Cómo seleccionar los cables para un control fiable del motor VFD y la retroalimentación del sensor

La automatización industrial y los esfuerzos por mejorar la eficiencia energética están incrementando el uso de variadores de frecuencia (VFD) en sistemas de motor, como cintas transportadoras, bombas y robots industriales. La selección de cables para estos motores es más compleja que la mera elección de un calibre de cable en función de la corriente de carga y una capacidad de aislamiento para la tensión de funcionamiento.

Los modernos sistemas de motor VFD utilizan electrónica de potencia conmutada que genera señales de accionamiento moduladas por ancho de pulsos (PWM) con bordes muy rápidos. Estos tiempos de transición rápidos pueden exacerbar las reflexiones causadas por desajustes de impedancia entre el cable y los terminales del motor, lo que provoca ondas estacionarias que elevan la tensión a lo largo del cable. Además, la capacitancia del cable de línea a línea y de línea a tierra puede influir en el rendimiento de la unidad y aumentar las corrientes de carga. Dado que las señales PWM de los VFD son ricas en armónicos de alta frecuencia, los cables del motor deben estar eficazmente apantallados para reducir las interferencias electromagnéticas (EMI).

Este artículo ofrece una breve visión general de los VFD y explora los desafíos a los que se enfrentan los diseñadores a la hora de elegir los cables de los motores VFD para garantizar una funcionalidad, fiabilidad y seguridad adecuadas. A continuación, se presentan los cables VFD de LAPP y demuestra cómo pueden utilizarse para suministrar señales de potencia y control estables al tiempo que se reducen las emisiones EMI y la susceptibilidad en entornos difíciles.

Introducción a los variadores de frecuencia

La automatización industrial requiere motores fiables y eficientes, capaces de funcionar en ambos sentidos en toda la gama de velocidades. Los variadores de frecuencia (VFD), a veces denominados variadores de velocidad ajustable, son controladores de motor que regulan la velocidad y el par de un motor de inducción de CA (ACIM) variando la frecuencia, la tensión y el ciclo de trabajo de la potencia de entrada del motor. Funcionan rectificando la entrada de CA y utilizando la salida de CC para generar señales PWM para accionar el motor. Ajustando la frecuencia, el ancho y la amplitud de estos impulsos, se puede controlar la velocidad y el par de salida del motor en una amplia gama de sistemas accionados por motor.

Para cumplir su función, un VFD consta de tres componentes principales (figura 1): un rectificador para cambiar la CA en CC, un inversor para convertir la CC en un flujo PWM y un controlador VFD.

Figura 1: Un variador de frecuencia rectifica su entrada de CA y utiliza la CC para generar las señales PWM que controlan la velocidad y el par de salida del motor. (Fuente de la imagen: Art Pini)

El controlador supervisa el funcionamiento del motor a través de sensores, incluidos dispositivos de retroalimentación resolver/codificador, tacómetros y sensores de temperatura y vibración, para gestionar los parámetros clave del motor.

El rectificador utiliza diodos convencionales seguidos de un filtro. El inversor emplea transistores de potencia de efecto de campo (FET) o transistores bipolares de puerta aislada (IGBT). Estos se accionan con controladores de compuerta de alto voltaje aislados gestionados por el controlador VFD.

El funcionamiento de los VFD difiere del funcionamiento tradicional con corriente alterna trifásica en que las señales que impulsan el motor no son ondas sinusoidales, sino impulsos PWM (figura 2).

Figura 2: Los impulsos PWM de un variador de frecuencia generan una respuesta de corriente sinusoidal en los devanados del motor. (Fuente de la imagen: LAPP)

La frecuencia de la señal PWM oscila generalmente entre 2 kHz y 20 kHz. El inversor conecta alternativamente el motor al bus de CC positivo y negativo, así como a la tensión común de CC. La tensión del bus de CC se aproxima a la tensión de pico de la red de CA. La forma de onda VFD PWM aplicada crea una respuesta de corriente sinusoidal que controla la velocidad y el par del motor.

La necesidad de cables especiales para conectar el VFD al motor surge de las características de la forma de onda PWM. Esta forma de onda, como pulso rectangular, tiene un amplio espectro de frecuencias rico en armónicos. Los cables VFD están diseñados para reducir la radiación de estas señales de alta frecuencia. Además, para minimizar las pérdidas de conmutación en los interruptores del inversor y maximizar la eficiencia, las transiciones de impulsos se realizan lo más rápido posible. Esto conduce a bordes de pulso con altas tasas de cambio de voltaje (dV/dt). Estas características, combinadas con los bordes rápidos y el alto contenido espectral, pueden causar altos niveles de IEM. Los bordes rápidos también pueden producir reflexiones de línea de transmisión en los cambios de impedancia a lo largo del cable. Las reflexiones crean ondas estacionarias en el cable, aumentando la tensión a lo largo de su longitud y requiriendo una mayor tensión nominal para el cable del variador de frecuencia.

La capacitancia del cable entre conductores metálicos es otra preocupación. Cuando los interruptores del inversor conectan el cable al bus de CC, se produce un pico de corriente que carga las capacitancias del cable. Esto puede elevar los niveles instantáneos de corriente, causando potencialmente daños en el cable. Esta corriente en modo común puede fluir entre fases o de una fase a tierra. También puede encontrar un retorno a tierra a través del bastidor del motor, pasando por los cojinetes del mismo. Las corrientes que atraviesan los cojinetes pueden provocar picaduras en sus superficies, reduciendo la vida útil del motor. Estos problemas se observan generalmente con variadores de frecuencia que funcionan a tensiones más altas, con potencias nominales del motor (CV) más elevadas y longitudes de carrera más largas.

Como ocurre con todos los hilos y cables, puede perderse potencia debido a la corriente que fluye a través de la resistencia de CC del cable. Además, debido al mayor ancho de banda espectral de las señales PWM, la resistencia del cable puede aumentar por el efecto piel. Estos efectos de resistencia cambian con la longitud del cable.

Los cables VFD abordan directamente los retos de conexión

La familia de cables LAPP ӦLFLEX VFD 2XL con señal (figura 3) está diseñada para el servicio de VFD en entornos industriales, instalaciones fijas y para aplicaciones que requieren una flexión ocasional. Abordan muchos de los problemas encontrados en el servicio de VFD.

Figura 3: Se muestran dos vistas de un ӦLFLEX VFD 2XL típico con cable de señal que ilustran las características de diseño clave relacionadas con las aplicaciones VFD. (Fuente de la imagen: Art Pini, basado en material de LAPP)

La característica más fundamental es la estructura de los conductores de potencia. El trenzado del cable influye en su flexibilidad y en su capacidad de transporte de corriente. Esta familia de cables LAPP VFD cumple las normas norteamericanas y europeas de trenzado de cables de clase 5. Los conductores de clase 5 están formados por múltiples hilos de cobre estañado muy finos dispuestos para crear cables muy flexibles. El área circular milimétrica (CMA) puede superar la de los tamaños equivalentes del calibre de alambre americano (AWG). Esto se traduce en una menor resistencia de CC, una menor caída de tensión a través del cable y una menor pérdida de potencia. El par de hilos de señal tiene un diámetro menor y se ajusta al trenzado de clase K.

Cada cable incluye tres hilos de alimentación con aislamiento negro marcados con una etiqueta de fase impresa, un cable de tierra con rayas verdes/amarillas y un cable de señal de par trenzado apantallado con dos conductores.

Los hilos del interior del cable están aislados individualmente con polietileno reticulado (XLPE), un plástico termoestable que resiste el calor, la humedad y los productos químicos. El XLPE tiene excelentes propiedades termomecánicas que le permiten soportar el calor de las condiciones de sobrecorriente. También tiene una constante dieléctrica más baja, lo que reduce la capacitancia del cable y ayuda a minimizar las corrientes de carga y de modo común. Además, la menor constante dieléctrica permite una separación más estrecha entre los conductores aislados, lo que disminuye el diámetro del cable al tiempo que aumenta la tensión máxima de funcionamiento.

La cubierta exterior del cable está hecha de un elastómero termoplástico (TPE) especialmente formulado. El TPE es un material flexible y duradero que combina las cualidades del plástico y del caucho. Ofrece una excelente resistencia al calor, al aceite, a los productos químicos, a la luz ultravioleta y al ozono, lo que la hace adecuada para entornos industriales.

La familia ӦLFLEX VFD 2XL incorpora blindaje metálico para minimizar la EMI radiada. El escudo primario es una cinta de lámina trilaminada que proporciona una cobertura de 100%. El apantallamiento secundario consiste en una trenza de cobre estañado con una cobertura de 85%. Una cinta de barrera protege los cables del núcleo aislado bajo las capas de apantallamiento. Cuando están correctamente conectados a tierra, estos blindajes ofrecen protección EMI al impedir que las interferencias externas entren en el cable y reducir la radiación del propio cable. Un hilo de drenaje de tierra apantallado recorre toda la longitud del cable, ofreciendo opciones flexibles de conexión a tierra.

El par de señales trenzado con un calibre de cable más pequeño se utiliza para conexiones de control o de sensores, como el control de frenos o los sensores de temperatura. El par de señal también está blindado con cinta de aluminio y tiene su propio cable de drenaje.

Selección de cables LAPP ӦLFLEX VFD

El rendimiento global de un sistema de motor VFD depende en gran medida de la elección del cable VFD correcto. La familia ӦLFLEX 2XL VFD con señal ofrece una variedad de calibres de cable para adaptarse a diferentes tamaños de motor. Incluye cables desde 16 AWG (1.5 mm²) hasta 2 AWG (33.7 mm²), con calibres intermedios de 14 AWG, 12 AWG, 10 AWG, 8 AWG, 6 AWG y 4 AWG. Estos cables cuentan con cuatro conductores de potencia (tres líneas de fase y una de tierra) y un cable de señal de dos hilos trenzados. Todos los cables están clasificados para soportar hasta 2000 V_CA eficaces, de acuerdo con la norma sobre cables de bandeja de Underwriters Laboratories (UL). El calibre adecuado del cable depende de la potencia del motor, que se relaciona con la corriente a plena carga (FLC), así como de la longitud del recorrido y de la caída de tensión aceptable a lo largo del cable (figura 4).

Figura 4: Se muestra el calibre del cable del variador de frecuencia requerido para un HP de motor específico. (Fuente de la imagen: LAPP)

Los tamaños de los cables se indican como AWG o como área en miles de mils circulares (KCMIL). Los mils circulares se utilizan para calibres de alambre superiores a 0 AWG.

Por ejemplo, considere el LAPP 700710, un cable VFD con cuatro conductores de potencia 16 AWG y dos conductores de señal 18 AWG. Es el cable VFD más pequeño de la familia ӦLFLEX VFD 2XL, con un diámetro de 0.652" (16.6 mm). El diámetro del cable determina el radio de curvatura mínimo, que es 7.5 veces el diámetro del cable, o 4.9" (124 mm). Estos cables también especifican un peso aproximado de 200 libras (lb) por cada mil pies. El peso del cable es importante a la hora de diseñar las estructuras de soporte, como las bandejas portacables. Según la tabla, este cable puede utilizarse para motores en el rango de ½ CV a 2 CV para las tres tensiones de línea. También puede utilizarse con motores de 3 a 5 CV en líneas de 460 V y 575 V.

El LAPP 700713 es un cable VFD de seis conductores (cuatro 10 AWG, dos 18 AWG) con un diámetro de 0.798" (20.3 mm). Es adecuado para motores de 15 a 20 CV que funcionen a 460 V, motores de 20 CV a 575 V y motores de 7½ a 10 CV a 230 V.

El cable más grande de la serie es el LAPP 700717, un cable VFD de seis conductores (cuatro 2 AWG, dos 14 AWG). Tiene un diámetro de 1.4" (35.6 mm) y pesa 1580 libras por cada mil pies. Es compatible con un motor de 50 CV que funcione a 230 V, un motor de 100 CV a 460 V o un motor de 125 CV a 575 V.

Conclusión

A medida que se aceleran las implementaciones de VFD, los diseñadores deben elegir cuidadosamente el cable de conexión adecuado para garantizar el éxito del proyecto. La familia de cables LAPP ӦLFLEX VFD 2XL con señal admite una amplia gama de aplicaciones de motores y accionamientos VFD. Su diseño multiprotector garantiza un rendimiento fiable en entornos industriales ruidosos, mientras que su duradera cubierta exterior de calidad industrial resiste el agua, el aceite y los productos químicos agresivos.