Un asistente a un seminario web reciente nos preguntó sobre los daños en los rodamientos eléctricos causados por las corrientes armónicas generadas por los variadores de frecuencia (VFD). Las corrientes de los rodamientos generadas por armónicos son muy diferentes de las corrientes de los rodamientos generadas habitualmente por los VFD, ya que se encuentran en el lado de la línea/alimentación del variador. Las corrientes de los rodamientos que solemos mencionar se encuentran en el lado de la carga. No hablamos mucho de armónicos, pero con gusto lo explicamos.
Los VFD funcionan rectificando la corriente alterna (CA) y almacenándola en un banco de condensadores (el bus de CC). Básicamente, siempre que la tensión en una fase sea superior a la tensión del bus de CC, la corriente fluirá para cargar los condensadores (Figura 1; tenga en cuenta que en un sistema trifásico, se obtienen dos pulsos de corriente por pico de tensión, pero la idea es la misma). Esto convierte a los VFD en cargas no lineales.
Una carga lineal consume una corriente sinusoidal constante de la fuente de alimentación. Una carga no lineal es cualquier dispositivo que no consume una corriente sinusoidal uniforme de la fuente de alimentación. He aquí una analogía: Impulsar una carga lineal es como empujar un carrito de la compra bien mantenido. Se puede empujar suavemente, sin tirones ni trabas. Una carga no lineal es como empujar un carrito con una rueda atascada que se atasca cada dos pasos y hay que empujarlo para que vuelva a moverse. No es suave.
Las cargas no lineales son un problema porque distorsionan la tensión y la corriente de alimentación. Observe de nuevo la Figura 1. El variador solo consume pulsos de corriente ocasionales, no una onda sinusoidal uniforme. Si considera la energía suministrada por una compañía eléctrica o un generador como una onda sinusoidal amplia, la generación de esos pulsos ocasionales afectará la onda de corriente de alimentación, distorsionándola. La corriente distorsionada, a su vez, distorsiona la forma de onda de la tensión.
Sin entrar en las series de Fourier, se puede considerar que la distorsión es causada por ondas con frecuencias que son múltiplos enteros de la frecuencia de alimentación (50/60 Hz). Estas ondas de mayor frecuencia (a 100/120 Hz, 150/180, etc.) se denominan armónicos y se introducen en la alimentación mediante cargas no lineales, incluyendo variadores.
Esto causa varios problemas… aguas arriba del variador, en otras partes de la instalación. Tener muchos variadores u otras cargas no lineales grandes en una instalación puede causar problemas no solo con otros circuitos de la propia instalación, sino también con otras instalaciones cercanas que reciben el servicio de la misma compañía eléctrica. Estos problemas incluyen interferencias con sensores; sobrecalentamiento de transformadores, motores y generadores; y, sí, corrientes en los rodamientos. Además, los armónicos generados por un variador pueden afectar a otros motores además del que controla.
Los armónicos producen corrientes circulantes de frecuencia relativamente baja en los motores. Al igual que las corrientes circulantes de alta frecuencia en motores más grandes alimentados por variadores, las corrientes circulantes armónicas se pueden mitigar con un rodamiento aislado. A diferencia de la corriente circulante de alta frecuencia causada por un VFD, se mitigan mejor reduciendo el contenido armónico de la fuente de alimentación. La mitigación de armónicos es un campo en sí mismo. Para un análisis más completo de los armónicos y su mitigación, consulte este boletín informativo de Trane (Ingersoll Rand) o esta presentación del Power & Energy Institute of Kentucky.
En cuanto a esta publicación, la conclusión es que las corrientes de los rodamientos producidas por armónicos son independientes de lo que normalmente llamamos corriente de rodamientos causada por el VFD. La principal diferencia radica en que mitigar los armónicos no reducirá la descarga de tensión del eje, la corriente circulante de alta frecuencia ni la corriente de tierra del rotor. Para estos casos, se necesita una conexión a tierra del eje AEGIS®, un rodamiento aislado frente al anillo de conexión a tierra y una buena conexión al variador o una cinta de conexión a tierra entre el motor y los bastidores de carga.