Proteja los motores industriales ligeros con cables VFD especializados

Las transmisiones de frecuencia variable (VFD) son una opción popular para aplicaciones industriales ligeras debido a su excelente eficiencia y control preciso. Sin embargo, muchos VFD compactos producen salidas ruidosas con importantes implicaciones para la selección del cable de alimentación del motor. Elegir el cable equivocado puede acarrear complicaciones, como tiempos de inactividad difíciles de diagnosticar, fallos prematuros del motor y riesgos para la seguridad.

Muchos de estos problemas están relacionados con la tecnología de conmutación rápida en la que se basan los variadores de frecuencia. La conmutación de alta frecuencia introduce importantes picos de tensión, interferencias electromagnéticas (EMI) y corrientes parásitas que pueden dañar el motor, los sistemas cercanos y el propio cable.

Este artículo analiza los retos de cableado a los que se enfrentan los diseñadores cuando utilizan variadores de frecuencia. A continuación, presenta los cables VFD de Belden y muestra cómo pueden utilizarse para hacer frente a estos retos.

Retos de los VFD para motores industriales ligeros

Los variadores de frecuencia plantean dificultades de diseño en aplicaciones industriales ligeras, como ventiladores, bombas, cintas transportadoras, extrusoras, mezcladoras, prensas y molinos. Estas aplicaciones a menudo implican motores implementados por docenas o incluso cientos, y la escala de estas instalaciones crea presión para utilizar las soluciones de menor costo.

Como resultado, estas aplicaciones suelen requerir VFD compactos de nivel básico y de uso general basados en transistores bipolares de puerta aislada (IGBT) de silicio (Si). Las características típicas de estos accionamientos incluyen:

• Caballo de fuerza integral (HP) en la gama de 1 a 30 HP (0.74 kW a 22 kW)
• Salida trifásica de baja tensión de 200 V a 575 V
• Frecuencias de conmutación en el rango de 2 kHz a 16 kHz

Dados los moderados niveles de potencia y la presión por mantener bajos los costos, puede resultar tentador emparejar estas unidades con los cables que se utilicen en otras partes de la instalación. Dependiendo de la aplicación, esto puede incluir el cable armado TECK90, el cable soldado corrugado continuo (CCW) o incluso el cable de construcción estándar, como el cable termoplástico recubierto de nailon de alta resistencia al calor (THHN). Sin embargo, ninguna de estas opciones aborda adecuadamente las características únicas de los VFD.

Por qué los VFD requieren cables especializados

Los VFD de nivel básico utilizan la modulación por ancho de pulsos (PWM) de dos niveles, en la que la salida alterna rápidamente entre dos estados (figura 1). Las salidas de onda cuadrada de estos variadores tienen tiempos de subida de tensión (dV/dt) muy pronunciados, lo que puede causar varios problemas.

Figura 1: Los VFD de nivel básico utilizan salidas PWM de dos niveles para aproximarse a una onda sinusoidal. (Fuente de la imagen: Wikipedia)

En primer lugar, las ondas cuadradas que emanan de un variador de frecuencia introducen ruido armónico de alta frecuencia en el cable de alimentación del motor. Estas ondas pueden reflejarse cuando encuentran un desajuste de impedancia, como en la terminación del cable. La interferencia constructiva de estas ondas puede generar picos de tensión dos o tres veces superiores a la tensión nominal. Por ejemplo, un variador de frecuencia que alimente un motor de 460 V puede ver fácilmente picos muy superiores a 1 kV.

Estas altas tensiones pueden superar la tensión de inicio de corona (CIV), produciendo una descarga de corona que puede dañar los materiales de aislamiento estándar de los cables, como el policloruro de vinilo (PVC). Esto puede provocar fallos en el equipo y riesgos de descarga eléctrica.

En segundo lugar, los cambios rápidos de tensión pueden introducir una EMI excesiva, lo que provoca errores operativos difíciles de rastrear. Por ejemplo, este ruido puede afectar al funcionamiento de los controladores lógicos programables (PLC) y otros sistemas de control cercanos. Esto resulta especialmente problemático cuando los cables de alimentación del motor deben tenderse cerca de otros cables, ya que las interferencias pueden afectar a las señales de la red y de los sensores.

En tercer lugar, la conmutación rápida provoca desequilibrios en las tensiones trifásicas, creando tensiones parásitas que requieren una vía de retorno fuera de los cables de fase. Sin una contención adecuada, la corriente en modo común (CMC) resultante suele descargarse a través de los cojinetes del motor, provocando fusiones y picaduras microscópicas que pueden acortar considerablemente la vida útil del motor.

En algunos casos, el CMC puede ser devuelto a través del recinto del VFD u otras estructuras. Esto puede provocar que el ruido eléctrico se irradie a las zonas circundantes, con el consiguiente riesgo de descarga eléctrica. Se trata de riesgos asociados al uso del cable TECK90 o CCW, por ejemplo.

Por último, los cables de alimentación pueden presentar una alta reactancia capacitiva al ruido de alta frecuencia. Como resultado, los variadores de frecuencia son vulnerables a las corrientes de carga capacitivas que pueden provocar una importante pérdida de energía. Esto resulta especialmente problemático en el caso de tendidos de cable largos y motores pequeños, en los que la impedancia capacitiva del cable puede representar un porcentaje considerable de la carga total del sistema.

Cabe señalar que las tensiones de alta frecuencia pueden mitigarse emparejando un variador de frecuencia con un filtro de salida o eligiendo variadores de frecuencia multinivel con salidas intrínsecamente más suaves. Sin embargo, ninguno de los dos enfoques elimina por completo los peligros, y ambas opciones pueden estar fuera del alcance de las aplicaciones sensibles a los costos.

Beneficios de los cables VFD especializados

Los cables VFD Basics de 2 kV de Belden (figura 2) están diseñados para hacer frente a los peligros asociados a los VFD accionados por PWM. La característica principal del diseño es el aislamiento de polietileno reticulado (XLPE) con una tensión nominal de 2 kV. Incluso cuando se expone a tensiones superiores a la CIV, el XLPE sigue siendo muy resistente a la descarga de corona debido a su estructura molecular más apretada. Esto proporciona una resistencia suficiente contra los picos de tensión y se adapta a la mayoría de los variadores de frecuencia compactos.

Figura 2: Los cables VFD Basics de 2 kV de Belden cuentan con apantallamientos de cinta de cobre, conexión simétrica a tierra y aislamiento y cubierta sólidos. (Fuente de la imagen: Belden)

El XLPE también presenta una constante dieléctrica inferior a la del PVC, lo que reduce la capacitancia del cable y las corrientes de carga asociadas.

Los cables eléctricos estándar suelen utilizar un único conductor de tierra de tamaño moderado. Por el contrario, los cables VFD Basics de 2 kV presentan tres grandes masas, espaciadas simétricamente entre los conductores de fase. Esta geometría garantiza que la CMC tenga una vía de retorno equilibrada y de baja impedancia.

Además, los cables Belden incorporan un apantallamiento de cinta de cobre helicoidal de doble capa. Esto proporciona una barrera continua de baja impedancia contra la EMI radiada y conducida. Los conductores de tierra están desnudos y hacen contacto directo con el apantallamiento, proporcionando una vía de retorno compartida de baja impedancia para todas las corrientes no deseadas.

Los cables VFD Basics de 2 kV también incluyen características mecánicas diseñadas para soportar los exigentes entornos típicos de las instalaciones industriales ligeras. La cubierta exterior de PVC resistente al aceite soporta la exposición a lubricantes y fluidos industriales. Los cables tienen clasificación de enterrado directo y llevan un listado TC-ER, lo que permite la instalación sin conducto para tendidos expuestos. La resistencia al fuego FT4/IEEE 1202 proporciona un margen de seguridad adicional en instalaciones con códigos de incendios estrictos.

Cómo seleccionar los cables VFD en función de la potencia del motor

Entre otras consideraciones, los cables deben seleccionarse en función de su capacidad de transporte de corriente. Esta capacidad viene determinada principalmente por el calibre del cable, pero dependiendo de la aplicación, deben tenerse en cuenta factores de reducción de potencia. Belden ha creado una guía de selección ilustrativa (figura 3) basada en los valores nominales típicos de corriente a plena carga (FLC) de los motores trifásicos de CA publicados en la tabla 430.250 de NEC, multiplicado por 125% según el artículo 430-22(A) de NEC.

Figura 3: La tabla de selección de cables VFD Basics de 2 kV de Belden indica qué cable utilizar en función de la tensión y la potencia del motor. Los asteriscos indican que puede ser necesario aumentar el tamaño para tiradas más largas. (Fuente de la imagen: Belden, modificado por Kenton Williston)

Por ejemplo, para un motor de 10 HP que funcione a 230 V, el 29723C 0102500 es una buena elección. Este cable cuenta con conductores de 10 AWG y masa de 14 AWG.

Para un motor de 10 CV que funcione a 460 V, Belden recomienda en su lugar el 29721C 0102500, más ligero, con conductores de 14 AWG y masa de 18 AWG. Se trata de una reducción de dos galgas, que refleja el menor consumo de corriente a mayor tensión.

Tenga en cuenta que la ampacidad no es la única consideración de diseño. Otra cuestión clave es la longitud del cable. Para tendidos de más de 50 pies (ft), la caída de tensión puede requerir un calibre mayor. Volviendo al ejemplo de un motor de 10 HP/460 V, Belden recomienda aumentar el tamaño al 29722C 0102500 (conductores de 12 AWG, conductores a tierra de 16 AWG) para tramos largos.

Ventajas de los cables VFD de longitud personalizada

Es importante obtener un cable cortado a la longitud precisa necesaria para optimizar el rendimiento y el costo. Una opción es pedir el cable en bobinas y cortarlo a medida sobre el terreno. Sin embargo, este enfoque a menudo da lugar a despilfarros y los cortes sobre el terreno pueden estar mal ejecutados. Del mismo modo, pedir cable en longitudes estándar y recortarlo puede resultar poco rentable.

Para hacer frente a estas limitaciones, el programa de longitudes de cable a medida Digi-Spool permite hacer pedidos por pies sin longitud mínima, sin costos adicionales por corte y con cortes precisos sin empalmes. El programa cuenta con la certificación UL y todos los cables Belden destacados en este artículo están disponibles en longitudes personalizadas.

Cómo terminar los cables VFD

Seleccionar el cable adecuado es fundamental, pero también lo es una terminación correcta. Los métodos estándar unen el blindaje (y, en algunos casos, los conductores de tierra) a la carcasa del variador de frecuencia. Sin embargo, este enfoque puede inyectar corrientes de ruido cerca del accionamiento, el PLC y otros equipos sensibles.

La solución recomendada por Belden es utilizar un prensaestopas de aislamiento (pasante), que permite que el cable entre en la caja sin terminar el apantallamiento o las masas en ese punto (figura 4). Esto permite que el apantallamiento y las masas se terminen en tierra de protección (PE) en el variador de frecuencia y el motor, proporcionando un aislamiento sólido.

Figura 4: El apantallamiento y las masas del cable del variador de frecuencia deben conectarse a PE en el variador y el motor. (Fuente de la imagen: Belden)

Belden ofrece una línea de prensaestopas BTC diseñados para este fin, incluido el BTC075A0791RA (figura 5). Su diseño pasante mantiene aislados los conductores de apantallamiento y puesta a tierra en la entrada de la caja, y es compatible con todos los cables tratados en este artículo. El prensaestopas cuenta con un empalme NPT de 3/4 de pulgada (in) adaptado a los recintos industriales estándar.

Figura 5: El prensaestopas BTC075A0791RA está diseñado específicamente para permitir el paso de cables VFD. (Fuente de la imagen: Belden)

Conclusión

Los variadores de frecuencia ofrecen una eficiencia y un control convincentes, pero sus salidas de conmutación rápida plantean retos que requieren una cuidadosa selección de los cables. Los cables VFD Basics de 2 kV de Belden abordan estos retos con características optimizadas para VFD compactos. Cuando se combinan con el programa de longitudes de cable personalizadas Digi-Spool de DigiKey, estos cables ofrecen una solución práctica para una amplia gama de aplicaciones industriales ligeras.