Gestión de la tensión de VFD con un kit de puesta a tierra del eje

Los avances en la eficiencia del control y el sistema del motor que se hicieron posibles gracias a los variadores de frecuencia (VFD) del motor han hecho que estos dispositivos sean casi universales en los sistemas de control del edificio y de fabricación.

"Los motores controlados por VFD son una opción estándar en casi todos los equipos nuevos hoy en día. Asimismo, ya en este punto son casi universales", dijo Dave Williams, Supervisor de Servicios Técnicos de McKinstry, una importante empresa de servicios de consultoría, construcción, energía y para instalaciones con sede en Seattle. "Los VFD también son una buena opción de acondicionamiento para nuestros clientes y si nos encontramos dando mantenimiento a los motores que no están controlados por VFD, quiere decir que recomendamos su instalación. Los VFD nos permiten ajustar de manera eficiente la salida del motor a una carga de formas que antes no eran posibles y pueden proporcionar ahorros energéticos significativos a nuestros clientes".

Mediante el control de la velocidad y la salida de un motor eléctrico de inducción, un VFD ajusta el rendimiento del equipo motorizado (como las bombas y los ventiladores) para cumplir con precisión las exigencias de cambio, y así lo hace sin la complicación de válvulas, correas, rejillas y otros dispositivos mecánicos de control necesarios en los sistemas de estilo antiguo. Aquí hay una compensación.

Objetivo: tensiones en el eje

"Nos especializamos en mantener el entorno formado a través de contratos de servicio que les ofrecemos a clientes potenciales", mencionó Williams. "Ofrecemos todo un rango de opciones de planes de mantenimiento, desde inspecciones trimestrales hasta anuales. Examinamos su equipo de manera regular y tomamos medidas además de documentar los parámetros del equipo. Mantenemos un gran número de entornos críticos, como centros de datos e instalaciones de fabricación. En dichos entornos, prestamos mucha atención al funcionamiento del motor. Una forma de hacer esto es con la medición de las tensiones en el eje".

Un VFD convierte la energía eléctrica trifásica que entra en corriente de CC y, así, crea una salida trifásica de onda sinusoidal a partir de dicha corriente de CC. La frecuencia de dicha salida se puede ajustar o variar (los V en el VFD) para controlar la velocidad y la salida del motor.

"La potencia de CA normal que se suministra a un motor de CA se equilibra entre las fases", dijo Williams. Sin embargo, cuando la potencia de CA se transmite a través de un VFD, la potencia ya no será equilibrada y, debido a las frecuencias de conmutación de alta velocidad usadas en inversores de modulación por anchura de pulso (PWM), se inducirá una tensión en el eje del motor. La importancia radica en el hecho de que esta tensión crea y busca una ruta a tierra y si el eje del motor no está conectado a tierra, entonces la ruta de menos resistencia generalmente es la que pasa a través de los rodamientos del motor".

Aunque el alojamiento del motor está conectado a tierra, generalmente el eje no lo está. En tales condiciones, la tensión introducida seguirá aumentando en el eje del motor hasta que alcance un nivel tan alto como para crear un arco a través de los rodamientos del motor hacia el alojamiento del motor y a tierra. A medida que la tensión se arquea a través de los rodamientos del motor, esta daña el lubricante de los rodamientos y deja fisuras en los elementos giratorios de los rodamientos, lo que genera daños".

Sonda Fluke VPS410
¿Cuál es el conjunto de herramientas ideal para la comprobación de la puesta a tierra del eje? Los clientes de McKinstry tienen el beneficio de obtener un kit personalizado de puesta a tierra del eje. Para realizar comprobaciones de rutina, aquí se muestra un par de herramientas recomendadas por Fluke: Osciloscopio portátil Fluke ScopeMeter™ 190 serie II y Sondas de tensión Fluke VPS410

No pierda sus rodamientos

Los motores accionados por las frecuencias de conmutación rápidas inherentes de los inversores de PWM pueden experimentar tensiones en el eje de hasta 70 V o más. Tales tensiones pueden superar las propiedades de aislamiento del lubricante de los rodamientos. Al pasar a través de los rodamientos, el arco resultante puede provocar erosión, acanalado, cráteres por fusión y, eventualmente, falla prematura en los rodamientos. "Se ha vuelto un problema común", dijo Williams, "y cualquier motor controlado por un VFD es susceptible".

Se encuentran disponibles algunas protecciones mediante una variedad de kits de puesta a tierra del eje que combinan la tecnología nanogap de contacto y sin contacto y dirigen la tensión del eje a tierra.

Una falla en el motor dentro de una instalación fundamental, como un centro de datos, línea de fabricación o construcción de un sistema ambiental, es problemática y costosa. De manera que los programas de mantenimiento preventivo de McKinstry han incluido desde hace tiempo análisis de los rodamientos del motor.

"Se generan daños en los rodamientos por muchos motivos", dijo Williams. El daño en los rodamientos puede provenir de lubricante sucio, corrosión, falta de lubricación, lubricación excesiva, carga excesiva en el motor y muchos otros factores. "Sin embargo, se nos hace difícil diagnosticar la avería causada por las tensiones del eje, hasta que el daño ya está hecho".

Una nueva perspectiva

Hoy en día, ya se resolvió dicho problema. McKinstry ha estado midiendo las tensiones en el eje del motor mediante una sonda especial para el eje y el ScopeMeter 190 de la serie II de Fluke®, un osciloscopio manual de cuatro canales que hace posible detectar los problemas con la tensión del eje y verificar la reparación después de que los ejes se han conectado a tierra de manera adecuada.    El procedimiento puede formar parte de su proceso de mantenimiento preventivo.

"Además de la prueba de los rodamientos", mencionó Williams, "y probablemente como un indicador principal de lo que pasa dentro de los rodamientos, esto podría ser una prueba preliminar que podríamos usar para nuestros clientes y nos serviría mucho como referencia de información".

"Sería aplicable para cualquier cliente, pero especialmente para clientes nuevos y para sitios en donde tengan aplicaciones críticas. Probaríamos y buscaríamos entre las corrientes y tensiones del eje para verificar si hay cualquier problema ahí de manera preliminar con el fin de evaluar cómo está funcionando el motor en relación con las tensiones del eje".

La instalación es sencilla

Williams mencionó que la instalación de la prueba es sencilla. Los técnicos solo necesitan instrucciones limitadas. "Con quince o veinte minutos y ya estarán listos", dijo Williams.

En muchas situaciones, los sistemas se deben apagar momentáneamente para eliminar los peligros del equipo en movimiento o de los circuitos eléctricos activos. Después, el técnico usará una base magnética para colocar una sonda de microfibra, de modo que haga contacto con el eje del motor. Si la seguridad y el acceso lo permiten, la sonda se pueden sostener con la mano.  Una segunda sonda entra en contacto con la caja del motor. Posteriormente, el equipo funciona de manera normal y las lecturas registradas en el ScopeMeter muestran la forma de onda de la tensión del eje.

Los resultados pueden ser dramáticos, ya que es la diferencia después de que el eje se conecte a tierra adecuadamente con una funda fabricada para dicho propósito (ver ilustraciones 1 y 2).


Ilustración 1. El problema (superior) muestra una lectura de la tensión en el eje del soplador tomada por el Osciloscopio Fluke 199C conectado a un VFD. La solución (inferior), realizada varios minutos después con un kit temporal de puesta a tierra del eje, muestra la tensión -2.3.


Ilustración 2. El problema (superior) muestra una lectura de la tensión en el eje del soplador tomada por el Osciloscopio Fluke 199C conectado a un VFD. La solución (inferior), realizada varios minutos después con un kit temporal de puesta a tierra del eje, muestra la tensión -2.6.

"No creo que hayamos establecido un umbral", dijo Williams. "Algunas de las tensiones que hemos visto se han encontrado entre trece y diecinueve, o más. Esto indica con certeza que está recibiendo tensión que pasa a través del eje. Generalmente, en un motor en donde ha eliminado el problema, es más bajo y cercano a cero".

Ver es creer

"Hemos estado instalando lo que se llama un kit de puesta a tierra del eje", dijo Williams. "Consiste de alguna clase de elemento de carbono, ya sea una escobilla o un elemento rígido de carbono, que se desplaza sobre el eje y después proporciona una ruta a tierra para la tensión: una ruta de menor resistencia a través del kit de puesta a tierra del eje, en vez de pasar a través de los rodamientos". Algunos kits se instalan en el extremo del variador del motor, mientras que otros se insertan al lado contrario del variador. El costo de estos kits puede ir de USD 400 a USD 500 por instalación, mencionó Williams.

¿Es difícil convencer a los clientes para que paguen por una solución como esta?

"No para los clientes con entornos críticos", concluyó Williams, "puesto que hay técnicos dentro que entienden los problemas de este tipo. Han escuchado sobre dicho problema y lo entienden. Además, con esa gráfica, ver es creer. La clave es ser capaz de mostrarles eso".

Incluso después de que se ha realizado la venta y se ha instalado el kit, Williams contempla la realización de pruebas periódicas de seguimiento para asegurar que la reparación se sigue llevando a cabo.

"Todos los sistemas mecánicos fallan eventualmente", dijo. "Así que siga realizando mediciones. Es posible que no tenga que hacerlas de manera trimestral, tal y como llevamos a cabo nuestras inspecciones de mantenimiento, pero quizás las realice anualmente para asegurarse de que el sistema sigue en funcionamiento. Cualquiera que sea el nivel de protección que desea y necesita el cliente".

Un mejor nivel de servicio

Para clientes críticos, como aquellos que operan centros de datos que almacenan equipo e información que valen millones, la protección élite ha probado su valor.

"Nuestros trabajadores han usado la herramienta y los resultados han sido sorprendentes", mencionó Williams. "Han encontrado tensiones transitorias en muchos de estos motores en los centros de datos a los que damos mantenimiento y eso les abre los ojos a los clientes. Está ofreciendo un nivel de servicio y protección más altos para nuestros clientes y nos da la información que nunca antes habíamos obtenido.

"Un motivo por el que estamos verdaderamente emocionados por la tecnología es que pensamos que nos da la capacidad para ofrecer un valor verdadero a nuestros clientes cuando se habla del funcionamiento del motor", agregó. "Podemos darnos cuenta de las cosas antes de que se genere algún daño, lo que es fundamental. Eliminas el tiempo de inactividad para los clientes. Eso es oro".

Sobre McKinstry

Establecida en 1960, McKinstry es una empresa de diseño, construcción, operación y mantenimiento (DBOM) de servicio completo con más de 1600 empleados y aproximadamente USD 400 millones de ingresos anuales. El personal profesional y los comerciantes de McKinstry ofrecen servicios de consultoría, construcción, energía y de instalación. Como un pionero del proceso de DBOM, la compañía promueve soluciones colaborativas y sustentables diseñadas para asegurar la comodidad del ocupante, mejorar la eficiencia de los sistemas, reducir los costos operacionales de las instalaciones y, por último, optimizar la rentabilidad de los clientes para la vida de sus edificios.