Los motores eléctricos juegan un papel vital en nuestra vida cotidiana, donde vivimos, trabajamos y jugamos.En pocas palabras, hacen que casi todo lo que se mueve se mueva.Casi el 70 por ciento de la electricidad consumida por la industria es utilizada por sistemas de motores eléctricos.1

Aproximadamente el 75 por ciento de los motores industriales en funcionamiento se utilizan para hacer funcionar bombas, ventiladores y compresores, una categoría de maquinaria que es muy susceptible de importantes mejoras de eficiencia2.Estas aplicaciones a menudo funcionan a una velocidad constante, todo el tiempo, incluso cuando no se necesitan.Esta operación constante desperdicia energía y produce emisiones de CO2 innecesarias, pero al controlar la velocidad de un motor, podemos reducir el consumo de energía, ahorrar energía y reducir el impacto ambiental.

Una forma de controlar la velocidad de un motor es mediante el uso de un variador de velocidad (VSD), un dispositivo que regula la velocidad de rotación de un motor eléctrico variando la frecuencia y el voltaje suministrado al motor.Al controlar la velocidad de un motor, un variador puede reducir el consumo de energía (por ejemplo, reducir la velocidad del equipo giratorio en un 20 por ciento puede reducir los requisitos de energía de entrada en aproximadamente un 50 por ciento3) y proporcionar una mejora considerable en el control del proceso y ahorros significativos en el costo de operación durante la vida útil. de los moA tan útiles como los VSD son para ahorrar energía en muchas aplicaciones, pueden causar fallas prematuras del motor si no se conectan a tierra correctamente.Si bien existen muchas causas diferentes para las fallas de los motores eléctricos, el problema más común cuando se usa un variador es la falla de los cojinetes causada por el voltaje de modo común.

Daños causados ​​por voltaje de modo común

En un sistema de CA trifásico, el voltaje de modo común se puede definir como el desequilibrio presente entre las tres fases creado por la potencia modulada por ancho de pulso del variador, o la diferencia de voltaje entre la tierra de la fuente de energía y el punto neutral de los tres. carga de fase.Este voltaje de modo común fluctuante induce electrostáticamente voltaje en el eje del motor, y este voltaje del eje puede descargarse a través de los devanados o de los cojinetes.Los diseños de ingeniería modernos, el aislamiento de fase y el cable resistente a los picos del inversor pueden ayudar a proteger los devanados;sin embargo, cuando el rotor ve una acumulación de picos de voltaje, la corriente busca el camino de menor resistencia a tierra.En el caso de un motor eléctrico, este camino discurre directamente a través de los cojinetes.

Dado que los cojinetes del motor utilizan grasa para la lubricación, el aceite de la grasa forma una película que actúa como dieléctrico, lo que significa que puede transmitir las fuerzas eléctricas sin conducción.Sin embargo, con el tiempo, este dieléctrico se rompe.Sin las propiedades de aislamiento de la grasa, el voltaje del eje se descargará a través de los cojinetes y luego a través de la carcasa del motor para lograr una conexión a tierra eléctrica.Este movimiento de corriente eléctrica provoca la formación de arcos en los cojinetes, comúnmente denominado mecanizado por descarga eléctrica (EDM).A medida que se produce este arco continuo con el tiempo, las áreas superficiales de la pista del rodamiento se vuelven quebradizas y pueden romperse pequeñas piezas de metal dentro del rodamiento.Eventualmente, el material dañado se abre camino entre las bolas y las pistas del rodamiento, causando un efecto de esmerilado, que puede producir picaduras del tamaño de una micra, llamadas escarcha, o crestas similares a tablas de lavar en la pista de rodadura del rodamiento, llamadas acanaladuras.

Algunos motores pueden continuar funcionando a medida que el daño empeora progresivamente, sin ningún problema notable.La primera señal de daños en los rodamientos suele ser un ruido audible, debido a que las bolas de los rodamientos se desplazan sobre las áreas picadas y escarchadas.Pero en el momento en que se produce este ruido, el daño suele ser lo suficientemente importante como para que la falla sea inminente.

Basado en la prevención

Las aplicaciones industriales normalmente no experimentan estas dificultades de rodamientos en motores de velocidad variable, pero en algunas instalaciones, como edificios comerciales y manejo de equipaje en aeropuertos, no siempre se dispone de una conexión a tierra sólida.En estos casos, se debe usar otro método para desviar esta corriente de los cojinetes.La solución más común es agregar un dispositivo de puesta a tierra del eje en un extremo del eje del motor, especialmente en aplicaciones donde el voltaje de modo común puede ser más frecuente.Una puesta a tierra del eje es esencialmente un medio para conectar el rotor giratorio del motor a tierra a través de la estructura del motor.Agregar un dispositivo de puesta a tierra del eje al motor antes de la instalación (o comprar un motor con uno preinstalado) puede ser un pequeño precio a pagar en comparación con el precio de los costos de mantenimiento asociados con el reemplazo de cojinetes, sin mencionar los altos costos de tiempo de inactividad en una instalación.

Hay varios tipos comunes de dispositivos de puesta a tierra de ejes en la industria actual, como escobillas de carbón, escobillas de fibra de estilo anular y aisladores de cojinetes de puesta a tierra, y también están disponibles otros métodos para proteger los cojinetes.

Las escobillas de carbón se han utilizado durante más de 100 años y son similares a las escobillas de carbón que se usan en los conmutadores de motores de CC.Las escobillas de puesta a tierra proporcionan la conexión eléctrica entre las partes giratoria y estacionaria del circuito eléctrico del motor y llevan la corriente del rotor a tierra para que la carga no se acumule en el rotor hasta el punto en que se descargue a través de los cojinetes.Las escobillas de puesta a tierra ofrecen un medio práctico y económico para proporcionar una ruta de baja impedancia a tierra, especialmente para motores de estructura más grande;sin embargo, no están exentos de inconvenientes.Al igual que con los motores de CC, las escobillas están sujetas a desgaste debido al contacto mecánico con el eje y, independientemente del diseño del portaescobillas, el conjunto debe inspeccionarse periódicamente para asegurar un contacto adecuado entre las escobillas y el eje.

Los anillos de puesta a tierra del eje funcionan como una escobilla de carbón, pero contienen múltiples hebras de fibras conductoras de electricidad dispuestas dentro de un anillo alrededor del eje.El exterior del anillo, que normalmente se monta en la placa final del motor, permanece estacionario, mientras que las escobillas se desplazan sobre la superficie del eje del motor, dirigiendo la corriente a través de las escobillas y de forma segura a tierra.Los anillos de puesta a tierra del eje se pueden montar dentro del motor, lo que les permite usarse en motores de servicio de lavado y servicio sucio.Sin embargo, ningún método de conexión a tierra del eje es perfecto y los anillos de conexión a tierra montados externamente tienden a acumular contaminantes en sus cerdas, lo que puede reducir su eficacia.

Los aisladores de cojinetes de puesta a tierra combinan dos tecnologías: un escudo de aislamiento sin contacto de dos partes que utiliza un diseño de laberinto para evitar la entrada de contaminantes y un rotor metálico y un anillo de filamento conductor aislado para desviar las corrientes del eje lejos de los cojinetes.Dado que estos dispositivos también evitan la pérdida de lubricante y la contaminación, reemplazan los sellos de cojinetes estándar y los aisladores de cojinetes tradicionales.

Otra forma de evitar una descarga de corriente a través de los cojinetes es fabricar los cojinetes con un material no conductor.En los cojinetes cerámicos, las bolas recubiertas de cerámica protegen los cojinetes evitando que la corriente del eje fluya a través de los cojinetes hacia el motor.Dado que no fluye corriente eléctrica a través de los cojinetes del motor, hay pocas posibilidades de desgaste inducido por la corriente;sin embargo, la corriente buscará un camino a tierra, lo que significa que pasará por el equipo adjunto.Dado que los cojinetes cerámicos no eliminarán la corriente del rotor, solo se recomiendan aplicaciones específicas de transmisión directa para motores con cojinetes cerámicos.Otros inconvenientes son el costo de este estilo de cojinete de motor y el hecho de que los cojinetes generalmente solo están disponibles hasta el tamaño 6311.

En motores de más de 100 caballos de fuerza, generalmente se recomienda instalar un cojinete aislado en el extremo opuesto del motor en el que se instala el dispositivo de puesta a tierra del eje, independientemente del estilo de puesta a tierra del eje que se utilice.

Tres consejos para la instalación de variadores de velocidad

Tres consideraciones para el ingeniero de mantenimiento cuando intenta reducir el voltaje de modo común en aplicaciones de velocidad variable son:

1. Asegúrese de que el motor (y el sistema del motor) estén correctamente conectados a tierra.
2. Determine el equilibrio adecuado de la frecuencia de la portadora, que minimizará los niveles de ruido y el desequilibrio de voltaje.
3. Si se considera necesario un dispositivo de conexión a tierra del eje, seleccione uno que funcione mejor para la aplicación.

Cuando hay una corriente de rodamiento, no existe una solución única para todos.Es fundamental que el cliente y el proveedor de motores y variadores trabajen juntos para identificar la solución más adecuada para la aplicación específica.