Un armario puede estar cableado exactamente según el esquema y aun así dar una lectura de caudal que se mueve cada vez que acelera un motor. La causa rara vez es un componente defectuoso. Es el camino que el variador deja a sus corrientes de conmutación para volver a la fuente, y ese camino lo decide la implantación, no el esquema eléctrico.

Un cliente nos envió una vez un armario con una queja que se lee como un acertijo. La línea funcionaba perfectamente en manual. En automático, la señal analógica de nivel de un depósito saltaba unos puntos porcentuales cada vez que el variador del agitador aceleraba, un eje servo registraba fallos de encoder aproximadamente una vez por turno, y un diferencial disparaba más o menos una vez por semana sin que nadie pudiera reproducirlo. Tres síntomas, tres proveedores culpándose entre sí, y un esquema en el que cada hilo estaba exactamente donde debía.

Nada de ello era un fallo de componente. Los tres síntomas venían de lo mismo: la corriente de alta frecuencia que un variador empuja por sus bornes de salida no tenía una forma adecuada de volver a casa, así que se buscó la suya propia a través del armario, del cableado de señal y del sistema de tierras. Ese camino no está en el esquema. Lo decide la disposición física, los tipos de cable y la forma en que se rematan las pantallas, y por eso un armario puede estar bien cableado y comportarse mal.

Qué pone realmente un variador en el cable de motor

Un variador moderno construye su salida a partir de pulsos de tensión conmutados por IGBT con flancos de algunos kilovoltios por microsegundo. El motor ve una media que se comporta como una onda senoidal; el cable ve los flancos. Cada uno de esos flancos inyecta corriente en la capacidad entre los conductores del cable y su pantalla, y entre los devanados del motor y su carcasa. Un cable de motor apantallado tiene del orden de 150 a 300 picofaradios por metro, así que veinte metros de cable son varios nanofaradios, y un flanco abrupto contra unos nanofaradios es un pulso del orden del amperio con energía en frecuencias de megahercios.

Esa corriente no es una corriente de defecto. Es una consecuencia normal y prevista de la conmutación, y tiene que volver al variador del que salió. Si existe una ruta de vuelta de baja impedancia, la toma, se queda en uno o dos metros de cableado y no molesta a nadie. Si no existe, la corriente vuelve por lo que haya disponible: el bastidor de la máquina, el canal, el conductor de protección compartido con la alimentación de los sensores, la pantalla de un cable de medida, el cable de encoder del servo contiguo. Cada uno de esos caminos tiene impedancia, y corriente por impedancia es tensión. Esa tensión aparece exactamente donde menos se desea, como un desplazamiento de la referencia de una entrada analógica o como ruido en los receptores de un encoder.

El detalle más importante: cómo se remata la pantalla

La ruta de vuelta es la pantalla del cable de motor, y solo funciona si la pantalla está conectada en ambos extremos en toda su circunferencia. Una coleta, en la que la malla se recoge en un hilo corto y se lleva a un borne, tiene inductancia suficiente para parecerse a un circuito abierto a frecuencias de megahercios, y es el defecto que encontramos con más frecuencia. El remate correcto es un prensaestopas EMC o una brida de pantalla que apriete la malla todo alrededor contra una superficie metálica limpia y sin pintar, en el extremo del variador y de nuevo en la caja de bornes del motor. Un cable apantallado simétrico, con tres conductores de fase y tres conductores de protección dispuestos simétricamente dentro de la pantalla, vale su sobreprecio en cualquier cable de cierta longitud, porque da a la corriente de modo común un camino equilibrado y reduce la tensión impuesta sobre la carcasa del motor.

Los cables de señal siguen otra regla, y confundir ambas causa sus propios problemas. Un cable de medida que lleva una señal analógica lenta se conecta normalmente en un solo extremo, en el armario, para que ninguna corriente a frecuencia industrial circule por la pantalla entre dos puntos de la planta que están a potenciales de tierra distintos. Las señales rápidas, los cables de encoder y los de bus de campo se conectan en ambos extremos, porque para ellos el apantallamiento de alta frecuencia importa más que el bucle de tierra y sus transceptores están diseñados para ello. Cuando un cable debe ir a tierra en un extremo por el zumbido y en los dos por la alta frecuencia, el compromiso habitual es una unión firme en el armario y un pequeño condensador en el extremo lejano.

El armario forma parte del circuito

Dentro de la envolvente, la placa de montaje no es una estantería. Es el plano de unión de alta frecuencia que ata el variador, su filtro, las bridas de pantalla y el embarrado de protección con los caminos más cortos posibles. Eso significa metal desnudo donde se montan los componentes, pintura rascada o arandelas de contacto bajo cada espárrago, y pletinas planas y cortas en lugar de hilos redondos largos allí donde una unión lleva alta frecuencia, porque una pletina tiene una fracción de la inductancia de un hilo de la misma sección. El variador, su filtro EMC y las entradas de cable deben ir juntos; un filtro unido a su variador por metro y medio de hilo cruzando el armario ya ha perdido la mayor parte de su efecto.

La separación dentro del canal sigue la misma lógica. Los cables de motor, los de resistencia de frenado y los de red van en su propio canal; los de señal, encoder y bus de campo en otro, idealmente a 200 mm, y donde tengan que cruzarse lo hacen en ángulo recto en vez de correr en paralelo. Un metro de recorrido paralelo dentro de un canal acopla más ruido del que quita después cualquier filtro. La regla sobrevive en obra solo si quien monta el armario entiende por qué existe, y por eso dibujamos el recorrido en el plano de implantación en lugar de dejarlo al criterio del cableador el día del montaje.

Corrientes de rodamiento y el extremo del motor

La misma tensión de modo común aparece también a través de los rodamientos del motor. Cuando se rompe la película de aceite, la descarga pica la pista, y a lo largo de meses el picado se convierte en el patrón regular de estriado que convierte un motor silencioso en uno ruidoso y después en uno averiado. La defensa, por orden de coste: un cable apantallado simétrico en condiciones con remates de 360 grados, que elimina buena parte de la tensión que lo provoca; después una bobina de modo común a la salida del variador; después un anillo de puesta a tierra de eje que dé a la corriente un camino que no pase por un rodamiento; y en máquinas mayores un rodamiento aislado en el lado no accionado. Los motores que pierden rodamientos cada año con variador y nunca con arranque directo no sufren de malos rodamientos.

Los cables de motor largos traen un segundo efecto. El cable se comporta como una línea de transmisión, y el desajuste en el extremo del motor refleja los flancos de conmutación, de modo que el motor puede ver picos de tensión cercanos al doble del bus de continua. El aislamiento estándar para servicio con variador tolera esto en distancias normales, pero más allá de la longitud que indica el fabricante del variador, un filtro dv/dt o un filtro senoidal pertenecen al diseño. Esa misma longitud aumenta la corriente de fuga, y la corriente de fuga es lo que dispara diferenciales que nunca se eligieron para esta tarea: donde hay un variador se requiere un dispositivo de tipo B, porque la corriente residual no es una onda alterna limpia que un tipo A pueda ver correctamente.

La conformidad es una propiedad de la instalación, no un número de referencia

La IEC 61800-3 clasifica las instalaciones con variador en las categorías C1 a C4 según el entorno al que van destinadas, y los fabricantes declaran qué categoría alcanza su filtro integrado y en qué condiciones: una longitud máxima de cable de motor, un cable apantallado, una frecuencia de conmutación determinada. Esas condiciones forman parte de la declaración. Una máquina que usa un cable de motor sin apantallar, o duplica la longitud indicada, o sube la frecuencia de conmutación durante la puesta en marcha para que un motor suene menos, ya no está dentro de las condiciones en las que nadie ensayó nada, diga lo que diga la hoja de datos del variador.

Esto importa comercialmente tanto como técnicamente. Cuando una máquina se exporta al mercado europeo, su declaración de compatibilidad electromagnética se apoya en que la instalación sea lo que dice la documentación. Por eso escribimos los tipos de cable, las longitudes máximas, el método de remate y la frecuencia de conmutación en el manual de la máquina, y comprobamos esos puntos durante la recepción en fábrica en lugar de descubrir en casa del cliente que alguien sustituyó un cable apantallado por uno que había en el almacén.

Las comprobaciones que encuentran rápido estos fallos

Cuando llega un armario con síntomas como los del primer párrafo, la secuencia es corta. Mire primero el cable de motor: ¿está apantallado, está la pantalla bridada en toda su circunferencia en los dos extremos, hay alguna coleta? Mire el recorrido: ¿comparte canal el cable de motor con señales? Mire la placa de montaje: ¿está pintada bajo el variador y bajo las bridas de pantalla? Mida la resistencia desde el cuerpo del variador al embarrado de protección y desde ese embarrado al bastidor de la máquina; cualquier valor bastante por encima de una décima de ohmio es una unión que rehacer, y una lectura baja de resistencia sigue sin demostrar una impedancia baja a alta frecuencia si la conexión es un hilo largo y fino. Después reproduzca el síntoma mientras el variador acelera, porque un fallo que solo aparece durante la aceleración ya le ha dicho dónde vive.

En el caso del armario con tres síntomas, las reparaciones fueron poco vistosas: un cable de motor apantallado simétrico en lugar de uno sin apantallar, dos prensaestopas EMC, la señal analógica sacada del canal de potencia y convertida de señal de tensión a lazo de 4 a 20 miliamperios, y un diferencial de tipo B. La lectura analógica dejó de moverse, los fallos de encoder cesaron y los disparos espurios cesaron. En el esquema no cambió absolutamente nada, que es justamente el asunto.

— Equipo de ingeniería de GANI Manufacturing