Cuando un variador de frecuencia (VFD) o un servovariador no logra quedar listo, se dispara inmediatamente después de la energización o presenta fallas repetidamente durante el arranque, la atención suele dirigirse directamente al motor.

Sin embargo, en muchos casos el motor todavía no forma parte del problema.

La falla puede estar desarrollándose mucho antes en la ruta de alimentación del variador.

El rectificador, los condensadores del enlace de CC y el circuito de precarga funcionan antes de que el inversor pueda suministrar potencia controlada al motor.

Comprender esta secuencia del extremo frontal facilita considerablemente la interpretación de muchas fallas de arranque.

También ayuda a los técnicos a evitar sustituir módulos costosos del variador basándose únicamente en un código de fallo.

Figura 1. Vista simplificada del extremo frontal de un variador industrial que muestra la rectificación, el almacenamiento de energía en el enlace de CC y la etapa del inversor. Imagen cortesía de Wake Industrial.

Qué hace realmente el bus de CC

Un variador de CA convencional contiene varias etapas principales de conversión de potencia.

El rectificador de entrada convierte la alimentación de CA entrante en CC.

El enlace de CC, comúnmente llamado bus de CC, almacena y suaviza esa energía mediante un banco de condensadores.

A continuación, el inversor conmuta electrónicamente la alimentación de CC para crear la salida de frecuencia y tensión variables que requiere el motor.

En un variador trifásico típico, la tensión del bus de CC es considerablemente superior a la tensión RMS de línea a línea de la alimentación de CA.

Un sistema de 480 VAC normalmente produce un bus de CC cargado de aproximadamente 650–680 VDC.

El valor exacto depende de la tensión de entrada, la topología del variador, la carga y otras condiciones eléctricas.

Ese nivel de tensión es una de las razones por las que el enlace de CC merece especial precaución durante la resolución de problemas.

El bus almacena una cantidad importante de energía eléctrica y puede seguir siendo peligroso después de desconectar la alimentación de entrada.

Por qué energizar el variador genera corriente de irrupción

Los condensadores del enlace de CC comienzan el arranque descargados o parcialmente descargados.

En el primer instante de la energización, presentan una impedancia de carga muy baja.

Sin limitación de corriente, el rectificador intentaría cargar casi de inmediato un gran banco de condensadores.

La corriente de irrupción resultante podría ser muchas veces superior a la corriente normal de funcionamiento.

La impedancia del transformador, la impedancia del alimentador, el cableado y otros componentes aguas arriba proporcionan cierta limitación.

Normalmente no están diseñados para actuar como el mecanismo principal de control de la corriente de irrupción del variador.

Una corriente de carga excesiva puede sobrecargar los componentes rectificadores, los fusibles, los disyuntores y los dispositivos de conmutación.

Las conmutaciones repetidas de alta corriente también pueden acelerar el desgaste de los contactos eléctricos.

Por eso muchos variadores de mayor potencia utilizan un circuito de precarga dedicado.

La precarga controla los primeros segundos del arranque

El concepto básico de la precarga es sencillo.

En lugar de conectar directamente el banco de capacitores descargado a la ruta completa de carga, el variador dirige inicialmente la corriente a través de una resistencia u otro circuito de carga controlada.

Esto limita la corriente mientras aumenta la tensión del bus de CC.

Figura 2. Una secuencia típica de precarga limita la corriente inicial del capacitor antes de establecer la ruta normal de alimentación. Imagen cortesía de Wake Industrial.

Durante una secuencia normal, la tensión del bus debería elevarse hasta el nivel esperado dentro del tiempo establecido por el diseño del variador.

Una vez alcanzado el umbral de tensión requerido, muchos variadores puentean la resistencia de precarga mediante un relé o contactor.

En algunos equipos, los técnicos pueden oír esta transición como un clic audible.

La implementación exacta varía entre fabricantes y familias de variadores.

Algunos variadores pequeños integran estas funciones en circuitos electrónicos en lugar de utilizar un contactor externo evidente.

El principio sigue siendo similar: controlar primero la carga del capacitor y, después, establecer la ruta normal de alimentación.

Si esta secuencia no se completa correctamente, el variador puede permanecer en estado de carga, indicar subtensión, declarar un tiempo de espera agotado de precarga o simplemente negarse a quedar listo.

Por qué los variadores almacenados requieren atención especial

Los capacitores del enlace de CC suelen ser capacitores electrolíticos.

Los periodos prolongados sin tensión pueden afectar su estado dieléctrico interno.

Por eso, los principales fabricantes de variadores publican procedimientos de reformado de capacitores para equipos almacenados durante largos periodos.

El reformado restablece gradualmente las características eléctricas del capacitor antes del funcionamiento normal.

El método requerido y el intervalo de almacenamiento dependen del fabricante del variador y de la familia del producto.

Por lo tanto, los técnicos deben seguir el procedimiento aplicable del fabricante original del equipo, en lugar de aplicar una regla genérica de reformado.

Esta consideración es especialmente importante al poner en servicio variadores de repuesto almacenados durante mucho tiempo o equipos obsoletos retirados del inventario del almacén.

El rectificador es la puerta de entrada al bus de CC

Un rectificador de diodos convencional suele ser una de las primeras etapas importantes de semiconductores que encuentra la alimentación entrante.

Un diodo rectificador o un puente rectificador en cortocircuito pueden provocar una falla grave en el lado de entrada.

Un posible síntoma es la activación inmediata de un fusible o disyuntor al energizar el variador.

Sin embargo, ese síntoma no es exclusivo del rectificador.

Los componentes del enlace de CC en cortocircuito, los dispositivos de supresión de sobretensiones u otras fallas de semiconductores de potencia pueden producir un comportamiento similar.

Una ruta del rectificador abierta puede generar un patrón diferente.

El variador puede seguir mostrando señales de alimentación de control mientras el bus de CC no alcanza o no mantiene su nivel normal.

Una rectificación anormal también puede aumentar la ondulación del bus y el calentamiento de los componentes.

Por este motivo, un disparo inmediato de la entrada debe tratarse como evidencia de un problema importante en la etapa de potencia, no como una prueba de que ha fallado un dispositivo específico.

Los condensadores del enlace de CC fallan de distintas maneras a medida que envejecen

La falla de un condensador no siempre implica una ruptura espectacular.

Una falla interna grave puede poner efectivamente en cortocircuito el enlace de CC y provocar la activación inmediata del dispositivo de protección.

El deterioro gradual es más sutil.

Los condensadores electrolíticos pueden perder capacitancia efectiva y desarrollar una mayor resistencia serie equivalente a medida que envejecen.

El variador puede seguir funcionando mientras el rendimiento de almacenamiento de energía se deteriora progresivamente.

Los síntomas pueden incluir un aumento de la ondulación del bus, una menor estabilidad bajo carga, eventos intermitentes de subtensión o un comportamiento anormal de carga.

La temperatura, las horas de funcionamiento y el estrés eléctrico influyen en la vida útil de los condensadores.

El almacenamiento prolongado introduce una preocupación diferente y no debe considerarse automáticamente como desgaste normal de funcionamiento.

El circuito de precarga puede fallar incluso cuando la etapa principal de potencia está en buen estado

Un variador puede tener un rectificador y un banco de condensadores en buen estado, pero aun así fallar durante el arranque porque la secuencia de carga no puede completarse.

Una resistencia de precarga abierta puede interrumpir la ruta de carga controlada.

Un relé de bypass o un contactor dañados pueden permitir que el bus se cargue, pero impedir que el variador pase al funcionamiento normal.

Los circuitos del variador que controlan ese dispositivo también pueden fallar.

La medición de la tensión del bus añade otro posible punto de falla.

Si el bus real alcanza el nivel requerido, pero el sistema de control no lo detecta correctamente, el variador puede comportarse como si la carga nunca se hubiera completado.

Esta distinción es útil durante la resolución de problemas.

Un bus de CC bajo y un bus de CC informado incorrectamente son problemas diferentes, incluso cuando la falla de arranque resultante parece similar.

Un disparo instantáneo al encenderse apunta a una falla importante en la etapa de entrada

El momento en que ocurre la falla es una de las pistas diagnósticas más útiles.

Si el fusible de entrada se abre casi inmediatamente al aplicar la alimentación, ha transcurrido muy poco tiempo para que comience el funcionamiento normal del variador.

Por lo tanto, la atención debe centrarse primero en la etapa de potencia de entrada y en el enlace de CC.

Entre las posibles causas se incluyen un rectificador en cortocircuito, un condensador del enlace de CC en cortocircuito, un componente de supresión averiado u otro cortocircuito dentro de la sección de potencia del variador.

Una falla del inversor aguas abajo también puede afectar el enlace de CC en algunos diseños.

El punto clave es el momento.

Un disparo instantáneo sugiere una categoría de falla diferente a la de un accionamiento que se carga normalmente y falla solo después de recibir un comando de marcha.

Un accionamiento que permanece en precarga cuenta una historia diferente

Otro síntoma común es un accionamiento que enciende su pantalla o sus componentes electrónicos de control, pero nunca alcanza el estado de listo.

Esto suele apuntar a la secuencia de carga, más que a un cortocircuito franco inmediato.

Si la tensión del bus solo aumenta parcialmente, el técnico puede tener que considerar la ruta de precarga, una fuga excesiva del enlace de CC o una carga anormal en el bus.

Si el bus se acerca a su tensión esperada, pero el accionamiento nunca pasa del estado de carga, la atención puede dirigirse al dispositivo de derivación, sus circuitos de control o la detección de tensión.

Estas distinciones son más útiles que reemplazar piezas basándose únicamente en una falla genérica de arranque.

La subtensión durante el arranque puede estar fuera del accionamiento

No toda falla de subtensión del bus de CC significa que el propio accionamiento haya fallado.

La alimentación de entrada debe evaluarse antes de dar por defectuoso el accionamiento.

Una fase ausente, un desequilibrio de fases significativo o una fuente débil pueden interferir con la carga normal del bus de CC.

Los alimentadores largos y una infraestructura aguas arriba subdimensionada también pueden provocar una caída de tensión durante el evento de carga.

Los sistemas alimentados por generador merecen especial atención, porque la impedancia de la fuente y la respuesta transitoria pueden diferir considerablemente de las de una red eléctrica rígida.

Si la tensión de línea cae mientras se cargan los condensadores, el accionamiento puede informar correctamente una condición de subtensión aunque su etapa de potencia interna esté en buen estado.

Por esta razón, los técnicos experimentados en accionamientos comparan las tres tensiones de entrada entre fases antes de sacar conclusiones a partir de una falla del bus de CC.

La sobretensión durante el arranque es menos común, pero posible

La sobretensión se asocia más comúnmente con la regeneración del motor durante la desaceleración.

Sin embargo, pueden producirse condiciones de sobretensión durante el arranque.

Una tensión de línea de entrada alta es una posibilidad evidente.

Las arquitecturas con bus de CC compartido añaden otra variable, ya que varios inversores o secciones de alimentación pueden interactuar a través del enlace común.

Los frentes regenerativos y los sistemas multieje pueden hacer más compleja la relación entre la tensión de línea y la tensión del bus del inversor local.

La resolución de problemas de estos sistemas requiere comprender toda la arquitectura del bus de CC, en lugar de evaluar un solo accionamiento de forma aislada.

Esto es especialmente relevante en sistemas más grandes de accionamientos y control de movimiento, donde varios ejes pueden compartir la infraestructura de alimentación.

La curva de carga puede revelar lo que el código de falla no puede

Los códigos de falla proporcionan una orientación útil, pero el comportamiento del bus durante el arranque puede aportar contexto adicional.

Un sistema en buen estado normalmente debería producir un aumento ordenado hacia la tensión de bus diseñada.

Un colapso inmediato sugiere un problema diferente al de una carga lenta e incompleta.

Un bus que alcanza aproximadamente la tensión normal, pero nunca entra en estado listo, sugiere otra categoría de problema.

Por eso los técnicos suelen pensar en términos de secuencias en lugar de lecturas de tensión aisladas.

¿El variador se disparó inmediatamente?

¿El bus de CC comenzó a cargarse?

¿Alcanzó la región esperada?

¿La etapa de precarga cambió de estado?

¿La falla ocurrió antes o después de la orden de marcha?

Esas preguntas reducen progresivamente el número de subsistemas probables.

Mida la alimentación de CA antes de dar por defectuoso el variador

Uno de los errores más sencillos al solucionar problemas es asumir que la alimentación trifásica es correcta porque hay tensión.

Deben compararse las tres mediciones entre fases.

La falta de una fase o un desequilibrio considerable puede generar síntomas confusos.

También debe tenerse en cuenta la tensión de entrada durante el proceso real de carga, cuando sea práctico y esté permitido por los procedimientos del sitio.

Una alimentación que parece aceptable con poca carga puede comportarse de forma diferente cuando los condensadores del enlace de CC comienzan a cargarse.

Para las instalaciones que mantienen múltiples plataformas de VFD y variadores de CA, documentar el comportamiento normal durante el arranque puede facilitar considerablemente las comparaciones futuras.

Las mediciones del bus de CC requieren disciplina para trabajar con alta tensión

El bus de CC es uno de los puntos más peligrosos dentro de un variador industrial.

Puede transportar varios cientos de voltios de CC y almacenar energía después de haber retirado la alimentación de entrada.

Una pantalla apagada no demuestra que el enlace de CC se haya descargado.

Deben respetarse los tiempos de descarga y las instrucciones de seguridad del fabricante original del equipo.

Los procedimientos de bloqueo y etiquetado siguen siendo obligatorios cuando corresponda.

La ausencia de tensión debe verificarse utilizando equipos con la clasificación adecuada y prácticas de seguridad eléctrica establecidas.

Las mediciones del bus de CC bajo tensión solo deben ser realizadas por personal capacitado y autorizado para ese trabajo.

Los técnicos también deben recordar que la categoría del medidor, su tensión nominal, los cables de prueba y el método de medición son importantes con estos niveles de energía.

Las comprobaciones de resistencia sin alimentación pueden proporcionar indicios, no respuestas definitivas

Después de aislar el variador de forma segura y verificar que el bus de CC se haya descargado, las mediciones de resistencia pueden ayudar a identificar un cortocircuito evidente.

Sin embargo, las lecturas entre DC+ y DC− requieren interpretación.

Los condensadores pueden cargarse desde el propio medidor, lo que hace que cambie la resistencia indicada.

Las rutas internas de los semiconductores y los circuitos auxiliares también pueden influir en la lectura.

Por lo tanto, un valor de resistencia cambiante no constituye una prueba universal de aprobado o rechazado para un condensador.

Los procedimientos de prueba de componentes del fabricante original deben tener prioridad cuando se requieran pruebas detalladas de la etapa de potencia.

Figura 3. La resolución de problemas del variador debe relacionar el síntoma observado con el subsistema correcto de la etapa de potencia antes de sustituir componentes. Imagen cortesía de Adobe Stock.

El momento en que aparece el síntoma suele ser el filtro de diagnóstico más rápido

Una estrategia práctica de resolución de problemas comienza por identificar exactamente cuándo ocurre el fallo.

Una desconexión instantánea al energizar hace más probable una avería eléctrica importante en la etapa frontal.

Un variador que comienza a cargarse pero nunca pasa al estado listo apunta con mayor probabilidad a la finalización de la precarga, la detección del bus o funciones de control relacionadas.

Un fallo de subtensión durante la carga debe llevar a examinar tanto la alimentación entrante como la ruta de carga interna.

Un variador que alcanza la tensión normal del bus y falla solo después de recibir una orden de marcha pertenece a una rama de diagnóstico diferente.

En ese momento, la salida del inversor, el cableado del motor, el estado del motor y el comportamiento de la carga adquieren mayor relevancia.

Este enfoque basado en la secuencia evita que la investigación salte aleatoriamente entre componentes no relacionados.

Los primeros segundos cuentan gran parte de la historia

El bus de CC es esencialmente un depósito de energía situado entre el rectificador y el inversor del variador.

Su comportamiento durante el arranque es predecible porque el variador debe completar una secuencia eléctrica definida antes de que pueda comenzar el control normal del motor.

La CA de entrada se rectifica.

El banco de condensadores se carga a través de una ruta controlada.

El bus se aproxima a su tensión de funcionamiento.

La etapa de precarga conmuta a la ruta de alimentación normal.

El sistema de control confirma las condiciones necesarias y permite que el variador pase al estado listo.

Cuando el arranque falla, determinar dónde se detuvo esta secuencia suele ser más valioso que leer únicamente el mensaje de fallo final.

Los cortocircuitos francos, la precarga incompleta, los condensadores degradados, los problemas de detección de la tensión del bus y las caídas de tensión en la planta producen patrones diferentes.

Comprender esos patrones convierte la resolución de problemas del bus de CC de un simple intercambio de componentes en un diagnóstico estructurado.

Por lo tanto, para los técnicos que trabajan con variadores de frecuencia industriales y sistemas servo, el período más informativo puede ser también el más breve: los primeros segundos después de aplicar la alimentación.