76480941 Analisis de Anomalias en Variadores de Frecuencia

MASTER UNIVERSITARIO EN MANTENIMIENTO DE MEDIOS E INSTALACIONES INDUSTRIALES

Isaac Cano Postigo 1

Análisis de anomalías en variadores de velocidad.



INDICE DE CONTENIDOS

1. Introducción. ............................................................................................................................. 3

2. Razones para usar un variador de velocidad. ........................................................................... 3

3. Tipos de variadores de velocidad.............................................................................................. 4

Variadores mecánicos ........................................................................................................... 4

Variadores hidráulicos........................................................................................................... 5

Variadores eléctrico‐electrónicos ......................................................................................... 5

Variadores para motores de CC ............................................................................................ 6

Variadores por corrientes de Eddy........................................................................................ 6

Variadores de deslizamiento................................................................................................. 6

Variadores para motores de CA ............................................................................................ 7

4. Principio de funcionamiento de un variador de frecuencia...................................................... 8

Controlador del VFD.............................................................................................................. 8

5. Instalación de un variador de velocidad. ................................................................................ 10

6.Realización de Medidas Eléctricas en Instalaciones con Variador de Velocidad para detectar posibles problemas. .................................................................................................................... 17

7. Bibliografía. ............................................................................................................................. 32



1. Introducción. Con este trabajo se pretende ayudar a definir los parámetros de

instalación y las comprobaciones a realizar en un variador una vez instalado para detectar posibles fallos.

El Variador de Velocidad (VSD, por sus siglas en inglés Bariable Speed Drive) es en un sentido amplio un dispositivo o conjunto de dispositivos mecánicos, hidráulicos, eléctricos o electrónicos empleados para controlar la velocidad giratoria de maquinaria, especialmente de motores. También es conocido como Accionamiento de Velocidad Variable (ASD, también por sus siglas en inglés Adjustable-Speed Drive). De igual manera, en ocasiones es denominado mediante el anglicismo Drive, costumbre que se considera inadecuada.

La maquinaria industrial generalmente es accionada a través de motores eléctricos, a velocidades constantes o variables, pero con valores precisos. No obstante, los motores eléctricos generalmente operan a velocidad constante o cuasi-constante, y con valores que dependen de la alimentación y de las características propias del motor, los cuales no se pueden modificar fácilmente. Para lograr regular la velocidad de los motores, se emplea un controlador especial que recibe el nombre de variador de velocidad. Los variadores de velocidad se emplean en una amplia gama de aplicaciones industriales, como en ventiladores y equipo de aire acondicionado, equipo de bombeo, bandas y transportadores industriales, elevadores, llenadoras, tornos y fresadoras, etc.

Un variador de velocidad puede consistir en la combinación de un motor eléctrico y el controlador que se emplea para regular la velocidad del mismo. La combinación de un motor de velocidad constante y de un dispositivo mecánico que permita cambiar la velocidad de forma continua (sin ser un motor paso a paso) también puede ser designado como variador de velocidad.

2. Razones para usar un variador de velocidad. El control de procesos y el ahorro de la energía son las dos de las

principales razones para el empleo de variadores de velocidad. Históricamente, los variadores de velocidad fueron desarrollados originalmente para el control de procesos, pero el ahorro energético ha surgido como un objetivo tan importante como el primero.

Entre las diversas ventajas en el control del proceso proporcionadas por el empleo de variadores de velocidad destacan:

• Operaciones más suaves.

• Control de la aceleración.

• Distintas velocidades de operación para cada fase del proceso.



• Compensación de variables en procesos variables.

• Permitir operaciones lentas para fines de ajuste o prueba.

• Ajuste de la tasa de producción.

• Permitir el posicionamiento de alta precisión.

• Control del Par motor (torque).

Una ventaja muy importante y que no debemos pasar por alto es el mejor aprovechamiento de la energía, por tanto un equipo accionado mediante un variador de velocidad emplea generalmente menor energía que si dicho equipo fuera activado a una velocidad fija constante. Los ventiladores y bombas representan las aplicaciones más llamativas. Por ejemplo, cuando una bomba es impulsada por un motor que opera a velocidad fija, el flujo producido puede ser mayor al necesario. Para ello, el flujo podría regularse mediante una válvula de control dejando estable la velocidad de la bomba, pero resulta mucho más eficiente regular dicho flujo controlando la velocidad del motor, en lugar de restringirlo por medio de la válvula, ya que el motor no tendrá que consumir una energía no aprovechada...

3. Tipos de variadores de velocidad.

En términos generales, puede decirse que existen tres tipos básicos de variadores de velocidad: mecánicos, hidráulicos y eléctrico-electrónicos. Dentro de cada tipo pueden encontrarse más subtipos, que se detallarán a continuación. Cabe aclarar que los variadores más antiguos fueron los mecánicos, que se emplearon originalmente para controlar la velocidad de las ruedas hidráulicas de molinos, así como la velocidad de las máquinas de vapores.

Los variadores de velocidad mecánicos e hidráulicos generalmente son conocidos como transmisiones cuando se emplean en vehículos, equipo agroindustrial o algunos otros tipos de maquinaria.

Variadores mecánicos

• Variadores de paso ajustable: estos dispositivos emplean poleas y bandas en las cuales el diámetro de una o más poleas puede ser modificado.

• Variadores de tracción: transmiten potencia a través de rodillos metálicos. La relación de velocidades de entrada/salida se ajusta moviendo los rodillos para cambiar las áreas de contacto entre ellos y así la relación de transmisión.



Variadores hidráulicos

• Variador hidrostático: consta de una bomba hidráulica y un motor hidráulico (ambos de desplazamiento positivo). Una revolución de la bomba o el motor corresponde a una cantidad bien definida de volumen del fluido manejado. De esta forma la velocidad puede ser controlada mediante la regulación de una válvula de control, o bien, cambiando el desplazamiento de la bomba o el motor.

• Variador hidrodinámico: emplea aceite hidráulico para transmitir par mecánico entre un impulsor de entrada (sobre un eje de velocidad constante) y un rotor de salida (sobre un eje de velocidad ajustable). También llamado acoplador hidráulico de llenado variable.

• Variador hidroviscoso: consta de uno o más discos conectados con un eje de entrada, los cuales estará en contacto físico (pero no conectados mecánicamente) con uno o más discos conectados al eje de salida. El par mecánico (torque) se transmite desde el eje de entrada al de salida a través de la película de aceite entre los discos. De esta forma, el par transmitido es proporcional a la presión ejercida por el cilindro hidráulico que presiona los discos.

Variadores eléctrico-electrónicos

Existen cuatro categorías de variadores de velocidad eléctrico-electrónicos (véase el resto del artículo):

• variadores para motores de CC • variadores de velocidad por corrientes de Eddy • variadores de deslizamiento • variadores para motores de CA conocidos como variadores

de frecuencia.

Los variadores eléctrico-electrónicos incluyen tanto el controlador como el motor eléctrico, sin embargo es práctica común emplear el término variador únicamente al controlador eléctrico.

Los primeros variadores de esta categoría emplearon la tecnología de los tubos de vacío. Con los años después se han ido incorporando dispositivos de estado sólido, lo cual ha reducido significativamente el volumen y costo, mejorando la eficiencia y confiabilidad de los dispositivos.



Variadores para motores de CC

Estos variadores permiten controlar la velocidad de motores de Corriente contínua serie, derivación, compuesto y de imanes permanentes. Para el caso de cualquiera de las máquinas anteriores se cumple la siguiente expresión:

(1)

donde

Vt Voltaje terminal (V).

K Constante de la máquina.

FM Flujo magnético producido por el campo (Wb)

Nm Velocidad mecánica (rpm).

Despejando la velocidad mecánica, se obtiene:

(2)

Entonces, de (2) puede observarse que la velocidad mecánica de un motor de CC es directamente proporcional al voltaje terminal (VT) e inversamente proporcional al flujo magnético (FM), el cual a su vez depende de la corriente de campo (IF). Aprovechando esta situación es que este tipo de variadores puede controlar la velocidad de un motor de CC: controlando su voltaje terminal, o bien, manipulando el valor de la corriente de campo.

Variadores por corrientes de Eddy

Un variador de velocidad por corrientes de Eddy consta de un motor de velocidad fija y un embrague de corrientes de Eddy. El embrague contiene un rotor de velocidad fija (acoplado al motor) y un rotor de velocidad variable, separados por un pequeño entrehierro. Se cuenta, además, con una bobina de campo, cuya corriente puede ser regulada, la cual produce un campo magnético que determinará el par mecánico transmitido del rotor de entrada al rotor de salida. De esta forma, a mayor intensidad de campo magnético, mayor par y velocidad transmitidos, y a menor campo magnético menores serán el par y la velocidad en el rotor de salida. El control de la velocidad de salida de este tipo de variadores generalmente se realiza por medio de lazo cerrado, utilizando como elemento de retroalimentación un tacómetro de CA.

Variadores de deslizamiento

Este tipo de variadores se aplica únicamente para los motores de inducción de rotor devanado. En cualquier motor de inducción, la velocidad mecánica (nM) puede determinarse mediante la siguiente expresión:



(3)

Donde s es el deslizamiento del motor, cuyo valor oscila entre 0 y 1. De esta forma, a mayor deslizamiento, menor velocidad mecánica del motor. El deslizamiento puede incrementarse al aumentar la resistencia del devanado del rotor, o bien, al reducir el voltaje en el devanado del rotor. De esta forma es que puede conseguirse el control de la velocidad en los motores de inducción de rotor devanado. Sin embargo, este tipo de variadores es de menor eficiencia que otros, razón por la cual en la actualidad tiene muy poca aplicación.

Variadores para motores de CA

Variador de frecuencia

Los variadores de frecuencia (siglas AFD ,del inglés Adjustable Frecuency Drive; o bien VFD Variable Frecuency Drive) permiten controlar la velocidad tanto de motores de inducción (asíncronos de jaula de ardilla o de rotor devanado), como de los motores síncronos mediante el ajuste de la frecuencia de alimentación al motor.

• Para el caso de un motor síncrono, la velocidad se determina mediante la siguiente expresión:

(4)

• Cuando se trata de motores de inducción, se tiene:

(5)

donde:

Ns = velocidad síncrona (rpm)

Nm = velocidad mecánica (rpm)

f = frecuencia de alimentación (Hz)

s = deslizamiento (adimensional)

P = número de polos.

Como puede verse en las expresiones (4) y (5), la frecuencia y la velocidad son directamente proporcionales, de tal manera que al aumentar la frecuencia de alimentación al motor, se incrementará la velocidad de la flecha, y al reducir el valor de la frecuencia disminuirá la velocidad del eje. Por ello es que este tipo de variadores manipula la frecuencia de alimentación al motor a fin de obtener el control de la velocidad de la máquina.



Estos variadores mantienen la razón Voltaje/ Frecuencia (V/Hz) constante entre los valores mínimo y máximos de la frecuencia de operación, con la finalidad de evitar la saturación magnética del núcleo del motor y además porque el hecho de operar el motor a un voltaje constante por encima de una frecuencia dada (reduciendo la relación V/Hz) disminuye el par del motor y la capacidad del mismo para proporcionar potencia constante de salida.

Relación par-velocidad para un variador de velocidad.

4. Principio de funcionamiento de un variador de frecuencia.

El motor usado en un sistema VFD es normalmente un motor de inducción trifásico. Algunos tipos de motores monofásicos pueden ser igualmente usados, pero los motores de tres fases son normalmente preferidos. Varios tipos de motores síncronos ofrecen ventajas en algunas situaciones, pero los motores de inducción son más apropiados para la mayoría de propósitos y son generalmente la elección más económica. Motores diseñados para trabajar a velocidad fija son usados habitualmente, pero la mejora de los diseños de motores estándar aumenta la fiabilidad y consigue mejor rendimiento del VFD.(variador de frecuencia).

Controlador del VFD

El controlador de dispositivo de variación de frecuencia está formado por dispositivos de conversión electrónicos de estado sólido. El diseño habitual primero convierte la energía de entrada CA en CC usando un puente rectificador. La energía intermedia CC es convertida en una señal quasi-senoidal de CA usando un circuito inversor conmutado. El rectificador es usualmente un puente trifásico de diodos, pero también se usan rectificadores controlados. Debido a que la energía es convertida en continua, muchas unidades aceptan entradas tanto monofásicas como trifásicas (actuando como un convertidor de fase, un variador de velocidad).

Tan pronto como aparecieron los interruptores semiconductores fueron introducidos en los VFD, ellos han sido aplicados para los inversores de todas



las tensiones que hay disponible. Actualmente, los transistores bipolares de puerta aislada (IGBTs) son usados en la mayoría de circuitos inversores.

Las características del motor CA requieren la variación proporcional del voltaje cada vez que la frecuencia es variada. Por ejemplo, si un motor está diseñado para trabajar a 460 voltios a 60 Hz, el voltaje aplicado debe reducirse a 230 volts cuando la frecuencia es reducida a 30 Hz. Así la relación voltios/hertzios deben ser regulados en un valor constante (460/60 = 7.67 V/Hz en este caso). Para un funcionamiento óptimo, otros ajustes de voltaje son necesarios, pero nominalmente la constante es V/Hz es la regla general. El método más novedoso y extendido en nuevas aplicaciones es el control de voltaje por PWM.

Diagrama de Variador de frecuencia con Modulación de Ancho de Pulso (PWM).



5. Instalación de un variador de velocidad.

Para realizar la instalación del variador se deben seguir estrictamente las recomendaciones dadas por el fabricante en el Manual de Instalación respectivo.

Especificaciones Ambientales Instale el variador en un ambiente que cumpla las condiciones

ambientales descritas en la Tabla siguiente:

Elemento Especificaciones

Localización Interiores

Temperatura -10 a +50°C (Nota 1)

Ambiental

Humedad 5 a 95% (Sin condensación)

Relativa

Atmósfera El variador no debe ser expuesto a polvo, luz solar directa, gases corrosivos, gases inflamables, vapores de petróleo, vapor o caídas de agua. Grado de polución 2 (IEC60664-1) (Nota 2)

La atmósfera puede contener una pequeña cantidad de sal (0.01 mg/cm2 o menos cada año).

El variador no debe ser expuesto a cambios repentinos de temperatura que puedan provocar condensación.

Altitud 1,000 m máx. (Nota 3)

Presión 86 a 106 kPa

atmosférica

Vibraciones 3mm (Amplitud máx.) 9.8 m/s2 2 m/s2 1 m/s2

De 2 a menos de 9 Hz De 9 a menos de 20 Hz De 20 a menos de 55 Hz De 55 a menos de 200 Hz



Variación de la corriente de

salida en función de la altitud

Altitud Factor de corrección de corriente de salida

1000m o menor 1.00

1000 a 1500 m 0.97

1500 a 2000 m 0.95

2000 a 2500 m 0.91

2500 a 3000 m 0.88

(Nota ) Cuando dos o más variadores se montan de lado (sin separación lateral, en modelos de 22 kW o menor), la temperatura ambiente debería ser entre -10 y +40ºC. No deben instalarse el variador en un ambiente donde esté expuesto a pelusa, deshechos de algodón o polvo húmedo o sucio, ya que se puede atascar el disipador del variador. En caso de instalarlo en dicho tipo de ambiente, debe colocarse en un habitáculo especial. Si se usa el variador a una altura superior a 1000 metros, se deberá aplicar un factor de corrección a la corriente de salida.

Base de instalación

El variador debe instalarse en una base metálica o de cualquier otro material no inflamable. No debe montarse el variador boca abajo o en posición horizontal.

Separación mínima

Asegúrese de que las distancias mínimas marcadas por el fabricante, se mantienen en todo momento. Se deben tomar precauciones extra con la ventilación dentro del cuadro, ya que la temperatura puede subir con facilidad.

- Montaje de dos o más variadores.

Para instalar dos o más variadores en el mismo panel, se recomienda una distribución horizontal. Si solo se pueden montar verticalmente, se separarán con una chapa metálica los variadores de modo que el calor radiado por un variador no afecte a otro situado encima.

Siempre que la temperatura ambiente sea de 40ºC o menor, los variadores de 22 kW o inferior pueden ser montados de lado (sin separación lateral).



Los VVs producen ruido de alta frecuencia. Se deben tomar medidas durante la instalación para evitar los efectos

negativos del ruido. Abajo hay algunos ejemplos de las medidas que ayudarán a combatir los

problemas de ruido. •Separar los conductores de entrada y de salida. No debe instalarse los

conductores de entrada y salida en el mismo tubo o paralelos el uno con el otro, y no los amarre juntos.

•No se debe instalar los conductores de potencia de entrada y salida y los del circuito de control en el mismo tubo o paralelos el uno con el otro, y no los amarre juntos.

•Usar conductores apantallados o trenzados para los circuitos de control.



• Asegurarse que los terminales de tierra (G/E) del VV están firmemente conectados a tierra.

• Conectar un protector de sobre tensión a cada arrancador electromagnético y a cada relé instalado cerca del VV.

• Instalar filtros de ruidos cuando sea necesario. Puesta a Tierra del Sistema El tubo de metal de la canalización no es una puesta a tierra

aceptable. Los conductores de control de entrada y de salida deben canalizarse en

tubos metálicos separados y cada uno debe tener su propio conductor de tierra.

Longitud de los Conductores

Una longitud excesiva de los conductores puede afectar el funcionamiento del motor. No se requieren cables especiales. Longitudes de los conductores del VV al motor superiores a las que son mencionadas en la Tabla siguiente pueden requerir que se tengan que agregar filtros en la salida del VV.

* Puesta en Marcha.

Para realizar la puesta en marcha del Variador de velocidad deberán de ajustarse ciertos parámetros que van en función del uso y de las características del variador de velocidad, los parámetros más comunes son:



Análisis de algunos parámetros.-

1. Boost Voltaje.- Cuando se alimenta al motor con V/f constante, se observa que existe pérdida de torque a bajas velocidades '(frecuencias menores a 15 Hz). Para superar dicho problema se aplica un adicional de voltaje a la relación V/f logrando aumentar la curva de torque correspondiente a dicha región de baja velocidad. Tal técnica se conoce con el nombre de “Peldaño de Voltaje” o dicho en inglés como “Boost Voltaje”.



Se observa que el parámetro “Boost Voltaje” es ajustable según los requerimientos de la carga y sólo tiene preponderancia para bajas velocidades.

2. Slip Compensation.- Puede observarse que existe un bloque de cálculo de deslizamiento (“slip” en inglés), cuya salida se adiciona al valor de referencia de frecuencia. Esto es así porque no se tiene realimentación de velocidad y se sabe que el rotor del motor pierde velocidad conforme la carga se incrementa. Por lo tanto, existe una relación proporcional entre deslizamiento y carga. A mayor carga, mayor deslizamiento y por consiguiente la velocidad del motor disminuye ligeramente respecto de su valor anterior. Lo cual se manifiesta en el variador como si el motor no respondiese al comando de velocidad dado por teclado.

3. PWM Frequency.- es la “Frecuencia de Modulación” o “Frecuencia de Portadora” y su valor por defecto es de 4 kHz. Este parámetro ajusta la frecuencia de trabajo de los transistores IGBT. La finalidad de ajustar dicho parámetro es:

• Trabajo silencioso, entonces se ajusta dicho parámetro a un valor mayor.

• Mayor distancia entre el motor y el variador, entonces el valor de dicho parámetro debe ser disminuido.

Las consecuencias que tenemos al incrementar la frecuencia de la portadora es:



• Incremento de pérdidas en el convertidor, ante lo cual debe aplicarse reducción de potencia en el variador según lo indicado en la figura 3-18.

• Incremento de emisiones de interferencia radioeléctrica (RFI).

4. Skip Freq.- Denominada “Frecuencia inhibida” .

• Su función es evitar los efectos de resonancia mecánica del sistema para determinadas frecuencias de trabajo del variador.

• Se suprimen las frecuencias que entregará el variador al motor, comprendidas dentro del parámetro indicado. Por lo tanto no será posible el funcionamiento estacionario dentro de la gama de frecuencias suprimidas.

• Dicho parámetro trabaja conjuntamente con otro que le proporcionará el ancho de la banda de frecuencia prohibida.

• Se tiene posibilidad de prohibir hasta tres bandas de frecuencia.



6.Realización de Medidas Eléctricas en Instalaciones con Variador de Velocidad para detectar posibles problemas.

Algunos consejos a la hora de realizar medidas eléctricas en instalaciones con variadores de velocidad:

- Si puede evitarse, conviene no utilizar instrumentos de medida

conectados a tierra, ya que pueden introducir ruido en una medida en la que antes no existía ningún ruido.

Siempre que sea posible hay que evitar también tocar instrumentos y sondas cuando se hace una lectura, ya que el ruido eléctrico se puede acoplar a través de las manos y esto puede afectar también a la lectura. Es necesario utilizar pinzas amperimétricas que estén bien apantalladas y terminadas en conectores BNC.

- Las pinzas amperimétricas con salidas de 10mV/A ó 100mV/A tienen

una relación señal/ruido mejor que las pinzas con salida de 1 mV/A, cuando se miden corrientes inferiores a 20A.

- Por otra parte, es muy importante documentar las medidas eléctricas

en puntos de prueba clave del circuito cuando el sistema esté funcionando correctamente. Si no se dispone de un buen plano, merece la pena preparar uno. Basta un sencillo diagrama de bloques y anotar las medidas de tensión y temperatura en los puntos de prueba clave.

Esto puede llegar a ahorrar mucho tiempo y preocupaciones posteriores. - Finalmente, y no por ello menos importante, antes de hacer ninguna

medida eléctrica hay que asegurarse de que se conoce perfectamente la forma de hacerla con seguridad.

Ningún instrumento de medida es seguro del todo si se utiliza incorrectamente, pero también es cierto que muchos de los instrumentos existentes en el mercado no son adecuados para hacer medidas en variadores de velocidad.

En primer lugar, hay que asegurarse de que todas las conexiones están bien hechas. , este paso debe darse antes que ningún otro. Con frecuencia, es necesario apretar periódicamente las conexiones para mantener una baja resistencia de contacto entre conductores. Inspeccionar visualmente todos los puntos de conexión para ver si están flojos, corroídos o con vías de conducción a tierra. Incluso si los resultados de la inspección visual son satisfactorios, al



menos deberá utilizarse uno de los tres métodos siguientes, o una combinación de ellos, para comprobar las conexiones: medidas de resistencia, caídas de tensión y medida de temperatura.

La medida de la resistencia es, probablemente, el método menos aconsejable de los tres, pero permite detectar circuitos totalmente abiertos ó vías “de fuga” a tierra que presenten una resistencia. Sin embargo, hay que tener en cuenta que la mayoría de los ohmímetros utilizan corrientes muy pequeñas en sus medidas y que pueden dar una conexión por buena cuando, de hecho, la conexión puede estar en circuito abierto siempre que tiene que pasar una gran corriente a través de la misma. Estos es lo que se conoce con el nombre de resistencia de contacto.

Otra alternativa es la de comprobar las caídas de tensión a través de las diversas conexiones y compararlas con las de las otras dos fases. Cualquier variación importante entre fases ó superior al 2% o 3% (dependiendo de la corriente del motor y de la tensión de alimentación) en cada conexión debe ser considerada como mínimo de sospechosa.

Finalmente, una sencilla sonda de temperatura por infrarrojos, utilizada

con un multímetro digital de mano, es una forma rápida y fácil de comprobar la existencia de conexiones defectuosas. Cualquier aumento significativo de la temperatura del terminal de la conexión debido a pérdidas de calor I2R, indicará una conexión defectuosa o una resistencia de contacto mayor de lo permisible. Si la temperatura del terminal no se había registrado en el esquema con anterioridad, ha de compararse con la de las otras dos fases.

Medida en los motores: temperatura y sobrecargas. La temperatura es un indicador clave de que un motor está fallando o

que sufre una sobrecarga. Puede utilizarse una sonda de temperatura por infrarrojos para medir temperaturas en los puntos clave de los motores, incluidos los cojinetes y las conexiones de las regletas de terminales (si existiesen), así como la propia carcasa del motor. ¿Son las lecturas próximas a las obtenidas cuando el motor estaba funcionando normalmente? Si estas temperaturas no se habían medido con anterioridad, ¿está la temperatura de funcionamiento del motor dentro de los límites indicados por la clasificación NEMA para ese motor? Si las respuestas a estas preguntas son afirmativas, quizá pueda ya pasarse a estudiar el controlador del variador de velocidad o, para mayor seguridad, pueden hacerse algunas otras medidas, tales como la medida de posibles sobrecargas.

Si el motor está intentado proporcionar una potencia o un par superiores

a los nominales, se producirá una situación de sobrecarga, es decir, el motor



absorberá una corriente que será superior a la nominal indicada en su placa de características. Por tanto, se puede medir la corriente absorbida por el motor y compararla con la indicada en la placa de características.

Es importante no olvidar que hay que multiplicar la corriente nominal por el factor de servicio (SF), siempre que esté en la placa.

Si el motor está por encima de su capacidad nominal y hace que dispare intermitentemente la protección contra sobrecargas del variador, la solución no está en ajustar el dispositivo de protección contra sobrecargas a un valor superior para evitar su disparo. Conviene averiguar si las características nominales del motor son adecuadas para la aplicación. En ocasiones se utiliza un motor más barato y de menor potencia que el necesario o bien un error de cálculo de la carga requerida es la causa de que el motor no sea el adecuado. También es posible que la carga mecánica accionada por el motor haya sido aumentada por el operador o supervisor del proceso, que no se da cuenta de que va aplicar una sobrecarga al motor.

Si los requisitos de la carga mecánica y el comportamiento parecen normales, es posible que exista algún cortocircuito en el bobinado del motor y que ésta sea la causa del aumento de la corriente y del calor y de la disminución del par. Lo que se debe comprobar entonces es el desequilibrio de corrientes, el funcionamiento con una sola fase, el desequilibrio de corrientes, el funcionamiento con una sola fase, el desequilibrio de tensiones y algo que es característico de los variadores de velocidad PWM: las sobretensiones causadas por ondas de tensión reflejadas.

Las tensiones altas en el eje del motor (problema asociado también con los variadores de velocidad del tipo PWM) pueden explicar temperaturas excesivas en los cojinetes y el fallo prematuro de éstos. La forma de probar estas condiciones se explica más adelante.

Medidas de tensión Puesto que la tensión aplicada a los terminales del motor por el variador

de velocidad no es sinusoidal, serán distintas las lecturas proporcionadas por un multímetro analógico ó un multímetro digital que mida el valor medio y un multímetro digital que mida el verdadero valor eficaz. Muchos técnicos de mantenimiento prefieren un multímetro analógico, porque la bobina que sirve de mecanismo de medida del multímetro responde de la misma manera que el motor, es decir, atiende a la componente de baja frecuencia de la forma de onda y no a la componente de conmutación de alta frecuencia. El medidor analógico también estará en correspondencia con la relación V/Hz programada del variador de velocidad y con la tensión mostrada en la caja del variador de velocidad, si es que existe.

Muchos multímetros digitales responderán a la componente de alta frecuencia de la forma de onda de alimentación del motor y, por tanto, darán una lectura más alta. Aunque un multímetro digital capaz de medir verdaderos



valores eficaces hará una lectura correcta del efecto de calentamiento de la tensión no sinusoidal aplicada al motor, muy a menudo se prefiere la indicación del medidor analógico, porque da una lectura de tensión inferior, similar a la tensión aplicada que reconoce el motor. Sin embargo, es necesario observar que, aunque el motor no responda a las frecuencias más altas en términos de par o de trabajo, pueden circular corrientes de alta frecuencia por fuera de los arrollamientos, debido a distintas capacidades en otras partes del motor.

La razón de hacer medidas de tensión en los terminales del motor es verificar que la tensión no es demasiado alta ni demasiado baja y que no existen desequilibrios. Se puede utilizar un multímetro u osciloscopio digital con una sonda “filtro-paso-bajo” para verificar que la tensión en los terminales del motor se corresponde con la lectura de tensión mostrada en la pantalla del variador de velocidad. Utilizando un osciloscopio o, por ejemplo, el analizador de calidad eléctrica Fluke 43B, se tiene la ventaja de que es posible hacer simultáneamente la medida de frecuencia que resulta de gran utilidad y es realmente significativa. Si la tensión en el motor es demasiado baja, una causa probable es la existencia de conexiones defectuosas o que la tensión en el bus de continua del variador de velocidad puede ser demasiado baja. A su vez si las tensiones en los terminales del motor son demasiado altas, la tensión en el bus de continua puede ser demasiado alta; lo que podría ser debido a una tensión demasiado alta en la entrada del variador de velocidad.

A continuación hay que medir la tensión entre fases entre los tres terminales del motor para ver si hay desequilibrio de tensiones. Téngase en cuenta que desequilibrios de tensiones tan pequeños como el 3% pueden originar un calentamiento excesivo debido a corrientes desequilibradas en los arrollamientos del estator y una disminución del par motor. Sin embargo, algunas instalaciones de motores toleran mejor los desequilibrios y, por ello, es necesario asegurarse de que se comprueba el sistema completo del motor para ver si existen otras causas. Puesto que lo que se mide es la diferencia relativa entre tensiones entre fases y no tensiones absolutas, un multímetro digital dará unas lecturas más precisas y con mejor resolución que un multímetro analógico.

Para calcular el desequilibrio de tensiones puede aplicarse la siguiente formula:

Así, por ejemplo, unas tensiones de 389, 372 y 382 V dan una tensión media de 381V. La desviación máxima respecto a la tensión media será, por tanto, de 9, y el desequilibrio en porcentaje sería:



Las causas posibles de los desequilibrios son: que uno de los circuitos de alimentación sólo conduzca parcialmente ó que haya una caída de tensión entre la salida del variador de velocidad y el terminal del motor en una de las fases, a causa de una mala conexión. Hay otros posibles problemas relativos a las tensiones en los terminales del motor relacionados con la distorsión, pero éstos se tienen que ver y medir utilizando un osciloscopio.

Medidas de desequilibrio de corrientes Se debe medir la corriente del motor para asegurar que no se supera la

corriente nominal continua especificada en la placa de características y que las corrientes en las tres fases están equilibradas. Si la corriente de carga medida es superior a la nominal o si las corrientes están desequilibradas, la duración del motor se acortará, porque la temperatura de funcionamiento resultante será elevada. Si el desequilibrio de tensiones está dentro de los límites aceptables, cualquier desequilibrio de corrientes detectado podría indicar un cortocircuito en los arrollamientos del motor. En general, el desequilibrio de corrientes en un motor trifásico no debe ser superior al 10%. Puesto que la medida de corriente se hará en un entorno de alta energía y eléctricamente ruidoso, conviene utilizar una pinza amperimétrica adecuada, así como una buena técnica de medida. Una pinza amperimétrica del tipo de transformador de corriente (CT) sólo para CA normalmente funcionará mejor, ya que es un dispositivo de baja impedancia y es menos probable que “capture” ruido eléctrico a través de ella. Muchas de las pinzas amperimétricas de CA/CC son de efecto Hall, que tiene una alta impedancia, y son, por tanto, más susceptibles al ruido. Ambos tipos de pinzas pueden tener problemas con el ruido si no están debidamente apantalladas y no tienen terminaciones con conectores BNC.

Las pinzas con escalas de salida seleccionables más altas para medidas de corrientes inferiores a 10 A ó 20 A son las que permiten obtener una mejor relación señal/ruido. Como ya se ha dicho, en ocasiones, la integridad de la medida se puede mejorar si, mientras se hace la lectura, no se toca la pinza ni el medidor (ver Fig. A).

Para calcular el desequilibrio de corrientes hay que utilizar la misma fórmula que para las tensiones, sustituyendo éstas por las corrientes. Por ejemplo, corrientes de 30,35 y 30 A darían una corriente media de 31,7A. La desviación máxima respecto a la corriente media sería de 3,3 A con un desequilibrio de corrientes del 10,4%.

Si las corrientes del motor están desequilibradas se puede determinar si el desequilibrio se debe al motor o al variador de velocidad cambiando las conexiones de las fases en los terminales del motor. Pero, en primer lugar, hay



que medir la corriente en las tres fases con el motor bajo carga. A continuación, desplazar los conductores de las fases del variador de velocidad a los terminales del motor. Si las fases , y están conectadas a los terminales del motor T1, T2 y T3, respectivamente, hay que cambiar las conexiones de manera que las fases , y queden conectadas a los terminales del motor T2, T3 y T1, respectivamente. Después hay que medir de nuevo la corriente de las fases con el motor bajo carga.

Supongamos que la primera medida ha determinado que el desequilibrio de corrientes estaba en la conexión /T2. Si el desequilibrio se desplazó a la conexión /T3 de la segunda medida, el desequilibrio viene del variador de velocidad. Si el desequilibrio de corrientes de la segunda medida se ha encontrado en la conexión /T2 eso quiere decir que el desequilibrio se debe al motor (ver Fig. B).

Funcionamiento con una sola fase El funcionamiento con una sola fase es el resultado de perder por

completo una de las tensiones de fase aplicadas a un motor de inducción trifásico de CA, y puede ser un problema difícil de detectar. En una aplicación con variador de velocidad esto sería debido, normalmente, a una conexión abierta en cualquier de los extremos del cableado entre el motor y el variador de velocidad o en uno de los conductores del propio cable. También es posible que uno de los IGBT´s, que son los dispositivos que alimentan cada una de las fases del motor, se hayan quedado en circuito abierto. Algunos de los variadores de velocidad del mercado son capaces de detectar esta situación.

El funcionamiento con una sola fase es una causa bastante corriente de fallos de motores de inducción trifásicos, ya que los arrollamientos de las otras dos fases tienen que soportar mayores corrientes y, por tanto, generan más calor, lo que, en su momento, llega a provocar averías prematuras en el motor.



Lo que hace que el funcionamiento con una sola fase sea un problema difícil de detectar es que, en esas condiciones, el motor sigue funcionando con normalidad aunque se produzca un aumento del calor generado en régimen normal y, posiblemente, una reducción del par, pero éstas son condiciones sutiles que pueden pasar desapercibidas. Otro indicador es que, en el caso de parar el motor y volverlo a arrancar, éste puede girar en sentido contrario.

Por lo que respecta a la medida, la detección de este problema es también algo difícil. Cuando las medidas de tensión se hacen en los terminales del motor, las lecturas de las tensiones estarán próximas a las normales, ya que la acción del motor está induciendo tensión en el arrollamiento abierto. La mejor manera de detectar con fiabilidad esta situación es hacer medidas de corriente en todas las fases hasta detectar la fase abierta por la ausencia del paso de corriente.

Medidas entre el motor y el variador de velocidad Como consecuencia del tendido de cable entre el variador de frecuencia

y el motor, pueden presentarse problemas tales como la destrucción prematura de bobinados del motor, corrientes de fuga elevadas y destrucción de los cojinetes. Son problemas cada vez más importantes debido, en gran medida, a que los variadores utilizan cada vez frecuencias más elevadas.

Sobretensiones Los tiempos rápidos subida en los pulsos de salida del variador de

velocidad, unidos a largos tendidos de cables entre el variador y el motor, originarán sobretensiones que harán que ésta se aproxime al doble de la tensión del bus de CC, ó que supere, incluso, este valor.

Para analizar el alcance de este problema se hace imprescindible una herramienta gráfica, con la que poder visualizar la forma de onda de la señal, es decir, un osciloscopio.

Suponiendo que se haya identificado una verdadera sobretensión ó un problema de oscilaciones transitorias, deberá hacerse algo al respecto y actuar de inmediato. La solución más sencilla es acortar la tirada de cable. En la tabla adjunta se muestra la longitud máxima del cable antes de que la tensión de pico se haga superior a 1,15 veces la tensión del bus de c.c. (tensión "segura" mas alta del motor) para diversos tiempos de subida y coeficientes de reflexión ( rL) de 0,8 yO,9. La tabla sólo muestra donde comienzan las sobretensiones de pico para un tiempo de subida y una longitud de los cables dados. Las sobretensiones de pico seguirán aumentando hasta casi duplicar la tensión del bus de c.c. a medida que el cable se alargue ó el tiempo de subida se haga más rápido. Las tensiones de pico pueden superar, incluso, el doble de la tensión del bus si la tensión reflejada se superpone a la oscilación transitoria existente, debido a la inductancia de fugas distribuida y la capacidad del acoplamiento.



El verdadero peligro de ésta sobretensión es el daño que puede hacer a los bobinados del motor con el transcurso del tiempo, lo que puede no presentarse como problema cuando se instala por primera vez el variador de velocidad PWM. Muchos de estos variadores se instalan sin tener en cuenta los efectos de las sobretensiones producidas por un cable largo entre la salida del variador PWM y el motor. Y, puesto que la mejora del rendimiento en los variadores PWM más recientes y nuevos, se consigue haciendo mas rápidos los tiempos de subida de los pulsos de salida, esto puede empeorar aún más el problema de las sobretensiones y hacer mayor la necesidad de utilizar cableados de menor longitud. Si el motor ya ha fallado y es necesario repararlo, se debe utilizar hilo con mejor aislamiento, como Thermaleze QS ó TZ QS (de Phelps-Dodge) para rebobinar el motor. Este tipo de hilo proporciona una protección mucho mejor contra sobretensiones sin añadir espesor al aislamiento, lo que permite utilizar el mismo estator sin modificaciones. Si el motor ha sufrido daños irreparables, se debe utilizar un motor diseñado para cumplir las especificaciones NEMA MG-31 (tensión de pico sostenida no superior a 1.600 V y tiempo de subida de 0,1 �s) como motor de sustitución para aplicaciones de variadores de velocidad PWM en las que se puedan producir sobretensiones de forma sostenida.

Sobreoscilaciones. Teoría En la fabricación de los variadores PWM, se ha tendido a que el tiempo de subida de los pulsos sean lo más cortos posible para reducir así las pérdidas de conmutación y aumentar el rendimiento del variador. Sin embargo, estos tiempos cortos unidos a grandes longitudes de cables dan lugar a una falta de correspondencia de impedancias entre el motor y el cable, lo que origina ondas reflejadas u "oscilaciones transitorias”, cosa que



no ocurre si los tiempos de subida son suficientemente lentos, o si los cables son suficientemente cortos. El principal problema que plantean estas ondas es que el aislamiento de los bobinados del motor se puede deteriorar rápidamente. Además, se pueden desarrollar tensiones en el eje superiores a las normales que pueden dar lugar a un fallo prematuro de los rodamientos y a un ruido en modo común excesivo (corrientes de fuga), que puede interferir con señales de baja tensión y hacer que se disparen los circuitos GFI. La magnitud de la tensión que se refleja en los terminales del motor y retrocede hacia el variador de velocidad para sumarse a la tensión de pico y volver de nuevo al motor; se determina mediante el llamado coeficiente de reflexión, que va en función de la resistencia del motor; la inductancia del cable y la capacidad del cable, según se muestra en la siguiente fórmula:



dónde rL es el coeficiente de reflexión de la carga, RM es la resistencia del motor y RC es la resistencia característica del cable expresada por la siguiente fórmula:

La mayoría de motores de menos de 10 CV tienen un coeficiente de reflexión rL comprendido entre 0,9 y 1,0. Algunos motores de gran potencia pueden tener un coeficiente de reflexión rL tan baja como 0,80, ó incluso, menos. En las curvas de la figura, se ha utilizado un coeficiente de reflexión rL de 0, 9 para su cálculo.

Hay dos fórmulas distintas para determinar la tensión de pico que se puede esperar en los terminales del motor, dependiendo de que el tiempo de tránsito del pulso, que viaja a la mitad de la velocidad de la luz, sea igual ó superior a un tercio del tiempo de subida (dv/dt) ó inferior a un tercio del tiempo de subida. Examinemos primero cómo se determina el tiempo de tránsito (tt) en función de la longitud del cable (lc).

Si el tiempo de tránsito del cable es inferior a un tercio del tiempo de subida, hay que utilizar la siguiente fórmula para la tensión de pico V pico:



Donde V DCB es la tensión del Bus de continua. Si el tiempo de tránsito es igual ó superior a un tercio del tiempo de

subida, la parte de la primera fórmula de la tensión de pico V pico no se utiliza y el valor se convierte en:

Por ejemplo, con una tensión entre fases de 380 V c.a. con un bus de 513 V c.c., 15 metros de cable y RL = 0,9, el efecto del cálculo de la tensión de pico se podrá ver utilizando dos tiempos de subida distintos (se considera que aproximadamente Vcc=1,35 x Vca). Con un tiempo de subida de 0,5 ms, el tiempo de tránsito (0,1 ms) es menor que un tercio del tiempo de subida (0,16 ms), por lo que tendremos que utilizar la primera fórmula de la tensión de pico Vpico que tiene en cuenta el efecto del tiempo de subida, y el cálculo se convierte en:

Con un tiempo de subida de 0,1ms, el tiempo de tránsito (0,1ms) es mayor que un tercio del tiempo de subida (0,033 ms), por lo que tendremos que utilizar la segunda fórmula de la tensión de pico Vpico y el cálculo se convierte en:

Identificación de sobreoscilaciones La figura 1 muestra la medida de la tensión entre fases del variador de

velocidad en los terminales del motor con 2 metros de cable, mientras que la figura 2 muestra esa misma tensión con 30 metros de cable. Obsérvese la diferencia en las medidas de las tensiones de pico, que es del orden de 210 V. Obsérvese también que sólo hay una diferencia de 5V eficaces entre las dos formas de onda (los dígitos pequeños de la pantalla). Esto significa que el voltímetro utilizado no puede detectar este problema. En cualquier caso, conviene saber que muy pocos osciloscopios son capaces de disparar con la facilidad y precisión con que lo hace el ScopeMeter 123 de Fluke para las



medidas de Las figuras 1 y 2. Para otros osciloscopios, hay que utilizar el procedimiento que se describe a continuación para medir el alcance de las sobretensiones

Las señales de Las figuras 3 y 4 fueron capturadas disparando sobre un sólo pulso y utilizando el modo de disparo único con cursores activados para hacer la medida de la tensión de pico a lo largo del tiempo de subida. Aunque esta medida requiere más pulsaciones de botones y dominio del osciloscopio, la medida automática del tiempo de subida, puede merecer esta complicación. Reajustando manualmente, de forma periódica, el momento del disparo único, se obtiene una muestra de distintas tensiones de pico para los distintos pulsos. Además, si se aumenta lentamente la tensión de disparo se obtendrá una idea de cuál es la tensión de pico máxima cuando el osciloscopio deje de disparar.



Cuando no es posible acortar el cableado Si no es posible acortar el cableado en la instalación de un variador del

tipo PWM, puede solucionarse el problema de una de las tres maneras siguientes:

- Puede instalarse un filtro de paso bajo “adicional” externo entre los terminales de salida del inversor PWM y los cables que van al motor, como medio de aumentar el tiempo de subida de los pulsos.

- Otra posibilidad consiste en instalar un filtro adaptado a la impedancia R-C en los terminales del motor para minimizar las sobretensiones o las oscilaciones transitorias.

- En algunas aplicaciones, como en bombas sumergibles o en máquinas de taladrar, no es posible acceder a los terminales del motor y se necesitan otros métodos para minimizar las sobretensiones. Uno de ellos es instalar reactancias en serie entre los terminales de salida del inversor PWM y el cable que va al motor. Aunque ésta es una solución bastante sencilla, las reactancias pueden ser bastante grandes, voluminosas y caras para aplicaciones con motores de gran potencia.



Todas las soluciones sugeridas anteriormente convienen que sean diseñadas e instaladas para cada aplicación por un técnico cualificado.

Nota sobre seguridad: el fenómeno de las tensiones reflejadas puede dar lugar a tensiones de pico 2 a 3 veces superiores a la tensión del bus de c.c. de 513V, ocasionando posibles sobretensiones de pico de 1000-1600V ó, incluso, superiores, dada la variación admisible en +10% de la tensión de línea. Por tanto, se recomienda que la medida de la tensión en los terminales del motor se haga con la sonda que tenga la tensión nominal más alta y durante el menor tiempo posible, en los casos en que sea probable la existencia de tensiones reflejadas.

Corrientes en rodamientos Cuando las tensiones en el eje del motor son superiores a la capacidad

de aislamiento de la grasa de los rodamientos, se producirán descargas eléctricas disruptivas hacia el exterior de los mismos que pueden originar picaduras y ranuras en las pistas de los rodamientos. Los primeros síntomas de este problema será el ruido excesivo y el sobrecalentamiento, a medida que los rodamientos comiencen a perder su forma original y que las partículas metálicas se mezclen con la grasa aumentando el rozamiento en los rodamientos. Esto puede provocar su destrucción al cabo de unos pocos meses de funcionamiento del variador de velocidad y, por tanto, tener un alto coste en reparaci6n y tiempo.

Hay una tensión en el eje, normal e inevitable, creada entre el bobinado del estator y el eje del rotor, debida a pequeñas asimetrías del campo magnético en el entrehierro, que son inherentes al diseño del motor. La mayoría de los motores de inducción se diseñan para que tengan una tensión máxima en el eje respecto a la tierra de la carcasa inferior a 1V eficaz.

Otras fuentes de tensión en el eje del motor proceden de fuentes electrostáticas internas, entre las que se incluyen los acoplamientos accionados por correas, el aire ionizado que pasa a través de los álabes del ventilador del rotor a la alta velocidad del aire que pasa sobre los álabes del ventilador del rotor, como ocurre en las turbinas de vapor.

Funcionando con corriente sinusoidal de 50 Hz., la tensión de fallo de los rodamientos es de 0,4 a 0,7 V, aproximadamente. Sin embargo, los flancos rápidos de las tensiones transitorias que se encuentran en los variadores PWM, hacen que el fallo de la capacidad aislante de la grasa se produzca realmente a tensiones mas altas, del orden de 8 a 15 V. Esta tensión disruptiva más alta crea descargas eléctricas disruptivas también mas altas en los rodamientos, lo que aumenta los daños en los mismos en un periodo de tiempo más breve.

Las investigaciones realizadas en este campo muestran que tensiones en los ejes por debajo de 0,3 V son seguras y no alcanzan el valor necesario para que se produzcan corrientes destructivas en los rodamientos. Sin embargo, tensiones comprendidas entre 0,5 y 1,0 V pueden dar lugar a corrientes perjudiciales para los rodamientos (>3 A), y tensiones en el eje superiores a 2 V pueden destruirlos.



Al hacer esta medida con un osciloscopio hay que tener cuidado, ya que la punta de la sonda tiene que hacer contacto con el eje del motor en movimiento mientras el terminal común está conectado a la tierra de la carcasa del motor. Puesto que las tensiones en el eje son debidas a tiempos rápidos de subida de los impulsos del variador PWM, las tensiones aparecerán como picos independientes y se deben medir utilizando un osciloscopio y no un multímetro digital. Aunque el multímetro digital tenga capacidad de detección de picos, habrá suficientes variaciones entre los picos como para hacer que la medida no sea fiable. Otro consejo para la medida es hacer la medida de la tensión entre el eje y la tierra de la carcasa después de que el motor haya alcanzado la temperatura de régimen normal, ya que es posible que las tensiones en el eje no estén ni siquiera presentes cuando el motor esta frío. La solución más sencilla a este problema es reducir la frecuencia de la portadora a menos de 10 kHz ó, de modo ideal, a 4 kHz, aproximadamente, si es posible. Si la frecuencia de la portadora ya se encuentra en esta zona, se pueden utilizar soluciones alternativas, tales como la utilización de dispositivos de conexión a tierra del eje, el aislamiento de los rodamientos, pantallas de Faraday en el motor, grasa conductora, el uso de rodamientos cerámicos o el filtrado entre el variador de velocidad y el motor. Corrientes de fuga

Las corrientes de fuga (ruido en modo común) acopladas capacitivamente entre el bobinado del estator y el terminal de tierra de la carcasa aumentan con los variadores PWM, ya que la reactancia capacitiva del aislamiento del bobinado se reduce con la salida de alta frecuencia del variador. Por tanto, los tiempos de subida más rápidos y las frecuencias de conmutación mas altas lo único que hacen es agravar el problema. También se debe tener en cuenta que el aumento potencial de las corrientes de fuga justifica el examen atento de los métodos establecidos de conexión a tierra segura de la carcasa del motor. El aumento de las corrientes de fuga puede también dar lugar a disparos intempestivos y molestos de los relés de protección contra fugas a tierra.

Se puede utilizar una reactancia de modo común, junto con una resistencia amortiguadora, para reducir las corrientes de fuga. También se pueden utilizar cables especiales de supresión de las interferencias electromagnéticas entre la salida del variador y los terminales del motor. Los hilos conductores de cobre del cable se recubren con gránulos de ferrita que absorben la energía de RF y la convierten en calor. Los transformadores de aislamiento en las entradas de c.a. también reducen el ruido de modo común.



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