Análisis de anomalías en variadores de frecuencia

MASTER UNIVERSITARIO EN MANTENIMIENTO DE MEDIOS E INSTALACIONES INDUSTRIALES

Anlisisdeanomalasenvariadores develocidad.

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INDICE DE CONTENIDOS 1.Introduccin. ............................................................................................................................. 3 2.Razonesparausarunvariadordevelocidad. ........................................................................... 3 3.Tiposdevariadoresdevelocidad.............................................................................................. 4 Variadoresmecnicos ........................................................................................................... 4 Variadoreshidrulicos........................................................................................................... 5 Variadoreselctricoelectrnicos ......................................................................................... 5 VariadoresparamotoresdeCC ............................................................................................ 6 VariadoresporcorrientesdeEddy........................................................................................ 6 Variadoresdedeslizamiento................................................................................................. 6 VariadoresparamotoresdeCA ............................................................................................ 7 4.Principiodefuncionamientodeunvariadordefrecuencia...................................................... 8 ControladordelVFD.............................................................................................................. 8 5.Instalacindeunvariadordevelocidad. ................................................................................ 10 6.RealizacindeMedidasElctricasenInstalacionesconVariadordeVelocidadparadetectar posiblesproblemas. .................................................................................................................... 17 7.Bibliografa. ............................................................................................................................. 32

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1. Introduccin.Con este trabajo se pretende ayudar a definir los parmetros de instalacin y las comprobaciones a realizar en un variador una vez instalado para detectar posibles fallos. El Variador de Velocidad (VSD, por sus siglas en ingls Bariable Speed Drive) es en un sentido amplio un dispositivo o conjunto de dispositivos mecnicos, hidrulicos, elctricos o electrnicos empleados para controlar la velocidad giratoria de maquinaria, especialmente de motores. Tambin es conocido como Accionamiento de Velocidad Variable (ASD, tambin por sus siglas en ingls 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 travs de motores elctricos, a velocidades constantes o variables, pero con valores precisos. No obstante, los motores elctricos generalmente operan a velocidad constante o cuasi-constante, y con valores que dependen de la alimentacin y de las caractersticas propias del motor, los cuales no se pueden modificar fcilmente. 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 combinacin de un motor elctrico y el controlador que se emplea para regular la velocidad del mismo. La combinacin de un motor de velocidad constante y de un dispositivo mecnico que permita cambiar la velocidad de forma continua (sin ser un motor paso a paso) tambin puede ser designado como variador de velocidad.

2. Razones para usar un variador de velocidad.El control de procesos y el ahorro de la energa son las dos de las principales razones para el empleo de variadores de velocidad. Histricamente, los variadores de velocidad fueron desarrollados originalmente para el control de procesos, pero el ahorro energtico 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 ms suaves. Control de la aceleracin. Distintas velocidades de operacin para cada fase del proceso. IsaacCanoPostigo3


Compensacin de variables en procesos variables. Permitir operaciones lentas para fines de ajuste o prueba. Ajuste de la tasa de produccin. Permitir el posicionamiento de alta precisin. Control del Par motor (torque). Una ventaja muy importante y que no debemos pasar por alto es el mejor aprovechamiento de la energa, por tanto un equipo accionado mediante un variador de velocidad emplea generalmente menor energa que si dicho equipo fuera activado a una velocidad fija constante. Los ventiladores y bombas representan las aplicaciones ms 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 podra regularse mediante una vlvula de control dejando estable la velocidad de la bomba, pero resulta mucho ms eficiente regular dicho flujo controlando la velocidad del motor, en lugar de restringirlo por medio de la vlvula, ya que el motor no tendr que consumir una energa no aprovechada...

3. Tipos de variadores de velocidad.

En trminos generales, puede decirse que existen tres tipos bsicos de variadores de velocidad: mecnicos, hidrulicos y elctrico-electrnicos. Dentro de cada tipo pueden encontrarse ms subtipos, que se detallarn a continuacin. Cabe aclarar que los variadores ms antiguos fueron los mecnicos, que se emplearon originalmente para controlar la velocidad de las ruedas hidrulicas de molinos, as como la velocidad de las mquinas de vapores. Los variadores de velocidad mecnicos e hidrulicos generalmente son conocidos como transmisiones cuando se emplean en vehculos, equipo agroindustrial o algunos otros tipos de maquinaria. Variadores mecnicos Variadores de paso ajustable: estos dispositivos emplean poleas y bandas en las cuales el dimetro de una o ms poleas puede ser modificado. Variadores de traccin: transmiten potencia a travs de rodillos metlicos. La relacin de velocidades de entrada/salida se ajusta moviendo los rodillos para cambiar las reas de contacto entre ellos y as la relacin de transmisin.

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Variadores hidrulicos Variador hidrosttico: consta de una bomba hidrulica y un motor hidrulico (ambos de desplazamiento positivo). Una revolucin 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 regulacin de una vlvula de control, o bien, cambiando el desplazamiento de la bomba o el motor. Variador hidrodinmico: emplea aceite hidrulico para transmitir par mecnico entre un impulsor de entrada (sobre un eje de velocidad constante) y un rotor de salida (sobre un eje de velocidad ajustable). Tambin llamado acoplador hidrulico de llenado variable.

Variador hidroviscoso: consta de uno o ms discos conectados con un eje de entrada, los cuales estar en contacto fsico (pero no conectados mecnicamente) con uno o ms discos conectados al eje de salida. El par mecnico (torque) se transmite desde el eje de entrada al de salida a travs de la pelcula de aceite entre los discos. De esta forma, el par transmitido es proporcional a la presin ejercida por el cilindro hidrulico que presiona los discos.

Variadores elctrico-electrnicos Existen cuatro categoras de variadores de velocidad elctricoelectrnicos (vase el resto del artculo):

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 elctrico-electrnicos incluyen tanto el controlador como el motor elctrico, sin embargo es prctica comn emplear el trmino variador nicamente al controlador elctrico. Los primeros variadores de esta categora emplearon la tecnologa de los tubos de vaco. Con los aos despus se han ido incorporando dispositivos de estado slido, lo cual ha reducido significativamente el volumen y costo, mejorando la eficiencia y confiabilidad de los dispositivos.

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Variadores para motores de CC Estos variadores permiten controlar la velocidad de motores de Corriente contnua serie, derivacin, compuesto y de imanes permanentes. Para el caso de cualquiera de las mquinas anteriores se cumple la siguiente expresin: (1) donde Vt Voltaje terminal (V). K Constante de la mquina. FM Flujo magntico producido por el campo (Wb) Nm Velocidad mecnica (rpm). Despejando la velocidad mecnica, se obtiene:

(2) Entonces, de (2) puede observarse que la velocidad mecnica de un motor de CC es directamente proporcional al voltaje terminal (VT) e inversamente proporcional al flujo magntico (FM), el cual a su vez depende de la corriente de campo (IF). Aprovechando esta situacin 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 pequeo entrehierro. Se cuenta, adems, con una bobina de campo, cuya corriente puede ser regulada, la cual produce un campo magntico que determinar el par mecnico transmitido del rotor de entrada al rotor de salida. De esta forma, a mayor intensidad de campo magntico, mayor par y velocidad transmitidos, y a menor campo magntico menores sern 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 retroalimentacin un tacmetro de CA. Variadores de deslizamiento Este tipo de variadores se aplica nicamente para los motores de induccin de rotor devanado. En cualquier motor de induccin, la velocidad mecnica (nM) puede determinarse mediante la siguiente expresin:

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(3) Donde s es el deslizamiento del motor, cuyo valor oscila entre 0 y 1. De esta forma, a mayor deslizamiento, menor velocidad mecnica 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 induccin de rotor devanado. Sin embargo, este tipo de variadores es de menor eficiencia que otros, razn por la cual en la actualidad tiene muy poca aplicacin. Variadores para motores de CA Variador de frecuencia Los variadores de frecuencia (siglas AFD ,del ingls Adjustable Frecuency Drive; o bien VFD Variable Frecuency Drive) permiten controlar la velocidad tanto de motores de induccin (asncronos de jaula de ardilla o de rotor devanado), como de los motores sncronos mediante el ajuste de la frecuencia de alimentacin al motor. Para el caso de un motor sncrono, la velocidad se determina mediante la siguiente expresin:

(4)

Cuando se trata de motores de induccin, se tiene:

(5) donde: Ns = velocidad sncrona (rpm) Nm = velocidad mecnica (rpm) f = frecuencia de alimentacin (Hz) s = deslizamiento (adimensional) P = nmero 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 alimentacin al motor, se incrementar la velocidad de la flecha, y al reducir el valor de la frecuencia disminuir la velocidad del eje. Por ello es que este tipo de variadores manipula la frecuencia de alimentacin al motor a fin de obtener el control de la velocidad de la mquina.

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Estos variadores mantienen la razn Voltaje/ Frecuencia (V/Hz) constante entre los valores mnimo y mximos de la frecuencia de operacin, con la finalidad de evitar la saturacin magntica del ncleo del motor y adems porque el hecho de operar el motor a un voltaje constante por encima de una frecuencia dada (reduciendo la relacin V/Hz) disminuye el par del motor y la capacidad del mismo para proporcionar potencia constante de salida.

Relacin 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 induccin trifsico. Algunos tipos de motores monofsicos pueden ser igualmente usados, pero los motores de tres fases son normalmente preferidos. Varios tipos de motores sncronos ofrecen ventajas en algunas situaciones, pero los motores de induccin son ms apropiados para la mayora de propsitos y son generalmente la eleccin ms econmica. Motores diseados para trabajar a velocidad fija son usados habitualmente, pero la mejora de los diseos de motores estndar aumenta la fiabilidad y consigue mejor rendimiento del VFD.(variador de frecuencia). Controlador del VFD El controlador de dispositivo de variacin de frecuencia est formado por dispositivos de conversin electrnicos de estado slido. El diseo habitual primero convierte la energa de entrada CA en CC usando un puente rectificador. La energa intermedia CC es convertida en una seal quasisenoidal de CA usando un circuito inversor conmutado. El rectificador es usualmente un puente trifsico de diodos, pero tambin se usan rectificadores controlados. Debido a que la energa es convertida en continua, muchas unidades aceptan entradas tanto monofsicas como trifsicas (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

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las tensiones que hay disponible. Actualmente, los transistores bipolares de puerta aislada (IGBTs) son usados en la mayora de circuitos inversores. Las caractersticas del motor CA requieren la variacin proporcional del voltaje cada vez que la frecuencia es variada. Por ejemplo, si un motor est diseado para trabajar a 460 voltios a 60 Hz, el voltaje aplicado debe reducirse a 230 volts cuando la frecuencia es reducida a 30 Hz. As la relacin voltios/hertzios deben ser regulados en un valor constante (460/60 = 7.67 V/Hz en este caso). Para un funcionamiento ptimo, otros ajustes de voltaje son necesarios, pero nominalmente la constante es V/Hz es la regla general. El mtodo ms novedoso y extendido en nuevas aplicaciones es el control de voltaje por PWM.

DiagramadeVariadordefrecuenciaconModulacindeAnchodePulso(PWM).

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5. Instalacin de un variador de velocidad.

Para realizar la instalacin del variador se deben seguir estrictamente las recomendaciones dadas por el fabricante en el Manual de Instalacin respectivo. Especificaciones Ambientales Instale el variador en un ambiente que cumpla las condiciones ambientales descritas en la Tabla siguiente:

Elemento Localizacin

Especificaciones Interiores

Temperatura Ambiental Humedad Relativa Atmsfera

-10 a +50C (Nota 1)

5 a 95% (Sin condensacin)

El variador no debe ser expuesto a polvo, luz solar directa, gases corrosivos, gases inflamables, vapores de petrleo, vapor o cadas de agua. Grado de polucin 2 (IEC60664-1) (Nota 2) La atmsfera puede contener una pequea cantidad de sal (0.01 mg/cm2 o menos cada ao). El variador no debe ser expuesto a cambios repentinos de temperatura que puedan provocar condensacin.

Altitud Presin atmosfrica Vibraciones

1,000 m mx. (Nota 3) 86 a 106 kPa

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

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

de 20 55 de

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Variacin de la corriente de salida en funcin de la altitud

Altitud

Factor de correccin de corriente de salida 1.00 0.97 0.95 0.91 0.88

1000m o menor 1000 a 1500 m 1500 a 2000 m 2000 a 2500 m 2500 a 3000 m

(Nota ) Cuando dos o ms variadores se montan de lado (sin separacin lateral, en modelos de 22 kW o menor), la temperatura ambiente debera ser entre -10 y +40C. No deben instalarse el variador en un ambiente donde est expuesto a pelusa, deshechos de algodn o polvo hmedo o sucio, ya que se puede atascar el disipador del variador. En caso de instalarlo en dicho tipo de ambiente, debe colocarse en un habitculo especial. Si se usa el variador a una altura superior a 1000 metros, se deber aplicar un factor de correccin a la corriente de salida.

Base de instalacin El variador debe instalarse en una base metlica o de cualquier otro material no inflamable. No debe montarse el variador boca abajo o en posicin horizontal.

Separacin mnima Asegrese de que las distancias mnimas marcadas por el fabricante, se mantienen en todo momento. Se deben tomar precauciones extra con la ventilacin dentro del cuadro, ya que la temperatura puede subir con facilidad. - Montaje de dos o ms variadores. Para instalar dos o ms variadores en el mismo panel, se recomienda una distribucin horizontal. Si solo se pueden montar verticalmente, se separarn con una chapa metlica los variadores de modo que el calor radiado por un variador no afecte a otro situado encima. Siempre que la temperatura ambiente sea de 40C o menor, los variadores de 22 kW o inferior pueden ser montados de lado (sin separacin lateral).

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Los VVs producen ruido de alta frecuencia. Se deben tomar medidas durante la instalacin para evitar los efectos negativos del ruido. Abajo hay algunos ejemplos de las medidas que ayudarn 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.

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Asegurarse que los terminales de tierra (G/E) del VV estn firmemente conectados a tierra. Conectar un protector de sobre tensin a cada arrancador electromagntico y a cada rel instalado cerca del VV. Instalar filtros de ruidos cuando sea necesario. Puesta a Tierra del Sistema El tubo de metal de la canalizacin no es una puesta a tierra aceptable. Los conductores de control de entrada y de salida deben canalizarse en tubos metlicos 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 debern de ajustarse ciertos parmetros que van en funcin del uso y de las caractersticas del variador de velocidad, los parmetros ms comunes son:

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Anlisis de algunos parmetros.-

1. Boost Voltaje.- Cuando se alimenta al motor con V/f constante, se observa que existe prdida de torque a bajas velocidades '(frecuencias menores a 15 Hz). Para superar dicho problema se aplica un adicional de voltaje a la relacin V/f logrando aumentar la curva de torque correspondiente a dicha regin de baja velocidad. Tal tcnica se conoce con el nombre de Peldao de Voltaje o dicho en ingls como Boost Voltaje.

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Se observa que el parmetro Boost Voltaje es ajustable segn los requerimientos de la carga y slo tiene preponderancia para bajas velocidades.

2. Slip Compensation.- Puede observarse que existe un bloque de clculo de deslizamiento (slip en ingls), cuya salida se adiciona al valor de referencia de frecuencia. Esto es as porque no se tiene realimentacin de velocidad y se sabe que el rotor del motor pierde velocidad conforme la carga se incrementa. Por lo tanto, existe una relacin 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 Modulacin o Frecuencia de Portadora y su valor por defecto es de 4 kHz. Este parmetro ajusta la frecuencia de trabajo de los transistores IGBT. La finalidad de ajustar dicho parmetro es:

Trabajo silencioso, entonces se ajusta dicho parmetro a un valor mayor. Mayor distancia entre el motor y el variador, entonces el valor de dicho parmetro debe ser disminuido.

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

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Incremento de prdidas en el convertidor, ante lo cual debe aplicarse reduccin de potencia en el variador segn lo indicado en la figura 3-18. Incremento de emisiones de interferencia radioelctrica (RFI).

4. Skip Freq.- Denominada Frecuencia inhibida .

Su funcin es evitar los efectos de resonancia mecnica del sistema para determinadas frecuencias de trabajo del variador. Se suprimen las frecuencias que entregar el variador al motor, comprendidas dentro del parmetro indicado. Por lo tanto no ser posible el funcionamiento estacionario dentro de la gama de frecuencias suprimidas. Dicho parmetro trabaja conjuntamente con otro que le proporcionar el ancho de la banda de frecuencia prohibida. Se tiene posibilidad de prohibir hasta tres bandas de frecuencia.

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6.Realizacin de Medidas Elctricas en Instalaciones con Variador de Velocidad para detectar posibles problemas.

Algunos consejos a la hora de realizar medidas elctricas 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 exista ningn ruido. Siempre que sea posible hay que evitar tambin tocar instrumentos y sondas cuando se hace una lectura, ya que el ruido elctrico se puede acoplar a travs de las manos y esto puede afectar tambin a la lectura. Es necesario utilizar pinzas amperimtricas que estn bien apantalladas y terminadas en conectores BNC. - Las pinzas amperimtricas con salidas de 10mV/A 100mV/A tienen una relacin seal/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 elctricas en puntos de prueba clave del circuito cuando el sistema est 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 tensin 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 elctrica hay que asegurarse de que se conoce perfectamente la forma de hacerla con seguridad. Ningn instrumento de medida es seguro del todo si se utiliza incorrectamente, pero tambin 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 estn bien hechas. , este paso debe darse antes que ningn otro. Con frecuencia, es necesario apretar peridicamente las conexiones para mantener una baja resistencia de contacto entre conductores. Inspeccionar visualmente todos los puntos de conexin para ver si estn flojos, corrodos o con vas de conduccin a tierra. Incluso si los resultados de la inspeccin visual son satisfactorios, al 17 IsaacCanoPostigo


menos deber utilizarse uno de los tres mtodos siguientes, o una combinacin de ellos, para comprobar las conexiones: medidas de resistencia, cadas de tensin y medida de temperatura.

La medida de la resistencia es, probablemente, el mtodo menos aconsejable de los tres, pero permite detectar circuitos totalmente abiertos vas de fuga a tierra que presenten una resistencia. Sin embargo, hay que tener en cuenta que la mayora de los ohmmetros utilizan corrientes muy pequeas en sus medidas y que pueden dar una conexin por buena cuando, de hecho, la conexin puede estar en circuito abierto siempre que tiene que pasar una gran corriente a travs de la misma. Estos es lo que se conoce con el nombre de resistencia de contacto.

Otra alternativa es la de comprobar las cadas de tensin a travs de las diversas conexiones y compararlas con las de las otras dos fases. Cualquier variacin importante entre fases superior al 2% o 3% (dependiendo de la corriente del motor y de la tensin de alimentacin) en cada conexin debe ser considerada como mnimo de sospechosa. Finalmente, una sencilla sonda de temperatura por infrarrojos, utilizada con un multmetro digital de mano, es una forma rpida y fcil de comprobar la existencia de conexiones defectuosas. Cualquier aumento significativo de la temperatura del terminal de la conexin debido a prdidas de calor I2R, indicar una conexin defectuosa o una resistencia de contacto mayor de lo permisible. Si la temperatura del terminal no se haba 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 est 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), as como la propia carcasa del motor. Son las lecturas prximas a las obtenidas cuando el motor estaba funcionando normalmente? Si estas temperaturas no se haban medido con anterioridad, est la temperatura de funcionamiento del motor dentro de los lmites indicados por la clasificacin NEMA para ese motor? Si las respuestas a estas preguntas son afirmativas, quiz 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 est intentado proporcionar una potencia o un par superiores a los nominales, se producir una situacin de sobrecarga, es decir, el motor 18 IsaacCanoPostigo


absorber una corriente que ser superior a la nominal indicada en su placa de caractersticas. Por tanto, se puede medir la corriente absorbida por el motor y compararla con la indicada en la placa de caractersticas. Es importante no olvidar que hay que multiplicar la corriente nominal por el factor de servicio (SF), siempre que est en la placa.

Si el motor est por encima de su capacidad nominal y hace que dispare intermitentemente la proteccin contra sobrecargas del variador, la solucin no est en ajustar el dispositivo de proteccin contra sobrecargas a un valor superior para evitar su disparo. Conviene averiguar si las caractersticas nominales del motor son adecuadas para la aplicacin. En ocasiones se utiliza un motor ms barato y de menor potencia que el necesario o bien un error de clculo de la carga requerida es la causa de que el motor no sea el adecuado. Tambin es posible que la carga mecnica 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 mecnica y el comportamiento parecen normales, es posible que exista algn cortocircuito en el bobinado del motor y que sta sea la causa del aumento de la corriente y del calor y de la disminucin 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 caracterstico de los variadores de velocidad PWM: las sobretensiones causadas por ondas de tensin reflejadas. Las tensiones altas en el eje del motor (problema asociado tambin con los variadores de velocidad del tipo PWM) pueden explicar temperaturas excesivas en los cojinetes y el fallo prematuro de stos. La forma de probar estas condiciones se explica ms adelante. Medidas de tensin Puesto que la tensin aplicada a los terminales del motor por el variador de velocidad no es sinusoidal, sern distintas las lecturas proporcionadas por un multmetro analgico un multmetro digital que mida el valor medio y un multmetro digital que mida el verdadero valor eficaz. Muchos tcnicos de mantenimiento prefieren un multmetro analgico, porque la bobina que sirve de mecanismo de medida del multmetro 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 conmutacin de alta frecuencia. El medidor analgico tambin estar en correspondencia con la relacin V/Hz programada del variador de velocidad y con la tensin mostrada en la caja del variador de velocidad, si es que existe. Muchos multmetros digitales respondern a la componente de alta frecuencia de la forma de onda de alimentacin del motor y, por tanto, darn una lectura ms alta. Aunque un multmetro digital capaz de medir verdaderos 19 IsaacCanoPostigo


valores eficaces har una lectura correcta del efecto de calentamiento de la tensin no sinusoidal aplicada al motor, muy a menudo se prefiere la indicacin del medidor analgico, porque da una lectura de tensin inferior, similar a la tensin aplicada que reconoce el motor. Sin embargo, es necesario observar que, aunque el motor no responda a las frecuencias ms altas en trminos 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 razn de hacer medidas de tensin en los terminales del motor es verificar que la tensin no es demasiado alta ni demasiado baja y que no existen desequilibrios. Se puede utilizar un multmetro u osciloscopio digital con una sonda filtro-paso-bajo para verificar que la tensin en los terminales del motor se corresponde con la lectura de tensin mostrada en la pantalla del variador de velocidad. Utilizando un osciloscopio o, por ejemplo, el analizador de calidad elctrica Fluke 43B, se tiene la ventaja de que es posible hacer simultneamente la medida de frecuencia que resulta de gran utilidad y es realmente significativa. Si la tensin en el motor es demasiado baja, una causa probable es la existencia de conexiones defectuosas o que la tensin 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 tensin en el bus de continua puede ser demasiado alta; lo que podra ser debido a una tensin demasiado alta en la entrada del variador de velocidad. A continuacin hay que medir la tensin entre fases entre los tres terminales del motor para ver si hay desequilibrio de tensiones. Tngase en cuenta que desequilibrios de tensiones tan pequeos como el 3% pueden originar un calentamiento excesivo debido a corrientes desequilibradas en los arrollamientos del estator y una disminucin 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 multmetro digital dar unas lecturas ms precisas y con mejor resolucin que un multmetro analgico.

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

As, por ejemplo, unas tensiones de 389, 372 y 382 V dan una tensin media de 381V. La desviacin mxima respecto a la tensin media ser, por tanto, de 9, y el desequilibrio en porcentaje sera:

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Las causas posibles de los desequilibrios son: que uno de los circuitos de alimentacin slo conduzca parcialmente que haya una cada de tensin entre la salida del variador de velocidad y el terminal del motor en una de las fases, a causa de una mala conexin. Hay otros posibles problemas relativos a las tensiones en los terminales del motor relacionados con la distorsin, pero stos 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 caractersticas y que las corrientes en las tres fases estn equilibradas. Si la corriente de carga medida es superior a la nominal o si las corrientes estn desequilibradas, la duracin del motor se acortar, porque la temperatura de funcionamiento resultante ser elevada. Si el desequilibrio de tensiones est dentro de los lmites aceptables, cualquier desequilibrio de corrientes detectado podra indicar un cortocircuito en los arrollamientos del motor. En general, el desequilibrio de corrientes en un motor trifsico no debe ser superior al 10%. Puesto que la medida de corriente se har en un entorno de alta energa y elctricamente ruidoso, conviene utilizar una pinza amperimtrica adecuada, as como una buena tcnica de medida. Una pinza amperimtrica del tipo de transformador de corriente (CT) slo para CA normalmente funcionar mejor, ya que es un dispositivo de baja impedancia y es menos probable que capture ruido elctrico a travs de ella. Muchas de las pinzas amperimtricas de CA/CC son de efecto Hall, que tiene una alta impedancia, y son, por tanto, ms susceptibles al ruido. Ambos tipos de pinzas pueden tener problemas con el ruido si no estn debidamente apantalladas y no tienen terminaciones con conectores BNC. Las pinzas con escalas de salida seleccionables ms altas para medidas de corrientes inferiores a 10 A 20 A son las que permiten obtener una mejor relacin seal/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 frmula que para las tensiones, sustituyendo stas por las corrientes. Por ejemplo, corrientes de 30,35 y 30 A daran una corriente media de 31,7A. La desviacin mxima respecto a la corriente media sera de 3,3 A con un desequilibrio de corrientes del 10,4%.

Si las corrientes del motor estn 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 21 IsaacCanoPostigo


que medir la corriente en las tres fases con el motor bajo carga. A continuacin, desplazar los conductores de las fases del variador de velocidad a los terminales del motor. Si las fases , y estn 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. Despus 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 conexin /T2. Si el desequilibrio se desplaz a la conexin /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 conexin /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 induccin trifsico de CA, y puede ser un problema difcil de detectar. En una aplicacin con variador de velocidad esto sera debido, normalmente, a una conexin 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. Tambin es posible que uno de los IGBTs, 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 situacin. El funcionamiento con una sola fase es una causa bastante corriente de fallos de motores de induccin trifsicos, ya que los arrollamientos de las otras dos fases tienen que soportar mayores corrientes y, por tanto, generan ms calor, lo que, en su momento, llega a provocar averas prematuras en el motor. 22 IsaacCanoPostigo


Lo que hace que el funcionamiento con una sola fase sea un problema difcil de detectar es que, en esas condiciones, el motor sigue funcionando con normalidad aunque se produzca un aumento del calor generado en rgimen normal y, posiblemente, una reduccin del par, pero stas son condiciones sutiles que pueden pasar desapercibidas. Otro indicador es que, en el caso de parar el motor y volverlo a arrancar, ste puede girar en sentido contrario. Por lo que respecta a la medida, la deteccin de este problema es tambin algo difcil. Cuando las medidas de tensin se hacen en los terminales del motor, las lecturas de las tensiones estarn prximas a las normales, ya que la accin del motor est induciendo tensin en el arrollamiento abierto. La mejor manera de detectar con fiabilidad esta situacin 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 destruccin prematura de bobinados del motor, corrientes de fuga elevadas y destruccin de los cojinetes. Son problemas cada vez ms importantes debido, en gran medida, a que los variadores utilizan cada vez frecuencias ms elevadas. Sobretensiones Los tiempos rpidos subida en los pulsos de salida del variador de velocidad, unidos a largos tendidos de cables entre el variador y el motor, originarn sobretensiones que harn que sta se aproxime al doble de la tensin del bus de CC, que supere, incluso, este valor. Para analizar el alcance de este problema se hace imprescindible una herramienta grfica, con la que poder visualizar la forma de onda de la seal, es decir, un osciloscopio. Suponiendo que se haya identificado una verdadera sobretensin un problema de oscilaciones transitorias, deber hacerse algo al respecto y actuar de inmediato. La solucin ms sencilla es acortar la tirada de cable. En la tabla adjunta se muestra la longitud mxima del cable antes de que la tensin de pico se haga superior a 1,15 veces la tensin del bus de c.c. (tensin "segura" mas alta del motor) para diversos tiempos de subida y coeficientes de reflexin ( rL) de 0,8 yO,9. La tabla slo muestra donde comienzan las sobretensiones de pico para un tiempo de subida y una longitud de los cables dados. Las sobretensiones de pico seguirn aumentando hasta casi duplicar la tensin del bus de c.c. a medida que el cable se alargue el tiempo de subida se haga ms rpido. Las tensiones de pico pueden superar, incluso, el doble de la tensin del bus si la tensin reflejada se superpone a la oscilacin transitoria existente, debido a la inductancia de fugas distribuida y la capacidad del acoplamiento. 23 IsaacCanoPostigo


El verdadero peligro de sta sobretensin es el dao 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 ms recientes y nuevos, se consigue haciendo mas rpidos los tiempos de subida de los pulsos de salida, esto puede empeorar an ms 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 TZ QS (de Phelps-Dodge) para rebobinar el motor. Este tipo de hilo proporciona una proteccin mucho mejor contra sobretensiones sin aadir espesor al aislamiento, lo que permite utilizar el mismo estator sin modificaciones. Si el motor ha sufrido daos irreparables, se debe utilizar un motor diseado para cumplir las especificaciones NEMA MG-31 (tensin de pico sostenida no superior a 1.600 V y tiempo de subida de 0,1 s) como motor de sustitucin para aplicaciones de variadores de velocidad PWM en las que se puedan producir sobretensiones de forma sostenida.

Sobreoscilaciones. Teora En la fabricacin de los variadores PWM, se ha tendido a que el tiempo de subida de los pulsos sean lo ms cortos posible para reducir as las prdidas de conmutacin 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 24 IsaacCanoPostigo


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 rpidamente. Adems, 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 comn excesivo (corrientes de fuga), que puede interferir con seales de baja tensin y hacer que se disparen los circuitos GFI. La magnitud de la tensin que se refleja en los terminales del motor y retrocede hacia el variador de velocidad para sumarse a la tensin de pico y volver de nuevo al motor; se determina mediante el llamado coeficiente de reflexin, que va en funcin de la resistencia del motor; la inductancia del cable y la capacidad del cable, segn se muestra en la siguiente frmula:

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dnde rL es el coeficiente de reflexin de la carga, RM es la resistencia del motor y RC es la resistencia caracterstica del cable expresada por la siguiente frmula:

La mayora de motores de menos de 10 CV tienen un coeficiente de reflexin rL comprendido entre 0,9 y 1,0. Algunos motores de gran potencia pueden tener un coeficiente de reflexin rL tan baja como 0,80, incluso, menos. En las curvas de la figura, se ha utilizado un coeficiente de reflexin rL de 0, 9 para su clculo. Hay dos frmulas distintas para determinar la tensin de pico que se puede esperar en los terminales del motor, dependiendo de que el tiempo de trnsito del pulso, que viaja a la mitad de la velocidad de la luz, sea igual superior a un tercio del tiempo de subida (dv/dt) inferior a un tercio del tiempo de subida. Examinemos primero cmo se determina el tiempo de trnsito (tt) en funcin de la longitud del cable (lc).

Si el tiempo de trnsito del cable es inferior a un tercio del tiempo de subida, hay que utilizar la siguiente frmula para la tensin de pico V pico:

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Donde V DCB es la tensin del Bus de continua. Si el tiempo de trnsito es igual superior a un tercio del tiempo de subida, la parte de la primera frmula de la tensin de pico V pico no se utiliza y el valor se convierte en:

Por ejemplo, con una tensin 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 clculo de la tensin de pico se podr 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 trnsito (0,1 ms) es menor que un tercio del tiempo de subida (0,16 ms), por lo que tendremos que utilizar la primera frmula de la tensin de pico Vpico que tiene en cuenta el efecto del tiempo de subida, y el clculo se convierte en:

Con un tiempo de subida de 0,1ms, el tiempo de trnsito (0,1ms) es mayor que un tercio del tiempo de subida (0,033 ms), por lo que tendremos que utilizar la segunda frmula de la tensin de pico Vpico y el clculo se convierte en:

Identificacin de sobreoscilaciones La figura 1 muestra la medida de la tensin entre fases del variador de velocidad en los terminales del motor con 2 metros de cable, mientras que la figura 2 muestra esa misma tensin con 30 metros de cable. Obsrvese la diferencia en las medidas de las tensiones de pico, que es del orden de 210 V. Obsrvese tambin que slo hay una diferencia de 5V eficaces entre las dos formas de onda (los dgitos pequeos de la pantalla). Esto significa que el voltmetro utilizado no puede detectar este problema. En cualquier caso, conviene saber que muy pocos osciloscopios son capaces de disparar con la facilidad y precisin con que lo hace el ScopeMeter 123 de Fluke para las 27 IsaacCanoPostigo


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

Las seales de Las figuras 3 y 4 fueron capturadas disparando sobre un slo pulso y utilizando el modo de disparo nico con cursores activados para hacer la medida de la tensin de pico a lo largo del tiempo de subida. Aunque esta medida requiere ms pulsaciones de botones y dominio del osciloscopio, la medida automtica del tiempo de subida, puede merecer esta complicacin. Reajustando manualmente, de forma peridica, el momento del disparo nico, se obtiene una muestra de distintas tensiones de pico para los distintos pulsos. Adems, si se aumenta lentamente la tensin de disparo se obtendr una idea de cul es la tensin de pico mxima cuando el osciloscopio deje de disparar.

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Cuando no es posible acortar el cableado Si no es posible acortar el cableado en la instalacin 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 mquinas de taladrar, no es posible acceder a los terminales del motor y se necesitan otros mtodos 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 sta es una solucin bastante sencilla, las reactancias pueden ser bastante grandes, voluminosas y caras para aplicaciones con motores de gran potencia.

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Todas las soluciones sugeridas anteriormente convienen que sean diseadas e instaladas para cada aplicacin por un tcnico cualificado. Nota sobre seguridad: el fenmeno de las tensiones reflejadas puede dar lugar a tensiones de pico 2 a 3 veces superiores a la tensin del bus de c.c. de 513V, ocasionando posibles sobretensiones de pico de 1000-1600V , incluso, superiores, dada la variacin admisible en +10% de la tensin de lnea. Por tanto, se recomienda que la medida de la tensin en los terminales del motor se haga con la sonda que tenga la tensin nominal ms 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 producirn descargas elctricas disruptivas hacia el exterior de los mismos que pueden originar picaduras y ranuras en las pistas de los rodamientos. Los primeros sntomas de este problema ser el ruido excesivo y el sobrecalentamiento, a medida que los rodamientos comiencen a perder su forma original y que las partculas metlicas se mezclen con la grasa aumentando el rozamiento en los rodamientos. Esto puede provocar su destruccin 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 tensin en el eje, normal e inevitable, creada entre el bobinado del estator y el eje del rotor, debida a pequeas asimetras del campo magntico en el entrehierro, que son inherentes al diseo del motor. La mayora de los motores de induccin se disean para que tengan una tensin mxima en el eje respecto a la tierra de la carcasa inferior a 1V eficaz. Otras fuentes de tensin en el eje del motor proceden de fuentes electrostticas internas, entre las que se incluyen los acoplamientos accionados por correas, el aire ionizado que pasa a travs de los labes del ventilador del rotor a la alta velocidad del aire que pasa sobre los labes del ventilador del rotor, como ocurre en las turbinas de vapor. Funcionando con corriente sinusoidal de 50 Hz., la tensin de fallo de los rodamientos es de 0,4 a 0,7 V, aproximadamente. Sin embargo, los flancos rpidos 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 tensin disruptiva ms alta crea descargas elctricas disruptivas tambin mas altas en los rodamientos, lo que aumenta los daos en los mismos en un periodo de tiempo ms 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. 30 IsaacCanoPostigo


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 comn est conectado a la tierra de la carcasa del motor. Puesto que las tensiones en el eje son debidas a tiempos rpidos de subida de los impulsos del variador PWM, las tensiones aparecern como picos independientes y se deben medir utilizando un osciloscopio y no un multmetro digital. Aunque el multmetro digital tenga capacidad de deteccin de picos, habr 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 tensin entre el eje y la tierra de la carcasa despus de que el motor haya alcanzado la temperatura de rgimen normal, ya que es posible que las tensiones en el eje no estn ni siquiera presentes cuando el motor esta fro. La solucin ms sencilla a este problema es reducir la frecuencia de la portadora a menos de 10 kHz , 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 utilizacin de dispositivos de conexin a tierra del eje, el aislamiento de los rodamientos, pantallas de Faraday en el motor, grasa conductora, el uso de rodamientos cermicos o el filtrado entre el variador de velocidad y el motor. Corrientes de fuga Las corrientes de fuga (ruido en modo comn) 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 ms rpidos y las frecuencias de conmutacin mas altas lo nico que hacen es agravar el problema. Tambin se debe tener en cuenta que el aumento potencial de las corrientes de fuga justifica el examen atento de los mtodos establecidos de conexin a tierra segura de la carcasa del motor. El aumento de las corrientes de fuga puede tambin dar lugar a disparos intempestivos y molestos de los rels de proteccin contra fugas a tierra. Se puede utilizar una reactancia de modo comn, junto con una resistencia amortiguadora, para reducir las corrientes de fuga. Tambin se pueden utilizar cables especiales de supresin de las interferencias electromagnticas entre la salida del variador y los terminales del motor. Los hilos conductores de cobre del cable se recubren con grnulos de ferrita que absorben la energa de RF y la convierten en calor. Los transformadores de aislamiento en las entradas de c.a. tambin reducen el ruido de modo comn.

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7. Bibliografa. Campbell, Sylvester J. (1987). Solid-State AC Motor Controls. New York: Marcel Dekker, Inc.. ISBN 0-8247-7728-X. Cowie, Charles J. (2001). Adjustable Frequency Drive Application Training. Powerpoint presentation. Excerpts donated to Wikipedia by the author. Gua Rpida Frenic Mega: Variadores Multifuncin prestaciones. Documento: SG_MEGA_ES_1.2 de Altas

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Análisis de anomalías en variadores de frecuencia