Bram Corne
Miembro del Comité Técnico de Servicios
Orbits
Kortrijk, Belgium 

Introducción
En la industria moderna, los motores eléctricos accionados con variadores de frecuencia (VFD) se han convertido en el estándar para el control de procesos y la eficiencia energética. Estos variadores se basan en la modulación por ancho de pulso (PWM) para regular la velocidad y el par del motor, utilizando señales de corriente que se aproximan a una onda senoidal. Si bien es muy eficaz para el control, la PWM introduce transitorios de alta frecuencia que, si no se controlan, pueden comprometer la confiabilidad del motor.

Con la evolución de la tecnología de inversores, la velocidad de conmutación de los transistores bipolares de compuerta aislada (IGBT) ha aumentado significativamente. Esto genera pulsos de tensión con pendiente ascendente rápida, a menudo de varios kilovoltios por microsegundo, comúnmente conocida como dV/dt (la tasa de variación de la tensión a lo largo del tiempo, como se ilustra en la Figura 1). En combinación con las características capacitivas e inductivas de cables y motores, estos pulsos generan corrientes parásitas o de fuga que pueden causar degradación del aislamiento, fallos en los rodamientos e interferencias electromagnéticas.

Efectos PWM
Uno de los principales impactos de la conmutación de alta frecuencia es la degradación del aislamiento del devanado. Las transiciones de tensión escarpadas producen campos eléctricos intensos concentrados en las primeras espiras del devanado del motor, donde la tensión del aislamiento es mayor. Con el tiempo, esto provoca descargas parciales y, en última instancia, fallos de aislamiento, especialmente en motores no preparados/aptos para funcionar con inversor. Por el contrario, los motores con inversor están equipados con sistemas de aislamiento mejorados, que a menudo incluyen revestimientos de ranura reforzados y materiales de devanado mejorados, diseñados para soportar gradientes de tensión abruptos y los transitorios repetitivos típicos de los variadores de frecuencia (VFD) modernos. Estas características de construcción aumentan significativamente la resistencia a la ruptura del aislamiento en condiciones de dV/dt altos.

Otro problema crítico es el daño en los rodamientos. Los voltajes de modo común entre las fases del motor y tierra crean corrientes parásitas a través de la capacitancia interna del motor. Estas corrientes se suelen descargar a través de los rodamientos. Aunque cada evento es pequeño, el efecto acumulativo provoca estrías, picaduras, degradación de la grasa y, finalmente, fallos prematuros de los rodamientos.

Además, los fenómenos de ondas reflejadas (ringing) agravan los problemas de sobretensión. Los frentes de tensión de subida rápida se reflejan en la discordancia de impedancia entre los cables y los devanados del motor, lo que genera picos de tensión que pueden superar el doble de la tensión del bus de CC. Con cables de gran longitud, estos picos pueden superar fácilmente los valores nominales de aislamiento.

Filtrado como solución
Para abordar estos desafíos, los ingenieros aplican filtros, redes eléctricas pasivas compuestas por inductores (L), condensadores (C) y resistencias (R), para reducir los componentes dañinos de alta frecuencia en las formas de onda de voltaje y corriente. Estos filtros, cuidadosamente dimensionados y ubicados, permiten el paso de las señales de baja frecuencia deseadas, a la vez que atenúan el contenido de alta frecuencia no deseado.

Los filtros más básicos son las redes pasa bajo. Los inductores resisten cambios rápidos de corriente y los condensadores resisten cambios rápidos de voltaje. Al combinarse, forman circuitos RL, RC o RLC que bloquean o absorben los transitorios. Un filtro LR o RC de primer orden ofrece una atenuación moderada, mientras que los filtros LRC de segundo orden proporcionan una caída más pronunciada y una mejor respuesta transitoria. La relación entre L, R y C determina tanto la frecuencia de corte del filtro como su comportamiento de amortiguamiento.

La Figura 2 ilustra las respuestas de frecuencia y escalón de los filtros RL y RC (primer orden) y RLC (segundo orden). Estas ilustran cómo la correcta selección de los parámetros del filtro influye directamente en el tiempo de subida de la forma de onda de tensión.

El dimensionamiento de estos filtros requiere equilibrar el rendimiento de la atenuación con las limitaciones prácticas. Una mayor inductancia mejora el filtrado, pero aumenta la caída de tensión y el tamaño físico. La capacitancia ofrece un suavizado adicional, pero se debe seleccionar cuidadosamente para evitar la resonancia. La resistencia puede amortiguar las oscilaciones, pero introduce pérdidas térmicas. El objetivo es reducir los dV/dt por debajo de los umbrales críticos, a menudo a menos de 1 kV/µs (IEC 60034-17).

Selección de filtros
Comprender la diferencia entre las interferencias de modo diferencial y de modo común es fundamental para seleccionar y diseñar un filtrado eficaz. Las perturbaciones de modo diferencial surgen de las diferencias de tensión entre dos fases y se propagan por rutas línea a línea, sometiendo a tensión directa los devanados del motor. Para suprimirlas, se instalan filtros en serie con cada fase del motor. Su función principal es reducir la pendiente de la forma de onda de la tensión, prolongando el tiempo de subida y minimizando las tensiones pico.

Los reactores de carga se encuentran entre los filtros de modo diferencial más utilizados. Estos inductores trifásicos se instalan en la salida del variador. Suavizan las transiciones de conmutación y absorben parte de la energía transportada por los escalones de tensión escarpados o pronunciados. Su simplicidad, bajo coste y facilidad de instalación los convierten en una opción práctica para aplicaciones con longitudes de cable cortas a moderadas.

Otra solución diferencial consiste en usar núcleos de ferrita colocados alrededor de los cables individuales del motor. Estos supresores de alta frecuencia son particularmente eficaces para absorber picos de conmutación muy rápidos. Al aumentar la impedancia de los componentes de alta frecuencia, los núcleos de ferrita reducen la sobretensión local en los terminales del motor. Sin embargo, son ineficaces contra las corrientes de modo común.

Los núcleos de ferrita que envuelven las tres fases del cable del motor, incluido el blindaje, funcionan como reactancias de modo común. Estos componentes presentan una alta impedancia a cualquier corriente que sea la misma en todos los conductores, bloqueando eficazmente las perturbaciones de modo común y manteniendo las corrientes de modo diferencial prácticamente inalteradas. 

Entre las soluciones de filtrado más avanzadas se encuentran los filtros dV/dt y los filtros de onda sinusoidal. Los filtros dV/dt están diseñados para limitar el tiempo de subida de tensión y el sobrevoltaje en los terminales del motor. Estos filtros paso bajo de segundo orden son más selectivos que las reactancias de carga y proporcionan una mejor atenuación de los transitorios de tensión abruptos. Son eficaces en aplicaciones con longitudes de cable moderadas y donde se utilizan motores con inversor. Si bien no eliminan los componentes de alta frecuencia, reducen significativamente la tensión en el aislamiento y mejoran la compatibilidad electromagnética.

Los filtros de onda sinusoidal van un paso más allá al transformar la forma de onda PWM en una salida sinusoidal casi pura. Estos filtros constan de múltiples etapas de inductores y condensadores que eliminan la mayor parte del contenido de alta frecuencia Figura 3. El resultado es una forma de onda de tensión uniforme con mínima distorsión armónica. Los filtros de onda sinusoidal son indispensables en sistemas donde los motores no están clasificados para uso con inversor, donde los cables superan los 50 a 100 metros (165 a 330 pies) o donde hay componentes electrónicos sensibles en el entorno. Sin embargo, su mayor impedancia los hace más adecuados para aplicaciones con dinámica de carga estable. Algunas de las características de selección de filtros se resumen en la Tabla 1.

Consideraciones a Nivel de Sistema
La selección del filtro depende de una evaluación minuciosa de todo el sistema de accionamiento. El variador de frecuencia (VFD), los cables del motor y el propio motor forman una red de impedancia distribuida que configura el comportamiento eléctrico del sistema. Cualquier filtro que se introduzca debe ser compatible con esta red. Un filtro sobredimensionado puede introducir resonancia o pérdidas innecesarias, mientras que uno subdimensionado puede ofrecer una protección insuficiente.

En lugar de basarse únicamente en reglas de diseño genéricas o en supuestos desfavorables, un mejor enfoque implica la medición directa de los parámetros eléctricos en el entorno de aplicación. La captura de los tiempos de subida de tensión (Figura 4), las amplitudes de pico y el contenido espectral en los terminales del motor permite una evaluación basada en datos de los niveles de tensión reales que experimentan el aislamiento y los rodamientos del motor. Estas mediciones, al analizarse a lo largo de múltiples ciclos de conmutación, proporcionan información estadística sobre el comportamiento del sistema.

Esta selección de filtros basada en mediciones permite a los ingenieros aplicar soluciones específicas. Si la principal preocupación es el daño a los rodamientos, se pueden aplicar técnicas de mitigación de modo común, como anillos de ferrita o reactancias de modo común. Si la tensión del aislamiento es el principal problema, podrían justificarse filtros dV/dt o filtros de onda sinusoidal. En algunos casos, las mejoras en la conexión a tierra o en el cableado pueden proporcionar beneficios sustanciales sin necesidad de componentes adicionales. En definitiva, este enfoque ayuda a evitar la sobreingeniería, reduce costes innecesarios y garantiza que el filtro elegido sea técnicamente adecuado y económicamente justificado.

Conclusión
El filtrado ya no es un complemento opcional en los sistemas de motores modernos: es una necesidad. A medida que aumentan las frecuencias de conmutación y la integración de sistemas se vuelve más compleja, los riesgos asociados a los efectos de la modulación por ancho de pulsos (PWM) de alta frecuencia siguen creciendo. Afortunadamente, con un sólido conocimiento de los tipos de filtros, el comportamiento de la impedancia y la dinámica real de los sistemas, los ingenieros pueden implementar estrategias de mitigación eficaces.

Ya sea que el problema obedezca a un fallo prematuro de los rodamientos o en el aislamiento, la conformidad con la EMC o un mal funcionamiento del sensor, la solución de filtrado adecuada, cuidadosamente seleccionada y correctamente dimensionada, puede resolver el problema desde su origen. Al considerar los modos de perturbación y la ubicación de la impedancia, y al utilizar mediciones específicas, es posible diseñar sistemas de motores robustos, fiables y rentables para los exigentes entornos industriales actuales.