JORGE MURILLO 2006

ANLISIS DE VIBRACIONES EN MOTORES ELCTRICOS

Las maquinas elctricas son usadas por la mayora de las industrias para generar potencia y/o accionar equipos para procesos. El desarrollo del motor elctrico ha contribuido sustancialmente en el crecimiento de las industrias siendo este un dispositivo simple que convierte energa elctrica en energa mecnica. Los motores elctricos tienen un nmero limitado de problemas comparado con otros equipos, sin embargo, algunos problemas solo ocurren en los motores elctricos. En el presente documento se presentan elementos de diagnostico para los motores, en la primera parte se har una breve descripcin de su operacin y componentes. Motores de corriente alterna Un motor de induccin consiste de un rotor y un estator. El estator es un electro magneto estacionario ranurado, construido con un ncleo de hierro laminado, el cual, recibe suministro de corriente a un voltaje determinado. Para formar los polos norte y sur, se enrolla alambre en las ranuras del estator. El rotor por otra parte esta construido de barras de aluminio cortocircuitadas con anillos en los extremos

Figura 1 Constitucin de un motor de induccin

Motores de corriente directa Los motores DC consisten en un rotor (armadura) y un estator bobinado (polos). En este tipo de motores la corriente se debe conducir a las bobinas de la armadura a travs de unas escobillas de carbn que resbalan sobre un conmutador, el cual va

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montado en el rotor. La combinacin de las escobillas con el conmutador me crea el polo norte sur magntico en el rotor. Estos polos magnticos en el rotor son rechazados por los polos norte y sur del estator, los cuales se forman haciendo pasar corriente directa a travs del devanado; esta atraccin y repulsin es lo que lo hace rotar.

Figura 2. Motor de corriente Directa

Fuentes elctricas de vibracin en motores AC Las fallas de un motor elctrico normalmente son de origen mecnico y afectan al campo magntico. Un campo magntico desbalanceado causa fuerzas desbalanceadas inducidas elctricamente en el motor Frecuencia de lnea: En vista que los motores de corriente alterna son fabricados en pares de polos, la vibracin elctrica inducida en el motor ocurre dos veces la frecuencia de lnea o 7200 Hz., esta vibracin elctrica inducida es por tanto una caracterstica del motor que se puede ver alterada por algn tipo de fallo elctrico o mecnico, como la distorsin del rotor, pero que por si sola no presenta problemas al funcionamiento del motor. Frecuencia de deslizamiento: La diferencia entre la frecuencia del campo magntico rotatorio del estator y la frecuencia rotacional del rotor es llamada frecuencia de deslizamiento. Este deslizamiento debe existir para que se produzca el movimiento, a medida que el motor se acerca a su mxima carga, disminuye tambin su velocidad, si el motor

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disminuye gradualmente su velocidad en condiciones de carga relativamente constante es evidencia de un problema elctrico como veremos mas adelante. Frecuencia de paso de barras Este es un fenmeno de alta frecuencia causado por el paso del campo magntico del rotor a travs de las ranuras del estator y su valor numrico equivale al nmero de ranuras totales multiplicado por la frecuencia de rotacin; otro fenmeno de las mismas caractersticas, se produce cuando se induce una frecuencia excitada por el paso de las barras del rotor a la velocidad de rotacin. Problemas elctricos Motor fuera de su centro magntico Como su nombre lo indica esta condicin normalmente ocurre cuando el rotor no esta posicionado en el centro magntico del estator ya sea en la direccin axial o radial cuando se tiene un air gap desigual. Este problema puede no generar excesivos niveles de vibracin y a menudo es pasado por alto por que los datos no fueron procesados con la suficiente resolucin para identificar el problema. Por ejemplo los datos en la figura 3 fueron tomados a un motor de 3600RPM. Esta informacin podra ser errneamente diagnosticada como soltura, desalineamiento o incluso el eje doblado por que se necesitaba mas resolucin para que el diagnostico fuera mas preciso. La figura 4 contiene alrededor de 60Hz una ventana de 20Hz. Esta informacin indica que el motor esta fuera de su centro magntico, contiene la frecuencia de lnea de 60Hz y la velocidad del motor a 59.5Hz, adicionalmente, la velocidad de rotacin tiene bandas laterales a la frecuencia de deslizamiento por el numero de polos (0.5 Hz x 2 = 1Hz).

Figura 3. Informacin de un motor de 3600RPM

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Figura 4. Motor fuera de su centro magntico, mostrado en una ventana de 20Hz alrededor de la frecuencia de 60Hz.

Barras rotas del rotor Aunque este problema es similar al motor fuera de su centro magntico tiene unas diferencias distintivas. La similaridad consiste en que la velocidad del rotor es modulada por la frecuencia de deslizamiento por el nmero de polos. Una barra rota del rotor crea un punto muerto en el rotor dando como resultado un desbalanceo elctrico que genera unos niveles significativos de vibracin a una o dos veces la velocidad de rotacin. De nuevo, la informacin espectral debe ser tomada con suficiente resolucin para un diagnostico preciso. La figura 5 contiene informacin tomada de un motor con una o ms barras rotas. En el rango de 1000Hz, el diagnostico podra ser soltura y eje doblado. La figura 6 contiene una ventana de 40Hz alrededor de 60Hz. La velocidad del motor es 59.5Hz y tengo presentes bandas laterales a ms o menos 0.9Hz, lo cual coincide con la frecuencia de deslizamiento por el nmero de polos. La banda lateral a 58.6Hz es ms grande en amplitud que la velocidad del motor, cuando la amplitud del modulador es ms grande que la portadora, esto puede indicar que tengo ms de una barra rota en el rotor.

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Figura 5. Informacin tomada de un motor con luna barra rota.

Figura 6. Frecuencia de 60Hz vista desde una ventana de 40Hz Corto entre espiras Los arrollamientos del estator son a menudo llamados polos. Cuando algunos de los cables en los polos estn en corto, el motor disminuye su velocidad y cuando esto sucede la frecuencia de deslizamiento crece, la figura 7 contiene informacin de un motor de 1800RPM que tiene un corto entre espiras. La velocidad del motor es 1740RPM, adems, se tiene bandas laterales a la frecuencia de deslizamiento por el numero de polos.

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Figura 7. Motor con corto entre espiras

Problemas de vibracin en motores sncronos En muchos casos la corriente directa necesitada para manejar un motor es proporcionada por un generador DC. Sin embargo por un proceso de rectificacin, se puede convertir la corriente AC en DC. Industrialmente esto se hace por medio de SCR. Si la corriente trifsica es rectificada, la conmutacin de los SCR presenta 6 picos por ciclo, por lo tanto se genera una frecuencia en los motores correspondiente a 360Hz (21600CPM). Estos picos generan pulsaciones en la alimentacin DC del campo principal del motor, por lo tanto la velocidad del motor vara a las mismas pulsaciones de frecuencia Conmutacin La conmutacin en los motores DC es una fuente de vibracin debido al contacto mecnico entre las escobillas y los segmentos del conmutador. Debido a que el conmutador no es perfectamente pulido, las escobillas brincan arriba y abajo con el giro del motor. El brinco de las escobillas crea una frecuencia de vibracin al nmero de segmentos del conmutador x RPM. Esta frecuencia, o sus armnicos, pueden excitar otras componentes junto con el sistema de resonancia. Se puede detectar vibracin de las escobillas en el dominio de la frecuencia. La presencia de la vibracin de escobillas indica que estas estn en buena condicin, y que el resorte todava ejerce presin hacia el conmutador. Cuando la vibracin por el brinco desaparece, la escobilla no esta haciendo contacto con el conmutador. Por esto, existe un espacio permanente entre la escobilla y el conmutador, causando excesivo chisporroteo. Puntos sobresalientes del conmutador tambin puede causar brinco en las escobillas.

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Referencias The vibration analysis Handbook, James Taylor Anlisis de las Vibraciones Volumen I y II, Vibration Institute Vibration Institute Proceeding 20th annual Meeting St Louis, Missouri Vibration Volumen 20 No2 Junio, Septiembre y Diciembre de 2004.