2. Explicación de las características de diseño de los motores VFD
3. Refrigeración a velocidad variable: IC411 frente a IC416
4. Corriente en los rodamientos y cómo prevenirla
5. Cálculos de ahorro de energía del variador de frecuencia
6. Serie Ever-Power YVF2 de Corea
7. Preguntas frecuentes
1. ¿Por qué falla un motor estándar con alimentación de variador de frecuencia?
Un variador de frecuencia genera una forma de onda de voltaje modulada por ancho de pulso (PWM) en lugar de una señal sinusoidal pura. Si bien la frecuencia fundamental y el voltaje promedio se pueden controlar con precisión para lograr velocidad variable, las rápidas transiciones de conmutación en la forma de onda PWM crean picos de voltaje que pueden alcanzar de 2 a 3 veces el voltaje de alimentación en los terminales del motor cuando la longitud del cable entre el variador y el motor supera unos pocos metros. Estos picos de voltaje someten el aislamiento del bobinado a una tensión que los sistemas de aislamiento de motores estándar no están diseñados para soportar.
En un sistema de accionamiento de 380 V, los picos de tensión PWM pueden alcanzar los 1200 V o más en los terminales del motor. El aislamiento estándar del bobinado del motor se prueba hasta aproximadamente 1000 V y se degrada por la exposición repetida a estos picos. La falla generalmente comienza en la primera espira de la bobina, que recibe el pico de tensión completo antes de que el frente de onda se atenúe a lo largo del bobinado. Con el paso de las semanas o los meses, la descarga parcial daña el aislamiento entre espiras, lo que finalmente provoca un cortocircuito en el bobinado.
Un motor IC411 (TEFC) estándar depende de su ventilador montado en el eje para hacer circular aire de refrigeración sobre la carcasa. A baja velocidad, bajo control de variador de frecuencia (VFD), el ventilador gira lentamente y proporciona un flujo de aire de refrigeración mucho menor. Al 25 % de la velocidad nominal (por ejemplo, 360 rpm en un motor de 4 polos), el ventilador de refrigeración proporciona aproximadamente el 6 % del flujo de aire nominal (proporcional a la velocidad). Las pérdidas en el bobinado del motor siguen siendo elevadas a par máximo, pero la capacidad de refrigeración es prácticamente nula, lo que provoca un sobrecalentamiento rápido si el motor funciona a par máximo a baja velocidad.
La conmutación PWM genera voltajes de modo común en el eje del motor con respecto a tierra. Cuando el voltaje del eje supera el voltaje de ruptura dieléctrica de la película lubricante en el rodamiento, fluye una corriente de descarga a través del contacto entre la bola y la pista del rodamiento. Las descargas repetidas erosionan la superficie de la pista del rodamiento, produciendo una apariencia característica esmerilada o estriada. El rodamiento se vuelve progresivamente más ruidoso y falla prematuramente, generalmente entre 6 y 18 meses, en comparación con más de 20 000 horas con alimentación sinusoidal.
2. Explicación de las características de diseño de los motores VFD
Un motor con variador de frecuencia, como la serie YVF2 de Korea Ever-Power, incorpora modificaciones de ingeniería específicas para solucionar cada uno de los tres mecanismos de fallo descritos anteriormente. Estas características hacen que el motor sea apto para funcionar de forma continua a cualquier velocidad dentro del rango nominal sin que se produzca un envejecimiento acelerado.
Los motores VFD utilizan aislamiento de clase H (clasificación de 180 °C) con hilo esmaltado resistente a la descarga corona para el bobinado del estator. El hilo resistente a la descarga corona (CR) tiene un recubrimiento adicional que resiste las descargas parciales a niveles de tensión superiores al umbral de aislamiento. El material del revestimiento de la ranura se ha mejorado, pasando del poliéster estándar a un material a base de aramida con mayor rigidez dieléctrica. La impregnación del bobinado utiliza un sistema de resina VPI (impregnación a presión al vacío) que elimina los huecos en el aislamiento de la bobina donde podrían iniciarse descargas parciales. En conjunto, estas medidas aumentan la tensión de impulso efectiva que soporta el bobinado de aproximadamente 1000 V (estándar) a 1350 V o más, muy por encima de la tensión máxima de pico del VFD en un sistema de 380 V.
El sistema de refrigeración IC416 sustituye el ventilador montado en el eje (IC411) por un motor soplador externo con alimentación independiente, montado en el extremo opuesto al de accionamiento del motor principal. El soplador funciona a velocidad constante de forma continua, independientemente de la velocidad del eje del motor principal, manteniendo el caudal de aire de refrigeración nominal incluso cuando el motor principal funciona a una velocidad cercana a cero. Esto permite que el motor VFD entregue el par nominal completo desde 0 rpm hasta la velocidad nominal (el rango de velocidad de par constante de 10:1) sin ninguna reducción de potencia por sobrecalentamiento. Los motores sopladores de la serie YVF2 de Korea Ever-Power tienen una potencia nominal de 380 V y 50 Hz, trifásica, y suelen tener una potencia de entre 50 y 250 W, según el tamaño de la carcasa del motor principal.
Los motores de la serie YVF2 de Korea Ever-Power incorporan sensores termistores PTC (coeficiente de temperatura positivo) integrados en el devanado del estator, en el punto más caliente de cada fase. Los termistores PTC presentan un aumento brusco de resistencia a una temperatura de disparo definida (normalmente 130 °C o 150 °C). Estos termistores se conectan a un módulo de relé PTC en el panel de control del variador de frecuencia, que desconecta el variador si algún devanado alcanza la temperatura establecida. Esto proporciona una protección directa contra sobrecalentamiento del devanado, independientemente del relé de sobrecarga térmica externo, que solo monitoriza la corriente del motor y no puede detectar directamente el sobrecalentamiento del devanado causado por un fallo del sistema de refrigeración o una temperatura ambiente excesiva.
Para interrumpir la descarga de corriente en el rodamiento, los motores de la serie YVF2 de más de 75 kW incorporan un manguito aislado en la carcasa del rodamiento del extremo opuesto al de accionamiento. Este manguito proporciona aislamiento eléctrico entre el anillo exterior del rodamiento y la cubierta del motor, impidiendo que la tensión de eje en modo común complete un circuito a través del rodamiento del extremo opuesto al de accionamiento. El rodamiento del extremo de accionamiento permanece sin aislar para proporcionar la conexión a tierra necesaria. También se puede especificar una escobilla de puesta a tierra (escobilla de puesta a tierra del eje) para tendidos de cable muy largos o configuraciones de accionamiento sensibles donde el aislamiento del rodamiento del extremo opuesto al de accionamiento por sí solo sea insuficiente.
3. Refrigeración a velocidad variable: IC411 frente a IC416
| Propiedad | IC411 (TEFC estándar) | IC416 (Ventilador con motor VFD) |
|---|---|---|
| Fuente de flujo de aire de refrigeración | Ventilador montado sobre eje, velocidad proporcional al eje del motor. | Motor del ventilador independiente de velocidad constante, independiente del eje principal. |
| Enfriamiento a velocidad 10% | ~0,1% de capacidad de refrigeración nominal | 100% de capacidad de refrigeración nominal |
| Rango de velocidad de par constante | Normalmente 50–100% de velocidad nominal (2:1 o menos) | 0–100% de velocidad nominal (10:1 o superior) |
| Se necesita suministro adicional | Ninguno | Trifásico de 380 V para motor de ventilador (50–250 W) |
| Nivel de ruido a baja velocidad | Reducido (el ventilador gira lentamente) | Ruido constante del ventilador independientemente de la velocidad del motor. |
| Aplicaciones típicas | Cargas de par variable (ventiladores, bombas) con un rango de velocidad superior a la clasificación 50%. | Cargas de par constante en un amplio rango de velocidades: extrusoras, transportadores, máquinas herramienta, polipastos. |
Nota para accionamientos de ventiladores y bombas centrífugas: para cargas de par variable donde la velocidad rara vez cae por debajo del 50 % de la nominal, un motor estándar con refrigeración IC411 puede ser adecuado para su uso con variadores de frecuencia, ya que la carga centrífuga reduce naturalmente el par a menor velocidad, manteniendo las temperaturas del bobinado bajo control incluso con una refrigeración reducida del ventilador. Sin embargo, el refuerzo del aislamiento del bobinado sigue siendo necesario independientemente del tipo de carga para proteger contra picos de tensión PWM.
4. Corriente en los rodamientos y cómo prevenirla
El daño por corriente en los rodamientos es uno de los modos de falla más insidiosos en los motores con variadores de frecuencia, ya que no produce síntomas inmediatos. El motor funciona normalmente, con corriente y temperatura normales, pero los rodamientos se dañan progresivamente por descargas eléctricas microscópicas. El primer síntoma suele ser una aspereza audible en la rotación del rodamiento, momento en el que ya se ha formado un estriado en la pista de rodadura (un patrón regular de ranuras circunferenciales en la pista interior o exterior del rodamiento) y es necesario reemplazarlo.
Recubrimiento cerámico en el anillo exterior del rodamiento o manguito aislante en el protector del extremo. Interrumpe el circuito de descarga en el rodamiento NDE. Estándar en motores YVF2 de más de 75 kW. La solución más rentable para motores de más de 75 kW.
Las escobillas de carbono o plata se deslizan sobre el eje del motor, proporcionando una vía de baja impedancia a tierra para la tensión de modo común del eje. Descargan la tensión del eje a tierra antes de que alcance el nivel de ruptura del lubricante del rodamiento. Eficaces en motores de todos los tamaños; requieren el reemplazo periódico de las escobillas.
El filtro LC instalado entre la salida del variador de frecuencia y el cable del motor limita la velocidad de aumento de voltaje de los pulsos PWM en los terminales del motor. Reduce la amplitud del pico de voltaje y ralentiza el frente de onda de voltaje, disminuyendo así la tensión de aislamiento y la magnitud de la corriente de modo común. Recomendado para tendidos de cable superiores a 50 metros.
El inductor toroidal en el cable de salida del variador atenúa la corriente de modo común que genera la tensión en el eje. Se suele utilizar junto con una escobilla de puesta a tierra del eje o un cojinete aislado NDE para una protección integral contra la corriente en los cojinetes de motores grandes con cables largos.
5. Cálculos de ahorro de energía del variador de frecuencia
En el caso de ventiladores centrífugos y bombas, reducir la velocidad del motor con un variador de frecuencia genera un ahorro energético desproporcionadamente grande, ya que la demanda de potencia sigue la ley cúbica: la potencia es proporcional al cubo de la velocidad. Una reducción de velocidad del 20 % produce una reducción de potencia del 49 %.
Este cálculo supone que el sistema opera a un caudal máximo de 80% durante la mayor parte del año. En la práctica, la demanda de caudal del proceso varía, y el ahorro energético a caudal parcial es incluso mayor que el que muestra este ejemplo. La instalación de variadores de frecuencia en bombas centrífugas y ventiladores suele amortizarse en 6 a 18 meses con los precios típicos de la electricidad industrial, lo que la convierte en una de las inversiones en eficiencia energética más atractivas para los operadores de plantas de proceso.
6. Motor VFD de la serie YVF2 de Korea Ever-Power
La serie YVF2 es la gama de motores para variadores de frecuencia de Korea Ever-Power, diseñada para aplicaciones de velocidad variable con variadores de frecuencia en accionamientos industriales. La gama completa se detalla en el Sección de productos de motores para variadores de frecuencia, con una cobertura de 0,75 kW a 200 kW en tamaños de bastidor IEC de 80M a 315M en configuración de 4 polos, con variantes de 2 y 6 polos disponibles bajo pedido.
Todos los motores YVF2 están diseñados con una eficiencia IE3 (medida con una alimentación sinusoidal de 50 Hz según la norma IEC 60034-30-1). El ventilador externo IC416 permite un par nominal completo de 0 a 50 Hz (de 0 a 1450 rpm para motores de 4 polos) sin reducción de potencia, y un funcionamiento continuo por encima de 50 Hz hasta 120 Hz (hasta 3500 rpm) con una característica de potencia constante por encima de la velocidad base. Este amplio rango de funcionamiento abarca accionamientos de extrusoras, control de velocidad de cintas transportadoras, accionamientos de ejes de máquinas herramienta e instalaciones de grandes ventiladores y bombas con largas jornadas de funcionamiento.
| Rango de potencia | 0,75 – 200 kW |
| Voltaje | 380 V ± 5%, 50 Hz |
| Rango de frecuencia | 0 – 120 Hz |
| Enfriamiento | Ventilador externo IC416 |
| Rango de par constante | 10:1 (0 – 50 Hz) |
| Aislamiento | Cable de clase H, CR |
| Protección | IP54 (IP55 bajo petición) |
| Termistores | PTC, 3 por motor |
| Rodamiento NDE (≥75 kW) | Funda aislante estándar |
7. Preguntas frecuentes
Editado por Cxm
