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MANUAL DE ANÁLISIS DEL CIRCUITO DEL
MOTOR (MCA)
ALL-TEST Pro, LLC
MANUAL DE ANÁLISIS DEL MCA
166 Main Street • P.O. Box 1139 • Old Saybrook, CT 06475, EE.UU.
Teléfono: (860) 395-2988 • Fax: (860) 399-3180 • Correo electrónico: [email protected] • Sitio web: www.alltestpro.com
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Old Saybrook, CT 06475
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Índice
INTRODUCCIÓN....................................................................... 1
Uso del manual .......................................................................................... 1
Filosofía de los instrumentos ALL-TEST Pro.. .......................... 2
Filosofía de los análisis de ALL-TEST Pro ................................ 2
Teoría de diagnóstico del motor ................................................ 3
Teoría de electricidad básica ..................................................................... 3
Cómo aplicar un MCA ............................................................... 5
Prueba manual........................................................................................... 6
Prueba en modo automático...................................................................... 6
Procedimiento de prueba del motor ........................................................... 7
Lecturas preliminares................................................................................. 7
Análisis de devanado/motor ...................................................... 7
Ejemplo de resultados de prueba .............................................................. 8
Criterios de desaprobación ........................................................................ 9
Sugerencias de análisis de datos .............................................................. 9
Prioridad de desaprobación ....................................................................... 9
Sugerencias de desaprobación ............................................................... 10
Análisis de motor no ensamblado ............................................................ 11
Tolerancias y reglas básicas para la interpretación de datos.. 12
Análisis del motor ensamblado ................................................................ 12
ANÁLISIS DE MEDIDAS Y CAMBIOS .................................... 14
Reglas de resolución de problemas......................................................... 14
Devanados en cortocircuito: ....................................................................14
Contaminación del devanado y posición del rotor.................................... 14
Prueba de reposición del rotor ................................................................. 14
Resistencia de aislamiento ...................................................................... 15
Lecturas de resistencia de aislamiento ...................................................15
Conexiones flojas .......................................................................................15
MANTENIMIENTO PREDICTIVO .............................................. 15
Implementación del mantenimiento predictivo ......................................... 16
Consejos para el mantenimiento predictivo ............................................. 17
Problemas con los resultados de la prueba y la recopilación de datos.... 17
Malos resultados ........................................................................................18
En espera..................................................................................................18
Lecturas incorrectas................................................................................. 18
Procedimiento de recopilación de datos .................................................. 19
RESOLUCIÓN DE PROBLEMAS DE MOTORES................................................ 21
Prueba compensada de rotor .................................................................. 21
Prueba de reposición del rotor ................................................................. 21
PRUEBA DEL ROTOR.................................................................................. 22
RECOPILACIÓN DE DATOS .................................................................. 22
ANALISIS................................................................................................. 23
APÉNDICE 1 Hipótesis de alarma del devanado.................... 24
Hipótesis de alarma del devanado........................................................... 24
Hipótesis 1: TODAS las lecturas son simétricas .............................................24
Hipótesis 2: Fi ó I/F en rojo, todas las otras mediciones son simétricas .............24
Hipótesis 3: Fi o I/F en rojo; L y Z en alarma...................................................25
Hipótesis 4: R > 5% asimétrica.....................................................................26
Hipótesis 5: Fi o I/F simétricas; L y Z en alarma pero con patrones similares......26
Hipótesis 6: Fi o I/F simétricas; L y Z en alarma pero con patrones distintos.......27
Hipótesis 7: Fi e I/F simétricas; L y Z en alarma pero con patrones distintos más
un cambio de frecuencia de medición de la impedancia..................................28
Hipótesis 8: Todas las mediciones son simétricas pero la medición del aislamiento
a tierra es baja............................................................................................28
Hipótesis 9: Fi e I/F simétricas; L y Z en alarma, las lecturas están truncadas ....29
Hipótesis 10: Otras lecturas .........................................................................29
Hipótesis 11: Valores cero ...........................................................................30
APÉNDICE 2: Métodos de prueba para determinar el impacto
de la condición del motor en la eficacia y la fiabilidad del motor
................................................................................................ 31
APÉNDICE 3: Enfoque de la tecnología múltiple .................... 40
APÉNDICE 4: Prueba del transformador monofásico y trifásico
mediante la utilización de técnicas de análisis del circuito del
motor estático .......................................................................... 50
APÉNDICE 5: Prueba de la máquina sincrónica con
instrumentos All-Test............................................................... 61
APÉNDICE 6: Prueba de servomotor. Evaluación de
servomotores con MCA. .......................................................... 69
APÉNDICE 7: Diagnóstico eléctrico para generadores........... 70
APÉNDICE 8: Evaluación eléctrica del motor de corriente
continua mediante un análisis del circuito del motor ............... 94
APÉNDICE 9: Estudio de casos: asimetría de fases en la planta
de energía nuclear Vermont Yankee..................................... 102
APÉNDICE 10: Estudio de casos: Dinamómetros 012002 ... 104
APÉNDICE 11: Uso de ALL-TEST PRO 31™ para detectar
cortocircuitos en los poros..................................................... 107
EXENCIÓN DE RESPONSABILIDAD, COPYRIGHT Y MARCAS
COMERCIALES .................................................................................... 110
Copyright:............................................................................................. 111
MANUAL DE ANÁLISIS DEL MCA
Interpretación del diagnóstico
del motor mediante el Análisis
del Circuito del Motor (MCA)
INTRODUCCIÓN
MCA es un método muy simple y seguro para probar los devanados eléctricos mientras
están sin corriente. La premisa básica del MCA es la siguiente:
En un equipamiento con devanado trifásico, todas las fases deben ser idénticas
(la misma cantidad de giros, el mismo tamaño de cable, de diámetro de la bobina,
etc.). Por consiguiente, todas las características de los devanados también deben
ser similares. Si ocurre algún cambio en alguna de estas características, éste
nunca representará una mejora (los devanados no se reparan solos) debido a que
ocurre una degradación. Si se analiza la magnitud y las relaciones del cambio es
posible identificar la causa de la degradación. Una vez que se conocen la causa y
la gravedad de la degradación, se puede determinar la acción necesaria.
Uso del manual
El objetivo de este manual es proveer a los usuarios algunas pautas y sugerencias tecnológicas del
MCA que deben seguir cuando realizan un diagnóstico del motor mediante la línea
ALL-TEST ProTM de instrumentos de MCA.. Este manual fue creado principalmente para su uso
con ALL-TEST IV PRO 2000TM (ATIV). Sin embargo, parte de la información corresponde a
ALL-TEST PRO 31TM (AT31). Si el usuario no tiene ALL-TEST PRO 31TM ni
ALL-TEST IV PRO 2000TM, puede usar un ohmiómetro y un puente de inductancia para ciertas
pruebas en lugar de uno de estos instrumentos.
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MANUAL DE ANÁLISIS DEL MCA
Filosofía de los instrumentos ALL-TEST Pro.
Como sabemos que la respuesta de un motor a cualquier tipo de medición o prueba depende no
sólo del tamaño y voltaje de un motor, sino en particular del diseño y la construcción, nuestra
filosofía es hacer instrumentos que:
•
sean fáciles y seguros de usar;
•
sean livianos y portátiles;
•
muestren la(s) falla(s) inmediatamente;
•
muestren cualquier cambio a través del tiempo; y
•
realicen varias mediciones diferentes para el análisis.
Filosofía de los análisis de ALL-TEST Pro
La prueba y el análisis de los motores eléctricos, transformadores o cualquier devanado no es
“magia negra”. En realidad es muy sencillo, si se hacen las mediciones suficientes de manera
precisa.
La experiencia de ALL-TEST ProTM ha demostrado que el método más preciso y completo de
determinar la verdadera condición de los devanados del motor es controlar los parámetros de
prueba mientras el motor está sin corriente. El método evita errores y resultados conflictivos de
fuentes perdidas o desconocidas utilizadas por otros métodos.
Al inyectar una señal sinusoidal conocida no destructiva de corriente alterna de voltaje bajo a
través de los devanados del motor, las fallas o puntos débiles no conducen al fallo. En muchos
casos, las fallas potencialmente destructivas pueden ser fácilmente corregidas antes de que ocurra
una falla total del devanado.
Las fallas del devanado se indican mediante las variaciones en la respuesta a la señal inyectada a
través de los devanados. Estas variaciones causan asimetrías en la respuesta medida a la señal
inyectada. Al usar el MCA, las fallas parecen iguales sin tener en cuenta el tamaño ni el tipo de
devanado. Se han examinado con éxito desde motores tan pequeños como los de los
limpiaparabrisas de los automóviles hasta devanados de los generadores de 300 megavatios.
A través de la investigación y la medición adicional de estas variaciones en los devanados, las fallas
se pueden identificar con facilidad y se pueden corregir antes de activar el devanado, lo cual podría
conducir a la destrucción total del motor.
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MANUAL DE ANÁLISIS DEL MCA
Ejemplos:
Una situación en la que el aislamiento a tierra está deteriorado requerirá inmediata
atención, debido a que esta falla puede ser muy peligrosa y conducir a un fallo de
seguridad y de la máquina.
Por otra parte, un cortocircuito en desarrollo entre espiras o bobinas, especialmente
en motores de bajo voltaje, en general se degrada después de un tiempo de uso y
brinda la posibilidad de corregir el defecto antes de que se convierta en una falla
catastrófica que requiera de una reconstrucción completa o de un costoso reemplazo.
El MCA inyecta una señal de corriente alterna a través de los devanados y mide la respuesta
a esta señal para identificar cualquier asimetría en los devanados que indican tanto una falla
actual como una potencial.
Teoría de diagnóstico del motor
Los instrumentos de MCA de ALL-TEST ProTM se basan en una teoría de electricidad
comprobada. El sistema del motor puede representarse mediante el desarrollo del circuito
básico del motor, que no es otra cosa que un circuito básico RCL. Este circuito representa
varios componentes del sistema del motor. Cada circuito básico representa una fase del
sistema del motor trifásico. Debido a que cada fase del sistema del motor es idéntica, cada
circuito básico debe responder de la misma manera a la señal aplicada.
Para permitir al usuario obtener el máximo beneficio de los instrumentos de ALL-TEST
ProTM y de este manual, se presenta a continuación un breve resumen de la teoría de
electricidad que se aplica al diagnóstico del motor. Un breve resumen de esta sección le
ayudará a comprender los resultados obtenidos de los instrumentos ALL-TEST ProTM.
Encontrará información adicional en cualquier libro sobre electricidad. ALL-TEST ProTM
además ofrece cursos de capacitación al público o en la empresa para ampliar los
conocimientos de los usuarios. Para obtener las fechas y lugares de estos cursos, visite
nuestro sitio web www.alltestpro.com.
Teoría de electricidad básica
R -Resistencia es la Corriente Continua, la resistencia medida en Ohmios. La resistencia debe
ser la misma a través de todas las fases o los campos. Cualquier diferencia indica que existe
un problema. La diferencia puede ser debido a “devanado excesivo”, corrosión, malas
conexiones, etc.
Nota: Si prueba grandes bobinas o motores con una resistencia de 100 miliohmios o menor,
el operador deberá tener extrema precaución para obtener lecturas “válidas”. Es posible que
sea necesario limpiar los contactos o conectores para obtener una medición útil o “válida”.
Se recomienda volver a medir las fases varias veces para verificar estos valores. *Si necesita
obtener mediciones precisas de resistencia baja, use un ohmiómetro de resistencia baja.
Z- Impedancia es la resistencia de Corriente Continua y Corriente Alterna en una bobina o
devanado. La impedancia incluye la resistencia de corriente continua, reactancia inductiva y
reactancia capacitiva. La impedancia se mide en ohmios.
La impedancia cero de un devanado indica “un cortocircuito”. Vea también I/F a
continuación.
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MANUAL DE ANÁLISIS DEL MCA
Nota: Una bobina o un devanado puede tener una grave falla entre espiras o entre bobinas,
pero se ve “bien” cuando se mide con un “megóhmetro”. También puede mostrar una grave
falla en el aislamiento a tierra y a su vez mostrar que el devanado entre espiras está
perfectamente bien.
L- Inductancia es la propiedad de cambiar un flujo magnético para crear (o inducir) voltaje
en un circuito. La inductancia depende de la cantidad de giros y del material en el núcleo del
cuerpo del rotor o de una bobina. La inductancia se opone a cualquier cambio en la
circulación de corriente a través de un conductor. El valor es una medición de la capacidad
de una bobina para almacenar un campo magnético. Se mide en henrios o milihenrios.
Autoinductancia es la propiedad de un circuito donde un cambio de corriente en el
circuito crea (induce) voltaje en el mismo circuito.
Inductancia mutua es el concepto según el cual la circulación de corriente a través
de un conductor o circuito puede inducir voltaje en un circuito o conductor cercano.
Nota: En un motor de inducción trifásica con el rotor en su lugar, las asimetrías de
inductancia pueden ser el resultado de una inductancia mutua asimétrica, debido a la
orientación angular del rotor (comúnmente conocida como posición del rotor).
Ángulo de desfasamiento es una medición relativa que indica la diferencia angular entre
dos formas de onda de la misma frecuencia. Los resultados de la diferencia angular se
expresan en grados (0 – 900). En el circuito eléctrico, el ángulo de desfasamiento expresa la
relación de la corriente alterna con respecto al voltaje aplicado. Esta prueba se incluye en
IEEE Std 1415™-2006 sec 4.3.20 como un método efectivo para identificar los
cortocircuitos de los devanados.
La teoría de electricidad básica establece que:
En un circuito meramente Resistivo, la corriente y el voltaje están en fase. Por ejemplo,
ambos alcanzan el mismo punto en la forma de onda al mismo tiempo.
En un circuito meramente Inductivo, el voltaje conduce corriente a 90 grados. Por ejemplo,
alcanza el valor máximo y el mínimo de 90 grados ante la corriente.
En un circuito meramente Capacitivo, la corriente conduce voltaje a 90 grados. Por
ejemplo, alcanza el valor máximo y el mínimo de 90 grados ante el voltaje.
Si el voltaje conduce la corriente, el ángulo de desfasamiento es positivo; si el voltaje retarda
la corriente, el ángulo de desfasamiento es negativo.
En el MCA, el ángulo de desfasamiento expresa la relación de la corriente medida con
respecto al voltaje de corriente alterna aplicada por medio de los instrumentos de ALLTEST ProTM.
Nota: El ángulo de desfasamiento no debería confundirse con la separación eléctrica de 120
grados entre las fases eléctricas de un sistema trifásico.
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MANUAL DE ANÁLISIS DEL MCA
C- Capacitancia es la capacidad de un cuerpo, sistema, circuito o dispositivo de almacenar
carga de electricidad. Es una medida de la cantidad de carga eléctrica almacenada para un
voltaje aplicado. La unidad de capacitancia es el Faradio (F). La capacitancia de un circuito se
opone a cualquier cambio de voltaje en un circuito.
La capacitancia de un circuito depende de la geometría del sistema y del material de la
dieléctrica.
Cualquier capacitor del circuito del motor debería probarse en forma separada del motor.
INS- Prueba de aislamiento (a tierra). Medido en megohmios.
Un motor puede tener un buen aislamiento a tierra pero fallar en otras pruebas entre fases y
viceversa.
I/F- Respuesta de Frecuencia/Corriente es una prueba diseñada fundamentalmente para
probar si hay fallas entre bobinas o entre espiras. Esta prueba se incluye en IEEE Std
1415™-2006 sec 4.3.33 como un método efectivo para identificar los cortocircuitos de
los devanados.
Para la prueba I/F, se aplica la señal de CA de voltaje bajo al devanado o a los devanados, a
una frecuencia específica, y se mide la corriente que resulta. Luego, la frecuencia de la señal
de CA aplicada se duplica y la corriente resultante se mide nuevamente.
La lectura I/F es la relación de la corriente en la frecuencia doble y la corriente en la
frecuencia original. Este resultado se muestra como una relación. Por ejemplo: una lectura
I/F de -50 indica que la corriente en la frecuencia doble es un 50% menor que la corriente
en la frecuencia original.
Para un devanado de fase simple, la lectura I/F debería variar entre -50 y -15 para una buena
bobina. Para un devanado abierto, la lectura será 0 (cero).
Nota: Las pequeñas asimetrías (≤ 1) del promedio en los devanados trifásicos pueden
causarse por la posición del rotor, o bien, limitaciones de pantalla del instrumento en modo
automático. Esto se puede verificar por medio de una prueba compensada de rotor o una
medición manual.
Cómo aplicar un MCA
ALL-TEST ProTM tiene dos instrumentos diseñados para realizar un MCA.
ALL-TEST PRO 31™ (AT31) es una herramienta de resolución de problemas que probará una
gran variedad de motores y algunos transformadores. Prueba la mayoría de los motores de CA debajo
de 600V y también se puede usar para probar los motores de alto voltaje, según su resistencia,
inductancia e impedancia. El AT31 debería utilizarse junto con un ohmiómetro, porque no mide la
resistencia (pero sí realiza una prueba de resistencia del aislamiento a tierra).
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MANUAL DE ANÁLISIS DEL MCA
ALL-TEST IV PRO 2000TM (ATIV) es un instrumento analítico que probará casi todos los
motores, generadores, transformadores o dispositivos con bobina. Se utiliza no sólo para la
inspección y resolución de problemas futuros, sino también para el mantenimiento predictivo (PdM)
o basado en la condición (CBM) (tendencia de datos y tiempo estimativo de falla). El ATIV no sólo
detecta la mayoría de las fallas eléctricas de los motores, sino que también ayuda al usuario a
determinar cuánto tiempo funcionará.
Prueba manual
La prueba de motores se convirtió en una tarea de rutina en las plantas que reconocen la
importancia de maximizar su seguridad. Las pruebas de motores se convirtieron en obligatorias,
como los criterios de aceptación para los controles de inventario. Si piensa colocar los motores
nuevos y reconstruidos en un depósito por períodos prolongados, antes pruébelos sin corriente.
Las pruebas manuales de los motores se realizan tanto con AT31 como ATIV. Los motores se
pueden probar directamente desde la caja de conexión o desde los cables de la línea ubicados en
el controlador del motor. Probar el motor en forma remota desde el controlador tiene la ventaja
adicional de que también permite probar todo el cableado y los conectores en el sistema del
motor.
La prueba manual requiere conectar el instrumento ALL-TEST PRO al devanado que se va a
probar y seleccionar manualmente los parámetros y las mediciones que se van a realizar. Los
resultados se pueden ver simplemente o ver y registrar. Luego, estas mediciones se pueden
analizar e interpretar según las pautas provistas en este manual. Las mediciones que se toman con
AT31 también pueden incluirse en ALL-TEST PRO Condition Calculator 4.0TM, para análisis,
almacenamiento y generación de informe (motores trifásicos de CA solamente).
El AT31 proporciona capacidades de diagnóstico adicionales, debido a que puede realizar pruebas
en diferentes frecuencias de prueba y mostrar en pantalla en tiempo real el valor probado.
Las pruebas también se pueden realizar con ATIV en el modo manual (consulte el manual de
ALL-TEST IV PRO 2000TM para obtener detalles específicos). El modo manual del ATIV
proporciona un análisis mejorado sobre el modo automático para las mediciones de inductancia o
impedancia menores a 10, debido a que los valores medidos se visualizan con decimales en lugar
de sólo números enteros.
Prueba en modo automático
En el modo automático:
1) el ATIV prueba automáticamente la condición de los devanados del motor.
2) establece automáticamente los parámetros de medición y permite que se almacenen los
datos medidos en la memoria no volátil.
3) almacena los datos, los cuales pueden cargarse luego al software TREND/EMCAT
PRO 2005TM que lo acompaña, para realizar análisis, comparar tendencias y generar
órdenes de trabajo e informes.
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MANUAL DE ANÁLISIS DEL MCA
Procedimiento de prueba del motor
Es importante destacar que un motor trifásico “perfecto” es muy difícil de encontrar basado
en las tolerancias de fabricación, etc. En otros casos, los motores pueden tener una
diferencia particular en el diseño para satisfacer aplicaciones especiales. En ambos casos, con
el rotor montado en el motor, es posible que sea necesario realizar pasos adicionales para
aislar las fallas del rotor o estator.
Lecturas preliminares
En algunos casos, algunos motores pueden exhibir niveles no comunes de asimetrías. Esto
puede deberse a un gran número de razones, entre ellas:
1) La posición y la relación de la barra del rotor con el devanado estatórico.
2) Diseño del devanado estatórico (bobina concéntrica en oposición a la enrollada).
3) Otros problemas relacionados con la tolerancia, incluso los vacíos del fundido
del rotor.
Si se detecta una serie de lecturas inusuales con el ATIV, hay varias formas de aislar la causa.
Un método requiere el uso de un AT31 o un medidor de inductancia junto con el ATIV
(Consulte “Prueba compensada del rotor” en la Sección de resolución de problemas del
motor), el otro método incluye una serie breve de pruebas adicionales mediante el ATIV
(Prueba de reposición del rotor, en la Sección de resolución de problemas del motor).
Cómo realizar diagnósticos de
motor con un MCA
Análisis de devanado/motor
Realizar un análisis de devanado/motor se ha simplificado mucho con el desarrollo de
herramientas de diagnóstico avanzado, como AT31 y ATIV, Condition Calculator 4.0TM y
TREND/EMCAT PRO 2005TM; sin embargo, incluso con la excelente calidad de estas
herramientas, es posible que se necesiten pruebas e información adicional antes de que se evalúe
de manera precisa la condición final de la máquina.
Para ayudar a maximizar los datos obtenidos de las herramientas ALL-TEST PROTM, las próximas
secciones le van a ofrecer al analista los procedimientos, las técnicas, las sugerencias y los métodos
necesarios para ayudarlo a diagnosticar de manera correcta y precisa la mayoría de las fallas de
devanado mediante el Análisis del Circuito del Motor (MCA).
La regla básica para el MCA es la siguiente: si los datos indican un buen devanado, entonces el
devanado está generalmente bien. Sin embargo, si el MCA indica una falla, se deben realizan
pruebas adicionales antes de desaprobar un devanado.
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MANUAL DE ANÁLISIS DEL MCA
1) Los cables de prueba que se suministran con el instrumento ATIV son útiles para la
mayoría de las aplicaciones, pero no para todas. Se puede utilizar cualquier cable
conector de tipo banana, blindado de 4 mm. Nota: La repetibilidad de las lecturas de
resistencia se puede mejorar con un cepillo de alambre pequeño para limpiar el óxido de
la superficie de los puntos de conexión y al apretar suavemente las mordazas de prueba
mientras gira suavemente las abrazaderas de los puntos de conexión para asegurarse de
que sea lo más sólida posible. Si se requiere alta precisión en las mediciones de resistencia del
devanado, se recomienda usar un ohmiómetro de baja resistencia.
Nota: Se debe tener extremo cuidado durante la parte de la prueba de cable comp. del modo
de medición automática para mejorar la precisión y repetibilidad de la medición de la
resistencia.
2) El ATIV utiliza el método de dos cables para realizar la medición de resistencia de CC
y no es tan preciso como el ohmiómetro de baja resistencia, que usa un método de 3 ó 4
cables cuando la medición es de muy baja resistencia. La precisión de ATIV es +-1%
entre 1 y 999 ohmios; por consiguiente, cuando se pruebe menos de 1 ohmio, la
precisión del valor medido del instrumento se distorsionará. Nota: Para el MCA, se
utilizan las mediciones de resistencia de CC para detectar los problemas relacionados con
las conexiones y no se las utilizan para detectar fallas de devanado (Fi y I/F indican
mucho mejor las fallas de devanado).
3) El ATIV en modo automático mide y muestra los valores de inductancia (L) e
impedancia (Z) como números enteros. Por ejemplo: 2.9 Ω se convierte en 2 Ω , 2.1 Ω
también se mostrará como 2 Ω. Esto puede causar un error de interpretación en el
software TREND/EMCAT PRO 2005TM con impedancia (Z) e inductancia (L) que
coincidan. Generalmente, se sospecha que existe contaminación en el devanado si la
impedancia no sigue a la inductancia entre fases. El algoritmo del software de análisis
evalúa la diferencia entre fases de la inductancia e impedancia. Cuando el software evalúe
las mediciones de la Z y L con valores menores de 10, debido a que ATIV trunca los
decimales menores de 10, no podrá diagnosticar de manera correcta la contaminación o
el sobrecalentamiento de los devanados. Siempre verifique las mediciones de L y Z por
medio de una medición manual. La medición manual del ATIV mide y muestra los
decimales.
Ejemplo de resultados de prueba
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Lectura
T1-T2
T1-T3
Resistencia
Impedancia
Inductancia
Ángulo de
desfasamiento
I/F
.272
47
9
73
.273
53
10
72
T2T3
.272
58
11
71
-43
-42
-41
8
MANUAL DE ANÁLISIS DEL MCA
Criterios de desaprobación
Las suposiciones originales del MCA se basan en que la mayoría de los motores industriales son
trifásicos, de inducción de CA con rotores en jaula. Las reglas y limitaciones presentadas a
continuación se basan en esas suposiciones. Sin embargo, eso no evita que los MCA se apliquen
satisfactoriamente a otros tipos de motores/ rotores. De hecho, los MCA se aplican con éxito a
los motores de CC, los motores monofásicos, motores sincrónicos de imán permanente y de
propulsión externa, generadores, transformadores de distribución y transmisión. Además, en la
mayoría de las aplicaciones, el tamaño del devanado no es un problema. Los siguientes criterios
continúan vigentes.
Sin embargo, para algunos motores trifásicos no inducidos, con rotores que no están en jaula, se
requieren procedimientos y pruebas especiales. Muchos de estos están representados en el
Apéndice de esta guía.
Sugerencias de análisis de datos
Cuando se implementa primero un programa de prueba de motor, se espera que entre el 20 y el
40% de los sistemas de los motores probados puedan exhibir algunas condiciones de alarma
cuando se evalúan con el software TREND/EMCAT PRO 2005TM (el software proporciona
alarmas codificadas con colores para su fácil interpretación). Cuando un motor está en un estado
de alarma, no necesariamente significa que el motor fallará o que no debería utilizarse, sino que
los valores medidos excedieron los límites predeterminados establecidos para la mayoría de los
motores comunes.
Los límites de alarma del software del TREND/EMCAT PRO 2005TM se determinan para los
motores trifásicos de inducción en jaula. Algunos motores pueden tener un diseño especial, lo
cual hace que los valores medidos estén normalmente fuera de estos límites estándar. De hecho,
muchos motores nuevos tendrán una asimetría en la inductancia y en la impedancia, debido a la
relación de devanado de la barra del rotor. Por consiguiente, es virtualmente imposible establecer
los límites de todas las configuraciones de diseño. A partir de estos casos, es necesario que los
analistas evalúen estas lecturas de acuerdo al caso. El software señala cualquier motor que exceda
estos límites para informar al analista que se han excedido los límites normales. Las siguientes
sugerencias de análisis proporcionan un método para evaluar con mayor detalle estas
circunstancias especiales. A continuación de las sugerencias de análisis se encuentran varias
hipótesis que usan lecturas reales. La revisión de estas hipótesis le brindará una percepción
adicional para determinar cómo evaluar los datos de la prueba.
Prioridad de desaprobación
El software TREND/EMCAT PRO 2005TM simplemente genera las alarmas cuando los valores
medidos exceden los límites predeterminados. Sin embargo, no todas las fallas son las mismas.
Las pautas provistas a continuación ayudarán al analista a establecer una prioridad sobre las
alarmas generadas por el software TREND/EMCAT PRO 2005TM.
Una de las primeras consideraciones con respecto a las fallas de devanado debería ser el carácter
crítico del motor. Obviamente, los motores más críticos deberían tener mayor prioridad que los
motores menos críticos. La segunda consideración es el tipo y la ubicación de la falla. Las
consideraciones adicionales incluyen disponibilidad de repuestos, programas de mantenimiento y
otras operaciones de planta. Estas prioridades asumen que los datos de prueba son válidos y que
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9
MANUAL DE ANÁLISIS DEL MCA
se hicieron buenas conexiones. Las malas conexiones de los cables de prueba pueden impactar de
manera negativa en todas las lecturas.
1) Los cortocircuitos de los devanados son generalmente más graves que la
contaminación o las fallas de un rotor, por consiguiente, los motores con asimetrías en
I/F y Fi solamente, deberían evaluarse primero para determinar la condición del
devanado.
2) Los motores con alarmas en Fi y I/F, así como en la inductancia o impedancia, deben
ser evaluados luego. Es posible que sea necesario realizar una reposición o la prueba
compensada del rotor para separarlo de las fallas de devanado.
3) Los motores que muestren solamente pequeñas asimetrías de resistencia tienen la más
baja prioridad.
Sugerencias de desaprobación
1) Nunca desapruebe un motor del Centro de Control del Motor. Las fallas en el cableado
o en las conexiones entre el punto de prueba y el motor mismo pueden causar lecturas
asimétricas. Antes de desaprobar una bobina, siempre realice una prueba del motor para
confirmar, con los cables del motor desconectados del suministro.
A) Para determinar si la falla está en el motor o el cableado, vuelva a probar el
motor en el próximo punto de conexión entre el motor y el arrancador.
B) Es posible que se necesite una prueba de reposición del rotor para separarlo de
las fallas de devanado (consulte la sección Resolución de problemas de este
manual para la Prueba de reposición del rotor).
2) Por lo general, nunca desapruebe un motor basado en una inductancia o impedancia
asimétrica solamente (puede requerir una prueba adicional). La relación de
devanado/barra del rotor puede causar una asimetría más grande en la inductancia mutua,
así como pequeñas asimetrías en las lecturas I/F y Fi.
3) Siempre verifique la lectura antes de desaprobar un motor. La energía almacenada en
un sistema de motor puede corromper el conjunto de datos. Recuerde: es mucho más
fácil tomar lecturas nuevamente que quitar el motor.
4) Los cortocircuitos de los devanados están indicados primero por las asimetrías en la
respuesta de Corriente/Frecuencia (I/F) y Ángulo de desfasamiento (Fi).
5) Las conexiones flojas se indican mediante asimetrías en las mediciones de resistencia de
devanado.
6) Se indica contaminación o recalentamiento de devanado cuando el patrón de
impedancia (Z) no sigue al patrón de inductancia (L).
7) Nunca desapruebe un motor si las lecturas no se repiten. La IEM o el giro del eje
también darán lecturas inconsistentes.
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MANUAL DE ANÁLISIS DEL MCA
Análisis de motor no ensamblado
Si se quita el rotor del estator, la inductancia mutua creada por el campo magnético del estator que
induce voltaje en el rotor no creará más una asimetría de inductancia. Por consiguiente, la única
parte del circuito básico del motor que responde a la señal de CA inyectada desde el instrumento
es el devanado estatórico y la chapa del estator. Se elimina cualquier asimetría causada por un error
en la relación de devanado/barra del rotor. Por consiguiente, los criterios de falla son mucho más
estrictos para los motores probados cuando se quita el rotor. A continuación se encuentran las
tolerancias para los estatores de los motores solamente (motores con el rotor removido).
Nota: La experiencia ha demostrado que estas tolerancias se mantienen independientemente del tamaño del motor.
Resultado de prueba
Tolerancia
Resistencia (R)
<5%
Impedancia (Z)
<3%
Inductancia (Z)
<5%
Ángulo de desfasamiento (Fi)
+/- 0
Respuesta de frecuencia de la corriente
(I/F)
Resistencia de aislamiento < 600 voltios
+/- 0
> 5 megaohmios
Resistencia de aislamiento > 600 voltios
> 100 megaohmios
Esta tabla corresponde solamente a los motores con el rotor removido
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MANUAL DE ANÁLISIS DEL MCA
Tolerancias y reglas básicas para la interpretación de datos
Hay reglas específicas que abarcan virtualmente todas las aplicaciones de prueba de los
motores trifásicos en los cuales los motores están ensamblados y un rotor está instalado. El
método común para realizar la prueba es desde un MCC, o bien, desconectado con el
rotor fijo.
Análisis del motor ensamblado
Si el rotor está instalado en el estator, la inductancia mutua del rotor puede causar grandes
asimetrías de inductancia que resultarán en una gran asimetría de impedancia. La relación de
devanado/barra de rotor puede causar también pequeñas asimetrías en I/F y Fi.
Resultado de
prueba
Resistencia (R)
Impedancia (Z)
e Inductancia (L)
Impedancia (Z)
e Inductancia (L)
Ángulo de
desfasamiento (Fi)
I/F
Resistencia de
aislamiento
Resistencia de
aislamiento
Tolerancia
Detalle
<5%
La Impedancia sigue
a la Inductancia
La Impedancia no
sigue a la Inductancia
Dígito +/- 1 (grado)
del promedio
Dígito +/- 2 (%) del
promedio
>5 megaohmios
Voltaje de
suministro < 600V
Posibles conexiones flojas
Cualquier asimetría es muy posible que se deba a la
posición del rotor o el diseño del motor
Posible contaminación del devanado o
recalentamiento del devanado
Indica un cortocircuito en el devanado: 74, 75, 76
OK; 74, 74, 76 sospechosos; 73, 73, 76 fallaron
Indica un cortocircuito en el devanado: -44, -45, -46
OK; -44, -46, -46 sospechosos; -42, -45, -45 fallaron
Indica un pobre aislamiento a tierra (por ejemplo,
fallo de conexión a tierra)
>100 megaohmios
Voltaje de suministro
> 600V
Indica un pobre aislamiento a tierra (por ejemplo, fallo
de conexión a tierra)
Resistencia (R) Las asimetrías en la resistencia son indicadores de conexiones flojas, conectores
marcados, juntas con soldaduras en frío, etc. En algunos casos las asimetrías de la resistencia han
sido el resultado de las malas conexiones de los cables de prueba. Siempre vuelva a realizar las
mediciones de resistencia si existe una asimetría de resistencia. Los cambios en las mediciones de
resistencia con lecturas repetitivas indican problemas con el cable de prueba o con su conexión.
Intente limpiar la conexión y luego vuelva a realizar las lecturas de resistencia. Si las lecturas fueron
tomadas en el centro de control del motor, realice lecturas progresivamente más cercanas al motor
para ubicar la(s) conexión(es) de alta resistencia.
Asimetría de inductancia (L): Cuando se instala un rotor en jaula en el motor, es posible que
haya asimetrías de inductancia, especialmente en los motores más pequeños y menos caros. Si esto
ocurre, estas asimetrías son generalmente el resultado de la inductancia mutua asimétrica creada
por la relación de devanado/barra del rotor desigual que resulta de la posición del rotor. Para
verificar que esta asimetría sea el resultado de la posición del rotor, se debe realizar la prueba de
reposición del rotor (consulte la sección Prueba de reposición del rotor).
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MANUAL DE ANÁLISIS DEL MCA
La impedancia (Z) sigue a la inductancia (L): Debido a que la reactancia inductiva es
generalmente la mayor colaboradora de la impedancia, si la posición del rotor crea una asimetría
en las mediciones de devanado, entonces ésta debería crear una asimetría en las mediciones de
impedancia también. Sin embargo, la asimetría en impedancia debería seguir la asimetría en
inductancia. Por ejemplo: una asimetría de inductancia puede ser 10, 14, 8 o un patrón de Media,
Alta, Baja; la impedancia debería seguir con un patrón Medio, Alto, Bajo, como 120, 133, 115. En
este caso, la impedancia sigue a la inductancia. Sin embargo, si la impedancia fuera 133, 115, 120,
el patrón de impedancia sería Alto, Bajo, Medio y la falla debería estar indicada. Consulte La
Impedancia (Z) no sigue la Inductancia (L) a continuación.
La Impedancia (Z) no sigue la Inductancia (L). Los cambios en la impedancia de manera tal
que no sigan la inductancia se generan normalmente por cambios en el sistema de aislamiento. El
sistema de aislamiento es un dieléctrico grande. Un cambio en la condición material del sistema de
aislamiento se reflejará como un cambio en la capacitancia del circuito del motor. Un cambio en la
capacitancia del sistema cambiará la reactancia capacitiva (Xc) y esto causará normalmente que la
Impedancia (Z) no siga la inductancia (L). El hecho de que la impedancia no siga la inductancia
(Z) es un buen indicador de los cambios del sistema de aislamiento, como: contaminación del
devanado, devanados quemados (sobrecalentados), asimetrías de fase muy grandes o muy malas
condiciones de la barra del rotor.
Ángulo de desfasamiento (Fi) El tiempo de retardo de la corriente al voltaje aplicado en el
circuito básico del motor es una de las mediciones más sensibles en el circuito básico del motor. Fi
es generalmente una de las primeras mediciones que se deben cambiar cuando el sistema de
aislamiento se deteriora (devanado en cortocircuito). Las asimetrías de >1 grado del promedio
indican un devanado en cortocircuito.
Respuesta de frecuencia de la corriente (I/F): Los sistemas de aislamiento del devanado
degradados responden de manera diferente a frecuencias diferentes. La medición I/F también es
una de las primeras indicaciones de degradación del sistema de devanado. Las lecturas I/F
deberían variar entre -15 y -50. Todas las lecturas I/F deberían equilibrarse dentro de los 2 dígitos
(por ciento). Las asimetrías de >2 por ciento del promedio indican devanados en cortocircuito.
Un margen de >4 dígitos entre el máximo y el mínimo de las mediciones I/F también indica fallas
del devanado. Estas lecturas son para la posición del rotor no compensada en el motor. Sin
embargo, si se indica una falla de devanado, es necesario realizar una prueba adicional para
verificar dicha falla.
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MANUAL DE ANÁLISIS DEL MCA
ANÁLISIS DE MEDIDAS Y CAMBIOS
La interpretación de los datos recabados de ALL-TEST IV PRO 2000TM se puede realizar a
TM
través del software TREND 2005/EMCAT PRO 2005 .
Reglas de resolución de problemas
A continuación se encuentran las reglas básicas para la resolución de problemas con ATIV:
Devanados en cortocircuito:
Las fallas de devanado que puedan surgir, así como los devanados en cortocircuito, se evalúan al
observar las lecturas Fi y I/F de bobinas similares o entre fases:
Ángulo de desfasamiento (Fi): El ángulo de desfasamiento debería estar dentro de 1
dígito de la lectura promedio. Por ejemplo, una lectura de 77/75/76 sería buena porque la
lectura promedio es 76. Una lectura de 74/77/77 sería mala.
Respuesta de frecuencia de la corriente (I/F): La respuesta de la frecuencia de la
corriente debería estar dentro de los 2 dígitos de la lectura promedio o <4 dígitos dentro
de las medidas I/F mínimas y máximas. Por ejemplo, una lectura de –44/-45/-46 sería
buena. Una lectura de -40/-44/-44 sería mala. Sin embargo, una lectura tal como -42/44/-44 debería considerarse sospechosa.
Contaminación del devanado y posición del rotor
La posición del rotor dentro del motor eléctrico puede causar una asimetría de fase normal. La
contaminación del devanado puede causar también asimetrías de fase. La diferencia entre ambas
puede evaluarse rápidamente si se observa el patrón de impedancia e inductancia.
Prueba de reposición del rotor: Para verificar la asimetría de la Impedancia (Z) o
Inductancia (L) como resultado de las asimetrías de la relación de devanado/barra del rotor es
necesario evaluar la relación de las asimetrías de Z y L. Si las asimetrías están relacionadas con el
rotor, cambiarán la relación al cambiar la posición del rotor. Por ejemplo, si hay inductancias de
17/18/19 y valores de impedancias de 24/26/29 con el rotor en su posición actual Si se gira el eje
aproximadamente a 90 grados (1/4 de giro), los valores deberían cambiar la relación, como las
inductancias de 16/19/17 y los valores de impedancia de 23/30/25. Esto indica que las asimetrías
se deben a la posición del rotor.
NOTA: Debido a que ATIV almacena la Z y L como números enteros solamente, cuando los
valores medidos son < 10, los valores más bajos de medición de L y Z pueden ser confusos. Por
ejemplo, este puede ser el caso si las inductancias son 5/5/5 y las impedancias son 8/9/8. Para
confirmar el análisis, mida manualmente la Impedancia e Inductancia de los tres devanados
mediante el modo manual del instrumento.
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MANUAL DE ANÁLISIS DEL MCA
Resistencia de aislamiento: La resistencia de aislamiento (lecturas en mega ohmios)
mostrará una descarga a través del aislante entre los conductores del devanado y la tierra. La
última edición del IEEE Std. 43-2000 establece que la resistencia de aislamiento del devanado
debería variar entre los siguientes rangos:
Lecturas de resistencia de aislamiento
Tipo de aislamiento
Valores de resistencia de aislamiento
Todo sistema de aislamiento antes de
1974
1 mega ohmio + 1 mega ohmio/Kv.
Motores de devanado aleatorio
> 5 mega ohmios
Motores de devanado conformado e
inducidos de CC
> 100 mega ohmios
Conexiones flojas
Las conexiones flojas o los vidriados en los contactos se visualizan como asimetrías de resistencia.
La asimetría de resistencia máxima debería ser de 5%.
MANTENIMIENTO PREDICTIVO
Ya en la década del 60, muchas compañías comprendieron que con una revisión de rutina
para controlar el estado del funcionamiento del equipamiento de rotación es posible obtener
una advertencia por adelantado de los problemas de funcionamiento u otros que podrían
impactar en el funcionamiento eficiente. Esta advertencia temprana proporciona tiempo para
quitar la maquina de funcionamiento y hacer reparaciones y ajustes menores antes de que
ocurra una falla crítica.
Esta filosofía de mantenimiento, conocida como Mantenimiento Predictivo (PdM) ha
evolucionado desde principios de la década de los 80, con la introducción de recopilaciones de
datos basados en microprocesadores. Muchas de las características de funcionamiento de la
máquina, como temperatura, presión, condición del aceite, vibración y rendimiento pueden
tomarse como tendencia para identificar cambios. Sin embargo, uno de las falencias más
grandes en el mantenimiento predictivo ha sido la incapacidad para identificar de manera
fácil y precisa las fallas de los equipos eléctricos, como motores, transformadores, solenoides
y otros equipamientos similares. Una de las principales razones fue la falta de instrumentos
de mantenimiento predictivo, fáciles de usar, para probar motores u otros equipos
electrónicos.
Los instrumentos de mantenimiento predictivo deben:
1) ser manuales;
2) ser fáciles de usar; y
3) proporcionar corriente de salida en unidades convencionales.
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MANUAL DE ANÁLISIS DEL MCA
Implementación del mantenimiento predictivo
Implementar un programa de mantenimiento predictivo exitoso requiere mucho más que
simplemente comprar un instrumento y tomar los datos. El programa de mantenimiento
predictivo, cuando se emplea de manera correcta, requiere de un entendimiento completo
del proceso de PdM.
Un mantenimiento predictivo exitoso consiste en tres fases: detección, análisis y corrección.
Cada una de estas fases es importante en su sentido propio. Los problemas aparecen cuando
se intenta evitar o combinar alguna de estas fases.
Detección: La fase de detección incluye el monitoreo periódico de las características
de operación del equipo seleccionado. Estos valores se usan como tendencia,
comparados con datos registrados anteriormente de esa máquina o de máquinas
similares, luego comparados con los valores estándares publicados o
predeterminados o revisados para cualquier cambio.
Durante la fase de detección, el proceso de recopilación de datos debería
realizarse rápida y cuidadosamente, con la intención de revisar tantas
máquinas como sean posibles. Cuando se detecta un cambio, es posible que se
necesiten datos adicionales para determinar la causa del cambio de estado de la
máquina. Esto se realiza durante la fase de análisis.
En la mayoría de los casos, los datos del MCA tomados durante la fase de detección
pueden ser suficientes para identificar los cortocircuitos u otros problemas de
devanado. Sin embargo, muchas veces, se deben realizar pruebas o recopilar datos
adicionales para identificar el problema con mayor precisión.
Generalmente, realizar estas pruebas para obtener un análisis más detallado durante
el proceso de detección es una pérdida de tiempo, ya que retrasa el proceso. Los
departamentos de mantenimiento predictivo más experimentados han reconocido la
importancia de separar estos dos procesos.
Análisis: el proceso de análisis incluye realizar pruebas adicionales y quizás
diferentes de las del proceso de detección. Esta prueba adicional puede requerir
desconectar el motor de la carga, girar el eje o separar los cables del motor y
necesitan más tiempo para registrar los datos. Debido a que generalmente sólo unas
pocas máquinas durante la inspección de detección muestran algún cambio
significativo, es generalmente más efectivo en cuanto al tiempo registrar solamente
los datos necesarios para identificar un cambio durante el proceso de detección y
luego realizar a una revisión más detallada, una vez que se haya detectado el cambio.
Sin embargo, si el lugar de la planta está lejos o tiene otras limitaciones de acceso, se
puede justificar un registro de datos más detallados durante el proceso de detección.
Corrección: la fase de corrección incluye corregir y eliminar el problema que
desencadenó el análisis. Esto puede requerir una limpieza del motor, un ajuste de las
conexiones o un completo rebobinado del motor. El tipo exacto de corrección y de
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MANUAL DE ANÁLISIS DEL MCA
reparaciones lo determina el análisis. Los detalles para la corrección y eliminación de
estos problemas no se incluyen en este manual.
Consejos para el mantenimiento predictivo
Las siguientes recomendaciones provienen de más de 20 años de experiencia con el MCA
mediante la línea de probadores de motores ALL-TEST ProTM. Se debe recordar que estas
son sólo recomendaciones y que se diseñaron como sugerencias para ofrecer un programa
óptimo. Es posible que no implemente todas y cada una de las sugerencias en todas las
aplicaciones:
1) Cuando realice un Mantenimiento Predictivo (PdM) en motores eléctricos
trifásicos, intente colocar el rotor siempre en la misma posición (por ejemplo: la
chaveta del eje en la posición 12 en punto) ya que esto minimizará los cambios en la
recopilación de datos debido a la posición del rotor (además, puede usar AT31 junto con
ATIV para hacer una prueba compensada del rotor). Este paso se recomienda para tendencias
a largo plazo.
2) Cuando se realiza la prueba inicial, si hay variaciones en las mediciones de
inductancia de 5 a 15% entre las fases, realice una prueba de reposición del motor
para determinar si la variación se debió a una relación de devanado/barra del rotor o
si hay una falla en el rotor. Estas variaciones pueden ser normales o puede haber
asimetría debido a la posición del rotor. Revise la sección de posición del rotor de
este manual para obtener más información.
3) El límite máximo de tamaño del equipo que puede probarse de manera correcta
depende principalmente de la resistencia de la CC del devanado. Para el ATIV, la
resistencia de la CC del devanado tiene que variar entre 0,001 y 999 ohmios en cada
fase. La capacitancia e inductancia del devanado más el largo del cable pueden
impactar también en el rango de equipamiento que se va a probar.
4) Siempre marque los cables del motor y recopile datos de 1-2, 1-3, y 2-3. Este es el
TM
orden en el que el software TREND 2005/EMCAT PRO 2005 registra y muestra
los datos. Establezca un patrón cuando enumere los cables, por ejemplo: de
izquierda a derecha, de adelante hacia atrás o de arriba hacia abajo. También ofrece
consistencia en las lecturas.
Esta consistencia también ayuda a identificar en qué fase ocurrió la falla.
Por ejemplo: si ocurre un incremento en la resistencia en 1-2 y 1-3, entonces se
deben verificar las conexiones de la fase 1.
Problemas con los resultados de la prueba y la recopilación de datos
Hay problemas inherentes a los motores con fallas y a los procesos de recopilación de datos
de motores en un entorno industrial. A continuación detallamos algunos de los problemas
con la recopilación de datos mediante ATIV y sus resoluciones:
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MANUAL DE ANÁLISIS DEL MCA
Malos resultados
1) La IEM (Inducción electromagnética) puede causar problemas con las lecturas de
resistencia. Esto solamente ocurre cuando se realizan pruebas desde el MCC. La IEM puede
provenir de cables muy cargados ubicados directamente junto a los cables del motor que está
a prueba. Los valores están normalmente dentro del rango de milivoltios y no siempre son
detectables con un multímetro o voltímetro. La frecuencia de voltaje bajo interfiere con el
puente de resistencia en ATIV. Use la característica IEM de AT31 para medir el nivel IEM.
Si no se puede quitar la IEM, se debe probar el motor desde el motor mismo.
2) Giro del rotor del motor. Si el eje de la máquina que se está probando gira, inducirá
voltaje dentro del circuito del motor básico. Esto afectará todas las lecturas.
Nota: Para determinar si el resultado malo surge del IEM o del eje que gira, use la
característica del rotor del AT31. Si el eje está girando, el gráfico de barras en la pantalla se
moverá hacia atrás y hacia adelante en la pantalla de AT31. Si el gráfico de barras se mueve
de manera errática en la pantalla, verifique el nivel de IEM con la función IEM de AT31.
3) Resistencia baja. Si la resistencia de devanado es menor a 0,001 Ω, instalar un resistor
pequeño (aproximadamente a 0,25 Ω) en serie con los cables de prueba puede incrementar la
medición de resistencia en el rango de medición permitido.
En espera
1) Cables de prueba en puertos incorrectos. La razón más común por la cual la pantalla de
ATIV se muestra en espera es que los cables de prueba quedaron en los puertos de prueba de
resistencia de aislamiento, después de medir la resistencia de aislamiento a tierra.
2) Circuito abierto. Si los cables de prueba están en el puerto correcto, entonces la señal de
ATIV no tiene un trayecto completo y hay un circuito abierto. Realice la prueba más de cerca del
motor para encontrar algún circuito abierto. El circuito abierto debe estar en los cables de prueba.
Contrólelos para ver su continuidad.
Lecturas incorrectas
1) Capacitores o tubos de descarga. En el circuito del motor, éstos filtrarán los resultados de
prueba y crearán lecturas incorrectas que podrían proporcionar resultados positivos falsos o
resultados negativos falsos. Siempre desconecte todos los capacitores o tubos de descarga que
estén conectados al circuito del motor. Nota: El modo manual de ATIV proporciona un método
conveniente de prueba para los capacitores averiados.
2) Mediciones de resistencia que no se repiten. La interferencia de la IEM causará valores de
resistencia que no se repiten (vea “Malos resultados” previamente). La contaminación en el motor
o en el cableado puede causar lecturas de resistencia que no se repiten. También, la acumulación
de carbón o contaminación excesiva en el cableado. Desconecte los cables del motor en la caja de
conexiones y vuelva a realizar la prueba.
Las malas conexiones en las abrazaderas de prueba normalmente afectarán la resistencia
solamente, pero también pueden afectar otras lecturas, según la gravedad. Si existe una asimetría
en la resistencia, siempre vuelva a realizar la lectura antes de desaprobar al motor. Si las
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MANUAL DE ANÁLISIS DEL MCA
mediciones de la fase de resistencia se repiten de una prueba a otra, es muy posible que ocurra una
asimetría de resistencia en el motor o en el cableado. Si las mediciones de resistencia cambian de
una prueba a otra, es muy posible que la falla sea el resultado de una mala conexión de los cables
de prueba. Limpie completamente las conexiones hasta que obtenga lecturas repetibles.
2) Motores de las herramientas de la máquina, servomotores. Algunas herramientas de la
máquina y servomotores tienen rotores magnéticos permanentes que pueden afectar las
mediciones I/F y Fi. Las lecturas I/F y Fi se podrán repetir pero fuera de las tolerancias estándar.
Probar rotores magnéticos permanentes puede requerir procedimientos especiales (consulte el
Apéndice 6). Tomar como tendencia las diferencias en las lecturas más altas y más bajas de I/F y
Fi proporcionará el indicio adicional de la degradación del devanado. Las fallas del rotor también
pueden hacer que la diferencia entre las lecturas del I/F y Fi aumenten. Se sugiere que se realice una prueba de
posición del rotor para verificar una falla del rotor.
3) Motor sincrónico. Al realizar pruebas de los devanados de los motores sincrónicos también
verificará que no haya cortocircuitos en el devanado del rotor. Si la prueba automática indica los
devanados en cortocircuito, éste puede estar en el devanado del estator o el rotor. Para determinar
qué devanados están en cortocircuito, gire el eje a aproximadamente 90º y vuelva a realizar la
lectura. Si la falla permanece en la misma fase que en la prueba original, es muy probable que el
cortocircuito esté en el devanado estatórico. Si la falla cambia a otra fase es muy probable que la
falla esté en el rotor. El devanado del rotor del motor sincrónico es un devanado sencillo y para
evaluarlo se realiza una lectura de corriente comparativa o de tendencia a una línea de referencia.
4) Motor de rotor bobinado. La prueba de los motores de inducción de rotor bobinado también
identificarán los cortocircuitos en los devanados de los rotores. Si la prueba automática indica
cortocircuitos de los devanados, éstos pueden estar tanto en los devanados del rotor como del
estator. Los devanados de un motor de rotor bobinado se prueban con los anillos deslizantes. Las
mismas tolerancias se aplican tanto a los devanados de rotor trifásico como al estator. Si las
pruebas del rotor son buenas, la falla está en el estator.
Procedimiento de recopilación de datos
Uso de ALL-TEST IVPRO 2000TM
1. Verifique la carga de ATIV. Cinco estrellas indican que tiene carga completa, tres estrellas
significan que está cerca del final de la carga útil, dos estrellas indican un alerta de batería baja y
luego se apagará la unidad.
2. Seleccione el voltaje de prueba de la resistencia de aislamiento para el motor que se está
probando (consulte el manual de ALL-TEST IV PRO 2000TM).
3. Corte la corriente del motor que se va a probar según los procedimientos apropiados de cierre
y etiquetado (LOTO) y verifique que el equipamiento esté sin corriente.
a. Quite una clavija de cada fase de cualquier capacitor de corrección de factor de
potencia que pueda estar presente en el circuito.
b. Si realiza una prueba de aislamiento a tierra desde un conductor de frecuencia variable
o si otros elementos electrónicos están en el circuito, desconecte los cables del
dispositivo que se prueba. No hacerlo podría causar un daño grave o catastrófico a la
VFD o dispositivo electrónico por el voltaje de prueba aplicado de 500 ó 1000 VCC.
4. Verifique los puntos de conexión para asegurarse de que no estén recubiertos con ninguna
sustancia extraña ni que los cables no estén quemados u oxidados. Un punto de contacto sucio
puede dar como resultado lecturas malas.
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5. Encienda el instrumento y la luz posterior, si es necesario.
6. Seleccione el modo automático (AUTO MODE) y siga las instrucciones:
a. Provoque un cortocircuito en los cables juntos para realizar la prueba de resistencia.
b. Conecte los devanados según el mensaje de la pantalla. Use T1 - T2; T1 – T3; y T2 –
T3 como Devanado 1, Devanado 2 y Devanado 3.
7. Entre cada prueba de devanado, se muestran las opciones ‘OK’ (BIEN) y ‘REMEASURE’
(VOLVER A MEDIR). (Nota: Se recomienda optar por ‘REMEASURE’ después de la
primera lectura del devanado para descargar cualquier carga almacenada de alguna prueba
anterior). Si las lecturas ‘REMEASURE’ se repiten, entonces seleccione ‘OK’ para cambiar al
próximo devanado. Si las lecturas no se repiten:
8.
9.
10.
11.
12.
a. Si las lecturas ‘REMEASURE’ varían significativamente, verifique las conexiones de
los cables de prueba antes de completar la acción de REMEASURE.
b. Si ATIV muestra “En espera…” o “MAL RESULTADO”.
i. Si el instrumento muestra “En espera…”, verifique para asegurarse de que los
cables de prueba estén conectados a los puertos de prueba del ATIV y a un
buen devanado en el punto de prueba. Si los cables de prueba están en los
puertos correctos, entonces el devanado está abierto. Para verificar un
devanado abierto, pruebe un buen devanado conocido.
ii. Si el instrumento muestra “BAD RESULT” (MAL RESULTADO) indica
que tanto el devanado de prueba tiene un valor de resistencia menor a 0,001
Ohmio o hay una corriente de nivel bajo (IEM) en los cables. Si se espera una
IEM, pruebe lo más cerca posible del motor. Si otros devanados muestran
más de 0,001, el devanado o los conductores están directamente en
cortocircuito.
iii. Además, puede ser que el eje esté girando; por ejemplo, un amortiguador de
un ventilador puede hacer que gire el ventilador y de esa forma el rotor del
motor no está completamente quieto.
Continúe hasta que los tres devanados hayan sido exitosamente probados. Después de
completar las tres pruebas de devanado, se le pregunta al usuario si debe realizar o no un “INS
TEST”. Para realizar el “INS TEST” (prueba de megaohmio), seleccione ‘Yes’ (Sí); y luego
mueva los cables de prueba a los puertos de prueba de aislamiento. Para no realizar el “INS
TEST”, seleccione ‘No’ (No).
Para verificar que ambos cables estén correctamente conectados a tierra, se recomienda realizar
un “INS TEST” entre 2 puntos a tierra conocidos donde no haya pintura (por ejemplo:
tornillos, en el motor, etc.). Esta medición debería resultar en una lectura a tierra de “cero” y
verificar que ambos cables de prueba estén correctamente conectados a tierra.
a. Quite el cable de prueba rojo y conecte cualquiera de los cables del motor.
(Precaución: No quite ambos cables de prueba)
b. Seleccione ‘REMEASURE’ y realice la prueba entre cualquier cable del motor y el
punto de masa.
Cuando se completa la prueba, algunas de las lecturas aparecerán en la pantalla. Para ver otros
datos, desolácese hacia arriba o hacia abajo con los botones del teclado. NOTA: SIEMPRE
GUARDE SUS LECTURAS ANTES DE CONTINUAR (consulte el manual de uso de
ALL-TEST IV PRO 2000TM para obtener los pasos detallados sobre cómo guardar).
Cuando guarde, asígnele un nombre al conjunto de datos de la prueba de 11 caracteres
alfanuméricos como máximo (mínimo 3), guarde las fases y los caballos de vapor (hasta 3
dígitos). No necesita potencia en CV y no afecta al análisis de la máquina.
Antes de dar corriente al equipo, realice lecturas rápidas de verificación (consulte la siguiente
sección o el Manual del usuario). Método normal: verifique las lecturas de Fi y I/F para ver que
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MANUAL DE ANÁLISIS DEL MCA
no hayan devanados en cortocircuito, que los patrones de impedancia e inductancia coincidan,
que no haya contaminación en los devanados ni devanados sobrecalentados, que la resistencia
no tenga conexiones flojas ni rotas y que haya aislamiento a tierra en las devanados a tierra.
13. Si no hay condición peligrosa ni falla en el motor, vuelva a poner el equipo en servicio con los
procedimientos LOTO.
14. Después de completar la recopilación de datos, cargue los datos al software e imprima el
informe.
RESOLUCIÓN DE PROBLEMAS DE MOTORES
Prueba compensada de rotor
1. Conecte el AT31 (en lugar de AT31 se puede utilizar un probador de inductancia) para el
primer grupo de devanados (T1-T2) y gire el eje hasta que se obtenga la lectura de
impedancia más alta.
2. Mida el primer devanado en el modo automático de lectura de ATIV, luego deténgalo.
3. Conecte el AT31 al segundo grupo de devanados (T1-T3) y gire el eje hasta que se
obtenga la lectura de impedancia más alta.
4. Mida el segundo devanado en el modo automático de lectura de ATIV (segundo
devanado), luego deténgalo.
5. Repita para su tercer devanado. Si los resultados finales todavía muestran una asimetría,
se debería sospechar del estator; si están simétricos; se debería verificar el rotor mediante
los pasos de prueba del rotor para AT31 o ATIV. Si las pruebas de los estatores o
rotores son buenas, entonces la asimetría se debe al diseño del motor y debe registrarse.
Prueba de reposición del rotor
Al usar ATIV, se puede realizar una corta serie de pruebas para determinar si las lecturas
asimétricas se deben al rotor, al estator o al diseño. Los pasos son muy simples:
1. Apunte la posición del rotor después de guardar las lecturas originales. Gire el eje a
90 grados de su posición original y vuelva a medir los devanados del motor en el
mismo orden que fueron medidos originalmente.
2. Consulte las lecturas previas y observe si las asimetrías cambiaron con el movimiento
del rotor. Si han cambiado o si las lecturas no son concluyentes, vuelva a tomar las
medidas a 180 grados desde la posición original.
3. Si las lecturas permanecen asimétricas en la posición original, es muy probable que
los devanados estatóricos tengan fallas; si las lecturas cambian con la posición del
rotor, realice una prueba del rotor como se indica en la guía de resolución de
problemas del motor.
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MANUAL DE ANÁLISIS DEL MCA
Ejemplo de lecturas de cambio
T1-T2 T1-T3 T2-T3
0
Impedancia 0
47
53
58
0
Inductancia 0
9
10
11
Impedancia 900
53
58
47
0
Inductancia 90
10
11
9
0
Impedancia 180
58
47
53
Inductancia 1800
11
9
10
Nota: Las lecturas no serán exactas, es sólo un ejemplo
Ejemplo de lecturas que se mantienen
T1-T2 T1-T3 T2-T3
0
Impedancia 0
47
53
58
0
Inductancia 0
9
10
11
Impedancia 900
47
53
58
0
Inductancia 90
9
10
11
Impedancia 1800
47
53
58
0
Inductancia 180
9
10
11
Nota: Las lecturas no serán exactas, es sólo un ejemplo
PRUEBA DEL ROTOR
Una de las características más importantes del ATIV es la capacidad de realizar un análisis
complejo de un rotor de motor trifásico.
RECOPILACIÓN DE DATOS
Estos rotores en jaula se pueden probar con el Analizador del circuito del motor del ATIV
mediante el método de prueba de inductancia manual.
Nota: Mientras que el método del MCA podría no detectar algunas fallas de rotor, el
probador en línea ATPOL es un suplemento muy útil para detectar todos los tipos de
problemas del rotor mientras el motor está funcionando.
1) Verifique la integridad del devanado mediante una prueba automática del motor.
2) Gire el eje para que el chavetero del eje esté en la posición 12 en punto.
3) Mida manualmente la inductancia del primer devanado (T1-T2), grabe la medición
en una hoja de datos previamente etiquetada; continúe con los otros dos devanados
(T1-T3) y (T2-T3) al conectar los otros devanados y seleccionar “Remeasure” en la
barra de menú de la pantalla de medición de inductancia manual. Registre estos
valores en los espacios apropiados de la planilla de datos.
Prepare una hoja etiquetada T1 a T3 en la parte superior y 24, luego 1-23 en el lateral
izquierdo. Consulte el Apéndice uno para ver un ejemplo de la planilla de datos
4) Gire el eje del número especificado de grados según se recomienda en la tabla a
continuación. Se debería tomar un mínimo de 24 posiciones de eje. Sin embargo, en
22
MANUAL DE ANÁLISIS DEL MCA
motores de 4 polos o más, se recomienda que se tomen más posiciones. Cuanto más
posiciones de rotor se tomen, más detalles habrá para el análisis.
Cantidad de
polos
Cantidad mínima
de lecturas
Grados de
rotación del eje
2
24
150
4
36
100
6
48
7.50
8
72
50
>10
72
50
5) Repita los procedimientos de medición en el paso 4 ó superior hasta que el rotor haya
hecho una revolución completa.
NOTA: Cuanto más precisa sea la posición del rotor, más preciso será el análisis. Se
recomienda adjuntar un protractor de giro o usar una parte del papel milimetrado circular
adjunto al eje para proporcionar máxima precisión.
6) Cuando se ha tomado un conjunto completo de datos, los resultados deberían reflejarse
TM
en un gráfico mediante la característica de prueba del rotor del software EMCAT PRO
2005 o directamente en un programa de hoja de cálculo como Microsoft Excel.
ANALISIS
1) Las lecturas no serán idénticas pero deberían resultar en patrones que se repiten a
medida que gira el eje. Si el patrón varía, hay problemas con el rotor, fundición o
entrehierro.
2) Los problemas de fundición o de rotor se muestran como un cambio repentino en una
ubicación sobre el motor mientras que los problemas de entrehierro cambian
consistentemente alrededor del rotor.
3) La forma de onda resultante debería ser pareja y 120 grados fuera de la fase entre ellas.
Hay varios casos donde estas lecturas se desviarán:
A) Las desviaciones más grandes en el máximo o el mínimo de una forma de onda
como mínimo identificarán puntos muy resistentes en las barras de cobre del rotor,
posiblemente donde la barra está soldada a las arandelas cortocircuitantes.
B) Desviaciones similares indicarán barras de los rotores rotas o, en los pequeños y
económicos rotores de aluminio, las laminaciones de los rotores pueden no estar
correctamente colocadas, dejando variaciones en la resistencia de cada barra de rotor
(motor de baja calidad).
C) Un problema más común en muchos motores eléctricos (algunos fabricantes tienen
más desafíos que otros) son los vacíos de fundido. Se encuentra generalmente como
un punto plano en la inclinación o declinación de dos de tres ondas sinusoidales como
mínimo.
D) Los problemas con el rotor excéntrico son normales cuando la inductancia
disminuye o la forma de onda se mueve hacia arriba o hacia abajo (arcos de derecha a
izquierda).
23
MANUAL DE ANÁLISIS DEL MCA
APÉNDICE 1 Hipótesis de alarma del devanado
Hipótesis de alarma del devanado
Con una experiencia de más de 20 años en la prueba de motores conductores mediante MCA, se
han identificado 11 hipótesis comunes creadas por las 6 mediciones que se realizan durante el
modo de prueba automático con ATIV. La sección que se encuentra a continuación muestra una
pantalla de ejemplo y un breve resumen de cada hipótesis.
Hipótesis 1: TODAS las lecturas son simétricas
Es un buen devanado y se deben realizar pruebas adicionales en intervalos de prueba normales.
Hipótesis 2: Fi ó I/F en rojo, todas las otras mediciones son simétricas
Todas las mediciones están dentro de los límites aceptables excepto la I/F, que está afuera por
una diferencia de 6. Esto generalmente indica una falla entre fases. Si se realizó esta prueba en el
Centro de control del motor (MCC), vuelva a realizar la prueba directamente en el motor.
24
MANUAL DE ANÁLISIS DEL MCA
Todas las mediciones están dentro de los límites aceptables excepto la Fi que está afuera por una
diferencia de 3 y >1 del promedio. Esto generalmente indica una falla entre devanados. Si se
realizó esta prueba en el Centro de control del motor (MCC), vuelva a realizar la prueba
directamente en el motor antes de desaprobarlo.
Hipótesis 3: Fi o I/F en rojo; L y Z en alarma
I/F está en alarma e indica una posible falla del devanado entre fases. La impedancia e inductancia
están también en alarma, pero la impedancia sigue a la inductancia. Es muy probable que resulte
en diferencias en la relación de devanado/barra del rotor. Realice una prueba de reposición del
rotor para verificar esta condición.
25
MANUAL DE ANÁLISIS DEL MCA
Hipótesis 4: R > 5% asimétrica
Todas las mediciones están dentro de los límites aceptables salvo R que está en alarma (>5%).
Esto indica conexiones de alta resistencia. Si estas lecturas se tomaran en el MCC, desconecte el
punto de conexión más cercano y vuelva a realizar la prueba del motor. Si la asimetría persiste,
continúe hacia el motor hasta que la asimetría de resistencia desaparezca o que no sea posible un
mayor aislamiento. Ocurre frecuentemente que la asimetría de resistencia desaparece durante el
proceso de resolución de problemas, especialmente si se ajustan las conexiones flojas durante el
proceso.
Hipótesis 5: Fi o I/F simétricas; L y Z en alarma pero con patrones
similares
26
MANUAL DE ANÁLISIS DEL MCA
Posición 1 del rotor
Rotor reposicionado
Las mediciones Fi e I/F están en simetría, sin embargo, las mediciones L y Z están en alarma.
Esto puede resultar en una relación de devanado/barra de rotor (Rb/W). En esta hipótesis, la
impedancia sigue a la inductancia en un patrón Bajo-Alto-Medio (L,H,M,). Esta asimetría es muy
probable que resulte de diferencias en la Rb/W. Es una lectura común realizada especialmente en
motores más pequeños. Para verificar si esta asimetría es el resultado de la Rb/W realice la prueba
de reposición del rotor.
Hipótesis 6: Fi o I/F simétricas; L y Z en alarma pero con patrones
distintos
Las mediciones Fi e I/F están en simetría; sin embargo, las mediciones L y Z están en alarma.
Debido a que la asimetría de impedancia no sigue a la inductancia, la capacitancia del sistema
cambió. Es muy probable que resulte así porque el aislamiento quedó frágil debido a un
sobrecalentamiento o a que los devanados están contaminados.
27
MANUAL DE ANÁLISIS DEL MCA
Hipótesis 7: Fi e I/F simétricas; L y Z en alarma pero con patrones
distintos más un cambio de frecuencia de medición de la impedancia
Las mediciones Fi e I/F están en simetría; sin embargo, las mediciones L y Z están en alarma. La
medición de impedancia de T1-T2 es casi la mitad de las mediciones de los otros dos devanados.
Cuando esto ocurre, normalmente es causa de un cambio de frecuencia del instrumento cuando
se realiza la medición de impedancia para ese devanado. La experiencia ha demostrado que es una
indicación muy temprana de los problemas de devanado o de rotor.
Hipótesis 8: Todas las mediciones son simétricas pero la medición del
aislamiento a tierra es baja
Todas las mediciones de devanado son simétricas; sin embargo, las lecturas del aislamiento a tierra
están por debajo de los niveles recomendados. Se recomienda limpiar la superficie antes de poner
en funcionamiento.
28
MANUAL DE ANÁLISIS DEL MCA
Hipótesis 9: Fi e I/F simétricas; L y Z en alarma, las lecturas están
truncadas
Fi e I/F son simétricas, sin embargo, L y Z están en alarma, es difícil determinar el patrón L y Z
debido a que el ATIV trunca los decimales en el modo automático y muestra 0 en lugar de
decimales. Para determinar si estos patrones coinciden, se deben realizar lecturas manuales de L y Z.
Hipótesis 10: Otras lecturas
La mayoría de las lecturas están en cero, las lecturas L y Z pueden ser 0 debido a que los valores
son < 1. El ATIV truncará las lecturas de Z y L que son <1 a 0.0. Verifique si estos valores son
realmente 0 o si son <1 por medio de mediciones manuales. Sin embargo, debido a que Fi e I/F
de 2 de los devanados están también en 0, esto indica un cortocircuito en el devanado.
29
MANUAL DE ANÁLISIS DEL MCA
Hipótesis 11: Valores cero
Las lecturas en T2-T3 están todas en cero, esto ocurre cuando el devanado está completamente en
cortocircuito.
30
MANUAL DE ANÁLISIS DEL MCA
APÉNDICE 2: Métodos de prueba para determinar el
impacto de la condición del motor en la eficacia y la
fiabilidad del motor
Dr Howard W. Penrose, Ph.D.
Old Saybrook, CT 06475
Resumen
Este artículo trata el impacto financiero de la condición del motor en la eficacia y fiabilidad del
motor eléctrico al revisar una combinación del Análisis del circuito del motor (MCA) y las técnicas
de vibración. Se describirán los impactos costosos de energía, producción y mantenimiento. El
tema resumirá un estudio del servicio eléctrico y el éxito de transformación de mercado del
Departamento de Energía de EE.UU. durante los años 2000 y 2001. Las principales áreas de
interés son las simetrías de fase, las barras de rotor, las limpiezas y los problemas de cojinete.
Introducción
Los motores eléctricos son la fuerza motriz primordial de la industria y de nuestro confort general
en los edificios comerciales. Los sistemas motores consumen 20% de toda la energía utilizada en
EE.UU. y 59% de toda la electricidad generada. Dentro de cada sector:
‰
‰
‰
78% de energía eléctrica en sistemas industriales (>90% en industrias de transformación)
43% de la energía eléctrica en edificios comerciales
37% de la energía eléctrica en los hogares
Hay mucho más de 1.200 millones de motores eléctricos, de todos los tipos, utilizados en todos
los EE.UU. Sin embargo, los motores eléctricos se utilizan a menudo indiscriminadamente, sin
inspección, hasta que se detiene la producción debido a que algo se quemó o a una falla
catastrófica del cojinete.
Es importante comprender que el equipamiento generalmente falla con el tiempo, el rendimiento
disminuye y las pérdidas se incrementan (decrece la eficacia) con el tiempo, antes de que ocurran
la mayoría de las fallas catastróficas. Aunque algunas fallas de equipos son instantáneas, la gran
mayoría de las fallas catastróficas que impactan en la producción son el resultado de una falla en la
implementación de un programa de mantenimiento. Estas fallas se deben principalmente a que la
gerencia no comprende completamente que el mantenimiento es una inversión en el negocio y no
un "gasto de negocios". Si no invierte en materiales, en equipos ni en mano de obra, no tendrá
producto para vender: Si no invierte en prácticas de mantenimiento predictivo (PM, TPM, RCM o
cualquier otro programa), no tendrá producto para vender o, lo que es peor, a un precio de
producción general más alto.
Se ha demostrado que una correcta implementación de un programa de mantenimiento reduce el
consumo de energía en las plantas tanto como un 10-14%, y a su vez también reducir el tiempo
improductivo imprevisto. El tiempo improductivo promedio cuesta según se muestra a
continuación:
31
MANUAL DE ANÁLISIS DEL MCA
Tabla 1: Estimaciones de los costos de tiempo de improductividad
Industria
Costos promedio de tiempo de
improductividad, por hora
Productos forestales
Procesamiento de alimentos
Petróleo y productos químicos
Fundición de metales
Industria automotriz
$7.000
$30.000
$87.000
$100.000
$200.000
En un proyecto reciente sobre rendimiento y energía para una empresa de servicios
eléctricos, se revisaron un grupo de motores eléctricos de 5 a 200 caballos de vapor en varias
industrias, entre ellas: industria de petróleo y química; de productos forestales; de
procesamiento de alimentos, minera (cantera) y papelera. Las plantas variaban entre las que
no tenían programas de mantenimiento planificados y las que sí habían implementado
programas de mantenimiento e incluso un programa de energía. De estos motores, evaluados
al azar, el 80% tenía al menos una deficiencia, el 60% de éstos (48% del original) eran
rentables para reemplazar. Las plantas sin programas tenían una mayor cantidad de motores
con fallas que las plantas con programas de mantenimiento y energía. El ocho por ciento de
los motores se evaluó para determinar los tipos de fallas y el costo posible por no tener una
acción correctiva (reparación o reemplazo) por medio de un análisis de vibración y un
análisis del circuito del motor (MCA). Muchos tenían una combinación de problemas
eléctricos y mecánicos:
Tabla 2: Conclusiones de proyectos de energía para empresas de servicios eléctricos
Tipo de prueba
Porcentaje de fallas
Análisis de vibración
Análisis del circuito del motor
Resistencia de aislamiento (mega ohmios)
45% de los motores evaluados
70% de los motores evaluados
5% de los motores evaluados
Muchos motores combinaban fallas de vibración y eléctricas. Algunos tenían fallas de
devanado combinadas con fallas de resistencia de aislamiento. Muchos tenían devanados en
cortocircuito que continuaban funcionando y que causarían problemas de producción, pero
fueron descartados como percances “molestos” (detectados en el estudio con el MCA). “Las
conclusiones de la parte avanzada del proyecto de muestra del Motor PAT Tool indican que
en las mediciones para … asimetría de fase de resistencia, inductancia, impedancia, ángulo de
desfasamiento e I/F (respuesta de frecuencia/corriente) ofreció resultados más útiles”. La
evasión del costo creciente y combinado de producción de 20 de los motores con fallas,
entre 5 y 250 caballos de vapor, era $297.100, lo que significaría costos de implementación
insignificantes.
El objetivo de este ensayo es proporcionar información para determinar el gasto que se evitó
a través de la aplicación de un programa de mantenimiento para motores eléctricos. Y a
continuación encontrará un debate sobre la implementación del análisis del circuito de motor
(MCA) y un análisis de vibración.
32
MANUAL DE ANÁLISIS DEL MCA
Gasto que se evitó a través del mantenimiento
Hay una gran cantidad de formas de determinar cómo evitar el gasto a través de la
implementación de programas de mantenimiento. En este debate, el foco estará en los
métodos presentados a través de los Centros de Evaluación Industriales (IAC) del
Departamento de Energía de EE.UU., que brindan un método muy básico y conservador. El
proyecto de muestra de PAT Tool utilizó un método mucho más complejo, que está fuera
del alcance de este artículo. Sin embargo, algunas de las herramientas, tales como
MotorMaster Plus, se usarán para proporcionar información sobre el costo para la
reparación del motor.
“Los representantes de las empresas públicas indicaron que en una encuesta a las
instalaciones sin programas de mantenimiento, los rebobinados a motor representaron el
85% del total de las reparaciones del motor (en promedio). Después de que se
implementaron programas de mantenimiento preventivos, los números de rebobinados se
redujeron a un 20% del total”. Este informe se implementó mediante proyectos de
investigación, entre los que se incluyen el Programa de gestión y mantenimiento del sistema
de Dreisilker´s Total Motor (DTM2 ™) y el proyecto PAT Tool, entre otros.
Con el objetivo de este debate, consideraremos una planta de papel y cartón con 485
motores. Hay dos líneas de producción en funcionamiento que tienen un costo potencial de
tiempo improductivo de $6.575 cada una. Se reparó un promedio de 3 motores por mes, de
los cuales una gran mayoría (70%) requirió un reemplazo de rebobinado (normalmente
causado por inmersión, contaminación o porque el motor quedó recubierto de material). La
instalación trabajaba normalmente 8.000 horas por año con fallas catastróficas causando la
detención de una de las líneas a la vez. Otros costos adicionales, que no abarcamos en este
debate, incluyeron la limpieza del sistema antes de volver a ponerlo en funcionamiento. No
había ningún programa de mantenimiento.
33
MANUAL DE ANÁLISIS DEL MCA
Tabla 3: Estudio de los caballos de vapor y de los costos de reparación del motor
Tamaño del
Cantidad de
Costo de
Costo de
motor
motores
rebobinado reacondicionamiento
< 20 caballos de
vapor
20
25
30
40
50
75
100
125
400
750
347 (Reemplazo, no
reparación)
15
10
2
3
27
18
21
32
6
4
-
-
$660
$760
$880
$1.020
$1.295
$1.500
$1.610
$1.820
$3.400
$7.735
$220
$255
$295
$340
$430
$500
$540
$610
$1.200
$2.600
La primera etapa es calcular los costos de tiempo improductivo imprevisto:
Ecuación 1: Costo de tiempo improductivo imprevisto
PCImproductividad = (MF/Año) x (PPérdida/falla) x (PCosto)
= (36 motores/año) x (4 h/falla) x ($6.575/h)
= $946.800/año
Mientras que PC es el costo anual del tiempo de improductivo imprevisto, MF es la
cantidad de fallas del motor y P representa la producción.
El paso 2 es calcular el costo promedio del equipamiento para rebobinar. En este caso, nos
concentraremos en sólo 20 caballos de vapor como mínimo.
Ecuación 2: Costo promedio de motores para rebobinar
Rprom. = ((Nn1 x RWCn1) + … + (Nnn x RWCnn))/NT
= ((1520 x $66020) + (1025 x $76025) + … + (4750 x $7735750)) / 138 motores
= $1.650
Mientras Rprom es el costo promedio de rebobinado, Nn es la cantidad de motores para cada caballo de vapor y
RWCn es el costo de rebobinado para cada caballo de vapor
El costo promedio para reacondicionar los motores se calcula de la misma forma, excepto
que el costo de reacondicionamiento se utiliza en lugar de los costos de rebobinado. Por
ejemplo, el costo promedio de reacondicionamiento sería $555.
34
MANUAL DE ANÁLISIS DEL MCA
El paso 3 es para calcular el costo promedio de reparación para el motor antes y después de
la implementación del mantenimiento.
Ecuación 3: Costo promedio de reparación por motor
Rprom = (% de reacondicionamiento x $/reacondicionamiento) + (% de rebobinado x
$/rebobinado)
= (30% x $555) + (70% x $1.650)
= $1.322 / motor
En consideración de que la cantidad de motores rebobinados en comparación con los
motores reacondicionados sería inversa a la aplicación del programa, el número de
motores rebobinados sería 30% y el costo promedio de reparación sería $884 por motor.
Una vez que se implemente el programa, el número de motores que se van a reparar, en
general, disminuirá.
El paso 4 usa el número de motores reparados por año y la diferencia entre los motores
reacondicionados en comparación con los motores rebobinados para concluir con un
estimativo de ahorros.
Ecuación 4: Estimativo de reducción de costo de reparación (RRCest)
RRCest = (motores reparados/año x costos iniciales de reparación) – (motores
reparados/año x nuevos costos de reparación)
= (36 motores/año x $1.322/motor) – (36 motores/año x $884/motor)
= $15.768 por año
El paso 5 es determinar los posibles ahorros de energía. Con el objetivo de obtener un
estimativo conservador, se asumirá un 2% de mejoras en el rendimiento. Los componentes
de mantenimiento incluyen (y el tipo de sistema de prueba, vibración y MCA solamente, para
este ensayo, utilizados para evaluar):
‰
‰
‰
‰
‰
‰
Lubricación mejorada (vibración)
Alineamiento y balanceo correcto (vibración)
Corrección de las asimetrías del circuito (MCA)
Temperaturas del motor reducidas (MCA, vibración)
Pérdidas de rendimiento reducidas a causa de rebobinados (El Departamento de
Energía de EE.UU. estima una reducción de rendimiento de un punto por ciento por
rebobinado)
Rendimiento del sistema impulsor mejorado
Ecuación 5: Ahorros en el costo de energía
Ahorros de energía = (CV total de los motores considerados) x (factor de carga) x (horas de
operación) x (% ahorros) x (.746 Kw./CV) x (Costos de uso de electricidad)
= 14.930 caballos de vapor x 75% carga x 8.000 hs x 2% ahorros x 0,746 kw/CV x
$0,06/Kwh.
= $80.192 por año
35
MANUAL DE ANÁLISIS DEL MCA
El paso 6 es determinar los costos de trabajo en planta para implementar el programa.
Supongamos que se necesitará 1 persona por hora por motor por año. Los costos estimados
para este ejemplo se basan en $25 por hora.
Ecuación 6: Costos de mano de obra en planta
Mano de obra = (1 h/mes/motor) x (cantidad de motores) x (12 meses/año) x ($/hora hombre)
= 1h/mes/motor x 138 motores x 12 meses/año x ($25/hora hombre)
= $41.400 por año
El paso 7 es el precio de compra para el equipamiento del MCA y el análisis de vibración.
Para este artículo, se utilizará el mismo equipamiento que se seleccionó para el proyecto PAT
de las empresas públicas. El costo combinado estimado para el instrumento del MCA ALLTEST IV PRO™ 2000 y el equipamiento de análisis de vibración Pruftechnik es $22.000.
En el paso 8 están los costos de capacitación para la implementación del sistema. En
consideración de que el costo de capacitación para el uso del equipamiento es de 4.500 por
persona y el costo de capacitación para el mantenimiento es de $6.000 por persona, el costo
debería ser aproximadamente $10.500 por persona.
El paso final es determinar los simples reintegros de la implementación del programa. En el
caso de este ejemplo, asumimos una reducción del 50% en el tiempo de improductividad
imprevista para el primer año:
Tabla 4: Costos y ahorros para la implementación del mantenimiento
Ahorros de mantenimiento
Costos de mantenimiento
$473.400 Tiempo de improductividad
$41.400 Costos de mano de obra
reducido
$15.768 Costos de reparación del motor
$22.000 Costos de equipamiento
reducidos
$80.192 Reducción de costos de energía
$10.500 Costos de capacitación
$569.360 Ahorro total por año
$73.900 Costo total por año
Ecuación 7: Beneficios simples de mantenimiento
Beneficios = (Costo total por año)/(Ahorro total por año)
= $73.900 / $569.360
= 0,13 años ó 1,6 meses
El tamaño más pequeño de esta planta en particular permitiría una implementación completa
de un programa de mantenimiento. Las plantas de fabricación más grandes generalmente
tendrán miles de motores eléctricos y podrían requerir un tiempo de improductividad de los
departamentos o áreas para una correcta implementación.
Aplicación del análisis de vibración
Los profesionales de mantenimiento usan el análisis de vibración como medio para detectar
las fallas mecánicas y algunas fallas de electricidad en los equipos rotativos. Si se realizan
pruebas programadas en forma regular, el rendimiento del funcionamiento de un motor
eléctrico se puede determinar a través de una medición de tendencia.
36
MANUAL DE ANÁLISIS DEL MCA
Basados en las fallas de cojinete, engrasado, tensión de correa, desalineación, u otras
asimetrías, pueden ocurrir más pérdidas de energía. Estas pérdidas se manifiestan como
vibraciones, ruido y calor. El engrasado y la tensión de correa incorrectos incrementarán la
fricción y las pérdidas por ventilación del motor. Esto se puede calcular de la siguiente
manera:
Ecuación 8: Pérdidas del cojinete
Pérdidas de Vatios = (carga, libras x diámetro del muñón, pulgadas x rpm x f) / 169
.f depende del aceite usado y la temperatura; 0,005 es típica
El análisis de vibración para la resolución de problemas detectará principalmente las fallas
del cojinete (41% de las fallas), las fallas de simetría y alineación (12% de fallas). También
detectará las fallas del rotor (10% de fallas) y algunas fallas eléctricas (37% de fallas), hasta
cierto punto. Sin embargo, las fallas del rotor y las fallas eléctricas tienden a caer en los
rangos de frecuencia que pueden relacionarse con otros equipos y están directamente
relacionados con la carga. El análisis de vibración requiere que el motor eléctrico esté
funcionando con una carga que sea constante durante cada prueba que se comparará.
Aplicación del análisis del circuito del motor
“Hay muchas herramientas disponibles para realizar un mantenimiento preventivo de calidad
de motores individuales. De estos, los sistemas del análisis del circuito del motor (MCA)
tienen gran importancia para identificar los problemas del motor antes de que la falla sea
costosa y para mejorar el rendimiento general de los sistemas del motor en general”.
Los análisis del circuito del motor permiten a los analistas detectar las fallas de devanado y
las fallas del rotor en el motor eléctrico. Este tipo de métodos de prueba requiere de
equipamiento para quitarle la corriente, que permite realizar pruebas iniciales entrantes de los
motores eléctricos y solucionar los problemas cuando el equipo falla. Las pérdidas de energía
primarias que se pueden detectar incluyen las asimetrías de fase y las pérdidas I2R, mientras
que las fallas incluyen los devanados en cortocircuito, las conexiones flojas, las fallas a tierra
y las fallas del rotor.
Una falla resistiva de calor, como una pérdida. Por ejemplo, una conexión floja de 0,5 ohmio
en un motor eléctrico de 100 CV que funciona a 95 amp:
Ecuación 9: Pérdidas resistivas
Pérdidas en kilovatios = (I2R)/1000
= (952 x 0,5)/1000
= 4,5 kw (pérdida de demanda)
Ecuación 10: Pérdida en el uso de energía
$/año = kw x hs/año x $/Kwh.
= 4.5 kw x 8000 hs/año x $0,06/Kwh.
= $2.160 / año
37
MANUAL DE ANÁLISIS DEL MCA
Las asimetrías de fase del motor eléctrico (inductancia e impedancia) afectan las asimetrías de
corriente, hacen que se calienten los motores y se reduzca la capacidad del motor de
producir torsión. El porcentaje de asimetría de impedancia se puede evaluar para determinar
la reducción del rendimiento y el calentamiento adicional del motor eléctrico. Una regla
general es que, por cada incremento de 10 ºC en la temperatura de funcionamiento, la vida
útil del equipo se reduce a la mitad.
Figura 1: Reducción del rendimiento debido a una asimetría de impedancia
Por ejemplo, una empresa de papel y carbón tiene un motor eléctrico de 100 CV, que
normalmente tendría un rendimiento de 95%, tiene una asimetría de impedancia de 3.5%. El
rendimiento se reduciría 4 puntos, o a 91%.
Ecuación 10: Costo de energía debido a pérdidas de asimetría de fase
$/ahorros anuales = CV x 0,746 x %carga x $/Kwh. x hs de funcionamiento ((100/Le) –
(100/He))
= 100 CV x 0,756 x .75 carga x $0,06/Kwh. x 8000 hs ((100/91) – (100/95))
= $1.240 / año
Figura 2: Incremento en el aumento de temperatura debido a una asimetría de fase
38
MANUAL DE ANÁLISIS DEL MCA
La asimetría de impedancia también causará un incremento en la temperatura de
funcionamiento basada en un incremento en las pérdidas I2R. En el caso del motor eléctrico
de 100 CV, esto significa un aumento de temperatura de casi 30 ºC, o una reducción en la
vida de aislamiento del motor al 13% de su original.
El análisis del circuito del motor también se utiliza para evaluar si los devanados están
contaminados. “Es importante realizar limpiezas frecuentes de la entrada de un motor (si la
tuviera) y de las aletas de refrigeración en entornos sucios… Las pruebas confirman que
incluso los motores con mucho trabajo, evaluados de manera generosa y
sobredimensionados, pueden fallar rápidamente en esas condiciones si se les forma un
recubrimiento grueso o fino y con sus circulaciones de aire reducidas a la mitad. Su vida de
aislamiento puede entonces caer hasta 13-25% de lo normal”. El mismo fenómeno ocurre si
los devanados se recubren de contaminantes.
La prueba del rotor del MCA requiere lecturas de inductancia e impedancia a 360 grados de
la rotación del rotor. Las lecturas están graficadas y se puede ver la simetría. Los resultados
de la prueba proporcionan una condición definitiva del rotor y generalmente se realiza a
continuación de la identificación de una posible falla del rotor por vibración, como parte de
un programa de aceptación, durante la reparación o cuando se identifica que el motor está
teniendo problemas de torsión.
Conclusión
La implementación de un programa de mantenimiento de motor eléctrico tendrá un impacto
significativo en un balance final de una compañía. Si la compañía tiene unos cientos de
motores o muchos miles, el beneficio simple de la inversión en el análisis de vibración y
MCA se califica generalmente en meses. Los ahorros de la disponibilidad de producción, los
costos de reparación de equipamiento reducidos y costos de energía mejorados impactan en
el beneficio; todo con una inversión mínima en personal, capacitación y equipamiento.
La aplicación de estas dos tecnologías se complementa entre sí mientras que se evalúa el
progreso del programa de mantenimiento y mejoran la disponibilidad del equipo. El análisis
de vibración evalúa la condición mecánica del equipo mientras que el MCA evalúa la
condición eléctrica. En combinación, el analista tiene la posibilidad de ver la condición
completa del motor eléctrico.
Bibliografía
Departamento de Energía de EE.UU., Industrial Productivity Training Manual, 1996 Annual
IAC Directors Meeting, Rutger’s University, 1996.
DrivePower, 1993.
Pacific Gas & Electric, Electric Motors Performance Analysis Testing Tool Demonstration
Project, Febrero, 2001.
39
MANUAL DE ANÁLISIS DEL MCA
APÉNDICE 3: Enfoque de la tecnología múltiple
El Enfoque de la tecnología múltiple para el diagnóstico del motor
Dr. Howard W. Penrose
Para: ALL-TEST Pro
Old Saybrook, CT
Introducción
Ha habido una idea equivocada de que existe una “solución mágica”, que se materializa en
los instrumentos del mantenimiento basado en la condición (CBM), que proveerá toda la
información que necesite para evaluar el estado de su sistema de motor eléctrico. A menudo,
esta idea equivocada surge de las presentaciones comerciales de los fabricantes o vendedores
de estos instrumentos CBM. El trabajo del vendedor es, justamente, concentrarse en las
virtudes de su/s particular/es instrumento/s y presentarlo/s como "la única solución que
siempre necesitará para solucionar cada problema".
En realidad, no existe ningún instrumento que le otorgue cada dato que necesita. No existe
un “Santo Grial” de CBM y fiabilidad. Sin embargo, a través de la comprensión del sistema
del motor eléctrico y las habilidades de las tecnologías CBM, puede tener una visión
completa de su sistema, su estado y tener confianza en el tiempo estimado en que podría
fallar para poder realizar una buena recomendación a la gerencia.
El propósito de este manual es simple: resumir los componentes del sistema del motor
eléctrico; discutir los modos de falla de cada componente principal; discutir cómo cada una
de las tecnologías principales se relaciona con cada componente; discutir cómo pueden
integrarse las tecnologías para una visión completa del sistema y discutir el resultado final del
impacto del enfoque de la Tecnología múltiple. Los tipos de equipamiento de CBM que se
estudiarán son tecnologías estándar, de fácil utilización, destinadas a los controles periódicos.
El Sistema del motor eléctrico
El sistema del motor eléctrico abarca mucho más que sólo el motor eléctrico. En realidad, se
compone de seis secciones distintas, todas con sus diferentes modos de falla. Las secciones
son (Figura 1):
9 El sistema de distribución de energía de la instalación que incluye el cableado y los
transformadores.
9 El control del motor, que puede incluir los arrancadores, los arrancadores suaves, los
mandos de frecuencia variable y otros sistemas de puesta en marcha.
9 El motor eléctrico: un motor de inducción trifásica para el objetivo de este manual.
9 El acoplamiento mecánico, que puede ser directo, con caja de velocidades, correas o
cualquier otro método de acoplamiento. Para este manual, nos concentraremos en los
acoplamientos directos y por correas.
40
MANUAL DE ANÁLISIS DEL MCA
9 La carga, que hace referencia al equipo impulsado ya sea a través de ventilador, bomba,
compresor u otro equipamiento de impulso.
9 El proceso, como el proceso de bombeo de agua, de mezclado, de aeración, etc.
Figura 1: El Sistema del motor
La mayoría observará los componentes individuales del sistema al momento de localizar y
solucionar los problemas, de establecer tendencias, de poner a punto el equipo o realizar alguna
otra función basada en la confiabilidad relativa al sistema. En qué se basan los componentes
depende de varios factores, que incluyen:
9 Cuál es la experiencia y formación del personal y los directivos involucrados. Por ejemplo, a
menudo verá un programa fuerte de vibración cuando la capacitación del personal de
mantenimiento sea mayormente mecánica o verá un programa infrarrojo cuando dicha
capacitación sea mayormente eléctrica.
9 Áreas de falla observadas: este puede ser un tema serio según cómo se observa el sistema
motor y requerirá mayor atención en su seguimiento.
9 Comprensión de las variadas tecnologías CBM.
9 Capacitación: pero, ¿desde cuándo la capacitación no es un tema en sí mismo?
Las áreas de falla observadas ocasionan un problema serio, especialmente cuando se mira la historia
del sistema del motor. A menudo, cuando se realizan los registros, el resumen sólo debería
establecer algo así como: “falla de ventilador, reparada” o “falla de bomba, reparada”. El resultado
final es que la falla observada está relacionada con el componente de la bomba o del ventilador del
sistema del motor. Esto se vuelve un inconveniente especialmente cuando se confía en la memoria
para proporcionar las respuestas a los problemas más serios que suceden en una planta, basados en
la historia. Por ejemplo, cuando se intenta determinar qué parte de la planta ha estado causando la
mayoría de los problemas, la respuesta podría ser: “Bombas para aguas residuales 1”. La
percepción inmediata es que la bomba tiene un problema permanente y, como la bomba es un
sistema mecánico, debería seleccionarse una solución de monitoreo mecánico para establecer la
tendencia del estado de la bomba. Si se ha registrado una causa raíz de cada falla, se podría
determinar que los problemas pueden derivar de los devanados del motor, los cojinetes, los cables,
los controles, el proceso o una combinación de factores.
En un encuentro reciente, mientras se discutía la selección de equipamiento CBM, se preguntó a
los asistentes los modos de falla desde sus puestos. Las respuestas fueron ventiladores,
compresores y bombas. Al avanzar en la discusión, se observó que lo más común era que los
ventiladores tuviesen desperfectos en cojinetes y devanados del motor; las bombas, desperfectos en
cierres herméticos y cojinetes del motor; y los compresores, desperfectos en cierres herméticos y
devanados del motor. Al observar el tema más en detalle, los desperfectos en los devanados tenían
que ver con problemas del control y de cables, reparaciones incorrectas y calidad de energía. Los
problemas de los cojinetes estaban relacionados con prácticas incorrectas de lubricación.
41
MANUAL DE ANÁLISIS DEL MCA
En efecto, al momento de determinar el mejor modo de implementar CBM en el sistema del
motor eléctrico, necesita tener en cuenta una visión del sistema, no de los componentes. El
resultado es simple: confiabilidad mejorada; menos dolores de cabeza; un resultado final mejorado.
Los instrumentos de prueba para el mantenimiento basado en la condición
A continuación, se describen las tecnologías CBM en uso más comunes. Se pueden encontrar más
detalles de estas tecnologías en: “Análisis del circuito del motor”. Los detalles de los componentes
del sistema controlado y las habilidades pueden encontrarse en las Tablas 1-4, al final del presente
manual:
Prueba sin corriente:
9 Prueba de alto potencial CC: se realiza aplicando un voltaje dos veces mayor al voltaje estimado
del motor más 1.000 voltios por CA y un adicional de 1.7 veces el valor para el alto potencial
CC (a menudo, con un multiplicador para reducir el impacto en el sistema de aislamiento), se
evalúa el sistema de aislamiento entre los devanados del motor y la tierra (aislamiento a tierrapared). A esta prueba se la considera potencialmente destructiva.
9 Prueba de comparación por aumento repentino: se utilizan pulsos de voltaje a valores
calculados del igual modo que en la prueba de alto potencial, la impedancia de cada fase de un
motor se compara por medio de gráficos. El propósito de esta prueba es detectar espiras en
cortocircuito dentro de las primeras espiras de cada fase. La prueba se efectúa normalmente en
aplicaciones de fabricación y rebobinado ya que funciona mejor sin un rotor en el estator. Esta
prueba se considera potencialmente destructiva y se utiliza, primordialmente, como una prueba
de funcionamiento/falla sin verdadera capacidad para establecer tendencia.
9 Verificador de aislamiento: esta prueba aplica un voltaje CC entre los devanados y la conexión
a tierra. La fuga de baja corriente se mide y se convierte a una medida de mega, giga o
teraohmios.
9 Prueba de índice de polarización: Se utiliza un verificador de aislamiento. Los valores desde el
minuto 10 al 1 se observan y se produce una proporción. De acuerdo con el IEEE 43-2000,
los valores de aislamiento mayores a 5.000 megaohmios no necesitan ser evaluados mediante
PI. La prueba se utiliza para detectar contaminación severa en los devanados o sistemas de
aislamiento recalentados.
9 Prueba de ohmio, miliohmios: se utiliza un medidor de ohmio o miliohmios. Se miden los
valores y se comparan entre los devanados del motor eléctrico. Estas medidas, en general, se
toman para detectar conexiones sueltas o rotas y fallas de los devanados en etapas muy tardías.
9 Prueba de Análisis del Circuito del Motor (MCA): los instrumentos utilizan valores de
resistencia, impedancia, inductancia, ángulo de desfasamiento, corriente. La respuesta de
frecuencia y la prueba de aislamiento pueden utilizarse para detectar y resolver problemas,
poner a punto el equipo y efectuarle controles a la conexión, los cables, el estator, el rotor, el
entrehierro y aislamiento a tierra. Se utiliza una potencia de voltaje baja. Las lecturas se
observan a través de una serie de puentes y se evalúan. A menudo, se observan lecturas no
destructivas y de tendencia, meses por adelantado a la falla eléctrica.
Prueba con energía:
9 Análisis de Vibración: la vibración mecánica se mide a través de un transductor que provee
valores de vibración globales y análisis FFT. Estos valores proporcionan indicadores de fallas
42
MANUAL DE ANÁLISIS DEL MCA
9
9
9
9
mecánicas y grados de fallas que, al establecer tendencia, otorgan información sobre algunos
problemas eléctricos y de rotor que varían según la carga del motor. Requisitos de carga
mínimos para motores eléctricos para detectar fallas en el rotor: requiere conocimiento del
funcionamiento del sistema que se probará.
El análisis infrarrojo proporciona información acerca de la diferencia de temperatura entre los
objetos. Las fallas se detectan y se establece tendencia a partir del grado de falla. Es excelente
para la detección de conexiones sueltas y otras fallas eléctricas. Tiene cierta capacidad para
detectar fallas mecánicas. Las lecturas variarán con la carga. Requiere conocimiento del
funcionamiento del sistema que se probará.
Los instrumentos ultrasónicos miden los ruidos de baja y alta frecuencia. Detectará una
variedad de cuestiones eléctricas y mecánicas hacia las últimas etapas de la falla. Las lecturas
variarán con la carga. Requiere conocimiento del funcionamiento del sistema que se probará.
Las medidas de voltaje y corriente proporcionarán información limitada acerca de la
condición del sistema de motor. Las lecturas variarán con la carga.
El Análisis del Registro de Corriente del Motor (MCSA) utiliza al motor eléctrico como
transductor para detectar fallas eléctricas y mecánicas a través de una porción significante del
sistema del motor. La sensibilidad a las variaciones de carga y las lecturas variarán de acuerdo
con la carga. Requiere información en placa y muchos sistemas requieren el número de barras
del rotor, las muescas del estator y la entrada manual de la velocidad de funcionamiento.
Los componentes principales y los modos de falla
Se repasarán algunos de los temas principales de los distintos componentes del sistema del motor
para lograr una comprensión de los tipos de fallas encontradas y las tecnologías utilizadas para
detectarlas. Como visión general, es posible que este repaso no abarque todos los modos de falla
que puede experimentar.
Energía entrante
Si se comienza por la energía entrante hacia la carga, la primera área que tendría que nombrarse es
la energía entrante y el sistema de distribución. La primera área de interés es la calidad de energía,
luego los transformadores.
El tema de la calidad de energía asociado con los sistemas de motor eléctrico incluye:
9 Voltaje y corrientes armónicas: con el voltaje limitado a 5% THD (Distorsión Armónica
Total) y la corriente limitada a 3% THD. La corriente armónica lleva el mayor potencial para
dañar el sistema del motor eléctrico.
9 Condiciones de voltaje alto y bajo: los motores eléctricos están diseñados para funcionar a
+/- 10% como máximo del voltaje inscripto en la placa.
9 Asimetría de voltaje: consiste en la diferencia entre las fases. La relación entre la asimetría de
voltaje y corriente varía de alguna vez a muchas veces; la asimetría de corriente se relaciona
con la asimetría de voltaje basadas en el diseño del motor (puede suceder hasta 20 veces).
9 Factor energía: Cuanto más bajo es el factor energía de la unidad, más energía deberá utilizar
el sistema para realizar su trabajo. Los signos de un factor energía pobre también incluyen la
disminución de las luces cuando se ponen en marcha equipos pesados.
9 Sistema sobrecargado: Se basa en las habilidades del transformador, el cableado y el motor.
En general, se detecta con medidas de corriente, así como con calor.
43
MANUAL DE ANÁLISIS DEL MCA
Las principales herramientas utilizadas para detectar problemas con la energía entrante son
los medidores de calidad de energía, el MCSA y los medidores de voltaje y corriente. Si
conoce la condición de la calidad de energía puede ayudar a identificar una gran cantidad de
problemas “fantasmas”.
Los transformadores son uno de los primeros componentes críticos del sistema del motor.
En general, los transformadores tienen menos problemas que los otros componentes en el
sistema. Sin embargo, cada transformador, usualmente, cuida a múltiples sistemas tanto en
los motores eléctricos como en otros sistemas.
Los problemas comunes de los transformadores incluyen (transformadores en aceite o
secos):
9
9
9
9
Fallas de conexión a tierra.
Devanados en cortocircuito.
Conexiones sueltas y
Vibración eléctrica/soltura mecánica
El equipamiento de prueba utilizado para monitorear el estado de los transformadores
(dentro de la selección de instrumentos del presente manual) incluye:
9
9
9
9
9
MCA para conexiones a tierra, sueltas/rotas y cortocircuitos
MCSA para la calidad de energía y las fallas en etapas tardías
Análisis infrarrojo para las conexiones sueltas
Instrumentos ultrasónicos para fallas severas y de soltura
Verificadores de aislamiento para fallas de conexión a tierra.
El MCC, los controles y las desconexiones
El control del motor o la desconexión establecen algunas de las cuestiones principales en los
sistemas del motor eléctrico. Las más comunes para los sistemas de voltaje bajo y mediano
son:
9
9
9
9
Las conexiones flojas
Los malos contactos, incluso los que estén picados, dañados, quemados o gastados
Las bobinas del arrancador en el conector en malas condiciones
Los capacitores de corrección del factor energía en malas condiciones que normalmente
resultan en una asimetría de corriente importante.
Los métodos de prueba para la evaluación de los controles incluyen instrumentos infrarrojos,
ultrasónicos, medidores de voltaje/amperaje, ohmiómetros e inspecciones visuales. El MCA,
el MCSA y el infrarrojo proporcionan los sistemas más exactos para la detección de fallas y el
establecimiento de tendencia.
Los cables: antes y después de los controles
Los problemas de cableado raramente se tienen en cuenta y, como resultado, provocan los
mayores dolores de cabeza. Los problemas comunes de cableado incluyen:
44
MANUAL DE ANÁLISIS DEL MCA
9 Avería termal debido a sobrecargas o antigüedad
9 Contaminación, que puede ser más seria en los cables que pasan por debajo del piso a
través de tubos.
9 Cortocircuitos en la fase como en la conexión a tierra. Pueden producirse por
arborescencia o daño físico.
9 Aberturas por daños físicos u otras causas.
9 Daño físico, que, a menudo, es un problema que se combina con otros problemas de
cables.
La prueba y el establecimiento de tendencia se llevan a cabo con el MCA, el infrarrojo, la
verificación de aislamiento y el MCSA.
Resumen en cuanto al abastecimiento del motor
En cuanto al abastecimiento del motor, los problemas pueden detallarse del siguiente modo:
9
9
9
9
9
Factor de energía pobre: 39%
Conexiones en malas condiciones: 36%
Conductores de menor tamaño que el indicado: 10%
Asimetría de voltaje: 7%
Condiciones de voltaje bajo o alto: 8%
El equipamiento más común que abarca estas áreas incluye el MCA, el infrarrojo y el MCSA.
Los motores eléctricos
Los motores eléctricos incluyen componentes mecánicos y eléctricos. En realidad, el motor
eléctrico es un conversor de energía eléctrica a torque mecánico.
Los principales problemas mecánicos:
9 Cojinetes: uso general, utilización incorrecta, carga o contaminación.
9 Eje o cajas de cojinete en malas condiciones o gastadas
9 Asimetría y resonancia mecánica general
El análisis de vibración es el método principal para la detección de problemas mecánicos en
motores eléctricos. El MCSA detectará los problemas mecánicos en etapas tardías así como
lo harán los infrarrojos y ultrasónicos.
Los principales problemas eléctricos:
9
9
9
9
9
Cortocircuitos en los devanados entre los conductores o bobinas
Contaminación en los devanados
Fallas de conexión a tierra
Fallas en el entrehierro, incluso rotores excéntricos
Fallas de rotor, incluso espacios fundidos y barras de rotor rotas.
El MCA detectará todas las fallas tempranas en desarrollo. El MCSA detectará fallas en etapa
tardía del reactor y fallas tempranas en el rotor. La vibración detectará fallas en etapa tardía;
la conexión a tierra sólo detectará fallas a tierra que componen menos del 1% de las fallas del
45
MANUAL DE ANÁLISIS DEL MCA
sistema del motor; la prueba por aumento repentino sólo detectará cortocircuitos superficiales
en los devanados y el resto de los verificadores sólo detectarán fallas en la etapa tardía.
El acoplamiento (directo y por correas)
El acoplamiento entre el motor y la carga genera posibles problemas debido al desgaste y la
aplicación.
9 Falta de alineación del mando directo o por correas
9 Desgaste de la correa o inserto
9 Las cuestiones de tensión de las correas son más comunes de lo que se piensa y, en
general, resulta en fallas de los cojinetes
9 Desgaste de poleas
El sistema más apropiado para la detección de fallas de acoplamiento es el análisis de vibración.
El MCSA y el análisis infrarrojo, normalmente, detectarán fallas severas o en etapa tardía.
La carga (ventiladores, bombas, compresores, cajas de velocidades, etc.)
La carga puede tener numerosos tipos de fallas según el tipo de carga. Las más comunes son
las partes desgastadas, los componentes y cojinetes rotos.
Los instrumentos de prueba capaces de detectar los problemas de carga incluyen el MCSA, la
vibración, el análisis infrarrojo y el ultrasónico.
Enfoques comunes a la tecnología múltiple
Existen varios enfoques comunes dentro de la industria, así como varios nuevos (Véase
Tabla 3). El mejor uso consiste en una combinación de pruebas con y sin corriente. Es
importante destacar que las pruebas con corriente resultan mejor, por lo general, bajo
condiciones de carga constante y cuando se utilizan siempre las mismas condiciones de
funcionamiento para el establecimiento de tendencia.
Uno de los enfoques más comunes ha sido la utilización de resistencia de aislamiento o
índice de polarización. Éstos sólo identificarán las fallas de conexión a tierra tanto en el
motor como en el cable, que representan menos del 1% del total de las fallas del sistema del
motor (~5% de las fallas del motor).
Los infrarrojos y la vibración se utilizan normalmente en combinación, con gran éxito. Sin
embargo, no detectan unos pocos problemas comunes o sólo los detectarán en las etapas
tardías de la falla.
La prueba por aumento repentino y las pruebas de alto potencial sólo detectarán algunas
fallas en los devanados y en la conexión a tierra, con la capacidad de parar el motor en caso
de que existiese alguna contaminación o debilidad en el aislamiento.
El MCA y el MCSA se complementan y detectan virtualmente todos los problemas en el
sistema del motor. Esta exactitud requiere que los sistemas MCA utilicen resistencia,
impedancia, ángulo de desfasamiento, I/F, conexión a tierra y los sistemas MCSA que
requieren demodulación de voltaje y corriente.
46
MANUAL DE ANÁLISIS DEL MCA
El enfoque más reciente, y el más efectivo, ha sido la vibración, el infrarrojo y el MCA o
MCSA. La fortaleza de este enfoque se basa en que existe una combinación de disciplinas
eléctricas y mecánicas involucradas en la evaluación, detección y resolución de problemas.
Tal como se muestra en el Diagnóstico del motor y el Estudio del estado del motor, el 38%
de la prueba del sistema del motor que abarca sólo la vibración o el infrarrojo denota una
recuperación importante en la inversión. Esta cifra subió al 100% en los sistemas que utilizan
la combinación de MCA/MCSA junto con la vibración o el infrarrojo.
En un caso, la aplicación combinada de infrarrojo y vibración mostró una recuperación de la
inversión de $30 mil. Cuando la empresa incorporó MCA a su caja de herramientas, la
recuperación aumentó a $307.000, diez veces el original, debido a la utilización de la
combinación de instrumentos.
Oportunidades de aplicación
Existen tres oportunidades comunes para la prueba del sistema del motor eléctrico. Éstas
incluyen:
9 La puesta a punto de los componentes o del sistema completo si se instaló o reparó
recientemente. Esto puede generar una recuperación de inversión inmediata debido a las
tecnologías involucradas y ayudará a evitar desastres de mortalidad infantil.
9 La detección y reparación de los problemas del sistema a través de la aplicación de
tecnologías múltiples lo ayudará a identificar los problemas más rápido y con mayor
seguridad.
9 El establecimiento de tendencia según los resultados de prueba para la confiabilidad del
sistema, nuevamente utilizando la aplicación correcta de las tecnologías múltiples. Si se
utilizan verificadores como MCA, vibración e infrarrojo, las fallas potenciales pueden
establecer una tendencia a largo plazo, y así detectar las fallas con meses de anticipación.
Conclusión
El presente manual otorgó una resumida visión general de cómo trabajan juntas las
tecnologías múltiples para proporcionar una buena visión del sistema del motor eléctrico.
Por medio de la comprensión y la aplicación de este enfoque, obtendrá fantásticos beneficios
en su programa de mantenimiento.
Sobre el autor
El Dr. Howard E. Penrose recibió su Doctorado en Ingeniería General basado en las
mejoras del proceso del sistema industrial, el análisis de aguas residuales y de energía y la
confiabilidad en el equipo. Tiene 15 años de experiencia en la industria del motor eléctrico y
del servicio ya que ha liderado las iniciativas del mantenimiento predictivo (PdM) y la
iniciativa Análisis de Causa Raíz en una amplia variedad de sitios comerciales e industriales.
ALL-TEST Pro, LLC es un fabricante de equipos para el diagnóstico del motor. Para
obtener más información consulte el sitio: www.alltestpro.com.
47
MANUAL DE ANÁLISIS DEL MCA
Tabla 1: Comparación de tecnología del diagnóstico del sistema del motor
PQ Control Con. Cable Estator Rotor Entre Cojinetes Aisl. Vib. Alin. Carga VFD
hierro
Prueba desconectado
X
-
Prueba de
potencial
elevado
Prueba de
aumento
repentino
Verificador de aislamiento
Ohmiómetro -
-
-
-
X
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
X
-
-
-
-
-
L
-
L
-
-
-
-
-
-
-
-
Prueba IP
-
-
-
-
-
-
-
-
X
-
-
-
-
Prueba MCA
-
X
X
X
X
X
X
-
X
-
-
-
-
X
-
X
X
X
-
Análisis de
vibración
Infrarrojo
-
-
-
-
Prueba conectado
L
L
L
X
X
X
L
L
-
-
L
-
-
L
L
-
Ultrasónicos
-
L
-
-
L
-
-
X
-
-
-
L
-
Volt./Amp.
L
L
L
-
L
L
-
-
-
-
-
-
-
MCSA
X
X
L
-
L
X
X
L
-
X
X
X
L
Tabla 2: Consideraciones de la gerencia
Método de
prueba
Precio estimado No destructivo
Potencial
elevado
Prueba de
aumento
repentino
Verificador de
aislamiento
Ohmiómetro
$10.000 +
$25.000 +
Requiere
experiencia
Personal
exclusivo
Prueba desconectado
Potencialmente
Alta
Recomendado
destructivo
Recomendado
Potencialmente
Alta
destructivo
Software
incluido
Otras
aplicaciones
No
No
Algo
No
Algo
No
No
Sí
$500 +
No destructivo
(ND)
(ND)
Algo
No
No
Sí
Verificador IP
$2.500 +
(ND)
Mediana
No
Algo
No
MCA
$1.000/ $9.000 +
(ND)
Algo
No
Sí
Sí
Vibración
$10.000 +
(ND)
Sí
Sí
Infrarrojo
$10.000 +
(ND)
Alta
Recomendado
Sí
Sí
Ultrasónicos
$10.000 +
(ND)
Alta
Recomendado
Algo
Sí
Volt./Amp.
$500 +
(ND)
Algo
No
No
Sí
MCSA
$16.000 +
(ND)
Alta
Recomendado
Sí
Sí
$1.000 +
Prueba conectado
Alta
Recomendado
48
MANUAL DE ANÁLISIS DEL MCA
Tabla 3: Enfoques comunes
PQ Control Con. Cable Estator Rotor Entre Cojinetes Aisl.
hierro
Resistencia L
X
de
aislamiento
e IP
Infrarrojo y L
X
X
L
L
L
L
X
vibración
Aum. rep. y pot. elev.
MCA y
X
MCSA
MCA e
L
infrarrojo/Vi
bración
Vib. Alin. Carga VFD
-
-
-
-
X
X
X
-
-
-
-
X
-
-
-
X
-
-
-
-
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
L
Tabla 4: Consideraciones adicionales
Método de prueba
Dónde puede probarse
Prueba de potencial
En el motor: requiere desconexión
Prueba de aumento repentino
En el motor: requiere desconexión
Verificador de aislamiento
Desde MCC
Ohmiómetro
En el motor: requiere desconexión
Prueba IP
En el motor: se recomienda desconexión
Prueba MCA
Desde MCC
Análisis de vibración
En cada ubicación probada
Infrarrojo
En cada ubicación probada
Ultrasónicos
En cada ubicación probada
Volt./Amp.
Desde MCC
MCSA
Desde MCC
49
MANUAL DE ANÁLISIS DEL MCA
APÉNDICE 4: Prueba del transformador monofásico y
trifásico mediante la utilización de técnicas de
análisis del circuito del motor estático
D R .
H O W A R D
W .
P E N R O S E
Old Saybrook, CT
Introducción
Las pruebas de campo o de taller de los transformadores de transmisión y distribución (T y D)
montados en un solo poste o en almohadilla de montaje pueden ser costosas y llevar mucho
tiempo. Con el comienzo de la desregulación de la generación de empresas de servicios públicos
en el país, T y D se convierte en un gran tema debido a las cambiantes demandas de energía y
calidad de ésta. Un método sencillo de prueba para verificar de manera precisa y rápida la
condición del equipo T y D se convierte en una necesidad, ya que si un transformador falla, tanto
el usuario final como las instalaciones generadoras se quejarán. Por medio de la utilización de la
tecnología existente, originariamente diseñada para probar los devanados del motor, se puede
realizar una evaluación inicial del transformador.
Por razones conceptuales, considere que el motor eléctrico de inducción de CA es un
transformador con un rotativo secundario. De este modo, una de las habilidades que el Análisis
del Circuito del Motor (MCA) estático proporciona es que el motor eléctrico pueda convertirse a
un transformador. Estas incluyen la detección de cortocircuitos en devanados, conexiones de
resistencia alta, devanados abiertos y detección de falla de conexión a tierra, así como un balance
preliminar de la impedancia del circuito interno. Para la mayoría de las aplicaciones del MCA, no
se requiere información específica del transformador ya que el equipo de prueba se utiliza como
comparador de devanados.
Para el objetivo del presente manual, se ha aplicado a los transformadores un dispositivo
MCA que otorga lecturas de resistencia, impedancia, inductancia, ángulo de desfasamiento y
una prueba especial denominada respuesta corriente/frecuencia (I/F). Debido a que el
método de prueba es el de desconectado, el dispositivo MCA genera su propia potencia de
voltaje y frecuencia. Asimismo, se seleccionó el analizador del circuito del motor ALL-TEST
IV PRO 2000TM Esta unidad pesa menos de 2 lbs., es de diseño portátil y tiene un registro de
seguimiento comprobado con motores y generadores CA/CC desde fraccionales hasta más
de 10 MW.
El primer conjunto de transformadores probados incluye transformadores de transmisión y
distribución montados en un poste y con almohadillas de montaje desde unos pocos Kva. a
más de 2500 Kva. con valores primarios de 480 voltios a 28,8 kV. A partir del seguimiento
de pruebas y análisis, los procedimientos se desarrollaron para contar con pruebas generales
de cualquier tipo de transformador en poste y almohadilla de montaje con una resistencia
simple mayor a 0,001 ohmios. Los resultados incluyeron la habilidad de probar la intensidad
primaria y secundaria de cualquier tipo de transformador entre 5 y 10 minutos con un éxito
mayor al 99%, ya sea en los transformadores de tipo húmedo o seco.
50
MANUAL DE ANÁLISIS DEL MCA
Conceptos básicos del transformador
Para entender los conceptos básicos de un transformador, se comenzará con un “transformador
ideal” o un transformador teórico sin pérdidas. El propósito del transformador es convertir un
nivel de voltaje y corriente en otro nivel de voltaje y corriente para propósitos de distribución y
aplicación. Esto se logra mediante un devanado primario localizado cerca del devanado
secundario, al permitir que la inducción mutua ocurra entre ambos devanados.
Cuando se aplica una onda sinusoidal al devanado primario se establece un campo magnético que
se expande y contrae según la frecuencia aplicada. Este campo interactúa con el devanado
secundario al producir un voltaje dentro del secundario que es directamente proporcional a la
relación de transformación, mientras la corriente es inversamente proporcional a la relación de
transformación.
Ecuación 1: Relación de transformación de voltaje
N1 / N2 = a
Donde N1 es la cantidad de espiras en la primaria y N2 la cantidad de espiras en la secundaria
Ecuación 2: Relación de vueltas de la corriente
N2 / N1 = 1/a
Por ejemplo, un transformador ideal con 100 espiras en el primario y 50 espiras en el secundario,
con 480 V aplicados al primario y una carga de 100 amp sobre el secundario tendría: una relación
de transformación de voltaje de 2; una relación de vueltas de corriente de ½; una carga reflejada
en el primario de 480 V1, 50 A1 y un carga en el secundario de 240 V2, 100 A2.
Ecuación 3: Impedancia de la carga
ZL = V2 / I2
Ecuación 4: Impedancia primaria equivalente
Z1L = a2ZL
Las ecuaciones 3 y 4 pueden utilizarse para referir la impedancia desde el secundario al primario.
También puede utilizarse de modo inverso. La impedancia interna puede adaptarse a la
impedancia de la carga como se muestra en la ecuación 5.
Ecuación 5: Impedancia interna
ZS = a2ZL = Z1L
En un “transformador real” existen ciertas pérdidas, incluso las pérdidas en el núcleo (histéresis y
corrientes parásitas o de Foucalt), las corrientes magnetizadas y las fugas. Además, el voltaje
51
MANUAL DE ANÁLISIS DEL MCA
suplementario y las corrientes de carga pueden tener cargas armónicas y otras cuestiones que
afectarían la efectividad del transformador. El propósito del MCA estático es reducir o eliminar
todas esas cuestiones para aislar la prueba del transformador.
Tipos de transformador y conexiones
Tanto los transformadores monofásicos como los trifásicos poseen una variedad de tipos de
conexión para los distintos tipos de carga. En un circuito trifásico, las conexiones son: EstrellaDelta; Delta-Estrella; Delta-Delta; y Estrella-Estrella Los transformadores monofásicos,
montados en un solo poste, generalmente tienen un devanado primario simple con dos
devanados o un secundario con interruptor en el centro.
Las conexiones de los transformadores trifásicos se desarrollan para distintas aplicaciones:
1. Delta-Delta: aplicaciones de iluminación y energía; en general, utilizada cuando las cargas
de energía son mayores a las cargas de iluminación.
2. Delta abierta: aplicaciones de iluminación y energía, utilizada cuando las cargas de
iluminación son mayores a las cargas de energía.
3. Estrella-Delta: aplicaciones de energía, utilizada cuando la energía creciente sube en
voltaje (por ejemplo: 2400 a 4160 V).
4. Estrella-Delta: aplicaciones de iluminación y energía.
5. Estrella abierta-Delta: permitirá una capacidad de 57% si se desactiva una fase.
6. Delta-Estrella: en general, provee 4 hilos al secundario que cuenta con cargas monofásicas
equilibradas entre el neutral y cada fase.
Figura 1: Transformador Delta-Delta
I
H1
V
aI
X1
V/a
I/F.
H2
X2
H3
X3
52
MANUAL DE ANÁLISIS DEL MCA
Las conexiones de transformadores trifásicos se denominan H1, H2 y H3 en el primario y X1, X2
y X3, con X0 como neutral, en el secundario.
Figura 2: Transformador Delta-Estrella
I
H1
I/F.
X1
X2
V
X0
V/a
√3V/a
H2
X3
H3
Figura 3: Transformador Estrella-Delta
√3aI
I
H1
X1
H2
V/√3a
H0
V
V/√3
X2
H3
X3
Figura 4: Transformador Estrella-Estrella
I
H1
aI
X1
H2
X2
H0
V
X0
V/√3a
V/√3
V/a
X3
H3
53
MANUAL DE ANÁLISIS DEL MCA
Figura 5: Conexión de transformador Delta-Estrella
H1
X0
H2
X1
X2
H3
X3
Figura 6: Conexión de transformador Delta-Delta
H1
X1
H2
X0
X2
H3
X3
Los transformadores monofásicos montados en un solo poste se encuentran, a menudo,
conectados y denominados H1 y H2 en el primario y X1, X2 (interruptor central) y X3.
Figura 7: Conexión de transformador monofásico
54
MANUAL DE ANÁLISIS DEL MCA
Conceptos básicos del análisis del circuito del motor
El análisis del circuito del motor consiste en señalar y resolver fallas dentro de un circuito
inductivo o capacitivo mediante la utilización de lecturas de resistencia, impedancia, inductancia,
ángulo de desfasamiento, resistencia de aislamiento e I/F. El instrumento estático MCA ALLTEST™ saca un voltaje bajo, señal de 100 a 800 Hz, como una verdadera onda sinusoidal que
luego evalúa la respuesta mediante una serie de puentes. Estas lecturas relatan lo siguiente:
1. Resistencia (Ohmios): la resistencia simple de CC del circuito.
2. Inductancia (Henrios: unidad de medida de la inductancia): la fuerza magnética de una
bobina.
3. Capacitancia (Faradios): medida de fuga.
4. Reactancia inductiva (XL): la resistencia de CA de una bobina. XL = 2πfL
5. Reactancia capacitiva (XL): XC = 1/(2πfC)
6. Ángulo de desfasamiento (Fi, grados): el ángulo de la demora de la corriente hacia el
voltaje.
7. Impedancia (Z): la resistencia compleja de un circuito CA. Z = R 2 + ( X L − X C ) 2
8. Respuesta de Corriente/Frecuencia (I/F): cambio de porcentaje en la corriente cuando se
redobla la frecuencia con el instrumento, como I = V / Z.
9. Resistencia de aislamiento (Megaohmios): medida de fuga a tierra, fuerza de aislamiento a
tierra-pared.
Cuando se utilizan estas lecturas en conjunto, pueden ayudar a la persona que realiza el análisis a
determinar, en primer lugar, si existe una falla y, luego, el tipo de falla. Si se utiliza ATIV, estas
lecturas pueden tomarse en menos de 5 minutos por transformador. La clave para la prueba MCA
es comparar las lecturas entre devanados o transformadores similares y observar las variaciones y
patrones entre las fases.
Figura 8: Instrumento para el análisis del circuito del motor
55
MANUAL DE ANÁLISIS DEL MCA
Prueba de campo del transformador
El conjunto inicial de pruebas se realizó con el mismo tipo de procedimiento que se utilizaría para
un motor eléctrico, primero para los devanados primarios y luego para los secundarios. La Tabla 1
representa un ejemplo de uno de 30 transformadores que se probaron por un período de 90
minutos.
Tabla 1: Información inicial de prueba del transformador: transformador de 2500 kVA
Primario
Secundario
H1-H2
H1-H3
H2-H3
X1-X2
X1-X3
X2-X3
Resistencia
258,5
48,45
153,3
0,198
0,125
0,132
Impedancia
15633
11028
11035
566
411
420
Inductancia
24878
17552
17562
902
655
669
-50
-23
-18
-44
-46
-44
9
90
90
90
85
90
I/F
Ángulo de
desfasamiento
Megaohmnio
>99
>99
Una cuestión que se notó inmediatamente fueron las lecturas inusuales y desequilibradas en
extremo. Todas las pruebas mostraron resultados similares y, también, se notó que la resistencia
varió de prueba a prueba, que la impedancia y la inductancia cambiaron de prueba a prueba.
Según la evaluación de estos fenómenos, se desarrollaron dos teorías:
1. El voltaje sinusoidal de salida de ALL-TEST se indujo al grupo opuesto de devanados lo
que provocó impedancias e inductancias reflejadas que aumentarían durante cada prueba
a causa de una carga estática resultante.
2. La Interferencia electromagnética (IEM) de los equipos en funcionamiento, los
transformadores, iluminación, etc. que se encontraban alrededor provocarían desvíos de
corrientes ya que los devanados y el núcleo del transformador actuarían como una
excelente antena IEM. Esta hipótesis explicaría las variaciones de las resistencias entre
pruebas.
Para resolver ambas cuestiones, las conexiones del lado opuesto al lado que se probará deberían
conectarse a tierra correctamente. El resultado se predijo para maniobrar todas las corrientes
inducidas directamente a la tierra, lo que dio lugar a la habilidad para probar por completo sólo el
devanado que se desea. Lo mismo debería funcionar para tolerancias de prueba más ajustadas.
Los resultados se encuentran en la Tabla 2 y el mejor tiempo se mantuvo por debajo de los 5
minutos por transformador.
56
MANUAL DE ANÁLISIS DEL MCA
Tabla 2: Información final de prueba del transformador: transformador de 2500 kVA
Primario
Secundario
H1-H2
H1-H3
H2-H3
X1-X2
X1-X3
X2-X3
Resistencia
3,703
3,623
3,648
0,103
0,100
0,096
Impedancia
220
217
218
15
14
14
Inductancia
87
86
86
2
2
2
I/F
-49
-49
-49
-48
-48
-49
Ángulo de
desfasamiento
88
88
88
75
75
75
Megaohmnio
>99
>99
Estos resultados se repitieron en todos los casos. Los transformadores con resultados negativos
en sus pruebas tendían a presentar variaciones drásticas en sus lecturas.
Tabla 3: Transformador en cortocircuito
Primario
Secundario
H1-H2
H1-H3
H2-H3
X1-X2
X1-X3
X2-X3
Resistencia
116,1
98,2
48,5
0
0,005
0,005
Impedancia
4972
1427
2237
0
1
1
Inductancia
7911
2267
2237
0
0
0
I/F
-33
-29
-29
0
-20
-20
Ángulo de
desfasamiento
23
21
20
0
5
5
Megaohmnio
9.132
0
Se descubrió que el transformador de 500 kVA tenía un cortocircuito en el primario con daño
entre los devanados primario y secundario.
57
MANUAL DE ANÁLISIS DEL MCA
Procedimiento de prueba del transformador
Figura 9: Prueba del transformador
Los resultados del estudio produjeron procedimientos de prueba simples tanto para los
transformadores trifásicos montados sobre almohadillas de montaje como para los monofásicos
montados en un sólo poste. La clave para probar cualquier tipo de transformador es conectar a
tierra todos los cables de todas las conexiones del devanado opuesto al que se desea probar.
Un buen transformador debería tener asimetrías menores a:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Resistencia: no más del 5% de asimetría sobre 0,250 y 7,5% por debajo de 0,250 ohmios.
Impedancia: asimetría < 2%
Inductancia: asimetría < 5%
Ángulo de desfasamiento: no más de 1 grado entre las fases
I/F: no más de 2 dígitos de diferencia y las lecturas deberían variar entre –-15 y -50.
Un “cambio” en las lecturas debería alertar para la realización de más pruebas o el
establecimiento de tendencia. Por ejemplo, un devanado que en la prueba muestra I/F: 48; -48; -46 y Ángulo de desfasamiento: 70o; 70o; 69o, debería controlarse luego.
En general, un devanado comienza a experimentar cortocircuitos internos cuando el Ángulo de
desfasamiento y el I/F comienzan a cambiar. Una asimetría correspondiente en la inductancia y la
impedancia indican una falla severa. Un cambio en el ángulo de desfasamiento junto con un I/F
apenas equilibrado indican un cortocircuito en la fase.
58
MANUAL DE ANÁLISIS DEL MCA
Los pasos básicos para probar un transformador trifásico son los siguientes:
1. Todos los cables del lado opuesto al lado que se desea probar deben estar conectados a
tierra.
2. Pruebe el primario desde H1 a H2, luego “pruebe nuevamente” para verificar que las
lecturas se repitan. Si no se repiten, controle la conexión a tierra y continúe.
3. Pruebe de H1 a H3, luego H2 a H3 y, por último, pruebe la conexión a tierra.
4. Grabe las lecturas y controle la condición.
5. Pruebe el devanado secundario, primero X1 a X2 y, luego, “pruebe nuevamente” para
verificar que las lecturas se repitan. Si no se repiten, controle la conexión a tierra y continúe.
6. Pruebe de X1 a X3, luego X2 a X3 y, por último, pruebe la conexión a tierra.
7. Grabe las lecturas y controle la condición.
Los transformadores monofásicos se prueban de un modo ligeramente diferente y requieren una
lectura previa del primario para poder compararla con, por ejemplo, un transformador similar o una
prueba anterior del mismo transformador. Los pasos básicos para probar un transformador
monofásico son los siguientes:
1. Todos los cables del lado opuesto al lado que se desea probar deben estar conectados a
tierra.
2. Pruebe el primario desde H1 a H2, luego “pruebe nuevamente” para verificar que las
lecturas se repitan. Si no se repiten, controle la conexión a tierra y “pruebe nuevamente”.
3. Conecte a tierra el primario y luego pruebe X1 a X2 y, después, “pruebe nuevamente” para
verificar que las lecturas se repitan. Si no se repiten, controle la conexión a tierra y “pruebe
nuevamente”.
4. Pruebe de X2 a X3 y luego grabe las lecturas. Compare la segunda y la tercera lecturas entre
sí y la primera con una estándar.
Estos procedimientos pueden utilizarse en transformadores trifásicos montados sobre almohadillas
de montaje o en monofásicos montados en un solo poste sin importar el tipo de conexión.
Conclusión:
Las técnicas del Análisis del circuito del motor estático proporcionan un método excelente para el
análisis de los devanados primario y secundario ya sea de transformadores trifásicos montados sobre
almohadillas de montaje o monofásicos montados en un sólo poste. El simple procedimiento de
conectar a tierra el lado opuesto al lado que se desea probar proporciona resultados de prueba
correctos. Las medidas de resistencia, impedancia, inductancia, ángulo de desfasamiento, respuesta
de corriente y resistencia de aislamiento pueden compararse a fin de localizar problemas y patrones
de medida para señalar y resolver fallas.
El equipamiento requerido para los transformadores de prueba MCA debe tener las siguientes
capacidades:
1. Resistencia, impedancia, inductancia, ángulo de desfasamiento, I/F y resistencia de
aislamiento en las unidades de ingeniería.
2. Variedad de frecuencias de potencia del voltaje de la onda sinusoidal.
3. Memoria interna con software para cargar y descargar las lecturas.
4. Rentabilidad y precisión.
Los procedimientos descriptos requieren alrededor de cinco minutos por transformador con una
exactitud en el resultado de la prueba mayor al 99%.
59
MANUAL DE ANÁLISIS DEL MCA
Bibliografía
Sarma, Mulukutla S., Electric Machines: Steady-State Theory and DynamicPerformance,
PWS Publishing Company, 1994.
Nasar, Syed A., Theory and Problems of Electric Machines and Electromechanics,
Schaum’s Outline Series, 1981.
Edminster, Joseph, et.al., Electric Circuits Third Edition, Schaums Electronic Tutor,
1997.
Hammond, et.al., Engineering Electromagnetism, Physical Processes and Computation,
Oxford Science Publications, 1994.
Departamento de Energía de EE.UU. y otros, Keeping the Spark in Your Electrical
System, US DOE, octubre, 1995.
Penrose, Howard W. Ph.D, “Static Motor Circuit Analysis: An Introduction to Theory and
Application” IEEE Electrical Insulation Magazine, julio/agosto 2000, p. 6.
60
MANUAL DE ANÁLISIS DEL MCA
APÉNDICE 5: Prueba de la máquina sincrónica con
instrumentos All-Test
PRUEBA DE MÁQUINA SINCRÓNICA CON INSTRUMENTOS ALL-TEST
Dr. Howard W. Penrose
Old Saybrook, CT 06475
Introducción
Para comprender mejor la aplicación de la prueba y el análisis del circuito del motor en los
motores sincrónicos (máquinas sincrónicas), es importante tener una breve visión general del
funcionamiento del motor sincrónico, de las fallas más comunes, los métodos de prueba
comunes, cómo funciona el ALL-TEST IV PRO™ 2000 con grandes motores sincrónicos,
pasos básicos para el análisis de reactores y rotores sincrónicos y resultados de prueba
esperados. En el presente manual, se discutirán los aspectos mencionados anteriormente y se
hará referencia a otros materiales para mayor detalle.
Máquinas sincrónicas
Los grandes motores sincrónicos tienen dos funciones básicas:
¾ La primera es mejorar el factor energía eléctrica en la planta. En cualquier planta con
grandes cargas inductivas; como motores y transformadores, la corriente comienza a
demorar detrás del voltaje (factor de energía pobre). Cuando este problema se vuelve lo
suficientemente severo, la planta requiere cantidades aún más importantes de corriente
para realizar la misma cantidad de trabajo. Esto puede provocar que el voltaje decaiga y
que se recalienten los componentes eléctricos. El motor sincrónico puede utilizarse de
tal modo que cause poco impacto, o ninguno, sobre el factor energía o puede utilizarse
para que la corriente conduzca el voltaje para corregir problemas en el factor energía.
¾ El segundo método de funcionamiento es la absorción de las cargas pulsátiles, como los
compresores recíprocos. Una vez que el motor sincrónico logró la velocidad sincrónica,
tiene bobinas que “cierran” al compás de los campos magnéticos rotativos del motor
eléctrico desde el estator. Si tiene lugar un impulso del torque (por ejemplo, en la parte
superior del recorrido de un compresor recíproco), el motor puede salirse del
sincronismo con los campos rotativos. Cuando esto ocurre, un devanador especial en el
rotor llamado devanado amortiguador (véase más adelante construcción sincrónica)
absorbe la energía del impulso del torque y mantiene el rotor en sincronismo.
La construcción básica de un motor sincrónico es clara. Existen tres conjuntos de devanados,
un estator, un rotor, cojinetes y un generador (sin escobillas) o un “excitador estático” (del tipo
de los de escobilla). Los devanados consisten en: un devanado trifásico estándar, muy similar al
motor eléctrico de inducción estándar; un conjunto de bobinas de campo, que son bobinas de
CC hechas con cables redondos para máquinas pequeñas y cables planos o corrugados para
máquinas más grandes; y un devanado amortiguador, que es similar a un rotor de motor de
inducción de jaula.
61
MANUAL DE ANÁLISIS DEL MCA
Los métodos de puesta en marcha de los motores sincrónicos con y sin escobillas son similares.
El circuito de inicio será diferente para ambos. A continuación, se realiza una descripción del
modo básico de funcionamiento, seguida de una breve descripción de las diferencias.
Durante la fase de puesta en marcha de un motor sincrónico, éste se comporta de manera muy
similar al motor de inducción estándar. El estator recibe la corriente eléctrica y se desarrolla un
campo magnético (la velocidad = (120 * frecuencia aplicada) / Nro. de polos). Este campo
genera una corriente en el devanado amortiguador, que se utiliza para desarrollar el torque
inicial mediante la generación de su propio campo magnético que interactúa con el campo
magnético del estator en el entrehierro y provoca que el rotor siga los campos magnéticos del
estator. A medida que el rotor comienza a alcanzar los campos del estator, la corriente CC se
inyecta en las bobinas de campo del rotor lo que crea, de este modo, pares magnéticos norte y
sur (las bobinas del rotor siempre se encuentran en pares). Éstos se cierran al compás de los
campos magnéticos del estator y siguen a la misma velocidad que los campos del estator,
mientras que el motor de inducción estándar siempre se mantiene detrás.
En una máquina con escobillas, la fuente de CC para los campos del rotor, en general, proviene
de un arrancador (electrónico) “estático”, que convierte la energía de CA suministrada en
energía de CC. En la mayoría de los casos, la potencia de CC varía a través del ciclo de inicio.
El mando también puede establecerse para provocar un cortocircuito en las bobinas de campo
de la máquina para evitar la saturación del rotor y las consecuentes corrientes extremadamente
altas en el estator. Una vez que el rotor comienza a girar, se aplica la CC para ayudar al motor a
desarrollar el torque. El voltaje de CC se suministra a través de un par de anillos deslizantes o
escobillas.
En una máquina sin escobillas, el generador CC se instala directamente en el eje del motor
sincrónico. A medida que el motor sincrónico se pone en marcha, el generador proporciona
muy poca CC a través de su conmutador. A medida que aumenta la velocidad, el voltaje de CC
también lo hace y, de este modo, ayuda a que el motor genere el torque y luego cierre al compás
de la velocidad sincrónica. En este tipo de máquinas, el generador es conectado directamente a
los campos del rotor.
También, existen máquinas que poseen generadores montados sobre el eje del rotor que
alimenta un control separado. Esto se utiliza, en primer lugar, para realizar un cortocircuito en
los devanados y, luego, controlar la cantidad de CC que alimenta el rotor, al igual que en las
máquinas con escobillas.
Las fallas más comunes del motor sincrónico
Los grandes motores sincrónicos tienden a tener una construcción fuerte y robusta. A menudo,
se encuentran sobrecargados de material para resistir las cargas severas que se le aplicarán. Las
fallas más comunes de las máquinas sincrónicas industriales, en orden, son:
¾ Los cojinetes debido al desgaste y la contaminación general
¾ Los campos del rotor debido a las altas temperaturas; en general, se queman al revés.
¾ Los devanados amortiguadores mayormente en las cargas recíprocas. A causa de la
cantidad de energía absorbida, a menudo las barras de devanado se rompen. En
particular, si los campos del rotor están empezando a fallar y a entrar en cortocircuito,
lo que facilita que el rotor salga de "sincronismo".
62
MANUAL DE ANÁLISIS DEL MCA
¾ Los devanados del estator: desgaste general y contaminación. Los devanados del estator en
las máquinas sincrónicas que tienden a ser "devanados en forma" y a estar muy aislados.
Casi todas las fallas del devanado que ocurren en el motor sincrónico comienzan entre los
conductores en el rotor y las bobinas del estator.
Los métodos de prueba comunes: sus virtudes y
defectos
A continuación se enumeran los métodos de prueba tradicionales para la evaluación de la
condición del motor sincrónico:
¾ Prueba de resistencia de aislamiento: si se aplican voltajes de CC, como lo especifica el
IEEE 43-2000, se genera, entre los devanados del estator y la conexión a tierra, una
tensión potencial. Estas medidas sólo dirigen las fallas entre los devanados del estator y el
armazón del estator. También se realiza a través de los anillos deslizantes de la máquina
con escobillas.
¾ Índice de polarización: es la proporción de 10 minutos a 1 de la resistencia de aislamiento.
Tradicionalmente, esto se ha utilizado como método para medir la condición del
aislamiento entre los devanados y el armazón del estator. Al igual que en las pruebas de
resistencia de aislamiento, también puede realizarse a través de los anillos deslizantes de la
máquina con escobillas. Como se estipula en el IEEE 43-2000, este método de prueba
sólo es verdaderamente válido en los sistemas de aislamiento anteriores a 1970.
¾ Prueba de alto potencial: la prueba más común en las grandes máquinas es la de alto
potencial de CC que se realiza al doble del valor del voltaje del motor indicado en la placa
más 1000 voltios por la raíz cuadrada de 3. En un sistema de aislamiento existente, este
valor se reduce al 75% del voltaje potencial. Esta prueba hace hincapié en el sistema de
aislamiento y es potencialmente dañina (por Normas IEE 388 y 389). NUNCA debería
aplicarse este tipo de prueba a los devanados del rotor de un motor sincrónico.
¾ Prueba de comparación por aumento repentino: evalúa la condición de espira a espira del
estator sólo mediante la comparación de las formas de onda de dos devanados cuando se
le aplica un pulso de tiempo de rápido aumento del doble del voltaje más 1000 V. Esta
prueba puede dañar los devanados del motor en caso de existir cuestiones corregibles,
como los devanados contaminados.
¾ Prueba de descarga parcial: es un método de prueba no destructivo que mide las
radiofrecuencias a partir de las descargas en los vacíos dentro del sistema de aislamiento
de los devanados del motor. Este tipo de pruebas resulta efectivo para el establecimiento
de tendencias en máquinas de más de 6,6 kV y sólo proporciona una pequeña advertencia
de 4 kV. No detecta fallas del rotor.
¾ Análisis del registro de corriente del motor: se diseñó para la prueba del rotor de los
motores de inducción.
¾ Prueba de caída de voltaje: requiere que se haya desmontado el motor. Se aplica un voltaje
de CA de 115 a los devanados del rotor y se mide la caída del voltaje mediante la
utilización de un voltímetro a través de cada bobina. En caso de existir un cortocircuito, la
caída de voltaje variará más del 3%.
La lista mencionada anteriormente no incluye el equipo para la realización de pruebas mecánicas
en motores sincrónicos.
63
MANUAL DE ANÁLISIS DEL MCA
Sobre el ALL-TEST™
ALL-TEST IV PRO™ 2000 es un instrumento electrónico simple que funciona de manera
muy similar a un multímetro, con la diferencia de que proporciona una serie de lecturas que
abarcan los parámetros de CA del circuito del motor. Es un verificador y recolector de datos
que envía una señal de bajo voltaje de CC para la prueba de resistencia simple, del mismo
modo que un miliómetro, y una señal de bajo voltaje y alta frecuencia de CA para las lecturas
de CA. Luego, dicho instrumento utiliza una serie de puentes eléctricos simétricos para
proporcionar los resultados de las pruebas en las unidades de ingeniería de resistencia,
impedancia, inductancia, ángulo de desfasamiento, respuesta corriente/frecuencia y la prueba
de resistencia de conexión a tierra.
Las principales diferencias entre la prueba electrónica en los equipos de energía y los
métodos de energía tradicionales son:
¾ Una visión más completa del circuito del motor, incluso las influencias por los
cambios en la condición de aislamiento de la bobina del campo del rotor.
¾ La utilización de un solo instrumento para la evaluación de varios equipos de gran
tamaño. La prueba sólo se limita al simple alcance de la resistencia del instrumento
(0,001 ohmios a 999 ohmios).
¾ Se aplica voltaje no destructivo y no perjudicial.
¾ Interpretación de datos más sencilla: unas pocas reglas simples para la interpretación
de los datos (consulte Interpretación de datos).
¾ Diseño portátil, a diferencia del equipo que puede pesar entre 40 lbs. y más de 100
lbs.
¾ La fuente de energía interna del instrumento.
Realmente, el ALL-TEST IV PRO™ busca cambios en la composición electroquímica de los
materiales en el sistema de aislamiento, así como averías directas en el aislamiento, como las
roturas y los daños. A medida que el sistema de aislamiento envejece o se contamina y
comienza a afectar la integridad de éste, el circuito eléctrico del motor cambia. Debido a que
el rotor es una parte integral del circuito, los cambios en la integridad eléctrica del circuito
del rotor y del sistema de aislamiento se ven directamente reflejados en los devanados del
estator. Así se permite tanto la detección y resolución de problemas en el motor de manera
inmediata como el establecimiento de tendencia a largo plazo.
Una única información de prueba permite a ALL-TEST™ tener una visión suficiente de los
parámetros del sistema de aislamiento para detectar y aislar:
¾
¾
¾
¾
¾
¾
Devanados del estator en cortocircuito.
Campos del rotor en cortocircuito.
Barras del devanado amortiguador rotas.
Excentricidad del entrehierro.
Contaminación de los devanados (rotor y estator).
Fallas en la conexión a tierra.
Para obtener más información sobre cómo se realizan las pruebas mencionadas
anteriormente y cómo se detectan las diferentes fallas, consulte las “Pautas para el análisis del
circuito del devanado electrónico estático de las maquinarias y transformadores rotativos”.
64
MANUAL DE ANÁLISIS DEL MCA
Pasos básicos para el análisis de máquinas
sincrónicas con ALL-TEST™
Los pasos para probar las máquinas sincrónicas son similares a los utilizados para la evaluación
de la condición de los motores de inducción estándar. Sin embargo, debido a que el rotor motor
posee bobinas de campo, se agregan unos pocos pasos al momento de detectar y resolver una
falla.
Cuando desee probar una máquina sincrónica desde el centro de control del motor o el
arrancador, debe tener en cuenta lo siguiente:
¾ El equipo no debe tener corriente. Asegúrese de que las fuentes de energía secundarias
también estén sin corriente.
¾ Realice las pruebas estándar de ALL-TEST IV PRO™ 2000 en el estator de acuerdo
con las indicaciones que figuran en el menú del instrumento.
¾ Evalúe los resultados de las pruebas (consulte Resultados de prueba esperados).
¾ Si se indica una falla, comience con la detección y resolución del problema.
o Ajuste la posición del rotor tanto como pueda, hasta 45 grados (cualquier
movimiento del rotor, en caso de que éste sea muy difícil de girar, será
suficiente si no es menor a 5 grados).
o Realice nuevamente las pruebas y revise las lecturas. Si la falla se desplazó o
cambió por más de un dígito, significa que probablemente está en el rotor.
o Si la falla permanece igual (no cambia con la posición del rotor), desconecte los
cables situados en la caja terminal del motor y realice la prueba una vez más. En
el caso en que todavía se indique una falla, es muy probable que se encuentre en
el estator; de lo contrario, es muy probable que se esté en el cable.
El tiempo promedio de prueba, aparte de la detección y la resolución del problema, es de
aproximadamente 3-5 minutos.
Cuando se pruebe una máquina sincrónica desmontada, es importante recordar que las lecturas
serán muy diferentes sin el rotor en su lugar:
¾ Realice la prueba automática ALL-TEST IV PRO™ en el estator y evalúe los
resultados. Esto proporcionará una indicación inmediata de cualquier falla.
¾ Para la prueba del rotor:
o Realice la prueba automática y compárela con una lectura anterior; o
o Realice la prueba automática y compárela con un rotor “idéntico”; o
o Realice la prueba automática a través de cada bobina de campo en vez de
realizar una prueba de caída de voltaje.
o Todos los parámetros para estos tres casos deberían establecer los límites de la
evaluación.
Debido al estilo de prueba, se pueden establecer tendencias para estos resultados y compararlos
entre máquinas iguales.
Otras aplicaciones para las pruebas del circuito del motor incluyen la evaluación, la aceptación y
el mantenimiento predictivo.
65
MANUAL DE ANÁLISIS DEL MCA
Resultados de prueba esperados
Tal como se mencionara en la última sección del presente manual, los resultados de las pruebas
son similares a aquellos encontrados en las máquinas de inducción trifásicas. Dentro del alcance
de la prueba de ALL-TEST™, los patrones de falla son muy simples y se aplican
independientemente del tamaño del equipo. A continuación, se describe una breve visión general
acerca de las medidas de prueba y sus resultados para las detecciones y resoluciones de problemas
básicos.
¾ Medidas simples de resistencia: son un indicador de las conexiones de resistencia alta,
conexiones sueltas o conductores rotos en el circuito. En especial, esta prueba es
importante si el problema de resistencia consiste en un punto ya que, basado en I2R, un
punto resistivo emitirá una gran cantidad de calor (en watts). Por ejemplo, una resistencia
de 0.5 ohmios a través de un punto en el circuito que presenta 100 amp emitirá un valor
de energía de (100 amps.2) (0.5 ohmios) = 5,000 watts (5kW). Este valor constituye casi la
misma energía que se utiliza para mover un motor eléctrico de 6 caballos de vapor.
¾ Medición de inductancia: es un indicador de la fuerza magnética de la bobina y de la
influencia de otras bobinas sobre una en particular. Se ve afectado por el número de
espiras en el circuito, las dimensiones de las bobinas y la inductancia de otras bobinas.
Esta medida en sí misma sólo es un buen indicador de la condición del devanado
amortiguador y de la excentricidad del rotor. La inductancia sólo reflejará un devanado en
cortocircuito, si éste fuese severo.
¾ Medición de impedancia: es la medición de la resistencia compleja en el circuito. Al igual
que la inductancia, puede utilizarse para controlar el devanado amortiguador y la
condición del rotor. Sin embargo, cuando se utiliza junto con la inductancia, puede servir
para detectar rápidamente devanados recalentados y contaminados. A partir de la
observación de la relación entre la inductancia, la impedancia y cada una de las fases, se
concluye: si la inductancia y la impedancia son relativamente paralelas, cualquier asimetría
en la inductancia y la impedancia se relaciona con el rotor y el estator (posición del rotor);
de no ser paralelas, indican que existe un problema de aislamiento, como una avería o
contaminación en el devanado.
¾ Ángulo de desfasamiento e I/F (Corriente/Frecuencia): ambos son indicadores de fallas
de aislamiento entre las espiras en el estator o el rotor.
¾ Resistencia de aislamiento: evalúa la conexión a tierra y sólo indicará resultados cuando
haya fallado el aislamiento.
Las recomendaciones para los límites de las pruebas, como se describe en la “Pautas para el
análisis del circuito de devanado estático de maquinaria y transformadores rotativos", son las
siguientes:
66
MANUAL DE ANÁLISIS DEL MCA
Tabla 1: Límites de prueba (valores máximos)
Medición
Límites
Resistencia
5%
Impedancia
~ 5%*
Inductancia
~15%*
Ángulo de desfasamiento
+/- 1
I/F
+/- 2
Resistencia de aislamiento
> 100 Megaohmios
*Puede exceder este valor si las medidas son paralelas.
A continuación, se realiza una visión general de las reglas para
detección y resolución de problemas:
¾ Devanados en cortocircuito:
o Los devanados en cortocircuito pueden evaluarse mediante la observación de las
lecturas del ángulo de desfasamiento e I/F en el instrumento sobre bobinas
similares o entre las fases:
o Ángulo de desfasamiento (Fi): el ángulo de desfasamiento debería estar dentro de
1 dígito de la lectura promedio. Por ejemplo, una lectura de 77/75/76 sería buena
porque la lectura promedio es 76. Una lectura de 74/77/77 sería mala.
o Respuesta de frecuencia de corriente (I/F): la respuesta de frecuencia de corriente
debería estar dentro de 2 dígitos de la lectura promedio. Por ejemplo, una lectura
de –44/-45/-46 sería buena. Una lectura de -40/-44/-44 sería mala. Sin embargo,
por ejemplo, una lectura de -42/-44/-44 se consideraría sospechosa.
¾ Contaminación del devanado y posición del rotor
o La posición del rotor dentro del motor eléctrico puede causar una asimetría de
fase natural. La contaminación del devanado causará también asimetrías de fase.
La diferencia entre las dos puede evaluarse rápidamente si se observa el patrón de
impedancia e inductancia.
o Posición del rotor: las asimetrías en la posición del rotor pueden evaluarse al
observar que los valores de inductancia e impedancia estén casi simétricos. Por
ejemplo, de existir inductancias de valores 17/18/19 e impedancias de valores
24/26/29, la asimetría se debe a la posición del rotor. También puede ocurrir
cuando las inductancias son 5/5/5 y las impedancias son 8/9/8.
67
MANUAL DE ANÁLISIS DEL MCA
o Contaminación de los Devanados: también, puede encontrarse como devanados
recalentados (quemados). Estas condiciones son el resultado de los cambios en el
asilamiento como consecuencia de averías en dicho sistema. Las fallas muestran
como un cambio en la impedancia y la relación entre la impedancia y la
inductancia resultan en lecturas sin paralelo. Por ejemplo, cuando hay
inductancias de 10/11/12 y la impedancia tiene valores de 16/14/13, no hay
paralelo entre ambas y la falla más probable se encuentra en los devanados, como
contaminación o aislamiento recalentado.
Conclusión
Por medio de un conjunto de reglas e instrucciones sencillas, ALL-TEST IV PRO™ 2000
proporciona una excelente herramienta para detectar y resolver problemas y para establecer
tendencias acerca de la condición de máquinas sincrónicas. La prueba se realiza mediante la
utilización de mediciones de prueba simples, no destructivas, que tienen en cuenta una visión más
completa del circuito del estator y del rotor del motor que ninguna otra prueba. La evaluación de
la prueba es simple y directa, sin importar el tamaño o el tipo de equipo.
Bibliografía
¾ Guideline for Electronic Static Winding Circuit Analysis of Rotating Machinery and
Transformers, BJM Corp, ALL-TEST Division, 2001.
¾ Penrose, Howard W. Motor Circuit Analysis: Theory, Application and Energy Analysis,
SUCCESS by DESIGN, 2001.
68
MANUAL DE ANÁLISIS DEL MCA
APÉNDICE 6: Prueba de servomotor. Evaluación de
servomotores con MCA.
Prueba de servomotor. Evaluación de servomotores con MCA.
Tanto en el caso de ALL-TEST IV PRO 2000™ como en ALL-TEST PRO 31™, los
resultados de prueba clave utilizados para determinar la condición de los devanados son las
pruebas de ángulo de desfasamiento (Fi) y las de corriente/frecuencia (I/F). La prueba Fi
realiza una medición cronometrada entre el pico de voltaje CA de la onda sinusoidal
proporcionada por el instrumento y el pico de corriente de la onda sinusoidal resultante. El
valor correspondiente se muestra en grados. La tolerancia para un motor eléctrico estándar,
con el rotor en su lugar, es +/- 1 grado del promedio de las tres lecturas. La Fi requiere
tomar la medida de la CA con el voltaje y frecuencia aplicados del instrumento y, luego,
duplicar la frecuencia y tomar una segunda medida de corriente. El resultado se muestra
como una reducción del porcentaje en la corriente que, en general, cae dentro de un rango
de -15% a -50%. La tolerancia para un motor eléctrico estándar, con el rotor en su lugar, es
de +/- 2 dígitos del promedio de las tres lecturas.
La diferencia entre algunos servomotores (incluso los CC sin escobillas) y el motor CA
estándar radica en que la mayoría tiene un rotor de imán permanente. El imán permanente
interfiere con el devanado trifásico simétrico, lo que brinda un resultado I/F o Fi, entre las
fases, repetido pero significantemente diferente. Cuando esto ocurre, existen tres modos de
determinar si el servo funciona bien o no:
1. Tendencia: establezca la tendencia de la diferencia entre el resultado más alto y el más
bajo de cada prueba. Los valores no deberían desviarse por más de un dígito entre ellas.
Controle el resultado de la impedancia; una caída repentina en la impedancia indicará que
hay un aumento en la contaminación, que los devanados se están quemando
(recalentando) o que los imanes del rotor se están debilitando.
2. Comparación: compare dos servomotores del mismo tipo y modelo. No debería existir
más de un dígito de desviación en los resultados de la prueba.
3. Compensación del rotor: mediante la utilización de ALL-TEST PRO 31, que
proporciona resultados de prueba en tiempo real, gire el eje del servo hasta obtener la
lectura de impedancia más alta. Realice las pruebas. Pase a la siguiente fase y, luego, gire
el eje hasta obtener la lectura de impedancia más alta. Realice las pruebas. Repita para la
tercera fase. Luego, el resultado puede evaluarse del mismo modo que si se tratase de un
motor trifásico regular (Fi +/-1; I/F +/-2).
Mediante la utilización de ALL-TEST IV PRO 2000 u ALL-TEST PRO 31, podrá confirmar
si el problema está relacionado con el rotor o el estator al mover la posición del rotor y
realizar una nueva prueba. En caso de que los patrones Fi o I/F permanezcan similares, el
problema se encontrará en el estator (por ejemplo, si el resultado Fi más bajo permanece en
la fase A, el problema estará en el devanado).
69
MANUAL DE ANÁLISIS DEL MCA
APÉNDICE 7: Diagnóstico eléctrico para generadores
ALL-TEST Pro, LLC
Old Saybrook, CT 06475
Introducción
El Diagnóstico del Motor Eléctrico (EMD) es el término elegido para describir los métodos
e instrumentos de prueba diseñados para el análisis eléctrico y mecánico de maquinarias con
bobinas/devanados y las rotativas. Estos instrumentos se utilizan para todo análisis
relacionado con el sistema del motor, desde el generador y el generador de fuerza motriz, a
través del sistema de transmisión y distribución, hasta el motor eléctrico y la carga impulsada.
A los fines del presente manual, estas tecnologías incluirán el Análisis del Circuito del Motor
(MCA), método de prueba sin corriente y el Análisis del Registro Eléctrico (ESA), un
método más avanzado que el Análisis del Registro de Corriente del Motor (MCSA).
En este manual, se discutirán los conceptos más allá de la prueba y el análisis de los
generadores y termogeneradores para detectar las fallas más comunes. Dichas fallas incluyen
los cojinetes, cortocircuitos en devanados del rotor y el estator, fallas de conexión a tierra en
el rotor y el estator, fallas del excitador, falta de alineación y excentricidad del campo
rotativo.
Análisis del circuito del motor
El MCA es un método de bajo voltaje utilizado para probar las fallas que pueden estar
desarrollándose en los cables de la maquinaria eléctrica, las conexiones, los devanados y el
rotor. La técnica se basa en lecturas individuales de pruebas de Resistencia (R) de CC,
Impedancia (Z), Inductancia (L), Ángulo de desfasamiento (Fi), Respuesta
Corriente/Frecuencia (I/F) y conexión a tierra (megaohmios). La resistencia se utiliza para
detectar conexiones sueltas y conductores rotos, la conexión a tierra se utiliza para detectar
fallas en dicha conexión, Z y L evalúan la condición de aislamiento para la contaminación de
los devanados y Fi e I/F se utilizan para detectar cortocircuitos en los devanados. Uno de los
aspectos claves de MCA es la habilidad para detectar, de modo anticipado, defectos en los
devanados y así establecer tendencias de tanto en tanto para que la falla pueda calcularse.
Debido a que una amplia mayoría de maquinaria rotativa, en que se utiliza MCA para las
evaluaciones, requiere fases simétricas, la aprobación de criterios erróneos en las lecturas
individuales puede desarrollarse tanto en las máquinas montadas como en las no montadas
(tablas de referencia 1 y 2). Estos valores indican una guía y los valores fuera de dicha guía,
en general, identifican fallas de los componentes que ya ocurrieron o que están en desarrollo.
Estas cuestiones en desarrollo pueden compararse con el Apéndice 1 del presente manual.
Además de la facultad de detectar defectos en el sistema del motor, los valores permiten
establecer una tendencia con respecto a una gran cantidad de fallas, sin necesidad de ajustes
de temperatura. Esto permite la habilidad de evaluar la condición y proporcionar estimativos
70
MANUAL DE ANÁLISIS DEL MCA
en cuanto al tiempo en que podría producirse la falla mediante el monitoreo de los cambios
de las asimetrías entre fases a través del tiempo.
Tabla 1: Consideraciones aprobadas/rechazadas en máquinas montadas
Resultado de la prueba
Tolerancia
Detalle
Resistencia (R)
<5%1
Utilizada para detectar conexiones sueltas,
cables rotos, cortocircuitos directos y cables
con distinto tamaño.
2
Impedancia (Z) e
Patrones similares
Los cambios en la impedancia que provocan
Inductancia (L)
que el patrón entre fases aparezca distinto del
de la inductancia son, en general, el resultado
en el cambio de la condición del material del
sistema de aislamiento. Utilizada para detectar
la contaminación de devanados, los
devanados quemados (recalentados),
asimetrías de fase muy grandes o muy malas
condiciones de las barras del rotor.
Ángulo de desfasamiento +/ - 1 dígito del
Indica un cortocircuito en el devanado: 74,
(Fi)
promedio
75, 76 aprobado; 74, 74, 76 sospechoso; 73,
73, 76 rechazado
I/F
+/ - 2 dígitos del
Indica un cortocircuito en el devanado: -44, promedio
45, -46 aprobado; -44, -46, -46 sospechoso; 42, -45, -45 rechazado
3
Resistencia de aislamiento >5 megaohmios
Indica una mala conexión a tierra (por
(megaohmios):
>100 Megaohmios4
ejemplo: falla en la tierra)
Cuando el motor no tiene el rotor en su lugar, como puede suceder en un taller de
reparaciones de motores con el estator solamente, las tolerancias cambian:
Tabla 2: Criterios de aprobados/rechazados en máquinas desmontadas
Resultado de la prueba
Tolerancia
Resistencia (R)
<5%
Impedancia (Z)
<3%
Inductancia (Z)
<5%
Ángulo de desfasamiento (Fi)
+/- 0
I/F
+/- 0
Resistencia de aislamiento (megaohmios):
> 5 megaohmios3 / > 100 megaohmios4
1
Superior a 0.250 ohmios De lo contrario, debe buscar diferencias significativas, como 0,080 ohmios, 0,082 ohmios y
0,400 ohmios que indicarían un problema.
2
Un motor con una inductancia de 10, 11, 12 (lectura baja, lectura media, lectura alta) debería tener un patrón de
impedancia similar, como 20, 23, 25 (baja, media y alta). De no ser similares, por ejemplo si la impedancia mostró 20, 15, 19
(alta, baja, media) en el mismo motor, se ha detectado una falla.
3
Para motores con un voltaje inferior a 600 V.
4
Para motores con un voltaje superior a 600 V.
71
MANUAL DE ANÁLISIS DEL MCA
Para el objetivo de establecimiento de tendencias y análisis, el MCA es una herramienta
comparativa que utiliza el método de asimetría porcentual y la diferencia entre los métodos
de prueba. En el método de asimetría porcentual, la diferencia entre bobinas parecidas (por
ejemplo, entre las fases de un motor trifásico) establece tendencia en el tiempo. Este
método es mejor para la resistencia, la impedancia y la inductancia. Por ejemplo, mientras
que los valores de la resistencia se ven afectados por la temperatura; la diferencia relativa
entre las fases, no. Mediante la utilización del método de asimetría porcentual, el usuario o el
software no necesitan realizar cálculos de corrección de temperatura. La temperatura no
afecta de modo significativo la impedancia y a la inductancia. Por lo tanto, el método de
asimetría es el modo más conveniente de detectar fallas en el tiempo. La diferencia entre los
métodos de prueba se utiliza para el ángulo y para I/F en los que al valor menor para cada
uno se le resta el valor más alto para cada uno.
Tabla 3: Tabla de cambio de lectura para equipos rotativos de CA
Lectura
Cambio a partir de medición inicial
R, Z, L
< 3%
R, Z, L
>3% y <5%
R, Z, L
> 5%
Fi, I/F
<1 punto
Fi, I/F
>1 pt y <3 pt
Fi, I/F
>3 pt
Gravedad
verde
amarillo
rojo
verde
amarillo
rojo
Análisis de los registros eléctricos
El Análisis del Registro de Corriente del Motor (MCSA) se refiere sólo a la evaluación de las
formas de onda de la corriente, incluso la demodulación de la forma de onda de la corriente
y el análisis FFT. El Análisis del Registro Eléctrico (ESA) es el término utilizado para
denominar la evaluación del voltaje y las formas de onda de la corriente. Esto proporciona
una mayor ventaja para realizar diagnósticos debido a que las señales relacionadas con la
energía, el motor y la carga pueden compararse rápidamente. Una consideración clave a tener
en cuenta cuando utilice ESA es que los registros de voltaje se relacionan con la parte más
alta del circuito que se prueba (hacia la generación de energía) y los registros de corriente se
relacionan con la parte más baja de éste (hacia el motor y la carga).
El ESA utiliza la máquina que se prueba como transductor y, de este modo, permite al
usuario evaluar la condición eléctrica y mecánica desde el control o el conmutador. Para
obtener análisis correctos, los sistemas ESA confían en el análisis FFT, muy parecido al
análisis de vibración.
72
MANUAL DE ANÁLISIS DEL MCA
Condición
1
2
3
4
Valor dB
>60
54-60
48-54
42-48
Tabla 4: Análisis del rotor
Condición del rotor
Excelente
Buena
Moderada
Fractura del rotor o junta de alta
resistencia
5
36-42
Dos o más barras averiadas o rotas
6
30-36
7
<30
Varias barras averiadas o rotas y
problemas en los anillos de salida
Varias barras del rotor rotas y otros
problemas severos en el rotor
Acción
Ninguna
Ninguna
Tendencia:
Aumentar los intervalos
de prueba y establecer
tendencia
Confirmar con análisis
del circuito del motor
Revisar y reparar
Revisar y reparar
Tabla 5: Multiplicadores de registro
Tipo de falla
Patrón (CF = frecuencia central)
Mecánica en el estator (es decir: bobinas
CF = RS x inclinaciones del estator
sueltas, movimiento del núcleo del estator, etc.) Bandas laterales de frecuencia de línea
Cortocircuitos en el estator
CF = RS x inclinaciones del estator
(devanados en cortocircuito)
Bandas laterales de frecuencia de línea con
bandas laterales a velocidad de
funcionamiento
Indicador del rotor
CF = RS x barras del rotor
Bandas laterales de frecuencia de línea
Excentricidad estática
CF = RS x barras del rotor
Bandas laterales de frecuencia de línea y
doble frecuencia de línea
Excentricidad dinámica
CF = RS x barras del rotor
Bandas laterales de frecuencia de línea y
doble frecuencia de línea con bandas
laterales a velocidad de funcionamiento
Asimetría mecánica (y falta de alineación)
CF = RS x barras del rotor
Bandas laterales de frecuencia de línea,
espacio de cuatro veces la frecuencia de
línea y luego dos picos de frecuencia de
línea.
RS = Velocidad de funcionamiento
Actualmente, los valores aprobados/rechazados de los registros identificados en la Tabla 5
se basan en la experiencia del usuario. En el caso del análisis del motor (parte baja), estos
valores se relacionan con la corriente y en el caso del generador (parte alta), lo hacen con el
voltaje.
La Transformación Rápida de Fourier (FFT ) de los registros de corriente y voltaje se
calcula, en general, en dB en vez de la escala lineal. El análisis de las diferencias en los picos
se determina mediante la comparación del valor dB medido hacia abajo con el valor del pico
de corriente o el valor del pico de voltaje.
73
MANUAL DE ANÁLISIS DEL MCA
La utilización combinada de MCA y ESA
El MCA requiere que el equipo no tenga corriente mientras que el ESA requiere que tenga
corriente. Dichas diferencias ofrecen al usuario virtudes de análisis específicas para cada
tecnología que las respaldan mutuamente.
En el caso del MCA, tiene virtudes específicas en las siguientes áreas:
El control y otras conexiones
El sistema de conexión a tierra de los cables y entre las fases
El estado de las conexiones a tierra de los devanados del estator, entre las fases y
conductores.
Las cuestiones de entrehierro entre el estator y el montaje rotativo
El estado de los devanados del rotor: devanado, inducción o sincrónico
Esto incluye la habilidad para proporcionar detecciones de fallas tempranas en la
degradación del aislamiento.
El ESA posee virtudes específicas en las siguientes áreas:
La calidad de la energía
Las averías severas en el aislamiento
El estator o las bobinas sueltas o abiertas
El rotor abierto o suelto o las bobinas del rotor
Las conexiones flojas
Los problemas del entrehierro, incluso la excentricidad estática y dinámica
Los cojinetes y la condición mecánica, incluso la alineación
Los sistemas mecánicos adjuntos
Cuando se las utiliza en conjunto, las tecnologías proporcionan algunas habilidades
coincidentes pero, específicamente, otorgan una visión general completa del sistema que se
evalúa, con un alto grado de exactitud.
Los generadores básicos
Existen dos tipos de sistemas generadores básicos. Incluyen las máquinas turbosincrónicas y
las sincrónicas con polos salientes. Existe una gran variedad y variación de cada tipo; por lo
tanto, en el presente manual se analizarán las de montaje básico.
La máquina turbosincrónica se utiliza mayormente en los generadores de alta velocidad (dos
y cuatro polos) utilizados para generar energía de alto voltaje. El montaje general se parece al
motor de inducción trifásico con las siguientes especificaciones:
El estator (armadura) se parece a los devanados del motor trifásico. Los campos de CC del
rotor de la turbina pasan a través de los conductores y generan energía que se aplica al
sistema de distribución desde dicho componente.
74
MANUAL DE ANÁLISIS DEL MCA
El rotor de la turbina (campos) se parece al rotor tipo jaula de la máquina de inducción. Este
componente transporta la energía de CC desde el propulsor y es conducido por un
generador de fuerza motriz, como el motor a reacción o la turbina de vapor. Tiende a ser
largo y angosto en el caso de las máquinas horizontales.
El excitador puede estar separado de la máquina. De poseer escobillas, éstas aplican energía
al rotor; de no existir escobillas, se monta un pequeño generador de CC directamente sobre
el eje del rotor de la turbina. El excitador proporciona energía de CC al rotor de la turbina.
La máquina de polo saliente es uno de los sistemas generadores más comunes, pequeños, de
bajo voltaje y baja velocidad (1800 rpm o menos, 4 polos). La diferencia consiste en que el
rotor contiene una serie de devanados-bobinas individuales que, a su vez, en la mayoría de
los casos, contienen un devanado amortiguador.
El estator (armadura) se parece a los devanados del motor trifásico. Los campos de CC del
rotor del polo saliente pasan a través de los conductores y generan energía que se aplica al
sistema de distribución desde dicho componente.
El rotor saliente (campos) incorpora un número par de piezas del polo que irradian desde el
eje del rotor. Dichos polos transportan la corriente CC que genera los campos CC rotativos.
El propulsor puede estar separado de la máquina. De poseer escobillas, éstas aplican energía
al rotor; de no existir escobillas, se monta un pequeño generador de CC directamente sobre
el eje del rotor. El propulsor proporciona energía CC al rotor.
Ambas máquinas pueden evaluarse del mismo modo en que se evaluarían los motores
eléctricos de diseño similar. En el caso de ESA, se evaluarían los registros mediante la
utilización de espectros de voltaje en oposición a los espectros de corriente.
Conclusión
Las pruebas con corriente de los transformadores requieren la habilidad para observar el
registro de voltaje del generador y, por ello, se requiere equipo que pueda realizar el análisis
del registro eléctrico y no sólo el análisis del registro de corriente del motor. El propósito de
este primer manual ha sido proporcionar una revisión del MCA y el ESA, así como una
discusión sobre la construcción de los generadores de turbina y salientes. El análisis general
de los generadores se realiza de modo similar a cualquier otra máquina de CA.
75
MANUAL DE ANÁLISIS DEL MCA
Bibliografía
Penrose, Howard W. Ph.D., “Electric Motor Diagnostics,” MARTS 2004 Proceedings,
Mayo, 2004
Penrose, Howard W. Ph.D., “Practical Motor Current Signature Analysis: Taking the
Mystery Out of MCSA,” ReliabilityWeb.com, diciembre, 2003
Penrose, Howard W. Ph.D., “Estimating Electric Motor Life Using Motor Circuit Analysis,”
2003 IEEE Electrical Insulation Conference Proceedings, 2003
Penrose, Howard W. Ph.D., Motor Circuit Analysis: Theory, Applications and Energy
Analysis, SUCCESS by DESIGN Publishing, 2001.
Sarma, Mulukutla S., Electric Machines: Steady-State Theory and DynamicPerformance,
PWS Publishing Company, 1996.
76
MANUAL DE ANÁLISIS DEL MCA
Diagnóstico del motor eléctrico para generadores
Parte 2: Estudio de casos
ALL-TEST Pro, una división de BJM Corp
Old Saybrook, CT 06475
Introducción
En la parte 1 de esta serie de 3 partes, se analizaron los principios básicos del Análisis del
Circuito del Motor (MCA) y el Análisis del Registro Eléctrico (ELA) y cómo se relacionan
con los generadores de turbinas y de polos salientes. En la parte 2, analizaremos casos
prácticos relacionados con generadores marinos y generadores de turbinas eólicas. En estos
casos, se analizan generadores en mal estado y en buen estado. Después de la parte 2, en la
parte 3 se analizan los detalles de la realización de estos análisis, que incluyen la formulación
de los criterios de desaprobación.
Caso nº 1: generador marino de polos salientes; falla de aislamiento
Un generador marino a bordo de una embarcación militar presentaba fallas por temperatura
superior a la del aire durante el funcionamiento. Estas fallas se producían a las 24 horas de
funcionamiento y, gradualmente, llegaron a producirse cada 6 horas de funcionamiento
durante el transcurso de ocho meses. Se evaluaron la temperatura del motor y la de
enfriamiento y se detectó que eran normales.
Figura 1: Generador
El generador se había instalado en la embarcación después de haber estado en depósito
durante dieciocho años en un ambiente no controlado. Se determinó que se utilizaría el
Diagnóstico del Motor Eléctrico (EMD) para evaluar el estado del sistema.
77
MANUAL DE ANÁLISIS DEL MCA
Figura 2: Puntos de control del conmutador
Se realizaron las pruebas en el conmutador con el MCA. El primer grupo de datos permitió
identificar un problema en el circuito (Tabla 1). Se realizó un segundo grupo de pruebas en la
caja de conexión del generador (Tabla 2), que permitió identificar un cortocircuito en el
devanado y un aislamiento deficiente (Z y L no coincidentes).
Tabla 1: Prueba MCA en el conmutador
Resistencia
Impedancia
Inductancia
Fi
I/F
Aislamiento
T1-T2 T1-T3 T2-T3
0,0208 0,0189 0,0373
1
1
1
0
0
0
22
21
20
-28
-30
-35
750 megaohmios
Tabla 2: MCA en el generador
T1-T2 T1-T3 T2-T3
Resistencia 0,0445 0,0348 0,0542
1,60
1,64
1,63
Impedancia
Inductancia 0,317 0,320 0,323
20
20
20
Fi
-33
-35
-36
I/F
750 megaohmios
Aislamiento
Dado que se requiere la extracción del generador por un orificio en el casco del barco, se
realizaron pruebas adicionales con ESA durante un período de 30 minutos.
78
MANUAL DE ANÁLISIS DEL MCA
Figura 3: ESA a los “0” minutos
Figura 4: ESA a los “10” minutos
Figura 5: ESA a los “20” minutos
Figura 6: ESA a los “30” minutos
79
MANUAL DE ANÁLISIS DEL MCA
Tras el período de prueba ESA, se obtuvo otro grupo de datos MCA mientras el generador
estaba caliente todavía (Tabla 3).
Tabla 3: MCA después de la prueba ESA
T1T3
T1-T2
T2-T3
Resistencia 0,1514 0,116 0,0828
1
1
1
Impedancia
0
0
0
Inductancia
20
20
20
Fi
-31
-33
-35
I/F
55 megaohmios
Aislamiento
La reducción en la resistencia del aislamiento de 750 megaohmios a 55 megaohmios indica
un aumento de temperatura de 140 ºC en alguna parte del sistema de aislamiento.
La embarcación debía estar preparada para entrar en servicio tres meses después de la
realización de estas pruebas, cuando debía realizar un crucero oceánico. El interrogante era si
el generador estaría en condiciones para funcionar durante este tiempo. Si no era así, la
embarcación no podría cumplir su misión.
Se realizó una revisión de cargas y temperaturas, además de los datos del análisis EMD.
Sobre la base de las referencias históricas y la investigación del tiempo calculado antes de una
falla, se determinó que el generador podía utilizarse en paralelo con un segundo generador al
50% de la carga o menos. Se indicó a los guardias que debían prestar atención a variaciones
en la asimetría de la corriente como indicador de falla avanzada en el devanado. Se
proporcionaron recomendaciones al grupo de soporte de ingeniería en puerto de la
embarcación para el almacenamiento de los rotores y generadores.
Después de la misión, se retiró el generador para repararlo (Figura 7) y se envió al taller de
reparaciones contratado.
Figura 7: Extracción del generador
80
MANUAL DE ANÁLISIS DEL MCA
Los requisitos de reparación incluyeron el rebobinado del estator y del rotor con un plazo
adicional aprobado para cumplir con el cronograma del astillero de la embarcación. Las
inspecciones de aceptación fueron realizadas en el centro de reparaciones en condiciones de
carga completa.
Figura 8: Prueba ESA de aceptación
Durante la inspección, se determinaron varios detalles respecto de la reparación:
1. El tamaño del hilo conductor estaba reducido. Esto aumenta las pérdidas relacionadas
con el calor en los conductores y limita la capacidad máxima de corriente del generador
2. El tamaño de los conductores del devanado era más grande. Si bien esto permite que el
generador funcione a una temperatura un poco más baja, afecta el circuito de manera tal
que fue necesario realizar un ajuste importante para poder sincronizar el generador.
3. Los campos rotativos no estaban rebobinados, como se había determinado en el análisis
ESA. El resultado es una menor confiabilidad en la vida útil del generador.
Caso nº 2: generador marino de polos salientes; mal estado
En este generador, se realizaron los análisis MCA y ESA como parte del mantenimiento de
rutina.
Tabla 4: MCA en generador del caso 2
T1-T2 T1-T3 T2-T3
Resistencia 0,8436 0,2588 0,1070
1,63
2,10
1,60
Impedancia
0,317 0,322
Inductancia 0,321
19
22
24
Fi
-27
-21
-27
I/F
41,8 megaohmios
Aislamiento
81
MANUAL DE ANÁLISIS DEL MCA
El análisis MCA consistió en colocar el rotor en una posición fija y realizarle un análisis. Se
determinó lo siguiente: conexión floja, aislamiento a tierra bajo, coincidencia de impedancia e
inductancia y estado de devanado dudoso. Sin embargo, como analizaremos en la parte 3, los
valores de Fi e I/F se utilizan principalmente como valores de tendencia, a menos que se
sigan procedimientos específicos.
Figura 9: Registro de voltaje en el generador del caso 2
El registro que se observa en la Figura 9 indica un rotor en un estado relativamente bueno,
con las bandas laterales de frecuencia de línea del número de campos del rotor multiplicado
por la frecuencia de línea (en este caso 360 Hz +/- 60 Hz), con un conjunto de armónicos
gradualmente atenuantes.
Sobre la base de estos hallazgos y una inspección visual, el generador deberá someterse a una
limpieza. Se espera que las condiciones de devanado (L y Z) se equilibren y que la resistencia
de aislamiento mejore.
82
MANUAL DE ANÁLISIS DEL MCA
Caso nº 3: generadores de turbinas eólicas, buen estado
Uno de los problemas frecuentes que se observan en los generadores de turbinas eólicas es el
pasaje de partículas o polvo a través de los devanados del generador, lo que provoca
cortocircuitos en los devanados, problemas de cojinetes, etc.
Figura 10: Lecturas correctas
En la Figura 10, los picos son dominantes en la corriente (espectro superior) que está
relacionada con la carga. Los registros de voltaje identifican un nivel relativamente bajo de
frecuencia del rotor. Esto identifica un buen análisis del sistema en servicio.
Caso nº 4: generadores de turbinas eólicas, bobinas flojas
Figura 11: Bobinas flojas
Durante la realización de un análisis de rutina, se determinó un registro como bandas
laterales de 60 Hz alrededor de la velocidad de funcionamiento multiplicada por el número
de muescas del estator del generador. Como se identificó en la parte 1 de esta serie, esto
indica un “problema mecánico del estator”, que se define como bobinas flojas o un estator
flojo. En este caso, se determinó que probablemente se trataba de bobinas flojas.
83
MANUAL DE ANÁLISIS DEL MCA
Conclusión
Las técnicas de diagnóstico del motor eléctrico que ofrecen el análisis del circuito del motor
y el análisis de registro eléctrico se adaptan exclusivamente a la solución de problemas y a la
determinación de tendencias de problemas mecánicos y eléctricos en desarrollo en un
generador. Si se utilizan en conjunto, pueden también detectar posibles problemas de
garantía en máquinas nuevas y reparadas antes de conectar los generadores en línea.
84
MANUAL DE ANÁLISIS DEL MCA
Diagnóstico del motor eléctrico para generadores
Parte 3: análisis
ALL-TEST Pro, una división de BJM Corp
Old Saybrook, CT 06475
Introducción
El objetivo de esta serie de informes ha sido analizar la aplicación del Análisis del Circuito
del Motor (MCA) y el Análisis de Registro Eléctrico (ESA) en generadores de turbinas y de
polos salientes. En la parte 1, la discusión se centró en el uso y la aplicación de los análisis
MCA y ESA y en los componentes básicos de ambos tipos de generadores. En la parte 2, se
analizaron varios casos prácticos relacionados con la aplicación del diagnóstico de motores
eléctricos con generadores.
En la parte 3, analizaremos la aplicación y el análisis completo de ambos tipos de análisis,
MCA y ESA, en sistemas de generadores. La información puede utilizarse para el diagnóstico
de motores con el uso individual o combinado de las tecnologías.
Problemas y posibles fallas en los generadores
Una de las principales partes de todo análisis es la descripción general de los posibles tipos
de fallas que pueden ocurrir en un sistema, en este caso, un generador genérico, a fin de
comprender qué detectarán las tecnologías de Diagnóstico de Motores Eléctricos (EMD) y
en qué grado lo harán. Tendremos que considerar el generador en sí, separado del
acoplamiento al controlador y a las conexiones de cables. Esto nos deja los siguientes
componentes para la revisión:
•
•
•
•
•
Armadura (estator)
Entrehierro
Rotor y devanados de rotor
Eje y cojinetes
Sistema propulsor
Con estos componentes podemos realizar el Análisis de los Modos de Fallas y sus Efectos
(FMEA) que nos proporcionará la información básica para las pruebas. Las tres fallas básicas
del sistema pueden identificarse de la siguiente manera:
1. No genera potencia, se recalienta o se activa cuando está desconectado.
2. No alcanza los requisitos de carga.
3. No funciona de manera uniforme.
Dado que las fallas ya se han identificado, ahora nos ocuparemos de las causas de las fallas o
de lo que provoca la aparición de estas condiciones. Exploraremos estas causas en la Tabla 1.
85
MANUAL DE ANÁLISIS DEL MCA
Falla
No genera potencia,
se recalienta o se
activa cuando está
desconectado.
No cumple los
requisitos de carga.
No funciona de
manera uniforme.
Tabla 1: Causas de fallas y tecnología CBM
Causas
*Prueba de
condición
Devanado a tierra
MCA
*Hallazgo de
falla
MCA
Devanado en cortocircuito
Devanado abierto
Defectos de cojinetes
Propulsor dañado
Campos rotativos a tierra
Campos rotativos en cortocircuito
Campos rotativos abiertos
Devanado a tierra
MCA
MCA, ESA
MCA, ESA
ESA
ESA
MCA, ESA
MCA, ESA
MCA, ESA
MCA
Devanado en cortocircuito
Falla en propulsor
Campos rotativos a tierra
Campos rotativos en cortocircuito
Defectos de cojinetes
Devanado a tierra
MCA
ESA
MCA
MCA
MCA
MCA
MCA
ESA
MCA
MCA, ESA
ESA
MCA, ESA
MCA, ESA
ESA
MCA
Devanado en cortocircuito
MCA
MCA, ESA
Falla en propulsor
ESA
Campos rotativos a tierra
MCA
MCA, ESA
Campos rotativos en cortocircuito
MCA
MCA, ESA
Defectos de cojinetes
ESA
ESA
Falta de alineación
ESA
MCA, ESA
Excentricidad del rotor
ESA
MCA, ESA
Asimetría del rotor
ESA
ESA
* Prueba de condición significa que la tecnología es capaz de proporcionar tendencias
significativas en la mayoría de las máquinas; Hallazgo de falla indica que la tecnología
encontrará normalmente el error que sigue a la falla.
Tecnología
MCA
ESA
Tabla 2: Capacidad de detección
Capacidad
Devanados a tierra, abiertos, en cortocircuito
Campos rotóricos a tierra, abiertos, en cortocircuito
Devanados abiertos o en cortocircuito
Campos rotóricos abiertos o en cortocircuito
Defectos de cojinetes
Propulsor dañado
Falta de alineación
Excentricidad del rotor
Asimetría del rotor
86
MANUAL DE ANÁLISIS DEL MCA
Al comprender los modos de falla y sus efectos, se puede seleccionar la tecnología EMD
correcta que permita evaluar el estado del generador. Una vez que se selecciona la tecnología
EMD, se recopilan los datos y se analizan. El resto de este informe se centrará en el análisis
de cada tipo de falla y los procedimientos asociados.
El desafío del análisis MCA en los generadores
Uno de los desafíos que se enfrentan al analizar los generadores ensamblados se refiere a la
posición de los campos rotóricos con los devanados del estator y la ubicación del conductor
a partir del cual se genera la señal en el instrumento.
Figura 1: Relación entre el rotor y el estator
Posición
2
Posición
2
Posición
1
A
Posición
1
B
C
A
B
C
Devanados: dirección de campos en bobinas
Los devanados del rotor están separados a lo largo del rotor. Cuando un rotor está en una
posición, la relación de las bobinas de éste y cada una de las fases y la relación de esas fases
entre sí pueden causar una asimetría relativa en las lecturas, incluso en la prueba de ángulo de
desfasamiento y de frecuencia de corriente. En la Figura 1, la posición relativa de los campos
rotóricos en la posición 1 frente a la posición 2 puede influir en los resultados de la prueba.
Existen dos soluciones para esta situación: medición de tendencia en el tiempo mediante un
procedimiento específico o prueba de compensación del rotor. Al medir la tendencia en el
tiempo, con el rotor en la misma posición, los valores pueden rastrearse en el tiempo, lo que
permite la detección de cambios en la condición. La prueba de compensación del rotor
permite la solución inmediata de problemas en la condición del devanado y también puede
utilizarse para medir la tendencia.
Procedimiento de medición de tendencia
A continuación, se describe el procedimiento de medición de tendencia en una condición en
el tiempo. La ventaja que presenta es que el rotor debe moverse sólo una vez. Algunas
máquinas pueden moverse con cierta facilidad, otras pueden tener un tornillo nivelador para
girar el eje.
87
MANUAL DE ANÁLISIS DEL MCA
1. Seleccione una posición para el eje y márquela para referencia futura. La posición puede
seleccionarse sencillamente, por ejemplo, con una traba de eje colocada en la posición de
las 12 en punto del reloj.
2. Instale el dispositivo MCA según las instrucciones.
3. Coloque el conductor negro en la fase A y el conductor rojo en la fase B, registre y
guarde los datos que desee como haría en cualquier motor trifásico.
4. Mueva el conductor rojo a la fase C, registre y guarde los datos.
5. Mueva el conductor negro a la fase B, registre y guarde los datos.
6. Realice la prueba de aislamiento a tierra.
Procedimiento de compensación del rotor
Si se utiliza un medidor de inductancia o impedancia, como ALL-TEST PRO 31™, se puede
compensar el rotor para solucionar problemas.
1. Instale el dispositivo MCA según las instrucciones.
2. Coloque el conductor negro en la fase A y el conductor rojo en la fase B, gire el eje hasta
que obtenga la lectura de inductancia o impedancia más baja posible. Registre los datos.
3. Mueva el conductor rojo a la fase C, luego rote el eje hasta que obtenga la lectura de
inductancia o impedancia más baja posible. Registre los datos.
4. Mueva el conductor negro a la fase B, luego rote el eje hasta que obtenga la lectura de
inductancia o impedancia más baja posible. Registre los datos.
5. Realice la prueba de aislamiento a tierra.
88
MANUAL DE ANÁLISIS DEL MCA
Análisis de generadores con MCA
Cuando se prueba un generador que está simétrico o se utiliza el procedimiento de
compensación del rotor, pueden usarse las tolerancias que se muestran en la Tabla 3 para
detectar si existe un problema. Una vez que el problema está identificado, se deberá evaluar
en profundidad la condición para poder precisarla.
Tabla 3: Tolerancias de MCA: prueba de rotor compensado para generadores
Resultado de la
Tolerancia
Detalle
prueba
Resistencia (R)
<5%5
Utilizada para detectar conexiones flojas, hilos rotos,
cortocircuitos directos y cables con distinto tamaño.
Impedancia (Z) e
Patrones similares6 Utilizada para detectar la contaminación de
Inductancia (L)
devanados, devanados quemados (recalentados),
asimetrías de fase muy grandes o un muy mal
estado del rotor.
Ángulo de
+/-1 dígito del
Indica un cortocircuito en un devanado del estator
desfasamiento (Fi)
promedio
o del rotor.
I/F
+/- 2 dígitos del
Indica un cortocircuito en un devanado del estator
promedio
o del rotor.
7
Resistencia de
>5 megaohmios
Indica una condición de aislamiento a tierra
aislamiento
>100 megaohmios8 insuficiente o una falla en la puesta a tierra.
Los dispositivos MCA tienen la capacidad de detectar fallas en los cables, así como fallas en
el estator del generador y en los campos rotóricos. Por lo tanto, se deben tomar varias
medidas adicionales para detectar la ubicación de las fallas, incluso la prueba en los
conductores del generador directamente y el movimiento de la posición del eje:
•
•
Al realizar la prueba directamente sobre los conductores del generador, es posible
determinar si existe una falla en el cableado, en los devanados del generador o en
ambos. Si las lecturas muestran que el devanado es normal, entonces, el problema
está en los cables; si las lecturas mejoran, entonces, el problema está tanto en el
generador como en los cables; y si las lecturas se mantienen constantes, el problema
está en el generador.
Una vez que se ha identificado el generador, entonces, el problema puede aislarse
aún más al mover el eje (con un cuarto de vuelta) y volver a realizar las pruebas. Si
los resultados de la prueba siguen siendo deficientes en la misma fase, el problema
está en las bobinas del estator; si los resultados cambian las fases, entonces la falla
está en los campos rotóricos.
5 Superior a 0.250 ohmios. De lo contrario, debe buscar diferencias significativas, como 0,080 ohmios, 0,082 ohmios y 0,400
ohmios, que indicarían un problema.
6 Un motor con un valor de inductancia bajo, medio y alto en cada fase, debería tener un patrón de impedancia
correspondiente.
7 Para generadores con un voltaje nominal inferior a 600 voltios.
8 Para generadores con un voltaje nominal superior a 600 voltios.
89
MANUAL DE ANÁLISIS DEL MCA
Si se usa el método de medición de tendencia, se debe utilizar la Tabla 4 para la detección de
fallas en el tiempo.
Tabla 4: Tolerancias de la prueba para la medición de tendencia en un generador
Lectura
Cambio a partir de
Gravedad
medición inicial
R, Z, L
< 3%
Buena
R, Z, L
>3 - < 5 %
Controlar y solucionar el
problema si la máquina es
indispensable
R, Z, L
> 5%
Solucionar el problema
Fi, I/F
<1 punto
Buena
Fi, I/F
> 1 - < 3 puntos
Controlar y solucionar el
problema si la máquina es
indispensable
Fi, I/F
> 3 puntos
Solucionar el problema
Los problemas en el rotor, si se detectan, pueden ser el resultado de una bobina (o varias)
puesta a tierra o en cortocircuito. Para confirmar esta condición, realice una prueba de
aislamiento a tierra en el rotor para asegurarse de que los diodos rotativos estén
desconectados. Si el aislamiento a tierra es bueno, entonces la falla es un campo rotórico en
cortocircuito.
Las pruebas anteriores identificarán las siguientes fallas en el generador:
•
•
•
Devanados de rotor o estator conectados a tierra
Devanados de rotor o estator en cortocircuito
Devanados de rotor o estator abiertos
El desafío del análisis ESA en los generadores
La principal diferencia entre realizar pruebas en máquinas giratorias y generadores es que el
análisis de registro de voltaje se utiliza para evaluar el estado de los generadores, mientras
que el análisis de registro de corriente se utiliza para las máquinas giratorias. La clave está en
recordar que el voltaje se mide en los equipos de suministro mientras que la corriente se
mide en los equipos de carga. Todos los registros que se usarían normalmente para detectar
fallas en la corriente se utilizan, en cambio, para el voltaje. En este caso también, todos los
picos similares que se muestran en los espectros de voltaje y corriente, si el pico de voltaje es
dominante (superior a los dB de la corriente), la falla está relacionada con el generador, de lo
contrario, está relacionada con el suministro de energía.
90
MANUAL DE ANÁLISIS DEL MCA
Análisis de fallas con ESA
La evaluación ESA del generador producirá resultados similares que en los motores
sincrónicos, salvo que los resultados estén expresados en voltaje (véase la Tabla 5).
Tabla 5: Análisis de registros en generadores
Tipo de falla
Patrón (CF = frecuencia central)
Mecánica en el estator (es decir: bobinas
CF = RS x muescas del estator
sueltas, movimiento del núcleo del estator,
Bandas laterales de frecuencia de línea
etc.)
Cortocircuitos en el estator (devanados en
CF = RS x muescas del estator
cortocircuito)
Bandas laterales de frecuencia de línea con
bandas laterales a velocidad de
funcionamiento
Indicador del rotor
CF = RS x muescas del rotor
Bandas laterales de frecuencia de línea
Excentricidad estática
CF = RS x muescas del rotor
Bandas laterales de frecuencia de línea y
doble frecuencia de línea
Excentricidad dinámica
CF = RS x muescas del rotor
Bandas laterales de frecuencia de línea y
doble frecuencia de línea con bandas
laterales a velocidad de funcionamiento
Asimetría mecánica (y falta de alineación)
CF = RS x muescas del rotor
Bandas laterales de frecuencia de línea,
espacio de cuatro veces la frecuencia de línea
y luego dos picos de frecuencia de línea.
Las fallas en los propulsores y en los campos rotativos en cortocircuito o conectados a tierra
se mostrarán como indicadores del rotor.
Rotores de polos salientes
Una de las diferencias que existen en los motores sincrónicos y en los generadores con polos
salientes es el registro del campo rotativo. El campo rotativo se observa como el número de
bobinas de campos rotóricos multiplicado por la frecuencia +/- las bandas laterales de
frecuencia de línea como el valor fundamental más las armónicas con un patrón
descendiente (Figura 2) en alta frecuencia de voltaje. Las variaciones de este patrón indican
fallas en el campo. Un indicador de falla adicional incluye bandas laterales del número de
polos elevados al cuadrado de la frecuencia de línea (Figura 3).
Las bandas laterales y los patrones sobre las frecuencias de los campos rotativos, en el
espectro de alta frecuencia, normalmente indican problemas en el controlador. En el
momento de la redacción preliminar de este informe, se sigue investigando el análisis de
fallas específicas de variaciones de las frecuencias de campos rotativos.
91
MANUAL DE ANÁLISIS DEL MCA
Figura 2: Registro de campo rotativo, alta frecuencia (buen estado)
Máquina de 6 polos
Figura 3: Registro de campo rotativo, baja frecuencia (mal estado)
Máquina de 6 polos
Figura 4: Registro de campo rotativo, alta frecuencia (mal estado)
92
MANUAL DE ANÁLISIS DEL MCA
Conclusión
La combinación más poderosa de herramientas para el mantenimiento de generadores
basado en la condición son las herramientas de análisis de circuitos de motores que incluyen
análisis de ángulo de desfasamiento, de corriente/frecuencia y análisis de registro eléctrico.
Estas herramientas combinadas son capaces de detectar y analizar el estado de aislamiento a
tierra del rotor y el estator, cortocircuitos en devanados del rotor y el estator, el estado del
propulsor, los cojinetes y la excentricidad del entrehierro. Se puede establecer una tendencia
de la mayoría de los datos, además de proporcionar la capacidad de solucionar problemas en
el equipo.
Bibliografía
Penrose, Howard W, Ph.D., Motor Circuit Analysis: Theory, Applications and Energy Analysis,
SUCCESS by DESIGN Publishing, 2001.
Penrose, Howard W, Ph.D., Motor Diagnostics 2-Day Training Manual, ALL-TEST Pro, 2004.
“Diagnóstico del motor eléctrico para generadores Parte 1: conceptos básicos”, ALL-TEST Pro, 2005
“Diagnóstico del motor eléctrico para generadores Parte 2: casos prácticos”, ALL-TEST Pro, 2005
93
MANUAL DE ANÁLISIS DEL MCA
APÉNDICE 8: Evaluación eléctrica del motor de corriente
continua mediante un análisis del circuito del motor
Dr. Howard W. Penrose
Old Saybrook, CT
Introducción
Las pruebas eléctricas de motores eléctricos de corriente continua (CC) son un desafío para la
industria, los fabricantes y los centros de reparaciones. El problema principal es la capacidad de
comparar una bobina con la siguiente si no se proporciona información precisa. En este artículo,
se analizará el problema de la realización de pruebas sencillas para aumentar la confianza en las
conclusiones de los análisis y las pruebas realizadas mediante el Análisis de Circuitos de Motores
(MCA).
El término MCA proviene de un método de prueba que proporciona información sobre los
componentes básicos de un motor eléctrico de CA o CC. Estos componentes básicos
incluyen: resistencia, medida en ohmios; impedancia, medida en ohmios; inductancia, medida
en henrios; el ángulo de desfasamiento del devanado de inducción, medido en grados; y la
resistencia de aislamiento, medida en megaohmios. El instrumento al que se hará referencia
en este artículo ofrece estas lecturas mediante la generación de una corriente alterna con
onda sinusoidal real de bajo voltaje, (impedancia, inductancia, ángulo de desfasamiento),
señal a frecuencias que van de 100 a 800 hercios, una señal de CC de bajo voltaje para la
resistencia y una corriente continua de 500 a 1,000 voltios para la prueba de resistencia de
aislamiento. Además, se realiza una prueba especial llamada I/F en la que la frecuencia
aplicada se duplica y se obtiene una relación de cambio en la impedancia del devanado. Esta
prueba se utiliza para identificar cortocircuitos prematuros de devanado. Al utilizar los datos
aplicados, se puede evaluar el estado del devanado del motor de CC por medio de la
comparación de las bobinas, la comparación con lecturas conocidas o los cambios de
tendencia en los devanados durante un período.
Los motores eléctricos de CC que se incluirán en este artículo son: motores de serie, en
paralelo o de CC compuestos. Algunas de las pruebas básicas descritas pueden realizarse en
imanes permanentes, en servomotores de CC, máquinas herramientas de CC y demás
(aunque los motores de CC sin escobillas se evalúan de manera similar a los motores de CA).
Los tipos de motores eléctricos de CC pueden describirse según sus devanados y las
conexiones que tengan.
94
MANUAL DE ANÁLISIS DEL MCA
Teoría del motor de CC
Los motores de corriente continua funcionan con un principio básico de electricidad: la
interacción entre dos campos magnéticos posicionados en ángulo entre sí ejercerán una
atracción o un rechazo que dará como resultado un movimiento. En el caso de un motor
eléctrico de CC, la potencia es proporcionada a un campo estatórico y a una armadura, lo
que crea campos magnéticos que están separados en un ángulo de 90º entre sí,
eléctricamente. La atracción o el rechazo resultante de la armadura desde el campo generan
un torque que hace girar la armadura.
Los componentes básicos de un motor eléctrico de CC incluyen:
¾ Armazón: constituye la estructura externa de la máquina. Se utiliza para montar la
mayoría de los demás componentes del motor.
¾ Campos: son las bobinas montadas en las piezas de polos de los campos que generan
un campo magnético estable.
¾ Interpolos: son las bobinas que se encuentran entre las bobinas de campo y que
generan un campo que se utiliza para evitar el exceso de chispas provenientes de las
escobillas.
¾ Protecciones terminales: también conocidas como cajas de cojinetes, se utilizan para
contener las escobillas, las sujeciones de las escobillas y para contener a los cojinetes
del eje y sostener la armadura centrada en el armazón.
¾ Sujeciones de las escobillas: sostienen y ubican las escobillas por encima del
conmutador de la armadura. En general, se utiliza un dispositivo tensor para
mantener una presión constante sobre las escobillas.
¾ Escobillas: se utilizan para proporcionar CC a la armadura. Las escobillas se ubican
por encima del conmutador.
¾ Conmutador: consta de varias barras de cobre separadas por mica. Cada barra se
conecta a las bobinas en la armadura.
¾ Armadura: es la parte rotativa de un motor con bobinas.
A diferencia de la mayoría de los motores de CA, los motores de CC requieren distintas
fuentes de energía para los campos y la armadura. La CC proporcionada a los campos
estatóricos genera un conjunto de campos constantes con polaridad norte y sur. La CC
proporcionada a la armadura genera campos con polaridad norte y sur que están a 90º
eléctricos del campo fijo. A medida que la armadura genera un torque y se mueve hacia el
polo norte o sur correspondiente, las escobillas cambian de posición en el conmutador y
establecen corriente a otro conjunto de bobinas ubicadas a 90º eléctricos del campo fijo.
Esto suele hacer que la armadura sea un componente de corriente alterna, dado que la
corriente fluirá en una dirección según la posición de las escobillas y luego en otra dirección
a medida que el motor trabaje. Las escobillas se ubican en una posición en la que son
eléctricamente “neutras” (no hay corriente inducida de los campos del estator) para reducir
las chispas. En la mayoría de las conexiones de los motores de CC, si se varía el voltaje de la
armadura se puede modificar la velocidad de funcionamiento. Un peligro general típico de
los motores de CC es que si la corriente del campo se pierde mientras se mantiene la
corriente de la armadura, el motor puede descontrolarse y la velocidad puede aumentar hasta
que la armadura se autodestruye.
95
MANUAL DE ANÁLISIS DEL MCA
Los tres tipos de devanados básicos que se utilizan para identificar el tipo de motor de CC
son los siguientes:
¾
En serie: normalmente se encuentra en aplicaciones que necesitan un alto torque
inicial. Constan de un conjunto de devanados de campo con hilos grandes y
relativamente pocas espiras, marcadas S1 y S2, que se conectan en serie a los
interpolos y la armadura, marcada A1 y A2 (Ver la Figura 1). Los motores
conectados en serie se utilizan generalmente como motores de tracción y tienen una
resistencia básica muy baja.
Figura 1: Motor en serie
A2 S1
A1
¾
S2
En derivación: normalmente se encuentran en aplicaciones que requieren una
velocidad constante. Constan de un conjunto de devanados de campo de hilos más
pequeños con muchas espiras, marcadas F1 y F2 para voltaje simple; F1, F2 y F3
para voltaje doble; A1 y A2 para los interpolos y la armadura (Ver la Figura 2). Los
motores conectados en derivación se utilizan generalmente como motores de
máquinas herramientas y de grúas, ya que tienen una resistencia básica relativamente
alta.
Figura 2: Motor con devanado en derivación
A2 F2
F1 A1
96
MANUAL DE ANÁLISIS DEL MCA
¾
Combinado: combina las ventajas de los motores con devanado en serie y en
derivación. Proporciona un torque relativamente alto con una resistencia básica al
cambio en la velocidad de funcionamiento. Combina las conexiones de los motores
con devanado en serie y en derivación (Véase Figura 3). Los motores combinados
son los más comunes y se suelen encontrar en la fabricación industrial.
Figura 3: Motor con devanado combinado
A2 S1
F1 A1
S2 F2
Como puede verse, hay pocas bobinas para comparar entre sí en una máquina ensamblada
de CC. No obstante, se pueden desarrollar procedimientos para pruebas de devanado que
proporcionen una gran confianza en los resultados obtenidos.
Fallas eléctricas frecuentes en motores de CC
Existen algunas fallas eléctricas comunes en los motores de CC. A continuación se
describirán las más frecuentes: Estas fallas son el resultado de problemas específicos del
diseño del motor de CC a causa de la temperatura, la fricción y los contaminantes internos,
como el carbono y el grafito.
Una de las causas más comunes de fallas en los devanados en un motor de CC es la
contaminación del devanado con polvo de carbono o grafito proveniente de las escobillas. El
polvo fino se introduce en todos los devanados fijos y rotativos, lo que genera un paso entre
los conductores o entre los conductores conectados a tierra. El carbono queda atrapado y los
problemas se agravan al realizar la limpieza o el mantenimiento, momento en que se retira el
carbono con aire comprimido o en que se limpia la armadura y se seca en caliente. En
cualquiera de los casos, el carbono puede concentrarse en los rincones, generalmente justo
detrás del conmutador. Esto dará como resultado una falla de conexión a tierra o espiras en
cortocircuito en la conexión del conmutador.
Otra falla frecuente, que no suele tenerse en cuenta, es el enfriamiento de la máquina de CC.
Esto puede producirse porque los pasos de enfriamiento están obstruidos (la armadura se
vuelve demasiado lenta si no tiene enfriamiento adicional) o porque los filtros están sucios.
Esta última es la falla relacionada con el enfriamiento más frecuente. La temperatura es el
principal enemigo de los equipos eléctricos, en especial del sistema de aislamiento, cuya vida
útil se reducirá a la mitad cada 10 ºC de aumento en la temperatura (regla general aceptada).
A medida que se debilita el aislamiento, su confiabilidad disminuye hasta que se producen
fallas de devanado entre las espiras. Además de la degradación del sistema de aislamiento, las
escobillas también se degradan más rápido y producen un desgaste mayor en el conmutador
y mayor contaminación con carbono en los devanados.
97
MANUAL DE ANÁLISIS DEL MCA
Otra falla relacionada con la temperatura se debe a las prácticas que establecen corriente a los
campos con una armadura en reposo (sin corriente). Este es un modo de funcionamiento común
que requiere un ventilador separado para enfriar el motor que por lo general tiene filtros que se
deben mantener limpios. Este tipo de falla normalmente da como resultado bobinas en derivación
en cortocircuito, lo que reduce la capacidad del motor de producir torque y puede acabar con una
condición peligrosa de exceso de velocidad en la armadura si no se realiza el mantenimiento
adecuado.
El conmutador también puede dar lugar a fallas y puede ser indicador del funcionamiento y el
estado del motor. Un motor de CC que funciona adecuadamente tendrá una fina capa de carbono
sobre el conmutador y las barras serán uniformes. Las barras de un conmutador quemado, una
capa rayada, una gran cantidad de carbono o un conmutador recalentado indican posibles
problemas que deben resolverse.
Pruebas de armadura
Las armaduras de CC son las que llevan más tiempo, pero son el componente más fácil de probar.
Se pueden utilizar tres métodos básicos: medición de tendencia, ensamblado y desensamblado. En
el caso de la medición de tendencia, se utilizan todas las mediciones. Sin embargo en el caso de las
pruebas de ensamblado y desensamblado, se utilizará una medición de impedancia entre barras. Se
observa la impedancia porque la armadura es un componente de CA y las mediciones de
resistencia simples pueden pasar por alto algunas fallas, como los cortocircuitos o las conexiones a
tierra. Más adelante en este artículo, se revisará la medición de tendencia en un procedimiento
general de tendencias para los motores de CC.
Cuando se prueba la armadura de un motor de CC ensamblado, el mejor método es realizar lo
que se conoce comúnmente como prueba entre barras, mediante las escobillas del motor. En el
caso de un motor de CC que tiene dos escobillas, no debe elevarse ninguna de las dos. En el caso
de un motor de CC que tiene cuatro escobillas o más juegos de escobillas se deben elevar todos
los juegos menos dos a 90 grados entre sí, ya que de esta manera quedan fuera del circuito de
prueba. Asegúrese de que haya un buen contacto en el conmutador al controlar que más del 90%
de la escobilla esté en contacto con las barras del conmutador y que las barras del conmutador
estén limpias. Si no lo están, limpie la armadura con suavidad, con un método aprobado antes de
realizar la prueba. Si el conmutador está muy gastado, deberá desensamblarlo y se deberá “girar y
socavar”, en cuyo caso sería apropiado utilizar una prueba entre barras con el conmutador
desensamblado. Una vez fijo, marque la posición de una barra en el conmutador, luego lleve la
barra hasta una posición en la que esté justo debajo del borde de entrada de una de las escobillas.
En la prueba de ensamblado, seguramente cubrirá al menos una barra y media con la escobilla.
Realice una prueba de impedancia, tome la lectura y mueva la armadura para que el borde de
ataque de la escobilla esté encima de la siguiente barra del conmutador. Tome la siguiente lectura
de impedancia y continúe hasta que se haya probado cada una de las barras. Un buen resultado
mostrará un patrón constante, mientras que un patrón inconstante identificará una armadura en
mal estado.
La prueba entre barras con la armadura desensamblada es igual que una prueba con la armadura
ensamblada, la única diferencia es que la armadura está fuera del armazón y que quien realiza la
prueba tiene acceso total al conmutador. En este caso, quien realiza la prueba utilizará un
posicionador de armadura o conductores de prueba para hacer la conexión entre barras. El
espacio entre cada lectura de impedancia debe ser constante y estar a una distancia de 90 a 180
98
MANUAL DE ANÁLISIS DEL MCA
grados una de otra. Se debe marcar la primera barra y la prueba debe continuar hasta que una
extensión del posicionador o del conductor de prueba haya dado una vuelta completa alrededor
del conmutador. Marque la impedancia de cada prueba entre barras y luego observe que el patrón
registrado sea constante.
Prueba de motores en serie
Los motores eléctricos en serie son un gran desafío en lo que respecta a la solución de problemas, ya
que no ofrecen distintos grupos de campos para poder comparar. Las lecturas pueden tomarse de S1
a S2 y de A1 a A2 y luego establecer la tendencia en el tiempo o compararlas con equipos similares.
Al establecer la tendencia de las lecturas en el tiempo, debe corregirse la temperatura en las
lecturas de resistencia simple, generalmente en relación con 25 ºC. La impedancia y la inductancia
generalmente presentan una variación mínima debido a la temperatura, mientras que las lecturas
del ángulo de desfasamiento y de I/F permanecerán constantes, independientemente de la
temperatura. Las variaciones en I/F y en el ángulo de desfasamiento indicarán espiras en
cortocircuito, mientras que los cambios en la impedancia y la inductancia generalmente indicarán
que los devanados están sucios.
Para comparar motores similares se necesitarán datos adicionales. El operador tendrá que
asegurarse de que el motor sea del mismo fabricante y tenga el mismo diseño, así como la misma
velocidad, potencia, etc. El motor “modelo” debe ser nuevo o reconstruido según las
especificaciones del fabricante original. Cuando se realizan las lecturas comparativas, la
temperatura de prueba debe ser similar en ambos motores; no obstante, los registros de ángulo de
desfasamiento y de I/F pueden compararse directamente. Estas lecturas no deben cambiar más
de +/- 2 puntos para I/F y +/- 1 grado para el ángulo de desfasamiento. Un error frecuente que
ocurre cuando se reconstruyen los devanados de campo en serie, aunque menos frecuente que las
bobinas en derivación, es la sustitución incorrecta del tamaño del hilo, que impactará en la
capacidad del motor de generar torque.
Prueba de motores en derivación
Los motores en derivación con doble voltaje ofrecen la capacidad de comparar dos juegos de
devanados, mientras que los motores con un único voltaje tendrán el mismo procedimiento de
prueba que el que se utiliza para los devanados de motores en serie, con F1 y F2 en lugar de S1 y
S2. Con el voltaje doble, los devanados en derivación se identifican como F1 a F2 y F3 a F4, para
permitir al analista probar y comparar estos dos juegos de bobinas.
Al probar y solucionar problemas de lecturas en el tiempo, debe corregirse la temperatura en las
lecturas de resistencia simple, generalmente en relación con 25 ºC. La impedancia y la inductancia
cambiarán más que en un motor con devanado en serie debido a que existe una mayor resistencia
simple en el circuito. El ángulo de desfasamiento e I/F permanecerán constantes, entre 1 y 2
puntos, independientemente de la temperatura. Las variaciones en I/F y en el ángulo de
desfasamiento indicarán espiras en cortocircuito, mientras que los cambios en la impedancia y la
inductancia generalmente indicarán que los devanados están sucios. Las comparaciones entre F1 a
F2 y F3 a F4 deben ser menores al 3% en resistencia, inductancia e impedancia y no debe haber
más de 1 punto de diferencia en los valores de I/F o en el ángulo de desfasamiento.
99
MANUAL DE ANÁLISIS DEL MCA
Se pueden probar y comparar motores similares, como los motores de devanado en serie. Siempre
que sea posible, se deben probar los motores, al establecer las tendencias de las lecturas, a la
misma temperatura que en las pruebas anteriores. Por ejemplo, a los pocos minutos de haber
apagado el sistema o antes de iniciarlo; esto permite realizar las pruebas a temperaturas similares.
Prueba de motores combinados
Las pruebas, el establecimiento de tendencias y la solución de problemas son mucho más
sencillas con un motor combinado. Los motores combinados de voltaje simple generalmente
se identifican como A1 a A2, S1 a S2 y F1 a F2, mientras que los motores combinados de
voltaje doble generalmente se identifican como A1 a A2, S1 a S2, F1 a F2 y F3 a F4. Un
punto adicional clave para un motor con devanado combinado es que el devanado en serie
se suele realizar sobre el devanado en derivación, lo que permite que se produzcan fallas
entre los dos tipos de devanado.
Al establecer tendencias en un motor combinado, las pruebas suelen tomarse de los
terminales del motor de CC. Las pruebas MCA estándar realizadas con el ALL-TEST
incluyen señales de alta frecuencia de bajo voltaje que no dañarán la electrónica del equipo y
reducirán la necesidad de desconectar los conductores del motor mientras se realizan las
pruebas. Sin embargo, si el analista desea controlar la resistencia de aislamiento entre los
devanados en serie y en derivación, deben desconectarse los conductores del controlador. Al
establecer las tendencias en un motor de CC, debe probar A1 a S2 y los dos conductores de
campo, luego debe realizar una prueba de resistencia de aislamiento a 500 voltios entre los
conductores S2 y F1 y debe comparar las pruebas anteriores o los motores similares. En
cualquiera de los casos, las lecturas de resistencia de aislamiento deben permanecer por
encima de los 100 megaohmios. La unidad de ALL-TEST permite al analizador comparar de
inmediato las lecturas pasadas y presentes como un control rápido que le permite decidir
rápidamente si debe realizar más pruebas en los devanados. Tal como se mencionó en las
técnicas de pruebas en motores en serie o en derivación, las lecturas de I/F y de ángulo de
desfasamiento no deben variar más de 1 punto entre las pruebas; sin embargo, con el
tiempo, los devanados de campo y en serie variarán drásticamente entre sí.
La resolución de los problemas en los motores combinados debe realizarse en el motor
mismo. Desconecte todos los conductores del motor y sepárelos. Pruebe los devanados en
serie y de campo como se explica en las instrucciones para devanados en serie y en
derivación, luego realice una prueba de resistencia de aislamiento entre los devanados en
serie y en derivación. La resistencia de aislamiento debe ser mayor a 100 megaohmios.
Notas generales sobre las pruebas MCA en motores de CC
Se pueden identificar varios puntos clave al usar la prueba MCA en cualquier tipo de motor
de CC:
1. Cualquier lectura de I/F que esté por fuera del rango de -15 a -50, por ejemplo -56,
indica que hay una falla en el devanado.
2. Si la prueba muestra una resistencia infinita entre los conductores del mismo circuito,
significa que hay un devanado abierto.
100
MANUAL DE ANÁLISIS DEL MCA
3. Un aumento en la resistencia simple entre pruebas, cuando se corrige según la
temperatura, significa una conexión floja, en particular cuando cambian las lecturas
de impedancia e inductancia. Una resistencia simple reducida, cuando se corrige para
tener en cuenta la temperatura, puede significar un cortocircuito, generalmente
acompañado de variaciones en la impedancia, la inductancia, el ángulo de
desfasamiento y el valor I/F.
4. Cuando se prueban motores similares, los valores de I/F y el ángulo de
desfasamiento no deben variar más de 2 puntos; si existe una diferencia mayor,
debería realizarse un análisis completo.
5. Si se registran cambios al probar el circuito de armadura, debería realizarse una
prueba entre barras.
Si sigue estas instrucciones sencillas, el uso de un dispositivo MCA le permitirá detectar fallas
mucho antes de que el equipo empiece a funcionar mal. Si realiza las pruebas como parte de
un programa de mantenimiento predictivo, la frecuencia debería ser la que se muestra en la
Tabla 1, como mínimo.
Tabla 1: Frecuencia de pruebas en motores de CC
Tipo de prueba
No crítica
General
Mantenimiento general
Cada 1 año
Cada 6 a 9 meses
Mantenimiento predictivo
Cada 6 meses
Cada 3 meses
Prueba de armadura
Cada 1 año
Cada 6 meses
Crítica
Cada 3 a 6 meses
Mensualmente
Cada 3 meses
Las pruebas de mantenimiento general son las que no se utilizan para establecer la tendencia en el
tiempo. En general, están acompañadas de pruebas de vibración, lubricación de cojinetes,
inspección del conmutador e inspección de las escobillas. Las pruebas de mantenimiento
predictivo generalmente implican lecturas para establecer tendencias en el tiempo, para detectar
posibles fallas y determinar la mejor manera de retirar el motor para someterlo a un
mantenimiento correctivo. Una vez que se identifica una posible falla, las pruebas deben realizarse
con maypr frecuencia hasta que se determine que el motor debe darse de baja. Se debe realizar
una prueba de armadura completa junto con una prueba de mantenimiento general o predictivo
debido a las altas presiones ejercidas sobre el conmutador y a la contaminación por carbono.
Conclusión
La prueba eléctrica general de los motores de corriente eléctrica directa se realiza más
fácilmente si se emplean las nuevas técnicas disponibles con análisis de circuitos de motores
estáticos. Por primera vez, se pueden detectar con anticipación las fallas de espiras en los
devanados en serie, en derivación y de armadura antes de que dejen el equipo fuera de
servicio. Las pruebas de mantenimiento predictivo pueden realizarse desde el controlador y
las pruebas para solucionar problemas pueden realizarse en el motor. En general, las pruebas
no llevan mucho tiempo: requieren menos de cinco minutos por motor en el caso de las
pruebas de mantenimiento predictivo y llevan un poco más de tiempo en caso de que sea
necesario solucionar algún problema. En síntesis, las pruebas MCA mejoran ampliamente las
pruebas realizadas en motores de CC con el método tradicional de pruebas continuas.
101
MANUAL DE ANÁLISIS DEL MCA
APÉNDICE 9: Estudio de casos: asimetría de fases
en la planta de energía nuclear Vermont Yankee
ALL-TEST Pro, LLC™ Caso práctico: Asimetría de fase 012002
Tema: Estudio de casos: asimetría de fases en la planta de
energía nuclear Vermont Yankee
Descripción:
Ubicación: equipo de la central de energía nuclear Vermont Yankee. Sistemas efectivos del motor
de bomba refrigerante, abierto a prueba de goteo de 50 Cv, 3600 RPM, 480 voltios. Costo de falla
de enfriamiento del cojinete del generador de 500 MW: Ahorros de $1.000.000 : >$1.000.000
Se instaló un motor eléctrico conectado en delta de 50 HP y 3600 RPM y se verificó la
rotación en la bomba de refrigeración del cojinete del generador de Vermont Yankee. Se
trataba de uno de los dos motores que se pondría en servicio si el motor principal fallaba.
Cuando el motor principal falló, se puso en servicio este segundo motor. Se observó que había
una asimetría de corriente del 11% (p-p) con una asimetría de voltaje de menos del 0.5%. El
motor también tenía una vibración (eléctrica) de 120 Hz y una temperatura operativa excesiva,
aunque la corriente más alta identificó que el motor funcionaba al 90% de la carga.
Lecturas preliminares
Se utilizó un dispositivo ALL-TEST III™ para determinar la asimetría de fase, que dio como
resultado 000, -016 y -016 (% de asimetría) entre fases cuando el rotor se pasó a la máxima
asimetría en casa fase. Se seleccionaron dos motores más del mismo modelo y con el mismo
número de serie para su revisión y se probaron con los dispositivos ALL-TEST IV PRO™
2000 y ALL-TEST III™. Se evaluaron las asimetrías de fase resultantes y las pruebas del
rotor (la Figura 1 y la Tabla 1 son ejemplos de resultados frecuentes):
Figura 1: Prueba del rotor (Inductancia)
Tabla 1: Análisis de devanado
T1-T2
0,163
30
6
Resistencia
Impedancia
Inductancia
Ángulo
de
77
desfasamiento
I/F
-44
Aislamiento
102
T1-T3
0,175
49
9
T2-T3
0,168
44
8
77
77
-44
>99 M
-45
MANUAL DE ANÁLISIS DEL MCA
Se observó que la asimetría era notoria y que estaba relacionada con la corriente asimétrica,
la vibración y el calentamiento del motor. Se analizaron diferentes posibilidades, desde la
calidad de la energía hasta la calibración del equipo de prueba. Todos los resultados fueron
satisfactorios.
Paso siguiente
Se contactó al fabricante del motor y se observó que se habían realizado cambios de proceso
en una ubicación particular en el caso de las máquinas más grandes de devanado concéntrico.
En un motor de este tamaño y esta velocidad, el primer conjunto de bobinas concéntricas
(monofásicas) se dobla en las siguientes fases, lo que reduce el aspecto del devanado y la
resistencia mecánica del equipo. Para solucionar este problema, el fabricante tomó la decisión
de aumentar significativamente el tamaño del primer grupo de bobinas en el proceso
automatizado (primera fase) que, al mismo tiempo, es el más alejado del rotor. Esto permite
que los extremos de la bobina aparezcan sin tener que hacer modificaciones posteriores al
devanado en las bobinas. No se realizaron pruebas de dinamómetro, de carga total ni otro tipo
de pruebas en el diseño del motor. Sólo se realizó la prueba de impedancia aplicada de voltaje
que “cumplía los requisitos de diseño”. Eléctricamente, la inductancia se ve directamente
afectada por la distancia desde el rotor, la cantidad de conductores y la dimensión de la bobina.
La mejora en el proceso de fabricación del motor provocó una asimetría.
Se evaluaron los motores de otros fabricantes y se detectó que presentaban devanados
asimétricos. Sin embargo, se observó que varios motores nuevos presentaban vacíos de
fundido del rotor que impactarían en la capacidad del motor de producir torque.
La central nuclear Vermont Yankee ha implementado actualmente un programa para probar
todos los motores eléctricos de uso crítico antes de su aceptación, en el que se utilizan los
dispositivos ALL-TEST III™ y ALL-TEST IV PRO™ 2000 en combinación.
Gasto evitado
El generador tendría que sacarse de servicio antes de transcurridos dos minutos de la falla en
el segundo motor. La interrupción del generador de emergencia podría haber dañado los
cojinetes del generador y producido un corte general imprevisto del suministro eléctrico. El
gasto evitado calculado fue superior a $1.000.000 gracias a la detección de la falla. La
detección posterior de condiciones de motor similares en motores nuevos y reparados
continuó justificando el programa de inspección y prueba iniciales.
Lección aprendida
Los motores eléctricos nuevos y reparados no son inmunes a los defectos. Estos defectos
pueden ser el resultado de errores de producción o reparación o de errores de diseño. Un
programa de inspección inicial que utilice los dispositivos ALL-TEST III™ y ALL-TEST IV
PRO™ 2000 permitirá identificar estas posibles fallas costosas antes de la instalación del equipo.
103
MANUAL DE ANÁLISIS DEL MCA
APÉNDICE 10: Estudio de casos: Dinamómetros 012002
ALL-TEST Pro, LLC™ Caso práctico: Dinamómetros 012002
Tema: Caso práctico: dinamómetro en planta automotriz
Descripción:
Ubicación: motor de dinamómetro de la planta de fabricación de transmisión para camiones
en Oeste Medio. Sistemas efectivos de 200 caballos de vapor, motor especial y controlador
del dinamómetro, 480 voltios. Inspecciones finales en proceso, costo de falla con un 8% de
capacidad afectada. Ahorros >$125.000 en equipos sin incluir producción, entrega y mano
de obra: >$500.000 en equipos sin incluir producción, entrega y mano de obra
Falló un sistema de dinamómetro especial en la planta de transmisión para camiones de
Oeste Medio en la etapa final de prueba de la línea de proceso. La falla produjo daños por
más de $125.000 en equipos de comando sensible durante la producción y causó una merma
imprevista del 8% en el área de producción de prueba final.
Lecturas preliminares
Se aplicó el dispositivo ALL-TEST IV PRO™ 2000 para determinar la causa de la falla. La
primera prueba se realizó en el Centro de Control de Motores (MCC) e indicó un
cortocircuito grave (I/F y ángulo de desfasamiento) y conexiones sueltas (resistencia):
Tabla 1: Prueba en el MCC
T1-T2 T1-T3 T2-T3
0,013 8,255 8,253
Resistencia
7
10
10
Impedancia
1
2
2
Inductancia
Ángulo de
62
20
21
desfasamiento
-43
-16
-18
I/F
>99 M
Aislamiento
104
MANUAL DE ANÁLISIS DEL MCA
De acuerdo con la práctica estándar, el motor se probó en la caja de conexiones con los
siguientes resultados positivos:
Tabla 2: Prueba en la caja de conexiones del motor
Resistencia
Impedancia
Inductancia
Ángulo de
desfasamiento
I/F
Aislamiento
T1-T2
0,034
8
1
T1-T3
0,024
9
1
T2-T3
0,006
7
1
64
64
63
-43
-43
>99 M
-43
Esta prueba indicó que la falla estaba en el cableado. Cuando se lo inspeccionó, se encontró
que las conexiones se habían realizado incorrectamente, lo que provocó conexiones flojas
que a su vez hicieron que el aislamiento de los cables se rompiera y no funcionara. La falla
era un cortocircuito directo que causó un daño importante en el controlador. Debe
observarse que el cable no tenía descarga a tierra.
Paso siguiente
No se había realizado un análisis del circuito del motor (MCA) en el sistema del
dinamómetro antes de la falla de cableado. El sistema se agregó al programa de confiabilidad
de la planta y se detectaron varios cables de dinamómetro en el mismo estado. Un motor de
dinamómetro (150 cv) tenía un cortocircuito en la bobina:
Tabla 3: Dinamómetro de 150 cv en MCC
Resistencia
Impedancia
Inductancia
Ángulo de
desfasamiento
I/F
Aislamiento
T1-T2
0,022
7
1
T1-T3
0,022
7
1
T2-T3
0,022
9
1
60
62
64
-43
105
-43
>99 M
-42
MANUAL DE ANÁLISIS DEL MCA
La etapa final de la prueba es de suma importancia; por lo tanto, el Departamento de
Confiabilidad agregó una etapa de prueba de aceptación a todos los motores de
dinamómetro nuevos y reparados. Un ejemplo de una prueba de motor de dinamómetro de
200 cv en buen estado es la siguiente:
Tabla 4: Prueba de aceptación de dinamómetro de 200 cv
Resistencia
Impedancia
Inductancia
Ángulo de
desfasamiento
I/F
Aislamiento
T1-T2 T1-T3 T2-T3
0,012 0,011 0,010
8
7
8
1
1
1
64
63
64
-43
-43
>99 M
-43
Gasto evitado
La detección y la corrección temprana de otras fallas habrían permitido evitar costos en
equipos de $500.000 como mínimo, si se hubieran producido las fallas tal como sucedió con
el primer dinamómetro de 200 cv. Cada falla en un dinamómetro reduce la capacidad de
producción de una planta en un 8% durante la etapa de prueba final.
Lección aprendida
La revisión de los motores de uso crítico en una planta permite identificar los equipos de uso
crítico que deben incluirse en el programa de confiabilidad. Puede utilizarse un análisis de
circuitos de motores (con el sistema ALL-TEST IV PRO™ 2000) para proporcionar una
inspección inicial, análisis de tendencias y capacidad de solución de problemas que son poco
frecuentes en los equipos de mantenimiento predictivo. La identificación de conexiones
flojas, fallas en los cables y fallas en los devanados con frecuencia proporcionará un
beneficio simple y muy rápido para el programa.
106
APÉNDICE 11: Uso de ALL-TEST PRO 31™ para detectar
cortocircuitos en los poros
Uso de ALL-TEST PRO 31™
para detectar cortocircuitos en los poros
ALL-TEST PRO 31™ (AT31) es el probador o tester portátil para pruebas de
funcionamiento/falla más avanzado que existe en el mercado. Hemos creado un instrumento
que supera los probadores de comparación de ondas y otros equipos de la competencia y que
se vende a un precio promedio de USD 26:000 aproximadamente. Nota: Baker acaba de lanzar
al mercado un “probador de ondas pequeño” que cuesta USD 12.000, pero que está limitado a
motores más pequeños de 480 voltios y su peso sigue siendo superior a las 36 libras.
AT31 tiene la capacidad de detectar cortocircuitos en devanados, realizar pruebas visuales de
rotor, verificar el aislamiento a tierra y realizar una prueba de inducción electromagnética
(EMI) en el circuito, por un precio inferior a $1.500. Uno de los avances de AT31 es la
capacidad de ajustar la frecuencia de prueba a 100 Hz o menos. Esto es muy importante,
dado que las frecuencias más bajas “amplificarán” los cortocircuitos en los devanados para
obtener una mejor sensibilidad (consulte el artículo “Concepto y principio del análisis de
circuitos de motores”, disponible a pedido, para obtener una descripción técnica).
Hemos descubierto que AT31 es muy sensible cuando se lo utiliza a 100 Hz o menos. Por
este motivo, AT31 debe utilizarse de manera predeterminada en 200 Hz iniciales. El objetivo
de este “resumido” artículo es describir cómo utilizar la hipersensibilidad de AT31 de
manera eficaz a estas frecuencias más bajas.
¿Qué es un cortocircuito de poro?
Un cortocircuito de poro es un cortocircuito muy pequeño que generalmente se produce en
las últimas espiras del devanado de un motor. Este tipo de cortocircuito era muy poco
frecuente antes de la década del 90, pero se volvieron más comunes tras el mayor uso de
motores moduladores de ancho de pulso (PWM).
Los cortocircuitos se producen en una pequeña área entre las espiras individuales de una
bobina. Pueden hacer que el motor se active en un controlador de frecuencia variable
(VFD,), pero por lo general funcionan correctamente en la línea (estándar de 50 ó 60 Hz de
potencia). Estos cortocircuitos suelen tener el diámetro de un alfiler, de allí el término de
cortocircuito de poro.
Tanto el dispositivo ALL-TEST IV PRO™ 2000 como el ALL-TEST III™ pueden detectar
estos tipos de cortocircuitos. Sin embargo, los resultados a veces están en el límite, lo que
requiere cierta experiencia para detectarlos, en particular con el ALL-TEST III. Como
resultado, el dispositivo que sustituye a ALLTEST III es más sensible.
Hecho que lo afirma: en un intento por mostrar que las pruebas de ondas de alto voltaje
superan los análisis de circuitos de motores (tecnología ALL-TEST Pro), un potencial cliente
indujo un cortocircuito de poro en el devanado de un motor de 2 cv (cabe agregar que fue
mediante el uso de un probador de ondas).
107
El cortocircuito estaba diseñado para que consumiera 1750 voltios antes de que la última
tecnología de prueba de ondas pudiera detectar la falla.
AT31, en la frecuencia de prueba de 200 Hz, dio un resultado levemente por encima del
rango, tal como ALL-TEST IV PRO 2000. Esto podría haberse considerado un hallazgo
dentro de la zona "difusa" (una zona difusa es aquella en la que el resultado de la prueba
parece asimétrico o está apenas por fuera de las especificaciones de la prueba). Los técnicos
que realizaron la prueba seleccionaron una frecuencia de prueba menor a 60 Hz en el AT31.
El resultado fue una separación de más de 5 dígitos entre las fases. Mientras tanto, varios de
los empleados del fabricante del probador de ondas probaban el motor y sólo uno de los
ingenieros detectó la falla con el analizador más avanzado que existía.
¿Cómo se utiliza esta nueva tecnología?
Se seleccionó la frecuencia predeterminada de 200 Hz, sobre la base de experimentos, para
reducir las posibilidades de falsos positivos. Al realizar la prueba, ahora tiene la posibilidad
de confirmar la condición de un motor por medio de una inspección más sensible de los
resultados de la prueba en la zona “difusa”. Por ejemplo, si obtiene los siguientes resultados
de prueba (a 200 Hz):
Prueba 1:
T1-T2
T1-T3
T2-T3
Fi
66
67
69
I/F -44
-44
-45
Puede ajustar la frecuencia hacia abajo (100, 60, 50, 30 o 25 Hz) y volver a realizar la prueba.
Si los resultados se mantienen (las lecturas reales cambiarán en unos dígitos, pero la
diferencia entre las lecturas se mantiene), entonces el devanado está en buen estado.
Prueba 2:
T1-T2
T1-T3
T2-T3
Fi
70
71
73
I/F -44
-44
-45
Si los resultados se separan más, como se muestra en la Prueba 3, entonces, el devanado está
en mal estado.
Prueba 3:
T1-T2
T1-T3
T2-T3
Fi
70
71
75
I/F -45
-45
-47
108
Conclusión
El dispositivo ALL-TEST PRO 31 es el probador de devanados para pruebas de
funcionamiento/falla más potente que existe en el mercado. El avance de nuestra tecnología
nos permite superar rápidamente a nuestros competidores y sus tecnologías con
instrumentos portátiles sencillos y resultados de prueba simplificados.
AT31 elimina rápidamente y con precisión todas las dudas respecto de una condición dudosa
del devanado de un motor y pone a punto motores nuevos y reparados en cuestión de
minutos.
Seguiremos proporcionándole información sobre las capacidades de ALL-TEST PRO 31 a
medida que avancemos.
Contribución de
Dr. Howard Penrose
109
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110
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