Las fallas prematuras pueden ser un verdadero problema en un motor de CA equipado con un variador de frecuencia (VFD), principalmente debido a fallas en los rodamientos. Sin embargo, los VFD han sido promovidos por ingenieros, administradores de instalaciones, propietarios de edificios y otras partes interesadas como dispositivos que ayudan a garantizar una mayor eficiencia energética, a la vez que complementan el funcionamiento de la maquinaria automatizada. La tecnología VFD es una de las tecnologías más ecológicas para motores utilizadas actualmente, permitiendo a los usuarios controlar el par y la velocidad del motor. Los VFD pueden reducir el consumo de energía de un motor eléctrico en un 30 % o más, aunque estos requieren protección adicional para evitar fallas prematuras.
Problemas inherentes a los sistemas de motor VFD
La razón por la que los motores de CA modernos equipados con variadores de frecuencia (VFD) son más propensos a sufrir daños en los rodamientos es el uso de modulación por ancho de pulso trifásica, que produce tensiones parásitas dentro del motor. Esto incluye tensión en el eje del motor, lo que genera una tensión perjudicial en los rodamientos y el riesgo de descarga eléctrica si la tensión supera la tensión de ruptura de la grasa. Dicha descarga causa daños acumulativos en los rodamientos del motor.
Importancia de la protección de puesta a tierra del eje
Estas descargas provocan el mecanizado por electroerosión (EDM). Si bien el EDM es útil como técnica de mecanizado para metales duros, acorta la vida útil de los rodamientos de los motores eléctricos, reduciendo su fiabilidad. Para controlar la conmutación, la mayoría de los variadores de frecuencia (VFD) utilizan modulación por ancho de pulso para simular una onda sinusoidal a la frecuencia seleccionada, con la ayuda de transistores bipolares de puerta aislada.
La salida de estos variadores genera una tensión electrostática en el eje del motor, causada por la fluctuación de la tensión en modo común (el promedio de las tensiones trifásicas). La tensión inducida en el eje tiende a descargarse a través de los rodamientos, lo que provoca daños en los mismos por el EDM. Cada descarga produce una picadura microscópica. Con el tiempo, puede desarrollarse un tipo de picaduras concentradas conocidas como estrías. Con un patrón característico de tabla de lavar, las estrías producen vibración, ruido y calor excesivos cuando el motor funciona. Una vez que se forman, la falla del rodamiento es inminente.
La conexión a tierra del eje es una estrategia para controlar esta tensión dañina, que de lo contrario puede provocar fallas en los rodamientos y el motor. Un medio particularmente eficaz para protegerse contra este daño en los cojinetes consiste en instalar anillos de conexión a tierra de microfibras conductoras alrededor del eje.
Cómo los anillos de puesta a tierra protegen los rodamientos
Los motores eléctricos pueden protegerse de forma fiable contra daños eléctricos mediante la instalación de anillos de puesta a tierra. Estos anillos se colocan cerca de cada extremo del eje, con sus fibras conductoras en contacto con él. El anillo disipa la tensión en el eje antes de que se acumule a niveles que superen la tensión de ruptura de la grasa y se descargue a través de los rodamientos. Otra forma de entender esto es que un anillo de puesta a tierra proporciona corriente eléctrica desde el eje por una ruta alternativa de baja resistencia: fluye alrededor de los rodamientos en lugar de a través de ellos. Independientemente de cómo se mire, se evita la descarga a través del rodamiento, lo que previene daños en el rodamiento y la grasa debido a la electroerosión, previniendo la formación de estrías y el fallo prematuro del rodamiento.
Los rodamientos dañados pueden aumentar los costes operativos debido a:
- Aumento del tiempo de inactividad
- Pérdida de productividad
- Entregas fallidas
- Reducción de la eficiencia operativa
- Interrupciones imprevistas
Medición del voltaje en el eje
Se pueden comprobar los niveles destructivos de voltaje en el eje de los motores con un osciloscopio digital. No se puede usar un multímetro (analógico o digital), ya que la acumulación y descarga de voltaje en el eje se produce con demasiada rapidez como para que un multímetro pueda medir con precisión. Solo un osciloscopio con un ancho de banda de 100 MHz o superior puede medir con precisión el voltaje en el eje, lo que permite al usuario determinar si el nivel es lo suficientemente alto como para causar daños eléctricos en los cojinetes y una posible falla prematura.
Cómo los anillos de puesta a tierra del eje protegen los cojinetes del motor
Sin un anillo de puesta a tierra del eje ni ninguna otra protección, la tensión del eje se descargará a través de los rodamientos del motor o de los equipos conectados a la carcasa del motor y luego continuará hasta la tierra (eléctrica). Los anillos de puesta a tierra del eje protegen los rodamientos del motor proporcionando una ruta alternativa a tierra para la carga del eje. En lugar de atravesar el rodamiento, la corriente pasa por el anillo hasta la carcasa del motor.
Protecciones de corriente para motores equipados con VFD
La mayoría de los fabricantes ofrecen motores eléctricos “clasificados para inversor, aptos para inversor o listos para inversor”, lo que implica que ya están protegidos contra daños causados por la tensión perjudicial generada por el VFD. Los motores clasificados para inversor incluyen protección para los devanados del motor contra los efectos de la salida del VFD, según lo exigen las directrices MG1 Parte 31 de la Asociación Nacional de Fabricantes Eléctricos (NEMA). Esto protege al motor contra fallos prematuros debidos a daños en el devanado.
Sin embargo, esto no protege los rodamientos contra daños causados por la electroerosión. Para una protección más completa, estos motores con VFD instalados deben estar equipados con anillos circunferenciales de conexión a tierra del eje de microfibra. Las garantías de los fabricantes de motores suelen cubrir los rodamientos solo durante 90 días. Su lógica es que, si el rodamiento está defectuoso, fallará rápidamente. Sin embargo, el acanalado suele tardar más de tres meses en desarrollarse. Afortunadamente, Electro Static Technology, el fabricante de anillos de conexión a tierra de ejes AEGIS(R), ofrece una garantía extendida de dos años contra daños por estrías en motores con anillos AEGIS instalados.
Minimizar los daños
Para mitigar los daños eléctricos en los rodamientos y mantener el funcionamiento fiable de los motores accionados por VFD y sus sistemas asociados, se requieren anillos de puesta a tierra del eje del motor con microfibras conductoras. Los fabricantes de motores pueden instalar esta tecnología dentro o fuera de la máquina durante la fabricación, y también es posible su reacondicionamiento. Sin embargo, al comprar un motor eléctrico, es importante asegurarse de que cuente con la protección adecuada.
La mayoría de los fabricantes de equipos originales (OEM) de motores eléctricos ofrecen líneas de productos con anillos de puesta a tierra del eje instalados de fábrica para protegerlos contra las estrías, junto con las protecciones necesarias para el inversor. Es importante preguntar al OEM antes de comprar si sus motores ofrecen este nivel de protección contra daños causados por el control del VFD. Para garantizar un funcionamiento sin problemas de un motor nuevo, es fundamental que el comprador especifique que requiere una puesta a tierra circunferencial del eje con microfibras en cualquier motor de máquinas que utilice VFD con modulación por ancho de pulso.