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Hoy te traemos un nuevo artículo técnico de Quim Soler, responsable del área de Componentes Industriales de Grupo Elektra. El tema de hoy es la Compatibilidad Electromagnética o CEM en el contexto de equipos industriales y maquinaria.

La Compatibilidad Electromagnética se refiere a la capacidad de los dispositivos electrónicos y sistemas para funcionar correctamente en su entorno electromagnético sin causar interferencias electromagnéticas no deseadas en otros dispositivos cercanos.

En el caso de equipos industriales y maquinaria, la CEM es importante para garantizar que estos equipos puedan operar de manera segura y eficiente en un entorno industrial sin interferencias electromagnéticas que puedan afectar su funcionamiento o el de otros dispositivos cercanos.

Filtros CEM para aplicaciones industriales

En una planta industrial con maquinaria, además de la directiva de máquinas, es obligatorio cumplir con la directiva CEM legalmente vinculante. Dentro de esta directiva se exige la necesidad de solucionar los problemas derivados de las interferencias electromagnéticas causadas por las máquinas, así como que su funcionamiento se vea afectado por esas u otras interferencias.

En concreto, las máquinas y los sistemas son equipos que deben diseñarse y fabricarse de acuerdo con los requisitos principales del Anexo I de dicha directiva.

Solo entonces se puede emitir un certificado de conformidad para la máquina, el sistema o el dispositivo (incluido el gabinete de control) y se puede aplicar el marcado CE.

1. Dónde se aplica la directiva CEM

La directiva CEM define la compatibilidad electromagnética en Europa como “La capacidad de un aparato, instalación o sistema para operar correctamente en su entorno electromagnético sin causar interferencias electromagnéticas que impidan que cualquier otro aparato, instalación, máquina o sistema en este entorno funcione según lo previsto”.

Por lo tanto, la directiva CEM se aplica no solo a los fabricantes de convertidores de frecuencia, sino también a los constructores de armarios de control y máquinas, y a los integradores de sistemas.

Para tener en cuenta a estos diversos proveedores industriales y participantes del mercado industrial, se han diseñado unos estándares apropiados para lograr el propósito de garantizar una cooperación efectiva.

En cuanto a las perturbaciones:

En este documento se hace referencia a las perturbaciones conducidas de alta frecuencia de 150 kHZ a 30 MHz.

2. Supresión de interferencias para máquinas

2.1. Supresión de interferencias en la fuente de emisión

Usando el ejemplo de una máquina herramienta con hasta 12 ejes y unos 10 m de longitud de cable cada uno, se mostrará que, idealmente, la supresión de interferencias de sistemas complejos se lleva a cabo directamente delante del sistema de accionamiento.

Para evitar que las perturbaciones radiadas se acoplen a la línea de control y, por tanto, anulen las medidas de CEM o perjudiquen la función del control, a menudo se implementa un filtro adicional, en este caso un filtro de 4 hilos, en la línea de alimentación del control de la máquina. Este procedimiento evita principalmente la propagación adicional de perturbaciones dentro de la máquina.

2.2. Supresión de interferencias con filtros colectivos

En máquinas pequeñas y medianas a menudo se coloca un filtro colectivo en la fuente de alimentación, es decir, entre el fusible principal o el disyuntor principal y la fuente de interferencia (convertidor), que contribuye a garantizar una parte importante de la CEM.

Esto no siempre es suficiente para niveles altos de interferencia, lo que hace necesario un filtro CEM adicional directamente enfrente del convertidor. Un filtro colectivo en el suministro de red también puede ser útil en lo que respecta a la inmunidad del sistema.

2.3. Supresión de interferencias en sistemas complejos

En sistemas muy grandes y complejos, la supresión de interferencias mediante un filtro colectivo en la red eléctrica generalmente no tiene sentido, o no es posible debido al consumo de energía o las limitaciones de espacio.

En estos casos se recomienda colocar un filtro directamente delante de la fuente de interferencia, es decir, delante del sistema de accionamiento o del convertidor. Para la protección contra interferencias basada en CEM del control de la máquina, es preciso utilizar un filtro de línea de control CEM monofásico para garantizar un funcionamiento fiable y sin interferencias de todo el sistema.

2.4. Supresión de interferencias adicional en la salida del convertidor de frecuencia

Para aplicaciones con cables de motor largos se recomienda el uso de un filtro senoidal o filtro dv/dt en la salida del convertidor de frecuencia.

Un filtro de onda sinusoidal también proporciona un beneficio adicional: reduce parcialmente la interferencia electromagnética en el lado de la red y, por lo tanto, un filtro CEM con un nivel de mitigación más bajo podría ser suficiente para cumplir con los requisitos de CEM específicos de la aplicación.

3. Instrucciones de instalación

3.1. Puesta a tierra

Debido al principio de funcionamiento de los convertidores de frecuencia, se producen perturbaciones simétricas y asimétricas muy importantes. En particular, las distribuciones asimétricas deben devolverse a la fuente de interferencia con la impedancia más baja posible.

Las siguientes medidas son necesarias para una instalación y montaje con éxito:

1. Los convertidores de frecuencia y los filtros deben montarse en una superficie grande, por ejemplo, una placa de montaje conductora, de modo que sea posible una conexión a tierra óptima. Atención: se deben quitar la pintura o los revestimientos existentes.
2. Conexión de todas las partes metálicas de la carcasa y del montaje mediante cables adecuados. Una gran área de contacto es importante para la supresión de perturbaciones de alta frecuencia.
3. Las conexiones de puesta a tierra deben tener forma de estrella desde un punto de puesta a tierra central (carril de compensación de potencial) hasta los puntos de conexión correspondientes. Los bucles de tierra (incluidos los que se encuentran entre el cable de tierra y la carcasa de metal) deben evitarse o mantenerse lo más pequeños posible, ya que causan interferencias innecesarias.

3.2. Apantallamiento

El apantallamiento, mediante carcasas o dispositivos aislantes y cables adecuados, es necesario para evitar la emisión de energía de interferencia al medio ambiente (impacto en los sistemas electrónicos adyacentes).

Son posibles las siguientes opciones:

• Carcasa de metal.
• Cables blindados entre el convertidor y el motor (el blindaje debe estar conectado al potencial de tierra sobre un área grande en ambos lados).
• La carcasa blindada del convertidor, el cable blindado y el motor de metal (blindaje) deben, en la medida de lo posible, formar una sola unidad.
• Las líneas de control que no estén debidamente desacopladas de las perturbaciones deben estar apantalladas.

3.3. Disposición de cables

Los cables de control y de potencia deben tenderse de la siguiente manera:

• Para evitar el acoplamiento directo de interferencias, debe haber una distancia de al menos 20 cm entre los cables de señal / control y los cables de alimentación.
• Si los cables de control o señal se cruzan con los cables de potencia, deben colocarse en un ángulo de 90ºC entre sí.

4. Supresión de interferencias adicional en la salida del convertidor de frecuencia

4.1. Problemática

• Picos y sobretensiones:
  • Sobreimpulsos de voltaje y picos de voltaje pueden tener valores altos de dv/dt, pero también son un problema en sí mismos.
  • Debido a la estructura del cableado, el motor actúa como un condensador (circuito equivalente).
  • El efecto aumenta con la longitud del cable.
  • Pueden llegar a perforar los aislamientos de las bobinas de los motores.

• Pérdidas adicionales en el motor:
  • Armónicos en la corriente de salida.
  • Pérdidas magnéticas adicionales: reducción vida motor por aumento temperatura.
• Efecto en cuadro eléctrico:
  • Las perturbaciones que resultan de las interacciones de cables largos y el motor crean una corriente de circulación de alta frecuencia en el suelo y pueden perturbar los aparatos que están conectados en la misma red. Una consecuencia frecuente es la activación de los relés de protección diferencial que se encuentran aguas arriba del convertidor.
• Las corrientes de alta frecuencia que circulan por el cable del motor:
  • También generan emisiones radiadas que pueden perturbar los dispositivos electrónicos que se encuentran alrededor del cable del motor.
• Cables apantallados y corrientes parásitas a tierra:
  • Punto de vista de supresión de las EMI  cables apantallados
  • Supresión de las interferencias radiadas en rango de frecuencia de 1 a 30 MHz
  • Capacidad respecto a tierra aumenta
  • Circulación de corrientes impulsionales a través de las capacidades parásitas

4.2. Soluciones

• Filtro senoidal o filtro dv/dt.
• Estas son las recomendaciones de Schneider Electric:

Nota importante: Al calcular la longitud de los cables con el fin de protegerse contra estas situaciones de sobrevoltaje, un cable blindado debe contar como el doble de la longitud de un cable sin blindaje. Por ejemplo, si un cable blindado tiene una longitud real de 100 metros, en el cálculo debe considerarse igual a un cable estándar de 200 metros de longitud.

5. Normas relativas a la CEM aplicables

Norma de producto:

• Para Variable Frequency Drive, norma IEC61800-3, para emisiones e inmunidad a las interferencias.

Normas genéricas:

• Entorno 1 (residencial, comercial): CEI61000-6-3 (emisiones) y CEI 61000-6-1 (inmunidad).
• Entorno 2 (industrial): CEI61000-6-4 (emisiones) y CEI 61000-6-2 (inmunidad)
• Se aplican en caso de norma no específica.

Normas máquinas herramienta:

• EN50370-1 (emisión) y EN50370-2 (inmunidad)

La norma CEI 61800-3 es para Power Drive Systems (incluye motor, variador, cableado, sensores…) y no las máquinas accionadas. Y especifica dos entornos de instalación para los PDS:

• Primer entorno:
  Incluye las instalaciones domésticas, así como los establecimientos directamente conectados a un transformador intermedio a una red de alimentación de baja tensión que alimenta a los edificios empleados con fines domésticos.
• Segundo entorno:
  Incluye todos los establecimientos que no son los que están directamente conectados a la red de alimentación de baja tensión que alimenta a los edificios empleados con fines domésticos.

Y distintas categorías para los equipos:

La norma EN55011 nos da los límites de emisión:

• Clase A: equipos para usar en segundo entorno.
• Clase B: equipos para usar en primer entorno.

6. Atenuación

Si los equipos registran emisiones por encima de los valores marcados por estas normas, es necesaria la instalación de filtros CEM para atenuar (en dB) hasta situarse en los valores permitidos.

7. Corrientes de fuga en sistemas

Los condensadores conectados en estrella (Y) son conductores para corrientes de fallo a tierra (modo común) y corrientes de fuga en el sistema.

El cálculo de las corrientes de fuga depende de muchos factores: longitud del cable, apantallamiento, frecuencia de conmutación… Por lo tanto, necesita medirse en el sistema.

La protección de cabecera mide el sistema completo, y debe dimensionarse de forma adecuada (diferentes sensibilidades).

Cómo reducir las corrientes de fuga

Los filtros de baja fuga (condensadores pequeños) tienen menos prestaciones. El filtro debe estar equilibrado por la calidad del material del núcleo.

Los fabricantes ofrecen filtros de menores corrientes de fuga.

Ejemplo gama FN3287 de Schaffner

Se recomienda usar filtros 3 fases+neutro, en los cuales la corriente de descarga no va al conductor de protección (PE).

Los fabricantes de variadores recomiendan un diferencial para cada variador (si lleva incorporado filtro CEM), o directamente no instalar filtros.

Por ejemplo, para los variadores de Siemens G120C:

• Variadores sin filtro: pensados para instalaciones en régimen IT y para instalar sin Diferencial (RCD): el cliente debe prever sistema de supresión.
• Equipos con filtro clase A, cumplen categoría C3 y C2 (esta última en función de otros parámetros de la instalación).

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