DESGASTE PREMATURO EN RODAMIENTOS DE LOS MOTORES ELECTRICOS POR ELECTRO EROSION, O CORRIENTES DE ARCO

      Hoy en día no es necesario explicar de forma extendida los beneficios que proporcionan los accionamientos mediante VF (variadores de frecuencia), pues son bien conocidos. Los VF son usados para el accionamiento de motores eléctricos de todo tipo y la regulación de su velocidad de rotación. La variación de velocidad mediante VF está extendida por todo el tejido industrial. Los ahorros en consumo de energía eléctrica que se obtienen con su empleo son conocidos y apreciados, el coste de estos accionamientos para regular la velocidad de los motores es cada vez menor, las ventajas son muchas, pero no están exentos de producir problemas graves, ni tampoco su funcionamiento es benigno, sobre todo cuando se usan para el accionamiento de motores grandes, pudiendo llegar incluso en algunos casos a darse el caso inverso, de coste adicional superior, al ahorro que se pretende obtener, por utilizar variadores de frecuencia. 

      Montajes Alhama S.L.U. diseña y fabrica instrumentos de tecnología avanzada capaces de mostrar las anomalías eléctricas que producen la erosión en los rodamientos de los motores eléctricos, para poder cuantificarlos, en la misma línea de soluciones nuestra empresa diseña y fabrica componentes eléctricos que eliminan con garantía el 100% las anomalías que causan el envejecimiento prematuro de los rodamientos de los motores accionados mediante los VF, vease en ela barra de menu, I+D Analizadores, Analizador EDM, y en Mantenimiento Electrico, Resonadores Vectoriales.    

      Un detalle a tener en cuenta es el hecho de que, cuando los transistores IGBT (Transistor de Conmutación de Puerta Aislada) que emplean los VF para realizar su funcionamiento, los mismos envejecen, las pérdidas por conmutación aumentan considerablemente a esto se le llama (fatiga de los semiconductores de potencia). Estas pérdidas son producidas por los transistores en las conexiones y desconexiones durante los tiempos de bajada o de subida de la onda de tensión, suceden por cada conexión o desconexión que la portadora PWM (modulación por ancho de pulso) realiza. Por ejemplo, para un VF de potencia media comprendida entre 100 y 300 KW la frecuencia de ON/OFF es de +/- 4 KHz, esto son 4.000 conexiones más 4.000 desconexiones por cada semiperiodo de cada fase, en total para una frecuencia de 50 Hz suceden 4.000 ciclos, con bajadas y subidas de tensión son 8.000 periodos durante los cuales se producen perdida de energía, X 2 polos por fase, serán 16.000 ciclos de perdida por fase, X 3 fases que tiene un motor, serian 48.000 ciclos en los cuales se produce perdida de energía por cada 360º o revolución del eje del motor, X 50 Hz, serán un total de 2.400.000 ciclos en los cuales se pierde energía por cada segundo de tiempo, !!increíble!!, la única parte buena que tiene todo esto es que el total de operaciones por segundo se distribuye entre 6 transistores, 2 por cada fase, obteniéndose 400.000 operaciones de conmutación por segundo, "igualmente increíble" Teniendo en cuenta que los transistores son materiales construidos con cristal de silicio, los mismos no tienen una duración infinita, por el contrario su longevidad depende de la temperatura, de la carga de intensidad, del número de operaciones que realiza, de la velocidad con la que conmuta, y del tiempo de trabajo. Efectivamente cuanto mayor es la frecuencia de la onda portadora PWM peor para los transistores IGBT porque realizan un mayor número de operaciones durante el mismo tiempo.

      Por ejemplo, en motores que funcionan a frecuencias elevadas accionados mediante variadores de frecuencia como sucede con los motores eléctricos que accionan soplantes de levitación magnética, los mismos trabajan a frecuencias comprendidas entre 300 y 400 Hz, en estas aplicaciones el número de conmutaciones por segundo que realizan los transistores de potencia del variador se multiplica de 6 a 8 veces, por lo cual la fatiga de los transistores IGBT se multiplica por el mismo número, traduciéndose en una duración de los mismos inversamente a la frecuencia a la que trabaja el variador, Del mismo modo el aislamiento del devanado eléctrico del motor se verá reducido de forma acelerada inversamente proporcional a su frecuencia de operación. La parte mecánica de rodamientos del eje sufrirá un desgaste acelerado a causa de las corrientes de arco de alta frecuencia que circulan por los rodamientos hacia masa, erosionando las bolas y las pistas de éstos. La parte eléctrica del devanado del motor, su aislamiento reducirá sus propiedades dieléctricas deforma acelerada debido a las sobretensiones de conmutación que producen los transistores IGBT de potencia del variador al conmutar la carga inductiva del devanado, a frecuencias mucho más elevadas.     

      Los variadores de frecuencia que operan a frecuencias por debajo de 50 Hz, y en mayor medida los variadores que operan a frecuencias mucho mayores, en sus transistores de potencia se producen sobretensiones mucho mayores que la máxima tensión de diseño, es por esta causa que en lugar de tener una duración típica de más de 20.000 horas según los fabricantes, los mismos se averían en menos de la mitad de dicho tiempo, generando avería reflejas en el motor o en los circuitos sensibles de control del variador, causando su destrucción. 

 

      En la imagen siguiente se muestra la secuencia de conmutación de un transistor IGBT para un ciclo de ON/OFF (conexión desconexión)

 

INTRODUCCIÓN

      El problema principal de los VF tiene su origen en el desconocimiento que existe por parte de la mayoría de profesionales sobre su funcionamiento, y los fenómenos eléctricos que se producen durante su operación, por lo cual poner solución a las anomalías que producen los VF cuando éstas aparecen por motivo del funcionamiento será una cuestión muy difícil si se desconocen los motivos que crean dichas anomalías. Por estas causas las consecuencias del mal funcionamiento de variadores y de motores permanece durante toda la vida útil de la máquina. Generalmente el desconocimiento técnico sobre el funcionamiento de los variadores de frecuencia conlleva que no se instalen los componentes complementarios esenciales para su buen funcionamiento, sus consecuencias se traducen en averías en los variadores, y quemado de motores, cuando no se tiene un conocimiento profundo del funcionamientos de los VFs para éstas averías se suelen diagnosticar causas desacertadas, cuando en realidad es una instalación deficiente en origen del montaje del variador de frecuencia por la ausencia de los complementos eléctricos esenciales que no se instalaron.

      Otra complicación que se origina con la instalación de variadores de frecuencia es, que los componentes eléctricos complementarios del circuito de un VF, que debieran ser de obligada instalación, algunos de ellos no son exigibles por norma, y por esta causa se cambian accionamientos antiguos de los motores, como por ejemplo accionamientos a contactores, arrancadores suave, etc., o bien los VF son instalados desde el principio en una instalación, sin contemplar la más mínima reducción de los armónicos de corriente que producen los VF durante su funcionamiento, tampoco se instalan fusibles ultrarrápidos para protección de los semiconductores (transistores) del VF porque tienen un precio elevado, en un suma y sigue de errores basados solamente en el ahorro de materiales a la hora de instalar el VF, porque lo que se pretende en la mayoría de casos es variar el número de revoluciones del motor, despreciando todo lo demás, como la duración del motor, la calidad de la alimentación a éste, o el número de averías y fallos que se producirán a medio plazo en el apartado mecánico, como bombas, cajas reductoras, y maquinaria de toda clase conectada al eje del motor eléctrico. 

      Las redes de puesta a tierra comunes de Baja Tensión, no deben ser utilizadas para poner a tierra los VF porque transportarían el ruido eléctrico de alta frecuencia procedente de filtros de EMI cuando éstos son instalados para los variadores, los voltajes de éste ruido se acoplan de forma capacitiva a las masas de las máquinas, y junto con los voltajes acoplados al eje de los motores accionados por VFs, la suma de los dos voltajes, por un lado los de filtros más los voltajes del eje del motor, pueden alcanzar una magnitud suficiente como para perforar el aislamiento de los rodamientos aislados que montan algunos de los motores que son accionados mediante VFs, acelerando de esta forma el desgaste de rodamientos y el de los rodamientos de la maquinaria que se encuentra acoplada al eje del motor, como por ejemplo una bomba hidráulica o una caja de engranajes, donde todos los rodamientos son sometidos a descargas de corrientes de alta frecuencia a través de las bolas o rodillos de los rodamientos, dichas corrientes tienen su origen en el acoplamiento capacitivo del eje de los motores que son accionados mediante VF.

      Los filtros de EMI (Interferencia Electro Magneticas) para corrientes de RF (radio frecuencia) son de obligada instalación para los VF, aunque las normas no especifican cual es nivel de atenuación a las correintes de alta frecuencía que deben proporcionar ni el ancho de banda del espectro de frecuencia que debe cubrir su atenuación, en la practica se instala cualquier filtro, normalmente el mas barato, sin conocer cual es su eficacia, y en algunos casos ni siquiera se instala dicho filtro por ahorro.

      La tasa máxima de armónicos de voltaje THDV y de corriente THDI no se mide en la mayoría de los casos después de montar el variador, las tensiones de AF (alta frecuencia) radiadas o conducidas por los conductores que van al motor, no son medidas nunca o casi nunca, produciéndose posteriormente graves problemas y averías especiamente en las baterías de condensadores. 

      Los interruptores diferenciales para protección de los defectos de aislamiento de los VF deben ser de clase “B”, en la práctica casi siempre se dejan instalados los existentes o se instalan de clase A, o AC produciendo disparos fortuitos de forma intermitente sin motivo aparente, o sin la existencia de defecto alguno, logicamente esta decisión solo está basada en el ahorro o en el desconocimiento.

      El armario donde son alojados los VF y sus aparatos eléctricos complementarios no tiene compatibilidad CEM (compatibilidad electromagnética) casi en ningún caso, las señales del control de los VF disponen de poca atenuación o ninguna frente al acoplamiento capacitivo e inductivo de las elevadas corrientes de alta frecuencia que se originan durante el funcionamiento del VF, dichas señales no tienen aislamiento galvánico en la mayoría de los casos, en el 99 % de los casos el motor accionado no dispone de rodamientos aislantes, o si dispone de ellos su aislamiento es insuficiente (los mas económicos) obteniéndose una vida útil del rodamiento muy corta a causa del desgaste por electro erosión, producida por las corrientes EDM (corrientes de arco de alta frecuencia) originadas por los arcos voltaicos que surgen en los rodamientos por motivo de los voltajes de alta frecuencia acoplados al eje de los motores que son accionados por los VFs.

      La mayoría de estas cuestiones son ignoradas por desconocimiento, en otras ocasiones a pesar de conocerse no se contemplan por simple economía, o no se incorporan desde el proyecto para ofrecer precios competitivos cada vez más bajos donde solo se oferta el aparato VF, y se desprecian las consecuencias que genera su funcionamiento.

      Resumiendo este apartado en que mayoritariamente se prefiere solucionar los posibles problemas que puedan surgir después de la instalación del VF “sobre la marcha”, llamado (mantenimiento correctivo), en lugar de instalar todos o algunos de los materiales eléctricos complementarios para un VF, que son esenciales para el buen funcionamiento del motor y del resto de la instalación eléctrica, y mecánica de las máquinas, donde en ocasiones se producen paradas por averías que tienen un coste muy elevado. En la mayoría de estas ocasiones solo se repara lo averiado sin contemplar cual es el origen del problema que ha causado la avería, que es una mala instalación eléctrica de los motores y del VF que los acciona, dando lugar a la repetición de las mismas avería a corto plazo. Hemos constatado que las maquinas nuevas que tienen estos problemas en determinadas ocasiones quedan paradas durante meses, o años, y a veces se dejan averiadas de forma indefinida porque solo producen gastos, en estos casos se ha de revisar todo el armario eléctrico y realizar los todos los cambios o modificaciones del circuito eléctrico de los VF si se pretende que dichas máquinas funcionen bien.

 

      La siguiente imagen muestra el esquema completo de un variador de frecuencia con todos los componentes asociados y las correspondientes formas de onda de entrada y salida

 

      En orden de importancia respecto a los problemas que originan los variadores de frecuencia durante su funcionamiento destacamos los siguientes:

Generación de corrientes y voltajes armónicos en el lado de red, de la acometida al VF

      Las corrientes armónicas crean distorsión en la forma de onda que llega a los motores, generando un mayor consumo adicional de energía eléctrica y mayor calentamiento de los motores. Las baterías de condensadores para la corrección de la energía reactiva son víctimas directas de los armónicos de tensión, pues los armónicos producen mayor consumo, y en la mayoría de ocasiones la destrucción de los condensadores por resonancias de éstos a las frecuencias de los armónicos, por el siguiente motivo, el consumo de corriente de un condensador lo determina su Xc (reactancia en ohmios), así la reactancia que ofrece un condensador al paso de una corriente alterna, es inversamente proporcional a la frecuencia que alimenta al condensador, según la siguiente ecuación, Xc = 1/(2ΠFC), donde F=frecuencia de la alimentación, y C=capacidad del condensador. Si la frecuencia que alimenta el condensador es cinco veces superior el valor de Xc será cinco veces inferior, consumiendo el condensador cinco veces la corriente nominal, destruyendo el condensador. En cualquier instalación donde se encuentran VFs instalados el armónico predominante es el 5º, los demás armónicos de orden superior son de menor magnitud, pero no por ello menos importantes.

      El origen de estas corrientes armónicas procede del rectificador del VF, en efecto cuando se rectifican voltajes trifásicos que proceden de un transformador, donde su devanado secundario está conectado en estrella, y el devanado primario se encuentra conectado en triangulo, o sea, conexión (Dny11), lo que sucede en la mayoría de los casos donde existe instalados transformadores de distribución, la forma de onda de la corriente de salida del rectificador del VF es similar a la joroba de los camellos, generando tensiones y corrientes en el 5º armónico, y siguientes, todos ellos de orden impar, Estas tensiones armónicas son mezcladas con la tensión de la red, y como resultado se obtienen una forma de onda deformada distinta de la original. Para reducir esta anomalía se deben instalar filtros de corriente armónica adecuados a la entrada del VF, el tema es que la mayoría de éstos filtros que existen instalados en los armarios donde se encuentran alojados los VF, están instalados solo para “cubrir expediente”, con una reducción de armónicos de apenas (-3 dB/octava) en el mejor de los casos, en realidad esa reducción solo le hace "cosquillas" a los armónicos. Para que éstos filtros sean efectivos debieran ser de al menos (12 dB/octava). Otro modo de reducir o en su caso eliminar casi por completo la presencia de las corrientes armónicas consiste en instalar filtros activos electrónicos, estos aparatos son de precio elevado, pero son el mejor método para reducir o eliminar casi por completo las corrientes armónicas. Funcionan aportando corriente de polaridad inversa a la del armónico con igual magnitud para cada semiperiodo de cada uno de los armónicos. Es el método más eficaz para reducir o eliminar las corrientes armónicas.

 

      La imagen siguiente muestra un armónico y la distorsión que produce sobre la onda de tensión de la red del suministro eléctrico

 

Acoplamiento capacitivo de voltajes en el rotor de los motores, que provoca la circulación de corrientes de alta frecuencia a través de los rodamientos del motor, hacia masa

      Los variadores de velocidad (VF) utilizados para controlar motores de CA pueden producir grandes voltajes PWM (modulación de tensión por ancho de pulso) de alta frecuencia que pueden acoplarse capacitivamente al eje del motor. 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 de detectar por ningún aparato de medida eléctrica, solo puede detectarse con analizadores de espectro de RF, o con osciloscopios con alcaces superiores a 1 GHz. 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, se produce una vibración inadmisible en el estator del motor, que acaba destruyendo sus aislamientos. En ocasiones el desgaste de los rodamientos producido por las corrientes de arco, provocan cercanías y rozamientos del rotor sobre el paquete de chapas del estator, los hilos de las bobinas son forzados cuando se deforman las ranuras del estator donde éstos van alojados, propiciando el quemado del devanado eléctrico del motor por cortocircuito. En la mayoria de los casos este defecto es acusado despues de una avería sobre la mecánica del motor, pues en los rodamientos aparece la grasa quemada de color muy oscuro y muy espesa, tambien suele producir el deslizamiento de la pista externa del rodamiento sobre la caja del mismo porque el rodamiento se calienta excesivamante por defecto de lubricación y se gripa.  

      Las temperaturas locales elevadas en los rodamientos hacen que los aditivos del lubricante se carbonicen o quemen el aceite base. Ello hace que los aditivos se consuman más rápidamente. En caso de lubricación con grasa, esta se vuelve negra y dura. Esta avería rápida acorta drásticamente la vida útil de la grasa y del rodamiento. Si no se lleva a cabo una relubricación a tiempo, se pueden producir daños secundarios por lubricación deficiente.

      Podemos reducir las consecuencias de este fenómeno instalando rodamientos aislantes de diferentes tecnologías, los hay con la pista externa o interna cubierta de cerámica, son los más económicos pero no los mejores, pues la parte aislante puede ser atravesada por las tensiones de alta frecuencia si la magnitud de las mismas es elevada,  existen rodamientos con las bolas o rodillos interiores de nitruro de silicio, estos son los mejores, son de precio elevado pero también son los que más duran, del orden de dos o tres veces la duración de un rodamiento normal. Resulta que todos los rodamientos, los normales y los aislantes, tienen una determinada duración, y no evitan que las corrientes de alta frecuencia de voltajes PWM muy elevados lleguen al devanado del motor por otras causas. Estos voltajes son responsables directos de la reducción de la vida de los motores por el estrés dieléctrico que producen en los aislamientos. La solución definitiva es la instalación de resonadores vectoriales a la salida del variador de frecuencias, de este modo no es necesario incorporar rodamientos aislantes a los motores, ni utilizar cables apantallados desde el VF hasta el motor, tampoco se emitiría radiación electromagnética por el cable de acometida desde el VF al motor, y además, se reducirían las pérdidas de energía eléctrica en el cable. Nuestra empresa es especialista en la fabricación de resonadores vectoriales para variadores de frecuencia de cualquier potencia, pudiendo dar solución para cualquier clase de problema relacionado con las corrientes de arco que destruyen los rodamientos de los motores.

Circulación de corrientes de alta frecuencia desde el propio VF hacia las masas de las maquinas

      Para reducir al máximo este problema se han de instalar las puestas a tierra separada para los VF de forma independiente a las puesta a tierra generales de la instalación de baja tensión, y hacer conducir por los conductores de la puesta a tierra separada solo las corrientes de alta frecuencia que se producen por el funcionamiento de los VF, a través de un filtro de paso alto fabricado expresamente. De forma paralela se deben instalar filtros para bloquear las corrientes de AF en el conductor de la puesta a tierra general. Nuestra empresa puede calcular e instalar estos filtros para cada caso particular.

Disparos de las protecciones diferenciales sin motivo aparente

      Los disparos fortuitos de las protecciones diferenciales que alimentan a los VF, sin motivo aparente, suceden porque las protecciones diferenciales de éstos suelen ser de clase A o AC que son los mas economicos. Los variadores de frecuencia producen corrientes de alta frecuencia que son radiadas por las masas, dichas corrientes se acoplan de forma capacitiva e inductiva a los conductores de toda la instalación eléctrica, actuando como si se tratase de una antena de radio. Para reducir en parte los disparos intempestivos de los diferenciales que protegen a los VF se deben instalar diferenciales de clase "B", pero éstos son de precio elevado, del orden de cinco a diez veces el precio de un aparato de clase A o AC. Los diferenciales de clase B llevan incorporado un filtro de AF (Alta Frecuencia) más un filtro de tiempo, con objeto de reducir al máximo el paso de las corrientes de AF por la bobina del dispositivo diferencial que recoge la corriente residual de defecto, filtrando de este modo solo las corrientes de BF (baja frecuéncia) que son las que el filtro deja pasar para producir el disparo del rele. Nuestra empresa fabrica filtros que se instalan entre el transformador toroidal y el relé diferencial, actúan bloqueando las corrientes de AF, evitando que éstas lleguen al relé, es un método sencillo, económico, y fácil de instalar, en comparación con la instalación de diferenciales de clase B son mas economicos y pueden ser calculados en función de las condiciones en las que trabaja la protección diferencial.

Radiación electromagnética en el entorno donde se encuentra instalado el VF, "EMI" (Interferencias Electro Magnéticas) radiadas

      El entorno donde funciona un VF genera gran cantidad de frecuencias de distinta naturaleza y magnitud en un amplio espectro de frecuéncias. El alojamiento en origen de los VF en el interior de un armario con compatibilidad CEM es la mejor solución para eliminar el problema. El cambio de los VF que ya existen instalados en armarios normales a armarios CEM presenta varios inconvenientes, pero es posible y recomendable el cambio por armarios CEM si los VF funcionan en entornos con alta densidad de aparatos informáticos o señales sensibles, PLC, sistemas de telecomunicación, etc., por los problemas posteriores que su funcionamiento puede ocasionar, pues en la mayoría de casos el funcionamiento de los VF en éstos entornos acarrea averías intermitentes y malfuncionamiento, o funcionamiento erratico de los aparatos eléctricos, que en la mayoría de casos son muy difíciles de localizar. Nuestra empresa puede realizar las modificaciones necesarias para hacer compatible con CEM un armario normal, sin que haya que cambiar todo el armario.

Radiación electromagnética producida por los cables de acometida al motor, "EMI" (Interferencias Electro Magnéticas) conducidas

      La mayor parte de los conductores apantallados que se instalan para reducir las consecuencias que producen la radiación electromagnética generada por los cables de las acometidas a los motores que son accionados por VF, son en su mayoría cables apantallados normales. Los cables especiales que reducen de forma considerable éstos efectos dañinos para la instalación eléctrica y los sistemas sensibles, son de precio elevado y no eliminan la causa el problema. Para eliminarlo de forma definitiva se debe actuar sobre la fuente del mismo, instalando los resonadores vectoriales que nuestra empresa fabrica para cada potencia en cuestión, con ello se elimina la energía que se pierde en los conductores por perdidas engendradas por las corrientes de AF, llegando al motor una forma de onda como si no existiese el VF, proporcionando un seno casi senoidal perfecto.  

     

Solución de los problemas en rodamientos de motores y aislamientos de devanados y variadores

      Todos estos problemas tienen su solución como hemos comentado en cada apartado.

      Desde hace varios años nuestra empresa diseña componentes eléctricos que los denominamos (Resonadores Vectoriales) para eliminar por completo el fluting ”electroerosión en los rodamientos” de los motores eléctricos producida por el funcionamiento de los variadores de frecuencia que accionan a dichos motores. Este fenómeno reduce la vida de los rodamientos de los motores eléctricos de modo severo.

      Estas soluciones funcionan con el 100 % de garantía, como se suele decir, “si no funciona al 100 % le devolvemos su dinero”, ahorran energía eléctrica y prolongan la vida útil de los motores y de las máquinas que están acopladas a los motores.