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Pruebas eléctricas estáticas para un mantenimiento predictivo eficaz

Publicado en www.skflam.com

El sistema de aislamiento de una máquina rotativa es la parte más susceptible al envejecimiento y a sufrir desperfectos, afectando su vida útil. Realizando un mantenimiento predictivo eficaz, se pueden reducir paradas no programadas en producción, disminuir gastos innecesarios de mantenimiento, utilizar eficazmente la energía suministrada en el motor y asegurar el óptimo trabajo de las máquinas

El envejecimiento del sistema de aislamiento de una máquina es causado por esfuerzos térmicos, eléctricos, mecánicos y ambientales, produciendo roturas de los aislantes y conduciendo a cortocircuitos. Recordemos que un sistema de aislamiento típico en máquinas eléctricas rotativas consiste en el aislamiento a tierra o a masa, entre fases, entre bobinados de una misma fase o fases diferentes, y entre espiras de una o más bobinas.

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Diagnóstico de la Condición de las Barras de Motores de Inducción

por Christian E. Talbot, Pedro N. Saavedra, M. Aníbal Valenzuela

Desde el punto de vista de los motores de inducción, sehan hecho grandes avances a lo largo de los años en relación a la construcción y manufactura de sus respectivos estatores, por lo que éstos presentan cada vez menos fallas en relación a sus respectivos rotores, específicamente los del tipo jaula de ardilla. Así, el porcentaje de fallas que incluye el daño de las barras o anillos se ha incrementado y ha tomado mayor importancia (Nandi yToliyat, 1999).

De manera general, un motor eléctrico puede presentar problemas eléctricos y problemas mecánicos. Esto dependiendo si tienen relación directa con el circuito eléctrico que conforma la máquina o no. En el presente trabajo se estudiarán tres técnicas para detectar la presencia de barras dañadas en el rotor de un motor de inducción. Este problema se encuentra dentrode la categoría de los problemas de origen eléctrico, debido a que una barra dañada distorsiona las corrientes que fluyen dentro del motor.

Según Szabó et al. (2004), apoyados en la investigación de Nandi y Toliyat (1999) existen numerosos métodos para diagnosticar el problema de las barras dañadas, sin embargo indican que el más usado y que entrega mejores resultados es el análisis de la corriente que alimenta alestator. Si bien este método es simple y fácil de implementar, Sasi et al. (2006) indican en su trabajo que el diagnóstico basado en el análisis de las variaciones de la Velocidad Angular Instantánea (VAI) en el eje es más incipiente que la técnica tradicional de la corriente, sin embargo existen algunas suposiciones y resultados en ese trabajo que ameritan un análisis más exhaustivo.

La idea de utilizar este método en vez del método convencional del análisis de la corriente es poder detectar el daño en una barra lo más incipiente posible. Sasi et al (2006) sin embargo, validan experimentalmente el modelo utilizando un motor con una barra completamente rota en el rotor. Bajo estas condiciones, la falla puede ser detectada por el análisis de corriente y por lo tanto, no existe una clara ventaja del uso deeste método. Otra crítica a dicho trabajo es la hipótesis utilizada que considera que la variación del par resistente es función de la velocidad derotación. Esta hipótesis permitió que las simulaciones numéricas llevadas acabo en ese trabajo coincidieran con los resultados experimentales.

El objetivo de este trabajo es comparar tres técnicas para diagnosticar barras dañadas en el rotor de un motor de inducción y establecer cuál de ellas es capaz de detectar el problema de manera más incipiente. Estas técnicas son el análisis de la corriente que alimenta al estator, el análisis de la Velocidad Angular Instantánea y el análisis de las vibraciones mecánicas.

  • Análisis de la corriente que alimenta al estator

El método del análisis de la corriente consiste básicamente en medir la forma de onda de la corriente en cualquiera de las tres fases del motor y luego calcular su espectro. Para medir la corriente, se utiliza un sensor que consiste en un toroide que mide el efecto electromagnético de la corriente que pasa a través de él, entregando una señal de voltaje proporcional a la magnitud de esta corriente.

El análisis de la corriente es utilizado también en la detección de problemas en el motor, como para el caso en que un rodamiento está dañado por una picadura en su pista externa. En este caso, cada vez que un elemento rodante pase por la falla, el motor requerirá un leve aumento de corriente. Así, se tendrá que la corriente estará modulada en amplitud a la frecuencia en que los elementos rodantes pasan por la falla, llamada BPFO (Ball Passing Frequency of Outer race), descrita por Roque et al. (2008). Fig. 1 (a) muestra la forma de la corriente en una fase del motor para el caso en que el motor no tiene fallas, la fuente del voltaje de alimentación es sinusoidal y que el circuito tiene un comportamiento lineal. Fig. 1 b) muestra la forma de la corriente para el caso del rodamiento dañado. Fig. 2 muestra el espectro de la corriente para el caso en que existe un rodamiento dañado en su pista externa.

En general, eventos que generen variaciones en el par resistente, modularán la corriente. Estos eventos pueden ser variados, incluyendo variaciones de la carga en el proceso, defectos enrodamientos como daño en las pistas o elementos rodantes o desalineamientos delos ejes a través de los acoplamientos. Estas modulaciones, aunque pequeñas, pueden ser detectadas en el espectro de la corriente con escala logarítmica o expresada en decibeles, presentándose como bandas laterales si esta modulaciónes periódica. Por lo tanto, el análisis de la corriente es una herramienta útil para detectar problemas en el motor que provoquen modulaciones periódicas en la corriente.

Fig. 1. Formas de onda de las corrientes para una de las fases del motor cuando está sano (a) y con un rodamiento picado en la pista externa (b).

Fig. 2. Espectro de la corriente para el caso b).

Un modelo comúnmente utilizado para analizar problemas eléctricos en el rotor de un motor de inducción es el presentado por Touhami et al. (2006), basado en la teoría de los circuitos acoplados magnéticamente. Este modelo consiste en representar al rotor como una malla de circuitos con resistencias e inductancias que representan cada barra y cada porción de los anillos que las cortocircuitan. Fig. 3 muestra el modelo de un rotor sano y uno con una barra rota en el rotor.

Fig. 3. Modelo de un rotor sano a) y de un rotor con una barra rota b)

El efecto que tiene una barra dañada en el rotor es que la resistencia y la inductancia , de esa barra en particular serán distintas a las del resto de las barras. En el trabajo de Kliman et al. (1988), se demostró que cuando se consideraba una barra rota en el rotor, eliminando la resistencia y la inductancia que representan esa barra en particular en el modelo, como se muestra en Fig. 3 b), se presentan bandas laterales alrededor de la componente fundamental en el espectro de la corriente. La causa de esto es la modulación periódica en amplitud que se genera en la corriente debido a la presencia de la barra rota. Esta modulación se genera debido a que cada vez que un polo magnético pasa por sobre la barra rota, no se inducen corrientes sobre ella. Esto hace que exista una disminución del par en ese instante y por lo tanto aumente el deslizamiento, lo que hace que aumente la corriente que alimenta al estator. Estas modulaciones ocurren a la frecuencia con la que un polo pasa por sobre una barra en particular, llamada frecuencia de paso de polos, por lo tanto son periódicas. Por lo tanto, cualquier asimetría que se genere en el campo magnético rotórico, como ser barras o anillos extremos dañados, modularán en amplitud la corriente. El espectro de la corriente presentará entonces bandas laterales alrededor de la componente fundamental de la corriente, separadas a la frecuencia de paso de polos. La frecuencia de paso de polos está dada por la ecuación (1):

falla3

Debido a la asimetría en la construcción del rotor, se pueden presentar pequeñas bandas laterales a la frecuencia de paso de polos incluso si las barras están en buen estado. Como indica Cabanas (1998) en su trabajo Métodos no convencionales para la detección y diagnostico precoz de fallos en motores eléctricos, existen estándares que evalúan la condición de las barras del motor utilizando la diferencia en decibeles que existe entre la magnitud de la componente fundamental de la corriente y la magnitud de su primera banda lateral izquierda separada a . Diferencias sobre 60 [dB] indican que el estado de las barras es excelente y diferencias menores a 30 [dB] o 40 [dB] indican barras agrietadas o rotas.

  • Análisis de la Variación de la velocidad angular instantánea (VAI)

En la práctica, muchas máquinas funcionan a velocidad variable, incluyendo a los motores de inducción. Estas variaciones de velocidad pueden ser inherentes al funcionamiento de la máquina o provenir de fallas en ella. En el presente trabajo se analiza las variaciones de la velocidad angular en el eje para obtener información del estado de las barras del rotor. El análisis de las variaciones de la velocidad angular instantánea consiste en medir la velocidad angular del eje en cada instante de tiempo y analizar la frecuencia de sus variaciones. Dependiendo del problema que presente el motor, las frecuencias de las variaciones deberán presentar características del problema en particular, lo que permite diagnosticarlo. En su forma diferencial, la velocidad angular del eje es de la forma:

falla7

En la práctica, lo que se hace en realidad es medir el tiempo que tarda el eje en efectuar algún desplazamiento angular. Así se llega a que la forma discreta de la velocidad angular en el eje está dada por la ecuación (3):

falla8

El desplazamiento angular puede obtenerse de un dispositivo que entregue un pulso cada cierto desplazamiento angular efectuado y luego cuantificar el tiempo que tardó éste. El cociente entre ellos, presentado en la ecuación (3), es la velocidad angular promedio en ese tramo. Como en este caso se requiere la variación de velocidad instantánea en cada revolución, se requiere un dispositivo que entregue una cantidad elevada de pulsos por vuelta, por ejemplo, un encoder. Li et al. (2001) explican de manera más extensa algunos métodos de medición de la velocidad angular. La relación entre el par que actúa sobre el rotor y su velocidad de giro está dada por la ecuación del movimiento:

falla9

El par resistente depende del proceso en particular y de la condición mecánica del rotor debido a rodamientos dañados y roces parciales, y es independiente de la condición eléctrica del motor. Una barra dañada en el rotor tendrá una resistencia mayor a la que debiera presentar, por lo que cada vez que un polo pasa frente a esta barra, se induce una corriente menor en ella (Chapman, 2000).

En la práctica, el par producido por un motor de inducción no es constante, incluso si no presenta problemas. Existe una fluctuación en el par debido al paso del campo magnético del estator entre una barra y la siguiente. De este modo, el par motriz varía periódicamente a la frecuencia con la que el campo magnético del estator corta las barras del rotor.

Como indican Sasi et al. (2006), cuando existen barras dañadas en el rotor de un motor de inducción, se presentan principalmente dos síntomas en el espectro de la VAI: Componentes múltiplos de la frecuencia de paso de polos y bandas laterales alrededor de la componente a la velocidad de giro, separadas a la frecuencia de paso de polos. El primer síntoma es concordante con lo señalado en este trabajo. El segundo síntoma, observado en las mediciones experimentales, se debe, como se explica en el trabajo de Talbot (2012), a errores en la medición de la VAI y no a la hipótesis usada por Sasi et al. (2006) de que el par resistente varía a la velocidad de rotación, hipótesis que no tiene ningún fundamento físico. Existen errores geométricos como la separación desigual entre ranuras en la construcción de un encoder, los cuales se repetirán a cada vuelta. Así, se presentarán componentes a la frecuencia de giro, a pesar de que la velocidad no esté variando con esa frecuencia. Por otro lado, el desbalanceo residual del rotor demostró tener influencia sobre la VAI (Talbot, 2012). Por lo tanto, la componente a 1xRPM encontrada en el espectro de la VAI descrita por Sasi et al. (2006) no es generada por las causas que los autores indican, sin embargo las bandas laterales alrededor de las componentes múltiplos de la frecuencia de giro del rotor, separadas a la frecuencia de paso de polos, sí son generadas por las barras rotas. En este trabajo sólo se considerará el síntoma que corresponde a las componentes a la frecuencia de paso de polos, ya que si bien las bandas laterales a la frecuencia de paso de polos encontradas alrededor de la componente a la velocidad de giro son producto del daño en las barras, también son producto de la modulación de un error que depende del instrumento que se utilice y del valor del desbalanceo residual que depende de cada rotor en particular. Si este error o el desbalanceo no existieran o fueran muy pequeños, las bandas laterales no estarían presentes en las mediciones. Debido a asimetrías en la construcción del rotor, los campos magnéticos inducidos en éste nunca serán del todo simétricos. Por lo tanto, estos síntomas podrán presentarse incluso cuando el rotor está sano, sólo que la magnitud de las componentes será bastante menor.

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por Ing. Juan C. Hidalgo B., MBA Especialista en termografía Nivel II y en análisis de fallas en motores eléctricos

Comúnmente las únicas herramientas usadas por el personal de mantenimiento para detectar fallas en motores han sido un megger (medidor de aislamiento) y un ohmimetro. Desdichadamente la información brindada es muy general y no precisa la zona de falla del motor en estudio. Es muy fácil el diagnóstico erróneamente si se confía solo en los resultados de un megger. Por ejemplo, un corto entre espiras o entre fases puede perfectamente estar disparando un motor y al medir el aislamiento este esta en buen estado. Ya que estas fallas aunque son un problema de aislamiento en el devanado podrían estar aisladas completamente de tierra y por lo tanto el megger no las detecta. Este tipo de anomalías deteriora rápidamente el devanado lo cual resultara en un futuro reemplazo u “overhaul” del motor.

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Una opinión

Por Skip Hartman

"Tuve el privilegio de tener a préstamo un análizador de vibraciones portátil que fue recientemente introducido en el mercado norteamericano, desde Argentina. El fabricante es SEMAPI, cuyos productos son conocidos de manera positiva en Sudamérica y en Centroamérica. El distribuidor de Semapi en Norte América, Martín Rubbiolo, me pidió que me fijara en este producto y resulté más que sorprendido. El DSP Logger Expert, de SEMAPI, es un analizador de vibraciones avanzado con seis canales que se distingue dentro de su mercado. El usar el DSP Logger Expert y el Software de Control DSP fue una buena experencia, por lo que les doy buenas calificaciones. Si yo necesitara comprar instrumentos relacionados con las vibraciones, esta combinación estaría definitivamente en mi lista final, y si el presupuesto también fuera un factor contribuyente, seguiría en lo alto de la lista: su valor es increíble.

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Aislación Eléctrica

El significado de la prueba de resistencia de aislamiento se refiere a la oposición que presenta un aislante al aplicarle un voltaje de C. D. (Corriente Directa) determinado durante un tiempo establecido y el cual se mide a partir de la aplicación del mismo. La resistencia de aislamiento así como la resistencia eléctrica se miden utilizando unidades del Sistema Internacional de Unidades de Medida (SI) y la unidad para esta medida es el ohmio y se representa con la letra griega omega (Ω).

Conceptos

A la corriente resultante de la aplicación de dicho voltaje se le denominara "corriente del aislamiento" y esta constara de dos componentes principales:

1. Corriente Capacitiva: Es la corriente de magnitud comparativamente alta y de corta duración que decrece rápidamente a un valor despreciable (generalmente en un tiempo rápido de 15 segundos), conforme se carga el aislamiento y es el responsable del bajo valor inicial  de la resistencia de aislamiento. Su efecto es notorio en aquellos equipos que tienen capacitancia alta como maquinas generadoras y cables de potencia de grandes volúmenes.

2. Corriente de Absorción Dieléctrica: Esta corriente decrece gradualmente con el tiempo, desde un valor relativamente alto a un valor cercano a cero siguiendo una función exponencial. Generalmente los valores de resistencia obtenidos de una prueba quedan en gran parte determinados por la corriente de absorción. Dependiendo del tipo y volumen del aislamiento, esta corriente tarda desde unos cuantos minutos a varias horas en alcanzar un valor despreciable; sin embargo para efectos de pruebas, puede despreciarse el cambio que ocurre después de diez minutos.

3. Corriente de Conducción Irreversible: Esta corriente fluye a través del aislamiento y es prácticamente constante, predomina después que la corriente de absorción y se hace insignificante.

4. Corriente de Fuga: Es la que fluye sobre la superficie del aislamiento. Esta corriente al igual que la corriente de conducción irreversible, Corriente de Fuga: Es la que fluye sobre la superficie del aislamiento. Esta corriente al igual que la corriente de conducción irreversible, permanece constante y ambas constituyen el factor primario para juzgar las condiciones de aislamiento.

5. Absorción Dieléctrica: - La resistencia de aislamiento es directamente proporcional con el espesor del aislamiento e inversamente al área del mismo; cuando repentinamente se aplica un voltaje de corriente directa a un aislamiento, la resistencia se inicia con un valor bajo y gradualmente va aumentando con el tiempo hasta estabilizarse.

Así mismo mencionaremos tres componentes mas que tienen relevancia en esta prueba: Graficando los valores de resistencia de aislamiento contra tiempo, se obtiene una curva denominada de absorción dieléctrica; indicando su pendiente el grado relativo de secado y limpieza o suciedad del aislamiento. Si el aislamiento esta húmedo o sucio se alcanzará un valor estable en uno o dos minutos después de haber iniciado la prueba y como resultado se obtendrá una curva con baja pendiente. La pendiente de la curva puede expresarse mediante la relación de dos lecturas de resistencia de aislamiento, tomadas a diferentes intervalos de tiempo, durante la misma prueba a la relación de 60  a  30 segundos se le conoce como: “INDICE DE ABSORCION”, y a la relación de 10  a  1 minuto como “INDICE DE POLARIZACIÓN”.

Así mismo cuando realicemos esta prueba pueden surgir dudas al ver determinados valores de resistencia en distintos equipos sometidos a prueba, entre dichas variables se encontrara el tipo de aislamiento en el transformador, ya que los devanados se recubren dependiendo el fabricante (pudiendo ser papel crepe, kraft, insuldur entre otros; o laminados especiales como polyester EM6, EME, papel PSP, Nomex, NMN, tejido de vidrio entre otros varios); en el caso especial de transformadores secos se determinara la resistencia de aislamiento de este tipo de materiales más el espacio de aire entre los conjuntos Núcleo-Bobina, en los transformadores sumergidos en líquidos aislantes se determinara la resistencia del aislante en el devanado mas el espacio cubierto de aceite en el conjunto Núcleo-Bobina, en casos especiales de transformadores inmersos en SF6 (Hexafluoruro de Azufre) se presentan las mismas condiciones así como aquellos aislados con pasta epoxica. Entre los factores que afectan la determinación de esta prueba y tienden a reducir la resistencia de aislamiento de una manera notable son: la suciedad, la humedad relativa, la temperatura y la inducción electromagnética; la resistencia de aislamiento varia inversamente con la temperatura en la mayor parte de los materiales aislantes, es necesario efectuar las mediciones a la misma temperatura o convertir cada medición a una misma base o temperatura estándar de prueba. La base de la temperatura recomendada, es de 200Cpara transformadores.

Esta conversión se efectúa con la siguiente ecuación.

Rc = Kt (Rt) 

Donde:

Rc = Resistencia de aislamiento en megaohms corregida a la temperatura estándar de prueba 

Rt = Resistencia de aislamiento a la temperatura que se efectuó la prueba 

Kt = Coeficiente de corrección por temperatura