Corrientes parásitas en rodamientos por VFD (shaft currents)

El inversor IGBT del VFD conmuta cada fase entre el potencial positivo y negativo del bus DC a frecuencias de 2–16 kHz. En cada instante de conmutación, la suma de las tres tensiones de fase no es cero sino que toma valores de ±V_DC/6, ±V_DC/2 (para PWM estándar SVPWM). Esta tensión resultante se denomina tensión de modo común (V_cm):

Esta tensión de modo común se aplica entre el estátor y tierra a través de la capacitancia del cableado y del motor, y entre el estátor y el rotor a través de la capacitancia parásita estátor-rotor (C_sr, del orden de decenas a centenares de nF en motores industriales). La fracción de V_cm que aparece en el eje del rotor con respecto a tierra se denomina tensión de eje o shaft voltage (V_shaft).

El mecanismo EDM (Electrical Discharge Machining) es el tipo de daño más frecuente y devastador. La tensión de eje acumula carga en la película de grasa dieléctrica del rodamiento hasta que la tensión supera la rigidez dieléctrica de la película (típicamente 5–30 V). En ese instante se produce una descarga eléctrica que erosiona localmente el acero de la pista y las esferas.

• Síntoma en la pista del rodamiento: El daño EDM produce un patrón de fluting (corrugación o estriado) — una serie de crestas y valles paralelos distribuidos uniformemente alrededor de la pista interior o exterior del rodamiento, con separación periódica relacionada con la frecuencia de conmutación del VFD. El fluting es la firma diagnóstica del daño por corriente parásita.
• Magnitud de la corriente EDM: Cada descarga es de muy corta duración (nanosegundos) y baja energía individual, pero la frecuencia de repetición (igual a la frecuencia de conmutación del VFD, 4–16 kHz) genera millones de descargas por minuto. El daño acumulado puede manifestarse en 3–6 meses de operación.
• Nivel peligroso de tensión de eje: NEMA MG-1 §31 indica que tensiones de eje > 300 mV_pico medidas con osciloscopio entre el eje y la carcasa indican riesgo significativo de daño EDM. Algunos fabricantes recomiendan < 500 mV_RMS como criterio de aceptación.

En motores de gran potencia (> 100 kW aproximadamente), un segundo mecanismo se suma al EDM: la corriente circulatoria. El flujo magnético de alta frecuencia generado por la corriente de modo común en el cableado y el bobinado del estátor atraviesa la carcasa del motor, induciendo una tensión en el circuito formado por el eje — rodamiento DE — carcasa — rodamiento NDE — eje. Si ambos rodamientos tienen continuidad eléctrica con la carcasa, la corriente circula por este circuito de baja impedancia.

La corriente rotor-tierra es la tercera variante: la tensión de modo común del VFD impulsa una corriente que fluye desde el rotor (acoplado capacitivamente al estátor), a través del rodamiento DE, por el eje, el rodamiento NDE y sale por el cable de tierra de la carcasa. Este mecanismo es predominante en motores pequeños y medios, y se interrumpe con un rodamiento aislado en cualquiera de los dos lados.

1. Medir tensión de eje en servicio: Con osciloscopio y sonda diferencial de baja capacitancia, medir entre el extremo del eje (con escobilla de carbono o cobre-grafito) y el cuerpo del motor. Amplitudes > 300 mV pico indican riesgo de EDM. Si hay rodamiento aislado instalado, comparar la tensión antes y después del aislamiento.
2. Inspeccionar rodamientos desmontados: Buscar el patrón de fluting con lupa o microscopio. El fluting se distingue del daño por sobrecarga (que produce marcas asimétricas o de Brinell) por la periodicidad regular de los surcos alrededor de la pista.
3. Analizar grasa extraída del rodamiento: La grasa contaminada por partículas metálicas de las descargas EDM toma un color grisáceo o negro característico. La grasa limpia tiene un color beige o marrón claro.
4. Medir corriente de modo común del VFD: Instalar una pinza de corriente en modo común alrededor de los tres cables de fase del VFD (incluido el neutro si existe). Corrientes > 1 A de alta frecuencia indican acoplamiento capacitivo significativo.
5. Historial de falla: Si el motor con VFD falla rodamientos en ciclos de 3–18 meses repetidamente, mientras que el mismo motor sin VFD duraba años, el mecanismo de daño casi certamente es por corriente parásita.

El rodamiento aislado tiene un recubrimiento de alúmina (Al₂O₃) sobre la superficie exterior de la pista exterior (o interior), aplicado por plasma spray, que proporciona una resistencia de aislamiento > 100 MΩ a 500 V DC (en seco).

• Instalación: Se instala en el lado de no-accionamiento (NDE) del motor para romper el circuito de corriente circulatoria. Si se aísla el lado de accionamiento (DE), la carga mecánica puede erosionar el recubrimiento con el tiempo. El fabricante del motor suele indicar cuál rodamiento aislar.
• SKF INSOCOAT: Recubrimiento de óxido de aluminio sobre la cara exterior del anillo exterior. Rigidez dieléctrica ≥ 1000 V DC (seco). Instalación directa en el mismo alojamiento que el rodamiento estándar equivalente. Disponible para rodamientos 6200–6300 de todas las series.
• FAG Arcanol / Schaeffler CEROBEAR: Alternativa con recubrimiento cerámico similar. Las series Hybrid Rolling Bearings (bolas o rodillos de Si₃N₄ — nitruro de silicio) son la solución de mayor rendimiento: la cerámica no conduce electricidad, elimina tanto el EDM como la corriente circulatoria y tiene mejor resistencia al desgaste.
• Limitación: No aísla contra corriente EDM pura (capacitiva). La capacitancia parásita del recubrimiento puede ser suficiente para conducir corrientes de alta frecuencia si no se usa rodamiento aislado + anillo de puesta a tierra combinados.

El anillo AEGIS SGR (Shaft Grounding Ring) de Electro Static Technology es un dispositivo que establece una conexión de baja impedancia entre el eje giratorio del motor y la carcasa, proporcionando un camino de baja resistencia para las corrientes de modo común de alta frecuencia sin pasar por los rodamientos.

• Principio de funcionamiento: El anillo contiene miles de microfibras conductivas (fibra de carbono y plata) que hacen contacto continuo con el eje en rotación. La resistencia de contacto es muy baja (< 1 Ω), y la impedancia a alta frecuencia es mucho menor que la del rodamiento, por lo que la corriente prefiere fluir por el anillo.
• Instalación: Se monta en el extremo del eje (DE o NDE), con las microfibras apuntando hacia el eje. El anillo se conecta eléctricamente a la carcasa del motor. En motores nuevos se puede especificar de fábrica; en motores en servicio se instala en parada planificada.
• Mantenimiento: Las microfibras AEGIS tienen vida útil de varios años, pero requieren inspección visual periódica y pueden necesitar reemplazo cada 3–5 años según las condiciones de operación (suciedad, vibraciones).
• Limitación: No protege eficazmente contra la corriente circulatoria de alta amplitud (> 1 A) en motores grandes. Para motores > 375 kW se recomienda combinar rodamiento aislado en NDE + anillo AEGIS en DE.