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Por qué explotaban los variadores de una planta de reciclaje: corrosión por azufre
En una planta de tratamiento de residuos, los variadores de un sistema motorizado se rompían una y otra vez: los transistores de potencia acababan reventando, sin un fallo de motor ni de programación que lo explicara. El culpable estaba en el aire. Contamos qué pasa, por qué termina en una explosión y cómo se evita.
El caso: variadores que duraban unos meses
El sistema era sencillo: varios motores asíncronos gobernados por variadores de frecuencia, montados cerca de la maquinaria en una nave de tratamiento de residuos. Al principio todo funcionaba. Al cabo de unos meses, los variadores empezaban a fallar uno tras otro y, al abrirlos, el daño siempre estaba en la etapa de potencia: transistores destruidos, a veces con la carcasa reventada y marcas de quemado en la placa.
Los motores estaban bien, el dimensionamiento era correcto y los parámetros, también. Lo que tenían en común los equipos averiados era el sitio donde estaban: un ambiente caliente, húmedo y con un olor característico. La conclusión fue que algo en el aire estaba atacando la electrónica.
Qué hay en el aire de una planta de residuos
La materia orgánica en descomposición libera sulfuro de hidrógeno (H₂S) y otros compuestos de azufre, además de amoniaco y, según los residuos, compuestos de cloro y ácidos orgánicos. A eso se suman una humedad relativa alta, cambios de temperatura que provocan condensación y polvo fino que retiene agua y sales. Son concentraciones que a una persona pueden parecerle solo un mal olor, pero que para la electrónica resultan muy agresivas.
El problema se multiplica con la ventilación forzada: el ventilador del variador aspira ese aire y lo hace pasar, hora tras hora, por el disipador y por la placa de control. El equipo se convierte en un filtro que va acumulando contaminantes.
Cómo ataca el azufre a la electrónica
- Sulfuración de la plata. Muchas resistencias de chip tienen las terminaciones internas de plata. El azufre la convierte en sulfuro de plata, que no conduce: con el tiempo, la resistencia se abre. Es un fallo bien documentado y afecta en particular a las resistencias de puerta de los transistores de potencia.
- Corrosión rastrera del cobre. El sulfuro de cobre crece sobre la superficie de la placa desde las pistas y los pads, y puede llegar a unir conductores que no deberían tocarse, con fugas o cortocircuitos.
- Migración electroquímica. Con humedad, polvo y tensión entre pistas cercanas, los metales se disuelven y vuelven a depositarse en forma de filamentos que acaban puenteando el circuito.
Por qué termina en una explosión
Un transistor de potencia de un variador, sea un MOSFET o un IGBT, trabaja como un interruptor: o conduce del todo o no conduce. Para eso necesita que su puerta reciba una señal limpia a través de su resistencia de puerta. Si esa resistencia se abre por la sulfuración, o si una fuga deja la puerta a medio cargar, el transistor ya no conmuta bien.
A partir de ahí hay dos caminos, los dos malos. El transistor puede quedarse en la zona intermedia, conduciendo a medias con tensión y corriente a la vez, y disipar en segundos mucho más calor del que soporta. O puede ocurrir que los dos transistores de una misma rama del inversor conduzcan a la vez: el bus de continua, a unos 540 V en un variador conectado a 400 V, queda en cortocircuito y la energía de sus condensadores se descarga a través del semiconductor en microsegundos. Las protecciones del variador no siempre llegan a tiempo, y el encapsulado revienta.
Cómo saber si un ambiente es agresivo
No hace falta esperar a que fallen los equipos. La norma ANSI/ISA-71.04 clasifica la agresividad del aire para la electrónica midiendo cuánto se corroen unas plaquitas de cobre y de plata expuestas durante 30 días. Desde la edición de 2013 se miden los dos metales y manda el peor resultado. La norma advierte además de que, a igualdad de gases, la severidad sube un nivel por cada 10 % de humedad relativa por encima del 50 %.
| Nivel ISA-71.04 | Corrosión del cobre en 30 días | Corrosión de la plata en 30 días | Qué significa |
|---|---|---|---|
| G1 · leve | Menos de 300 Å | Menos de 200 Å | Ambiente controlado; la electrónica estándar no se ve afectada |
| G2 · moderado | Menos de 1.000 Å | Menos de 1.000 Å | La corrosión puede influir en la fiabilidad |
| G3 · agresivo | Menos de 2.000 Å | Menos de 2.000 Å | Alta probabilidad de ataque corrosivo; hace falta protección específica |
| GX · severo | 2.000 Å o más | 2.000 Å o más | Solo equipos especialmente diseñados y protegidos |
Una planta de residuos, una depuradora o una explotación ganadera pueden estar perfectamente en G3 o en GX junto a los puntos de emisión.
Cómo se evita
- Sacar la electrónica del ambiente. Lo más eficaz es instalar los variadores en una sala eléctrica limpia, a poder ser con ligera sobrepresión de aire filtrado, y llevar el cable al motor. Con tiradas largas conviene usar cable apantallado y, según la longitud, filtros de salida.
- Armario cerrado, sin aire de fuera. Si el variador tiene que estar en la planta, mejor en un armario estanco cuya refrigeración no meta aire exterior: intercambiador aire-aire, equipo de aire acondicionado de circuito cerrado o presurización con aire tratado con filtros químicos de carbón activo o permanganato. El grado de estanqueidad se elige con criterio (ver grados IP e IK) y el calor se calcula (ver gestión térmica de armarios).
- Electrónica preparada. Muchos fabricantes ofrecen variadores con placas tratadas para ambientes químicamente activos y resistencias antiazufre. Ojo con confiar solo en el barnizado: hay estudios que muestran que el barniz habitual no frena los gases de azufre e incluso puede empeorar la corrosión de las resistencias. La defensa principal es que el aire contaminado no llegue a la placa.
- Controlar la humedad. Resistencias calefactoras con higrostato para evitar la condensación en los arranques y en las paradas.
- Vigilar. Placas testigo de corrosión, inspecciones periódicas (los contactos de plata o cobre ennegrecidos son una alarma temprana) y registro de los fallos para detectar patrones.
La lección
El fallo no estaba en el cálculo eléctrico, sino en un requisito que nadie había escrito: el ambiente. Por eso, en un proyecto industrial, el entorno químico se especifica desde el principio, igual que la temperatura o el grado de protección, y se revisa en la revisión preliminar de diseño. Es mucho más barato diseñar el armario adecuado que cambiar variadores cada pocos meses.