Acoplamiento inductivo y cómo minimizar sus efectos en la industria


César Cassiolato

Introducción

La coexistencia de equipos de diverdas tecnologías diferentes sumada a la deficiencia de instalaciones facilita la emisión 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 surgimiento 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 atmosféricas y también la descarga electrostática entre personas y equipos, aparatos de microondas, equipos de comunicación móvil, 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 difundiéndola 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 espesura 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:

  • No sé negligente, imprudente o actue con impericia en cuestiones técnicas.
  • Recuérdate: cada fábrica y sistema tiene sus detalles de seguridad. Infórmate de ellos antes de iniciar tu trabajo.
  • Siempre que posible, consulta las reglamentaciones físicas y las prácticas de seguridad de cada área.
  • Actua con seguridad en las mediciones, evitando contactos entre terminales y el cableado pues la alta tensión puede causar choque eléctrico.
  • Minimiza el riesgo de posibles problemas cumpliendo con los estándares de seguridad y de áreas clasificadas que regulan la instalación y operación de los equipos. Estos estándares varían según el área y siguen siendo actualizadas. El usuario es responsable en determinar cuales normas seguir en sus aplicaciones y garantizar que cada aplicación esté de acuerdo con ellas.
  • Una instalación inadecuada o un equipo utilizado en aplicación no recomendadas pueden perjudicar la performance del sistema y por lo tanto el proceso, además de representar una fuente de peligro y accidentes. Debido a esto, se recomienda utilizar solo profesionales entrenados y calificados para instalación, manejo y mantenimiento.

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 energía (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 inmunidad 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.

Veremos en este artículo, el acoplamiento inductivo.

Acoplamiento Inductivo

El cable perturbador y el cable victima se siguen por un campo magnético, como en la figura 1. El nivel de perturbación depende de las variaciones de corriente (di /dt) y de la inductancia de acoplamiento mutuo.

Figura 1 – Acoplamiento inductivo – Representación física y circuito equivalente

El acoplamiento inductivo aumenta con:

  • La frecuencia: la reactancia inductiva es directamente proporcional a la frecuencia (XL = 2πfL)
  • La distancia entre los cables perturbadores y víctimas y la largura de los cables que corren en paralelo.
  • La altura de los cables en relación al plan de referencia (relativamente al suelo)

La impedancia de carga del cable o circuito perturbador.

Figura 2  - Acoplamiento inductivo entre conductores

Medidas para reducir el efecto del acoplamiento inductivo entre cables

  1. Limitar la largura de cables corriendo en paralelo.
  2. Aumentar la distancia entre  el cable perturbador y el cable víctima.
  3. Toma a tierra de una de las extremidades de los blindajes de los dos cables.
  4. Reducir el dv/dt del perturbador aumentando el tiempo de subida del señal, siempre que posible (Resistores conectados en serie o resistores PTC en el cable perturbador, juntas de ferrite en los cables perturbadores y víctimas.

Figura 3 – Acoplamiento inductivo entre cable y campo

Medidas para reducir el efecto del acoplamiento inductivo entre cable y campo 

  1. Limitar la altura h del cable al plan de tierra
  2. Siempre que posible mantener el cable junto a la superficie metálica
  3. Usar cables trenzados
  4. Usar juntas de ferrite y filtros de EMI

Figura 4 – Acoplamiento inductivo entre cable y malla de tierra

Medidas para reducir el efecto del acoplamiento inductivo entre el cable y la malla a tierra

  1. Reducir la altura h del cable al plan de tierra
  2. Siempre que posible mantener el cable junto a la superficie metálica
  3. Usar cables trenzados
  4. Em altas frecuencias conectar a tierra en dos puntos (cuidado!) y en bajas frecuencias en  un solo punto.

Cable de comunicación Digital Cables con y sin shield: 60...  Cables con y sin shield: > 400Vac Cualquier cable sujeto a exposición de rayos.

Tabla 1 - Distancias entre los cables de comunicación digital y los cables de otro tipo para asegurar la protección de EMI

Figura 5 – Interferencia entre cables: campos magnéticos a través de acoplamiento inductivo entre cables inducen transientes (pickups electromagnécticos) de corriente

Interferencias Electromagnéticas pueden reducirse a través de: 

  1. Cable trenzado
  2. Aislamiento Óptico
  3. Uso de canaletas y bandejas metálicas conectadas a tierra

Figura 6 – Inductancia mutua entre dos conductores

Para minimizar el efecto de inducción débese usar el cable de par trenzado que reduce el área (S) y disminuye el efecto de la tensión inducida Vb en función del campo B, equilibrando los efectos (promedio de los efectos según las distancias):

El cable de par trenzado se compone de pares de hilos. Los hilos de un par se enrollan en espiral a fin de, a través del efecto de cancelación, reducir el ruido y mantener las propiedades eléctricas del medio constantes en toda su extensión.

El efecto de reducción con el uso de la trenza es eficaz en función de la cancelación del flujo, llamada de Rt (en dB):

Rt = -20 log{(1/( 2nl +1 ))*[1+2nlsen(/nλ)]} dB

en que n es el número de vueltas/m y  l es la largura  total del cable. Ver figuras 7 e 8.

El efecto de cancelación reduce la diafonía (crosstalk) entre los pares de hilos y disminuye el nivel de interferencia electromagnética/radiofrecuencia. El número de trenzas en los hilos puede variar a fin de reducir el acoplamiento eléctrico. Con 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 del ruido, el blindaje (malla o Shield) presentará el mismo potencial en toda su extensión, cuando se recomienda conectar el blindaje en un solo punto a tierra. En altas frecuencias, o sea, cuando el cabo es mayor que 1/20 de la largura de onda, el blindaje presentará alta susceptibilidad al ruido y en este caso se recomienda la toma a tierra en las dos extremidades.

 En caso de acoplamiento inductivo, la fórmula es Vruido = 2πBAcosα, en que 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 mutua Vruido = 2πfMI, en que I é la corriente en el cable de alimentación.

Figura 7 – Efecto de acoplamiento inductivo en cables paralelos

Figura 8 – Minimización del efecto de acoplamiento inductivo en cables trenzados

Figura 9 – Ejemplo de ruido por inducción

Figura 10 – Ejemplo de cables Profibus cercanos del cable de alimentación 

El uso de cables de par trenzados es muy eficiente siempre que la inducción en cada área de torción sea aproximadamente igual a la inducción adyacente. Su uso es eficiente en modo diferencial, en circuitos balanceados y tiene poca eficiencia en bajas frecuencias en circuitos desequilibrados. En circuitos de alta frecuencia con toma a tierra multipuntos, la eficiencia es alta, siempre que la corriente de retorno tiene la tendencia de fluir por el retorno adyacente. Sin embargo, en altas frecuencias en modo común el cable es poco eficiente.

El uso de blindaje en acoplamiento inductivo

El blindaje magnético puede aplicarse tanto contra fuentes de ruido como contra circuitos de señal para reducir el acoplamiento. Blindar campos magnéticos de baja frecuencia no es tan simple como hacerlo para campos eléctricos. La eficacia del blindaje magnético depende del tipo de material y su permeabilidad, espesura y las frecuencias involucradas.

Debido a su alta permeabilidad relativa, el acero es más eficiente de que el aluminio y el cobre en bajas frecuencias (menores de 100 kHz).

La pérdida de absorción con el uso de cobre o acero para dos espesuras se ve en la figura 11.

Figura 11 – Pérdida de absorción con el uso de cobre y de acero

El blindaje magnético de estos metales es ineficiente en bajas frecuencias.

Protección con el uso de canaletas metálicas

Veremos en seguida como las canaletas metálicas minimizan corrientes de Foucault.

El espacio entre las canaletas facilita la perturbación generada por el campo magnético. Además, esta discontinuidad puede facilitar la diferencia de potencial entre cada sección de la canaleta y, en caso de un surto de corriente generado, por ejemplo, por una descarga atmosférica o un cortocircuito, la falta de continuidad no permitirá que la corriente circule por la canaleta de aluminio, y, en consecuencia no protegerá el cable Profibus.

Lo ideal es que cada sección se conecte con el mayor área de contacto posible, lo que dará mayor protección a la inducción electromagnética y , además, que entre cada sección haya un conductor  de cada lado de la canaleta con la menor largura posible para garantizar un camino alternativo a las corrientes en caso de aumento de resistencia en las junciones entre 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 variable en función del tiempo [f = a.sen(w.t)], dando origen a una f.e.m. inducida [ E = - df/dt = a.w.cos(w.t)].

En frecuencia altas, la f.e.m. inducida en la placa de aluminio será mayor, originando un campo magnético mayor, anulando casi completamente el campo magnético generado por el cable de alimentación. Ese efecto de cancelación es menor en bajas frecuencias. En altas frecuencias el efecto es más eficiente.

Así es el efecto de la placas y pantallas metálicas delante de la incidencia de ondas electromagnéticas; ellas generan sus propios campos, que reducen o mismo anulan el campo a través de ellas, funcionando como verdadera blindaje a las ondas electromagnéticas. Funcionan como una jaula de Faraday.

Esté seguro que la placas y las juntas de acoplamiento sean del mismo material que las canaletas y bandejas de los cables. Proteja los puntos de conexión contra corrosión después del montaje, con tinta de zinc o barniz.

Mismo que los cables sean blindados, el blindaje contra campos magnéticos no es tan eficiente cuanto es contra campos elétricos. En bajas frecuencias, los pares trenzados absorben la mayor parte de los efectos de la interferencia electromagnética. Por otro lado, en altas frecuencias esos efectos se absorben por el blindaje del cable. Siempre que posible, conecte las bandejas de cables al sistema equipotencial de líneas.

Figura 12 – Protección contra transientes con canaletas metálicas

Conclusión

Hemos visto varios detalles sobre los efectos del acoplamiento inductivo y como minimizarlo.

Todo proyecto de automatización debe tener en cuenta los estándares de garantía de niveles adecuados de señales, y también la seguridad requerida por la aplicación.

Se recomienda ejecutar anualmente acciones preventivas de mantenimiento, chequeando cada conexión del sistema de toma a tierra, que debe asegurar la calidad de cada conexión en relación a robustez, confiabilidad y baja impedancia, garantizándose que no haya contaminación y corrosión.

Este artículo no sustituye las normas  NBR5410 y NBR 5418, los estándares IEC 61158 e IEC 61784, y tampoco los perfiles y guías técnicos de PROFIBUS. En caso de discrepancias o duda, prevalecen sobre ellas las normas, los estándares IEC 61158 e IEC 61784, perfiles, guías técnicos y manuales de fabricantes. Consultar, siempre que posible, el EN50170 para las regulaciones físicas y también las prácticas de seguridad de cada  área.

Referencia Bibliográfica

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* César Cassiolato fue Director de Marketing, Calidad  e Ingeniería de Proyectos & Servicios de Nova Smar S/A, fue  Presidente de la Asociación PROFIBUS Brasil América Latina desde 2006 a 2010, Director Técnico del Centro de Competencia y Entrenamiento en PROFIBUS, Director Del FDT Group en Brasil, Ingeniero Certificado em  Tecnología PROFIBUS e Instalaciones PROFIBUS por la  Universidad de Manchester, Inglaterra. 

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