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Cómo probar completamente los motores de inducción de CA trifásicos usando las pruebas a motores desenergizados

Las personas a menudo prueban motores de inducción de corriente alterna (CA) con métodos que no evalúan con precisión la imagen completa. Las pruebas inadecuadas pueden conducir a un reemplazo prematuro del equipo, análisis de costos deficientes y otros resultados negativos. Las pruebas a motores desenergizados con el Análisis del Circuito del Motores pueden hacer que las pruebas sean más precisas, procesables y directas. Este artículo le mostrará cómo probar un motor de CA trifásico y explicará por qué los métodos de MCA™ son más completos.

¿Cómo funcionan los métodos de prueba tradicionales?

Antes de cubrir cómo probar un motor trifásico con procedimientos de prueba modernos, revisaremos por qué los métodos de prueba tradicionales que utilizan resistencia de aislamiento a medidores de tierra y multímetros generalmente no son suficientes. Estas herramientas pasan por alto partes específicas del motor y no siempre lo ayudarán a saber si un motor trifásico es malo.

Medidores de resistencia del aislamiento a tierra

La evidencia indica que solo alrededor del 17% de las fallas eléctricas del estator ocurren entre las bobinas y el marco del motor o son directamente cortos a tierra, mientras que aproximadamente el 83% ocurren en el aislamiento del devanado. Dado que las pruebas IRG ignoran el aislamiento del devanado, solo se aplica a un pequeño porcentaje de fallas. Tampoco evalúa el estado general del aislamiento a tierra, solo su punto más débil. Los medidores IRG recomiendan usar el índice de polarización antigüo para determinar la capacidad del aislamiento a tierra para almacenar una carga eléctrica. Estas directrices, basadas en tipos de aislamiento más antiguos, pueden ser inválidas para los sistemas de aislamiento más nuevos.

El propósito de las mediciones IRG no es determinar la condición del aislamiento, sino verificar que el motor eléctrico trifásico sea seguro para energizar. Las mediciones adicionales, como el factor de disipación y la capacitancia a tierra, proporcionan una indicación más completa de la condición general del sistema de aislamiento.

Multímetros

Los multímetros miden la resistencia del circuito eléctrico entre cables específicos del motor. Teóricamente, si el aislamiento que rodea a los conductores se rompe (como en un corto de bobinado), la resistencia de la bobina en corto sería menor que las otras bobinas, creando un desequilibrio de resistencia entre fases.

El problema con la resistencia como indicador de la degradación del aislamiento del devanado radica en la ley fundamental de la electricidad que establece que la corriente toma el camino de menor resistencia. Antes de que la corriente pueda atravesar una vuelta o vueltas en una bobina, la resistencia de aislamiento entre las bobinas debe ser menor que la resistencia de los conductores cortocircuitados entre vuelta y vuelta. Estos valores pueden estar en el orden de miliohms y, por lo general, no son medibles hasta que el aislamiento entre los devanados haya desaparecido por completo.

Otro problema con los multímetros es que el aislamiento tiene un coeficiente de temperatura negativo. A medida que aumenta su temperatura, la resistencia disminuye, potencialmente a un valor lo suficientemente bajo como para que la corriente se acorte alrededor de la bobina. Si se toman lecturas después de que el motor se haya apagado, las temperaturas del devanado y el aislamiento han disminuido, lo que permite que la resistencia del aislamiento aumente lo suficiente como para que la corriente siga su trayectoria habitual y se presente con una medición equilibrada entre las fases.

¿Cómo se rompe el aislamiento?

La evaluación de la condición de un motor trifásico se basa en la indicación temprana de la ruptura del aislamiento. Para hacer esto, el MCA™ utiliza señales de bajo voltaje CA para ejercitar el sistema de aislamiento del bobinado para determinar cuándo el aislamiento de devanado comienza a sufrir los cambios químicos que ocurren a medida que el aislamiento comienza a degradarse.

Toda la materia consiste en moléculas y átomos. Los átomos funcionan como ladrillos LEGO®, formando moléculas utilizando enlaces químicos. Estos enlaces ocurren en la capa más externa de un átomo (valencia). Los materiales aislantes tienen electrones de valencia muy estrechamente unidos. Los materiales conductores tienen electrones ligeramente unidos en la capa de valencia. El calor puede cambiar la composición química del material aislante, haciendo que el aislamiento que rodea los conductores se vuelva más conductor y forme caminos en el aislamiento. Estas rutas crean cortocircuitos entre los conductores.

Según la ecuación de Arrhenius, estas reacciones químicas se duplican por cada aumento de temperatura de 10 grados centígrados (10°C). El aislamiento no falla instantáneamente. Todos los materiales de aislamiento eléctrico son dieléctricos y experimentan un cambio en la composición química con el tiempo, pero estas reacciones aceleran el deterioro.  El calor hace que la velocidad de reacción aumente, lo que acelera correspondientemente la tasa de deterioro.

Cuando esto sucede, el aislamiento comienza a fallar en etapas:

  1. A medida que el aislamiento se estresa, se vuelve más conductor, menos resistivo y menos capacitivo. La temperatura comienza a aumentar en la zona de falla, y el aislamiento forma caminos de carbonización. En las primeras etapas, no fluye corriente a través del aislamiento.
  2. La resistencia continúa disminuyendo a medida que el aislamiento se degrada. La autoinductancia y la capacitancia pueden disminuir, y el motor puede comenzar a dispararse intermitentemente pero funcionar con éxito después de que el aislamiento se enfríe. La operación continua permitirá que las temperaturas en la zona de falla continúen aumentando a medida que la falla empeora.
  3. Finalmente, el aislamiento se degrada hasta que la corriente fluye a través de la zona de falla. Este fenómeno podría provocar una ruptura completa del aislamiento del devanado, vaporizando el devanado. En este punto, la inductancia de la bobina y la resistencia al bobinado cambian.

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¿Cuáles son las fallas más comunes de rotor? 

Porosidad en el material de fundición

Rotor excéntrico

Entrehierro desigual

Barras de rotor agrietadas o rotas

 

¿Cuáles son las fallas comunes del rotor?

Algunos grandes motores de inducción de CA trifásicos (EPRI afirma que 10%) fallan debido a problemas con el rotor. Estos son indetectables en los métodos tradicionales de prueba a motores o requieren diagnósticos que consumen mucho tiempo e instrumentos de prueba complejos. Aquí hay algunas fallas típicas del rotor.

Porosidad en la fundición

La porosidad en la fundición ocurren cuando se forman burbujas de vapor en las barras del rotor o en los anillos finales en la parte eléctrica de los rotores jaula de ardilla. Esto aumenta la resistencia en la barra o barras. Las barras del rotor crean circuitos paralelos. La teoría eléctrica básica establece que el voltaje en cada tramo de los circuitos paralelos es el mismo.  Porosidad en la fundición en una barra del rotor aumenta la resistencia de la barra del rotor, lo que hace que el flujo de corriente (a través de la barra con la falla) disminuya, y aumenta el flujo de corriente a través de las barras adyacentes. El aumento del flujo de corriente a través de estas barras de rotor adyacentes causa un calentamiento adicional de estas barras de rotor. El calor adicional hace que las barras afectadas se expandan térmicamente, haciendo que el rotor se flexione y cree vibraciones excesivas, fallas tempranas y frecuentes en los rodamientos.

Rotor excéntrico

Un rotor excéntrico ocurre cuando la línea central geométrica del eje no es concéntrica con la línea central geométrica del núcleo del rotor. El punto en el rotor que está más lejos del eje (punto alto) estará más cerca del estator, mientras que el punto en el lado opuesto del rotor (punto bajo) estará más cerca del eje pero estará más lejos del estator. La excentricidad crea un espaciado desigual entre el núcleo del rotor y el núcleo del estator. Dado que un rotor excéntrico tiene un punto alto y un punto bajo, el espaciado desigual entre el rotor y el estator cambia con la posición del rotor.

Este tipo de excentricidad se llama excentricidad dinámica. Esta condición crea fuerzas eléctricamente desequilibradas entre el rotor y el estator, lo que conduce a fallas frecuentes en los rodamientos.

Entrehierro desigual

Ocurre desigualdad en el entrehierro si un rotor concéntrico no está posicionado en la línea central geométrica (GCL) del campo del estator. Esta circunstancia puede ocurrir debido a un mecanizado impreciso y no concéntrico de los ajustes de las ranuras en el bastidor del motor y las campanas finales. Incluso los ajustes correctamente mecanizados pueden permitir que el GCL del rotor se desvíe del GCL del estator. Este problema crea espacios libres estrechos y fuerzas eléctricas desequilibradas entre el estator y el rotor similares a un rotor excéntrico, pero el espacio libre estrecho permanece en una ubicación fija dentro del motor y no cambia con la orientación del rotor. Este tipo de excentricidad se llama excentricidad estática.

Una condición de pie suave o pata coja entre las patas del motor y la base es una causa común de excentricidad estática. Si las patas del motor no están en el mismo plano que la base en la que se monta el motor, apretar los pernos de sujeción en el marco del motor puede hacer que el marco del motor se distorsione, lo que también distorsionará el campo del estator. Estas distorsiones crean las mismas condiciones que si el rotor estuviera descentrado en el campo magnético del estator.

Estos espacios de aire pueden crear espacios libres estrechos y fuerzas magnéticas desequilibradas que pueden provocar fallas frecuentes en los rodamientos y grietas o roturas en las barras del rotor.

Barras de rotor agrietadas o rotas

Las barras del rotor actúan como conductores en el circuito eléctrico del rotor. Si las barras del rotor están agrietadas o rotas, se producirán puntos muertos en el rotor cuando las barras afectadas estén debajo de cualquiera de los polos del estator de campo magnético que giran alrededor del núcleo del estator. La corriente modula a través del rotor a una frecuencia igual al número de polos en el motor y la frecuencia de la corriente que fluye a través del rotor. Las barras del rotor rotas o agrietadas evitarán que el rotor alcance la velocidad normal o cree un exceso de corriente, calor y vibración de la maquinaria. Si no se corrige, el rotor puede eventualmente autodestruirse.

¿Qué implica el Análisis del Circuito del Motor™?

Para evaluar estas fallas del rotor y las deficiencias de las pruebas tradicionales, podemos utilizar estrategias de Análisis del Circuito del Motor™ más completas para probar un motor trifásico CA.

Aislamiento a tierra

El aislamiento a tierra es cualquier aislamiento que separa la energía eléctrica suministrada al motor y al bastidor o a cualquier otra parte expuesta del motor. Su propósito es dirigir el camino de la corriente y evitar que vaya a cualquier lugar además de su ubicación prevista. Recuerde, las mediciones de IRG confirman que un motor es seguro para energizar, no confirma su condición. Las mediciones de Factor de Disipación (DF) y CTG proporcionan más información sobre la condición general de del aislamiento a tierra.

El sistema de aislamiento a tierra se puede modelar como un circuito RC en serie-paralelo. El aislamiento a tierra forma un condensador ya que es un material dieléctrico colocado entre materiales conductores. El condensador almacena una carga eléctrica, por lo que parte de la corriente alterna aplicada a un condensador regresa a la fuente cuando se elimina el voltaje. Sin embargo, algunos fluyen a través del dieléctrico. La corriente que regresa a la fuente es capacitiva, mientras que la corriente que fluye a través del material dieléctrico es resistiva.  Cuando se aplica voltaje de CA al condensador, la corriente capacitiva conduce el voltaje en 90 grados eléctricos, mientras que la corriente que fluye a través del dieléctrico es resistiva y está en fase con el voltaje CA.

Un aislamiento nuevo y limpio tiene una corriente resistiva que es del 3 al 5% de la corriente capacitiva. Si el material aislante se degrada, la corriente resistiva aumenta o la corriente capacitiva disminuye o se producen ambos. En cualquier caso, afecta la relación entre la corriente resistiva y la corriente capacitiva: el DF. Un DF creciente indica un GWI en degradación, que podría deberse a la degradación térmica o contaminación.

Los motores nuevos y limpios también tienen un valor CTG específico. Si el valor actual de CTG ha aumentado desde la Referencia (Base Line), generalmente ocurre debido al aislamiento contaminado o la entrada de agua. La degradación térmica del aislamiento GWI aumenta la corriente resistiva y disminuye la corriente capacitiva, por lo que el valor de CTG disminuye. La combinación de estas dos mediciones de CA con las mediciones de IRG proporciona más información para determinar la condición general del GWI.

Pruebas estáticas al bobinado del estator

Las pruebas de bobinado del estator pueden ser estáticas o dinámicas. Las pruebas estáticas ocurren cuando el rotor está sin movimiento e incluyen lo siguiente:

  • Resistencia de devanado: Para medir la resistencia del devanado, puede aplicar secuencialmente un voltaje de CC a dos de los tres cables del motor para evaluar la resistencia de los conductores conectados entre los cables del instrumento. Los desequilibrios asociados con la resistencia al devanado generalmente se deben a conexiones sueltas o de alta resistencia.
  • Inductancia (L): La inductancia mide la capacidad de una bobina o bobinado para almacenar un campo magnético. Los motores tienen autoinductancia e inductancia mutua. La degradación del aislamiento de una bobina afecta la autoinductancia, y cualquier cambio en el circuito eléctrico del rotor afecta la inductancia mutua. El desequilibrio de inductancia a menudo proviene de la posición del rotor. La posición del rotor no es un problema, pero es una condición natural asociada con los motores de inducción. Los motores de inducción CA se pueden moldear como un transformador con un secundario giratorio. Los devanados del estator actúan como primarios y las barras del rotor son los secundarios. En una condición estática, el número de barras de rotor colocadas directamente debajo de las bobinas energizadas que se están probando establece la relación de vueltas entre el primario y el secundario. Esto establece la inductancia mutua entre el rotor y el estator. Si el número de barras del rotor colocadas debajo de cada fase no es el mismo debido a la posición del rotor, creará una inductancia desequilibrada entre las fases.
  • Impedancia (Z): La impedancia es la oposición total al flujo de corriente en un circuito de CA. Mientras que la resistencia solo mide la oposición de CC, la inductancia y la capacitancia en el circuito afectan la impedancia. Estas cantidades cambian cuando el aislamiento que rodea los conductores que forman las bobinas de los devanados comienza a cambiar. Dado que Z es un valor escalador, puede pasar por alto pequeños cambios en las primeras etapas de la degradación del aislamiento.
  • Ángulo de fase (Fi): el ángulo de fase mide el retardo de tiempo entre dos o más eventos dentro del mismo período. Un ciclo completo es de 360 grados. Si se tarda un segundo en completar un ciclo (el período del ciclo), y un evento se queda atrás del otro en medio segundo (medio ciclo, o 180 grados), Fi es de 180 grados. La frecuencia es la inversa del tiempo (1/T), por lo que todos los eventos con el mismo período ocurren a la misma frecuencia. Si los ciclos no comienzan simultáneamente, uno liderará o se retrasará. Los circuitos resistivos, inductivos y capacitivos diferirán en la forma en que la corriente y el voltaje se dirigen o retrasan entre sí. Entonces, cuando la composición química del aislamiento que rodea los conductores que forman las bobinas comienza a cambiar, Fi cambiará antes de Z, L, R o C. La medición de Fi es un indicador principal de la ruptura del aislamiento.
  • Respuesta de la corriente a la frecuencia (I / F): los inductores almacenan campos magnéticos para oponerse a un cambio en la corriente, mientras que los condensadores almacenan cargas eléctricas para oponerse a un cambio en el voltaje. Si estas propiedades cambian, también lo hace la capacidad de la bobina o el devanado para almacenar una carga o un campo magnético. El aislamiento rodea los conductores en las bobinas de los devanados de fase. Si los aislamientos que rodean todas las bobinas tienen la misma condición, cada fase tiene la misma capacidad de almacenamiento. Una vez que el aislamiento comienza a degradarse, esta capacidad cambia, creando un desequilibrio en la capacidad de las bobinas de fase para almacenar un campo magnético o carga eléctrica. La respuesta I/F mide la capacidad de una bobina para almacenar un campo magnético o una carga eléctrica. Los desequilibrios superiores al 2% de I/ F de cualquier bobina del promedio de todas las fases indican una falla en desarrollo en el devanado.

El MCA™ es una tecnología probada en el campo que se ha utilizado con éxito por más de 35 años. El MCA™ ha documentado pautas para identificar fallas en desarrollo en bobinado y rotor. Para los profesionales ocasionales, estas pautas pueden ser difíciles de recordar y aplicar. Por lo tanto, a petición de algunos usuarios, los ingenieros de ALL-TEST Pro desarrollaron una solución única y patentada. Desarrollaron un algoritmo patentado que combina todas las mediciones de MCA™ que define la condición del devanado y el sistema del rotor. Proporciona un valor único, el Valor de Prueba Estático – TVSTM. El TVS™ no evalúa el aislamiento o la aptitud del sistema del rotor, pero refleja la condición de los sistemas eléctricos del motor como bobinado y rotor. Los motores no se curan automáticamente, por lo que cualquier cambio en el TVS™ indica que la condición del motor se está deteriorando.

El valor de referencia estático es generalmente el primer TVS™ realizado en un motor (RVS) y se especifica como el valor de referencia o “línea de base”. Esto permite que el instrumento compare los resultados de cualquier “prueba estática” presente con el RVS almacenado para evaluar la condición del motor. El RVS es un TVS™ guardado en el instrumento o software MCA™ como referencia para comparaciones. Si el TVS™ cambia en más del 3% de su valor original, es una advertencia de cambio temprana. Pasando el 5% indica un cambio severo.

Los motores nuevos o reconstruidos deben tener los resultados de la primera “prueba estática” almacenados como RVS.

Cuando un motor se instala por primera vez en un sistema, se realiza una nueva prueba estática desde una ubicación de fácil acceso, como el centro de control del motor o una desconexión local, y los resultados se almacenan como un nuevo RVS. Este nuevo RVS incorpora todos los componentes eléctricos en el controlador del motor y el cableado asociado. La realización de cualquier prueba estática posterior desde esa ubicación puede evaluar rápidamente la condición del circuito eléctrico.

Si un TVS™ nuevo difiere del RVS en menos del 3%, la condición del motor y los componentes asociados no ha cambiado. Una advertencia entre del 3 o 5% indica una falla en desarrollo o un cambio severo, respectivamente. El cambio no ha ocurrido necesariamente en el motor, sino en algún lugar del sistema. Aislar la falla requiere una nueva prueba estática realizada directamente en el motor. Si ese TVS™ del motor está dentro del 3% del RVS para el motor, la falla está en el controlador o en el cableado asociado. Si es superior al 3%, la falla está en los devanados del motor o en el sistema del rotor.

Para determinar si la falla está en el estator o rotor, deberá realizar una prueba dinámica.

Pruebas dinámicas

Las pruebas dinámicas se llevan a cabo mientras el eje del motor gira suavemente, girando lentamente manualmente. Crean una firma de estator y una firma de rotor.

  • Firma del estator: La firma del estator traza los valores medios de cambio en la impedancia a medida que las barras del rotor se mueven a través del campo magnético creado por las bobinas energizadas. En los buenos motores, la distribución de los valores medios es inferior al 1,1% de otras fases. Si es más alto, indica una falla en desarrollo en el aislamiento que rodea los conductores que componen las bobinas dentro de las fases. Si los valores superan un cambio del 3%, se está produciendo una degradación severa en el aislamiento.
  • Firma del rotor: La firma del rotor indica la cantidad que cada pico se desvía del valor medio. En buenos rotores, estos picos son simétricos. Deben variar menos del 10% de otros picos en la fase. Entre el 10% y el 15% indica una alerta temprana, y la variación superior al 15% indica un rotor defectuoso.

¿Por qué el MCA™ es tan útil?

Desafortunadamente, la falta de conocimiento sobre las capacidades modernas y probadas de las pruebas MCA™ a motores ha limitado el uso generalizado del método. Los enfoques tradicionales tienen una capacidad limitada para analizar a fondo los motores de inducción CA trifásicos. Hay otros métodos disponibles que consumen mucho tiempo, pero aún se centran en el aislamiento a tierra, que no proporciona ninguna indicación de los problemas más comunes de aislamiento de bobinado y rotor.

Hay instrumentos más caros disponibles que requieren más tiempo para probar, pero no logran determinar la condición del rotor del motor o el sistema de aislamiento.

El MCA™ supera estos problemas con un método fácil de usar y comprensible de pruebas a motores desenergizados. Ofrece evaluaciones detalladas, probadas en el campo y precisas para estos motores CA trifásicos. Nuestros instrumentos MCA™, como el ALL-TEST PRO 7™ y el ALL-TEST PRO 34™, son herramientas portátiles operadas por baterías que ofrecen instrucciones paso a paso para realizar las pruebas. También ofrecen una evaluación inmediata en pantalla de la condición del motor.

Las mejores pruebas de motor, más fáciles y más rápidas con el MCA™ pueden ofrecer beneficios como los siguientes:

  • Mayor precisión y éxito en la resolución de problemas: muchos motores tienen fallas menores, a menudo reparables, pero sus usuarios las descartan debido a costos de prueba adicionales. Algunas plantas reemplazan motores problemáticos en un tamaño predeterminado. Al identificar con precisión la falla, estos usuarios pueden realizar mejores análisis de costos / reparaciones para reducir el número de reemplazos y minimizar los costos asociados con las reparaciones, el tiempo de inactividad y la mano de obra calificada redirigida.
  • Instalaciones más confiables: Al inspeccionar motores nuevos y reconstruidos, una planta se asegura de que obtengan lo que pagan. Puede evitar instalar motores defectuosos o motores desgastados que aún estén en buenas condiciones y sean fáciles de reparar.
  • Reducción del tiempo de inactividad: Probar los motores para detectar indicios de degradación puede ayudarlo a reemplazar los motores sospechosos o débiles durante una parada programada, en lugar de permitir que las fallas repentinas detengan las operaciones y reduzcan su tiempo de actividad.

 

Equipos MCA™ de ALL-TEST Pro

Comience a utilizar los valores únicos de TVSTM y RVS del MCA™ y ALL-TEST Pro con nuestros productos de prueba de motor trifásicos. Ofrecemos una variedad de dispositivos de prueba, y nuestros expertos estarán encantados de ayudarlo a encontrar el más adecuado para su operación. Explore nuestros dispositivos en línea o comuníquese con nosotros si tiene alguna pregunta.