Selección del cable de motor óptimo para variadores de velocidad (VSD)

El cable de motor para un variador de velocidad PWM puede tener efectos inesperados. En este artículo analizo consideraciones especiales necesarias al elegir e instalar un cable de motor para un VSD.

Intensidad nominal

La corriente de carga en estado estacionario del motor no cambia apreciablemente al usar un VSD con el motor. La función de protección de corriente del motor en el variador está homologada (p. ej. por UL) para protección térmica del motor y cable en caso de sobrecarga. Por tanto, la intensidad nominal básica del cable de motor es la misma que para un motor conectado directamente a la red.

Dimensionado del cable y caída de tensión – códigos de dimensionado

Los códigos de dimensionado de cable usados por instaladores eléctricos, incluidos paquetes de software de planificación de cables, suelen tener disposiciones especiales para motores. Estas se basarían en un motor de inducción industrial estándar arrancado por conexión directa a la red ("Direct On Line" o arranque DOL). Los cables largos pueden necesitar ser de mayor sección de la dictada por la intensidad nominal de carga continua, para restringir la caída de tensión en la inductancia y resistencia del cable durante el arranque. Un motor de inducción industrial típico consume una corriente de arranque DOL de unas 5 veces su valor nominal máximo, debido al alto deslizamiento antes de alcanzar su velocidad de régimen; y durante el arranque el par disponible no es particularmente alto, como se ilustra en la Figura 1. Es posible que una caída de tensión excesiva en el cable resulte en que el motor no arranque si el par de carga se mantiene a baja velocidad.

Figura 1: Corriente y par durante el arranque directo a red de un motor de inducción

Al usar un variador de velocidad, el deslizamiento del motor es siempre bajo y la corriente durante el arranque nunca supera la nominal a corto plazo (p. ej. 110% o 150% según la aplicación). Además, el variador puede ajustarse con el motor y su cable para que la caída de tensión del cable se compense —a una velocidad por debajo de la nominal hay margen de tensión disponible entre la capacidad del variador y la tensión requerida para lograr la densidad de flujo de trabajo en el motor. Por tanto, con un VSD no hay que sobredimensionar el cable para reducir la caída de tensión en el arranque. En instalaciones con tendidos de cable de motor largos, este hecho puede permitir ahorros considerables en costes de cable. Al usar software de dimensionado de cable para planificar una instalación, el motor con VSD debe configurarse como una carga resistiva simple, no como un motor, para evitar el margen innecesario por corriente de arranque del motor.

Tipos de cable – apantallamiento (blindaje)

La salida del VSD usa Modulación por Ancho de Pulso (PWM) para crear una alimentación con tensión y frecuencia ajustables para controlar el motor. Los pulsos tienen flancos rápidos, con tiempos de subida/bajada en el orden de 100 ns. Esto significa que el contenido frecuencial de la tensión en el motor y cable de motor se extiende a altas radiofrecuencias —generalmente hay un nivel muy alto para frecuencias hasta unos 10 MHz, y un nivel considerable hasta unos 50 MHz. Para evitar interferencia electromagnética (EMI), el cable necesita estar apantallado para que la emisión de energía electromagnética se suprima. La presencia de un apantallamiento conectado a tierra previene la emisión de campo eléctrico, y la conexión correcta del apantallamiento en ambos extremos (motor y variador), usando una unión con autoinducción mínima, previene la emisión de campo magnético. Ambos son necesarios.

La posible emisión de un cable de motor mal gestionado puede afectar tanto a comunicaciones de radiofrecuencia como a equipos electrónicos cercanos como sensores y circuitos de datos, sensibles a perturbaciones en estos rangos de frecuencia. La norma de Compatibilidad Electromagnética (CEM) para variadores IEC 61800-3 (EN 61800-3) requiere que el cable de motor esté apantallado, de lo contrario la salida del variador tendría que conectarse a través de un dispositivo de filtro de radiofrecuencia muy caro y voluminoso.

Pruebas prácticas han demostrado que apantallamientos de cable usando acero o cobre pueden ser igualmente eficaces siempre que tengan buena cobertura y continuidad a lo largo del cable. Esto facilita el flujo de corriente de radiofrecuencia a lo largo del apantallamiento para cancelar el campo magnético causado por la corriente de modo común en los conductores de potencia, ilustrado en la Figura 2.

Figura 2: Cancelación del campo magnético externo por un cable apantallado con apantallamiento conectado en ambos extremos

Puesta a tierra (conexión a tierra)

La conexión a tierra del motor es principalmente para garantizar seguridad en caso de fallo a tierra en el motor. La conexión a tierra debe transportar la corriente de fallo hasta que el dispositivo de seguridad (fusible o interruptor) interrumpa la corriente, asegurando que la tensión de contacto del cuerpo del motor permanezca dentro de límites seguros.

Normalmente el VSD limita la corriente de fallo a tierra a niveles mucho más bajos y duraciones más cortas que un fusible o interruptor. Sin embargo, se basa en complejos dispositivos y circuitos semiconductores para lograrlo, que podrían fallar. Por razones de seguridad, por tanto, la impedancia del bucle de tierra para la conexión a tierra debe ser la misma que si no hubiera VSD —la protección última la proporciona el dispositivo de protección aguas arriba que alimenta el variador. La elección de la sección del conductor de tierra es exactamente la misma que para un motor alimentado directamente. Esto se ilustra en la Figura 3.

Figura 3: Camino de fallo a tierra del motor y tensión de contacto

Como se explicó, el cable de motor para un VSD necesita estar apantallado. Si este apantallamiento puede también proporcionar la conexión de seguridad a tierra depende de su impedancia y del código de práctica usado para la puesta a tierra. Es común usar un conductor de tierra de cobre separado para evitar la necesidad de un cálculo especial.

A veces surge la duda de si usar un conductor de tierra dentro del cable de motor apantallado (cable de 4 hilos) o uno externo. Desde el punto de vista de la seguridad, ambas soluciones son igualmente buenas. Por razones de CEM, ambos métodos pueden funcionar, pero hay que tener cuidado con un cable de 4 hilos. El conductor de tierra transporta una corriente de ruido bastante alta, captada de los conductores de potencia dentro del cable. Si se lleva a un punto en el cuadro del variador lejos de la terminación del apantallamiento, inyectará la corriente de ruido en el cableado de tierra del cuadro, con riesgo de perturbar circuitos de señal. Debe conectarse al cuadro del variador físicamente muy cerca de la terminación del apantallamiento, como se muestra en la Figura 4.

Figura 4: Gestión correcta del conductor de tierra (PE) en cable de motor apantallado de 4 hilos

Capacitancia e inductancia

El cable de motor tiene capacitancia e inductancia propia natural. A frecuencias de red, la capacitancia tiene efecto despreciable, mientras que la inductancia causa una pequeña caída de tensión que es principalmente despreciable salvo para tendidos muy largos y altas corrientes de arranque DOL.

El efecto en los pulsos PWM de flanco rápido de un inversor es mucho más importante. En cada flanco de pulso, la capacitancia del cable debe descargarse. Esto resulta en corrientes de pulso bastante grandes, pero cortas, en cada flanco. Estas pueden causar emisión de campo de alta frecuencia, y también forman una carga en los semiconductores de potencia del inversor durante la conmutación.

Afortunadamente, la inductancia del cable está distribuida a lo largo del cable junto con la capacitancia, y tiene el efecto de limitar la corriente de carga. El efecto neto se describe mediante las "ecuaciones del telegráfico" y resulta en parámetros del cable Z₀, la impedancia característica, y v, la velocidad de propagación.

En cada flanco de pulso PWM, fluye una corriente para cargar el cable, dada por:

I = V_dc / Z₀

Donde V_dc = tensión de bus CC del inversor

Para un cable coaxial, la impedancia característica viene dada por:

Z₀ = (60 / √ε_r) × ln(D/d)

Donde:

• ε_r = permitividad relativa del dieléctrico (aislante)
• D = diámetro interior del conductor exterior
• d = diámetro exterior del conductor interior

En un cable apantallado trifásico la geometría no es una forma coaxial simple, pero su comportamiento es similar, siendo la impedancia función de la permitividad del dieléctrico y los diámetros relativos de los conductores interior y exterior. La geometría y material dieléctrico usado en cables no varía mucho, y el término logarítmico hace que la impedancia no sea muy sensible a cambios de geometría. Valores medidos de Z₀ para cables de potencia apantallados estándar oscilan entre unos 45 ohmios para cable de 2,5 mm² y 15 ohmios para cable de 120 mm². Esto significa que para variadores grandes con intensidades nominales above ~20 A la corriente de carga es insignificante, pero para nominales por debajo de ~10 A tiene impacto y el variador debe diseñarse para suministrar la corriente de carga sin pérdidas excesivas o disparos de sobrecorriente no deseados.

La duración del pulso de corriente viene determinada por la longitud del cable, es igual al tiempo que tarda el pulso en viajar al extremo del motor y volver como reflexión invertida. Cuanto más largo el cable, mayor el efecto en el inversor.

Algunos cables especiales pueden tener valores anómalos de Z₀.

La relación de diámetros puede reducirse mucho si no hay chaqueta aislante entre los conductores de potencia y el apantallamiento, lo que puede ocurrir en cables de potencia apantallados altamente flexibles. El cable de cobre con aislamiento mineral (MICC) también tiene una relación de diámetros baja, y la permitividad del aislante mineral es alta, por lo que la impedancia es muy baja.

Otra situación donde el Z₀ efectivo será bajo es si se conectan varios cables en paralelo para lograr la intensidad nominal requerida, en lugar de usar un solo cable de gran diámetro. En estos casos, a menos que la longitud total de cable sea muy corta, a menudo es necesario añadir bobinas de serie (chokes) entre el variador y el cable para restringir la corriente de carga del cable. En Control Techniques hemos encontrado ocasionalmente casos donde el instalador ha usado tres cables en paralelo y ha usado un cable de tres hilos para cada fase. Esta disposición es mala práctica en cualquier caso porque la corriente de frecuencia de red en los hilos de fase induce contra-corrientes en los apantallamientos, lo que puede resultar en calentamiento de los apantallamientos. Cuando se usa con un VSD resulta en una corriente parásita excepcionalmente alta por la capacitancia excesiva entre los conductores de potencia y tierra, que puede causar interferencia de alta frecuencia con circuitos cercanos y también riesgo de sobrecargar filtros RFI por corriente de modo común (tierra) excesiva. Los métodos correcto e incorrecto se muestran en la Figura 5.

Figura 5: Métodos correcto e incorrecto para conectar cables de potencia en paralelo

En lo anterior no he distinguido particularmente los modos en el cable a los que se aplica la impedancia. Generalmente no es necesario considerar tanto detalle, pero los modos principales que afectan al variador son:

• Modo asimétrico simple, un hilo respecto a todos los demás hilos y apantallamiento. Relevante para la carga del variador pero no para corriente de tierra o carga de filtros.
• Modo común, todos los hilos de potencia al apantallamiento y a conductor de tierra si existe. Relevante para corriente de tierra y carga de filtros.

Sobretensión en motor y tasa de cambio (dv/dt)

La capacitancia e inductancia del cable causan sobretensiones en los bornes del motor en los flancos de pulso. En términos de las ecuaciones del telegráfico, estas pueden entenderse como reflexiones en los bornes del motor causadas por el desajuste de impedancia. Incluso cables bastante cortos resultan en alguna sobretensión. Esto puede ser sorprendente si no estás familiarizado con inversores y pulsos de cambio rápido —en una escala de microsegundos, la tensión en el motor es bastante diferente de la del inversor aunque estén conectados.

Los motores tienen una capacidad de soportar tensión que depende del tiempo de subida de la tensión. Para tiempos de subida por debajo de unos 0,8 microsegundos, la capacidad de soportar tensión puede reducirse porque la tensión tiende a concentrarse en las primeras vueltas del devanado, y estresa el aislamiento entre vueltas. La mayoría de motores están diseñados para uso con variadores inversores alimentados desde 400 V o 480 V sin medidas especiales. Para motores de 690 V se recomienda encarecidamente usar un motor diseñado específicamente para inversor para evitar cualquier riesgo de fallo prematuro del aislamiento. Dichos motores deben especificarse cumpliendo la guía del documento IEC TS 60034-25 ("Guía para el diseño y rendimiento de motores de CA específicamente diseñados para alimentación por convertidor").

Múltiples motores

Ocasionalmente es deseable operar varios motores desde un solo variador. Por ejemplo, pequeños ventiladores de ventilación pueden instalarse alrededor de un edificio y accionarse desde un solo variador, cada uno con su propio cable. En esta situación, la capacitancia del cable viene dictada por su longitud total, pero las inductancias de las secciones aparecen en paralelo al variador, no en serie. Para n cables, la impedancia vista por el variador en sus flancos de pulso es Z₀/n.

Debería usarse una bobina de serie en este caso para restringir los pulsos de carga de capacitancia, de lo contrario el variador probablemente sufrirá disparos prematuros de sobrecorriente o limitación causados por la alta corriente de carga.