La llegada de los variadores de frecuencia (VFD) ha revolucionado el control de la automatización industrial y la eficiencia energética de los motores. Los VFD son prácticamente indispensables en la producción industrial e incluso en la vida diaria se han convertido en componentes integrales de ascensores y aparatos de aire acondicionado de frecuencia variable-. Los VFD han permeado todos los rincones de la producción y la vida diaria. Sin embargo, también han introducido desafíos sin precedentes, siendo los daños al motor uno de los problemas más destacados.
Muchos ya han observado el fenómeno de los VFD que dañan los motores. Por ejemplo, un fabricante de bombas enfrentó recientemente informes frecuentes de clientes sobre fallas en las bombas que ocurrían dentro de los períodos de garantía. Anteriormente, los productos de este fabricante eran conocidos por su fiabilidad. La investigación reveló que todas las bombas dañadas eran accionadas por variadores de frecuencia.
Aunque el problema del daño motor inducido por VFD-está ganando atención, los mecanismos subyacentes siguen sin estar claros y las medidas preventivas se desconocen en gran medida. Este artículo tiene como objetivo abordar estas incertidumbres.
Daños a motores causados por VFD
Los daños a los motores causados por los VFD se manifiestan de dos maneras principales: daños en el devanado del estator y daños en los cojinetes, como se ilustra en la Figura 1. Estos daños suelen ocurrir en un plazo que va desde varias semanas hasta más de un año. La duración específica depende de numerosos factores, incluida la marca del VFD, la marca del motor, la potencia nominal del motor, la frecuencia portadora del VFD, la longitud del cable entre el VFD y el motor y la temperatura ambiente. Los fallos prematuros de los motores provocan pérdidas económicas sustanciales a las empresas. Estas pérdidas abarcan no sólo los costos de reparación y reemplazo sino, más críticamente, el impacto financiero de un tiempo de inactividad inesperado en la producción. Por lo tanto, cuando se emplean VFD para accionar motores, la cuestión del daño al motor exige mucha atención.
Diferencias entre el variador de frecuencia y el variador de frecuencia de línea
Para comprender por qué los motores de frecuencia de línea son más propensos a sufrir daños en condiciones de variador de frecuencia, primero se deben comprender las diferencias entre el voltaje suministrado por un variador de frecuencia y el voltaje de frecuencia de línea. Entonces, hay que entender cómo estas diferencias afectan negativamente al motor.
Para comprender por qué los motores son más propensos a sufrir daños en condiciones de accionamiento VFD en comparación con el funcionamiento de frecuencia de línea-, primero debemos examinar las diferencias entre el voltaje suministrado por un VFD y el voltaje de frecuencia de línea-. Entonces debemos entender cómo estas diferencias impactan negativamente en el motor.
La estructura básica de un variador de frecuencia se muestra en la Figura 2, que comprende dos secciones principales: el circuito rectificador y el circuito inversor. El circuito rectificador forma un circuito de salida de voltaje CC utilizando diodos estándar y condensadores de filtro. El circuito inversor convierte este voltaje de CC en una forma de onda de voltaje modulada en ancho de pulso- (voltaje PWM). En consecuencia, la forma de onda de voltaje que impulsa el motor desde el VFD es una forma de onda de pulso con anchos de pulso variables, no una forma de onda de voltaje sinusoidal. Accionar el motor con este voltaje pulsado es la causa fundamental del daño del motor.
Mecanismo de daño del inversor a los devanados del estator del motor
Cuando los voltajes de pulso se propagan a través de los cables, la impedancia no coincidente entre el cable y la carga provoca reflexiones en el extremo de la carga. Estas reflexiones dan como resultado la superposición de ondas incidentes y reflejadas, generando voltajes significativamente más altos. Su amplitud puede alcanzar hasta el doble del voltaje del bus de CC-aproximadamente tres veces el voltaje de entrada del inversor-como se ilustra en la Figura 3. Los picos de tensión excesivamente altos aplicados a los devanados del estator del motor provocan sobretensiones. Las sobretensiones frecuentes pueden provocar un fallo prematuro del motor.
La vida útil real de un motor impulsado por un variador de frecuencia después de haber sido sometido a picos de voltaje depende de numerosos factores, incluida la temperatura, la contaminación, la vibración, el voltaje, la frecuencia portadora y el proceso de fabricación del aislamiento de la bobina.
Cuanto mayor sea la frecuencia portadora del convertidor de frecuencia, más se acercará la forma de onda de la corriente de salida a una onda sinusoidal. Esto reduce la temperatura de funcionamiento del motor, extendiendo así la vida útil del aislamiento. Sin embargo, una frecuencia portadora más alta significa que se generan más picos de voltaje por segundo, lo que resulta en impactos más frecuentes en el motor. La Figura 4 ilustra cómo la vida útil del aislamiento varía según la longitud del cable y la frecuencia portadora. El gráfico indica que para un cable de 200 pies, aumentar la frecuencia portadora de 3 kHz a 12 kHz (un aumento cuatro veces) reduce la vida útil del aislamiento de aproximadamente 80 000 horas a 20 000 horas (una disminución cuatro veces).
Efecto de la frecuencia portadora sobre el aislamiento
Cuanto mayor sea la temperatura del motor, más corta será la vida útil del aislamiento. Como se muestra en la Figura 5, cuando la temperatura aumenta a 75 grados, la vida útil del motor se reduce a solo el 50%. Los motores impulsados por variadores de frecuencia (VFD) experimentan temperaturas significativamente más altas en comparación con los impulsados por voltaje de frecuencia de la red pública, debido a que el voltaje PWM contiene una mayor proporción de componentes de alta-frecuencia.
Mecanismo de daño del variador de frecuencia a los cojinetes del motor
La causa del daño del variador de frecuencia a los cojinetes del motor es el flujo de corriente a través de los cojinetes, que ocurre en un estado conectado intermitentemente. Los circuitos conectados intermitentemente generan arcos y estos arcos queman los cojinetes.
Dos causas principales inducen el flujo de corriente a través de los cojinetes del motor de CA: primero, el voltaje inducido por el desequilibrio del campo electromagnético interno; En segundo lugar, las vías de corriente de alta-frecuencia creadas por capacitancia parásita.
En un motor de inducción de CA ideal, el campo magnético interno es simétrico. Cuando las corrientes en los devanados trifásicos-son iguales y la fase-está desfasada 120 grados, no se induce voltaje en el eje del motor. Sin embargo, cuando la salida de voltaje PWM del inversor causa asimetría del campo magnético dentro del motor, se induce voltaje en el eje. Este voltaje generalmente oscila entre 10 y 30 V, dependiendo del voltaje del variador.-Un voltaje de variador más alto da como resultado un voltaje del eje más alto. Si este voltaje excede la resistencia del aislamiento del aceite lubricante dentro del rodamiento, se forma una ruta eléctrica. A medida que el eje gira, el aislamiento del aceite lubricante interrumpe periódicamente el flujo de corriente. Este proceso se asemeja a la acción de conmutación de un interruptor mecánico, generando un arco que erosiona las superficies del eje, las bolas y las pistas de los rodamientos, formando hoyos. Sin vibración externa, las picaduras menores causan un impacto mínimo. Sin embargo, cuando se combina con vibraciones externas, crea surcos que perjudican significativamente el funcionamiento del motor.
Además, los experimentos indican que el voltaje en el eje también está relacionado con la frecuencia fundamental del voltaje de salida del inversor. Cuanto menor sea la frecuencia fundamental, mayor será el voltaje en el eje, lo que provocará daños más graves en los rodamientos.
Durante la fase de operación inicial, cuando la temperatura del lubricante es baja, las amplitudes de corriente varían de 5 a 200 mA. Corrientes tan bajas no causan daños a los rodamientos. Sin embargo, después de un funcionamiento prolongado, a medida que aumenta la temperatura del lubricante, las corrientes máximas pueden alcanzar de 5 a 10 A. Esto induce la formación de arcos, formando micro-picaduras en las superficies de los cojinetes.
Protección de los devanados del estator del motor
Cuando las longitudes de los cables superan los 30 metros, los modernos variadores de frecuencia (VFD) generan inevitablemente picos de voltaje en los terminales del motor, lo que acorta la vida útil del motor. Hay dos enfoques para prevenir daños al motor: usar motores con mayor resistencia a la rotura del aislamiento del devanado (comúnmente llamados motores compatibles con VFD-) o implementar medidas para reducir los picos de voltaje. El primero es adecuado para proyectos nuevos, mientras que el segundo es ideal para modernizar motores existentes.
Actualmente, se emplean cuatro métodos comunes de protección de motores:
(1) Instalar reactores en la salida del inversor: este es el enfoque más utilizado. Sin embargo, tenga en cuenta que, si bien es eficaz para cables más cortos (menos de 30 metros), su rendimiento a veces puede ser subóptimo, como se muestra en la Figura 6(c).
(2) Instalación de un filtro duv/dt en la salida del inversor: Es adecuado para longitudes de cable inferiores a 300 metros. Aunque es un poco más caro que los reactores, ofrece resultados significativamente mejores, como se muestra en la Figura 6(d).
(3) Instalar un filtro de onda sinusoidal en la salida del inversor: esta es la solución más ideal. Al convertir el voltaje del pulso PWM en un voltaje de onda sinusoidal, el motor opera en condiciones idénticas a las del voltaje de frecuencia de línea. Este enfoque resuelve completamente el problema de los picos de voltaje (los picos de voltaje no se producirán independientemente de la longitud del cable).
(4) Instalación de un absorbente de picos de voltaje en la interfaz del cable-motor: los inconvenientes de las medidas anteriores son que los reactores o filtros se vuelven voluminosos, pesados y costosos para los motores de alta-potencia. Además, tanto los reactores como los filtros provocan caídas de voltaje que reducen el par de salida del motor. El uso de un amortiguador de voltaje de pico inversor supera estas limitaciones. El amortiguador de sobretensión SVA desarrollado por el Instituto 706 de la Segunda Academia de CASIC emplea electrónica de potencia avanzada y tecnología de control inteligente, lo que lo convierte en una solución ideal para prevenir daños al motor. Además, el amortiguador de sobretensiones SVA también protege los cojinetes del motor.