Cables de motor para variadores de velocidad

El cable del motor para un variador de velocidad PWM puede tener algunos efectos inesperados. En este blog analizo algunas consideraciones especiales que se necesitan al elegir e instalar un cable de motor para un VSD.

Valoración actual

La corriente del motor cargado en estado estacionario no cambia apreciablemente al usar un VSD con el motor. La función de protección de corriente del motor en el convertidor está aprobada (por ejemplo, por UL) para la protección térmica del motor y el cable en caso de sobrecarga. Por lo tanto, la clasificación de corriente básica del cable del motor es la misma que la de un motor conectado directamente en línea.

Tamaño de cable y caída de tensión:códigos de tamaño de cable

Los códigos de tamaño de cable utilizados por los instaladores eléctricos, incluidos los paquetes de software de planificación de cables, a menudo tienen disposiciones especiales para motores. Estos se basarían en un motor de inducción industrial estándar iniciado por conexión directa a la línea eléctrica (arranque DOL "directo en línea"). Es posible que los cables largos deban ser más grandes de lo que dictaría la clasificación de corriente continua a plena carga, para restringir la caída de voltaje en la inductancia y la resistencia del cable durante el arranque. Un motor de inducción industrial típico consume una corriente de arranque DOL de aproximadamente 5 veces su valor nominal máximo, debido al alto deslizamiento antes de que alcance su velocidad de funcionamiento; y durante el arranque, el par disponible no es particularmente alto, como se ilustra en la Figura 1. Es posible que una caída de voltaje excesiva en el cable provoque que el motor no arranque si el par de carga se mantiene a baja velocidad.

Figura 1:Corriente y par durante el arranque de un motor de inducción directamente en línea

Cuando se utiliza un variador de velocidad, el deslizamiento del motor siempre es bajo y la corriente durante el arranque nunca excede la clasificación a corto plazo (por ejemplo, 110 % o 150 % según la aplicación). Además, el variador se puede ajustar con el motor y su cable para que se compense la caída de voltaje del cable:a una velocidad por debajo de la velocidad base, hay un margen de voltaje disponible entre la capacidad del variador y el voltaje requerido para lograr la densidad de flujo de trabajo en el motor. Por lo tanto, con un VSD no es necesario sobredimensionar el cable para reducir la caída de tensión en el arranque. En instalaciones con cables de motor largos, este hecho puede permitir un ahorro considerable en los costos de cable. Al utilizar software de dimensionamiento de cables para planificar una instalación, el motor con VSD debe configurarse como una carga resistiva simple, no como un motor, para evitar la asignación innecesaria de corriente de arranque del motor.

Tipos de cable:apantallamiento (blindaje)

La salida del VSD utiliza modulación de ancho de pulso (PWM) para crear un suministro con voltaje y frecuencia ajustables para controlar el motor. Los pulsos tienen flancos rápidos, con tiempos de subida/bajada del orden de 100 ns. Esto significa que el contenido de frecuencia del voltaje en el motor y el cable del motor se extiende hasta altas frecuencias de radio; generalmente hay un nivel muy alto para frecuencias de hasta alrededor de 10 MHz y un nivel considerable hasta alrededor de 50 MHz. Para evitar interferencias electromagnéticas (EMI), el cable debe apantallarse para suprimir la emisión de energía electromagnética. La presencia de una pantalla puesta a tierra evita la emisión de campos eléctricos, y la correcta conexión de la pantalla tanto en el lado del motor como del convertidor, utilizando una unión con mínima autoinducción, evita la emisión de campos magnéticos. Ambos son necesarios.

La posible emisión de un cable de motor mal gestionado puede afectar tanto a las comunicaciones por radiofrecuencia como a los equipos electrónicos cercanos, como sensores y circuitos de datos, que son sensibles a las perturbaciones en estos rangos de frecuencia. El estándar de compatibilidad electromagnética (EMC) para variadores IEC 61800-3 (EN 61800-3) requiere que el cable del motor esté apantallado; de lo contrario, la salida del variador tendría que conectarse a través de un dispositivo de filtro de radiofrecuencia muy costoso y difícil de manejar.

Las pruebas prácticas han demostrado que las pantallas de cable que usan acero o cobre pueden ser igualmente efectivas siempre que tengan una buena cobertura continua y continuidad a lo largo del cable. Esto facilita que la corriente de radiofrecuencia fluya a lo largo de la pantalla para cancelar el campo magnético causado por la corriente de modo común en los núcleos de energía, ilustrada en la Figura 2.

Figura 2:Cancelación de campo magnético externo por un cable apantallado con pantalla conectada en ambos extremos

Puesta a tierra (puesta a tierra)

La conexión a tierra del motor es principalmente para garantizar la seguridad en caso de falla a tierra en el motor. La conexión a tierra debe transportar la corriente de falla hasta que el dispositivo de seguridad (fusible o disyuntor) interrumpa la corriente, al tiempo que garantiza que la tensión de contacto[1] del cuerpo del motor permanezca dentro de los límites seguros.

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

Figura 3:Ruta de falla a tierra del motor y voltaje de contacto

Como se explicó anteriormente, el cable del motor para un variador de velocidad debe apantallarse. Si esta pantalla también puede proporcionar la conexión a tierra de seguridad depende de su impedancia y del código de práctica utilizado 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 pregunta de si utilizar un núcleo de tierra dentro del cable de motor apantallado (es decir, un cable de 4 núcleos) o uno externo. Desde el punto de vista de la seguridad, ambas soluciones son igualmente buenas. También por razones de EMC, ambos métodos pueden funcionar, pero se debe tener cuidado con un cable de 4 núcleos. El núcleo de tierra transporta una corriente de ruido bastante alta, recogida de los núcleos de alimentación dentro del cable. Si se lleva a un punto en el panel de cableado del inversor lejos de la terminación de la pantalla del cable, inyectará la corriente de ruido en el cableado de tierra del panel, con el riesgo de perturbar los circuitos de señal. Debe conectarse al panel inversor físicamente muy cerca de la terminación de la pantalla, como se muestra en la Figura 4.

Figura 4:Gestión correcta del núcleo de tierra (PE) en cable de motor apantallado de 4 núcleos

Capacitancia e inductancia

El cable del motor tiene autocapacitancia e inductancia naturales. A frecuencias de potencia, la capacitancia tiene un efecto insignificante, mientras que la inductancia provoca una pequeña caída de voltaje que es prácticamente insignificante, excepto en cables muy largos y corrientes de arranque DOL altas.

El efecto sobre los pulsos PWM de rápido aumento de un inversor es mucho más importante. En cada flanco de pulso, la capacitancia del cable debe descargarse. Esto da como resultado pulsos de corriente bastante grandes, pero cortos, en cada borde. Estos pueden causar una 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 se distribuye a lo largo del cable con la capacitancia y tiene el efecto de limitar la corriente de carga. El efecto neto se describe mediante las "ecuaciones de Telegrapher" y da como resultado parámetros de 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:

Donde  = voltaje del enlace de CC del inversor

Para un cable coaxial la impedancia característica viene dada por:

donde:

=permitividad relativa del dieléctrico (aislante)

= Diámetro interior del conductor exterior

=Diámetro exterior del conductor interior

En un cable apantallado trifásico la geometría no es una simple forma coaxial, sino que su comportamiento es similar, siendo la impedancia función de la permitividad dieléctrica y de los diámetros relativos de los conductores interior y exterior. La geometría y el material dieléctrico utilizado en los cables no varían mucho, y el término logarítmico significa que la impedancia no es muy sensible a los cambios de geometría. Valores medidos de   para cables de alimentación apantallados estándar, el rango es de unos 45 ohmios para 2,5 mm ² cable a 15 ohm para 120 mm ² cable. Esto significa que para unidades más grandes con valores nominales de corriente superiores a 20 A, la corriente de carga es insignificante, pero para valores nominales inferiores a 10 A, tiene un impacto y la unidad debe diseñarse para suministrar la corriente de carga sin pérdida de energía excesiva o sobrecarga no deseada. disparo actual.

La duración del pulso de corriente está determinada por la longitud del cable, es igual al tiempo que tarda el pulso en viajar hasta el extremo del motor y luego regresar como un reflejo invertido. Cuanto más largo sea el cable, mayor será el efecto sobre el inversor.

Algunos cables especiales pueden tener valores anormales de 

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

Otra situación en la que la efectividad será baja es si se conectan varios cables en paralelo para lograr la clasificación de corriente requerida, en lugar de usar un solo cable de gran diámetro. En estos casos, a menos que la longitud total del cable sea muy corta, a menudo es necesario agregar choques en serie entre el variador y el cable para restringir la corriente de carga del cable. En Control Techniques nos hemos encontrado ocasionalmente con un caso en el que el instalador ha utilizado tres cables en paralelo y ha utilizado un cable con tres conductores para cada fase. Esta disposición es una mala práctica en cualquier caso porque la corriente de frecuencia de red en los núcleos de fase induce contracorrientes en las pantallas, lo que puede resultar en el calentamiento de las pantallas. Cuando se usa con un VSD, genera una corriente parásita excepcionalmente alta debido a la capacitancia excesiva entre los núcleos de alimentación y tierra, lo que puede causar interferencias de alta frecuencia con los circuitos cercanos y también corre el riesgo de sobrecargar los filtros RFI a través de un modo común (tierra) excesivo. Actual. Los métodos correctos e incorrectos se muestran en la Figura 5.

Figura 5:métodos correctos e incorrectos para conectar cables de alimentación en paralelo

En lo anterior, no he distinguido particularmente los modos en el cable al que se aplica la impedancia. Por lo general, no es necesario considerar tantos detalles, pero los modos principales que afectan la unidad son:

• Modo asimétrico simple, un núcleo en relación con todos los demás núcleos y pantalla. Esto es relevante para la carga del variador, pero no para la corriente de tierra o la carga del filtro.
• Modo común, todos los núcleos de alimentación a la pantalla y al núcleo de tierra donde estén instalados. Esto es relevante para la corriente de tierra y la carga del filtro.

Exceso de voltaje del motor y tasa de cambio (dv/dt)

La capacitancia y la inductancia del cable provocan sobreimpulsos de voltaje en los terminales del motor en los bordes del pulso. En términos de las ecuaciones de Telegrapher, estas pueden entenderse como reflejos en los terminales del motor causados ​​por la falta de coincidencia de impedancia. Incluso los cables bastante cortos dan como resultado un sobreimpulso. Esto puede ser sorprendente si no está familiarizado con los inversores y los pulsos que cambian rápidamente:en una escala de tiempo de microsegundos, el voltaje en el motor es bastante diferente al del inversor, aunque estén conectados entre sí.

Los motores tienen una capacidad de resistencia a la tensión que depende del tiempo de subida de la tensión. Para tiempos de subida inferiores a unos 0,8 microsegundos, la tensión soportada puede reducirse porque la tensión tiende a concentrarse en las primeras espiras del devanado y tensiona el aislamiento entre espiras. La mayoría de los motores están diseñados para usarse con convertidores que funcionan con un suministro de 400 V o 480 V sin medidas especiales. Para motores de 690 V, se recomienda encarecidamente utilizar un motor con clasificación de inversor especialmente diseñado para evitar cualquier riesgo de falla prematura del aislamiento. Dichos motores deben especificarse de acuerdo con la guía proporcionada en el documento IEC TS 60034-25 ("Guía para el diseño y rendimiento de motores de CA específicamente diseñados para alimentación de convertidor").

Múltiples motores

Ocasionalmente, es deseable operar varios motores desde un solo variador. Por ejemplo, los pequeños ventiladores pueden instalarse alrededor de un edificio y controlarse 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 la unidad en sus flancos de pulso es 

En este caso, se debe usar un estrangulador en serie para restringir los pulsos de carga de capacitancia; de lo contrario, es probable que el variador sufra un disparo prematuro por sobrecorriente o una limitación causada por la alta corriente de carga.