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ALL-TEST Pro, LLCMANUAL DE ANÁLISIS DEL CIRCUITO DEL MOTOR (MCA) ALL-TEST Pro, LLC

MANUAL DE ANÁLISIS DEL MCA

ALL-TEST Pro, LLC

MANUAL DE ANÁLISIS DEL MCA

ALL-TEST Pro, LLC 166 Main St

Old Saybrook, CT 06475 www.alltestpro.com

Teléfono 860-395-2988 • Fax 860-399-3180

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

M A N U A L D E A N Á L I S I S D E L M C A

©2008, ALL-TEST Pro, LLC 1

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.



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.



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.



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 ALL-TEST ProTM. Nota: El ángulo de desfasamiento no debería confundirse con la separación eléctrica de 120 grados entre las fases eléctricas de un sistema trifásico.



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).



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.



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.



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

Lectura T1-T2 T1-T3 T2-T3

Resistencia .272 .273 .272 Impedancia 47 53 58 Inductancia 9 10 11 Ángulo de

desfasamiento 73 72 71

I/F -43 -42 -41



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



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.



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)

+/- 0

Resistencia de aislamiento < 600 voltios > 5 megaohmios

Resistencia de aislamiento > 600 voltios > 100 megaohmios

Esta tabla corresponde solamente a los motores con el rotor removido



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

Tolerancia Detalle

Resistencia (R) <5% Posibles conexiones flojas

Impedancia (Z) e Inductancia (L)

La Impedancia sigue a la Inductancia

Cualquier asimetría es muy posible que se deba a la posición del rotor o el diseño del motor


La Impedancia no sigue a la Inductancia

Posible contaminación del devanado o recalentamiento del devanado

Ángulo de desfasamiento (Fi)

Dígito +/- 1 (grado) del promedio

Indica un cortocircuito en el devanado: 74, 75, 76 OK; 74, 74, 76 sospechosos; 73, 73, 76 fallaron

I/F Dígito +/- 2 (%) del promedio

Indica un cortocircuito en el devanado: -44, -45, -46 OK; -44, -46, -46 sospechosos; -42, -45, -45 fallaron

Resistencia de aislamiento

>5 megaohmios Voltaje de

suministro < 600V

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).



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.



ANÁLISIS DE MEDIDAS Y CAMBIOS La interpretación de los datos recabados de ALL-TEST IV PRO 2000TM se puede realizar a través del software TREND 2005/EMCAT PRO 2005

TM.

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.



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.



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



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 orden en el que el software TREND 2005/EMCAT PRO 2005

TM 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:



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



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.



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:

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.

8. 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).

9. 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.

10. 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).

11. 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.

12. 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



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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Ejemplo de lecturas de cambio

T1-T2 T1-T3 T2-T3

Impedancia 00 47 53 58 Inductancia 00 9 10 11 Impedancia 900 53 58 47 Inductancia 900 10 11 9 Impedancia 1800 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

Impedancia 00 47 53 58 Inductancia 00 9 10 11 Impedancia 900 47 53 58 Inductancia 900 9 10 11 Impedancia 1800 47 53 58 Inductancia 1800 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


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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 en un gráfico mediante la característica de prueba del rotor del software EMCAT PROTM 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).


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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.


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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.


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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


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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.


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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.


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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.


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Hipótesis 11: Valores cero

Las lecturas en T2-T3 están todas en cero, esto ocurre cuando el devanado está completamente en cortocircuito.


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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:


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Tabla 1: Estimaciones de los costos de tiempo de improductividad Industria Costos promedio de tiempo de

improductividad, por hora

Productos forestales $7.000 Procesamiento de alimentos $30.000

Petróleo y productos químicos $87.000 Fundición de metales $100.000 Industria automotriz $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 45% de los motores evaluados

Análisis del circuito del motor 70% de los motores evaluados

Resistencia de aislamiento (mega ohmios) 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.


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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.


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Tabla 3: Estudio de los caballos de vapor y de los costos de reparación del motor Tamaño del

motor Cantidad de

motores Costo de

rebobinado Costo de

reacondicionamiento

< 20 caballos de vapor

347 (Reemplazo, no reparación)

- -

20 15 $660 $220 25 10 $760 $255 30 2 $880 $295 40 3 $1.020 $340 50 27 $1.295 $430 75 18 $1.500 $500 100 21 $1.610 $540 125 32 $1.820 $610 400 6 $3.400 $1.200 750 4 $7.735 $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.


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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


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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 ALL-TEST 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 reducido

$41.400 Costos de mano de obra

$15.768 Costos de reparación del motor reducidos

$22.000 Costos de equipamiento

$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.


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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


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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


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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.


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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):

El sistema de distribución de energía de la instalación que incluye el cableado y los transformadores.

El control del motor, que puede incluir los arrancadores, los arrancadores suaves, los mandos de frecuencia variable y otros sistemas de puesta en marcha.

El motor eléctrico: un motor de inducción trifásica para el objetivo de este manual. 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.


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La carga, que hace referencia al equipo impulsado ya sea a través de ventilador, bomba, compresor u otro equipamiento de impulso.

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:

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.

Áreas de falla observadas: este puede ser un tema serio según cómo se observa el sistema motor y requerirá mayor atención en su seguimiento.

Comprensión de las variadas tecnologías CBM. 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.


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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:

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 tierra-pared). A esta prueba se la considera potencialmente destructiva.

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.

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.

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.

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.

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:

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


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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:

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.

Condiciones de voltaje alto y bajo: los motores eléctricos están diseñados para funcionar a +/- 10% como máximo del voltaje inscripto en la placa.

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).

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.

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.


44

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):

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:

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:

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:


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Avería termal debido a sobrecargas o antigüedad Contaminación, que puede ser más seria en los cables que pasan por debajo del piso a

través de tubos. Cortocircuitos en la fase como en la conexión a tierra. Pueden producirse por

arborescencia o daño físico. Aberturas por daños físicos u otras causas. 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:

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:

Cojinetes: uso general, utilización incorrecta, carga o contaminación. Eje o cajas de cojinete en malas condiciones o gastadas 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:

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


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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.

Falta de alineación del mando directo o por correas Desgaste de la correa o inserto Las cuestiones de tensión de las correas son más comunes de lo que se piensa y, en

general, resulta en fallas de los cojinetes 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.


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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:

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.

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.

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.


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Tabla 1: Comparación de tecnología del diagnóstico del sistema del motor PQ Control Con. Cable Estator Rotor Entre

hierroCojinetes Aisl. Vib. Alin. Carga VFD

Prueba desconectado

Prueba de potencial elevado

- - - - - - - - X - - - -

Prueba de aumento repentino

- - - - X - - - - - - - -

Verificador de aislamiento

- - - - - - - - X - - - -

Ohmiómetro - - L - L - - - - - - - -

Prueba IP - - - - - - - - X - - - -

Prueba MCA - X X X X X X - X - - - -

Prueba conectado

Análisis de vibración

- - - - L L L X - X X X -

Infrarrojo 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

Requiere experiencia

Personal exclusivo

Software incluido

Otras aplicaciones

Prueba desconectado

Potencial elevado

$10.000 + Potencialmente destructivo

Alta

Recomendado

No

No

Prueba de aumento repentino

$25.000 + Potencialmente destructivo

Alta

Recomendado

Algo

No

Verificador de aislamiento

$1.000 + No destructivo (ND)

Algo

No

No

Sí

Ohmiómetro $500 + (ND) Algo No No Sí

Verificador IP $2.500 + (ND) Mediana No Algo No

MCA $1.000/ $9.000 + (ND) Algo No Sí Sí

Prueba conectado

Vibración

$10.000 + (ND)

Alta

Recomendado

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


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Tabla 3: Enfoques comunes

PQ Control Con. Cable Estator Rotor Entre hierro

Cojinetes Aisl. Vib. Alin. Carga VFD

Resistencia de

aislamiento e IP

- - - L - - - - X - - - -

Infrarrojo y vibración

L X X L L L L X - X X X -

Aum. rep. y pot. elev.

- - - - X - - - X - - - -

MCA y MCSA

X X X X X X X X X X X X X

MCA e infrarrojo/Vi

bración

L 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


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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.


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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


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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: Estrella-Delta; 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

H1

H2

H3

X1

X2

X3

V

I

I/F.

aI

V/a


53

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

Figura 3: Transformador Estrella-Delta

Figura 4: Transformador Estrella-Estrella

H1

H2 H3

V

I I/F. X1X2

X3

X0

V/a √3V/a

H1 H2

H3

H0

V V/√3

√3aI X1

X2X3

V/√3a

I

H1

H2

H3

V

H0

V/√3

aII X1

X3

X2

X0

V/aV/√3a


54

Figura 5: Conexión de transformador Delta-Estrella

Figura 6: Conexión de transformador Delta-Delta

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

H1 H2 H3

X0 X1 X2 X3

H1 H2 H3

X1 X0 X2 X3


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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 ALL-TEST™ 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. 22 )( CL XXRZ −+= 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


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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

I/F -50 -23 -18 -44 -46 -44

Ángulo de desfasamiento

9 90 90 90 85 90

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.


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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


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


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.


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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. Resistencia: no más del 5% de asimetría sobre 0,250 y 7,5% por debajo de 0,250 ohmios. 2. Impedancia: asimetría < 2% 3. Inductancia: asimetría < 5% 4. Ángulo de desfasamiento: no más de 1 grado entre las fases 5. I/F: no más de 2 dígitos de diferencia y las lecturas deberían variar entre –-15 y -50. 6. 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.


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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%.


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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.


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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:

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.

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.


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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:

Los cojinetes debido al desgaste y la contaminación general Los campos del rotor debido a las altas temperaturas; en general, se queman al revés. 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".


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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:

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.

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.

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.

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.

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.

Análisis del registro de corriente del motor: se diseñó para la prueba del rotor de los motores de inducción.

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.


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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:

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.

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).

Se aplica voltaje no destructivo y no perjudicial. Interpretación de datos más sencilla: unas pocas reglas simples para la interpretación

de los datos (consulte Interpretación de datos). Diseño portátil, a diferencia del equipo que puede pesar entre 40 lbs. y más de 100

lbs. 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:

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”.


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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:

El equipo no debe tener corriente. Asegúrese de que las fuentes de energía secundarias también estén sin corriente.

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.

Evalúe los resultados de las pruebas (consulte Resultados de prueba esperados). 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:

Realice la prueba automática ALL-TEST IV PRO™ en el estator y evalúe los resultados. Esto proporcionará una indicación inmediata de cualquier falla.

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.


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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.

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.

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.

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.

Ángulo de desfasamiento e I/F (Corriente/Frecuencia): ambos son indicadores de fallas de aislamiento entre las espiras en el estator o el rotor.

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:


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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:

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.

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.


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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

Guideline for Electronic Static Winding Circuit Analysis of Rotating Machinery and Transformers, BJM Corp, ALL-TEST Division, 2001.

Penrose, Howard W. Motor Circuit Analysis: Theory, Application and Energy Analysis, SUCCESS by DESIGN, 2001.


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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).


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APÉNDICE 7: Diagnóstico eléctrico para generadores

ALL-TEST Pro, LLC


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


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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.


Patrones similares2

Los cambios en la impedancia que provocan 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.


+/ - 1 dígito del promedio

Indica un cortocircuito en el devanado: 74, 75, 76 aprobado; 74, 74, 76 sospechoso; 73, 73, 76 rechazado

I/F +/ - 2 dígitos del promedio

Indica un cortocircuito en el devanado: -44, -45, -46 aprobado; -44, -46, -46 sospechoso; -42, -45, -45 rechazado

Resistencia de aislamiento (megaohmios):

>5 megaohmios3 >100 Megaohmios4

Indica una mala conexión a tierra (por 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.


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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 Gravedad

R, Z, L < 3% verde

R, Z, L >3% y <5% amarillo

R, Z, L > 5% rojo

Fi, I/F <1 punto verde

Fi, I/F >1 pt y <3 pt amarillo

Fi, I/F >3 pt 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.


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Tabla 4: Análisis del rotor Condición Valor dB Condición del rotor Acción

1 >60 Excelente Ninguna

2 54-60 Buena Ninguna

3 48-54 Moderada Tendencia: 4 42-48 Fractura del rotor o junta de alta

resistencia

Aumentar los intervalos de prueba y establecer tendencia

5 36-42 Dos o más barras averiadas o rotas Confirmar con análisis del circuito del motor

6 30-36 Varias barras averiadas o rotas y problemas en los anillos de salida

Revisar y reparar

7 <30 Varias barras del rotor rotas y otros problemas severos en el rotor

Revisar y reparar

Tabla 5: Multiplicadores de registro

Tipo de falla Patrón (CF = frecuencia central)

Mecánica en el estator (es decir: bobinas sueltas, movimiento del núcleo del estator, etc.)

CF = RS x inclinaciones del estator Bandas laterales de frecuencia de línea

Cortocircuitos en el estator (devanados en cortocircuito)

CF = RS x inclinaciones del estator 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.


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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.


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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.


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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.


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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.


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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

Tabla 2: MCA en el generador

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.

T1-T2 T1-T3 T2-T3

Resistencia 0,0208 0,0189 0,0373Impedancia 1 1 1 Inductancia 0 0 0

Fi 22 21 20 I/F -28 -30 -35

Aislamiento 750 megaohmios

T1-T2 T1-T3 T2-T3

Resistencia 0,0445 0,0348 0,0542Impedancia 1,60 1,64 1,63 Inductancia 0,317 0,320 0,323

Fi 20 20 20 I/F -33 -35 -36

Aislamiento 750 megaohmios


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Figura 3: ESA a los “0” minutos





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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

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

T1-T2

T1-T3 T2-T3

Resistencia 0,1514 0,116 0,0828Impedancia 1 1 1 Inductancia 0 0 0 Fi 20 20 20 I/F -31 -33 -35 Aislamiento 55 megaohmios


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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 0,1070Impedancia 1,63 2,10 1,60 Inductancia 0,321 0,317 0,322 Fi 19 22 24 I/F -27 -21 -27 Aislamiento 41,8 megaohmios


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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.


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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.


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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.


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Diagnóstico del motor eléctrico para generadores Parte 3: análisis

ALL-TEST Pro, una división de BJM Corp


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.


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Tabla 1: Causas de fallas y tecnología CBM Falla Causas *Prueba de

condición

*Hallazgo de falla

No genera potencia, se recalienta o se activa cuando está desconectado.

Devanado a tierra MCA MCA

Devanado en cortocircuito MCA MCA, ESA

Devanado abierto MCA, ESA

Defectos de cojinetes ESA ESA

Propulsor dañado ESA

Campos rotativos a tierra MCA MCA, ESA

Campos rotativos en cortocircuito MCA MCA, ESA

Campos rotativos abiertos MCA, ESA

No cumple los requisitos de carga.



Falla en propulsor ESA




No funciona de manera uniforme.



Falla en propulsor 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.

Tabla 2: Capacidad de detección Tecnología Capacidad

MCA Devanados a tierra, abiertos, en cortocircuito

Campos rotóricos a tierra, abiertos, en cortocircuito

ESA 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


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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

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.

A B C A B C

Posición 1

Posición 1

Posición 2

Posición 2

Devanados: dirección de campos en bobinas


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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.


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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

prueba

Tolerancia Detalle

Resistencia (R) <5%5 Utilizada para detectar conexiones flojas, hilos rotos, cortocircuitos directos y cables con distinto tamaño.


Patrones similares6

Utilizada para detectar la contaminación de devanados, devanados quemados (recalentados), asimetrías de fase muy grandes o un muy mal estado del rotor.


+/-1 dígito del promedio

Indica un cortocircuito en un devanado del estator o del rotor.

I/F +/- 2 dígitos del promedio

Indica un cortocircuito en un devanado del estator o del rotor.


>5 megaohmios7 >100 megaohmios8

Indica una condición de aislamiento a tierra 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.


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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

medición inicial Gravedad

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.


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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 sueltas, movimiento del núcleo del estator, etc.)

CF = RS x muescas del estator Bandas laterales de frecuencia de línea

Cortocircuitos en el estator (devanados en cortocircuito)

CF = RS x muescas del estator 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.


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Figura 2: Registro de campo rotativo, alta frecuencia (buen estado)

Figura 3: Registro de campo rotativo, baja frecuencia (mal estado)

Figura 4: Registro de campo rotativo, alta frecuencia (mal estado)

Máquina de 6 polos

Máquina de 6 polos


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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


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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.


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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:

Armazón: constituye la estructura externa de la máquina. Se utiliza para montar la mayoría de los demás componentes del motor.

Campos: son las bobinas montadas en las piezas de polos de los campos que generan un campo magnético estable.

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.

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.

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.

Escobillas: se utilizan para proporcionar CC a la armadura. Las escobillas se ubican por encima del conmutador.

Conmutador: consta de varias barras de cobre separadas por mica. Cada barra se conecta a las bobinas en la armadura.

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.


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Los tres tipos de devanados básicos que se utilizan para identificar el tipo de motor de CC son los siguientes:

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

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

A1 A2 S1 S2

A1 A2F1 F2


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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

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.

A1 A2F1 S1 S2 F2


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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


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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.


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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.


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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 Crítica

Mantenimiento general Cada 1 año Cada 6 a 9 meses Cada 3 a 6 meses

Mantenimiento predictivo Cada 6 meses Cada 3 meses Mensualmente

Prueba de armadura Cada 1 año Cada 6 meses 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.


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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 T1-T3 T2-T3

Resistencia 0,163 0,175 0,168 Impedancia 30 49 44 Inductancia 6 9 8 Ángulo de desfasamiento 77 77 77

I/F -44 -44 -45 Aislamiento >99 M


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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.


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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 Resistencia 0,013 8,255 8,253 Impedancia 7 10 10 Inductancia 1 2 2 Ángulo de desfasamiento 62 20 21



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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

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






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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

T1-T2 T1-T3 T2-T3Resistencia 0,012 0,011 0,010 Impedancia 8 7 8 Inductancia 1 1 1 Ángulo de desfasamiento 64 63 64


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.

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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).

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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.


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.


Fi 70 71 75 I/F -45 -45 -47

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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

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