Cables y sistemas VFD

Glosario:

• VFD: Variable Frequency Drive, Controlador de frecuencia variable.
• Drive: Controlador electrónico encargado de convertor AC a DC a AC.
• Armónicos: Señales no deseadas, las cuales tienen una frecuencia que es múltiplo de una de menor frecuencia que se denomina fundamental. Regularmente por ser de alta frecuencia se propagan por todo el sistema sumándose y causando interferencia a otras señales.
• Encoder: Dispositivo transductor de la familia de los motores de DC, encargado de convertir la rotación de su eje en pulsos eléctricos. Es usado para la medición de eventos.
• Filtro de línea: Conjunto de resistencias, inductancias y condensadores, conectados de tal forma que filtren señales no deseadas.
• Portadora: Señal de alta frecuencia usada por la electrónica del Drive como referencia para generar los pulsos necesarios del voltaje de salida.

¿Qué es un sistema VFD?

Para entender de manera básica que es un sistema VFD, se requiere conocer de algunas necesidades presentes en las plantas industriales y también diferentes procesos que involucran en su funcionamiento, motores eléctricos. Imaginemos algunos procesos tales como molinos, bandas transportadoras, ventiladores, bombas de succión y bombas de vacío; esos son solo unos pocos ejemplos de procesos que requieren motores eléctricos, estos procesos presentan una necesidad en común, controlar la velocidad de rotación de los motores eléctricos, unos para tener arranques suaves o una velocidad de arranque controlada, otros requieren variar la velocidad del proceso, por ejemplo si se requiere que la banda transportadora valla más rápido o más lento. La velocidad de rotación de un motor industrial depende de su diseño y puede estar entre 900 rpm y 3600 rpm a 60 Hz. Por la velocidad de rotación, es claro que no se puede unir directamente el eje rotacional del motor a lo que se desea mover o la denominada carga. Por años se implementaron muchas estrategias para transferir el movimiento del motor a la carga, se ha hecho a través de dispositivos que, con poca eficiencia, permitían obtener algo de control sobre la velocidad del motor. Algunas de esas estrategias son por disipación de potencia (calor), implicando perdida de energía. Otra forma era a través de cajas de transmisión mecánicas, la cuales implican desgaste y frecuentes mantenimientos.

Un sistema VFD es un conjunto de dispositivos eléctricos y electrónicos conectados entre sí, que a través de métodos digitales permiten, con alta eficiencia variar la velocidad del motor, invertir el sentido de rotación, arranques suaves y otras funciones, que hacen del sistema VFD, la solución a grandes necesidades de la industria en sus diferentes procesos productivos.

¿Cómo funciona un sistema VFD?

Se debe recordar que un sistema VFD está compuesto por diferentes etapas, que tienen como objetivo controlar diferentes funciones de un motor eléctricos. Entre estas están:

1. Variar la velocidad del motor alrededor de la velocidad nominal manteniendo el torque. Esto se logra a través de métodos vectoriales de corriente y también controlando la relación voltaje a frecuencia.
2. Invertir el sentido de giro.
3. Arranques suaves.

Todas estas funciones se logran tomando un sistema trifásico de corriente alterna, convertirla en Voltaje DC y después conmutar en alta frecuencia el voltaje DC y así obtener una corriente senoidal que puede variar en frecuencia.

La primera etapa como alimentación del sistema, está compuesta por un transformador de aislamiento, tiene la función de aislar el sistema VFD del sistema eléctrico general, de esta forma se logra filtrar mucho contenido armónico. La segunda etapa es el drive, el cual toma el voltaje trifásico de 60 Hz o 50 Hz y lo transforma en voltaje de corriente continua, el mismo drive a través de un puente de conmutación de alta frecuencia, convierte el voltaje de corriente continua en voltaje de corriente alterna, con una particularidad y es que la corriente es alterna de forma sinusoidal, pero la señal de voltaje está compuesta por un tren de pulsos. La tercera etapa es el motor trifásico de corriente alterna, el cual se alimenta con el voltaje y con la corriente entregada por el drive. La interconexión de estas tres etapas, Transformador, drive y Motor se hace a través de cables eléctricos, que en el mejor de los casos son del tipo VFD. La cuarta etapa es la carga.

Desde esta perspectiva, las condiciones en el país están dadas y cada día se trabaja en pro de ofrecer beneficios e incentivos tributarios derivados de leyes como la 1715 y otras que han antecedido este tema a lo largo de los últimos años.

¿Es más costoso usar un cable VFD o usar un cable convencional de potencia?

La inversión inicial al adquirir un cable VFD es más elevada que al adquirir un cable de potencia convencional del mismo calibre. Un cable VFD en su diseño es más complejo y está compuesto por más elementos o partes que un cable de potencia convencional.

¿Qué diferencia un cable VFD de un cable de potencia convencional?

Externamente no tiene diferencia, internamente aparecen diferencias marcadas. Un cable de potencia convencional está compuesto por cuatro conductores aislados, tres fases y un conductor de tierra todo agrupado por una cubierta externa general. Un cable VFD está compuesto regularmente por seis conductores extra flexibles aislados, que son tres fases y tres tierras ubicadas simétricamente entre las fases, un relleno, una pantalla metálica general y una cubierta general que reúne todo el conjunto.

¿En qué se diferencia el término “cable VFD” del término “sistema VFD”?

El cable VFD hace parte del sistema VFD. Un sistema VFD, está compuesto por diferentes secciones o partes:

1. Transformador de alimentación – aislación.
2. Drive VFD.
3. Motor Eléctrico – especialmente diseñado para un sistema VFD.
4. Cables VFD.

• Componentes armónicos regresando del drive al sistema eléctrico general. Esto por la carga y descarga del filtro del voltaje DC.
• Armónicos circulando por el sistema general de tierra.
• Arco eléctrico entre fases de conexión del motor.
• Sobrevoltaje en la bornera de conexión del cable al motor.
• Corrientes parasitas circulando por rodamientos, carcasas y sistema de puesta a tierra tanto del motor como de la carga.
• Señales electromagnéticas irradiadas desde la conexión entre drive y motor, las cuales interfieren con señales débiles como las usadas por encoders y datos digitales en general, entorpeciendo el correcto funcionamiento de otros sistemas.
• Incremento en el mantenimiento de rodamientos.
• Decremento en la calidad de energía.

¿El sistema VFD en su propio diseño puede lidiar con estos problemas?

La solución principal es mantener todas estas señales y corrientes parasitas indeseadas en el sistema VFD y que no se propaguen o circulen por los otros sistemas.

Esto se logra haciendo uso de filtros de línea recomendados por el fabricante del drive. Pero externamente al drive el resto del sistema VFD debe mitigar estos problemas haciendo uso de un cable correcto VFD, el cual brinda un camino de baja impedancia desde el motor y la carga hacia el drive, tanto de armónicos como de corrientes parasitas y la pantalla general además de ser camino de retorno a estas señales, evita que se irradien señales electromagnéticas que interfieran y entorpezcan el funcionamiento de otros sistemas vecinos.

¿Qué es mejor que el conductor sea cableado normal o extra flexible?

Un conductor extra flexible, está compuesto por numerosos alambres delgados que facilitan la propagación de señales de alta frecuencia. Por efecto piel, más alambres representan más área de propagación superficial en un conductor. Además, un conductor extra flexible absorbe mejor la vibración que se presenta por la cercanía del drive al motor, alargando la vida útil de estos conductores.

Por naturaleza en la conexión cable-motor se presenta un sobrevoltaje causado por la diferencia de impedancia entre el motor y el cable por la alta frecuencia de la señal de voltaje. Para el aislamiento es recomendable el uso de materiales termoestables de baja permitividad, los cuales presentan corrientes de fuga despreciables. Un aislamiento, con un diseño adecuado, evita la formación de efectos corona y arcos eléctricos entre las fases.

El cable VFD usa tres conductores de tierra ¿no es esto un desperdicio de material? ¿Cuál es la función de estas tres tierras?

No es un desperdicio, pues al sumar el área de los tres conductores de tierra, el resultado es el área de un conductor de tierra estándar por norma. La función de estas tres tierras simétricas es reducir al mínimo el voltaje de modo común, el cual aparece en el conductor de tierra por el desbalance en la forma de onda de voltaje de las fases. Además, presenta un camino de retorno de baja impedancia para las señales y corrientes parasitas desde el motor hacia el drive.

El cable VFD ejerce un trabajo de potencia, ¿es necesario el blindaje o pantalla metálica?

Esta pantalla o blindaje es el mejor aliado para los sistemas vecinos, al evitar que señales electromagnéticas se emitan desde la conexión drive – motor e interfieran con señales de datos, control e instrumentación de los sistemas vecinos. Además, esta pantalla se suma al camino de baja impedancia de retorno desde el motor hacia el drive para las señales y corrientes indeseadas.

¿De qué depende la selección de la pantalla en cinta, trenza o hilos?

La funcionalidad de la pantalla como blindaje ante señales de interferencia electromagnéticas, está definida por la frecuencia que se quiere repeler. Desde este punto de la funcionalidad podría usarse un foil de aluminio; es claro que para cables de sección superior a 10 AWG, el foil no es adecuado, puede romperse por el movimiento del cable. Otra tarea de la pantalla metálica es la de servir de camino de retorno de baja impedancia para las señales parasitas, donde se hace necesario usar una sección (área) mayor con mejor conductividad.

¿Como se deben realizar las conexiones a tierra una vez instalado el cable?

Las puntas de los tres conductores simétricos de tierra deben estar juntas y conectarse tanto en el motor como en el drive  del borne correspondiente. La pantalla metálica debe tener una conexión a tierra de 360°, esto se puede lograr al usar un sistema pasa cajas adecuado, tanto en el motor como en el drive.

¿Existen normas que regulen el diseño e instalación de estos cables? ¿Cuáles son?

Actualmente se está elaborando una norma ICEA WG 738 exclusiva para este tipo de cables; sin embargo, los diseños actuales se encuentran bajo las características de las diferentes normas que rigen los cables de potencia. Los agregados y variaciones de diseño corresponden a las diferentes experiencias y estudios de los fenómenos que se presentan en este sistema, y se unen a los estudios de señales EMI y cumplimiento con los requeridos normativos de compatibilidad electromagnética EMC.

¿Qué es mejor usar como material metálico en la pantalla, cobre o aluminio?

Al entender la funcionalidad de la pantalla metálica o blindaje, es claro que por su baja resistividad, la mejor opción es el cobre.

¿Qué tipo de cubierta externa deben tener los cables VFD?

El tipo de cubierta externa (chaqueta) depende del lugar en el cual se instalará el cable. Puede ser de material PVC, polietileno o polietileno con características HF FR LS SR TC.

¿Cuál es la máxima longitud de un cable VFD?

La máxima longitud de un cable VFD la define el fabricante del drive, pues esta depende de la frecuencia portadora del drive.

¿Puedo usar temporalmente en mi drive VFD un cable de potencia convencional? ¿funciona?

El sistema va a arrancar, pero es claro que con un cable de potencia convencional se van a presentar todos los problemas que ya conocemos. Esto es un riesgo así sea temporal, pues se arriesga el sistema completo o las diferentes partes de este, teniendo en cuenta que se está afectando todos los sistemas vecinos por interferencia, lo que puede implicar grandes pérdidas productivas y de equipos.