EMC y apantallado de variadores de frecuencia

Por qué un variador perturba

El inversor de un variador conmuta tensiones de cientos de voltios en tiempos de décimas de microsegundo. Esos flancos son una fuente de ruido de alta frecuencia con dos caminos:

• Conducido. Por los cables de potencia, hacia la red de alimentación y hacia el motor, y por la tierra a través de las capacidades parásitas del cable, del motor y del variador.
• Radiado. Los cables de salida actúan como antenas y emiten hacia los cables vecinos y hacia los equipos cercanos.

La corriente de modo común es la más problemática. Las tres fases del motor conmutan con respecto a tierra y empujan una corriente de alta frecuencia por las capacidades parásitas hacia la carcasa del motor, la tierra y de vuelta al variador. Si no tiene un camino controlado de retorno, la corriente toma el suyo: por la tierra de la planta, por las pantallas de otros cables o por los rodamientos.

Los efectos que se ven en planta son lecturas erráticas en señales analógicas, comunicaciones con errores, disparos de sensores, ruido en equipos de audio o de medida, y disparos de diferenciales.

Qué dice la norma de producto

La norma IEC 61800-3 trata la compatibilidad electromagnética de los sistemas de accionamiento de velocidad variable. Define dos entornos y cuatro categorías de variador. Las definiciones se reproducen aquí con palabras propias, a partir de resúmenes de fabricantes, porque el texto de la norma es de pago.

La categoría es una declaración del fabricante bajo unas condiciones: normalmente el variador con su filtro RFI incorporado o externo, el cable apantallado de una longitud máxima y la instalación según su manual. Cambiar esas condiciones cambia el cumplimiento. Un variador C3 no está pensado para conectarse a una red pública de baja tensión que alimenta viviendas.

Qué se hace en la instalación

Filtro RFI

Es un filtro de red que reduce las perturbaciones conducidas que el variador envía a la alimentación. Algunos variadores lo traen integrado y otros requieren uno externo. Reduce las emisiones, pero aumenta la corriente de fuga a tierra. En redes con neutro aislado o puesto a tierra por impedancia, el fabricante indica que el filtro interno se desconecta, porque podría hacer un daño o dejar de proteger. Hay que leer la sección de conexión a la red del manual.

Cable apantallado del motor

El cable de salida debe llevar una pantalla continua que cubra todo el perímetro, de baja impedancia y con conductores de protección simétricos. La pantalla ofrece a la corriente de alta frecuencia un camino de retorno al variador, y contiene la radiación. Los cables con tres conductores más tierra no simétrica son menos efectivos.

Conexión de 360°

La clave está en el contacto de la pantalla:

• En el variador, mediante una abrazadera o un prensaestopas EMC que abrace la pantalla y la ponga en contacto con una superficie metálica puesta a tierra, no con una coleta trenzada de varios centímetros.
• En el motor, en la caja de bornes, con un prensaestopas EMC metálico.
• La pantalla no se interrumpe en bornes intermedios; si hay un seccionador o una caja de paso, la pantalla se continúa con conexión de baja impedancia.

Una coleta larga añade inductancia, que a las frecuencias de conmutación cierra el camino al ruido y lo obliga a tomar otros.

Separación de cables

• Separar los cables de potencia del variador de los de señal, de control y de comunicaciones. Cuando se cruzan, que sea en ángulo recto.
• Mantener cables de señal analógica y de comunicaciones apantallados y, si se puede, en canalización distinta.
• No pasar el cable de entrada del variador junto al de salida en el mismo tramo largo.
• Los cables de realimentación de encoder usan pares trenzados apantallados.

Puesta a tierra

La tierra de un sistema con variador debe tener baja impedancia en alta frecuencia, no solo baja resistencia en corriente continua. Las barras de tierra, las superficies de montaje bien unidas (sin pintura entre el variador y la placa de montaje) y los conductores cortos y anchos ayudan más que un conductor largo de gran sección. El tema general se trata en puesta a tierra industrial.

Frente al campo magnético del rayo, el blindaje y el trazado de los cables siguen otros criterios: vea blindaje magnético y trazado de cables contra el rayo y campo magnético y tensión inducida por el rayo en un lazo.

Ejemplo ilustrativo

Datos ilustrativos, no de una planta real. Un variador instalado en un tablero alimenta un motor de 22 kW a 25 m. Un sensor analógico de 4-20 mA, que viaja en una bandeja junto al cable del motor, muestra lecturas con ruido cuando el variador sube de velocidad. La reflexión de onda y la longitud máxima del cable entre el variador y el motor se explican en reflexión de onda y longitud de cable del variador.

• Primera causa a revisar: el cable de motor no es apantallado, o la pantalla se conectó con una coleta larga.
• Segunda: el cable del sensor comparte bandeja con el de potencia en un tramo largo.
• Tercera: el sensor está referido a una tierra distinta de la del tablero y las corrientes de modo común circulan por su pantalla.

Las correcciones, en ese orden de costo: reterminar la pantalla en 360°, separar las canalizaciones y unificar las referencias de tierra. Si el ruido persiste, se mide con instrumentos antes de agregar filtros.

Cómo se diagnostica un problema de interferencia

Cuando un sensor, una comunicación o un equipo vecino falla de forma intermitente, conviene seguir un orden que descarte primero lo más barato:

1. Confirmar la correlación. Ver si el problema aparece cuando el variador marcha o cambia de velocidad, y desaparece al pararlo. Si no hay correlación, la causa probablemente es otra.
2. Revisar las conexiones de pantalla y de tierra. Una pantalla suelta, una abrazadera floja o una placa de montaje pintada son causas frecuentes y se corrigen en minutos.
3. Revisar el recorrido de los cables. Que potencia y señal no compartan bandeja, que los cruces sean perpendiculares y que los cables de señal no pasen junto al disipador o al filtro.
4. Verificar el filtro RFI y su puente de conexión según el tipo de red.
5. Comprobar la referencia de tierra de los equipos afectados. Un sensor aterrizado en un punto distinto del que está el variador queda expuesto a diferencias de potencial de alta frecuencia.
6. Medir. Con un osciloscopio y una pinza de corriente de alta frecuencia se ve la corriente de modo común en la pantalla y en el conductor de tierra. Con un analizador de calidad de energía se ven perturbaciones en la red. Se compara antes y después de cada corrección.

Las medidas correctivas más allá del cableado incluyen núcleos de ferrita en los cables de señal o de potencia, filtros adicionales, aislamiento galvánico de las señales analógicas y cambio de la frecuencia portadora. Cada una tiene un costo, y conviene aplicarlas solo cuando la medición muestra que hacen falta. En proyectos nuevos, la mejor inversión es el diseño del tablero y del cableado desde el principio, con las pantallas y las tierras definidas en los planos.

Errores frecuentes

• Pantalla conectada con coleta larga en lugar de abrazadera de 360°.
• Pantalla conectada solo en un extremo en el cable de potencia al motor.
• Pintura o galvanizado entre el variador y la placa de montaje, que aísla la tierra de alta frecuencia.
• Tender el cable de motor y el de señal en la misma bandeja.
• Dejar el filtro RFI conectado en una red con neutro aislado.
• Añadir un filtro cuando el problema era la conexión de la pantalla.
• Olvidar el cable de realimentación del encoder, que es muy sensible a este ruido.

Lista de verificación

• Categoría de EMC requerida por el sitio y declarada por el fabricante del variador.
• Filtro RFI integrado, externo o desconectado según el tipo de red.
• Cable de motor apantallado simétrico, con la longitud máxima del fabricante.
• Pantalla del motor conectada en 360° en ambos extremos.
• Cables de señal y comunicaciones separados y apantallados.
• Placa de montaje metálica sin pintura en los puntos de contacto.
• Puesta a tierra de baja impedancia en alta frecuencia.
• Corriente de fuga compatible con los diferenciales de la instalación.

Cómo le ayudamos

Un buen diseño de tablero y de cableado evita meses de perturbaciones difíciles de rastrear. En Diseño de ingeniería y estudios definimos el cableado, el apantallado y la puesta a tierra del sistema de accionamientos, y en la puesta en servicio lo verificamos con el equipo en marcha. Escríbanos por contacto.

Guías relacionadas

• Puesta a tierra industrial
• Calidad de energía en la industria
• Armónicos de variadores de frecuencia
• Variador que se dispara: causas en la red eléctrica
• Sobretensiones transitorias en la planta
• Filtros dv/dt y senoidales para variadores: cuándo usarlos
• Leyes de afinidad: ahorro en bombas y ventiladores
• Blindaje magnético y trazado de cables contra el rayo
• Campo magnético y tensión inducida por el rayo en un lazo

Referencias

• IEC 61800-3, sistemas de accionamiento eléctrico de velocidad variable: requisitos de EMC (definiciones tomadas de resúmenes públicos de fabricantes).
• ABB, guía técnica de instalación compatible con EMC de accionamientos (consultar la edición vigente).
• Manuales de hardware de los fabricantes de variadores citados en las guías de equipos.

Preguntas frecuentes