lámina. Todo el ensamble está envuelto en una cubierta exterior resistente al medio ambiente (figura 1).

Figura 1: Los cables de motor VFD se presentan en un amplio rango de/una amplia gama de configuraciones. (Fuente de la imagen: Belden)

Incluso los cables básicos, como el número de pieza 29521C 0105000 de Belden Basics, son conjuntos complejos de conductores, apantallamiento y aislamiento. Estos cables tienen tres conductores de cobre de calibre 14 AWG (7x22 hebras) recubiertos de aislamiento XLPE y tres hilos de tierra de cobre sin aislamiento de calibre 18 AWG (7x26 hebras). Estos seis hilos están rodeados por blindajes de cinta helicoidal doble que proporcionan una cobertura del 100%, y todo el ensamblado de cables está envuelto en una cubierta de cloruro de polivinilo (PVC) para protección medioambiental.

Los cables Belden Basic son adecuados para su uso en ubicaciones peligrosas de clase 1 división 2, tal como se define en el Código Eléctrico Nacional (NEC). La clase 1 se refiere a las instalaciones para la manipulación de gases, vapores y líquidos inflamables. La División 2 especifica que estos materiales inflamables no están normalmente presentes en concentraciones lo suficientemente altas como para ser inflamables.

Algunas series de cables, como el ÖLFLEX VFD 1XL de LAPP , están disponibles con y sin hilos de señal. Aplicaciones que se benefician de tener cables de señal pueden recurrir al cable 701710 de LAPP. Incluye tres conductores de potencia, un conductor de tierra y un par de cables de señal. Los conductores de potencia son de 16 AWG (trenzado 26x30) con aislamiento XLPE (plus). El par de señales está blindado individualmente.

Todo el ensamble está blindado con cinta de barrera, cinta de lámina de triple capa (100% de cobertura) y trenza de cobre estañado (85% de cobertura). La cubierta exterior es un elastómero termoplástico (TPE) especialmente formulado y resistente a las soluciones desinfectantes, que suele utilizarse en las industrias alimentaria, de bebidas, química y afines.

Además de manejar la potencia y las señales con fiabilidad y eficacia, los cables de los variadores de frecuencia deben ser capaces de soportar picos de voltaje y niveles de ruido de interferencia electromagnética (EMI) derivados del funcionamiento a alta frecuencia del variador. Aunque los cables de los variadores de frecuencia están diseñados para contener y gestionar los picos de alta tensión y la EMI (interferencia electromagnética), tienen sus límites (Figura 2). Es entonces cuando las reactancias de carga reducen los picos de voltaje y las EMI (interferencias electromagnéticas).

Figura 2: Los picos de alta tensión incontrolados pueden perforar el aislamiento y provocar la rotura del cable. (Fuente de la imagen: LAPP)

Para un análisis más detallado de la selección de cables VFD, consulte "Especificación y uso de cables VFD para mejorar la fiabilidad y la seguridad y reducir las emisiones de carbono".

Reactancias de carga

Las reactancias de carga, también denominadas reactancias de salida, se conectan cerca de la salida del accionamiento para reducir el impacto de los picos de alta tensión y las interferencias electromagnéticas (EMI), y protegen el aislamiento de los cables y el motor. Los VSD/VFD producen una salida de alta frecuencia (normalmente entre 16 y 20 kHz). La conmutación de alta frecuencia da lugar a tiempos de subida de tensión de unos pocos microsegundos, lo que provoca picos de alta tensión que pueden superar la tensión nominal de pico del motor, provocando la ruptura de aislamiento.

Dependiendo del tipo de motor utilizado, a menudo se recomiendan reactancias de carga si la longitud del cable del variador de frecuencia supera los 30 m (100 pies). Hay excepciones; por ejemplo, si el motor cumple la norma NEMA MG-1 Parte 31, puede ser posible tener un cable de 90 m (300 pies) sin utilizar una reactancia de carga.

Independientemente del tipo de motor, en general se recomienda una reactancia de carga si la longitud del cable supera los 90 m. Si la distancia supera los 150 m, suele recomendarse un filtro especialmente diseñado. En entornos sensibles a EMI, el uso de una reactancia de carga para todas las aplicaciones suele ser una buena práctica.

Las reactancias de carga suelen estar diseñadas para su uso con modelos de accionamiento específicos. Por ejemplo, la reactancia de carga modelo 3G3AX-RAO04600110-DE de mron tiene una potencia nominal de 11 A y 4.6 mH y está diseñada para su uso con motores trifásicos de 400 V y 5.5 kW accionados por el variador de frecuencia 3G3MX2-A4040-V1 de la empresa.

Resistencias de frenado y sobrecargas térmicas

Además de una reactancia de carga, una resistencia de frenado y un dispositivo de desconexión por sobrecarga térmica pueden ser adiciones esenciales al lado de salida de un VSD/VFD. Las resistencias de frenado permiten un par de torsión de frenado transitorio máximo al absorber la energía de frenado. La mayoría de las resistencias de frenado disipan la energía, mientras que algunas se utilizan como parte de un sistema de frenado regenerativo que capta y recicla la energía.

Las resistencias disipadoras de frenado están clasificadas para aplicaciones específicas. La resistencia de frenado VW3A7755 de Schneider Electric de 8 Ω puede disipar hasta 25 kW, mientras que la resistencia de frenado BR300W100 de Delta Electronics de 100 Ω tiene una potencia nominal de 300 A.

Las aplicaciones de las resistencias de frenado se definen utilizando un porcentaje de disipación de energía (ED%). El ED% definido garantiza que la resistencia pueda disipar eficazmente el calor generado durante el frenado. El ED% se define en relación con el pico de disipación, el intervalo de frenado (T1) y la duración total del ciclo (T0) en la figura 3.

Figura 3: Definición del porcentaje de disipación de energía (ED%). (Fuente de la imagen: Delta Electronics)

Dependiendo de la severidad del frenado, se especifica el ED% para garantizar el tiempo adecuado para que la unidad de frenado y la resistencia de frenado disipen el calor generado por el frenado. Si la resistencia de frenado se calienta debido a una disipación térmica inadecuada, su resistencia aumenta, reduciendo el flujo de corriente y el par de torsión de frenado absorbido.

Las resistencias de frenado pueden definirse por varios ciclos de disipación como:

• Frenado ligero, en el que la potencia de frenado se limita a 1.5 veces el par de torsión nominal (Tn) durante 0.8 s cada 40 s. Se utiliza con máquinas de inercia limitada, como las máquinas de moldeo por inyección
• Frenado medio, en el que la potencia de frenado se limita a 1.35 Tn durante 4 s cada 40 s. Se utiliza con máquinas de gran inercia, como prensas de volante de inercia y centrifugadoras industriales.
• Frenado severo en el que la potencia de frenado se limita a 1.65 Tn durante 6 s y Tn durante 54 s cada 120 s. Se utiliza con máquinas de gran inercia, a menudo acompañadas de movimientos verticales, como polipastos y grúas.

Además de una resistencia de frenado, la mayoría de los sistemas incluyen una unidad de sobrecarga térmica conectada a la resistencia de frenado como medida de seguridad, como el relé de sobrecarga térmica ABB Control TF65-33. La unidad de sobrecarga térmica protege la resistencia y el sistema de accionamiento de frenadas demasiado frecuentes o fuertes. Cuando se detecta una sobrecarga térmica, el accionamiento se apaga. La desactivación exclusiva de la función de frenado puede provocar graves daños en el accionamiento.

Protección en la entrada del accionamiento

Las reactancias de línea y los filtros en la entrada del accionamiento limitan los armónicos de baja frecuencia y las EMI (interferencias electromagnéticas) de alta frecuencia, respectivamente (Figura 4). Las reactancias de línea ayudan a reducir la distorsión armónica de la Alimentación de CA causada por los circuitos del accionamiento. Pueden ser especialmente útiles en aplicaciones que deben cumplir los requisitos de la norma IEEE-519, "Control de armónicos en sistemas de potencia". Las reactancias de línea también suavizan las perturbaciones de la red eléctrica, como sobretensiones, picos y transitorios, aumentando la fiabilidad del funcionamiento y evitando cortes por sobretensión.

Figura 4: Los filtros de línea limitan la CEM de alta frecuencia, mientras que las reactancias de línea limitan los armónicos de baja frecuencia. (Fuente de la imagen: Siemens)

Algunos ejemplos de reactancias de línea son la inductancia DV0P228 de 2 mH y 8 A que forma parte de la familia Minas de accionamientos trifásicos y accesorios de Panasonic y la inductancia 6SL32030CE132AA0 de 2,5 mH de Siemens para accionamientos de hasta 1.1 kW que consumen hasta 4 A de corriente de entrada y funcionan con una alimentación trifásica de 380 V_CA -10% a 480 V_CA +10%.

Filtros de línea

Los filtros de línea son necesarios para soportar la compatibilidad electromagnética (EMC) y proporcionar protección EMI en la mayoría de las aplicaciones. Dependiendo del entorno específico, se utilizan dos clasificaciones de filtros EMI, Clase A y Clase B, en entornos industriales y comerciales (edificios), respectivamente. La clase B exige un mayor nivel de filtrado que la clase A porque los entornos comerciales (oficinas, administración, etc.) suelen incluir sistemas electrónicos más sensibles a las EMI (interferencias electromagnéticas).

Las normas CEM pertinentes son la EN 55011, que detalla las limitaciones de emisiones para equipos industriales, científicos y médicos, y la IEC/EN 61800-3, que se refiere específicamente a los variadores de velocidad.

Los VFD/VSD están disponibles con y sin filtros de línea integrados. Si tienen filtro, puede ser de Clase A o Clase B. Dependiendo del entorno y de factores de instalación como la longitud del cableado, incluso una unidad con filtro integrado puede requerir un filtrado adicional. Un accionamiento clasificado para funcionar en entornos de clase A también puede utilizarse en entornos de clase B con la adición de un filtro opcional.

La norma IEC/EN 61800-3 define los requisitos CEM basados en Entornos y Categorías. Los edificios residenciales se definen como Primer Entorno, y las instalaciones industriales conectadas a la red de distribución de media tensión a través de sus transformadores son el Segundo Entorno.

Las cuatro categorías definidas en la norma EN 61800-3 son:

• C1 para sistemas de accionamiento para tensiones nominales < 1000 V para uso ilimitado en el primer entorno.
• C2 para sistemas de accionamiento estacionarios para tensiones nominales < 1000 V para uso en el segundo entorno y posible uso en el primer entorno.
• C3 para sistemas de accionamiento para tensiones nominales < 1000 V para uso exclusivo en el segundo entorno.
• C4 requisitos especiales de los sistemas de accionamiento para tensiones nominales ≥ 1000 V y corrientes nominales ≥ 400 A en el segundo entorno.

Existen filtros de línea genéricos, pero al igual que los reactores de línea, los filtros de línea suelen estar diseñados para su uso con familias de accionamientos específicas. Por ejemplo, el filtro de línea VW3A4708 de Schneider Electric tiene una capacidad nominal de 200 A (Figura 5). Está diseñado para los variadores de velocidad Altivar y los servoaccionamientos Lexium de la Empresa. Está preparado para tensiones de red de 200 V_CA a 480 V_CA y tiene un índice de protección IP20. Su clasificación EN 61800-3 depende de la longitud del cable del motor:

• Categoría C1 utilizando hasta 50 m de cable blindado
• Categoría C2 utilizando hasta 150 m de cable blindado
• Categoría C3 utilizando hasta 300 m de cable blindado

Figura 5: Filtro de línea de 200 A para tensiones de red de 200 V_CA a 480 V_CA. (Fuente de la imagen: Schneider Electric)

Conclusión:

Los VSD y VFD son sistemas importantes para maximizar la eficiencia de las operaciones industriales y minimizar las emisiones de gases de efecto invernadero. Estos accionamientos requieren varios componentes de apoyo para garantizar instalaciones eficaces y fiables que cumplan las normas internacionales pertinentes, como cables VFD, reactancias de salida, resistencias de frenado, reactancias de línea y filtros de línea.