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La coexistencia de equipos de diverdas tecnologías diferentes sumada a la deficiencia de instalaciones facilita la emission de energía electromagnética y esto puede causar problemas de compatibilidad electromagnética.
La EMIes la energía que causa respuesta indeseable a cualquier equipo y puede generarse por el surgimento de chispas en los cepillos de motores, llaveado de circuitos de potencia, activación de cargas inductivas y resistivas, activación de llaves, disyuntores, lámparas fluorescentes, calentadores, bujías automotivas, descargas atmosférias y también la descarga electrostáctica entre personas y equipos, aparatos de microondas, equipos de comunicación movil, etc. Todo eso puede causar cambios y alto voltaje, baja tensión, picos, transientes, etc. y que pueden tener impacto negativo en redes de comunicación. Esto es común en industrias y fábricas donde EMI es muy frecuente debido al uso de máquinas (por ejemplo, de soldadura), y motores (CCMs), además de redes digitales y de computadoras cercanas.
El mayor problema causado por EMI son las situaciones esporádicas que degradan despacio los equipos y componentes. Incontables problemas pueden generarse por EMI, por ejemplo, en equipos electrónicos, originando fallos en la comunicación entre dispositivos de una red de equipos o computadoras, alarmes generados sin explicación, lógica o comando en relés, la quema de componentes y circuitos electrónicos, etc. Es muy común la ocurrencia de ruidos en la alimentación eléctrica debido a mala puesta a tierra y blindaje, o aún error de proyecto.
La topología y la distribución del cableado, los tipos de cables, las técnicas de protección son factores que se deben considerar para minimizar los efectos de EMI. No olvidar que en altas frecuencias los cables funcionan como un sistema de transmisión de líneas cruzadas y confusas, reflejando energía y difundiendola entre todos los circuitos. Mantener las conexiones en buenas condiciones, pues conectores inactivos por mucho tiempo pueden desarrollar resistencia o volverse detectores de RF.
Un ejemplo típico de la influencia de EMI en el funcionamiento de un componente electrónico, es un capacitor sometido a un pico de tensión mayor que su tensión nominal especificada, arriesgándose a degradar el dieléctrico, cuya espessura es limitada por la tensión operativa del capacitor, lo que puede producir un gradiente de potencial inferior a la rigidez dieléctrica del material, causando la disfunción o mismo quemar el capacitor. O entonces pueden generarse corrientes de polarización de transistores, llevándolos a saturación o corte, o aún, dependiendo de la intensidad, a la quema de componentes por efecto joule.
En mediciones:
Muchas veces la confiabilidad de un sistema de control se pone en riesgo debido a sus malas instalaciones. Por lo general, los usuarios son transigentes y, tras análisis más criteriosas, se descubren problemas involucrando cables y sus rutas y embalajes, blindajes y puesta a tierra.
Es de suma importancia haber la concientización de todos participantes y más que todo, el compromiso con la confiabilidad y la seguridad de funcionamiento de máquinas y de personas en una planta. Este artículo brinda informaciones y pistas sobre sistemas de puesta a tierra, destacando que las regulaciones locales siempre prevalecen en caso de duda.
Controlar el ruido en sistemas de automatización es vital, porque el puede volverse un serio problema en los mejores aparatos y hardware de adquisición de datos y actuación.
Todo ambiente industrial tiene ruido eléctrico en fuentes, incluso en líneas de corriente alterna de energia (CA), señales de radio, máquinas, estaciones etc.
Felizmente, dispositivos y técnicas sencillos, tales como métodos adecuados de puesta a tierra, blindajes, cables de par trenzado, control de acceso a los medios (MAC, Media Access Control), filtros y amplificadores diferenciales pueden controlar el ruido en la mayoría de las mediciones.
Los inversores de frecuencia tienen circuitos de conmutación que pueden generar interferencia electromagnética (EMI). Ellos contienen amplificadores de alta energía de conmutación que pueden generar EMI significativa en la frecuencias de 10 MHz a 300 MHz. Seguramente existe posibilidad de que este ruido puede generar intermitencias en equipos cercanos. Mientras la mayoría de los fabricantes tome los debidos cuidados en los proyectos para minimizar este efecto, la imunidad total es imposible. Entonces algunas técnicas de diseño, cableado, puesta a tierra y blindaje contribuyen considerablemente a esta minimización.
La reducción de EMI minimizará los costos iniciales y los futuros problemas de funcionamiento de cualquier sistema.
Uno de los principales objetivos de un proyecto es mantener todos los puntos comunes de retorno de señal en el mismo potencial. Con la alta frecuencia de los inversores (hasta 300MHz), se generan harmónicas por los amplificadores de conmutación y en estas frecuencias el sistema de puesta a tierra se parece más con una serie de inductores y capacitores do que un camino de baja resistencia. El uso de mallas y trenzas em vez de cables (cables cortos son mejores para altas frecuencias) que interconectan las puestas a tierra tienen eficiencia mayor en este caso. Ver figura 4.
Otro importante objetivo es reducir el aclopamiento magnético entre los circuitos, lo que se logra con separaciones mínimas y enrutamiento segregado de los cables. El aclopamiento por radiofrecuencia es minizado con el debido blindaje y las técnicas de puesta a tierra. Los transientes o picos se reducen con filtros de línea y supresores de energía apropiados, bobinas y otras cargas inductivas.
Un diccionario no técnico define la expresión como un punto de conexión a la tierra, un retorno común en un circuito eléctrico, y un punto arbitrario de potencial cero de tensión.
Conectar a tierra alguna parte de un sistema o circuito eléctrico garantiza la seguridad personal y, por lo general, mejora el funcionamiento del circuito.
Infelizmente, un ambiente seguro y al mismo tiempo robusto en términos de puesta a tierra no existe simultáneamente.
Todo circuito debe disponer de un conductor de protección a lo largo de su extensión.
Los sistemas de puesta a tierra deben ejecutar varias funciones simultáneas, como proporcionar seguridad a personas y a todo el equipo. En seguida está una lista de funciones básicas de los sistemas de puesta a tierra como:
El conductor neutro está normalmente aislado y el sistema de alimentación debe ser el TN-S (T: punto directamente puesto a tierra, N: masas conectadas directamente al punto de alimentación puesto a tierra, S: conductores separados para neutro y protección.
El conductor neutro ejerce su función básica de conducir las corrientes de retorno del sistema.
El conductor de protección ejerce su función básica de conducir a tierra las corrientes de masa. Todos los alojamientos deben conectarse al conductor de protección.
El conductor de equipotencialidad debe ejercer su función básica de referencia de potencial del circuito electrónico.
Figure 1 – Sistema TN-S
Para satisfacer las funciones anteriores destácanse tres características fundamentales:
Relativamente a la instalación de componentes del sistema de puesta a tierra, deben adoptarese algunos criterios:
se deben impedir daños causados por la electrólisis a los eléctrodos y otras partes metálicas.
Definición: Equipotencializar es ubicar todo debajo del mismo potencial.
En la práctica: Equipotencializar es reducir la diferencia de potencial para minimizar accidentes.
En cada edificación debe realizarse una equipotencialización principal y aún conectar las masas de las instalaciones ubicadas en la misma edificación y, por lo tanto, al mismo y único eléctrodo de la puesta a tierra. Ver figuras 2 y 3.
La equipotencialización funcional tiene la función de ecualizar la puesta a tierra y garantizar el buen funcionamiento de los circuitos de señal y la compatibilidad electromagnética
Principal: Debe tener al mínimo la mitad de la sección del conductor de protección de mayor sección y:
1. 6mm2 (Cobre);
2. 16mm2 (Alumínio);
3. 50mm2 (Acero) .
Figura 2 - Equipotencialización
Figura 3 – Línea de Puesta a Tierra y Equipotencial de Instalaciones
Figura 4 – Material para Equipotencializar
Observa la figura 5, donde hay una fuente generadora de alta tensión y ruidos de alta frecuencia y un sistema de medición de temperatura a 25m de la sala de control y donde, dependiendo del embalaje de causados por la electrólisis señales, se puede alcanzar hasta 2.3kV en los terminales de medición. Según se mejoran las condiciones de blindaje, puesta a tierra y equalización se puede alcanzar la condición ideal para medición.
El sistema de puesta a tierra debe ser único y satisfacer a diferentes finalidades:
Protección contra rayos, donde los conductores del Sistema de Protección contra Descargas Atmosféricas (SPDA) deben conectarse a las estructuras metálicas para evitar chispas y a los sistemas de electrodos de puesta a tierra interconectados con la puesta a tierra de energía, tubería metálica, etc. quedando la puesta a tierra de los circuitos conectados al pararrayos vía estructura o sistema de electrodos.
CONSIDERACIONES SOBRE EQUIPOTENCIALES
Fuente generadora de alta tensión y de ruidos de alta frecuencia Sensor de Temperatura Sala de control 25m de cable Tierra
Efecto en la señal según el tratamiento de puesta a tierra
Figura 5 – Ejemplo de la importancia de la puesta a tierra y la equipotencialización y su influencia en la señal
En sistemas distribuidos, tales como el control de procesos industriales, cuyas areas están fisicamente distantes y alimentadas por fuentes diferentes, la orientación es tener el sistema de tierra en cada lugar y aplicar las técnicas de control de EMI en cada ruta de señal, de acuerdo con la figura 2.
La puesta a tierra inadecuada tiene implicaciones que no se limitan a los aspectos de seguridad. Los principales efectos de mala puesta a tierra son choques eléctricos a los usuarios por contacto, respuesta lenta o intermitente de los sistemas de protección, tales como fusibles, disyuntores, etc.
Pero aún otros problemas operativos pueden originarse de puesta a tierra deficiente:
o Fallas de comunicación
o Drifts o derivaciones, errores de medición
o Exceso de EMI
o Calientamiento anormal de las etapas de potencia (inversores, conversores, etc.) y motorización
o Trabamiento constante de computadoras
o Quema de componentes electrónicos sin motivo aparente, mismo en aparatos nuevos y confiables
o Intermitencias
o Otros
El sistema de puesta a tierra debe ser único y satisfacer a diferentes finalidades:
Como consecuencia, los equipos con alojamientos metálicos quedan expuestos a ruidos en los circuitos de puesta a tierra de energía y rayos.
Para satisfacer a los requisitos de seguridad, protección contra rayos y EMI, el sistema de puesta a tierra debería ser un plano con impedancia cero, cuya mescla de diferentes niveles de corriente no tendría interferencia. O sea, una corriente ideal, pero que no se confirma en la realidad.
En la industria de procesos se identifican algunos tipos de puesta a tierra:
Observación: el tipo de “chasis” o “alojamiento” proporciona protección contra choque eléctrico. No se trata de puesta a tierra de resistencia cero, y su potencial puede variar. No obstante, los circuitos casi siempre se conectan a tierra para evitar choque eléctrico.
Se puede ver este sistema por un solo punto en la figura 6, donde el punto marcante es una única puesta a tierra distribuida a toda la instalación.
Figura 6 – Puesta a tierra de punto único
Esta configuración es más adecuada al espectro de frecuencias bajas y satisfaz perfectamente a los sistemas electrónicos de alta frecuencia instalados en áreas reducidas.
Además, este sistema debe aislarse y no servir de camino de retorno para corrientes de señales, las cuales deben circular por conductores de señales de pares equilibrados, por ejemplo.
Este tipo de puesta a tierra paralela elimina el problema de impedancia común, eliminando la necesidad de gran cantidad de cableado. Además, la impedancia de cada cable puede ser mucho elevada y las conexiones a tierra pueden volverse fuentes de ruido a todo el sistema. Esta situación puede minimizarse con la elección del tipo correcto de conductor (tipo AWG 14). Cables de calibre mayor ayudan a reducir la resistencia de la puesta a tierra, mientras los de cable flexible reducen su impedancia.
Para frecuencias altas, el sistema multipunto es lo más indicado, según se ve en la figura 7 a, incluso simplificando la instalación.
Figura 7 a – Puesta a tierra multipunto
Figura 7 b – Puesta a tierra en la práctica
Muchas conexiones de baja impedancia entre los conductores PE y los electrodos de puesta a tierra mescladas com diferentes caminos de alta impedancia entre los electrodos y las impedancias de los conductores crean un sistema complejo con una red de impedancia (ver figura 7 b), y las corrientes que fluyen a través de el genera diferentes potenciales de puesta a tierra en las conexiones de esta red.
Los sistemas de puesta a tierra multipuntos con circuitos equilibrados, por lo general, no presentan problemas de ruidos. En este caso ocurre el filtraje del ruido, cuyo campo queda contenido entre el cable y el plan de tierra.
Figure 8 – Puesta a tierra multipunto inadecuado
Figura 9 – Puesta a tierra en punto único inadecuado
En la figura 9 se ve una puesta a tierra adecuada cuyas corrientes individuales se mueven hacia un punto único.
La conexión a tierra en serie es muy común porque es sencilla y económica. Sin embargo, este es el sistema que provee una puesta a tierra sucia, debido a la impedancia común entre los circuitos. Cuando el sistema es compartido por varios circuitos, las corrientes del circuito (que fluye a través de la impedancia finita de la línea de base común) pueden causar serias perturbaciones en todos los circuitos conectados a la puesta a tierra común de señal.
Un lazo de puesta a tierra ocurre cuando existe más de un camino de aislamiento, generando corrientes indebidas entre estos puntos.
Estos caminos forman el equivalente al lazo de una antena que capta las corrientes de interferencia con mucha eficiencia.
En consecuencia, la referencia de tensión se instabiliza y el ruido surge en las señales.
Figura 10 - Lazo de puesta a tierra
En la práctica, lo que sucede es un “sistema mixto” separando circuitos semejantes y aislándolos en cuanto a ruidos:
Estos tres circuitos se conectan al conductor de protección.Equipo 1 Equipo 2
Figura 11 – Puesta a tierra a nival de los equipos, en la práctica
La señales pueden variar básicamente debido a:
o Flotación de tensión;
o Harmónicas de corriente;
o RF conducidas y radiadas;
o Transitorios (conducción o radiación);
o Campos Electrostácticos;
o Campos Magnéticos;
o Reflejos;
o Crosstalk;
o Atenuación;
o Jitter (ruido de fase);
o Otros.
Las principales fuentes de interferencia son:
El acoplamiento capacitivo está representado por la interacción de campos eléctricos entre conductores. Un conductor pasa próximo a una fuente de ruido (el perturbador), capta este ruido y lo transporte a otra parte del circuito (la víctima). Es el efecto de capacitancia entre dos cuerpos con cargas eléctricas, separadas por un dieléctrico, lo que llamamos de efecto de capacitancia mútua.
El efecto del campo eléctrico es proporcional a la frecuencia y inversamente proporcional a la distancia.
El nivel de perturbación depende de las variaciones de tensión (dv / dt) y el valor de la capacitancia de acoplamiento entre el “cable perturbador” y el “cable víctima”.
La capacitancia de acoplamiento aumenta con:
Figura 12 a – Efecto de acoplamiento capacitivo
Figra 12b – Ejemplo de efecto por acoplamiento capacitivo
La figura 13 muestra el acoplamiento y sus fuentes de tensión y corriente en modo común y diferencial.
Fuente Víctima
VsDM: (modo diferencial) – Fuente de disturbio de tensión
IvDM: (modo diferencial) – Corriente de disturbio en el circuito víctima
VsDm: (modo común) – Fuente de disturbio de tensión
IvCm: (modo común) – Corriente de disturbio en el circuito víctima
1. Limitar la largura de los cables corriendo en paralelo
2. Aumentar la distancia entre el cabo perturbador y el cable víctima
3. Conectar a tierra una de las extremidades del blindaje de los dos cables
4. Reduza el dv/dt de la señal perturbadora, aumentando el tiempo de pico de la señal, bajando la frecuencia, cuando necesario
Siempre que posible proteger el conductor o equipo con material metálico (blindaje de Faraday). Lo ideal es cobrir 100% de la parte a protegerse y poner a tierra este blindaje para que la capacitancia parásita entre el conductor y la blindaje no actue como elemento de realimentación o crosstalk. La figura 14 muestra la interferencia entre cables, en que el acoplamiento capacitivo entre cables induce transientes (picos electrostácticos) de tensión. En esta situación la corriente de interferencia se drena a la puesta a tierra por el blindaje, sin afectar los niveles de señales.
Figura 14 – Interferencia entre cables:el acoplamiento capacitivo entre cables induce transientes (picos electrostácticos) de tensión
La figura 15 muestra ejemplo de protección contra transientes.
Figura 15 – Ejemplo de protección contra transientes (mejor solución contra corriente de Foucault)
Como reducir interferencias electrostácticas:
En la figura 16 se ve la capacitancia en el acoplamiento entre dos conductores separados por una distancia D.
1. Puesta a tierra y blindaje adecuada
2. Aislamiento óptico
3. Uso de canaletas y cajas de pase metálicas puestas a tierra
Figura 16 – Acomplamiento capacitivo entre conductores a una distancia D
El cable “perturbador” y el cable “víctima” siguense por un campo magnético. El nivel de perturbación depende de las variaciones de corriente (di / dt) y de la inductancia de acoplamiento mútuo. El acomplamiento inductivo aumenta con:
Figura 17 a – Acoplamiento inductivo entre conductores
Figura 18 – Acoplamiento inductivo entre cable y campo
1. Limita la altura (h) del cable al plano de tierra
2. Siempre que posible ubica el cable junto a la superficie metálica
3. Usa cables cruzados
4. Usa ferrites y filtros de EMI
Figura 19 – Acoplamiento inductivo entre cable y lazo de tierra
1. Reducir la altura (h) y la largura del cable.
2. Siempre qu posible ubicar el cable junto a la superficie metálica.
3. Usar cables cruzados.
4. En altas frecuencias poner el blindaje a tierra en dos puntos (cuidado!) y en bajas frecuencias en un solo punto.
Tabla 1 – Distancias entre cables de comunicación digital y otros tipos de cables para garantizar protección contra EMI
Figura 20 – Interferencia entre cables: campos magnéticos a través de acoplamiento inductivo entre cables transientes (pickups electromagnéticos) de corriente
Interferencias Electromagnéticas pueden reducirse con:
1. Cable cruzado
2. Aislamiento óptico
3. Uso de canaletas y cajas metálicas
Para minimizar el efecto de inducción se debe usar el cable de par trenzado que minimiza el área (S) y reduce el efecto de tensión induzida Vb en función del campo B, equilibrando los efectos (media de los efectos según las distancias):
Para minimizar el efecto de inducción se debe usar el cable de par trenzado que minimiza el área (S) y reduce el efecto de tensión induzida Vb en función del campo B, equilibrando los efectos (media de los efectos según las distancias):Donde n es el número de vueltas/m y l es la largura total del cable. Ver figuras 22a y 22b.
El efecto de cancelación reduce la diafonía (crosstalk) entre los pares de cables y dizminuye el nivel de interferencia eléctromagnética y radiofrecuencia. El número de trenzas en los cables puede variar a fin de reducir el acoplamiento eléctrico. Su construcción posibilita el acoplamiento capacitivo entre los conductores del par. El comportamiento es más eficaz en bajas frecuencias (< 1MHz). Cuando no es blindado, tiene la desventaja del ruido en modo común. Para bajas frecuencias, o sea, cuando la largura del cable es menor que 1/20 de la largura de onda de la frecuencia de ruido, el blindaje (malla o blindaje) presentará el mismo potencial en toda su extensión, cuando se recomienda conectar el blindaje en un único punto a tierra. En altas frecuencias, o sea, cuando la largura del cable es mayor que 1/20 de la largura de onda de la frecuencia del ruido, el blindaje presentará alta suscetibilidad al ruido y así se recomienda poner a tierra en ambas extremidades.
En el acoplamiento inductivo, se tiene Vruido = 2πBAcosα donde B es el campo y α es el ángulo en que el flujo corta el vector área (A) o aún en función de la inductancia mútua M: Vruido = 2πfMI donde I es la corriente en el cable de alimentación.
Figura 22 a – Efecto de acoplamiento inductivo en cables paralelos
Figura 22 b – Minimización del efecto de acoplamiento inductivo en cables trenzados
Figura 22c – Ejemplo de ruido por inducción
Figura 22d – Ejemplo de Cables de Profibus cerca de cable de alimentación
Los pares trenzados son muy eficientes desde que la inducción en cada área de torción sea aproximadamente igual a la inducción cercana. Su uso es eficiente en modo diferencial, circuitos equlibrados y tiene baja eficiencia en bajas frecuencias y circuitos desequilibrados. En circuitos de alta frecuencia con multipuntos de puesta a tierra, la eficiencia es alta porque la corriente de retorno tiende a fluir a través del retorno cercano. Sin embargo, en altas frecuencia en modo común el cable tiene poca eficiencia.
La figura 23 detalla la situación del Profibus-DP y los lazos de puesta a tierra.
Figura 23 – Profibus – DP y los lazos de puesta a tierra
En seguida veremos el uso de canaletas metálicas en la reducción de corrientes de Foucault.
El espacio entre las canaletas facilita la perturbación generada por el campo magnético. Además, esta interrupción facilita la diferencia de potencial entre cada sección de la canaleta y, en el caso de aumento de corriente generado, por ejemplo, por una descarga atmosferica o un cortocircuito, la falta de continuidad no permitirá que la corriente circule por la canaleta de aluminio y por consiguiente no protegerá el cable Profibus.
Lo ideal es que se conecte cada sección de mayor area de contacto posible, lo que dará más protección contra la inducción electromagnética y también que haya entre cada sección un conductor lo menos largo posible de cada lado de la canaleta para garantizar un camino alternativo a las corrientes en caso de aumento de resistencia en las juntas de las secciones.
Con el montaje adecuado de la canaleta de aluminio, el campo, al penetrar en la placa de aluminio de la canaleta, produce un flujo magnético variado en función del tiempo [f = a.sen(w.t)], originando una f.e.m. inducida [ E = - df/dt = a.w.cos(w.t)].
En frecuencias altas, la f.e.m. inducida en la placa de aluminio será mayor, originando un campo magnético mayor y anulando casi totalmente el campo magnético generado por el cable de alimentación. Ese efecto de cancelación es menor en bajas frecuencias. En alta frecuencias la cancelación será más eficiente.
Ese es el efecto de las placas y pantallas metálicas delante de ondas electromagnéticas; ellas generan sus propios campos y reducen o mismo anulan el campo a través de ellas, funcionando entonces como verdaderos blindajes contra las ondas electromagnéticas. Funcionan como una jaula de Faraday.
Esté seguro que las placas y las juntas sean hechos del mismo material que las canaletas y bandejas. Proteja los puntos de conexión contra corrosión depués del montaje con tinta de zinc o verniz, por ejemplo.
Aunque los cables sean blindados, el blindaje contra los campos magnéticos no es tan eficiente como contra campos eléctricos. En bajas frecuencias, los pares trenzados absorven la mayor parte de los efectos de la interferencia electromagnética. Por otro lado, las altas frecuencias absorven eses efectos por el blindaje del cable. Siempre que posible, conectar las cajas de cables al sistema de líneas equipotencial.
Figura 24 – Protección contra transientes con canaletas metálicas
La gran mayoría de los fabricantes de equipos de campo, tales como transmisores de presión y temperatura, posicionadores, conversores, etc. recomienda la puesta a tierra local de sus productos. Es común existir en sus alojamientos un o más terminales de puesta a tierra.
Al intalarse los equipos, normalmente sus alojamientos están en contacto con la parte estructural o tubería y, por consecuencia, puestos a tierra. Cuando el alojamiento está aislado de cualquier punto de la estructura, los fabricantes recomiendan la puesta a tierra local, con la conexión menor posible con cable AWG 12. En este caso, debese tener cuidado con la diferencia de potencial entre el punto puesto a tierra y el panel donde se ubica el controlador (PLC).
Algunos fabricantes recomiendan también que el equiplo quede flotando, o sea, aislado de la estructura y que no sea puesto a tierra para evitar los lazos de corriente.
Con respecto a las áreas de riesgo, recomiéndase consultar la reglamentación local.
En equipos microprocesados y de comunicación digital, algunos fabricantes incorporan o permiten protectores de picos o transientes. Estos posibilitan protección contra las corrientes de picos a través de una ruta de desvío de baja impedancia hacia el punto a tierra.
Los cables deben cruzarse en ángulos rectos a fin de reducir los acoplamientos.
Usar cables de impedancia de transferencia con valores los más bajos posibles.
En los cables de control recomiéndase instalar un pequeño capacitor (100 nF a 220 nF) entre el blindaje y la puesta a tierra para evitar circuito CA de retorno a tierra. Este capacitor funciona como un supresor de interferencia, pero se debe consultar siempre los manuales de los fabricantes de inversores.
Utilizar cables aislados y blindados (4 vías) entre el inversor y el motor, y entre el sistema de alimentación hasta el inversor.
Trabajar con la frecuencia de conmutación la más baja posible.
Siempre poner a tierra el alojamiento del motor. Ubicar el punto en el panel, donde el inversor está instalado, o en el propio inversor.
Inversores generan corrientes de escape y se puede introducir un reactor de línea en la salida del inversor.
Los reactores de líneas son una manera sencilla y barata para aumentar la impedancia de la fuente de carga aislada (como un comando de frecuencia variada, en el caso de inversores).
Los reactores se conectan en serie a la carga generadora de harmónicas y al aumentar la impedancia de la fuente, la magnitud de la distorción harmónica puede reducirse a la carga en la cual el reactor se adiciona. Consultar el manual del inversor y verificar sus recomendaciones.Elegir inversores con toroides o adicionar toroides (common-mode choke) en la salida del inversor.
Lo ideal es incorporar un inductor de entrada y un filtro RFI/EMC para funcionar como protección adicional al equipo y como filtro de harmónicas a la red eléctrica donde lo mismo está conectado.
La principal función del filtro RFI de entrada es reducir las emisiones por radiofrecuencia a las principales líneas de distribución y a los puntos de puesta a tierra. El Filtlro RFI de entrada se conecta entre la línea de alimentación CA de entrada y los terminales de entrada del inversor.
Ondas refletidas: si la impedancia del cable no esté conectada a la del motor, ocurrirán reflexiones. Recuerdese que el cable entre el inversor y el motor presenta una impedancia a los pulsos de salida del inversor (Surge Impedance). En estos casos también se recomiendan reactores.
Cables especiales: otro recurso importante que ayuda a minimizar los ruidos magnéticos en instalaciones con inversores y motores CA son los cables especiales que evitan el efecto corona de descargas que pueden deteriorar la rigidez dieléctrica del aislamiento, permitiendo la presencia de ondas estacionarias y la transferencia de ruidos al lazo de puestas a tierra. Otra característica constructiva de algunos cables es el doble blindaje, que es más eficiente en la protección contra EMI.
Las redes digitales deben distanciarse del inversor, cuyas señales van a los motores y instalen repetidoras aislando las áreas.
Verificar si los inversores necesitan capacitores de modo común en el barramiento CC.
Las especificaciones de bitola del cable y las reglas normalmente se basan en75º C. No reduzca la bitola del cable cuando usado en temperatura más alta. Las bitolas mínima y máxima dependen de la corriente nominal del inversor y de los límites físicos de los bloques terminales.
Los conectores de puesta a tierra deben clasificarse según la capacidad máxima de la corriente del inversor.
Para aplicaciones de inversores CA de frecuencia variable cumpliendo con los estándares de EMC se recomienda el mismo tipo de cable blindado especificado a los motores CA entre el inversor y el transformador.
La largura del cable del motor debe mantenerse dentro de los límites establecidos por el manual del usuario del inversor. De lo contrario pueden ocurrir varios problemas, inclusive en la corriente de carga del cable y en el esfuerzo por tensión de onda refletida
Las E/S discretas tales como en los comandos de puesta en marcha y de parada, pueden conectárse al inversor a través de varios cables. Se recomienda el blindaje del cable pués reducir el ruido de acomplamiento trenzao de loscables de alimentación. También se aceptan conductores individuales estándares cumpliendo con las especificaciones relativas a tipo, temperatura, bitola y códigos recomendados, puesto que distantes de los cables de alta tensión para minimizar el acoplamiento de ruido. Sin embargo, la instalación del cable multiconductor puede ser más barata.
Blindajes del cable:
Puesta a tierra y blindaje con requisitos obligatorios para garantizar la integridad de los datos de una fábrica. Es muy común en la práctica encontrarse funcionamiento intermitente y errores groseros en mediciones debido a malas instalaciones.
Los efectos de ruidos pueden minimizarse con técnicas adecuadas de proyectos, instalación, distribución de cables, puesta a tierra y blindajes. Puestas a tierra inadecuadas pueden ser fuentes de potenciales indeseables y peligrosos que pueden comprometer el funcionamiento eficiente de un equipo o del propio sistema.
doFigura 25 – Blindaje conectado al potencial de referencia de la señal que está protegen
Cuando existen varias secciones debese mantenerlas conectadas para garantizar el mismo potencial de referencia, como se ve en la figura 26.
Figura26 – Blindaje en varias secciones conectado al potencial de referencia de la señal que está protegendo
La corriente no circulará por la malla y no cancelará los campos magnéticos. Débese minimizar la largura del conductor que se extende fuera del blindaje y garantizar su buena conexión a la puesta a tierra.
Figura 27- Efecto Blindaje x puesta a tierra en un solo punto
Ocurre la distribución de corrientes en función de sus frecuencias, pues la corriente figure el camino de menor impedancia.
Hasta algunos kHz: la reactancia inductiva es insignificante y la corriente circulará por el camino de menor resistencia.
Por encima de kHz: predomina la reactancia inductiva y la corriente circulará por el camino de menor inductancia.
El camino de menor impedancia es aquel cuyo percurso de retorno está cerca del percurso de ida, por presentar mayor capacitancia distribuida y menor inductancia distribuida.
Se debe minimizar la largura del conductor que se extende fuera del blindaje y garantizar la buena conexión del shield y la puesta a tierra.
Figura 28 – Efecto Blindaje x puesta a tierra en dos puntos
En este caso, merece mención a parte:
1. No hay protección contra lazos de puesta a tierra.
2. Posibilidad de daños significativos cuando la diferencia de potencial de tierra entre los dos extremos ultrapasar 1 V (rms).
3. La resistencia eléctrica de la puesta a tierra debe ser la más baja posible en ambas extremidades de la sección para minimizar los lazos a tierra, principalmente en bajas frecuencias.
Se usa el blindaje de cables para eliminar interferencias por acoplamiento capacitivo debidas a campos eléctricos.
El blindaje solo es eficaz cuando establece una ruta de baja impedancia a la puesta a tierra.
El blindaje flotante no protege contra interferencias.
La malla de blindaje debe conectarse al potencial de referencia (tierra) del circuito que se está blindando.
Puestas a tierra en más de un punto puede causar problemas.
Se debe minimizar la largura del blindaje de referencia, pues el funciona como una bobina.
Figura 29 – Minimizar la largura de la conexión blindaje-referencia pués funciona como bobina
Campos eléctricos son mucho más fáciles de blindar que campos magnéticos y el uso de blindajes en un o más puntos funciona contra campos eléctricos.
La pista para blindaje magnética es reducir el área del lazo. Se debe utilizar un par trenzado o el retorno de corriente a través del blindaje.
Para evitar la radiación de un conductor, por lo general se utiliza blindaje con puestas a tierra en ambos lados por encima de la frecuencia de corte, pero bajo algunos cuidados.
Solo puede blindarse una cantidad limitada de ruido magnético debido al lazo de tierra formado.
Cualquier blindaje en la cual fluye corriente de ruido no debe integrar el camino de la señal.
Utilizar un cable trenzado blindado o un cable triaxial en bajas frecuencias.
La eficiencia del blindaje del cabkle trenzado aumenta con en número de vueltas por centímetro.
Se recomienda consultar la NBR 5418 para puesta a tierra y conexión con el sistema equipotencial de sistemas intrínsecamente seguros.
El circuito intrínsecamente seguro debe flotar o estar conectado al sistema equipotencial asociado al área clasificada en un solo punto.
El nivel de aislamiento requerido (excepto en un punto) debe proyectarse para soportar 500 V en el ensayo de aislamiento cumpliendo con 6.4.12 de la norma IEC 60079-11.
Cuando no se cumple con este requisito, el circuito debe considerarse puesto a tierra en aquel punto. Y permite más de una conexión a tierra, siempre que el circuito se divida en subcircuitos galvánicamente aislados y cada uno esté puesto a tierra en un solo punto.
Blindajes deben conectarse a tierra o a la estructura de acuerdo a la norma ABNT NBR IEC 60079-14.
Siempre que posible, conecte las bandejas de cables al sistema de líneas equipotencial.
Las mallas de blindaje deben ponerse a tierra en un solo punto en el conductor de ecualización de potencial. Si necesario, por razones funcionales, se permite que se conecten otros puntos a tierra a través de pequeños capacitores cerámicos inferiores a 1 nF y para 1500V, desde que la suma de las capacitancias no ultrapase 10 nV.
Nunca instalar un dispositivo utilizado anteriormente sin una barrera intrínsecamente segura en un sistema intrínsecamente seguro, pues el zener de protección puede estar quemado y no actuará en áreas intrínsecamente seguras.
Al considerar la cuestión de la puesta a tierra y de blindaje en barramientos de campo, debe tenerse en cuenta:
Según la norma IEC 61158-2, poner a tierra significa conectarse permanentemente al suelo a través de una impedancia y conductividad suficientemente baja a fin de evitar cualquier tensión que pueda causar daños a equipos y personas. Líneas de tensión con 0 Volt deben conectarse a tierra y aislarse galvánicamente del barramiento fieldbus. Se debe conectar a tierra el blindaje para evitar ruidos de alta frecuencia.
De preferencia, ponese a tierra el blindaje en dos puntos, en el inicio y en el final del barramiento, siempre que no haya diferencia de potencial entre estos puntos, posibilitando la existencia de caminos a la corriente de lazos. En la práctica, cuando hay esta diferencia se recomienda poner a tierra en un solo punto, o sea, en la fuente de alimentación o en la barrera de seguridad intrínseca. Se debe asegurar la continuidad del blindaje del cable en más de 90% de la largura total del cable.
El blindaje debe cobrir totalmente los circuitos eléctricos a través de conectores, acopladores, sílices y cajas de paso o junción.
Nunca se debe utilizar el blindaje como conductor de señal. Es necesario confirmar la continuidad del blindaje hasta el último equipo PA de la sección, analizando la conexión y terminación, pues no se debe poner a tierra los alojamientos de los equipos.
En áreas clasificadas, si no suele haber ecualización de potencial entre el área segura y el área peligrosa, el blindaje debe conectarse a través de un acoplamiento capacitivo, de preferencia cerámico (dieléctrico sólido), C<= 10nF, tensión de aislamiento >= 1.5kV).
Figura 30 – Combinación Ideal de Blindaje y Puesta a Tierra.
Figura 31 – Puesta a Tierra Capacitiva
La norma IEC 61158-2 determina que el aislamiento sea completo. Se usa este método principalmente en los EE.UU. y en Inglaterra. En este caso, el blindaje se aisla de todas las puestas a tierra, con excepción de la conexión del negativo del fuente o de la barrera de seguridad intrínseca en el lado seguro. El blindaje tiene continuidad desde la salida del acoplador DP/PA por la cajas de paso y hacia los equipos. Los alojamientos de los equipos se ponen a tierra individualmente del lado no seguro. Este método tiene la desventaja de no proteger totalmente contra las señales de alta frecuencia y, según la topología y la largura de los cables, puede generar a veces intermitencia en la comunicación. Se recomienda en estos casos usar canaletas metálicas.
Otra manera complementaria es poner a tierra las cajas de paso y los alojamientos de los equipos en una línea de equipotencial de tierra, del lado no seguro. Las puestas a tierra del lado no seguro y del lado no seguro están separadas.
La puesta en tierra múltiple también es común, proporcionando protección más efectiva a las condiciones de alta frecuencia y de ruidos eletromagnéticos. Este método es adoptado en Alemania y otros paises de Europa. El blindaje se pone a tierra en el punto del negativo de la fuente de alimentación o de la barrera de seguridad intrínseca en el lado seguro y además en el tierra de las cajas de paso y en los alojamientos de los equipos, siendo estas bandejas también conectadas en vários puntos en el lado no seguro. En otra manera complementaria, las puestas a tierra se conectan en conjunto en una línea equipotencial de aislamiento, uniendo el lado seguro al lado no seguro.
Para más detalles, siempre consultar las normas de seguridad locales. Se recomienda consultar la IEC 60079-14 para aplicaciones en áreas clasificadas.
Figura 32 – Puesta a Tierra y Blindaje – Varias formas
El blindaje (la malla y la lámina de aluminio) debe conectarse a la puesta a tierra funcional del sistema en todas las estaciones (vía conector y cable DP) de manera a proporcionar amplia área de conexión con la superficie conductiva conectada a tierra.
La protección máxima se da con todos los puntos puestos a tierra para posibilitar un camino de baja impedancia a las señales de alta frecuencia.
En casos de diferencial de tensión entre los puntos a tierra se recomienda pasar junto al cableado una línea de equalización de potencial, que puede ser la propia canaleta metálica o un cable AWG 10-12. Ver la figura 33.
Figura 33 – Línea de Equipotencial
En términos de cableamiento se recomienda el par de cables trenzados con 100% del blindaje cubiertos. Las mejores condiciones de actuación del blindaje se dan a través de por lo menos 80% de cobertura.
Cuando se habla de blindaje y puesta a tierra, existen dos maneras prácticas de manejar este asunto, muy controvertido, como por ejemplo poner a tierra en cada estación a través del conector 9-pin sub D (figura 34), en cuyos puntos el alojamiento del conector
hace contacto con el blindaje. Sin embargo, debese verificar y analizar la gradación de potencial puesto a tierra y ecualizar estos puntos, si necesario.
En áreas peligrosas debese siempre usar las recomendaciones de los órganos certificadores y de las técnicas de instalación exigidas para clasificación de las áreas. Un sistema intrínsecamente seguro debe tener componentes puestos a tierra y otros no. La puesta a tierra tiene la función de evitar tensiones consideradas inseguras en el área clasificada, evitándose aislar componentes intrínsicamente seguros, excepto para fins funcionales, cuando se emplea el aislamiento galvánico. Las normas establecen el aislamiento mínimo de 500Vca. La resistencia entre el terminal a tierra y la tierra del sistema debe ser inferior a 1Ω. En Brasil, la norma NBR-5418 reglamenta la instalación en atmósferas potencialmente explosivas.
Otro cuidado a tenerse es el exceso de terminaciones. Algunos dispositivos tienen terminación on-board.
Figura 34 – Detalle de conector típico 9-Pin Sub D
La figura 35 presenta detalles de cableado, blindaje y puesta a tierra en áreas distintas.
En cuanto a puesta a tierra, se recomienda agrupar circuitos y equipos con características semejantes de ruido en distribución en serie y unir estos puntos en una referencia paralela, y poner a tierra canaletas y bandejas.
Un error común es usar tierra de protección como tierra de señal, sabiéndose que esta segunda es muy ruidosa y puede presentar alta impedancia. Es interesante usarse mallas de tierra, pues tienen baja impedancia. Conductores comunes con altas frecuencias tienen la desventaja de tener alta impedancia y se deben evitar los lazos de corriente. El sistema de puesta a tierra debe ser visto como un circuito que favorece el flujo de corriente debajo de la menor inductancia posible. El valor de tierra debe ser menor que 10 Ω.
Figura 35 – Detalle de cableado en áreas distintas con potenciales de tierra ecualizados
En este artigo hemos visto detalles sobre puesta a tierra, blindajes, ruidos, interferencias, etc. Todo proyecto de automatización debe tener en cuenta los estandares que garantizan señales adecuadas, además de la seguridad exigida por la aplicación.
Se recomienda que anualmente se efectúen acciones preventivas de mantenimiento, verificando cada conexión del sistema de puesta a tierra, cuando se debe asegurar la calidad de cada conexión en cuanto a robustez, confiabilidad y baja impedancia, garantizando no haber contaminación ni corrosión.
Este artículo nos sustituye las normas NBR 5410 y NBR 5418, los estándares IEC 61158 y IEC 61784, ni los perfiles y guías técnicos del PROFIBUS. En caso de divergencias o dudas, prevalecen las normas y estándares mencionados, perfiles, guías técnicos y manuales de los fabricantes. Siempre que posible, consultar la norma EN50170 para regulamentacioens físicas y también las prácticas de seguridad de cada área.
