SENSOR DE CORRIENTE DE ARCO A TRAVES DE LOS RODAMIENTOS DE LOS MOTORES E.L.M.-300-S

      Los motores eléctricos que son accionados por variadores de frecuencia, pueden conducir corrientes de alta frecuencia generadas por los variadores a través de las bolas metálicas de los rodamientos. Estas corrientes suelen producir picaduras y desgastes excesivos de las bolas y en las pistas de los rodamientos, reduciendo sustancialmente la vida de los mismos. 

      Montajes Alhama S.L.U. ha desarrollado un sistema de medida para analizar este tipo de anomalías, fabricando sensores especiales para poder cuantificar el daño que producen a los rodamientos éste tipo de fenómenos.

 

INTRODUCCIÓN

      Los variadores de velocidad (VF) utilizados para controlar la velocidad de los motores de CA pueden producir grandes voltajes PWM de alta frecuencia que pueden acoplarse capacitivamente al eje de la máquina. Los voltajes en el eje pueden ser suficientes para causar que las corrientes de arco fluyan a través de los rodamientos del motor a tierra.

      Las corrientes de descarga pueden provocar el calentamiento e incluso el derretimiento de la superficie de los caminos de rodadura de los rodamientos. El daño causado por las corrientes de los rodamientos también puede conducir a una falla prematura del accionamiento del motor y un mantenimiento costoso y tiempo de inactividad.

      Esta anomalía es imposible detectarla con aparatos de medida eléctrica, para cuando aparecen sus síntomas, el motor ya está averiado. Es típico que las averías mecánicas que se producen por este fenómeno, lleven aparejado consigo el "quemado" del bobinado del motor, fundamentalmente porque en la última fase de degradación de los rodamientos, se produce una vibración inadmisible en el estator del motor, que acaba mermando sustancialmente sus aislamientos. Cuando en el entorno de un sistema productivo existe mucho ruido y los motores no estan accesibles, o no estan a la vista, el problema de la vibración solo se aprecia cuando aparecen los sintomas por disparo de alguna protección, es por ello de vital importancia establecer un plan de verificaciónes periodicas con objeto de anticiparnos a las averías, realizando las operaciones de corrección antes de que éstas se produzcan.

 

      Evolución del aislamiento en los devanados de un motor eléctrico

      El origen del problema proviene del tipo de onda PWM que generan los variadores de frecuencia para poder hacer funcionar al motor a velocidad variable. Estas ondas PWM, NO SON senoidales, ni tampoco son voltajes RMS, se trata de pulsos de voltaje cuadrados de alta frecuencia, con tensiones de (U x √² x 2) Por ejemplo, para una red de 400 V (AC) RMS, serían, 400 x 1,4142 x 2 = 1131 V (DC), obsérvese que el tipo de voltaje que llega al motor no es AC senoidal, sino, DC con pulsos cuadrados de AF (alta frecuencia). Hay que advertir que los motores eléctricos son fabricados para trabajar con tensiones senoidales de seno regular, y no con ondas cuadradas de voltajes mucho más elevados que los nominales del aislamiento del motor. Es por este motivo que, cuando a un motor antiguo que lleva años funcionando, se le instala un accionamiento con variador de frecuencia, dicho motor falla al poco tiempo, porque sus aislamientos no se encontraban en las mejores condiciones, tambien fallan porque el aislamiento debil es superado por el estres dielectrico que producen los altos voltajes PWM.

 

      Fotografia tomada con el analizador, que corresponde al voltaje PWM suministrado por un variador de frecuencia a un motor, cada semiciclo esta formado por miles de pulsos (trama en color amarillo), en la parte inferior de la imagen se ven ampliados un periodo completo.

      Para eliminar completamente el perjuicio que causan a los aislamientos de los motores los voltajes PWM que llegan al devanado, destruyendo rodamientos y bobinados, nuestra empresa puede dar solución a éste problema instalando componentes eléctricos que han sido calculados, ensayados, y desarrollados durante años, Dichos componentes logran que las ondas de tensiones y corrientes que llegan al motor, sean iguales que las de la red, o sea, senoidales de seno casi perfecto, a las frecuencias que fabrica el variador, o sea, al motor llegan las ondas de baja frecuencia, y no las de AF. Además de prolongar la vida del motor, ésta solución reduce el consumo de energía activa, pues las pérdidas por conmutación de AF que se producen en el variador de frecuencia, son eliminadas por completo.

 

      En la Imagen inferior, se representan transitorios de sobretensión que ocurren durante las conmutaciones de los transistores IGBT en el variador. Los valores de voltaje pueden alcanzar el doble de tensión, que la máxima que pueden soportar los aislamientos de los devanados. El número de conmutaciones que realizan los transistores de los variadores de frecuencia para producir un solo periodo o ciclo, que corresponde a una sola revolución del eje de un motor, ronda varios miles de operaciones de conexión y desconexión. La cifra habitual de conmutaciones para un motor de potencia media de 100 KW que trabaja a 50 Hz es de alrededor de 4 KHz por cada semiperiodo, esto quiere decir que se realizan 4 KHz X 2 polos X 50 Hz =  400.000 conmutaciones por segundo, esto sucede en cada fase, en las tres fases ocurren 1.200.000 conmutaciones en total, de este modo el devanado de un motor sufre un estrés dieléctrico que reduce considerablemente la vida del mismo. Otro de los perjuicios para el aislamiento de los devanados que son accionados por las ondas PWM, consiste en la velocidad de crecimiento o decaimiento de la tensión, en efecto, se trata de frentes de subida de solo 1 µS (0,000001 Seg.), que también generan oscilaciones de varios miles de Hz. El aislamiento de los devanados puede considerarse como una capacidad, en AF las espiras del devanado se comportan como un circuito abierto, quedando solo su capacidad, las corrientes de AF que se originan en las capacidades entre espiras a la entrada de las chapas magnéticas del motor, calientan los hilos del devanado de forma localizada por el consumo extra que producen las propias corrientes de AF sobre las capacidades de los hilos. Este valor de calentamiento es independiente del calor que se produce por la carga del motor, resultando en un elevado estrés dieléctrico a la entrada de las bobinas en la chapa magnética, siendo este punto el más habitual donde se producen la mayoría de los defectos del aislamiento en los motores.  

      El tipo de onda senoidal no genera corrientes destructivas a través de los rodamientos de los motores, pues tampoco se acopla de forma capacitiva desde el eje del motor al estator. Por su parte la ondas PWM de AF si se acoplan de forma capacitiva desde el eje del motor al estator y por ello destruye los rodamientos. Ello justifica, que la instalación de la solución propuesta sea económica en comparación con costosas reparaciones y pérdidas de producción por paradas del sistema productivo.

 

      Forma de onda senoidal de red (izquierda) y pulsos PWM a la salida del variador hacia el motor (derecha)

 

      En la imagen inferior se muestra el sensor desarrollado por Montajes Alhama S.L.U. para la medida de corrientes de arco en rodamientos de los mototres eléctricos

     

      En la imagen inferior se representa el diagrama de Bode, correspondiente a la transferencia de impedancia que realiza nuestro sensor para medir corrientes de arco AF y pulsos de arco de voltajes inducidos de AF.

Imagen de rodamiento con la pista exterior desgastada a causa de las corrientes de arco producidas por el accionamiento con variador de frecuencia

 

Vista de la pista del rodamiento de la imagen anterior, desmontado para ver detalles del daño causado por las corrientes de arco 

     

      Curva de evolución de la vibración en los motores eléctricos. Cuando los rodamientos se encuentran excesivamente desgastados se producen vibraciones anormales en el eje del motor, esto puede causar un envejecimiento acelerado en el devanado eléctrico.