Proteja los motores eficientes de hoy en día del daño PWM

Dec 15, 2023

El Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) está implementando límites mínimos de eficiencia en los sistemas de bombeo y sus componentes. Mientras tanto, los usuarios finales exigen sistemas con eficiencias cada vez mayores. Una forma en que los fabricantes de bombas satisfacen las necesidades de ambos grupos es introduciendo soluciones que hacen posible que los sistemas de bombeo cambien de velocidad para mantener la eficiencia máxima cuando cambia la demanda de producción.

En los sistemas de bombeo impulsados ​​por motores eléctricos, este aumento de eficiencia generalmente se logra agregando un variador de frecuencia (VFD) al motor. Un VFD es un variador de velocidad ajustable que controla la velocidad y el par del motor de corriente alterna (CA) variando la frecuencia y el voltaje de entrada del motor. Muchos en la industria de las bombas están familiarizados con el funcionamiento de los VFD y sus beneficios de eficiencia. Lo que no se entiende tan comúnmente es cómo proteger los motores de los efectos potencialmente dañinos que puede producir un VFD y cómo reducir estos efectos en un sistema de bombeo.

Muchos fabricantes de motores ofrecen motores diseñados para funcionar con un VFD o inversor. Estos motores han sido especialmente diseñados para ser operados cuando son alimentados por una forma de onda de potencia modulada por ancho de pulso (PWM) de un VFD. PWM es una técnica de modulación utilizada principalmente para controlar el suministro de la forma de onda de voltaje y corriente a un motor. A menudo se prefiere porque es un método altamente eficiente de control de velocidad del motor.

Sin embargo, una forma de onda PWM puede crear problemas dentro de un motor. Por ejemplo, puede causar que el devanado de un motor experimente picos de voltaje que están muy por encima del voltaje nominal tanto del motor como de los límites estándar del devanado del motor. Por lo tanto, los motores que se van a usar con un VFD deben tener materiales y procesos de aislamiento mejorados— en comparación con un sistema de aislamiento estándar, para proteger contra picos de voltaje muy por encima de su voltaje nominal.

De acuerdo con la Asociación Nacional de Fabricantes Eléctricos (NEMA) MG1 Parte 31, los motores con un voltaje nominal de 600 voltios o menos que se usan en VFD deben tener bobinados que protejan, como mínimo, contra picos de voltaje de 3,1 veces el voltaje nominal. Para motores con una tensión nominal superior a 600 voltios, el mínimo es 2,04 veces la tensión nominal del motor.

Las formas de onda PWM también pueden afectar los cojinetes de un motor eléctrico. Cuando funciona con energía de onda sinusoidal estándar, las tres fases que alimentan el motor tienen una carga equilibrada. En otras palabras, cuando una fase está en +460V, la segunda está en -460V y la tercera fase está en cero. Sin embargo, la forma de onda PWM no es una verdadera onda sinusoidal. El voltaje de corriente continua (CC) pulsante crea una onda sinusoidal de imitación, lo que provoca un problema con el equilibrio de carga dentro del motor. Se acumula una carga diferencial entre el rotor y el estator que debe equilibrarse. Esa carga es causada por el voltaje de modo común (CMV).

Como sabe cualquiera que haya tocado el pomo de una puerta en invierno, la electricidad rectifica este desequilibrio al encontrar el camino de menor resistencia a tierra. El impacto que recibe cuando toca el pomo de una puerta en invierno es una versión a menor escala de lo que sucede dentro del rodamiento de un motor que no está instalado y protegido correctamente. Si los rodamientos no están aislados del eje y el sistema está incorrectamente conectado a tierra, los rodamientos proporcionan la ruta de menor resistencia que busca un motor para equilibrar la carga. Cuando este equilibrio ocurre dentro de un rodamiento, se denomina mecanizado por electroerosión (EDM).

Cuando ocurre EDM, las piezas de material del cojinete pueden desprenderse mientras el motor está funcionando, lo que puede dañar gravemente el cojinete, o al menos causar ruido, calor y fallas prematuras con el tiempo. Una forma de prevenir CMV es darle al motor una ruta de baja resistencia para equilibrar la carga entre el rotor y el estator. Esto se logra comúnmente agregando un dispositivo de conexión a tierra del eje al motor y poniendo a tierra el motor. En motores más grandes, se puede obtener protección adicional aislando el cojinete opuesto al anillo de puesta a tierra del eje para eliminar las corrientes circulantes.

Si bien son útiles, estas características de protección del motor no llegan a la raíz de lo que hace que los motores estén sujetos a los efectos dañinos causados ​​por las formas de onda PWM.

Para hacer que un sistema de bombeo de velocidad variable sea robusto y funcione de manera confiable, se necesita más que ensamblar una bomba, un motor y un VFD juntos. Estos componentes deben integrarse y operarse como un solo sistema que ha sido diseñado para mitigar los problemas causados ​​al usar formas de onda de potencia PWM.

Los devanados del motor, por ejemplo, siempre deben tener protección adicional contra picos de voltaje cuando se alimentan con forma de onda PWM. Sin embargo, CMV y otros problemas creados por la interacción entre el motor y el VFD se pueden mitigar siguiendo las técnicas de instalación adecuadas.

Instalación del VFD Los cables de alimentación que van desde el VFD al motor deben estar blindados y clasificados específicamente para su uso con un VFD. Consulte con el fabricante para asegurarse de que sean del tamaño recomendado para los límites de voltaje y corriente del sistema.

Conexión a tierraEl motor no estará completamente protegido si solo está conectado a tierra. El VFD produce ruido de alta frecuencia que también debe conectarse a tierra en el variador. Conectar a tierra el VFD implica más que simplemente tender un cable de regreso a la tierra común en la unidad. El motor debe volver a conectarse a tierra con el variador utilizando un cable de conexión a tierra de tipo trenzado que sea, como mínimo, del mismo tamaño que un solo cable de alimentación y que vaya por el mismo conducto que los cables de alimentación.

Selección de conductos El conducto utilizado para albergar estos cables de alimentación y el cable de conexión a tierra debe ser de metal. El conducto debe conectarse tanto al motor como al variador sin aislar ninguno de los dos. No se debe utilizar PVC, plástico u otros materiales aislantes para conectar conductos metálicos a una caja de terminales del variador o del motor. Si se utiliza alguno de estos materiales, es fundamental que el conducto de metal que lleva los cables de alimentación y el cable de tierra esté correctamente conectado al circuito de tierra.

Adoptando un enfoque de sistemas Para proteger un motor contra el daño PWM, un fabricante de motores puede agregar protección adicional en el devanado, la puesta a tierra del eje y los cojinetes aislados. También se pueden agregar protecciones adicionales a la salida de un VFD. Los fabricantes agregan estas protecciones porque no pueden predecir dónde, cómo o cuándo se instalarán estos componentes. Pero hay una manera de mitigar estos efectos antes de que tengan la oportunidad de comenzar: diseñar e instalar estos componentes como un sistema integrado.

Para lograr la mejor solución, el motor y el variador de frecuencia deben tratarse como un solo sistema. Si el motor se vuelve a conectar a tierra con el variador y el cable, el conducto y el filtro tienen el tamaño correcto, el resultado debería ser un sistema de variador de velocidad que funcione según las especificaciones.

Patrick Hogg es gerente de ingeniería de aplicaciones para industria general y bombeo en Nidec Motor Corporation. Hogg tiene una licenciatura en ingeniería mecánica y una maestría en administración de empresas de la Universidad de Missouri-St. Luis. Puede comunicarse con él en [email protected].