Corrientes en los rodamientos inducidas por VFD son descargas eléctricas parásitas que atraviesan los rodamientos de un motor porque el conmutado rápido de un variador de frecuencia (VFD) deja una tensión en el eje sin un camino limpio por donde descargarse.
Si se deja sin atender, esa descarga erosiona por chisporroteo las pistas del rodamiento hasta que un motor que debería funcionar años falla en meses, y la reparación es rutinaria, bien conocida y económica en comparación con la falla.
Un variador de frecuencia no entrega una onda senoidal limpia. La construye a partir de miles de pulsos rápidos de CC (modulación por ancho de pulso, o PWM) conmutados por transistores IGBT, típicamente con una portadora en el rango de 2, 16 kHz.
Cada flanco de pulso sube de cero a la tensión completa del bus de CC en una fracción de microsegundo, frente a los varios milisegundos que tarda la tensión senoidal de la red en ir de cero al pico.
Ese flanco rápido es todo el problema: no es la frecuencia de operación del motor la que daña los rodamientos, es la velocidad de conmutación de la etapa de salida del variador.
En un sistema trifásico sano la suma instantánea de las tres tensiones de fase es cero. La conmutación PWM no mantiene esa suma en cero en cada instante, por lo que aparece una tensión residual de "modo común" entre los devanados del estator y la carcasa del motor puesta a tierra.
Esa tensión de modo común se acopla a través de la pequeña separación de aire entre estator y rotor mediante la capacitancia parásita, de la misma forma en que un condensador acopla una señal de CA a través de una brecha aislante.
El resultado es una tensión que aparece en el rotor y, dado que rotor y eje constituyen la misma pieza continua de acero eléctricamente, también en el eje.
Un rodamiento de elementos rodantes no es una conexión eléctrica sólida entre eje y carcasa. Una película de lubricante microscópicamente fina separa las bolas o los rodillos de las pistas, y esa película se comporta a la vez como un pequeño condensador y como una barrera dieléctrica.
Mientras la tensión en el eje se mantenga baja, la película aísla. Una vez que la tensión a través de la película supera su resistencia a la ruptura dieléctrica, la película se perfora y salta a través de ella una chispa breve e intensa, exactamente como un diminuto evento de electroerosión por descarga (EDM).
Por eso la industria denomina a este modo de fallo "daño por corrientes en rodamientos tipo EDM": la física es el mismo proceso usado deliberadamente en el maquinado por descarga eléctrica, solo que no deseado ni controlado.
Cada descarga elimina una cantidad microscópica de metal de la pista y de la superficie de la bola. Por sí sola, una chispa no es nada. Repetida miles de veces por segundo durante el tiempo de funcionamiento, el daño se acumula en una progresión reconocible:
Porque el estriado tiene una firma direccional y repetitiva en lugar de las picaduras aleatorias típicas de contaminación o fallo de lubricación, es una de las entradas más reconocibles entre los modos y síntomas de fallo de rodamientos.
La NEMA MG1 Parte 31 recomienda considerar el aislamiento de los rodamientos una vez que la tensión pico en el eje exceda los 300 milivoltios, y lo señala específicamente para motores en marcos generalmente 500 y superiores. La IEC TS 60034-25 ofrece orientaciones similares desde el ámbito internacional, recomendando un rodamiento aislado en el extremo no motriz para máquinas grandes alimentadas por inversor para interrumpir la trayectoria de la corriente circulante. El riesgo aumenta con el tamaño del bastidor del motor, con recorridos de cable más largos (que incrementan la tensión de onda reflejada que ven los terminales del motor) y con ajustes de mayor frecuencia portadora PWM, ya que más eventos de conmutación por segundo significan más oportunidades de descarga por segundo.
| Factor de riesgo | Efecto sobre el riesgo de corriente en rodamientos |
|---|---|
| Mayor tamaño de bastidor (NEMA 500+ según MG1 Parte 31) | Más alto; la norma señala específicamente la revisión del aislamiento |
| Longitud de cable del motor | Más alto; aumenta la tensión por onda reflejada |
| Alta frecuencia portadora PWM | Más alto; más flancos de conmutación por segundo |
| Carcasa del motor sin puesta a tierra o mal conectada | Más alto; la corriente de modo común busca cualquier camino disponible, incluido el rodamiento |
Un anillo de puesta a tierra del eje se monta alrededor del eje y proporciona un camino de baja impedancia desde el eje hasta la carcasa del motor que evita por completo el rodamiento, usando microfibras conductoras o un elemento de contacto continuo similar en lugar de depender de la película lubricante del rodamiento para conducir la corriente.
Correctamente instalado y mantenido, ofrece a la corriente de modo común un camino fácil de retorno antes de que pueda acumular suficiente tensión como para perforar la película de aceite.
Es una de las defensas de menor coste y suele añadirse en el extremo no motriz del motor, que es también donde se evalúan conjuntamente la clase de aislamiento del motor y la selección del rodamiento durante una modernización con VFD.
Un rodamiento aislado utiliza un revestimiento cerámico o elementos rodantes cerámicos (híbridos) para romper eléctricamente el circuito en un rodamiento, normalmente en el extremo no motriz, de modo que la corriente no pueda completar el camino a través de ese rodamiento.
Esto no elimina la tensión de modo común; solo le niega un camino a través del rodamiento protegido.
Dado que la corriente seguirá buscando la ruta de menor resistencia, aislar un rodamiento sin abordar la tensión del eje en la fuente puede forzar que más corriente circule por el otro rodamiento no protegido, por eso los rodamientos aislados suelen combinarse con un anillo de puesta a tierra del eje en lugar de usarse solos.
Un filtro dv/dt se sitúa entre el variador y el motor y ralentiza la tasa de subida de tensión en cada flanco de conmutación, reduciendo el rápido dv/dt que provoca el acoplamiento capacitivo hacia una tensión de modo común en primer lugar.
Los reactores de salida ofrecen una versión más ligera y de menor coste de la misma idea para recorridos de cable más cortos.
Puesto que estos dispositivos atacan la tensión en su origen en lugar de desviar la corriente tras producirse, son la solución más completa, especialmente en instalaciones nuevas con cables largos donde los efectos de onda reflejada agravan el problema, y combinan bien con comprobaciones de la calidad de la energía en el alimentador.
Ninguna de estas defensas requiere adivinación una vez que una planta sabe qué motores están en riesgo: cualquier motor alimentado por VFD con marco NEMA 500 o superior, cualquier motor con un cableado largo y cualquier motor que ya muestre esa firma de vibración tipo tabla de lavar.
La tensión en el eje puede medirse directamente con un osciloscopio y un cepillo de puesta a tierra, y controles periódicos de vibración y térmicos (ver termografía frente a análisis de vibraciones ) detectan el estriado antes de que se convierta en una falla.
Fabrico lee la condición de la máquina y el OEE directamente de la línea y enruta automáticamente una orden de trabajo en cuanto aparece una pérdida como el estriado en fase temprana, captando lo que un umbral fijo de sensor por sí solo podría pasar por alto
y está construido en la UE con residencia de datos en la UE bajo ISO 27001, ISO 20000-1 e ISO 9001. Reserve una demo de Fabrico para verlo en su propia línea.
Cualquier motor gobernado por PWM desarrolla cierta tensión de modo común en el eje. Si llega a ser dañina depende de la magnitud de la tensión en el eje, el tamaño del bastidor del motor, la longitud del cable, la calidad de la puesta a tierra y conexionado, y la frecuencia portadora.
Los motores pequeños con cables cortos y bien conectados a tierra a bajas frecuencias portadoras suelen funcionar años sin problema.
Sí. Los anillos de puesta a tierra del eje están diseñados como un accesorio que se monta alrededor del eje expuesto, normalmente en la tapa del ventilador del extremo no motriz, sin necesidad de rebobinar el motor ni reemplazar el rodamiento.
El análisis de vibraciones es la vía no invasiva principal. El estriado produce una firma de vibración distintiva en frecuencias ligadas a las frecuencias de paso de las bolas y de la jaula del rodamiento, que aparece claramente en un espectro antes de que el rodamiento se desmonte para confirmación visual.
No. La puesta a tierra de la carcasa es necesaria por seguridad y para dar a la corriente de modo común un camino de retorno al variador, pero no impide que esa corriente también tome el atajo a través del rodamiento. La puesta a tierra del eje, los rodamientos aislados y los filtros dv/dt abordan específicamente la ruta a través del rodamiento.
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