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.

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

¿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”?

¿Qué beneficios trae a una planta instalar un sistema VFD? 

Beneficios tales como:

1. No usar reductores de velocidad mecánicos pesados y poco controlables.
2. No usar sistemas de resistencias que además de requerir motores especializados y costosos, requieren de un sistema que desperdicia mucha potencia a través de calor en las resistencias.
3. Ahorro de energía.
4. Una solución para los sistemas que requieren un control de velocidad fino.

¿Qué problemas traen a una planta los sistemas con variadores de frecuencia?

El hecho que la señal de voltaje y potencia controlada este compuesta por voltaje pulsante, es un problema enorme para la planta y principalmente para la vida útil del sistema VFD. Lo siguiente se genera por la naturaleza del sistema:

1. Componentes armónicos regresando del drive al sistema eléctrico general. Esto por la carga y descarga del filtro del voltaje DC.
2. Armónicos circulando por el sistema general de tierra.
3. Arco eléctrico entre fases de conexión del motor.
4. Sobrevoltaje en la bornera de conexión del cable al motor.
5. Corrientes parasitas circulando por rodamientos, carcasas y sistema de puesta a tierra tanto del motor como de la carga.
6. 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.
7. Incremento en el mantenimiento de rodamientos.
8. 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.

Sabemos que el PVC ha sido el material históricamente más usado como aislamiento en los cables eléctricos de potencia en la industria. ¿Se Recomienda el uso de PVC como aislamiento en los cables VFD? 

No se recomienda el uso de PVC en el aislamiento de los conductores que componen un cable VFD. La razón es porque el PVC es un material termoplástico (al sobrecalentarse se deforma) y presenta una alta permitividad, lo que implica que ante sobrevoltajes no responde adecuadamente.

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.

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