mantenimiento industrial de aparatos eléctricos revista...

Mantenimiento Industrial de Aparatos Eléctricos Revista No1

http://www.mielectronicapractica.com Página 1

Motores de inducción de Jaula de Ardilla.

Los motores de inducción o asincrónicos son los más utilizados en la industria. Son simples, resistentes, baratos y fáciles de mantener. Funcionan a velocidad constante, la velocidad depende de la frecuencia y del número de polos. Componentes El motor de inducción consiste de un estator estacionario y un rotor giratorio. El rotor está separado del estator por un pequeño entrehierro que va desde 0,4 milímetros hasta 4 mm, según la potencia del motor. Estator Consta de un armazón de acero que soporta el núcleo cilíndrico hueco compuesto de laminaciones apiladas. Varias ranuras equidistantes entre si, hechas en la circunferencia interna de las laminaciones, proporcionan el espacio para el devanado del estator.

Rotor También se compone de laminaciones ranuradas. Estas están cuidadosamente apiladas para crear una serie de ranuras para el devanado del rotor.

Esto es lo que se conoce como: Devanado de jula de ardilla.

Figura 1: Estator de motor de 460 Voltios

Figura 2: Rotor de motor de 460 Voltios



El rotor de jaula de ardilla se compone de barras de cobre desnudo, un poco más largas que el rotor, las cuales están insertadas en las ranuras por uno de los extremos. Los extremos opuestos se sueldan a dos anillos de cobre para que todas las barras estén en cortocircuito entre si. Toda la construcción se asemeja a una jaula de ardilla, de donde se deriva el nombre. Principio de operación La operación de un motor de inducción trifásico se basa en la aplicación de la ley de Faraday y la fuerza de Lorentz en un conductor. Veamos este comportamiento.

Si tenemos una serie de conductores de longitud L, cuyos extremos se ponen en cortocircuito mediante dos barras A y B, ver figura 3. Un imán permanente colocado sobre esta escalera conductora se mueve con rapidez hacia la derecha a una velocidad v, para que su campo magnético B pase a través de los conductores. Entonces ocurre la siguiente secuencia de eventos: 1.-Se induce un voltaje E = BLv en cada uno de los conductores mientras el flujo pasa por ellos ( ley de Faraday ) 2.-El voltaje inducido produce de inmediato una corriente I, la cual fluye por el conductor debajo de la cara del polo, a través de las barras extremas y regresa a través de los demás conductores. 3.-Como el conductor que transporta corriente queda en el campo magnético del imán permanente, experimenta una fuerza mecánica ( fuerza de Lorentz ). 4.-La fuerza siempre actúa en una dirección para arrastrar el conductor junto con el campo magnético. Si la escalera conductora está libre para moverse, se acelerará hacia la derecha. Sin embargo, conforme esta adquiera velocidad, el imán móvil pasará con menos rapidez por los conductores, por lo que el voltaje inducido E y la corriente I disminuirán. En consecuencia, la fuerza que actúa en los conductores también disminuirá. Si la escalera tuviera que moverse a la misma velocidad que el campo magnético, el voltaje inducido E, la corriente I y la fuerza que arrastra la escalera serian cero. En un motor de inducción la escalera se cierra a si misma para formar una jaula de ardilla y el imán móvil es reemplazado por un campo rotatorio.

El campo es producido por las corrientes trifásicas que fluyen en los devanados del estator.

Figura 3: Imán en movimiento que pasa sobre la escalera

conductora

Figura 4: Escalera enrollada para

formar una jaula de ardilla.



Campo rotatorio Veamos la figura 5 que muestra un estator simple de 6 polos salientes y cada uno tiene una bobina con 5 vueltas. Las bobinas están colocadas de manera diametral y conectadas en serie por medio de tres puentes que conectan respectivamente las terminales a-a, b-b y c-c. Esto crea tres juegos idénticos de devanados AN,BN,CN que están separados mecánicamente 120 grados entre si.

Las dos bobinas de cada devanado producen fuerzas magnetomotrices que actúan en la misma dirección. Los tres juegos de devanados están conectados en Y, por lo que forman un neutro común N. A causa de la disposición perfectamente simétrica, las impedancias de línea a neutro son idénticas. En otras palabras, en lo referente a las terminales A,B,C, los devanados constituyen un sistema trifásico balanceado. Si conectamos una fuente trifásica a las terminales A,B,C, las corrientes alternas Ia, Ib e Ic fluirán en los devanados. Las corrientes tendrán el mismo valor pero con el tiempo estarán desplazadas en un ángulo de 120 grados. Estas corrientes producen fuerzas magnetomotrices que, a su vez, crean un flujo magnético. Este flujo es el que nos interesa. Supongamos que las corrientes positivas ( indicadas por las flechas ) siempre fluyen en los devanados de la línea al neutro. A la inversa, las corrientes negativas fluyen del neutro a la línea. Además, para poder trabajar con números, supongamos que la corriente pico por fase es de 10 A. Por lo tanto, cuando Ia = +7A, las dos bobinas de la fase A juntas producirán una fmm de 7A X 10 vueltas = 70 ampere-vueltas y un valor de flujo correspondiente. Como la corriente es positiva, el flujo es dirigido verticalmente hacia arriba, de acuerdo con la regla de la mano derecha. A medida que el tiempo va pasando se puede determinar el valor instantáneo y la dirección de la corriente de cada devanado y establecer de esa manera los patrones de flujo sucesivos. Por ejemplo en el instante 1 la corriente Ia tiene un valor de +10A, mientras que Ib e Ic tienen un valor de -5A. La fmm de la fase A es 10A X 10 vueltas = 100 ampere-vueltas, mientras que las fmm de las fases B y C son de 50 ampere-vueltas. La dirección de las fmm depende de los flujos de corriente instantáneos y, utilizando la regla de la mano derecha, encontramos que la dirección del campo magnético resultante es la que se indica en la figura….Encontramos que el nuevo campo tiene la misma forma que antes, excepto que se ha movido un ángulo de 60 grados en el sentido de las manecillas del reloj. En otras palabras, el flujo realiza 1/6 de vuelta entre los instantes 1 y 2.

Figura 5: Estator elemental con sus terminales A,B,C,

conectadas a fuente trifásica .



Procediendo de esta manera para cada uno de los instantes sucesivos, 3,4,5,6 y 7, separados por intervalos de 1/6 de ciclo, encontramos que el campo magnético realiza una vuelta completa durante un ciclo: ver figuras X5-X10

Por consiguiente, la velocidad de rotación del campo depende de la duración del ciclo, y ésta depende a su vez de la frecuencia de la fuente. Si la frecuencia es de 60 HZ, el campo resultante realiza una vuelta en 1/60 segundos, es decir, 3600 revoluciones por minuto. Por otra parte, si la frecuencia fuera de 5 HZ, el campo realizaría una vuelta en 1/5 de segundo y la velocidad seria de solo 300 revoluciones por minuto.. Como la velocidad del campo rotatorio está necesariamente sincronizada con la frecuencia de la fuente, se llama velocidad síncrona. Dirección de rotación

Las crestas positivas de las corrientes mostradas en la figura 6 aparecen una detrás de la otra en el orden A-B-C. Esta secuencia de fase produce un campo que gira en el sentido de las manecillas del reloj. Si intercambiamos dos de las líneas conectadas al estator, la nueva secuencia de fase será A-C-B. Siguiendo la misma línea de razonamiento desarrollada en la sección del campo rotatorio, encontramos que ahora el campo gira a velocidad síncrona en la dirección opuesta o en el sentido contrario al de las manecillas del reloj. Si intercambiamos dos líneas cualesquiera de un motor trifásico, se invertirá su velocidad de rotación.

Número de polos-velocidad síncrona

Poco tiempo después de la invención del motor de inducción, se descubrió que la velocidad del flujo rotatorio se podía reducir incrementando el número de polos. La velocidad del campo rotatorio depende de la frecuencia de la fuente y del número de polos que tenga el estator. La velocidad síncrona está dada por la expresión:

Figura 6: Valores instantáneos de las corrientes y posición

de flujo de la figura 5.

Figura 7: Patrón de

flujo en el instante 1



ns= velocidad síncrona ( rev/min) f= frecuencia de la fuente ( Hz) p= numero de polos Se puede observar que la velocidad síncrona se incrementa con la frecuencia y disminuye con el número de polos. Características de arranque de un motor de jaula de ardilla

Conectemos el estator de un motor de inducción a una fuente trifásica, con el rotor bloqueado. El flujo rotatorio creado por el estator atraviesa las barras del rotor en induce un voltaje en ellas. Este es un voltaje de CA porque cada conductor es atravesado, en rápida sucesión, por un polo N seguido de un S. La frecuencia del voltaje depende del número de polo N y S que pasan por un conductor por segundo; cuando el rotor está en reposo, siempre es igual a la frecuencia de la fuente. Como los anillos extremos ponen en cortocircuito las barras del rotor, el voltaje inducido hace que fluya una gran corriente ( por lo general de varios cientos de amperes por barra en maquinas de mediana potencia ). Los conductores que transportan corriente se encuentran en la trayectoria del flujo creado por el estator, así que todos experimentan una fuerte fuerza mecánica. Estas fuerzas tienden a arrastrar el rotor junto con el campo rotatorio. Resumiendo: 1.-Se establece un campo magnético rotatorio cuando se aplica un voltaje trifásico al estator de un motor de inducción. 2.-El campo rotatorio induce un voltaje en las barras del rotor. 3.-El voltaje inducido crea grandes corrientes que fluyen en las barras del rotor y en los anillos extremos. 4.-Las barras del rotor que transportan corriente están dentro del campo magnético creado por el estator; por lo tanto, se ven sometidas a una gran fuerza mecánica. 5.-La suma de las fuerzas mecánicas en todas las barras del rotor produce un par o momento de torsión que tiende a arrastrar el rotor en la misma dirección del campo rotatorio. Aceleración del rotor-deslizamiento

Cuando el rotor es liberado, rápidamente se acelera en la dirección del campo de rotatorio. A medida que adquiere velocidad, la velocidad relativa del campo con respecto al rotor disminuye progresivamente. Esto hace que tanto el valor como la frecuencia del voltaje inducido disminuyan, debido a que las barras del rotor son atravesadas con menos rapidez. La corriente en el rotor, muy alta al principio, disminuye con rapidez conforme el motor adquiere velocidad. La velocidad continuará disminuyendo, pero nunca alcanzará la del campo rotatorio. De hecho, si el rotor girara a la misma velocidad que el campo ( velocidad síncrona en estator ), el flujo ya no atravesaría las barras del rotor y el voltaje inducido y la corriente serian cero. En estas condiciones, la fuerza que actúa en las barras del rotor también seria cero y la fricción en los cojinetes y la fricción del aire desacelerarían de inmediato el rotor. La velocidad del rotor siempre es un poco menor que la velocidad síncrona, de manera que produce una corriente en las barras del rotor suficientemente grande para superar el par o momento de torsión de frenado. Sin carga, la diferencia porcentual de la velocidad entre el rotor y el campo ( llamada deslizamiento ) es pequeña, por lo general de menos de 01,% de la velocidad síncrona.

Motor bajo carga



Supongamos que el motor está funcionando inicialmente sin carga. Si aplicamos una carga mecánica al eje, el motor comenzará a desacelerarse y el campo rotatorio pasará por las barras del rotor a tasas cada vez más altas. El voltaje inducido y la corriente resultante en las barras se incrementarán progresivamente y producirán un par o momento de torsión en el motor cada vez más grande. La pregunta es: ¿Durante cuánto tiempo puede continuar esto?. ¿ Continuará reduciéndose la velocidad hasta que el motor se detenga? No, el motor y la carga mecánica alcanzaran un estado de equilibrio cuando el par o momento de torsión del motor sea exactamente igual al par o momento de torsión de la carga. Cuando se alcance este estado, la velocidad ya no disminuirá y el motor girara a velocidad constante. Es muy importante entender que un motor solo gira a velocidad constante cuando su par o momento de torsión es exactamente igual al par o momento de torsión ejercido por la carga mecánica. En cuanto se altere este estado de equilibrio, la velocidad del motor comenzará a cambiar. Deslizamiento y velocidad de deslizamiento

El deslizamiento s de un motor de inducción es la diferencia entre la velocidad síncrona y la velocidad del rotor, expresada como un porcentaje de la velocidad síncrona.

s = deslizamiento ns = velocidad síncrona ( revoluciones / minutos ) n = velocidad del rotor ( revoluciones / minutos ) El deslizamiento es prácticamente cero sin carga y es igual a 1 ( o 100 % ) cuando el rotor está bloqueado.

Voltaje y frecuencia inducidos en el rotor

El voltaje y la frecuencia inducidos en el rotor dependen del deslizamiento. Están dados por las siguientes ecuaciones:

f2 = frecuencia del voltaje y corriente en el rotor en Hz f = frecuencia de la fuente conectada al estator en Hz s = deslizamiento E2 = voltaje inducido en el rotor con deslizamiento s Eoc = voltaje de circuito abierto en el rotor cuando está en reposo V En un motor de jaula, el voltaje de circuito abierto Eoc es el voltaje que sería inducido en las barras del rotor si estas estuvieran desconectados de los anillos extremos. En el caso de un motor de rotor devanado, el voltaje de

circuito abierto es veces el voltaje entre los anillos colectores con el circuito abierto.

Características de los motores de inducción de jaula de ardilla

1.-Motor sin carga. Cuando el motor funciona sin carga, la corriente en el estator es del orden de entre 30 al 50% de la corriente a plena carga. Consta de una componente magnetizante que crea el flujo rotatorio y un



pequeño componente activo que suple las pérdidas por fricción en los cojinetes y por fricción del aire en el rotor mas las perdidas en el hierro del estator. El flujo enlaza tanto el estator como el rotor.

Se requiere una potencia reactiva considerable para crear el campo rotatorio, y para mantenerlo dentro de límites aceptables, el entrehierro se hace tan corto como lo permitan las tolerancias mecánicas. Por tanto el factor de potencia sin carga es bajo, va desde un 20 a un 5 % de maquinas pequeñas a las grandes. La eficiencia es cero porque la potencia de salida es cero. 2.-Motor sometido a carga. Cuando el motor está sometido a carga, la corriente en el rotor produce una fmm que tiende a cambiar el flujo mutuo . Este produce un flujo de corriente opuesto en el estator. Como

resultado, se crean los flujos de dispersión Las fmm opuestas del rotor y el estator y , además del flujo

mutuo . La potencia reactiva total requerida para producir estos tres flujos es un poco mayor que cuando el motor funciona sin carga. Sin embargo, la potencia activa ( Kw) absorbida por el motor se incrementa en proporción directa a la carga mecánica, por lo tanto el factor de potencia del motor mejora de manera considerable con el aumento de la carga mecánica. A plena carga para maquinas pequeñas el factor de potencia va de 0,80 y las grandes 0,90. La eficiencia sin carga es alta, puede ser del orden de 98% para las grandes.

3.-Caracteristicas con el rotor bloqueado. La corriente con rotor bloqueado es de 5 a 6 veces la corriente de

plena carga, lo que hace que las perdidas sean de 25 a 36 veces mayores de lo normal. Por lo tanto, el rotor nunca debe mantenerse bloqueado mas de unos cuantos segundos. Aunque la potencia mecánica en reposo es cero, el motor desarrolla un fuerte momento de torsión. El factor de potencia es bajo porque se requiere una considerable potencia reactiva para producir el flujo de dispersión en los devanados del rotor y estator. Estos flujos de dispersión son muchos más grandes que los de un transformador porque los devanados del estator y rotor no están completamente acoplados. Estimación de las corrientes en un motor de inducción

La corriente a plena carga de un motor de inducción trifásico se calcula por medio de la siguiente ecuación aproximada:

I = corriente a plena carga en Amperios

Figura 8: Sin carga el flujo es el flujo principal, abarca a rotor y estator y se requiere una potencia reactiva considerable.

Figura 9: A plena carga el flujo mutuo se reduce, pero se crean flujos de dispersión en el estator y rotor. La potencia reactiva requerida es un poco

mayor que en vacio.



Ph = Potencia de salida en HP E = Voltaje nominal de línea en V 600 = constante empírica

Par o momento de torsión contra curva de velocidad

El par o momento de torsión desarrollado por un motor depende de su velocidad, pero la relación entre los dos no se puede expresar mediante una simple ecuación. Por lo tanto se muestra en una curva. Para un motor convencional cuyo momento de torsión a plena carga es T. El momento de torsión de arranque es 1,5T y el momento de torsión máximo ( llamado también momento de torsión de ruptura ) es 2,5T. El momento de torsión de aceleración es el momento de torsión mínimo desarrollado por el motor mientras está acelerando desde el reposo hasta el momento de torsión máximo. A plena carga el motor funciona a una velocidad n. Si la carga mecánica se incrementa un poco, la velocidad se reducirá hasta que el momento de torsión del motor sea igual al momento de torsión de la carga. En cuanto los dos momentos de torsión estén en equilibrio, el motor girara a una velocidad constante pero un poco mas baja. Sin embargo, si el momento de torsión de la carga excede los 2,5T ( momento de torsión máximo ), el motor se detendrá de inmediato.

Efecto de la resistencia del rotor La resistencia de un rotor de jaula de ardilla es básicamente constante desde que está sin carga hasta que está a plena carga, excepto que se incrementa con la temperatura. Por lo tanto, la resistencia se incrementa conforme se va incrementando la carga porque la temperatura se eleva. Al diseñar un motor de jaula de ardilla, la resistencia del rotor se puede ajustar dentro de un amplio rango mediante barras y anillos extremos de cobre, aluminio y otros metales en el rotor. Semejante cambio de resistencia afecta sobremanera la curva de momento de torsión-velocidad. El tamaño de las barras, forma y resistencia, tiene influencia significativa en las características Torque-Velocidad de un motor de jaula de ardilla.

Clases de diseño de motores de Inducción Modificando las características físicas de los rotores de los motores de inducción puede obtenerse una gran variedad de curvas Par-Velocidad. Con el fin de ayudar a la industria en la selección apropiada de los motores para las variadas aplicaciones y para cualquier potencia, NEMA en los Estados Unidos y la International Electrical Commission ( IEC ) en Europa han definido una serie de diseños normalizados con diferentes curvas par-velocidad. Estos diseños normalizados se conocen como clases de diseño. NEMA ha asignado las letras A,B,C y D para describir las características de Torque-Velocidad de los motores de jaula de ardilla de potencias superiores a 200 HP. Motores diseño NEMA A Los motores con diseño clase A son los motores con diseño común, con Par de arranque normal, corriente de arranque normal, deslizamiento bajo, a plena carga deslizamiento menos del 5%, y debe ser menor que el de un motor de potencia equivalente de clase B. El par máximo de 200-300% del par de plena carga. Uno de los inconvenientes de esta clase de diseño es que su corriente de arranque es extremadamente alta. La corriente típicamente pueden ser de 500-800% de corriente nominal ( la I de placa ). En épocas pasadas fueron muy utilizados. Hoy día vienen a ser reemplazados por los tipo B. Las aplicaciones se extienden al uso en: Ventiladores, bombas, torno, maquinas herramientas.



En la figura 10, podemos ver la geometría del rotor del motor NEMA A

Motores diseño NEMA B

Los motores con diseño tipo B, son motores con Par de arranque normal, corriente de arranque pequeña, deslizamiento bajo, a plena carga deslizamiento menos del 5%, par máximo 200% del par de plena carga. Estos motores producen aproximadamente el mismo par de arranque que los motores de clase A, con una corriente alrededor de 25% menor. El par máximo de salida es mayor o igual al 200% del par a carga nominal pero menor que el de clase A. Su deslizamiento es relativamente bajo, menor del 5% a plena carga. Las aplicaciones son similares a las de clase A, pero se prefieren los de clase B por su menor corriente de arranque. En instalaciones modernas los motores de clase B han reemplazado a los motores de clase A.

MOTORES DISEÑO NEMA C Los motores con diseño clase C, tienen un alto par de arranque con corriente de arranque pequeña y operan con deslizamiento bajo, menor que 5% a plena carga. El par máximo de salida es ligeramente menor que el de

Figura 10: Corte transversal de un rotor NEMA A, barras grandes cercanas a la superficie.

Figura 11: Corte transversal de un rotor NEMA B, barras grandes y profundas



los motores de clase A, pero su par de arranque es superior al 250% del par de plena carga. Estos motores se fabrican con rotores de doble jaula, lo cual los hace más costosos que los de las clases anteriores. Se utilizan con cargas que requieren alto par en el arranque, tales como bombas cargadas, compresores y bandas transportadoras.

Motores diseño NEMA D Estos motores tienen un par de arranque muy alto, 275% o más del par nominal y una corriente de arranque pequeña, pero a plena carga tiene un deslizamiento alto. Esencialmente, son motores comunes de clase A pero con las barras del rotor más pequeñas y hechas con material de mayor resistencia. La alta resistencia del rotor hace que el valor máximo del par se presente a velocidades muy bajas. Es factible que el mayor par ocurra a velocidad cero, es decir deslizamiento 100%. A plena carga, estos motores tienen deslizamiento más grande, dada la resistencia del rotor. Su valor típico está entre el 7 y el 11% pero puede llegar a ser hasta 17 % o más. Estos motores se utilizan en aplicaciones en las que se necesitan acelerar cargas con inercias extremadamente altas, especialmente volantes grandes, taladros, prensas y cizallas. En estos casos el motor acelera gradualmente un volante hasta llevarlo a velocidad suficiente con la cual se maneja el accionamiento. Después de una operación del accionamiento el motor vuelve a acelerar el volante durante un periodo de tiempo suficientemente prolongado, hasta la siguiente operación.

Además de los cuatro clases de diseño antes vistas, NEMA admite los diseños clase E y F, los cuales se conocen como motores de inducción de arranque suave. Actualmente estos dos diseños se consideran obsoletos. Las características Par-Velocidad de los motores NEMA A,B,C y D se pueden apreciar en la figura 14.

Figura 12: Corte transversal de un rotor NEMA C, rotor de doble

jaula.

Figura 13: Corte transversal de un rotor NEMA D, barras pequeñas cercanas a la

superficie.



Problemas y soluciones que se presentan en los motores de jaula de Ardilla

Cuando un motor falla al arrancar, se deben revisar fusibles, breakers relés de sobrecarga y el resto de los fusibles de control. Para chequear el motor, desconecte las puntas desde el controlador y haga chequeos de continuidad y prueba de tierra. (Procedimiento de verificación de aislamiento). La verificación de continuidad entre fases se puede hacer con el Megger (cero bien, alta lectura circuito abierto) BOBINAS EN CORTO Las bobinas en corto se detectan por alto consumo de corriente. Una bobina en corto que no se ha incendiado, o se ha decolorado por sobre calentamiento, puede ser detectado por un growler. El growler es una bobina alrededor de un hierro que se conecta a una fuente de AC. Cuando se coloca en el bobinado, la bobina del growler actúa como el primario de un transformador y las bobinas del motor en prueba actúan como el secundario. El growler se desplaza de ranura en ranura y vibra cuando se detecta una bobina en corto. Si no se dispone de un growler, se aplica voltaje reducido al estator, aproximadamente el 25% del voltaje nominal, con esto se puede llegar a que la bobina en corto se caliente más rápido que las otras. El rotor debe ser removido para esta prueba.

Figura 14: Curvas típicas par-velocidad para motores con rotores de

diferentes diseños



GROWLER: Cuando el flujo magnético alterno del growler abarca la bobina, el cambio de flujo a través de la bobina genera un voltaje alterno en ella. Si la bobina esta en corto, se completa el circuito y una

corriente alterna aparece. Esta resultante magnética abraza a los conductores de la ranura, la cual atrae y rechaza un pedazo de hoja de segueta o cuchilla que pongamos sobre la ranura, produciendo una vibración en sincronismo con la corriente alterna. Una fuerte vibración (growling) indica que la bobina está en corto. En la figura 2 se puede observar el principio de operación del Growler. En la figura 3 se muestra la forma de utilizar el Growler como herramienta para detectar una espira en corto-circuito.

Figura 1: En la figura se puede observar el daño producido en el estator por la fricción del metal del rotor contra el hierro del estator. Estas partes se ponen al rojo vivo, incendiando las bobinas, produciendo cortocircuitos entre ellas, y llevándolas a tierra.

Figura 2: Principio de

operación del Growler.



LOCALIZANDO ESTATOR A TIERRA Un estator a tierra puede ser localizado aplicando voltaje reducido entre los terminales del motor y tierra. Se ajusta el reóstato de tal manera que la corriente que fluya sea tal para observar el calentamiento, o el humo en el punto de falla. Referirse a la figura 4 para ver la forma de conexión del circuito de prueba para detectar estator a tierra.

Antes de realizar esta prueba el motor debe ser aislado de tierra, sobre madera seca o un elemento aislante adecuado.

Figura 5: Estator con falla a tierra como resultado del roce del rotor contra el devanado del estator. El estator de la figura corresponde a un motor de 13.8 KV- 6,9 MW y 1750 RPM.

Figura 3: Forma de utilizar el Growler para detectar bobinas en corto.

Figura 4: Forma de conexión para detectar estator a tierra.



La búsqueda de estator a tierra para motores que han sido reparados o recién rebobinados, las acciones que se pueden seguir, inician con el empleo de una herramienta muy útil que también puede ser usada para detectar contactos a masa, es la lámpara de prueba, como la podemos observar en la figura 6. El procedimiento para su uso es conectar un terminal de la lámpara a la carcasa del motor, y el otro a uno de los bornes de éste. Si la lámpara se enciende, es señal de que una de las fases del motor está en contacto a masa. Para mayor seguridad se debe repetir la operación con los tres bornes del motor.

Si al realizar la prueba se detecta que está presente este defecto, se debe localizar para corregir antes de realizar nuevas pruebas. Se debe revisar el estator tratando de encontrar la falla por inspección visual. Si el resultado es negativo, se debe desconectar cada fase y comprobarlas por separado. Si el motor está conectado en estrella, se desconectan las fases por el punto neutro y luego se verificará cada fase de manera individual, ver figura 7.

Para motores conectados en triangulo, se debe proceder a separar las fases por los puntos de alimentación y luego se comprueban sucesivamente. Ver figura 8.

Figura 6: Lámpara de prueba para detectar contacto a masa en un motor.

Figura 7: Verificación individual de las fases contra masa en un motor conectado en estrella, las tres fases se han desconectado

de la estrella.

Figura 8: Verificación individual de las fases contra masa en un motor conectado en delta, las tres fases se han desconectado de los

puntos de alimentación.



Una vez identificada la fase defectuosa, será preciso localizar la bobina donde reside la avería. Para ello se empieza por desempalmar las conexiones entre los grupos de la fase defectuosa, como se puede apreciar en la figura 9.

Posteriormente se verifica cada grupo de manera separada, con el auxilio de la lámpara de prueba. Una vez identificado el grupo defectuoso, podrá localizarse de manera fácil la bobina averiada soltando todas las que corresponden al grupo citado y verificándolas sucesivamente. Conocida la Bobina que se halla en contacto a masa, se reemplazará por otra nueva o se aislará de manera conveniente, renovando al mismo tiempo,

el aislamiento de la ranura correspondiente. Ver figura 10. Una causa frecuente de contacto a masa la puede originar el desplazamiento eventual de una chapa del núcleo, que al sobresalir de la ranura presiona sobre el devanado y corta el recubrimiento del aislante con su parte aguda. Una solución es hacer retroceder la chapa metálica hasta que vuelva a ocupar su posición correcta. LOCALIZANDO BOBINAS DE ESTATOR ABIERTAS Cuando hay una línea abierta el motor no arranca. Se debe escuchar un ruido como de toro salvaje ( hum ) y tiene los síntomas parecidos a cuando se vuela un fusible de una de las tres fases. Cuando una línea se abre mientras el motor está con carga causa arco e incendia el aislamiento cercano a la falla.

Figura 9: Identificando el grupo defectuoso. Se deben desempalmar primero las conexiones entre los grupos de la fase correspondiente.

Figura 10: Bobinas del grupo totalmente desconectadas para

detectar la que está a tierra.



Pero si no es apreciable por inspección visual, se pueden realizar una serie de pruebas para determinar el sitio exacto de la falla. Tomemos inicialmente el caso para un estator de bobinas simples como se puede observar en la figura 11. Lo primero es saber si el devanado es delta o estrella. Una lectura con el megger puede ser tomada entre T1 y T2, T2 y T3, T3 y T1. Una conexión delta indica cero para todas las combinaciones, y para estrella debe indicar cero para una combinación solamente T1 y T3. Ver figura 11. Si el estator está en delta las conexiones A, B, C deben ser abiertas y las nueve líneas incluyendo las tres de entrada deberán ser marcadas para que puedan ser reconectadas de la misma forma después que sea reparado. Los seis cables del estator deberán ser probados con el megger para continuidad, los dos cables que indiquen infinito, después de probar entre cada una de ellas, nos lleva a la fase que está abierta.

Luego se puede determinar la bobina que está abierta usando el Megger, colocando una punta de éste en el punto de inicio de la bobina y con la otra punta ir tocando sucesivamente las conexiones entre grupos hasta encontrar una lectura alta. Vea figura 12. La falla estará entre juntas adyacentes que den lecturas de cero y valor alto respectivamente en el Megger.

Figura 11: Conexión de estator trifásico de bobinas simples, mostrando una bobina

abierta. A la izquierda conexión en estrella y a la derecha conexión delta.

Figura 12: Bobinas del grupo totalmente desconectadas para detectar la que está a tierra.



Si el estator está conectado en estrella, la fase abierta estará en la fase que indica infinito cuando el Megger se prueba con las otras dos fases. El punto de la línea abierta puede ser determinado probando la fase abierta con un Megger siguiendo el procedimiento antes realizado y con la ayuda de la figura 12.

Cuando se tienen motores con arreglos de bobinados serie-paralelo como se ilustra en la figura 13, tales máquinas podrían operar con una bobina abierta pero no podrán dar toda su potencia. Luego la solución será abrir las conexiones en los puntos A,B y C y seguir las recomendaciones que se anotaron para la de un devanado simple que se enunciaron arriba. Es importante que los cables sean debidamente marcados con el fin de poder hacer la reconexión posterior.

PROBLEMAS EN ROTORES DE JAULA DE ARDILLA Las barras rotas en un rotor de jaula de ardilla hacen que operen de manera no satisfactoria. La máquina es ruidosa, tiene bajo torque de arranque y no alcanza la velocidad al voltaje nominal, frecuencia y carga. Las barras rotas que por inspección visual no se pueden detectar se les puede aplicar el 25% de la corriente nominal a dos fases y se mide la corriente mientras el rotor es girado lentamente con la mano.

Una barra rota causa variaciones en la lectura del amperímetro tan pronto el rotor es girado. El número de variaciones en una revolución es igual al número de polos en el estator. La reparación de las barras rotas consiste en un proceso de soldar estas a los anillos de cortocircuito. Para los motores grandes esta actividad puede significar una tarea bastante laboriosa.

Figura 13: Conexión de estator trifásico de bobinas en paralelo, mostrando una

bobina abierta. A la izquierda conexión en estrella y a la derecha conexión delta.

Figura 14: Para verificar barra rota en el rotor se debe aplicar el 25% de la corriente nominal a dos fases y se mide la corriente mientras el rotor es girado lentamente con la mano.



RESUMEN DE FALLAS EN MOTORES TRIFASICOS DE JAULA DE ARDILLA

A) FALLA AL ARRANQUE

1. Fusible volado

2. Una fase abierta

3. Sobre carga

B) FUNCIONAMIENTO CALIENTE

1. Sobrecarga

2. Ducto de ventilación tapados

3. Bobinas de estator en corto

4. Bajo voltaje

5. Alto voltaje

6. Baja frecuencia

7. Bobinas de estator abiertos

8. Una fase abierta

9. Estator a tierra

10. Entrehierro irregular

Figura 16: Rotor de motor con jaula deformada y jaula rota. El rotor corresponde a un motor de 13.8 KV- 6,9

MW y 1780 RPM.

Figura 15: Signos de rozamiento del rotor contra el estator. Si este rozamiento llega a ser muy severo puede llegar a producir una fractura interna de las barras de la jaula de ardilla. El rotor corresponde a un motor de 460 Voltios, 50HP y 3575

RPM.



11. Rotor rozando con el estator

B) FUNCIONAMIENTO LENTO

1. Sobre carga

2. Bajo voltaje

3. Baja frecuencia

4. Barras del rotor rotas

5. Bobinas del estator en corto

6. Bobinas del estator abiertas

7. Una fase abierta

mantenimiento industrial de aparatos eléctricos revista...

Documents