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Estimando la vida del motor eléctrico usando el análisis del circuito del motor

La vida del motor eléctrico es un tema crítico al discutir programas de mantenimiento predictivos y de confiabilidad. La pregunta primaria es: ¿Cuándo el motor fallará? Desafortunadamente, esto no es una pregunta fácil a contestar, en detalle pues, se relaciona con los sistemas del motor eléctrico.

En este artículo, discutiremos las etapas de una falla en la bobina, causas y que efectúa el índice de falla en la bobina. Entonces concluiremos con una discusión de la confiabilidad de varias fallas de bobina a través del tiempo y en qué momento la acción se debe tomar para corregir o para reparar la falla. De acuerdo con el uso, el ambiente eléctrico y físico, los materiales presentados proporcionarán un promedio.

Los motores cubiertos por este artículo incluirán los de baja tensión (<600 VAC), estándar, integral y motores trifásicos. Este artículo no trata los proyectos similares de alto voltaje en proceso.

 

Falla De la Bobina Del Motor Eléctrico

Hay un número de causas primarias para la falla de un motor eléctrico. Desafortunadamente, muchas de las causas son el resultado directo de que el motor es utilizado como fusible y puede fallar debido a otras causas dentro del sistema eléctrico o mecánico. Otras causas incluyen prácticas de mantenimiento ineficaces y/o ninguna práctica de mantenimiento. En cualquiera de los casos, las leyes básicas de confiabilidad aseguran que un motor eléctrico fallará a través del tiempo. El tiempo medio entre fallas (MTBF Mean Time Between Failure por sus siglas en ingles) debe actuar como indicador en cuanto a la salud del resto del sistema eléctrico del motor (fuente, carga y mantenimiento).

 

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La causa primaria de la falla en la bobina del motor eléctrico es un cortocircuito. Éstos pueden ocurrir entre los alambres en una sola bobina (vuelta a vuelta), entre las bobinas en una monofásico (bobina a bobina) o entre las bobinas en diversas fases (fase a fase). La falla se puede causar por un solo problema o una combinación de problemas. Éstos incluyen:

1. Problemas Termales

a. Antigüedad
b. Sobrecarga
c. Ciclo

2. Mecánicos

a. Movimiento
b. Rotores
c. Partes

3.Eléctrico

a. Estrés Dieléctrico
b. Efecto Corona
c. Oscilaciones momentáneas

4. Ambiente

a. Humedad
b. Contaminación
c. Objetos extraños

Cada uno de los temas principales será repasado dentro de este artículo.

 

El sistema de aislamiento

El “aislamiento eléctrico es un medio o un material que, cuando está colocado entre los conductores en diversos potenciales, permite que solamente una corriente insignificante en fase con el voltaje aplicado lo atraviese. El término dieléctrico es casi sinónimo con aislamiento eléctrico, que se puede considerar un dieléctrico aplicado. Un dieléctrico perfecto no pasa ninguna conducción de corriente y solamente la corriente de carga capacitiva entre conductores.” 4

La representación más simple del circuito de un dieléctrico es un resistor y un capacitro paralelos. La capacitancia entre los conductores, en un vacío, es 0.0884 x 10-12 A/t donde A es el área del conductor en centímetros cuadrados y t es el espacio de los conductores en centímetros. “cuando un material dieléctrico llena el volumen entre los electrodos, la capacitancia es más alta en virtud de las cargas dentro de las moléculas y de los átomos del material, que atraen más carga a los planos del condensador para el mismo voltaje aplicado.“

 

Interrupción del aislamiento

La interrupción del aislamiento, llamada como las “fallas”, “cortocircuitos” o “cortos”, dentro de este artículo, incluyen la contaminación, rastreo del arco, envejecimiento termal y fallas mecánicas. Cada tipo de falla lleva un factor común: Las características resistivas y capacitivas del aislamiento eléctrico cambian.

La contaminación, en la penetración particular del agua, aumenta la conductividad del aislamiento. El agua tiende a acumularse en fracturas aisladas e inclusiones dentro del sistema de aislamiento. Los campos eléctricos causan cambios a los contaminantes, incluyendo expansión, que más adelante hará que falle el sistema de aislamiento. Otros contaminantes, incluyendo gases, vapores, polvo, etc., pueden atacar el maquillaje químico del sistema de aislamiento. Una vez que el sistema de aislamiento esta totalmente puenteado, entonces se considera en cortocircuito. Esto ocurrirá normalmente primero entre los conductores, donde el sistema es más débil. Las áreas claves de la falla incluyen la porción insegura de la bobina, tal como las vueltas del final de una máquina de rotor (que también es el punto de tensión eléctrico más alto de las bobinas), y el punto más alto de tensión mecánico, tal como el punto, las bobinas dejan la ranura de una máquina de rotación.

El rastreo de arco en los sistemas de aislamiento ocurren donde la alta corriente pasa entre los conductores a través de la superficie del sistema del aislamiento. El aislamiento en esos puntos carboniza, cambiando los componentes capacitivos y resistivos del sistema eléctrico de aislamiento. El rastreo del arco es a menudo el resultado de: Tensiones eléctricas fuertes; Contaminación; o, ambos. Este tipo de avería ocurre sobre todo entre los conductores o las bobinas y termina normalmente con un cortocircuito.

El envejecimiento termal de un sistema de aislamiento ocurre mientras que los sistemas eléctricos de aislamiento se degradan como resultado de la ecuación química de Arrhenius. La regla de uso común, “dictada por la experiencia” es que la vida termal de los sistemas de aislamiento cae a la mitad por cada aumento de 10 C en la temperatura de funcionamiento. El aislamiento degradará y carbonizará rápidamente una vez que obtenga el límite de la temperatura para el sistema del aislamiento.

Otros factores ambientales también afectan la vida termal del sistema de aislamiento como: Contaminación de la bobina, incluyendo aceite, grasa, polvo, etc.; Humedad, en agua contaminada particularmente tal como sales, etc.; Electrólisis; y, otras tensiones eléctricas.

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Una nueva tensión eléctrica común viene del uso de los Drives de frecuencia variable. La alta frecuencia portadora (2.5 a 18 kHz) de modernos inversores de pulso-anchura-modulados reduce el voltaje parcial del inicio de la descarga del sistema del aislamiento del motor. La descarga parcial implica burbujas pequeñas de gas en el sistema del aislamiento de la bobina. Una carga se construye a través del vacío, entonces se descarga a un nivel que depende de la severidad y del maquillaje químico del vacío. El resultado es ozono, que degrada el material circundante al aislamiento. Eventualmente, se desarrolla una trayectoria eléctrica ionizada que permite que las tensiones eléctricas (picos rápidos de subida de tiempo) crucen el límite y hagan cortocircuito. La tendencia es que a las pocas vueltas se de el cortocircuito en el final de la vuelta de las bobinas del motor.

Las fallas mecánicas en el sistema eléctrico de aislamiento incluyen grietas por la tensión, la vibración, la incursión mecánica, y fallas mecánicas. Las fuerzas dentro de una bobina durante varias operaciones, causarán el movimiento mecánico y pueden terminar en fracturar los materiales de aislamiento. La vibración eléctrica y mecánica causa tensión indebida en el sistema de aislamiento dando por resultado fracturas de tensión y aflojamiento del sistema de aislamiento. La incursión mecánica incluye el movimiento de materiales en el sistema de aislamiento o entre los conductores y/o el sistema del aislamiento para aterrizar. Las fallas mecánicas incluyen: averías del cojinete que ocasionan que el cojinete se aparte y pase a través de los componentes móviles del sistema. Estas fallas pueden terminar como cortocircuitos entre los conductores, bobinas o bobinas a tierra.

 

Etapas de la falla de la bobina

Hay tres etapas en la falla de la bobina que comienzan como interrupción del aislamiento entre los conductores. Estos cortocircuitos de la bobina pueden, pero no siempre, terminar como una falla de la resistencia del aislamiento cuando la bobina falla realmente. La detección de cambios entre los conductores proporciona una gran oportunidad para reparar o reemplazar antes de que el equipo pare de funcionar. El índice real de la falla depende de un número de factores incluyendo:

Severidad de la falla
Potencial entre los conductores
Tipo y cantidad de aislante
Causa de la falla
Las etapas de un cortocircuito de bobina son:

1. Etapa 1: El aislamiento entre los conductores se tensiona, causando un cambio a los valores resistivos y capacitivos del aislamiento en el punto de la falla. Las altas temperaturas y fallas reactivas similares dan lugar a la carbonización del aislamiento en ese punto. La carbonización puede también ocurrir debido al seguimiento a través del sistema de aislamiento. Los valores del MCA del ángulo de la fase y de I/F serán efectuados en este punto.

2. Etapa 2: El punto de la falla llega a ser más resistente. Una inductancia mutua ocurre entre la porción “buena” de la bobina (y de otros componentes que llevan la corriente del sistema) y de las vueltas que ponen en cortocircuito. Las pérdidas de I2R aumentan al punto de falla debido al aumento en la corriente dentro de las vueltas que ponen en cortocircuito, aumentando la temperatura en ese punto y haciendo al sistema de aislamiento carbonizarse rápidamente. El motor puede comenzar a disparar a este punto, aunque puede poder funcionar después de un período corto de enfriamiento.

3. Etapa 3: El aislamiento se interrumpe y la energía dentro del punto del cortocircuito puede causar una ruptura explosiva en el sistema de aislamiento y la vaporización de las bobinas. La inductancia y a veces la resistencia, pueden detectar la avería a este punto.

La contaminación de la bobina, la interrupción termal, la incursión de la humedad, la corona, transitorios, sobrecargas y la flexión mecánica pueden iniciar la falla en la bobina.

 

Prueba de medidas para la evaluación

Las medidas eléctricas básicas para la evaluación de la maquinaria de rotación incluyen las pruebas siguientes:

1. Resistencia (IEEE Std 118-1978, IEEE Std 389-1996) – Utilizada para detectar variaciones de tamaño del alambre, conexiones y circuitos de abierta/alta resistencia.

2. Inductancia (IEEE Std 388-1992 Inductancia e Impedancia Desbalanceada, IEEE Std 120­1989) – La inductancia es una función de la geometría y de la permeabilidad. Es independiente del voltaje, de la corriente y de la frecuencia. La inductancia total medida es una combinación de las inductancias mutuas e internas del circuito, conocidas como inductancia del circuito. La detección de avería es posible en cortocircuitos de la bobina solamente cuando la capacitancia de los sistemas dieléctricos del aislamiento llega a ser resistente y existe un circuito puesto en cortocircuito, dando por resultado inductancia mutua entre la ’ buena ’ parte de la bobina y las vueltas puestas en cortocircuito. La inductancia mutua también se utiliza en la evaluación de las bobinas del rotor en máquinas de rotación.

3. Impedancia (IEEE Std 388-1992, IEEE Std 389-1996, IEEE Std 43-2000, y, IEEE Std 120-1989) – La impedancia es dependiente de la frecuencia, de la resistencia, de la inductancia y de la capacitancia. La resistencia tiene un impacto relativamente pequeño en la impedancia total y la frecuencia aplicada afecta los componentes inductivos y capacitivos de la reactancia. Los aumentos en inductancia tienen un efecto aditivo a los valores de la impedancia mientras que la capacitancia tiene un impacto inverso en impedancia del circuito. Por ejemplo, un aumento en la inductancia total del circuito generará un aumento áspero paralelo en impedancia, una disminución de la impedancia total del circuito hará la impedancia disminuir. Cuando la impedancia no sigue inductancia, el efecto es normalmente un cambio en la capacitancia de una fase al siguiente (contaminación o carbonización de la bobina). Las pruebas de la comparación de Inductiva/Impedancia son cubiertas por el método de la prueba de la AC en el anexo B de IEEE Std 43-2000.

4. Fase Ángulo (IEEE Std 120-1989) – La Fase Angulo del circuito es una medida del tiempo de retraso entre el voltaje y la corriente presentados como grados de la separación. Es afectado directamente por la impedancia, el voltaje y la frecuencia del circuito aplicado. Los cambios pequeños en la capacitancia del circuito dan lugar a cambios significativos circuito de la fase ángulo.

5. Pruebas de Respuesta a Frecuencia (IEEE Std 389­1996) – Las pruebas de la respuesta de frecuencia se pueden evaluar usando un número de métodos. Para los propósitos de este artículo, la evaluación será presentada como la reducción del porcentaje en la corriente de una bobina cuando se dobla la frecuencia, también conocida como la prueba de la respuesta de corriente/frecuencia. Las respuestas de Corriente/frecuencia son afectadas por los cambios a las capacitancias del circuito mientras que la frecuencia aumenta.

6. Prueba de Resistencia de Aislamiento – Cubierto bajo el IEEE Std 43-2000.

Sin importar las medidas proporcionadas, el propósito primario es identificar desequilibrios entre bobinas iguales, por ejemplo entre fases en un motor eléctrico de tres fases.

 

Introducción al Análisis del Circuito del Motor (MCSA)

El análisis del circuito de la bobina usando lecturas de la resistencia, impedancia, inductancia, fase ángulo, de I/F y de la resistencia del aislamiento proporciona una herramienta de localización de averías excepcional y no destructiva. Además, se ha demostrado que las comparaciones de estas lecturas en bobinas semejantes, transformadores, motores de AC y DC., permiten que el usuario fije límites de control superiores y más bajos (véase los artículos anteriores de QNPM del mismo Autor). Aplicando el mismo concepto a las máquinas eléctricas existentes, la prueba periódica puede ser realizada y ser tendida.

A este punto, demostraremos el uso de las técnicas del análisis del circuito de la bobina (motor) (MCA Motor Circuit Analysis por sus siglas en ingles) para el mantenimiento predictivo (PdM Predictive Maintenance por sus siglas en ingles) para motores de AC/DC, transformadores y motores de rotor. Varios conceptos nuevos serán presentados incluyendo: MCA AC Tendencia de la maquinaria de rotación; y, el EMCAT™ Rotor Grading System™ (RGS, Sistema de Graduación de rotor) para análisis y tendencias del rotor. En cada caso, una definición de resultados horario-capaces y de búsqueda de resultados inmediatos de la acción será descrita.

 

Descripción de la tendencia de las fallas

Los límites para las pruebas de PdM utilizando MCA son limitadas solo por el alcance del instrumento, y no dependen del tamaño del equipo o de la valoración del voltaje. Mientras que es cierto que un cortocircuito directo en un equipo de mediano voltaje (Arriba de 600 Volts) se fomenta y falla rápidamente, los síntomas que llevaron directo al cortocircuito son a menudo bien vistos como un avance de la falla. En realidad, la detección de estas fallas depende sobre la frecuencia de las pruebas y de cómo la información tiende. Es igual que si la declaración, “una vez que un cojinete comienza a desprenderse, lo hará rápidamente, tan rápidamente para detectarlo usando el análisis de vibración”, debían ser discutidos. Esto sería una declaración verdadera si el análisis de la vibración era incapaz de discernir la degradación de los cojinetes con el tiempo. Sin embargo, todos nosotros sabemos que este análisis de vibración es sumamente exacto a largo plazo de tendencia de falla. Es lo mismo con MCA, infrarrojo, y la mayoría de otras herramientas de PdM.

Hay un secreto sencillo para los resultados de prueba de tendencia MCA: la Comparación. El valor actual de los datos recolectados pueden ser utilizados para comparar el equipo uno al otro y para establecer los límites de control superiores y bajos para pruebas de manufactura y aceptación. Para propósitos de tendencia y análisis, MCA es una herramienta de comparación usando el porcentaje inbalanceado y las diferencias entre los métodos de prueba.

En el método de porcentaje inbalanceado, la diferencia entre bobinas parecidas (ejemplo: entre las fases en un motor de tres fases) es tendencia con el tiempo. Este método es mejor para la resistencia, la impedancia y la inductancia. Mientras los valores de la resistencia son impactados por la temperatura, por ejemplo la diferencia relativa entre fases no es. Utilizando el método de porcentaje inbalanceado, el usuario o el software no tienen que depender de realizar los cálculos de la corrección de la temperatura. La impedancia y la inductancia no son significativamente impactadas por la temperatura. Sin embargo, el método de porcentaje inbalanceado es la mejor manera de detectar las fallas con el tiempo. Los límites son más visuales que numéricos: la tendencia gráfica del porcentaje inbalanceado no debe cambiar visiblemente con el tiempo. Un cambio brusco en un gráfico indica que un defecto ocurre y debe ser atendido inmediatamente. Un cambio leve con el tiempo indica que un defecto se tiende y debe ser considerado en un horario (ejemplo: próximo cierre). Los cambios del inbalance resistivo normalmente indicas que las conexiones llegan a estar flojas. Cuándo el inbalance en inductancia e impedancia están debido a la posición del rotor (en un motor de tres fases esto indica un “buen bobinado”) el inbalance relativo demostrará valores similares (ejemplo: L = 11%, Z = 12% vs. L = 5%, Z = 50%). Si el inbalance relativo valora entre L y Z separados, esto indica una avería en el aislamiento eléctrico con el tiempo y se debe atender.

La diferencia entre el método de pruebas se utiliza para la fase ángulo, I/F y la resistencia de aislamiento. En el caso de la fase ángulo (Fi) y I/F, los cambios con el tiempo por encima de dos dígitos de la diferencia entre fases indican un defecto severo en la bobina. Este tipo de detección es un indicador de una avería de aislamiento entre vueltas o bobinas en las devanadas. Por ejemplo si las tendencias Fi entre 0 y 1 difieren entre lecturas y las tendencias I/F entre 1 y 2 difieren entre lecturas, un cambio repentino a Fi = 3 e I/F = 4 indicarían que una falla significativa ha ocurrido entre conductores o bobinas. En el caso de la resistencia de aislamiento, cualquier cambio dentro de la gama del dispositivo de MCA indica una degradación de aislamiento entre devanadas y tierra.

 

Prueba de maquinaria de rotación de corriente alterna

La maquinaria de rotación de corriente alterna puede tender con el tiempo utilizando métodos gráficos sencillos. Un cambio brusco en las lecturas indicará que una falla severa ocurre y debe ser atendida. Las lecturas que requieren reparaciones planificadas cambiarán gradualmente de verde a amarillo entonces a rojo. Esto representaría un cambio en lecturas de la siguiente manera:

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Sistema de Graduación de rotor (RGS)

El RGS representa un método tendencia-capaz especial para realizar una evaluación inicial de la condición de un rotor. El sistema se basa sobre la diferencia media relativa de cada forma de ondas sinusoidal de prueba de rotor de uno del otro. Los puntos son calificados para la desviación del promedio, con calificaciones más altas que indican la desviación más alta.

Porque algunos motores no producen una forma de ondas sinusoidal, una característica de rotor que muestra una calificación más alta que en el Cuadro 2 deben ser comparados a los cuadros de características de prueba de rotor. Cuadro 2: Sistema de Graduación de rotor.

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Estas calificaciones son tendencia-capaces y pueden ser comparadas con el tiempo poniendo una línea de Base y realizando comparaciones periódicas. Los cambios por más de 5 puntos RGS indican que ocurren fallas en el rotor. Los defectos detectados por RGS incluyen: rotor Excéntrico; barras rotas; Grandes vacíos; y, fracturas de Rotor.

 

Estimando el tiempo de falla usando MCA

El propósito del mantenimiento predictivo y de confiabilidad es detectar la presencia de una condición excepcional (o condiciones) entonces determinar en que punto la operación del equipo no es lo suficientemente segura y que acción correctiva se requiere. Varios beneficios claves pueden resultar de este tipo de programa: la acción Correctiva puede ser menos costosa que esperar que se de la falla; y, Mejorar la eficiencia del sistema por la corrección de la instalación y defectos secundarios del sistema (ejemplo: alineación, conexiones, etc.)

Cuando las lecturas comienzan a cambiar con el tiempo, el tiempo a la falla dependerá de la aplicación, el tipo de falla y la severidad de la falla. Las cargas de Ciclo, el equipo sobrecargado, la fase inbalanceada, y el poder excepcional del suministro y cargas hacen la estimación de la vida muy difícil. Para el propósito de este artículo, un motor constantemente cargado en 75 a 100% de carga, el voltaje balanceado, operando 4000 horas por año y encontrar el letrero con nombre y requisitos de instalación se asumirán.

Basado sobre las tres etapas de la falla de la bobina, el aislamiento falla con el tiempo. Mientras más tiempo pasa entre las pruebas de frecuencia, mayor será el tiempo para estimar la falla. Si la falla se detecta primero en el centro de control del motor o se desconecta, debe ser confirmado en el motor ya que fallas en los cables pueden causar resultados semejantes.

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La contaminación de la bobina (Figura 1) llevará a cortocircuito en la bobina o falla del aislamiento a tierra. Además, la contaminación severa causará una cubierta de aislamiento y sobrecalentamiento del sistema de aislamiento. La contaminación de la bobina no causará un cambio en la impedancia hasta que la contaminación tenga una sustancia química o el impacto térmico en el sistema de aislamiento. Si actuó en la conveniencia más temprana, la bobina se puede salvar limpiándola, lavándola y horneando el estator. Sin embargo, si la impedancia ha cambiado debido a sobrecalentamiento (carbonización) del sistema de aislamiento, la bobina se tendrá que reemplazar.

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Los cortocircuitos bobina a bobina o fase a fase tienden a ser más severos que los cortos vuelta a vuelta por el potencial de energía entre las bobinas y las fases. El resultado es que la acción se debe tomar pronto para evitar una falla catastrófica. Por ejemplo un motor eléctrico de 50 caballos de fuerza operando a un 85% de carga, con 60 Hz acciona en un valor de 480 volts fase a fase tiene un cambio fase ángulo por 1 dígito. Esto indicaría una potencial falla temprana de bobina a bobina (una vez confirmada en la conexión del motor) eso se debe corregir. Si el motor se evalúa cada trimestre, la corrección se debe hacer dentro de los próximos cuatro meses. La frecuencia de probar debe ser aumentada a mensual, o con más frecuencia, y la acción tomada debe tomarse si algún cambio repentino adicional ocurre.

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Los cortos vuelta a vuelta durarán una cantidad significativa de tiempo en una aplicación de 60 Hz. Cuando los cambios más severos ocurren, tal como un cambio de 3 dígitos entre pruebas, la acción se debe realizar urgentemente.

Estas recomendaciones se basan sobre la información estadística y prácticas teóricas. Un solo punto de datos proporciona un método inexacto para predecir la vida del sistema de otra manera que pruebas paso/falla. Los motores eléctricos que tienen un impacto significativo en la producción y en ésos que son veloces u operan impropiamente deberán ser considerados para la atención inmediata.

 

Situaciones de falsa alarma

Situaciones de falsa alarma puede ocurrir en varios casos. En el caso de los Drives de frecuencia variable, el motor puede operar satisfactoriamente cuando es puesto en “bypass”, pero tendrá falla de aislamiento en unas pocas vueltas. Otros defectos pueden ser el resultado de falla térmica de aislamiento. Cuándo un sistema de aislamiento está en problemas, las fallas se pueden mostrar cuando la bobina esta caliente, pero no se verán cuando la bobina esta fría. La resistencia del sistema de aislamiento es inversamente proporcional a la temperatura. Por lo tanto, es posible que haya suficiente continuidad entre conductores para causar un pico de corriente, y la falsa alarma resultante, cuando la bobina esta caliente, pero tendrá suficiente resistencia para prevenir el flujo de corriente cuando la bobina esta fría.

Cuándo hay una falsa alarma de bobina, una prueba se debe de realizar para determinar si existe una falla en la bobina. Si eso es el caso, el motor no será capaz de operar con un VFD debido al posible daño en el Drive.

 

Conclusión

Los problemas de bobina se pueden detectar y tendenciar usando las técnicas de Análisis de Circuito de Motor. Una vez que se detecto la falla, la vida del aislamiento de la bobina se puede estimar en máquinas que operan constantemente. Las etapas de un corto de bobina se pueden determinar y pueden ser evaluadas al utilizar MCA, que puede ocurrir sobre un plazo de tiempo significativo en sistemas de motor eléctrico de bajo voltaje ( <600 Vac).