Especificación y uso de cables VFD para mejorar la fiabilidad y la seguridad y reducir las emisiones de carbono

Los variadores de frecuencia (VFD) y los motores pueden reducir las emisiones de carbono y aumentar la eficacia, fiabilidad y seguridad de diversos sistemas, como cintas transportadoras, bombas, mezcladoras, ascensores, sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC) y aplicaciones similares. El cableado que conecta el variador de frecuencia al motor es un enlace crítico en el sistema. Sin un cableado correcto, la seguridad del operario puede quedar marginada, y la fiabilidad y vida útil del motor pueden verse reducidas.

Los sistemas VFD típicos funcionan en condiciones difíciles que incluyen picos de alta tensión que alcanzan de dos a tres veces la tensión de alimentación y altos niveles de ruido electromagnético radiado y conducido. Además, los cables pueden estar expuestos a altas temperaturas. Deben resistir el aceite, el agua y la radiación ultravioleta (UV) manteniendo un alto grado de flexibilidad y cumpliendo numerosos requisitos técnicos de UL, CSA, NFPA y NEC.

Los entornos operativos difíciles y las exigencias técnicas de las instalaciones de variadores de frecuencia complican la especificación de los cables. Este artículo repasa brevemente el funcionamiento de los variadores de frecuencia y los motores, las exigencias de aislamiento de los cables y la necesidad de compatibilidad electromagnética (CEM). El artículo compara especificaciones como los cables UL 1277 TC ER, WTTC y TC y examina los requisitos NEC y NFPA. También presenta consideraciones sobre la estructura de los cables antes de concluir con un resumen de cables ejemplares de Belden, Helukabel, Igus, LAPP y SAB North America.

Retos medioambientales

Los motores VFD, los accionamientos y los cables que los conectan funcionan en entornos eléctricos difíciles. Los cables de los variadores de frecuencia deben suministrar alta potencia de accionamiento a tensiones elevadas y soportar picos de tensión y niveles de ruido elevados. El aislamiento de los cables VFD está sometido a condiciones difíciles, como ondas reflejadas y tensiones de inicio de corona (Figura 1):

• Ondas reflejadas: Las ondas reflejadas pueden deberse a impedancias desajustadas entre el motor de un variador de frecuencia y su cable. Eso puede hacer que las ondas de voltaje reboten hacia el variador. Sin un aislamiento de alto rendimiento, las ondas reflejadas pueden romper el aislamiento y sobrecalentar el cable.
• Tensión de inicio de corona/descarga de corona: Las tensiones de modulación por ancho de pulsos (PWM) de los sistemas VFD oscilan rápidamente de cero a la tensión de pico. Sin un aislamiento adecuado, un impulso parásito de voltaje que se produzca por encima del voltaje de inicio de corona del cable provoca la ionización del aire que rodea al conductor, lo que da lugar a una descarga de corona que puede fundir el aislamiento y dañar el motor, los cojinetes del motor y el accionamiento.

Figura 1: El aislamiento de los cables VFD debe soportar las ondas reflejadas y los voltajes de inicio de corona. (Fuente de la imagen: SAB North America)

Blindaje y conexión a tierra

Además de resistir los picos de voltaje, los cables de los variadores de frecuencia deben soportar altos niveles de compatibilidad electromagnética. Entre las consideraciones EMC importantes se incluyen las siguientes:

• Las corrientes en modo común son el resultado de las tensiones trifásicas de los variadores de frecuencia que no suman cero, lo que crea un desequilibrio de tensión. Cuando cambia el nivel de tensión distinto de cero, retorna una corriente de carga proporcional al cable a través del conductor de puesta a tierra. Una corriente de modo común excesiva crea un bucle de tierra que interfiere en el correcto funcionamiento del sistema.
• El ruido eléctrico transmitido es el resultado de las frecuencias variables del accionamiento que pueden inducir interferencias electromagnéticas (EMI) y de radiofrecuencia (RFI) y afectar a los componentes y sistemas cercanos.

Un sistema de accionamiento, cable y motor conectado a tierra crea una jaula de Faraday que garantiza un sólido rendimiento CEM (Figura 2).

Figura 2: Los cables de los variadores de frecuencia pueden mitigar las corrientes de modo común y el ruido eléctrico con conexiones a tierra adecuadas. (Fuente de la imagen: SAB North America)

Prensaestopas frente a conductos

Los cables VFD están disponibles con diámetros pequeños para su paso por conductos y como estructuras de cable armado con soldadura continua. Estas soluciones requieren una instalación compleja y costosa y adolecen de posibles problemas de fiabilidad. Existen cables en bandeja (TC) que no necesitan conducto. Si se dispone de un conducto, puede utilizarse para crear la jaula de Faraday entre el accionamiento y el motor. Cuando se utilizan varias clases de TC, pueden añadirse prensaestopas CEM para completar la jaula de Faraday. Los prensaestopas EMC ofrecen un índice de protección de ingreso (IP) de 68 que son resistentes al agua dulce hasta una profundidad máxima de 1,5 metros durante un máximo de 30 minutos y están protegidos contra el polvo, lo que los hace adecuados para su uso en entornos industriales y exteriores difíciles (Figura 3).

Figura 3: Pueden utilizarse prensaestopas en las conexiones con la electrónica de accionamiento y el motor para crear una jaula de Faraday y controlar la EMI (interferencia electromagnética). (Imagen: SAB North America)

Clases de cables

Los TC pueden simplificar la instalación y reducir los costes. Varios criterios de aplicación, como el voltaje nominal, la flexibilidad y las pruebas de aplastamiento/impacto, las clasifican. Existen dos normas UL principales. Ambas normas se aplican a cables de calibre CAE (AWG) 18 o superior. Las dos normas son:

La norma UL 1277, cables de bandeja de control y potencia eléctrica, cubre varios tipos de TC con una tensión nominal de 600 V.

• Los cables TC básicos son el tipo más común y se utilizan como cables VFD cuando se requieren propiedades ignífugas.
• Los cables de bandeja TC-ER (tramo expuesto) deben superar requisitos más rigurosos en materia de choques e impactos que el cable TC estándar. Pueden correr libres entre las bandejas de cables una distancia media de 1.8 m (6 pies).
• THHN/PVC es una forma económica de construcción de TC con cubierta termoplástica. Es apto para enterrado directo y para canalización.

La norma UL 2277, cable de bandeja de turbina de viento y cable de suministro de motor flexible, cubre dos tipos de TC con una tensión nominal de 1000 V.

• El cable flexible de alimentación del motor (FMSC) está diseñado principalmente como cable de alimentación del motor VFD.
• El cable de bandeja para turbinas eólicas (WTTC) puede soportar condiciones extremas y duras en aplicaciones eólicas, como aceite, abrasión, temperaturas extremas, agua, movimiento constante, etc.

NEC y NFPA

El cumplimiento de NEC 79/NFPA 79, edición 2018, es a menudo, pero no siempre, requerido en los EE.UU. dependiendo de los códigos de construcción locales. La norma exige que los cables de los VFD lleven las siguientes marcas: RHH, RHW, RHW-2, XHH, XHHW o XHHW-W:

• RHW, RHH y RHW-2 utilizan un aislamiento de caucho de alta temperatura.
  • RHW indica un cable resistente al agua con una temperatura nominal de +75 °C
  • RHH indica un cable con una temperatura nominal de +75 °C que no es resistente al agua
  • RHW-2 indica un cable resistente al agua con una temperatura nominal de +90 °C
• XHH, XHHW y XHHW-W utilizan aislamiento XLPE (polietileno reticulado).
  • XHH es para uso en lugares húmedos y está clasificado para +75 °C
  • XHHW es para uso en lugares húmedos y está clasificado para +75 °C
  • XHHW2 es para uso en lugares húmedos y tiene una temperatura nominal de +90 °C

El aislamiento XLPE es más ligero y flexible que el aislamiento de caucho, lo que facilita la instalación de cables XLPE, especialmente a bajas temperaturas. Además, el XLPE ofrece menos fugas que el aislamiento de caucho.

Construcción de cables

Existen numerosas formas de implantar los TC VFD. La referencia CF31-25-04 de Igus es un buen ejemplo de muchos de los elementos comunes; los números de la lista se corresponden con la figura 4:

1. Cubierta exterior fabricada con mezcla de PVC extruido a presión, resistente al aceite Cubierta exterior PVC de baja adherencia, resistente al aceite
2. Blindaje exterior fabricado con trenzado altamente resistente a la flexión formado por cables de cobre estañados.
3. Cubierta interior de PVC extruido a presión con relleno de fuelle
4. CFRIP es una banda de desgarre específica de Igus moldeada en la cubierta interior para pelar el cable con mayor rapidez.
5. El aislamiento del núcleo de plástico de polietileno reticulado (XLPE) tiene una unión tridimensional dentro del plástico; el XLPE tiene una alta resistencia mecánica y una baja capacitancia.
6. Conductor que varía para núcleos < 10 mm² y núcleos ≥ 10 mm² en función de los requisitos de la norma DIN EN 60228.
7. Aliviador de tensión central, un material resistente a la tracción

Figura 4: Ejemplo de un cable VFD que ilustra los elementos de apantallamiento y aliviador de tensión, además de los conductores de corriente. (Fuente de la imagen: Igus)

Más opciones

ÖLFLEX VFD 1XL de LAPP es una familia de robustos cables de accionamiento VFD apantallados, resistentes al aceite y a los rayos UV, para diseños que necesitan un diámetro de cable menor. El diámetro inusualmente pequeño del aislamiento XLPE hace que estos cables sean adecuados para su uso en instalaciones abarrotadas donde los cables estándar pueden ser demasiado grandes. Además, el diámetro más fino permite una mayor flexibilidad para acelerar la instalación. Estos cables con clasificación TC-ER pueden instalarse sin conducto, pero su menor diámetro y flexibilidad simplifican el uso de conductos cuando es necesario. Cumplen los requisitos de rendimiento XHHW2. Por ejemplo, LAPP ofrece varios modelos con cuatro conductores (incluida la toma de tierra) más drenaje, como el modelo 701703 con conductores 10 AWG (5.3 mm²) y el modelo 701717 con conductores 2 AWG (33.7 mm²).

Helukabel ofrece varios cables con clasificación TC-ER y WTTC, y ofrecen conductores de 2 a 18 AWG, como el modelo 63141 TC de cuatro conductores y 12 AWG. Presentan un doble apantallamiento que combina papel de aluminio (100% de cobertura) y trenza de cobre estañado (alrededor del 85% de cobertura). Utilizan aislamiento XLPE y tienen cubiertas de PVC resistentes al aceite, los refrigerantes, los disolventes y los agentes de limpieza y desinfección. Estos cables están clasificados para su instalación abierta y sin protección en bandejas de cables y desde la bandeja de cables a la máquina. Además, son adecuados para su instalación en conductos o directamente enterrados.

Cables de alta flexibilidad

Belden ofrece múltiples familias de TC con diversas configuraciones de conductor y tierra que utilizan varios materiales de aislamiento y apantallamiento (Figura 5). Para instalaciones que exigen TC muy flexibles, la empresa ofrece sus cables VFD HighFlex con varios rangos de flexibilidad y hasta 10 millones de ciclos de flexión. Estos TC presentan conductores de cobre estañado finamente trenzados, con algunos modelos con más de 2000 hilos individuales y una cubierta flexible de TPE que los hace flexibles para facilitar su manipulación durante la instalación. Por ejemplo, la referencia 29501F 0101000, con clasificaciones TC-ER y WTTC, está diseñada para aplicaciones de movimiento continuo y en máquina y cumple los requisitos de XHHW2 para su uso en lugares húmedos a hasta +90 °C. Aplicaciones de los cables HighFlex VFD:

• Funcionamiento de los equipos de proceso
• Bombas de alimentación
• Ventiladores
• Transportadores de material
• Brazos robóticos móviles

Figura 5: Algunas de las muchas configuraciones de conductores y tomas de tierra y materiales de aislamiento y apantallamiento utilizados en los cables de los variadores de frecuencia. (Fuente de la imagen: Belden)

Los cables VFD de SAB están diseñados para ofrecer un rendimiento CEM optimizado. También está disponible un diseño adaptado a la flexión continua. Estos cables cumplen los requisitos TC-ER y WTTC, y utilizan aislamiento XLPE para mejorar la capacitancia con dos opciones: una de diámetro reducido y otra que admite tendidos más largos. Los diferentes fabricantes de motores VFD tienen diferentes requisitos de tamaño de par para los TC VFD combinados y pueden requerir un cable con o sin hilo de drenaje. Los cables VFD de SAB incluyen cables que satisfacen la mayoría de los requisitos de las aplicaciones, como alimentación con un par combinado para freno o detección de temperatura, múltiples opciones de tamaño de par, incluidos 18, 16, 14 y 12 AWG, y algunos diseños con dos pares. Disponen de doble apantallamiento que combina lámina con trenzado de cobre estañado, y los diseños simétricos a tierra son una opción. Estos cables presentan un radio de curvatura 12 veces superior al diámetro del cable y tienen la clasificación XHHW2 para su uso en lugares húmedos a una temperatura de hasta 90 °C. Un buen ejemplo de estos cables es el modelo 35661204, un cable de cuatro conductores de 12 AWG.

Conclusión:

Los cables VFD se utilizan en entornos eléctricos difíciles y deben soportar altas temperaturas, exposición al agua, aceite y/o diversos productos químicos. La especificación de estos cables es un proceso complejo, que requiere la consideración de diversas propiedades de aislamiento, incluida la capacidad de soportar ondas reflejadas y tensiones de inicio de corona, apantallamiento, prensaestopas para protección CEM y requisitos UL, NEC y NFPA. Los cables VFD correctamente especificados e instalados contribuyen a simplificar y abaratar las instalaciones, mejorar el funcionamiento de los motores, reducir las emisiones de carbono y mejorar la seguridad de los operarios.