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Acoplamiento por impedancia común y como minimizar sus efectos en instalaciones industriales






César Cassiolato

Director de Marketing, Calidad, Servicio e Instalaciones Industriales - SMAR Equipamentos Industriais Ltda.
cesarcass@smar.com.br

 

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 EMI es 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.

 

Figura 1 – Varios tipos de acoplamiento generando ruido en instalaciones industriales

 

 

Veremos en este artículo el acoplamiento por impedancia común.

 

 

Acoplamiento por impedancia común o conductivo

Es el acoplamiento por transferencia de energía eléctrica a través del contacto físico de un medio conductor, en contraste con los acoplamientos inductivo y capacitivo. Puede darse vía un cable, resistor, terminal común, línea de transmisión, contacto con el alojamiento, toma de tierra, etc.

El acoplamiento conductivo ultrapasa el espectro de frecuencias e incluye el DC. La interferencia acontece entre las líneas de señal y la toma a tierra. El ruido es provocado por la resistencia existente y común a la señal y al retorno. 

 

Figura 2 – Toma a tierra e impedancia común 

 

 

Figura 3 – Toma a tierra en serie resultando en acoplamiento conductivo

 

 

La toma a tierra  en serie es muy común porque es sencilla y económica. Sin embargo, es sistema que proporciona la toma a tierra sucia, debido a la impedancia común entre los circuitos. Cuando varios circuitos comparten esta toma a tierra, las corrientes de un circuito (que fluye a través de la impedancia finita de la línea de base común), pueden provocar variaciones en el potencial de tierra de los demás circuitos. Si las corrientes son suficientemente grandes, las variaciones del potencial de tierra pueden causar serias perturbaciones en las operaciones de todos los circuitos conectados al tierra común de señal.

 

 

Figura 4 – Impedancia común

 

 

Medidas para reducir el efecto del acoplamiento conductivo entre cables

  • Separe las fuentes de alimentación y los retornos de toma a tierra;

 

Este tipo de ruido acoplado existe porque los conductores tienen impedancia finita. El efecto puede eliminarse o reducirse por la quiebra de los lazos de tierra, posibilitándoles retornos a tierra. Vea la figura 5.

 

Figura 5 – Toma a tierra y conexiones adecuadas, evitándose el acoplamiento conductivo

 

 

  • Minimizar los caminos comunes, principalmente de alta corriente, corrientes conmutadas y señales con transientes;
  • En caminos comunes usar siempre que posible la menor resistencia para altas corrientes, y la más baja inductancia para altadi/DTS;
  • Usar planos de baja impedancia para los fuentes DC y sus retornos. Es común usarse un capacitor de bypass entre las fuentes, manteniendo las frecuencias altas en sus circuitos. 

 

 

Conclusión

Hemos visto en este artículo varios detalles sobre los efectos del acoplamiento conductivo y como minimizarlo.

Todo proyecto de automatización debe tener en cuenta los estándares que garantizan los niveles de señales adecuados y también la seguridad exigida por la aplicación.

Se recomienda que anualmente se realicen acciones preventivas de mantenimiento, verificando cada conexión al sistema de toma a tierra, para asegurar la calidad de cada conexión relativamente a la robustez, confiabilidad y baja impedancia, garantizando no haber contaminación y corrosión.

 

Este artículo no sustituye las normas  NBR 5410  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 del area. 

 

 

Referencia Bibliográfica