Filtros dv/dt y senoidales para variadores: cuándo usarlos

Respuesta corta

Entre el variador y el motor se pueden instalar tres tipos de filtro. La reactancia de salida limita la corriente capacitiva y suaviza algo el flanco. El filtro dv/dt reduce la pendiente de tensión para proteger el aislamiento con cables de longitud media. El filtro senoidal entrega al cable una tensión casi senoidal y permite cables largos, motores no preparados para variador y menos ruido, a costa de una caída de tensión y más pérdidas. La elección depende de la longitud del cable, el motor y la frecuencia portadora.

Para qué sirven los filtros de salida

La salida de un variador genera pulsos de tensión con flancos rápidos que, en cables de cierta longitud, producen sobretensión en bornes del motor, como explica la guía de reflexión de onda y longitud de cable. Además, esos flancos inyectan corrientes de modo común y de fuga que perturban otros equipos y circulan por los rodamientos. Los filtros de salida se instalan entre el variador y el motor para moderar esos efectos.

Hay tres soluciones diferentes, con distinto alcance. No son intercambiables, y confundirlas lleva a instalaciones que filtran mal o que pierden más tensión de la que se pensaba.

Los tres tipos

Reactancia de salida

Es una inductancia trifásica en serie con cada fase. Limita la corriente de carga capacitiva del cable, que en cables largos puede disparar la protección de sobrecorriente del variador, y suaviza ligeramente el flanco. No cambia de forma sustancial el pico de tensión en el motor. Es la solución sencilla para cables de longitud moderada o para motores en paralelo.

Filtro dv/dt

Combina inductancias y, según el diseño, condensadores y resistencias, para reducir la pendiente de la tensión (dv/dt) y limitar el pico por reflexión. La tensión en el cable sigue siendo de pulsos, pero con flancos más lentos. Extiende la distancia a la que se puede instalar el motor sin dañar el aislamiento. Una referencia pública indica que una bobina de reducción de dv/dt permite cables de 30 a 100 m según la frecuencia de conmutación. Es un orden de magnitud, no un dato de diseño.

Filtro senoidal

Es un filtro pasabajos (inductancia y condensador) cuya frecuencia de corte está por debajo de la portadora y por encima de la frecuencia de salida. Entrega al cable y al motor una tensión casi senoidal, con un rizado pequeño. Elimina prácticamente el problema de dv/dt y de reflexión, reduce el ruido audible del motor y las pérdidas adicionales en el hierro por los armónicos de conmutación. Permite cables largos, que según las referencias públicas llegan a cientos de metros, y sirve en motores que no son aptos para variador. Su costo es una caída de tensión interna, pérdidas propias, tamaño y precio mayores, y restricciones sobre la portadora y la frecuencia de salida.

Comparación

Aspecto	Reactancia de salida	Filtro dv/dt	Filtro senoidal
Forma de onda en el cable	Pulsos, algo suavizados	Pulsos con flanco lento	Casi senoidal
Reduce el pico en el motor	Poco	Sí	Sí, de forma marcada
Reduce el dv/dt	Poco	Sí	Sí
Limita la corriente capacitiva del cable	Sí	Sí	Sí
Longitud de cable que habilita	Corta a media	Media	Larga
Ruido del motor	Casi igual	Algo menor	Claramente menor
Caída de tensión y pérdidas	Pequeñas	Pequeñas a moderadas	Mayores
Restricciones de portadora y frecuencia	Pocas	Pocas a moderadas	Importantes
Costo y tamaño	Bajo	Medio	Alto

Cómo se decide

Longitud y tensión. Con la tensión del sistema y la longitud del cable, se compara con el límite que el fabricante del variador publica sin filtro. Si se supera, se necesita al menos reactancia o dv/dt.
Aislamiento del motor. Si el motor es apto para variador y la longitud es media, el dv/dt puede bastar. Si el motor es estándar o antiguo y el cable es largo, el senoidal es más seguro.
Corrientes de rodamiento y ruido. Los filtros disminuyen parte de las corrientes de modo común. Para el problema de rodamientos hay medidas específicas del motor, y el filtro solo ayuda en parte.
Cables muy largos. Pozos, bombas sumergibles y estaciones remotas suelen requerir filtro senoidal por la distancia y porque el motor no se puede sustituir con facilidad.
Caída de tensión. El filtro senoidal consume una parte de la tensión, por lo que el motor puede no recibir la tensión nominal a plena carga. Se revisa con el fabricante, sobre todo en motores muy cargados.
Varios motores. Con varios motores en una salida, se dimensiona el filtro para la suma de corrientes y se evita añadir un motor sin recalcular.

Instalación

Ubicar el filtro cerca del variador, con cables de entrada y salida separados para que la salida no se acople a la entrada.
Respetar el apantallado y la puesta a tierra que indique el fabricante, con atención al contacto 360° de la pantalla.
Dejar espacio de ventilación; los filtros disipan calor, sobre todo los senoidales.
Verificar la frecuencia portadora mínima y la frecuencia máxima de salida admitidas, porque algunos filtros se dañan si el variador opera fuera de ese rango.
No instalar condensadores de corrección del factor de potencia en la salida del variador.

Ejemplo ilustrativo

Datos ilustrativos, no de una planta real. Una bomba sumergible de 30 kW, motor estándar sin aislamiento reforzado, a 460 V, está a 180 m del variador.

La longitud supera cualquier límite razonable sin filtro, y el motor no es apto para variador.
Una reactancia no cambia de forma suficiente el pico en bornes. Un filtro dv/dt, en esa distancia, queda en el límite de lo que muestran las referencias públicas.
La opción con margen es un filtro senoidal dimensionado para la corriente del motor, con la portadora mínima que pide el fabricante. Se revisa la caída de tensión del filtro con el motor a plena carga.

El resultado de una selección real depende de las tablas del fabricante del filtro y del variador; estos números solo ilustran el razonamiento.

Efectos secundarios y qué vigilar

Un filtro de salida resuelve un problema pero introduce otros que el diseño debe contemplar:

Caída de tensión. La inductancia en serie resta tensión al motor; en filtros senoidales puede ser un porcentaje apreciable de la tensión nominal. En motores que trabajan cerca de su límite térmico, esa menor tensión implica más corriente para el mismo par.
Pérdidas y calor. El filtro disipa energía, que se suma a la del tablero. Su ventilación y su temperatura de operación hacen parte del cálculo térmico del conjunto.
Corriente reactiva. Los condensadores de un filtro senoidal toman corriente capacitiva incluso con el motor en vacío. El variador debe poder entregarla, lo que reduce la corriente disponible para el motor. Los fabricantes lo consideran en sus tablas de selección.
Resonancias. Un filtro mal elegido puede formar un circuito resonante con la capacidad del cable. Por eso los fabricantes limitan la combinación de filtro, longitud de cable y portadora.
Control vectorial. Algunos modos de control estiman el flujo con la tensión que el variador cree aplicar. Con un filtro senoidal, la tensión real difiere y el desempeño puede cambiar. Muchos variadores traen un ajuste para trabajar con filtro de salida.
Mantenimiento. Los condensadores envejecen. Un plan de mantenimiento incluye inspección visual, temperatura y, según el fabricante, vida útil esperada.

La verificación final se hace en la puesta en servicio: se mide la tensión en bornes del motor con y sin filtro, si es posible, y se revisa que la temperatura del filtro, del variador y del motor sea estable a plena carga.

Errores frecuentes

Poner un filtro dv/dt y creer que habilita cualquier distancia. Cada modelo tiene un máximo.
Instalar un filtro senoidal y no revisar la portadora. Se daña o trabaja fuera de su rango.
Olvidar la caída de tensión del filtro con el motor a plena carga.
Medir el resultado en el variador y no en los bornes del motor.
Pasar el cable de salida filtrado junto al cable de entrada, que reintroduce el ruido.
Aplicar un filtro de salida a un problema de armónicos de entrada. Los filtros de salida no reducen los armónicos de la red. Esos se tratan con filtros de armónicos o reactancias de línea.

Ejemplos de combinaciones usuales

Sin dar valores de diseño, la práctica muestra tres patrones. En máquinas con el variador junto al motor y cable corto, normalmente no se instala filtro alguno. En instalaciones con cable de longitud media y motor apto para variador, la reactancia o el filtro dv/dt dan margen económico. En bombas sumergibles, pozos profundos y motores antiguos con cables largos, el filtro senoidal suele ser el que cierra el diseño. La decisión final se respalda con las tablas del fabricante del variador y del filtro y, si hay duda, con una medición en bornes del motor.

Lista de verificación

Longitud real del cable y número de motores por salida.
Tensión del sistema y límite del variador sin filtro.
Aislamiento del motor y si es apto para variador.
Tipo de filtro elegido y longitud máxima que habilita según el fabricante.
Frecuencia portadora mínima y frecuencia de salida máxima compatibles.
Caída de tensión y pérdidas del filtro con la carga real.
Ventilación, ubicación y separación de cables.
Medición o verificación del resultado en el motor en la puesta en servicio.

Cómo le ayudamos

Elegir bien el filtro de salida evita pagar uno de más o repetir el trabajo. En Diseño de ingeniería y estudios seleccionamos la combinación de variador, filtro, cable y motor, y en la puesta en servicio verificamos el conjunto con el proceso. Escríbanos por contacto.

Guías relacionadas

Referencias

Fluke, «Why does cable length between VFDs and motors matter?» (filtros dv/dt y longitudes).
Pumps & Systems, «Maximizing Performance in 3-Phase Motors» (filtros dv/dt y senoidales según distancia).
Wikipedia, «Variable-frequency drive» (filtros de salida).
Guías de filtros de salida de los fabricantes de variadores.

Preguntas frecuentes

¿Un filtro senoidal sirve para cualquier longitud de cable?

Permite longitudes mucho mayores que un filtro dv/dt, pero cada fabricante publica un máximo para cada modelo y frecuencia portadora. Además hay que contar la caída de tensión en el filtro y la corriente reactiva extra que suma. No es una solución ilimitada.

¿El filtro dv/dt elimina el ruido del motor?

Lo reduce, porque suaviza los flancos, pero la forma de onda sigue siendo de pulsos. Un filtro senoidal sí produce una tensión casi senoidal y reduce el ruido del motor de forma más marcada.

¿Hay que cambiar la configuración del variador al instalar un filtro de salida?

Muchas veces sí. Los filtros senoidales suelen exigir una frecuencia portadora mínima y limitar la frecuencia de salida; algunos variadores tienen un modo para ello. El manual del filtro y del variador indican qué hay que ajustar, y no hay que desactivar la frecuencia portadora mínima.

¿El filtro sustituye a un motor apto para variador?

Cada uno resuelve parte del problema. El filtro reduce el pico y la pendiente en los bornes. El motor apto aporta aislamiento reforzado y, si el fabricante lo incluye, rodamientos aislados. Se combinan o se eligen tras analizar el conjunto de variador, cable y motor, no por defecto.