Corrientes en los rodamientos inducidas por variadores de frecuencia: diagnóstico de daños eléctricos en los rodamientos del motor

¿Por qué las fallas de los rodamientos requieren una investigación eléctrica?

Las fallas de los rodamientos del motor suelen asociarse con la lubricación, la alineación, la contaminación o una carga mecánica excesiva. Estas siguen siendo causas importantes, pero no explican todas las fallas recurrentes.

Cuando aparecen daños en los rodamientos después de instalar o modificar un variador de frecuencia (VFD), los ingenieros también deben investigar el sistema eléctrico. La conmutación rápida del inversor puede generar diferencias de voltaje de alta frecuencia que hacen circular corriente por rutas no deseadas.

El daño resultante puede parecerse al desgaste mecánico convencional. Por lo tanto, reemplazar el rodamiento sin investigar la causa subyacente puede dejar el problema original sin resolver.

Sin embargo, que se produzca una falla después de adaptar un variador de frecuencia no demuestra que este la haya causado. Para determinar la causa, se necesitan pruebas del rodamiento, el motor, el variador, el cableado, la puesta a tierra y el historial de funcionamiento.

¿Cómo pueden los variadores de frecuencia producir corrientes en los rodamientos?

Los variadores de frecuencia, como el variador de CA Allen-Bradley 22A-D2P3N104, regulan la velocidad del motor controlando la frecuencia y el voltaje que se le aplican. La modulación por ancho de pulso conmuta rápidamente los dispositivos de salida del inversor y genera transiciones de voltaje con componentes de alta frecuencia.

Estas condiciones eléctricas pueden generar voltaje en el eje y rutas de corriente no deseadas a través de los rodamientos del motor.

¿Qué son las corrientes de descarga capacitiva?

La capacitancia parásita dentro de un motor puede acoplar el voltaje de modo común al rotor y al eje. Cuando el voltaje entre los puntos de contacto de un rodamiento supera lo que este puede soportar, puede producirse una descarga a través del contacto rodante.

Las descargas repetidas pueden causar daños por mecanizado mediante descargas eléctricas, incluidos pequeños cráteres en las superficies de los rodamientos.

¿Qué son las corrientes circulantes de alta frecuencia?

En algunos diseños de motor, el flujo magnético de alta frecuencia induce voltaje entre distintos puntos del eje. Esto puede hacer que la corriente circule por el eje, los rodamientos y la carcasa del motor.

El mecanismo depende de la construcción del motor y de las condiciones eléctricas. Los motores más grandes pueden ser especialmente relevantes en este tipo de investigación.

¿Qué son las corrientes de puesta a tierra del eje?

Las diferencias de voltaje entre el eje, la carcasa del motor y el equipo conectado pueden crear otra ruta para la corriente. Según la instalación, la ruta puede incluir el acoplamiento y los rodamientos de una bomba o caja de engranajes conectada.

Estos mecanismos son distintos, aunque pueden darse varios en una misma instalación. Los ingenieros deben identificar la trayectoria real de la corriente antes de elegir una medida correctiva.

¿Qué puede revelar el daño del rodamiento?

La erosión eléctrica puede dejar un aspecto escarchado, pequeños hoyuelos o estrías espaciadas regularmente, conocidas como estriado eléctrico. Estos patrones pueden indicar descargas eléctricas repetidas, pero la inspección visual por sí sola no basta para un diagnóstico definitivo.

Fotografíe el rodamiento antes de limpiarlo. Anote la ubicación del daño, la identificación del rodamiento y el extremo del motor. Conserve los componentes retirados si puede ser necesario inspeccionarlos más a fondo.

Correlacione las pruebas físicas con las tendencias de funcionamiento y los cambios eléctricos recientes. Ni la grasa oscura ni una alarma de vibración bastan por sí solas para determinar una causa eléctrica.

¿Qué comprobaciones debe completar antes de sustituir otro rodamiento?

¿Cómo se conservan las pruebas del fallo?

Anote la referencia del rodamiento y si procedía del lado de accionamiento o del lado opuesto al accionamiento. Fotografíe las pistas de rodadura, los elementos rodantes, los sellos y el lubricante antes de limpiarlos.

Recopile las tendencias de vibración disponibles, las horas de funcionamiento, las condiciones de carga y los registros de mantenimiento. Anote también el modelo del variador de frecuencia (VFD), la identificación del motor, los cambios recientes de parámetros y la información sobre el cable del motor. Los registros del variador pueden incluir componentes como la tarjeta de interfaz de control NINT-72C del ABB ACS600 y el módulo de interfaz de variador DIS0012 de ABB.

¿Cómo se investigan las causas mecánicas y eléctricas?

Inspeccione la lubricación, la contaminación, el ajuste del rodamiento, el estado del eje, el estado del alojamiento, la alineación y la carga. Compare la ubicación del daño con la zona de carga mecánica prevista.

Al mismo tiempo, investigue la posible erosión eléctrica. El daño mecánico y el daño eléctrico pueden coexistir, por lo que la investigación no debe obligar a elegir prematuramente entre ambos.

¿Qué debe comprobar en la puesta a tierra y el blindaje de los cables?

Revise la conexión a tierra de protección del motor y todo el sistema de puesta a tierra. Compruebe las terminaciones de los blindajes, las uniones equipotenciales, la corrosión, las superficies de contacto pintadas y los cambios realizados durante tareas de mantenimiento anteriores.

Siga los requisitos de los fabricantes del variador de frecuencia y del motor para el blindaje y la terminación de los cables. Cuando se especifique, verifique la conexión equipotencial de 360 grados en los extremos del motor y del variador.

Una lectura satisfactoria de continuidad de CC no demuestra que la impedancia sea baja a altas frecuencias. No considere una prueba básica de continuidad como prueba de que la ruta de retorno de alta frecuencia sea adecuada.

¿Qué ajustes del variador y del motor debe revisar?

Registre la frecuencia de conmutación o portadora configurada, el rango de velocidad, el perfil de funcionamiento y los ajustes pertinentes del variador. Compare estos datos con la configuración aprobada para la aplicación y las recomendaciones del fabricante.

No cambie la frecuencia de conmutación ni el filtrado de salida solo para comprobar una hipótesis. Estos cambios pueden afectar el calentamiento del motor, la compatibilidad electromagnética, el rendimiento del variador y otros requisitos de la aplicación.

¿Por qué examinar todo el tren de equipos?

Incluya en la investigación el motor, el acoplamiento, la caja de engranajes, la bomba y el equipo accionado. Las posibles rutas de corriente pueden extenderse más allá del motor.

Revise la conexión equipotencial entre los equipos conectados y compruebe si hubo cambios en la configuración mecánica o eléctrica. Toda medida correctiva debe preservar la puesta a tierra de protección y cumplir los requisitos de seguridad aplicables.

¿Cómo confirmar el diagnóstico y la medida correctiva?

Use las pruebas recopiladas para decidir si se necesitan mediciones especializadas. Según el mecanismo sospechado, un ingeniero con el equipo adecuado puede investigar la tensión del eje, las rutas de corriente de alta frecuencia o el rendimiento de la puesta a tierra.

Consulte a los fabricantes del motor y del variador antes de elegir rodamientos aislados, dispositivos de puesta a tierra del eje, filtros de modo común u otros métodos de mitigación. Estas medidas no son intercambiables y deben ser adecuadas para la aplicación del motor y el variador.

¿Cómo puede prevenir fallas recurrentes?

La prevención eficaz comienza con una revisión de la instalación, no con la sustitución de un solo componente. Verifique que los cables del motor, las terminaciones de los blindajes, la puesta a tierra y la configuración del variador cumplan las instrucciones aplicables del fabricante.

Por ejemplo, las directrices técnicas de ABB sobre corrientes en rodamientos analizan posibles medidas de mitigación, como las trayectorias adecuadas de puesta a tierra, los cables de motor simétricos, los filtros de salida y el aislamiento de los rodamientos. La combinación correcta depende del sistema de variador y del diseño del motor.

Mantenga registros de la falla original, de la medida correctiva elegida y del rendimiento operativo posterior. Estos registros ayudan a los ingenieros a comparar futuras inspecciones de rodamientos e identificar patrones recurrentes.

Establezca mediciones de referencia de vibración y temperatura cuando corresponda. Combine estas tendencias con los resultados del mantenimiento y de la inspección eléctrica, en lugar de basarse en un solo indicador. Los dispositivos de monitorización, como el relé de protección de motores ABB REM610C55HCMR y el relé de protección de motores GE Multilin 339, se utilizan habitualmente para supervisar las condiciones de funcionamiento del motor.

¿Cuáles son las limitaciones de seguridad y diagnóstico?

Los sistemas de motor y variador pueden contener tensiones peligrosas y energía eléctrica almacenada. Siga los procedimientos aprobados de aislamiento, bloqueo, descarga y verificación antes de inspeccionar conexiones eléctricas o retirar componentes.

Las mediciones en equipos energizados requieren instrumentos y métodos adecuados, así como personal cualificado. No puentee las conexiones de puesta a tierra de protección ni retire los apantallamientos necesarios mientras el equipo esté en funcionamiento.

Por último, distinga entre un mecanismo sospechado y una causa raíz confirmada. La conclusión más sólida combina las pruebas físicas del rodamiento, los hallazgos eléctricos, el historial de funcionamiento y las recomendaciones del fabricante.

Conclusión: Cómo evitar el reemplazo repetido de rodamientos

Las fallas repetidas de rodamientos en equipos accionados por variadores de frecuencia requieren una investigación eléctrica y mecánica coordinada. Conserve el rodamiento averiado, examine las condiciones mecánicas, revise la puesta a tierra y el apantallamiento de los cables, y verifique la configuración del variador. Investigue todo el conjunto de equipos conectados antes de elegir una medida correctiva. Como varios mecanismos de falla pueden producir síntomas similares, confirme el diagnóstico con las pruebas pertinentes y las recomendaciones del fabricante. Este proceso ayuda a los equipos de mantenimiento a evitar reemplazos repetidos y a elegir medidas correctivas adecuadas para la instalación real.