Variador de 75 kW con 95 m de cable sin blindaje: onda reflejada, disparo por sobretensión y corriente de rodamiento
En una planta de tratamiento de agua se instaló un variador de frecuencia de 75 kW, 480 V, 105 A, para accionar una bomba centrífuga de 100 hp. El motor es el original: diseño NEMA B, clase F, no inverter-duty, a 95 m del variador. El cable es 3 × 3/0 AWG THHN sin blindaje, tendido en charola, con rampa de desaceleración de 3 s y una bomba de gran inercia. La frecuencia de conmutación es 8 kHz. A las tres semanas el variador dispara de forma intermitente por sobretensión, siempre al detener la bomba. Por separado, un analizador registró en las terminales del motor picos de 1,290 V con tiempo de subida de 0.2 µs. El motor aún no falla, pero el análisis de vibración detecta una incipiente corriente de rodamiento en el rodamiento del lado de acople. El jefe de mantenimiento propone «subir el límite de sobretensión del variador para que no dispare» y el proveedor propone «instalar un filtro senoidal».
1. Distinga los dos fenómenos presentes, calcule el pico de tensión esperado en terminales del motor y evalúe si 1,290 V es aceptable para este motor en particular.
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Son dos problemas independientes que no deben confundirse:
Fenómeno 1 - disparo por sobretensión al detener. Ocurre siempre en la desaceleración, con rampa de 3 s y carga de gran inercia: la bomba devuelve energía al bus de CD más rápido de lo que la rampa permite disiparla y el bus sube hasta el umbral de disparo. Es un problema de energía regenerativa, no de aislamiento del motor.
Fenómeno 2 - sobretensión en terminales del motor. El inversor genera pulsos con tiempo de subida de 0.2 µs. La onda viaja por el cable y, al encontrar la impedancia del motor distinta a la del cable, se refleja y se suma a la incidente. La longitud crítica es L ≈ (t_r × v)/2, con v ≈ 150 m/µs para cable THHN: L ≈ (0.2 × 150)/2 ≈ 15 m. Con 95 m, la reflexión es prácticamente total y el pico tiende a duplicar la tensión del bus.
Bus de CD ≈ 1.35 × 480 ≈ 648 V → pico esperado ≈ 1,296 V, que coincide con los 1,290 V medidos. La dv/dt resultante es de ~6,450 V/µs.
¿Es aceptable? No para este motor. Un motor de propósito general (NEMA MG-1 Parte 30) se diseña para picos del orden de 1,000 V. Un motor inverter-duty (Parte 31) para 480 V soporta 1,600 V de pico con tiempo de subida ≥ 0.1 µs. Este motor no es inverter-duty: 1,290 V ya está por encima de su capacidad de diseño, aunque el tiempo de subida cumpla.
2. Evalúe las dos propuestas: subir el límite de sobretensión del variador e instalar un filtro senoidal.
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Subir el límite de sobretensión: rechazar. No elimina la causa. El disparo es la protección del bus de CD contra una condición real de regeneración; elevarla permite que el bus alcance niveles donde los capacitores electrolíticos se degradan aceleradamente y donde el IGBT puede superar su tensión de bloqueo (típicamente 1,200 V para un variador de 480 V, con margen ya estrecho). Además, no reduce en nada el pico de 1,290 V en el motor: se estaría desactivando una alarma mientras se acelera el daño al propio variador.
Filtro senoidal: sobredimensionado para el pico, pero justificable según prioridades. Un filtro senoidal convierte la salida en casi sinusoidal, elimina prácticamente la reflexión, reduce el ruido acústico y las corrientes de rodamiento. Sin embargo: introduce 3–5 % de caída y pérdidas, es voluminoso, se comporta mal con rampas rápidas y es varias veces más caro que un filtro dv/dt. Para un motor no inverter-duty a 95 m, el filtro dv/dt (o reactor de salida) es la solución proporcionada: limita el tiempo de subida a ≥ 1 µs, con lo que la longitud crítica se vuelve del orden de 75 m y el pico baja, además de reducir las corrientes de modo común.
Juicio: primero dimensionar un chopper de frenado o resistencia dinámica para la regeneración (problema 1), y segundo resolver la reflexión con filtro dv/dt en la salida (problema 2). El filtro senoidal solo se justifica si además se requiere cumplir con límites de ruido, o si el motor es de muy baja inercia y la aplicación es crítica.
3. Recomiende la solución completa, incluyendo la corriente de rodamiento, y establezca prioridades de ejecución.
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Prioridad 1 - Regeneración (protege el variador, riesgo inmediato de paro).
- Verificar la energía regenerada: si el par de desaceleración requerido excede el par de la bomba, alargar la rampa a 8–10 s cuesta cero.
- Si persiste, instalar resistencia de frenado o chopper dimensionado a la potencia regenerada; si la bomba opera muchas horas en ese perfil, considerar frenado regenerativo a la red.
Prioridad 2 - Reflexión en terminales del motor (protege el devanado).
- Instalar filtro dv/dt a la salida del variador; verificar después con analizador que el pico baje del límite del motor.
- Bajar la frecuencia de conmutación de 8 a 4 kHz reduce las pérdidas de conmutación y el número de eventos dv/dt por segundo, pero no reduce el pico de reflexión: no es la solución, solo un paliativo.
Prioridad 3 - Corriente de rodamiento.
- Instalar anillo de puesta a tierra del eje en el extremo de acople (descarga la tensión de modo común antes de que atraviese el rodamiento) y, si es posible, rodamiento aislado en el extremo opuesto para no crear un circuito de circulación.
- Sustituir el cable por cable de variador con blindaje y terminación de 360° en ambos extremos; el cable sin blindaje en charola compartida con cables de control también explica la corriente de modo común y es un riesgo de interferencia.
- Reducir la portadora contribuye a disminuir la magnitud de la corriente capacitiva de modo común.
Prioridad 4 - Reemplazo programado. El motor no es inverter-duty; aun con filtro dv/dt su vida útil será menor. Programar su sustitución por un motor inverter-duty cuando haya paro de planta, en lugar de esperar la falla. Ruta del cable separada de los cables de control en todo el recorrido.