Solución de problemas de VFD en una planta de calidad de agua

06-20-2013 | Multímetros digitales

Palm Beach County, Florida, con una población de 1 274 013 personas (cifras de 2006), produce gran cantidad de aguas residuales. Para gestionarlas, las instalaciones de reciclaje de aguas de la región sur del departamento de aguas de Palm Beach County trabajan durante todo el día para procesar hasta 132 millones de litros al día. Alrededor de la mitad se recicla para usarse en el programa de agua reciclada del condado, la mayoría para regar campos de golf y césped de zonas residenciales en los alrededores. Otra parte se usa como suministro del humedal cercano Wakodahatchee Wetlands. Otro humedal de 40 hectáreas construido recientemente también está disponible para reciclar entre 7 y 11 millones de litros al día.

Las instalaciones de tratamiento emplean casi a 30 personas; la mitad de ellos son operadores y la otra mitad, personal de mantenimiento, incluidos dos electricistas, dos técnicos de instrumentos, cuatro mecánicos, dos trabajadores de mantenimiento general y un supervisor de mantenimiento.

Las instalaciones tienen su propio sistema de distribución energético de 4160 V para los nueve o diez edificios repartidos por 52 hectáreas; cada edificio tiene transformadores redundantes que reducen los 4160 V a 480 V para su uso.

El equipo de control incluye paneles de control de 120 V y alrededor de 20 PLC-5 Allen-Bradley que se comunican entre los edificios mediante Data Highway Plus (DH+) con módulos convertidores de fibra óptica y dentro de los edificios usando el cable Blue Hose axial doble de la red Data Highway. Los PLC controlan el equipo mediante E/S remota de 24 V, entradas y salidas de 4-20 mA, y LAN a un sistema SCADA con información sobre flujos, niveles, presiones, temperaturas, conductividad, contenido de cloro, velocidad de las bombas, etc.

El equipo de las plantas incluye gran número de motores de 480 V que hacen funcionar bombas y fuelles. Los controles de los motores incluyen motores de arranque de tensión reducida de 700 CV, arranques suaves de 400 CV y variadores de frecuencia (VFD) de 1 CV a 500 CV.

Vista aérea de las instalaciones de reciclaje de aguas de la región sur del departamento de aguas de Palm Beach County.

Para mantener los motores en marcha, las instalaciones tienen un programa de mantenimiento preventivo (PM), una gran proporción del cual implica medidas periódicas para adelantarse a cualquier tendencia que pueda ir en mala dirección.

Sobre los VFD, el técnico de instrumentos Bill Moreno explica que estas mediciones incluyen supervisar la tensión de entrada y realizar un seguimiento de la tensión secundaria que sale de los motores y el amperaje para ofrecer una referencia para la solución de problemas. Moreno también realiza comprobaciones periódicas de resistencia al aislamiento de los motores. "Hemos visto que ya no siempre es tan necesario, debido a la sensibilidad que van presentando los variadores, pero en la práctica sigo manteniendo un registro histórico de los megas", comenta. Antiguamente usaba un instrumento de manivela para esto, pero los últimos cinco años ha estado usando un Fluke MegOhmMeter 1520*. Otro de los electricistas del equipo usa un

medidor de resistencia de aislamiento Fluke 1503.

Búsqueda de fallas intermitente

Hasta hace poco, el instrumento que más usaba Moreno era el multímetro digital (DMM) 87 de Fluke, que encontró especialmente útil para resolver un problema esquivo con el motor de un variador de frecuencia de 500 CV. El motor funcionaba bien durante 12 o 24 horas y entonces empezaba a indicar un cortocircuito intermitente. Las pruebas preliminares sugirieron que el problema podría ser el VFD o un cortocircuito en el motor. El fabricante de VFD se inclinaba hacia el motor, así que Moreno le hizo una comprobación de resistencia de aislamiento. "Cada vez que comprobaba el motor, leía 80 o 100 megas", recuerda. Aunque podría parecer una lectura un poco baja para algunos, explica: "Es un motor exterior, hace mucha humedad, así que no obtenemos lecturas muy altas". Además la lectura era relativamente constante en comparación con otras realizadas anteriormente como parte del programa de mantenimiento preventivo.

Llamó a la empresa del motor, que realizó una prueba de sobretensión en el motor y lo consideró en buen estado, lo cual era bueno porque, según Moreno, sacar un motor de 500 CV implica mucho trabajo. Solo podía ser el variador, pero ¿cómo demostrarlo?

En Green Cay Wetlands se reciclan entre 7 y 11 millones de litros de agua al día.

El equipo de soporte técnico de la empresa del variador sugirió realizar una comprobación de diodos, que mostró que se encontraban en buen estado. La siguiente sugerencia fue aislar el variador del motor y comprobar si las tensiones entre fases diferían un 1 % o 2 % entre sí. Aislar el motor era fácil: bastaba con desconectar el contactor de salida. Pero Moreno no tenía forma de medir la tensión entre fases. Disponía de un analizador de potencia, pero solo medía las tensiones fase-tierra, que no servía de nada.

Entonces se le ocurrió una idea: juntó tres DMM Fluke 87, los conectó al panel usando los accesorios de ToolPak y los conectó entre fases. Después, ejecutó el variador al 25 %, 50 %, 75 % y 100 %, y descubrió un desequilibrio de tensión de entre el 3 % y 4 %. Comunicó esto al fabricante del variador, que concluyó que el problema era una placa estropeada en el variador y pidió una. Problema solucionado sin tener que sacar el motor.

Búsqueda de un nuevo medidor

Aunque el DMM 87 era un instrumento bueno y versátil, Moreno creía que necesitaba algo con función de grabación y un filtro de paso bajo para realizar medidas de frecuencia y tensión más precisas en los VFD y otros equipos con mucho ruido eléctrico. Decidió encargar un multímetro industrial de verdadero valor eficaz con registro Fluke 289 con TrendCapture.

Solución de un problema de vibración difícil

El nuevo DMM 289 demostró su potencial cuando Moreno se enfrentó a un problema complejo. Acababan de traer de vuelta de la tienda un motor de 500 CV rectificado y, supuestamente, equilibrado, que impulsaba una bomba. Sin embargo, al conectarlo a la bomba y arrancarlo llegaba a un 95 % de la velocidad máxima y se desconectaba por la vibración. Para buscar la causa de la desconexión, Moreno primero observó los circuitos de control de 120 V de CA del VFD, que están montados en un panel junto al propio VFD y están conectados con elementos como flotadores de corte de bajo nivel de agua y un sistema de supervisión de vibración/temperatura. Pero las lecturas de tensión no tenían ningún sentido. Incluso al abrir el relé habilitador, había unos 90 V en la línea. ¿Eso qué significaba y de dónde venía?

Las líneas de control de 120 V comparten un conducto con los cables de alimentación de 480 V. Quizá esa era la fuente de la tensión misteriosa. Moreno puso su DMM 289 en modo LoZ, que aporta una baja impedancia a los terminales de entrada del medidor y está pensado para eliminar las tensiones fantasmas. En cuanto hizo esto, la tensión errática se desvaneció. Ninguno de sus medidores anteriores había incluido la función de LoZ e investigar la tensión errática habría supuesto todo un reto, pero con el DMM 289 fue sencillo.

Un problema estaba solucionado, pero el motor seguía desconectándose. Así que Moreno empezó a buscar la velocidad exacta en la que se producía la desconexión. Conectó el DMM 289 a la salida del VFD que impulsaba el motor y activó la función de filtro de paso bajo del medidor. La salida de un VFD presenta todo tipo de formas de onda y armónicos que se extienden hasta la región de kHz, lo que dificulta mucho la obtención de una lectura de frecuencia precisa con un DMM convencional. Con el filtro de paso bajo activado, el 289 solo mide los componentes de frecuencia de alimentación de la salida (véase la imagen siguiente) y aporta una lectura de frecuencia precisa.

La función de filtro de paso bajo permite que el DMM 289 de Fluke mida con precisión la salida de VFD.

Moreno también usó la función de frecuencia mín./máx. con indicación de tiempo para determinar la frecuencia exacta de la desactivación y terminó por descubrir que el problema no era el motor en sí, sino la forma en que se usaba. La bomba se encuentra a unos 6 metros por debajo del motor y resultó que, aunque el motor sí estaba equilibrado correctamente, la combinación de bomba y motor no lo estaba. La solución era equilibrar la bomba y el motor de forma conjunta.

Moreno también ha usado el DMM 289 para comprobar la calibración de un actuador de válvula midiendo la señal de retroalimentación de 4-20 mA de la unidad (la primera vez que usó esa opción). "Desde que lo configuré, ha funcionado perfectamente", afirma. ¿Su impresión general? "Este medidor ha sido muy bueno, me encanta".

* El 1520 se ha sustituido por los comprobadores de resistencia de aislamiento 1507 o 1503.

  • Herramientas: DMM 87, DMM 289, *comprobador de resistencia de aislamiento 1520
  • Operario: técnico de instrumentos Bill Moreno, de las instalaciones de reciclaje de aguas de la región sur del departamento de aguas de Palm Beach County
  • Mediciones: filtrado de salida de VFD, mediciones de frecuencia mín./máx., desequilibrio de tensión entre fases, comprobaciones de resistencia de aislamiento del motor