En un accionamiento de velocidad variable, el cable que une el variador de frecuencia con el motor forma parte del sistema de accionamiento de potencia (PDS, power drive system) y condiciona tanto su compatibilidad electromagnética como la vida útil del motor. La salida de un variador no es una onda senoidal, sino una secuencia de pulsos de tensión modulados por ancho de pulso (PWM, pulse width modulation), con flancos de subida muy rápidos. Estos flancos contienen componentes de alta frecuencia que el cable debe conducir de forma controlada. Seleccionar el tipo de cable adecuado (sin blindaje, blindado o de construcción simétrica) permite reducir las perturbaciones sobre equipos cercanos, proteger el aislamiento del motor y evitar daños en los rodamientos.
Fenómenos que el cable debe gestionar
La norma IEC 61800-3 [1] establece los requisitos de compatibilidad electromagnética (EMC) para los sistemas de accionamiento y los clasifica en categorías C1 a C4 según el entorno de instalación. En la conexión variador-motor, los fenómenos relevantes son cuatro:
- Emisiones conducidas y radiadas: los flancos de tensión PWM generan corrientes de alta frecuencia que, si no se confinan, se acoplan a cables de señal, redes de comunicación e instrumentación cercana.
- Tensión de modo común y corrientes capacitivas: la suma instantánea de las tres tensiones de salida no es nula. Esta tensión de modo común impulsa corrientes a través de la capacitancia entre los conductores de fase y tierra, que retornan por el conductor de protección, la pantalla y la estructura metálica de la instalación.
- Onda reflejada: la diferencia de impedancia entre el cable y el motor provoca reflexiones que elevan la tensión en los bornes del motor por sobre la tensión del bus de continua. La especificación IEC TS 60034-17 [2] describe el efecto de estos esfuerzos sobre el aislamiento de los motores de inducción alimentados por convertidores.
- Corrientes por los rodamientos (bearing currents): la tensión de modo común puede inducir una tensión entre el eje y la carcasa del motor que, al descargarse a través de la película de lubricante, erosiona las pistas de los rodamientos. La especificación IEC TS 60034-25 [3] trata este fenómeno e identifica el cableado y la puesta a tierra entre las medidas de mitigación.
Cable sin blindaje
El cable sin blindaje está formado por tres conductores de fase y un conductor de protección (PE, protective earth), o bien por conductores individuales tendidos en bandeja o canalización.
Sus beneficios son la simplicidad de instalación, la flexibilidad y un costo reducido. Su uso resulta adecuado cuando la categoría EMC exigida por la instalación lo permite, las distancias entre variador y motor son cortas y no existen circuitos sensibles en la vecindad. Cuando se tiende dentro de una canalización metálica continua y correctamente puesta a tierra, la propia canalización aporta un grado de confinamiento del campo electromagnético. En todos los casos conviene mantener una separación adecuada respecto de los cables de señal y de comunicaciones, y seguir las indicaciones del manual del variador respecto de la categoría EMC que puede alcanzarse con este tipo de cable.
Cable blindado
El cable blindado incorpora una pantalla metálica que envuelve a los conductores activos. Las construcciones habituales emplean una malla trenzada de cobre, una lámina de aluminio combinada con malla o una pantalla concéntrica de hilos de cobre.
La función principal de la pantalla es ofrecer a las corrientes de alta frecuencia un camino de retorno hacia el variador de baja impedancia y bien definido. De este modo, el campo electromagnético queda confinado dentro del cable y las corrientes de modo común no se dispersan por la estructura de la planta. Los beneficios directos son la reducción de las emisiones, la protección de los circuitos de control y comunicaciones cercanos y la posibilidad de cumplir las categorías EMC más exigentes definidas en IEC 61800-3 [1].
La eficacia del blindaje depende en gran medida de su terminación. La pantalla debe conectarse en ambos extremos mediante una unión de 360°, con prensaestopas EMC o abrazaderas que abarquen todo el perímetro del cable. Las conexiones mediante una trenza retorcida (pigtail) agregan inductancia y reducen significativamente la atenuación a alta frecuencia. La guía IEC TR 61000-5-2 [4] desarrolla estos criterios de puesta a tierra y cableado para la compatibilidad electromagnética.
Debe considerarse también que la pantalla aumenta la capacitancia del cable respecto de tierra. En tramos largos, esto incrementa la corriente capacitiva que el variador debe suministrar; por ello, los fabricantes de variadores indican una longitud máxima de cable blindado para cada modelo y, cuando se supera, recomiendan filtros de salida.
Cable de construcción simétrica (magnéticamente balanceado)
El cable de construcción simétrica, también denominado magnéticamente balanceado, lleva el principio del blindaje un paso más allá. Sus tres conductores de fase se disponen de forma geométricamente simétrica y el conductor de protección se divide en tres conductores más pequeños, ubicados en los intersticios entre las fases, o bien se integra en una pantalla concéntrica que cumple la función de PE. El conjunto se completa con una pantalla global y, habitualmente, con aislamiento de polietileno reticulado (XLPE).
El beneficio de esta geometría es que la inductancia mutua entre cada conductor de fase y el sistema de protección resulta igual para las tres fases. En consecuencia, las tensiones que las corrientes de fase inducen en los conductores de protección se cancelan entre sí y no aparecen corrientes circulantes a la frecuencia de trabajo por el PE ni por la pantalla. Cuando el conductor de protección es único y está ubicado de forma asimétrica, cada fase se acopla a él de manera diferente y la tensión inducida resultante puede impulsar corrientes permanentes por la estructura de la instalación.
De este comportamiento se derivan varios beneficios prácticos:
- Menor corriente circulante por el conductor de protección y la pantalla, lo que reduce pérdidas y calentamiento del cable.
- Distribución equilibrada de la impedancia entre fases, lo que favorece una alimentación balanceada del motor.
- Menor contribución del cable a la tensión entre eje y tierra, lo que complementa las medidas de mitigación de corrientes por los rodamientos descritas en IEC TS 60034-25 [3].
- Con aislamiento XLPE, menor capacitancia por unidad de longitud y mayor rigidez dieléctrica, lo que reduce la corriente capacitiva y mejora la resistencia del cable a las sobretensiones de la onda reflejada.
Estas características hacen del cable simétrico la opción preferente en accionamientos de potencia media y alta, en tramos largos y en instalaciones con equipos de medición y comunicaciones sensibles.
Resumen de tipos de cable
| Tipo de cable | Construcción | Beneficio principal | Aplicación típica |
|---|---|---|---|
| Sin blindaje | Tres fases y PE, o conductores individuales | Simplicidad y bajo costo de instalación | Tramos cortos, entornos industriales sin circuitos sensibles, canalización metálica continua |
| Blindado | Conductores con pantalla de malla, lámina o concéntrica | Confinamiento de las emisiones de alta frecuencia | Instalaciones con requisitos EMC exigentes y equipos de control cercanos |
| Simétrico (magnéticamente balanceado) | Fases simétricas, PE dividido o concéntrico y pantalla global | Cancelación de tensiones inducidas en el PE, baja corriente circulante y mitigación de corrientes por rodamientos | Motores de potencia media y alta, tramos largos, entornos con instrumentación sensible |
Buenas prácticas de instalación
Independientemente del tipo de cable seleccionado, las siguientes prácticas contribuyen a obtener el desempeño esperado:
- Terminar la pantalla en 360° en el variador y en la caja de bornes del motor.
- Establecer una conexión equipotencial de alta frecuencia entre la carcasa del motor, la máquina accionada y la estructura del tablero del variador.
- Tender el cable de potencia separado de los cables de señal y comunicaciones; cuando sea inevitable cruzarlos, hacerlo en ángulo recto.
- Evitar empalmes. Si existe un interruptor de seguridad local, utilizar una caja metálica y mantener la continuidad de la pantalla a través de ella.
- Respetar la longitud máxima indicada por el fabricante del variador e incorporar filtros de salida (dv/dt o senoidales) cuando la distancia lo exija.
- Dimensionar el conductor de protección de acuerdo con la normativa de seguridad eléctrica aplicable.
Conclusión
El cable entre el variador de frecuencia y el motor es un componente activo del desempeño del accionamiento. El cable sin blindaje ofrece una solución simple para instalaciones compactas con requisitos EMC moderados; el cable blindado confina las emisiones de alta frecuencia y protege los circuitos vecinos; y el cable de construcción simétrica agrega el balance magnético que reduce las corrientes circulantes y complementa la protección de los rodamientos. Seleccionarlo de acuerdo con las normas IEC 61800-3, IEC TS 60034-17 e IEC TS 60034-25, y terminarlo correctamente, contribuye a una instalación confiable y a una mayor vida útil del motor.
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Referencias
[1] IEC 61800-3:2022. Adjustable speed electrical power drive systems – Part 3: EMC requirements and specific test methods for PDS and machine tools. International Electrotechnical Commission.
[2] IEC TS 60034-17:2006. Rotating electrical machines – Part 17: Cage induction motors when fed from converters – Application guide. International Electrotechnical Commission.
[3] IEC TS 60034-25:2022. Rotating electrical machines – Part 25: AC electrical machines used in power drive systems – Application guide. International Electrotechnical Commission.
[4] IEC TR 61000-5-2:1997. Electromagnetic compatibility (EMC) – Part 5: Installation and mitigation guidelines – Section 2: Earthing and cabling. International Electrotechnical Commission.