Amplíe la esperanza de vida del motor con variadores de frecuencia de energía limpia

Hay un chirrido y gruñido perpetuo proveniente del motor. Este preocupante ruido sordo aumenta lentamente cada día a nivel microscópico. Este es el síntoma de que los rodamientos comienzan a erosionarse. Los expertos en motores han afirmado que el 50% de las averías en los motores se deben a defectos en los cojinetes.

Las principales causas de fallas en los rodamientos (80%) son mecánicas, de las cuales:

Estos problemas se pueden gestionar con el cuidado adecuado y un plan de mantenimiento eficaz. Existen otras fuentes de problemas con los rodamientos, como los variadores de frecuencia (VFD), las corrientes inducidas en los rodamientos (que requieren alguna acción para evitar el envejecimiento prematuro) y fallas del motor.

Desde que se introdujeron por primera vez hace más de 40 años, los VFD han tenido un impacto espectacular en la industria. Mediante el uso de electrónica de potencia, permiten un control preciso sobre el par y la velocidad del motor, adaptando el movimiento realizado a la necesidad exacta. Los usuarios disfrutan de ahorros de energía y, como resultado, experimentan menos tensión en la transmisión/tren motriz del motor.

Históricamente, los beneficios de la tecnología VFD han tenido un costo. Los VFD que no son de última generación presentan inconvenientes como armónicos, interferencia electromagnética (EMI), voltaje delta sobre tiempo delta (dv/dt), lo que requiere el uso de filtros voluminosos y longitudes de cable limitadas.

Los fenómenos menos comprendidos en muchas aplicaciones son las corrientes eléctricas que viajan a través de los cojinetes del motor, comúnmente denominadas corrientes de cojinete. Las corrientes en los rodamientos son la causa principal de las picaduras, estrías y escarchado de los rodamientos de bolas y de las pistas de los rodamientos.

Los cojinetes del motor eléctrico están diseñados para 100.000 horas de funcionamiento. Esto equivale a más de 11 años de uso diario continuo. Cuando fallan los rodamientos (50% de las fallas de los motores), la consecuencia no es solo el costo de la reparación.

La primera consecuencia es el mantenimiento no planificado y el coste de la pérdida de producción. También existe el daño potencial a las cargas mecánicas y a los acoplamientos unidos al eje del motor. Esto puede ocurrir como resultado directo de una falla del rodamiento o durante el mantenimiento reactivo realizado después de la falla.

Con respecto al mantenimiento reactivo, varios estudios han demostrado que un 28% de los trabajadores tienen más probabilidades de sufrir un accidente laboral mientras realizan un mantenimiento reactivo que un mantenimiento proactivo.

El tiempo de inactividad de la producción asociado con el mantenimiento reactivo no planificado tiene consecuencias negativas que incluyen pérdida de producción, incumplimiento de plazos, pérdida de ingresos, aumento de los costos de personal para compensar la producción perdida y el costo de las reparaciones mismas.

El voltaje de modo común se define como el voltaje entre el punto neutro del motor y la conexión a tierra del sistema. El voltaje de neutro a tierra (voltaje de modo común) se puede calcular en términos de voltaje de fase a tierra como la suma promedio de los tres voltajes.

Para un motor trifásico que se alimenta con una señal de voltaje trifásico, cuando el sistema está bien equilibrado, estas tres señales de voltaje tienen teóricamente la misma amplitud con un cambio de fase de 120 grados. En este escenario, un motor de corriente alterna (CA) balanceado debe ser impulsado por una fuente de CA trifásica balanceada y el voltaje de modo común será cero.

Cuando un motor es accionado por un VFD ordinario, la conmutación rápida de los transistores bipolares de puerta aislada (IGBT) genera tres señales de modulación de ancho de pulso (PWM) de alta frecuencia. Al estar desequilibrados, son la fuente de una diferencia de voltaje distinto de cero (voltaje de modo común) entre el punto neutro del motor y la conexión a tierra del sistema.

La estructura del motor de CA, combinada con esta señal PWM de alta frecuencia, hace que las capacitancias parásitas del motor (también conocidas como capacitancias parásitas) no sean despreciables.

El circuito de capacitancia parásita es la fuente de voltaje del eje cuando el motor está girando y el voltaje de modo común no es nulo. La alta frecuencia del PWM puede hacer que este voltaje del eje genere chispas y arcos a través del lubricante del rodamiento, lo que resulta en picaduras y estrías en las pistas del rodamiento.

Cuando la velocidad del motor es baja, la pista interior y la pista exterior de los rodamientos están en contacto físico con los rodamientos de bolas. En este caso, la capacitancia parásita de los rodamientos no existe y no hay voltaje en el eje.

Existen diferentes tipos de corrientes que son perjudiciales para los rodamientos del motor o que incluso pueden alterar el motor.

Corrientes de rodamiento capacitivas

Procedente de la señal PWM de alta frecuencia, el voltaje de modo común también es una fuente de voltaje transitorio rápido (alto dV/dt). Este alto dV/dt crea pulsos de corriente entre el rotor y los devanados del estator a través de la capacitancia parásita. Parte de esta corriente fluye entre la pista interior y la pista exterior de los rodamientos, provocando calor en el lubricante.

Corrientes de rodamientos de mecanizado por descarga eléctrica (EDM)

El voltaje de modo común genera una carga eléctrica, almacenada en la capacitancia parásita entre el rotor y el estator. Cuando esta carga aumenta, rompe el aislamiento dieléctrico y se descarga a través del aislamiento del rodamiento, creando lo que se denomina corrientes de rodamiento EDM. Estas corrientes de descarga capacitivas pueden provocar fricción en los rodamientos y las pistas de rodadura y producir temperaturas lo suficientemente altas como para derretir el acero del rodamiento y provocar picaduras.

Corrientes del eje

Si la estructura del motor está mal conectada a tierra y el motor está conectado a una carga mecánica que tiene una conexión a tierra adecuada (baja impedancia), la corriente de modo común fluye a través del eje alcanzando la menor impedancia a la tierra. Las corrientes que viajan a través del eje se denominan corrientes de eje. Las corrientes del eje que fluyen a través de los cojinetes alteran las propiedades químicas del aceite lubricante, impactando el eje con el desgaste mecánico producido por la acumulación de desechos metálicos.

Mitigación de corriente de rodamiento

Se deben aplicar reglas de instalación de mejores prácticas para contribuir a la mitigación de la corriente del rodamiento.

La mitigación típica para prevenir las corrientes en los cojinetes y el daño que causan es interrumpir o bloquear el camino de la corriente.

Se instala un inductor de modo común entre el VFD y el motor para reducir las corrientes máximas de los fenómenos descritos anteriormente a niveles que sean inofensivos para el motor.

Mejorar la conexión a tierra del motor al variador y del motor a su carga mecánica utilizando correctamente las correas de unión.

Utilice un acoplamiento aislado entre el eje del motor y su carga mecánica.

Agregue un anillo de puesta a tierra del eje en el extremo impulsor del motor y un cojinete aislado en el extremo no impulsor.

Sin embargo, estas medidas de mitigación no eliminan el voltaje de modo común, simplemente reducen su impacto. Las medidas mitigantes deben formar parte del plan de mantenimiento preventivo para asegurar su efectividad en el tiempo.

VFD de energía limpia

Al implementar la última generación de componentes electrónicos de potencia (transistores de carburo de silicio [SiC]), con algoritmos innovadores y patentados y filtros integrados optimizados, los VFD de potencia limpia proporcionan a los motores de CA una onda sinusoidal limpia y pura.

Cuando se aplica un voltaje de onda sinusoidal limpia a un motor, el voltaje de modo común es prácticamente cero. No se genera tensión en el eje y no fluye corriente de modo común en ningún punto del ciclo. Por lo tanto, la causa raíz de la corriente en los rodamientos no existe cuando se utiliza un VFD de potencia limpia y el envejecimiento prematuro del motor no es una preocupación. Sin embargo, siempre existen corrientes potenciales en los cojinetes y ejes para los motores accionados por onda sinusoidal debido a la falta de simetría del motor debido a su diseño eléctrico.

Las corrientes de rodamientos y ejes siempre pueden fluir a través de materiales conductores como ejes de motores, bastidores, pistas de rodamientos y bolas de rodamientos. A menudo se les llama corrientes circulantes. Algunos fabricantes de motores diseñan motores con cojinete aislado. Estos diseños se crean para interrumpir el camino cerrado de las corrientes circulantes a través de los cojinetes hasta el bastidor del motor conectado a tierra.

Prevenir la causa más frecuente de fallo del motor es mantener correctamente los rodamientos y evitar los problemas derivados del voltaje en modo común. Puede resultar útil aislar los rodamientos con cerámica u otros materiales no conductores e instalar anillos de puesta a tierra del eje. Sin embargo, esas son sólo soluciones provisionales y no solucionan la causa raíz del problema.

Referencias

SKF, Bearing Failures.skf.com/binaries/pub12/images/0901d1968064c148-bearing-failures---14219_2-en_tcm_12-297619.pdf

Dean Payn- para rodamientos BDS: qué causa las fallas en los rodamientos y las medidas preventivas que necesita saber.bdsbearing.com/blog/bearing-failures

Ciprian Radu - para Bearing News - Las causas más comunes de falla de los rodamientos y la importancia de su lubricación.bearing-news.com/the-most-common-causes-of-bearing-failure-and-the-importance-of-bearing -lubricación/

Rockwell Automation: consideraciones de instalación para variadores de CA IGBT.literature.rockwellautomation.com/idc/groups/literature/documents/wp/drives-wp019_-en-p.pdf

Rockwell Automation: informe técnico sobre mantenimiento.org: soluciones de corriente para ejes y cojinetes de motores de inducción accionados por inversor.

Damien Herwegh es el gerente de ofertas de SmartD Technologies, con más de 25 años de experiencia en la industria de la automatización enfocada en marketing para la comprensión de la experiencia del usuario. Para obtener más información, visite smartd.tech.