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Envejecimiento Prematuro por Armónicas

por Martin Rubbiolo

Introducción

Hace unos años atrás me tocó ir a hacer una demostración de equipo a una compañía minera en Chile. El Jefe de Mantenimiento Eléctrico me llevo a analizar una bomba vertical de 150HP que acababa de ser reembobinada en garantía, despues de la reparación original. El viejo, como se refieren a los trabajadores en Chile de forma amigable, estaba preocupado porque él sospechaba que el trabajo de rebobinado estaba mal hecho. Sino "¿porqué estaba operando caliente, de nuevo, el mismo motor?". Recapitulando, el motor se quemó, se envió a rebobinado, se montó de nuevo y a los 3 meses se volvió a quemar. Se mando a rebobinar, al mismo taller eléctrico, en garantía, y ahora seguía operando caliente, anticipando, de nuevo su deceso.

Después de colocar los instrumentos en el motor, un analizador On-line, y de preguntar el tipo de carga y alimentación de la bomba, se me informó que era operada por un variador de frecuencia (VFD) grande y anticuado. Cuando hicimos el primer ensayo, el equipo de Current Signature Analysis (CSA - On-Line) arrojó resultados de 26% de contenido armónico.

La causa del sobrecalientamiento del motor de inducción no era el motor en sí mismo, sino la alimentación sucia que proveia el Variador de Frecuencia. De esta forma se quemó el motor original, el rebobinado y lo mismo ocurriría con el re-rebobinado. La solución se encontraba en cambiar el Variador, introducir filtros de armónicos, que son caros, u otra alternativa. Pero sin culpar al motor eléctrico.

Aumento de Armónicas, Aumento de Temperatura

Esto, que parece obvio, no lo es. Pocos técnicos de mantenimiento disponen de las herramientas para verificar el contenido armónico de las fuentes de alimentación de sus motores. Para aumentar la complejidad del tema existen, al menos, dos métodos para calcular el contenido armónico. Además, estamos hablando del contenido armónico de voltaje, ya que el contenido armónico de corriente manifiesta problemas muy diferentes, con orígenes diferentes.

Asi el Sr. P. Gnacinski expresa, en su artículo "Prediction of windings temperature rise in induction motors supplied with distorted voltage",Prediction of windings temperature rise in induction motors supplied with distorted voltage", que en los sistemas marinos embarcados es frecuente encontrar disturbios profundos en la alimentación, tanto en corrimiento de frecuencia, como en nivel, como en contenido armónico. Debido a la baja calidad de voltaje presente en embarcaciones, los motores de inducción se sobrecalientan. Recordemos que de acuerdo a un estudio EPRI? por cada 10 ºc que un motor opera por encima de la temperatura de placa, su vida útil se reduce a la mitad. Sin embargo, y de acuerdo a Gnacinski, si bien el es para barcos, también se aplica a otros entornos donde la calidad de la alimentación no es buena.

Los factores fundamentales para una buena calidad son: 

a) Frecuencia Apropiada

b) Voltaje Sinusoidal

c) Voltaje Trifásico Balanceado

d) Voltaje RMS Apropiado

El aumento de estas perturbaciones aumenta las pérdidas del motor e induce a altas temperaturas, reduciendo su vida útil.Las armónicas que mas afectan la componente de armónicas totales (THD, Total Harmonic Distorsion) suelen ser la 5ta, 7ma, 11ava, y 13ava. Los tiristores en los Variadores antiguos suelen ser los culpables de introducir estas asimetrías indeseables.

El trabajo citado anteriormente tambien asegura que se puede predecir el aumento de temperatura en máquinas desconocidas, con solo conocer la magnitud  de las armónicas bajas. 

Desbalance Entre Fases - Aumento de Temperatura

De acuerdo a un estudio realizado por el Ing. Jose Policarpo G. de Abreu y el Ing. Alesander Eigeles Emanuel en una publicación de la IEEE titulada 

Induction Motor Thermal Aging Caused by Voltage Distortion and Imbalance: Loss of Useful Life and Its Estimated CostDistortion and Imbalance: Loss of Useful Life and Its Estimated Cost, los autores esbozan el concepto que los EEUU pierden entre 1 y 2 mil millones de dólares por año debido a la contaminación armónica de los buses de alimentación. En este estudio se vincula tambien el Desbalance entre fases como causa de calentamiento de motores eléctricos, debido a pérdidas en el motor. Por ejemplo, y como se puede ver en el gráfico 4 de la página 17 de dicho estudio, con un 3% de desbalance un motor de 100HP puede tener un 44% de pérdida de vida útil. Algo nada despreciable.