¿Por qué se utilizan filtros de entrada y filtros de salida en un sistema VFD?
Un variador de frecuencia puede mejorar el control de un motor, pero también puede introducir perturbaciones en la red y esfuerzos eléctricos en el motor si la instalación no se diseña correctamente.
Los variadores de frecuencia, conocidos también como VFD, se utilizan ampliamente en la industria salvadoreña para controlar bombas, ventiladores, compresores, bandas transportadoras, extrusoras, sistemas de refrigeración y otros procesos automatizados.
Estos equipos permiten regular la velocidad del motor, disminuir esfuerzos mecánicos durante el arranque y optimizar el consumo energético en aplicaciones de torque variable.
Sin embargo, el funcionamiento electrónico del VFD puede generar perturbaciones tanto en la red eléctrica como en el motor alimentado.
Ubicación de los filtros en el sistema
Cada elemento se instala en un punto diferente y responde a un problema específico.
¿Cómo trabaja internamente un variador?
Un VFD convencional puede entenderse mediante tres etapas principales.
Rectificador
Convierte la corriente alterna de la red en corriente continua y puede generar armónicos de corriente en la alimentación.
Bus de corriente continua
Almacena y estabiliza la energía mediante capacitores y, en algunos equipos, mediante una reactancia DC.
Inversor PWM
Utiliza transistores de potencia para generar pulsos que controlan la velocidad y el torque del motor.
Dos lados diferentes, dos problemas diferentes
No debe confundirse el problema de armónicos en la entrada con el problema de dv/dt y reflexiones de onda en la salida.
Lado de entrada
El rectificador del VFD toma corriente de forma no senoidal y puede afectar la calidad de energía del sistema.
- Armónicos de corriente.
- Distorsión del voltaje.
- Picos y transitorios de red.
- Interferencia electromagnética conducida.
- Esfuerzo sobre el rectificador y el bus DC.
- Interacción con bancos de capacitores.
Lado de salida
La señal PWM genera cambios rápidos de voltaje y puede producir estrés eléctrico en el motor y el cableado.
- Alta tasa de cambio de voltaje, dv/dt.
- Picos en las terminales del motor.
- Reflexiones de onda en cables largos.
- Estrés en el aislamiento.
- Corrientes en rodamientos.
- Ruido e interferencia electromagnética.
Dispositivos instalados en la entrada del VFD
No todos los elementos de entrada cumplen la misma función.
Reactancia de línea
Se conecta en serie entre la red y el variador para aumentar la impedancia del circuito.
- Reduce parcialmente los armónicos de corriente.
- Limita picos y cambios bruscos de corriente.
- Ayuda a proteger el rectificador.
- Reduce el esfuerzo sobre el bus DC.
- Puede ser de 3 % o 5 % de impedancia.
Choque de corriente continua
Algunos VFD incorporan una reactancia dentro del bus DC.
- Suaviza la corriente hacia los capacitores.
- Reduce parte de la distorsión de entrada.
- Mejora la vida útil del bus DC.
- Puede evitar instalar una reactancia externa innecesaria.
Filtro EMC o RFI
Está diseñado para reducir ruido eléctrico de alta frecuencia que puede regresar hacia la red.
- Reduce interferencias en PLC y sensores.
- Ayuda a proteger comunicaciones industriales.
- Disminuye ruido conducido por la alimentación.
- No reemplaza un filtro armónico.
Filtro armónico
Se utiliza cuando la distorsión armónica debe reducirse a niveles específicos.
- Puede ser pasivo o activo.
- Se utiliza con alta concentración de VFD.
- Reduce calentamiento en transformadores y conductores.
- Puede mejorar el comportamiento de la red interna.
Dispositivos instalados en la salida del VFD
Su objetivo es reducir los efectos de la conmutación PWM sobre el motor.
Reactancia de salida
Añade inductancia entre el VFD y el motor.
- Limita cambios bruscos de corriente.
- Reduce parcialmente el dv/dt.
- Puede ayudar con motores de baja inductancia.
- Puede utilizarse en sistemas con varios motores.
Filtro dv/dt
Reduce la velocidad de subida del voltaje y limita los picos que llegan a las terminales del motor.
- Protege el aislamiento de los devanados.
- Es recomendable en cables largos.
- Ayuda con motores antiguos o rebobinados.
- Es especialmente importante en sistemas de 460 V o 480 V.
Filtro senoidal
Convierte la señal PWM en una forma de onda mucho más cercana a una señal senoidal.
- Reduce significativamente el dv/dt.
- Disminuye el ruido del motor.
- Reduce el estrés dieléctrico.
- Permite proteger motores no diseñados para VFD.
- Puede permitir distancias mayores, según el fabricante.
Filtro de modo común
Se enfoca en reducir corrientes y ruido de alta frecuencia hacia tierra.
- Reduce corrientes en rodamientos.
- Disminuye interferencia electromagnética.
- Protege sensores y comunicaciones cercanas.
- Puede combinarse con filtros dv/dt o senoidales.
Comparación rápida de dispositivos
Esta tabla resume la función principal de cada elemento.
| Dispositivo | Ubicación | Problema principal | Protección o beneficio |
|---|---|---|---|
| Reactancia de línea | Entrada | Armónicos y transitorios | Reduce parcialmente armónicos y limita picos de corriente. |
| Filtro EMC | Entrada | Ruido de alta frecuencia | Reduce interferencias en PLC, sensores y comunicaciones. |
| Filtro armónico | Entrada | Distorsión armónica elevada | Reduce THDi y mejora la calidad de energía. |
| Reactancia de salida | Salida | Cambios bruscos de corriente | Proporciona protección básica y añade inductancia. |
| Filtro dv/dt | Salida | Picos y alto dv/dt | Protege el aislamiento del motor. |
| Filtro senoidal | Salida | Señal PWM y cables largos | Entrega una señal cercana a senoidal y reduce estrés eléctrico. |
| Filtro de modo común | Salida | Corrientes hacia tierra | Reduce interferencia y corrientes en rodamientos. |
¿Qué puede ocurrir si no se evalúa correctamente el sistema?
La ausencia de filtros no siempre genera una falla inmediata, pero puede reducir la vida útil de los equipos.
Pueden calentar transformadores, conductores y equipos conectados a la red.
Pueden deteriorar el aislamiento de los devanados del motor.
Se incrementan cuando existe una distancia considerable entre VFD y motor.
Las corrientes de modo común pueden producir picaduras y desgaste prematuro.
Sensores, señales analógicas y comunicaciones pueden presentar fallas.
El sistema puede presentar disparos, alarmas y comportamiento inestable.
Ejemplo en una planta industrial salvadoreña
Supongamos que se instala un VFD de 50 HP, 480 V, para controlar una bomba ubicada a 120 metros del tablero principal.
Errores frecuentes en instalaciones con variadores
Muchos problemas se originan por una selección incompleta o por no revisar las recomendaciones del fabricante.
Instalar una reactancia sin verificar si el variador ya incorpora un choque interno.
Confundir un filtro EMC con un filtro de armónicos.
Utilizar una reactancia de salida cuando realmente se necesita un filtro dv/dt.
Ignorar la longitud del cable entre el variador y el motor.
Instalar cable convencional sin revisar apantallamiento, aislamiento y puesta a tierra.
Conectar bancos de capacitores entre la salida del VFD y el motor.
Seleccionar el filtro solamente por HP y no por corriente, voltaje y frecuencia.
No separar los conductores del motor de las señales analógicas y comunicaciones.
Antes de seleccionar un filtro, verifique
La selección debe realizarse considerando el sistema completo.
No necesariamente. Los filtros deben instalarse cuando existe una condición técnica que justifica su uso. La mejor solución no es agregar componentes por costumbre, sino identificar el problema y seleccionar el dispositivo adecuado.
¿Su sistema VFD presenta armónicos, fallas de motor o interferencias?
En Mechatronics Solution podemos evaluar la alimentación, el variador, la longitud del cable, la condición del motor y la calidad de energía para recomendar la solución adecuada.
