Los esfuerzos de automatización industrial y eficiencia energética están aumentando el uso de variadores de frecuencia (VFD) en sistemas de motores como transportadores, bombas y robots industriales. La selección de cables para este tipo de motor es mucho más complicada que determinar el calibre del cable en función de la corriente de carga y el nivel de aislamiento en función del voltaje de funcionamiento.
Los sistemas de motor VFD modernos utilizan electrónica de potencia de modo de conmutación para producir una señal de accionamiento de modulación de ancho de pulso (PWM) con flancos extremadamente rápidos. Estos transitorios rápidos aumentan las reflexiones de la señal causadas por desajustes de impedancia entre el cable y los terminales del motor, creando ondas estacionarias que aumentan la tensión de voltaje a través del cable. Además, las capacitancias línea a línea y línea a tierra del cable afectan el rendimiento del controlador y aumentan la corriente de carga. Dado que la señal VFD PWM contiene una gran cantidad de armónicos de alta frecuencia, los cables del motor deben estar blindados de manera efectiva para reducir la interferencia electromagnética (EMI).
Este artículo describe brevemente el VFD y analiza los desafíos que enfrentan los diseñadores al seleccionar cables de motor VFD para garantizar la funcionalidad, confiabilidad y seguridad requeridas para un funcionamiento adecuado. Luego se presentan los cables VFD de LAPP y se demuestra cómo se pueden usar para proporcionar energía estable y señales de control al mismo tiempo que reducen la radiación EMI y la susceptibilidad a ambientes hostiles.
Introducción al VFD
La automatización industrial requiere que el motor funcione de manera confiable y eficiente, y pueda operar en cualquier dirección dentro del rango completo de velocidades. El VFD, a veces denominado controlador de gobernador, es un controlador de motor que regula la velocidad y el par de un motor de inducción de CA (ACIM) variando la frecuencia de entrada de energía, el voltaje y el ciclo de trabajo del motor. El principio de funcionamiento del VFD es utilizar una entrada de rectificación de CA y una salida de CC para generar una señal PWM para accionar el motor. Al ajustar la frecuencia, el ancho y la amplitud de estas señales de pulso, la velocidad del motor y el par de salida se pueden controlar en varios sistemas de accionamiento de motor.
Para realizar su función, el VFD consta de tres componentes principales (Fig. 1): un rectificador que convierte CA en CC, un inversor que convierte CC en flujo PWM y un controlador VFD.
VFD rectifica la entrada de CA y genera señal PWM usando CC (haga clic en amplificación)
Figura 1: El VFD rectifica la entrada de CA y utiliza CC para generar una señal PWM para controlar la velocidad del motor y el par de salida. Fuente de la imagen: Art Pini)
El controlador monitorea el funcionamiento del motor a través de una variedad de sensores para controlar los parámetros críticos del motor. Estos sensores incluyen retroalimentación de codificador/transformador rotatorio, tacómetro y sensores de temperatura y vibración.
Este rectificador utiliza diodos convencionales seguidos de filtros. El inversor adopta transistores de efecto de campo de potencia (FET) o transistores bipolares de puerta aislada (IGBT). Estos transistores son accionados por un controlador de puerta de alto voltaje aislado, que está controlado centralmente por un controlador VFD.
El VFD se diferencia del funcionamiento de CA trifásico convencional en que la señal del motor de accionamiento no es una onda sinusoidal, sino un pulso PWM (Fig. 2).
El pulso PWM del VFD genera una respuesta de corriente sinusoidal
Figura 2: El pulso PWM del VFD genera una respuesta de corriente sinusoidal en el devanado del motor. Fuente de la imagen: LAPP)
La frecuencia de la señal PWM es generalmente de 2 kHz a 20 kHz. El inversor conecta alternativamente el motor a los polos positivo y negativo del bus de CA y al voltaje común de CC. El voltaje del bus de CC está cerca del voltaje máximo del bus de CA. La forma de onda VFD PWM utilizada produce una respuesta de corriente sinusoidal para controlar la velocidad y el par del motor.
Debido a las características de la onda PWM, se requieren cables especiales para conectar el VFD al motor. Esta forma de onda es un pulso rectangular de amplio espectro y rico en armónicos. El cable VFD está especialmente diseñado para reducir la radiación de estas señales de alta frecuencia. Además, para minimizar la pérdida de conmutación de los dispositivos de conmutación del inversor y maximizar la eficiencia del sistema, la velocidad de salto de pulso debe configurarse lo más rápido posible. Esto da como resultado una tasa de cambio de voltaje muy alta (dV/dt) en el flanco del pulso. Estas características, combinadas con bordes rápidos y componentes espectrales de alta frecuencia, dan como resultado altos niveles de interferencia electromagnética. Los bordes rápidos también producen reflejos en las líneas de transmisión cuando cambia la impedancia del cable. Esta reflexión crea una onda estacionaria en el cable, lo que aumenta el voltaje en el cable y requiere que el cable VFD tenga una tensión nominal más alta.
La capacitancia del cable entre conductores metálicos es otra preocupación. Cuando el interruptor inversor conecta el cable al bus de CC, se genera una sobrecorriente que carga la capacitancia del cable. Esto aumenta el nivel de corriente instantánea y puede dañar el cable. Esta corriente de modo común puede fluir entre fases o desde una fase a tierra. Esta corriente también puede ingresar al circuito de tierra a través del bastidor del motor y pasar a través de los cojinetes del motor. La corriente que fluye a través del rodamiento provoca picaduras en la superficie del rodamiento, lo que acorta la vida útil del motor. Estos problemas suelen ocurrir en sistemas VFD con alto voltaje, alta potencia del motor (HP) y largos recorridos de cable.
Como ocurre con todos los alambres y cables, la corriente fluye a través de la resistencia de CC del cable, lo que provoca una pérdida de energía. Además, debido al amplio ancho de banda espectral de las señales PWM, la resistencia del cable puede aumentar debido al efecto piel. Estos efectos de resistencia varían según la longitud del cable.