Puesta a tierra y conexiones de alimentación en variadores de velocidad (VSD)

Un variador de velocidad (VSD/VFD) no entrega al motor una senoide limpia. Rectifica la red, almacena energía en un enlace de continua y conmuta semiconductores a alta velocidad para sintetizar tensión y frecuencia variables. Esa arquitectura cambia las corrientes que circulan por cables, pantallas, carcasa y conductor de protección.

Ambos sistemas convergen físicamente en la red equipotencial de la instalación, pero uno no reemplaza al otro. Puede existir un PE correcto para 50/60 Hz y, aun así, una EMC deficiente porque la ruta HF es estrecha, larga, pintada o interrumpida. También puede haber una pantalla bien sujeta y un PE insuficiente para soportar una falla.

La alimentación entra por los terminales de línea —habitualmente L1/L2/L3 o R/S/T— y llega al rectificador. El bus DC (DC+, DC−) suaviza y almacena energía en condensadores. El inversor IGBT o equivalente conmuta esa tensión sobre U/V/W. El motor responde principalmente al componente fundamental, pero el cable y sus capacitancias también conducen pulsos de alta frecuencia.

• No conecte la red en U/V/W. La salida no es una entrada y puede destruir la etapa inversora.
• No instale capacitores de corrección de factor de potencia en la salida. La forma PWM puede sobrecargarlos y dañar el VSD.
• No abra un contactor de salida durante funcionamiento salvo que el fabricante haya previsto y programado esa maniobra.
• No mida la salida con instrumentos no aptos para PWM. Seleccione categoría, ancho de banda y método indicados por el fabricante.

La protección de entrada debe coordinarse con la corriente de cortocircuito disponible y con la tabla del VSD. Fusibles ultrarrápidos, fusibles de clase específica o interruptores listados no son intercambiables por intuición. El seccionamiento debe aislar las fuentes que puedan energizar el equipo, incluida alimentación auxiliar o un bus DC compartido.

Los rectificadores de seis pulsos absorben corriente no sinusoidal y generan armónicos. La mitigación —reactancia, enlace DC con choke, filtro pasivo/activo o frente activo— se decide con mediciones/estudio y requisitos de la red. Un filtro RFI/EMC no es un filtro de armónicos de baja frecuencia.

Al desacelerar una carga inercial, el motor puede actuar como generador y elevar la tensión del enlace DC. Según el equipo, la energía se disipa en una resistencia mediante chopper, se comparte en un bus común o retorna a la red con una unidad regenerativa. Los terminales DC no son una salida auxiliar de uso libre.

• DC+ / DC−: solo se conectan según el manual específico; polaridad, precarga, fusibles y compatibilidad entre unidades son críticos.
• Resistencia de frenado: debe cumplir valor óhmico mínimo, potencia/ciclo, protección térmica, envolvente y cableado indicados.
• Bus común: exige coordinación de precarga, seccionamiento, descarga y protección contra fallas entre convertidores.
• STO no descarga el bus: Safe Torque Off evita par por una función certificada, pero no equivale a aislamiento eléctrico.

Los flancos de tensión PWM acoplan corriente a través de capacitancias parásitas: conductor–pantalla, bobinado–carcasa y semiconductor–disipador. Las tres fases pueden moverse simultáneamente respecto de tierra; esa componente se denomina modo común. Su magnitud crece con el dV/dt, la frecuencia de conmutación, la longitud/capacitancia del cable y la geometría de la instalación.

Si la pantalla termina con baja impedancia en el VSD y el motor, gran parte de esa corriente vuelve cerca del cable que la originó. Si la pantalla queda abierta, se conecta con una coleta larga o el motor no está equipotencializado, el retorno busca caminos alternativos: PE de control, Ethernet, blindajes de encoder, tuberías, estructura o rodamientos.

La misma tensión de modo común no se queda en los cables: el bobinado del estator y el rotor forman un divisor capacitivo dentro del motor. Una fracción de la tensión de modo común aparece sobre el eje respecto de la carcasa —relación conocida como BVR o relación de tensión de rodamiento— y suele situarse en el orden del 3 al 10 % de la tensión del bus DC. Ese acoplamiento capacitivo estator–rotor es el mecanismo que traslada un problema de cableado a un problema mecánico en los rodamientos, tema de la sección 09.

Use el tipo de cable VFD que exige el fabricante: tensión, temperatura, capacitancia, construcción simétrica, cobertura de pantalla y aprobación ambiental. En potencias mayores, una construcción simétrica reduce corrientes inducidas y desequilibrios. La pantalla debe conservar continuidad desde el gabinete del VSD hasta la caja metálica del motor.

Retire pintura únicamente en las superficies de unión previstas y proteja contra corrosión según el sistema del gabinete. Si hay seccionadores, cajas de paso o conectores intermedios, mantenga la pantalla envolvente con accesorios EMC; una sección abierta se convierte en una antena. No pase el cable de salida por el mismo ducto que control o comunicaciones.

Algunas cifras de referencia habituales en guías de fabricante, útiles como punto de partida y no como regla universal: si el cable de potencia no va apantallado, una separación mínima del orden de 300 mm respecto a cables de control y comunicaciones es una referencia práctica común; al dimensionar la sección del cable de alimentación y del transformador aguas arriba, suele aplicarse un factor de sobredimensionamiento de al menos 10% adicional para absorber el calentamiento extra por las corrientes armónicas conducidas (innecesario si ya existe un filtro de armónicos del lado de red); y en cables apantallados o con armadura entre variador y motor de más de aproximadamente 50 m, puede ser necesario un prensaestopas de terminación de barrera en el extremo del motor para que la corriente de fuga de alta frecuencia retorne por la pantalla en lugar de dispersarse por el sistema de tierra.

El parámetro físico que gobierna la eficacia de una terminación es la impedancia de transferencia de la unión pantalla–envolvente, no su resistencia en continua. Una coleta de pocos centímetros posee una resistencia despreciable, pero su inductancia —del orden de 1 nH por milímetro de conductor— presenta a 1 MHz una reactancia de varios ohmios que redirige la corriente de modo común fuera de la pantalla. Un prensaestopas EMC o una abrazadera perimetral mantiene contacto en los 360° del perímetro y conserva una impedancia de transferencia baja hasta el rango de megahercios, que es donde vive el espectro de los flancos PWM. Por eso, a diferencia de un cable de señal analógica de bajo nivel —que a veces se aterriza en un solo extremo para evitar bucles de 50/60 Hz—, la pantalla de un cable de salida de VSD se termina con contacto pleno en ambos extremos: el objetivo no es evitar un bucle de baja frecuencia, sino ofrecer a la corriente HF un retorno cerrado y contenido junto a los conductores que la originaron. Rockwell Automation y las notas de aplicación de fabricantes de cable VFD coinciden en que terminar un solo extremo deja escapar corriente parásita al sistema de tierra circundante y anula el propósito del apantallamiento.

El bastidor del motor debe unirse al PE y a la red equipotencial conforme al manual. En instalaciones grandes, una cinta de equipotencialidad HF adicional —trenza plana, ancha y corta— colocada entre la carcasa del motor y la estructura de la máquina reduce la diferencia de potencial de alta frecuencia entre ambos, pero no reemplaza el PE. Su valor está en la geometría: una pletina o trenza plana ofrece a la corriente HF una impedancia mucho menor que un cable redondo de la misma sección, porque el efecto pelicular concentra la corriente en la superficie.

El enemigo silencioso de la equipotencialidad es la continuidad interrumpida por el montaje mecánico. Bases pintadas, tacos antivibratorios (silentblocks), acoplamientos con insertos elastoméricos y bridas anodizadas introducen una impedancia impredecible en serie. Rasque la pintura solo en las superficies de contacto previstas, use arandelas dentadas o de estrella donde el fabricante lo permita, y tienda un puente de equipotencialidad que salte el elemento aislante cuando la continuidad sea necesaria. Verifique la unión por baja impedancia, no por continuidad óhmica en DC: dos superficies pueden dar 0 Ω con un multímetro y comportarse como una antena a 5 MHz.

La tensión de modo común transferida al eje (sección 06) es la causa raíz de un modo de falla que rara vez aparece en los artículos básicos de puesta a tierra y, sin embargo, retira motores de servicio de forma prematura: el deterioro de rodamientos por corriente eléctrica. Cuando la tensión de eje supera la rigidez dieléctrica de la finísima película de lubricante que separa las pistas de las bolas, se produce una microdescarga por EDM que arranca metal y forma un micro-cráter. Repetido millones de veces y sincronizado con las frecuencias mecánicas del rodamiento, ese picado se organiza en las estrías regulares conocidas como fluting, que disparan vibración, ruido audible tipo silbido y, finalmente, el gripado. La literatura técnica —y las normas TS IEC 60034-25 y NEMA MG-1 Parte 31— distingue tres mecanismos, cada uno con su propia mitigación.

El error conceptual más común es creer que un motor apto para variador (inverter-duty, NEMA MG-1 Parte 31) está protegido contra este daño. Esa clasificación refuerza el aislamiento del bobinado frente a los picos de tensión reflejada del PWM; no dice nada sobre los rodamientos. Del mismo modo, un rodamiento aislado bloquea la corriente de baja frecuencia, pero a las frecuencias de conmutación (2–16 kHz) su capa aislante se comporta como un condensador y deja pasar la corriente HF: por eso el rodamiento aislado ataca el mecanismo 2, pero no el 1.

• Anillo de puesta a tierra del eje: corona de microfibras conductoras que cortocircuita eje y carcasa con baja impedancia, desviando la carga antes de que rompa la película de lubricante. Requiere pista limpia y mantenimiento previsto.
• Rodamiento aislado / híbrido: un solo extremo aislado basta para interrumpir la corriente circulante; aislar ambos extremos sin anillo puede empeorar la descarga de eje.
• Diagnóstico: patrón de fluting en las pistas y medición de tensión de eje con osciloscopio y sonda de escobilla; interpretación por personal con experiencia.

El rectificador de seis pulsos que alimenta al bus DC absorbe corriente en pulsos, no en forma senoidal. El espectro resultante contiene los armónicos característicos de orden 6k±1 —5.º, 7.º, 11.º, 13.º…— cuya suma puede elevar la distorsión total de corriente (THD) por encima del 80 % en un variador desnudo. Esos armónicos calientan transformadores y conductores, deforman la tensión de la red mediante muescas de conmutación (notching), sobrecargan el neutro en instalaciones con varias unidades y degradan el factor de potencia real.

IEEE 519 no fija límites al equipo individual, sino a la interacción en el PCC, el punto de conexión común con otros usuarios: acota la distorsión de demanda de corriente (TDD) según la relación entre corriente de cortocircuito disponible y corriente de carga, y la distorsión de tensión (habitualmente 5 % de THD en baja/media tensión). Es una responsabilidad compartida entre la empresa distribuidora, que sostiene la tensión, y el usuario, que limita la corriente inyectada. En marco IEC, los límites de emisión de corriente armónica se tratan en IEC 61000-3-2 y 61000-3-12.

Dos precisiones evitan errores caros. Primera: un filtro EMC/RFI no es un filtro de armónicos. El primero atenúa emisiones conducidas en el rango de MHz; los armónicos de baja frecuencia (250 Hz–3 kHz) los aborda un reactor o un filtro dedicado. Segunda: al dimensionar transformador y conductores aguas arriba conviene un margen —del orden de 10 % o más, o un transformador con factor K adecuado— para absorber el calentamiento adicional por las corrientes armónicas, salvo que ya exista mitigación del lado de red.

La segregación reduce acoplamiento capacitivo e inductivo antes de que haga falta “curarlo” con filtros. La distancia exacta y las categorías de canalización deben salir del manual y de la norma aplicable; no existe una separación universal válida para toda potencia y gabinete.

Separe físicamente el “lado sucio” (entrada del filtro, salida PWM) del “lado limpio” (salida filtrada hacia red, señales). Evite bucles grandes. Para entradas analógicas, decida referencia, aislamiento y conexión de pantalla como sistema; unir pantallas al azar puede crear rutas de modo común a través del PLC.

La longitud de cable permitida cambia con la familia, potencia, frecuencia de conmutación, tipo de cable y filtro. Un filtro de salida también puede exigir limitar la frecuencia fundamental o cambiar parámetros. Seleccione accesorios con la tabla del fabricante; no combine componentes de catálogo solo por corriente nominal.

Un VSD puede inyectar componente DC y corrientes de múltiples frecuencias en PE. Eso puede cegar o disparar indebidamente dispositivos residuales no aptos. Manuales actuales de Danfoss y Rockwell advierten sobre esta condición; Schneider prescribe tipos según alimentación y equipo. Para muchos VSD trifásicos, cuando se usa RCD para protección contra choque, se requiere tipo B sensible a AC y DC, con características apropiadas para convertidores.

Sin embargo, “instale siempre un tipo B de 30 mA” no es una regla segura. La selección depende de normativa local, protección por desconexión automática, corriente de fuga normal, filtro, número de VSD, selectividad, tiempo de retardo y esquema TN/TT/IT. En algunos sistemas se usa RCM para supervisión y otra medida de protección. El diseñador debe verificar el conjunto.

• TN: revise continuidad e impedancia del lazo PE; nunca use PEN aguas abajo donde no corresponda.
• TT: la coordinación con RCD y la resistencia del electrodo son determinantes; considere la fuga HF del filtro.
• IT: suele requerir monitor de aislamiento compatible con cargas no lineales y configuración específica del filtro EMC.
• Delta corner-grounded o midpoint-grounded: no asuma compatibilidad; algunos filtros/varistores deben desconectarse o el VSD no es apto.

El valor del esquema está en mostrar dos circuitos simultáneos: la trayectoria de energía útil y la trayectoria HF. Una instalación será robusta cuando ambas estén deliberadamente cerradas y cuando control quede fuera de esos bucles.

1. Documentación y competencia. Manual exacto, planos, normativa local, estudio de cortocircuito/coordinación y personal autorizado disponibles.
2. Identificación de la red. Tensión, frecuencia, TN/TT/IT/delta, neutro, puesta a tierra y compatibilidad del filtro/varistores confirmadas.
3. Aislamiento seguro. Seccionamiento bloqueable, fuentes auxiliares y bus compartido etiquetados; tiempo de descarga y prueba de ausencia de tensión definidos.
4. Protección de entrada. Fusible/interruptor, SCCR/Icc, conductor y par de apriete coinciden con manual y cálculo.
5. PE verificado. Continuidad, sección, terminaciones y requisitos de corriente de fuga alta comprobados; carcasa de motor incluida.
6. Bonding HF. Placa conductora, puertas/bandejas que lo requieran y motor equipotencializados mediante conexiones anchas y cortas.
7. Cable del motor. Tipo VFD, longitud y capacitancia admisibles; fases simétricas; pantalla continua con terminación 360° en ambos extremos.
8. Segregación. U/V/W, red, freno, control, encoder y comunicaciones siguen las distancias/rutas del fabricante y cruzan a 90° cuando procede.
9. Accesorios. Reactores, filtros, chopper y resistencia tienen referencia, montaje, ventilación, protección térmica y parámetros correctos.
10. RCD/RCM. Tipo, sensibilidad, retardo, selectividad y compatibilidad con DC/HF validados para la instalación; un VSD por dispositivo si así se exige.
11. Pruebas previas. Aislamiento de motor/cable realizado con el VSD desconectado y siguiendo el manual; nunca aplique megóhmetro al variador salvo instrucción explícita.
12. Primera energización. Datos de placa, límites, sentido, autotune y STO verificados; arranque sin carga o controlado, observando corriente, bus y alarmas.
13. Aceptación EMC y térmica. Ensayo con carga y equipos vecinos activos; registre temperaturas, fugas, errores de comunicación y condiciones de referencia.