Los dispositivos de puesta a tierra del eje ayudan a minimizar la tensión en el eje del motor, previniendo daños causados por la corriente que fluye a través de sus vulnerables cojinetes. La tensión en el eje puede generarse debido a la fricción que genera carga estática, a la inducción y a fugas dentro del sistema. Los dispositivos de puesta a tierra del eje evitan que la tensión se descargue a través de los cojinetes del motor al proporcionar una ruta alternativa de menor resistencia para la corriente. Al crear una ruta alternativa de menor resistencia, los dispositivos de puesta a tierra del eje desvían la electricidad de los componentes que podrían verse afectados por esta corriente, ahorrando así los gastos de reparación o reemplazo y el mayor coste potencial de paradas imprevistas.
El Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) realizó estudios clave para comprender cómo conservar energía en motores comerciales e industriales. Estos estudios surgieron de la Evaluación del Mercado de Sistemas Motores (MSMA), iniciada en 2016 para estudiar los sistemas de motores en la industria estadounidense. El tercer volumen de este informe se publicó en 2022 y analizó el aumento del ahorro gracias a una mayor eficiencia energética en motores industriales y comerciales.
La importancia de los dispositivos de puesta a tierra de ejes para motores
Cuantificar los ahorros gracias a la eficiencia energética y la facilidad de mantenimiento contribuye a comprender los costos de propiedad y operación de motores eléctricos. A lo largo de la vida útil de un motor, aproximadamente 20 años, la electricidad representa aproximadamente el 90% de su costo total. Aumentar la eficiencia energética puede reducir estos costos hasta en un 30%. El resto de los costos que asume una empresa incluye el costo inicial del motor, el tiempo de inactividad por mantenimiento y el costo de reconstrucción del motor.
Una evaluación de Electro Static Technology muestra cómo se reflejan estos gastos cuando se utilizan variadores de frecuencia (VFD) para controlar motores en lugar del control directo en línea. Parte del ahorro en eficiencia energética se ve compensado por el costo del propio VFD, junto con un mayor tiempo de inactividad y gastos de reconstrucción. Sin embargo, al instalar un dispositivo de puesta a tierra de ejes en un motor con VFD, se reducen los costos para la empresa por tiempo de inactividad y gastos de reconstrucción del motor, además del ahorro energético que genera el VFD.
Cómo los dispositivos de puesta a tierra de ejes protegen los rodamientos
Los dispositivos de puesta a tierra de ejes, como el anillo de puesta a tierra de ejes AEGIS, protegen los rodamientos del motor y otros componentes sensibles de daños eléctricos causados por descargas de tensión. La corriente sigue la ruta de menor resistencia hasta llegar a tierra. En los motores sin puesta a tierra de ejes, los rodamientos son la ruta de menor resistencia y son susceptibles a daños eléctricos. El arco eléctrico causado por una descarga de tensión en el eje causa daños en un rodamiento; sin embargo, al reducir esta descarga con anillos de puesta a tierra de ejes, se reduce la probabilidad de fallo de los rodamientos del motor.
Los anillos de puesta a tierra de ejes ayudan a:
- Dirija la energía eléctrica lejos de los cojinetes de forma regulada.
- Proteja los cojinetes, que suelen ofrecer la mejor ruta para la corriente eléctrica.
- Restrinja el flujo de corriente que pasa a través de otros componentes desde el eje del motor.
Cuando los rodamientos se desgastan más rápido de lo normal, es probable que la causa sea la tensión en el eje, algo que los anillos de puesta a tierra del eje ayudan a prevenir.
Los rodamientos probablemente presenten los siguientes signos de daño:
- Picaduras
- Glaseado
- Estrías
Los anillos de puesta a tierra desvían la corriente eléctrica de los componentes internos de un motor, proporcionando un mejor camino para que llegue a tierra y evitando así la necesidad de reemplazar piezas o experimentar tiempos de inactividad.
Puesta a Tierra de Ejes y Variadores de Velocidad
El informe más reciente de la MSMA propuso cambios derivados de la continua promoción de la eficiencia energética en la industria. Esto ha impulsado un aumento en la instalación de variadores de frecuencia (VFD) en sistemas de motores existentes y nuevos. Esto a pesar de que, en 2016, los VFD representaban solo alrededor del 16 % de los sistemas de motores industriales y del 4 % de los comerciales. Las capacidades de los VFD permiten ajustar la velocidad del motor para reducir el consumo de energía.
Sin embargo, los VFD también tienen un impacto negativo en los rodamientos de rodillos de un motor de inducción, un problema conocido como estrías. Este fenómeno ocurre cuando se forman ranuras en un rodamiento, causadas por una corriente eléctrica que pasa a través de él desde el eje del motor. Esto aumenta el costo de un motor con VFD con el tiempo, ya que aumenta la necesidad de reparaciones debido a fallas en los rodamientos y el motor. La buena noticia es que los anillos de puesta a tierra de ejes pueden prevenir en gran medida este problema. Al evitar las estrías y los daños que conllevan, los fabricantes pueden obtener ahorros aún mayores al aumentar la eficiencia del motor.
Los motores con VFD son más propensos a sufrir fallos en los rodamientos, ya que la tensión de entrada no está equilibrada. En los motores conectados a la red eléctrica, la tensión de entrada de onda sinusoidal está equilibrada, por lo que el motor no tiene carga neta. Sin embargo, la tensión está esencialmente desequilibrada para las formas de onda moduladas por onda de pulso (PWM) que generan los VFD. Este desequilibrio genera tensión dentro de la estructura del motor, lo que provoca una descarga de tensión desde el rotor a tierra a través de los rodamientos del motor.
Esto puede provocar:
- Tiempo de inactividad causado por fallas en los rodamientos.
- Necesidad de reemplazo de rodamientos, lo que requiere la sustitución o el desmontaje y reparación del motor.
Rentabilidad de los VFD
Controlar motores con VFD permite a los usuarios controlar su velocidad y par. Considerando el precio actual de estos sistemas, algunas evaluaciones indican que su instalación probablemente sea rentable en aproximadamente tres cuartas partes de los sistemas de motores industriales y casi la mitad de los comerciales. Esto se traduce en un ahorro de hasta 4000 millones de dólares anuales con la adopción de sistemas de motores controlados por VFD. Sin embargo, este ahorro se vería parcialmente anulado sin la inclusión de anillos de puesta a tierra del eje para proteger los rodamientos de fallos.
Prevención de fallos en los rodamientos
Los anillos de puesta a tierra se utilizan comúnmente para descargar la tensión que, de lo contrario, podría dañar los rodamientos del motor. Esta conexión a tierra del eje conecta el rotor giratorio del motor a tierra a través de su carcasa. Al instalar un dispositivo de puesta a tierra del eje antes de instalar el motor, las instalaciones comerciales pueden ahorrar no solo el gasto de reemplazar motores con rodamientos defectuosos, sino también los costos por tiempo de inactividad. En la mayoría de las aplicaciones, los costos de reparación/reemplazo son insignificantes comparados con el costo de un tiempo de inactividad imprevisto.
El factor económico detrás de los anillos de puesta a tierra de ejes
El factor económico fundamental para instalar dispositivos de puesta a tierra de ejes en motores es sólido. Estos dispositivos reducen de forma proactiva el riesgo de costosas reparaciones del motor debido a fallos prematuros de los rodamientos y el consiguiente tiempo de inactividad. De hecho, se utilizan como soluciones rentables en diversas industrias y aplicaciones que utilizan motores.
Los anillos de puesta a tierra de ejes se utilizan en industrias y aplicaciones como:
- Sistemas de automatización para bombas y otra maquinaria industrial
- Industria cementera
- Salas blancas en la industria farmacéutica
- Transportadores y motores de frenado en centros de distribución
- Grúas en puertos para la descarga de mercancías
- Turbinas de gas
- Industria de climatización (HVAC)
- Industria marítima
- Industria del petróleo y el gas
- Industria de procesamiento de papel
- Fabricación de plásticos
- Generadores de energía
- Fabricación de acero
- Equipos de prueba
- Generadores eólicos
Los anillos de puesta a tierra de ejes suelen durar más que los motores en los que se instalan y son reconocidos por su capacidad para soportar condiciones adversas. Muchos anillos de puesta a tierra de ejes vienen con kits estándar que permiten su instalación en la mayoría de los motores estándar, incluso con variaciones en el tamaño del eje. Los dispositivos de puesta a tierra también facilitan su instalación y mantenimiento.