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Mejore la solución de problemas de VDF con las pruebas a motores desenergizados y energizados

Las mejoras en la tecnología de variadores de frecuencia (VFD) han resultado en menores costos, mayor confiabilidad y, lo que es más importante, un mayor uso. La mayoría de los sistemas VDF modernos tienen diagnósticos internos que crean un apagado automático en las fallas. Sin embargo, la causa de estas fallas a veces puede ser difícil de localizar y corregir. Sin embargo, las pruebas a motores fuera de operación (MCATM) y energizadas (ESA) pueden proporcionar información valiosa para ayudar a identificar rápida y fácilmente muchos de estos problemas. Este breve documento destaca cómo incorporar estas dos técnicas de prueba de motores fáciles de realizar en la solución de problemas de VDF.

Operación básica

Figura 1. Señal proveniente de una fuente rectificada.

Un VDF rectifica la alimentación CA trifásica entrante para crear un bus de CC. El bus de CC utiliza condensadores/capacitores para suavizar la señal CC rectificada como entrada a la sección del inversor. En el sector de los inversores, el controlador utiliza microprocesadores para controlar los interruptores semiconductores que convierten el voltaje de CC en un voltaje de CA variable de 3 fases y la entrada de frecuencia al motor. Al controlar la cantidad de tiempo, los semiconductores (SCR o IGBT’S) están disparando, el ancho de los pulsos de CC modula la CC para producir un voltaje de entrada trifásico simulado con voltaje y frecuencia variables. La frecuencia del voltaje de entrada determina la velocidad a la que el campo magnético gira alrededor del estator. La velocidad a la que el campo magnético rota se conoce como velocidad síncrona (SS).

SS= 120 F/P

Donde:

F= frecuencia de la tensión de alimentación

P = número de polos en el motor

Debido a la naturaleza de conmutación del circuito inversor, los VDF pueden crear problemas de Calaidad de la Energía (PQ por sus siglas en inglés) al introducir armónicos en el sistema eléctrico de la planta. Además, los VDF también pueden ser sensibles a los problemas de PQ entrantes que hacen que los VDF se apaguen. Muchos VDF tienen electrónica interna que indica la causa del apagado. Estos códigos comunes asignan la causa de la sobretensión, sobrecorriente, sobrecarga, voltaje o desequilibrio de corriente, sobretemperatura o fallas externas. Esta información es importante, pero la verdadera pregunta es qué causó la condición de falla. ¿La condición de falla es causada por el VDF o experimentada por el VDF?

Si el VDF experimenta la falla, podría ser el resultado de la alimentación entrante, problemas de conexiones, cualquiera de los muchos problemas de motores o fallas en la máquina accionada o en el proceso.  Si la falla es causada por el VDF. Podría ser el resultado de la avería o la falla de los componentes electrónicos. Entre los fallos comunes, se encuentran los diodos en la sección del rectificador, los condensadores del bus de CC o la avería o falla de un semiconductor en la sección del inversor.

Pruebas de motores desenergizados: Análisis del Circuito del Motor (MCA™ – Motor Circuit Analysis)

El Análisis del Circuito del Motor (MCA™) es una técnica de prueba de motores que inyecta una serie de señales de CA y CC de bajo voltaje a través de los devanados del motor para evaluar a fondo todo el sistema del motor mientras el motor está desenergizado. Las pruebas del motor MCA se pueden realizar directamente en el motor o de forma remota desde la salida del VDF. A diferencia de las pruebas tradicionales de motores desenergizados, que no logran identificar problemas del rotor o desarrollar una falla en el aislamiento del devanado. Las pruebas MCA proporcionan una indicación temprana del desarrollo de fallas no solo en el sistema de aislamiento de la pared hacia tierra, sino también en los conductores circundantes de aislamiento utilizados para crear las bobinas en el estator, así como fallas existentes o en desarrollo en la parte eléctrica de los rotores. El MCA puede identificar fallas en las primeras etapas, pero también puede confirmar rápidamente un motor “Bueno”, lo que puede eliminar rápidamente el motor como la causa del disparo del VDF. Al realizar la prueba de 3 minutos desde la salida del VDF, un resultado “bueno” no solo indica que el motor está bueno, sino que todo el cableado asociado y todos los componentes eléctricos en el circuito probado también están en buenas condiciones. Sin embargo, si los resultados indican que está mal, simplemente requiere realizar una prueba adicional de 3 minutos directamente en las terminales del motor. Si la prueba del motor sale bien, entonces la falla está en el cableado o controlador. Si el motor indica una falla en desarrollo, hay pruebas MCA opcionales disponibles para determinar si la falla está en el rotor o en el circuito eléctrico del estator.

Las pruebas de CC de bajo voltaje proporcionan una indicación de los problemas de conexión en el circuito bajo prueba para confirmar que todas las conexiones externas e internas están lo suficientemente “apretadas”. La serie de pruebas de CA ejercita el aislamiento del devanado e identifica los cambios muy pequeños que ocurren en la composición química del aislamiento del devanado a medida que el aislamiento entre los conductores comienza a degradarse.

La prueba dinámica manual opcional requiere la rotación manual del eje del motor bajo prueba y desarrolla una firma de estator que identifica cualquier falla en desarrollo en el aislamiento que rodea los conductores en las bobinas que componen el sistema de bobinado del estator. Las firmas del rotor identifican fallas en el sistema eléctrico del rotor, como excentricidad estática o dinámica, grietas, roturas o huecos en el material de fundición en las barras del rotor o en los anillos.

Pruebas a motores energizados: Análisis de la Firma Eléctrica (ESA)

El ESA utiliza el voltaje y la corriente de entrada y salida del VDF para analizar rápidamente la condición y la calidad de la energía que se suministra a la unidad, así como la salida de voltaje y corriente de la unidad al motor. Cada una de estas pruebas requiere menos de un minuto. Al realizar pruebas ESA a motores en la entrada de la unidad, así como en la salida de la unidad, se proporciona un perfil completo de la calidad de la energía a la entrada y salida. Cada prueba realiza una captura de datos simultánea de las tres fases de voltaje y corriente para crear tablas PQ para cada una de las tres fases, captura, muestra y almacena 50 msec de las formas de onda de voltaje y corriente para las 3 fases. Además, en 50 segundos, las formas de onda de voltaje y corriente se digitalizan y se utilizan para realizar FFT de alta y baja frecuencia tanto en el voltaje como en las corrientes de entrada y salida.

Potencia de entrada

El voltaje de entrada a la unidad proporciona información valiosa que indica la condición del voltaje entrante suministrado a la unidad, calcula cualquier desequilibrio de voltaje o corriente, o contenido armónico en el voltaje o corriente entrante. La corriente de entrada proporciona una indicación de la condición de los diodos en la sección rectificadora de la unidad. La Figura 2 muestra la forma de onda de corriente con todos los diodos disparando correctamente. En la figura 3 se puede determinar rápidamente que uno o más de los diodos en la sección del rectificador no están disparando correctamente.

Figura 2: Forma de onda de diodo en buen estado   

Voltaje de salida

Figura 4: Funcionamiento adecuado de los IGBT

El voltaje de salida del accionamiento proporciona información sobre el estado del accionamiento, así como la calidad de la energía que se proporciona al motor, incluidos, entre otros, el funcionamiento adecuado o inadecuado de los semiconductores en los circuitos del inversor y el desarrollo de fallas de los condensadores del bus de CC.  La Figura 4 proporciona una instantánea de una fase de la salida de voltaje del accionamiento, que es el voltaje del motor. Todas las formas de onda de este voltaje de salida deben ser relativamente uniformes y simétricas. Las formas de onda de voltaje no simétricas indican falla o IGBT fallidos. Observe las ondulaciones en la parte plana de las partes positiva y negativa de las formas de onda en la figura 5. Esta es una indicación de condensadores defectuosos en el bus de CC. Un condensador fallido de $ 400 puede destruir una unidad completa.

Corriente de salida

Figura 5: Falla del condensador de bus de CC

La corriente del motor actúa como un transductor muy sensible para el sistema del motor. Cualquier falla existente o en desarrollo en el motor, la máquina accionada o en el proceso hará que la corriente del motor se module. Estas modulaciones en la corriente de salida proporcionan una indicación de la condición eléctrica o mecánica o cualquier anomalía en el proceso. La Tansformada Rápida de Fourier (FFT) en las formas de onda digitalizadas de voltaje y corriente identifica rápidamente fallas en el motor, como barras de rotor agrietadas o rotas, excentricidad estática o dinámica. La indicación temprana del desarrollo de fallas en los rodamientos de elementos rodantes, la condición de equilibrio y alineación de los componentes giratorios del motor o la máquina accionada también se puede identificar rápidamente utilizando la misma frecuencia de falla reconocida durante mucho tiempo en el análisis de vibraciones.                              

Análisis automático

El software del ESA combina toda la información recopilada en el proceso de adquisición de datos de 50 segundos y los compara con estándares, pautas y algoritmos predeterminados para crear los gráficos, tablas y pantallas necesarios para evaluar rápidamente la condición de todo el sistema motor desde la potencia entrante hasta el proceso. Al finalizar la evaluación, el ESA crea un informe completo  detallado que no solo destaca el desarrollo de problemas en la parte eléctrica, el desarrollo de fallas en la máquina accionada u otro equipo conectado al motor, sino también anomalías en el proceso que podrían hacer que el VFD se dispare. El informe de ocho páginas también detalla las mediciones que están dentro de las pautas predeterminadas, eliminando así la mayor parte del trabajo de conjeturas normalmente asociado con la solución de problemas del VDF.

                                  

Figura 6: Tabla PQ sobre la salida de VFD     Figura 7: Pantalla de resultados

Resumen

Al incorporar el MCA y ESA en el proceso de solución de problemas estándar de un VDF, el analista tiene la información más detallada disponible para permitir que el analista determine rápidamente si la causa es derivada del VFD o experimentada por el VDF. La prueba MCA de 3 minutos no solo identifica los motores defectuosos, sino que también puede eliminar que el motor sea la causa de falla y garantizar que si se instala un motor nuevo, esté libre de fallas.  El ESA confirma que la energía de entrada y salida del VDF está libre de fallos en una prueba simple que toma menos de 1 minuto.

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