Parte 1: El Problema
Los variadores de frecuencia se utilizan a menudo para controlar motores eléctricos trifásicos. Estos variadores permiten un control preciso y, en ocasiones, un gran ahorro de energía, pero también dañan los rodamientos del motor. Esto es ampliamente aceptado, pero poco comprendido. En este artículo, intentaremos explicar las tres maneras en que los variadores causan daños en los rodamientos eléctricos. En la próxima entrega, analizaremos cómo se puede mitigar cada uno de estos daños.
Primero, algunos antecedentes: La tensión y la corriente de la línea son ondas sinusoidales a 50 o 60 Hz, según el país. Con la alimentación trifásica, la tensión está equilibrada. La suma de las tensiones trifásicas es cero. Se cancelan mutuamente, por lo que la línea y el motor son neutros en general. Cuando un motor funciona con alimentación de la línea, su velocidad está determinada por la frecuencia de la línea.
Los variadores de frecuencia (VFD) convierten la alimentación de la línea en una serie de pulsos de voltaje en cada fase, como se muestra en la parte superior de la figura. Al controlar la sincronización de cada pulso, el variador puede hacer funcionar el motor a velocidades mucho menores que la frecuencia de la línea. Sin embargo, a diferencia del voltaje de la línea, el voltaje de salida del variador no está equilibrado. Los pulsos de cada fase no se cancelan entre sí. Su suma se denomina voltaje de modo común (CMV).
La corriente de un variador se parece menos a un pulso y más a una onda sinusoidal. Sin embargo, cada vez que el variador se enciende o se apaga, se produce un pico de corriente de alta frecuencia. Entre las tres fases de alimentación del variador, la corriente se cancela principalmente, excepto por esos picos. La suma de los picos de corriente en cada fase se denomina corriente de modo común, que abreviaremos como CMC.
Antes de analizar el motor, conviene analizar la relación entre el voltaje y la corriente en cada fase. Los picos de corriente se deben a cambios bruscos y drásticos en el voltaje del variador. La tasa de variación del voltaje se denomina dv/dt. En los variadores modernos, el dv/dt siempre es elevado debido a su rápida conmutación. Con un variador de bajo voltaje, el voltaje varía cientos de voltios en menos de una millonésima de segundo. Los variadores de voltaje medio presentan variaciones de voltaje aún mayores en intervalos igualmente cortos.
Cuando la onda de salida del variador llega al motor, ocurren dos cosas. Primero, el CMV carga electrostáticamente el rotor. Si los devanados son positivos, esto atraerá electrones (negativos) al centro del rotor, dejando una carga positiva en los extremos. Esto produce un voltaje a través de los cojinetes, que puede medirse como voltaje del eje. Si el voltaje del eje se acumula lo suficiente, se producirá un arco a través del cojinete, dañando las bolas y las pistas de rodadura. Esta descarga de voltaje del eje se denomina a menudo corriente de descarga del rotor o corriente EDM, y se muestra en amarillo en la segunda figura. La corriente EDM puede alcanzar un pico de entre medio amperio y unos pocos amperios. Es un problema en todos los motores de los variadores, independientemente de su tamaño. En motores pequeños con buena conexión a tierra, esta es solo la corriente dañina que causan los variadores en los cojinetes.
La corriente de descarga del rotor depende principalmente del tamaño del CMV, no de su velocidad de cambio. Si la dv/dt disminuye, la tensión del eje aumentará con menor rapidez, pero alcanzará el mismo valor pico. Si la tensión pico es lo suficientemente alta como para provocar un arco eléctrico en el cojinete, el daño persistirá.
Mientras tanto, la CMC de alta frecuencia se filtra a través de la capacitancia entre los devanados del estator y el bastidor para buscar una ruta de baja resistencia a tierra y de regreso al variador. (Los devanados tienen alta inductancia, lo que significa alta impedancia para la corriente de alta frecuencia). Esto también puede describirse como la alta capacitancia parásita de carga dv/dt en el bastidor del motor. Independientemente de la terminología, esto tiene dos consecuencias potencialmente dañinas.
En motores grandes, de más de 100 hp/75 kW, la CMC induce una corriente circulante de alta frecuencia. Esta corriente fluye del eje al bastidor a través de un cojinete (naranja) y regresa al eje a través del otro cojinete (a la derecha). El mecanismo de esta corriente es más complejo. Básicamente, al conectar a tierra, la corriente de modo común no se distribuye uniformemente por el motor. Esto produce un flujo magnético desequilibrado en su interior. Los electrones del rotor y la carcasa intentarán circular para contrarrestar dicho flujo. La magnitud de las corrientes circulantes de alta frecuencia resultantes puede variar desde unos pocos hasta 20 amperios.
El otro efecto secundario de la CMC se produce en motores con una conexión a tierra deficiente al variador de frecuencia (VFD). Si la carcasa del motor no tiene una ruta de baja impedancia a tierra, la CMC puede generar un arco eléctrico a través de los rodamientos del motor, descender por el eje, atravesar el acoplamiento hasta el equipo de carga, atravesar los rodamientos de dicho equipo y finalmente conectar a tierra. Esto se denomina corriente de tierra del rotor (azul). (Algunas fuentes la denominan, de forma confusa, corriente de puesta a tierra del eje). La corriente de tierra del rotor puede alcanzar varias decenas de amperios y es doblemente destructiva, ya que daña tanto el motor como los rodamientos del equipo.
Tanto la corriente circulante de alta frecuencia como la corriente de tierra del rotor son causadas por la corriente de modo común o, equivalentemente, por la alta tasa de variación del voltaje de modo común.
Afortunadamente, todas estas corrientes destructivas en los cojinetes pueden controlarse. En esta publicación posterior, analizamos estrategias de mitigación para cada una de ellas.