Cómo instalar motores síncronos grandes en proyectos clave?

Preparación del Sitio y Diseño de Cimentación para la Estabilidad del Motor Síncrono Grande

Requisitos de Cimentación Portante para Prevenir Resonancia y Asentamiento

Para que los motores síncronos grandes funcionen correctamente, necesitan una base sólida capaz de soportar no solo el peso estático, sino también las complejas fuerzas dinámicas provocadas por armónicos. La cimentación debe soportar más de 50 toneladas de carga estática, además de todas esas partes móviles que generan vibraciones. Al diseñar estos sistemas, los ingenieros deben considerar tanto el peso considerable del equipo como la forma en que vibra durante su funcionamiento. Si no se tiene cuidado con las frecuencias de resonancia, los cojinetes se desgastarán mucho más rápido de lo esperado. Antes de verter cualquier hormigón, los ensayos de suelo indican qué tipo de carga puede soportar realmente el terreno. ¿Una mala compactación? Eso conduce a problemas en los que distintas partes se asientan a diferentes ritmos, lo cual empeora considerablemente cuando la diferencia supera 0,1 mm por metro. Este tipo de asentamiento desigual provoca problemas de desalineación del eje a largo plazo. La mayoría de las instalaciones utilizan bases de hormigón armado que tienen aproximadamente 1,5 veces el tamaño del motor, con almohadillas especiales añadidas para absorber vibraciones. En zonas propensas a terremotos, los pilotes de acero se hunden alrededor de un 30 % más profundo que la profundidad de la helada para mantener la estabilidad. Y tampoco debemos olvidar las juntas de dilatación térmica. Estos pequeños elementos permiten el movimiento estacional del terreno sin desalinear todo el sistema, manteniendo las vibraciones dentro de los rangos aceptables según la norma ISO 10816-3.

Selección de Estrategia de Montaje: Rígido, Bridado o Resiliente—Impacto en Vibración y Alineación

La forma en que se monta el equipo marca una gran diferencia a la hora de controlar las vibraciones y la frecuencia con la que se necesita mantenimiento. Para motores más pequeños de menos de 1000 kW en áreas donde no hay mucha vibración, los soportes rígidos funcionan muy bien para mantener la estabilidad. Pero cuidado, porque estos mismos soportes pueden empeorar en realidad esas molestas vibraciones de alta frecuencia. Los diseños de montaje con brida son muy eficaces para alinear correctamente los acoplamientos en espacios reducidos, lo que ahorra espacio. ¿El inconveniente? Requieren superficies de montaje extremadamente planas, a veces con una planitud de hasta 0,05 mm en toda el área. Cuando hablamos de sistemas resilientes con aisladores de caucho, estos reducen considerablemente los niveles de vibración según la norma ISO 1940. Pueden disminuir las vibraciones entre un 60 y un 80 por ciento, razón por la cual muchas plantas los prefieren para máquinas que operan a velocidades variables. Aunque existe un inconveniente: estas configuraciones resilientes necesitan revisiones más frecuentes cuando cambian las temperaturas a lo largo del día. Entre las consideraciones importantes están el comportamiento del par durante el arranque, el efecto del calor sobre los materiales de caucho con el tiempo y si los técnicos pueden acceder fácilmente al equipo para realizar comprobaciones de alineación láser. Aunque los soportes resilientes ayudan a prolongar la vida útil de los rodamientos aproximadamente un 25 % en situaciones con cargas de inercia elevadas, los operarios deben estar preparados para realizar comprobaciones de desalineación ("soft foot") alrededor de un 30 % más frecuentemente en comparación con sus equivalentes rígidos.

Instalación Mecánica de Precisión del Motor Sincrónico Grande

Prácticas Recomendadas de Alineación Láser para el Acoplamiento de Árboles y el Control de la Tolerancia de Desalineación

Conseguir una alineación adecuada marca toda la diferencia cuando se trata de prolongar la vida útil de los motores. Las herramientas modernas de alineación láser pueden alcanzar una tolerancia de aproximadamente 0,05 mm en árboles conectados. Y seamos honestos, incluso una desviación mínima de 0,1 mm hace que los rodamientos comiencen a desgastarse tres veces más rápido, según estudios recientes de Machinery Lubrication. La mayoría de los talleres siguen hoy en día una rutina básica de tres pasos. Primero verifican la base antes de realizar cualquier trabajo de alineación. Luego sigue el monitoreo real con láser mientras todo gira. Finalmente, existe esa verificación importante después de aplicar la tensión, pero antes de comenzar la operación completa. La experiencia muestra que este método reduce las fallas tempranas en aproximadamente dos terceras partes en comparación con las técnicas manuales tradicionales. Además, evita esos problemas de vibración severa que con el tiempo pueden destruir equipos.

Compensación del Crecimiento Térmico y Verificación de la Carga en Cojinetes Durante el Posicionamiento Final

La gestión adecuada de la expansión térmica es esencial al instalar equipos. En el caso específico de ejes de acero, tienden a alargarse aproximadamente 1,2 mm por cada metro cuando la temperatura aumenta en 100 grados Celsius. Esto significa que los técnicos deben incorporar desde el principio los ajustes de alineación en frío. Mientras tanto, las galgas extensométricas ayudan a verificar que las cargas en los cojinetes no se desvíen más del 15 % respecto al valor originalmente diseñado. Los datos también ofrecen información valiosa: según el Rotating Equipment Journal del año pasado, alrededor del 42 % de las paradas inesperadas del sistema ocurren porque alguien ignoró estos cambios térmicos. Al colocar definitivamente todo en su posición, la buena práctica consiste en analizar cómo cambian las condiciones desde la temperatura ambiente hasta las condiciones de operación, monitorear hacia dónde van realmente las cargas en comparación con lo planificado, y realizar ajustes finos mediante calzas para mantener todo funcionando correctamente tanto axial como radialmente.

Puesta en servicio eléctrica y sincronización con la red del motor síncrono grande

Integración del sistema de excitación y protocolos de coincidencia de voltaje/frecuencia

El sistema de excitación desempeña un papel clave en la gestión de la potencia reactiva y en mantener estables los voltajes terminales en toda la red. Mantener la corriente del campo rotor dentro de una tolerancia de aproximadamente medio por ciento es fundamental para evitar problemas como la saturación magnética o las molestas fallas por subexcitación que pueden detener las operaciones. Al conectarse a la red, también es muy importante ajustar correctamente el voltaje: debe estar dentro de una diferencia de un cuarto de porcentaje respecto al voltaje del bus, mientras que las frecuencias deben mantenerse alineadas dentro de un rango de 0,1 Hz para prevenir picos de par dañinos durante el arranque. Los sistemas modernos actuales dependen de esquemas de control en lazo cerrado combinados con sensores vectoriales que monitorean constantemente esos ángulos de fase, realizando ajustes automáticos tanto en los niveles de excitación como en las velocidades del motor primario según sea necesario. La sincronización manual sigue siendo riesgosa: recuerde qué ocurre cuando existe un desajuste de ángulo de fase incluso de 15 grados; este tipo de desalineación puede generar corrientes transitorias que superan más de cinco veces los niveles normales. Estudios mediante imágenes térmicas han mostrado lo que sucede cuando las cosas salen mal: un ajuste inadecuado de voltaje y frecuencia desgastará los materiales aislantes a tres veces la tasa normal en tan solo 2.000 horas de funcionamiento. La buena noticia es que la sincronización automática reduce los errores de puesta en servicio en casi un 92 % y mantiene armónicos molestos bien dentro de los límites establecidos por las normas IEEE 519-2022.

Parámetros clave de sincronización:

La sincronización se inicia únicamente después de que tres ciclos consecutivos de validación confirmen la alineación de los parámetros, evitando cierres fuera de fase que podrían causar daños mecánicos catastróficos. Esto garantiza una transición suave desde el funcionamiento aislado hasta la operación en paralelo con la red, manteniendo el factor de potencia dentro de ±0,01 respecto al valor objetivo.

Gestión térmica e integración del sistema de refrigeración para un rendimiento óptimo de motores síncronos grandes

Selección del método de refrigeración: aire, hidrógeno o agua, según la potencia nominal, el ciclo de trabajo y las condiciones ambientales

Un buen enfriamiento marca toda la diferencia en cuanto al rendimiento y la durabilidad de un equipo. Para motores más pequeños, aquellos de menos de unos 20 megavatios, el enfriamiento por aire suele ser la opción más económica en lugares con condiciones climáticas normales. Estos sistemas dependen del movimiento habitual del aire a través de canales especialmente diseñados. Pero no son suficientes para máquinas que funcionan ininterrumpidamente a plena capacidad. El enfriamiento por hidrógeno lleva las cosas a otro nivel completamente distinto. Este disipa el calor del equipo aproximadamente catorce veces mejor que el aire común. Por eso este método se utiliza principalmente en motores industriales grandes que generan más de cincuenta megavatios de potencia. El esfuerzo adicional necesario para contener el gas de hidrógeno se compensa, ya que estos sistemas experimentan pérdidas de energía por fricción mucho menores. Cuando se trata de operaciones extremadamente intensas, como en instalaciones de producción de acero, son necesarios circuitos de enfriamiento basados en agua. Estos manejan cantidades masivas de acumulación de calor, a veces superiores a 100 kilovatios por metro cúbico, y logran mantener temperaturas internas lo suficientemente bajas como para prevenir daños en los componentes, generalmente por debajo de los 130 grados Celsius. La elección del método adecuado de enfriamiento depende realmente de varias consideraciones importantes, incluyendo...

• Clasificación del Motor : Normalmente se requiere refrigeración por agua por encima de 60 MW
• Ciclo de trabajo : Los sistemas de hidrógeno funcionan mejor en operaciones continuas las 24 horas del día, los 7 días de la semana
• Condiciones ambientales : La refrigeración por aire es viable por debajo de 40 °C con ventilación adecuada

Los ingenieros deben equilibrar los costos iniciales con el rendimiento térmico a largo plazo, ya que cada 10 °C por encima de la temperatura nominal puede reducir a la mitad la vida útil del aislamiento. Cada vez más, se adoptan soluciones híbridas como intercambiadores de calor de aire a agua para optimizar el rendimiento y el acceso al mantenimiento en entornos industriales con limitaciones de espacio.