Aplicaciones del análisis de firmas de corriente del motor (MCSA)

Las tecnologías de diagnóstico de motores se han generalizado aún más en la década de 1990 y en el nuevo siglo. Las tecnologías incluyen tanto el análisis de circuitos de motores (MCA) como el análisis de firmas de corriente de motores (MCSA) aplicados a sistemas de motores eléctricos energizados y desenergizados. Las aplicaciones parecen casi infinitas.

Los sistemas incluidos en este documento son el analizador de circuitos de motores ALLTEST IV PRO 2000, el analizador de firmas de corriente de motores ALL-TEST PRO OL, el software de gestión de motores EMCAT, el software Power System Manager y el software ATPOL MCSA. El kit ALL-TEST PRO MD incluye la integración de todos estos sistemas, además del software MotorMaster Plus del Departamento de Energía de Estados Unidos. El objetivo de este documento es hacer hincapié en la aplicación MCSA del sistema ALL-TEST PRO MD que mantiene lo siguiente:

• Lecturas MCA de resistencia, impedancia, inductancia, ángulo de fase, respuesta de corriente/frecuencia y pruebas de aislamiento a tierra (MegOhm).
• Capacidades MCSA de demodulación de tensión y corriente, incluido el análisis FFT a 5 kHz.
• Capacidades automatizadas de análisis y tendencias para MCA y MCSA mediante software.
• Registro de datos y análisis completos de la calidad de la energía, incluida la captura instantánea de eventos trifásicos.

Los ejemplos que figuran en este documento incluyen muchas de las aplicaciones potenciales disponibles mediante la implantación de tecnologías de Diagnóstico del Motor.

Pruebas de la barra del rotor

El objetivo fundamental del desarrollo original de la tecnología MCSA era la detección de fallos en las barras del rotor. Las barras de los rotores son difíciles de evaluar con los métodos de ensayo tradicionales, incluido el análisis de vibraciones. Se determinó que para evaluar el estado de las barras del rotor podía utilizarse un método basado en la corriente. La regla básica es sencilla: Las bandas laterales de frecuencia de paso de polo alrededor de la frecuencia fundamental de línea, cuando el motor está bajo carga, indican problemas con el rotor. La regla estándar se ha determinado que los problemas de la barra del rotor son graves cuando los picos de banda lateral se acercan a menos de 35 dB del pico de frecuencia de línea..

Figura 1: Frecuencias de la barra del rotor

El ejemplo de la Figura 1 muestra bandas laterales a unos -40 dB de la frecuencia de pico de la línea. Esto indicaría al menos una barra de rotor fracturada en este motor de 500 CV y 4160 voltios de un compresor.

La figura 2 es un ejemplo de uno de los dos posibles
escenarios:

• Huecos de fundición en un rotor de aluminio.
• Diente (o dientes) blando(s) en una aplicación engranada.

Figura 2: Hueco de fundición o diente de engranaje “blando

Utilizando FFT de tensión y corriente demoduladas a frecuencias más altas, pueden detectarse problemas como la excentricidad dinámica y estática, barras de rotor sueltas y otros fallos relacionados con el rotor.

Figura 3: Fricción del rotor en vacío

Los datos de la figura 3 se refieren a una bomba sumergible de 7,5 CV, 1800 RPM, probada en seco y sin carga. El rotor rozaba ligeramente contra el núcleo del estator, lo que se identificó como excentricidad estática y dinámica con múltiples picos de corriente, como se muestra.

Pruebas de motores de inducción

Los motores monofásicos y trifásicos pueden evaluarse mediante una combinación de tensión y corriente demoduladas. Una regla particular, y la fuerza, de un
combinación de tensión y corriente, es que si los picos aparecen en tensión y corriente, el fallo es de naturaleza eléctrica, si el pico aparece en corriente, pero no en tensión entonces el problema es de naturaleza mecánica. Otra ventaja de evaluar sistemas con MCSA es que se pueden detectar fallos relacionados con la alimentación y la carga.

Figura 4: Fallo mecánico del estátor

Como se puede observar en la Figura 4, se identifican picos en la corriente, pero no aparecen en la FFT de tensión. Esto indica que existen fallos mecánicos. Como están relacionados con la velocidad de funcionamiento y el número de ranuras del estator, se trata de un fallo mecánico relacionado con los bobinados. Existen otros picos de sólo corriente, que indican fallos relacionados con la carga, en este caso, muy probablemente un problema de la caja de cambios (nótese que se trata de los datos de alta frecuencia relacionados con la figura 2).

Figura 5: Desequilibrio mecánico

El motor de la figura 5 presentaba un desequilibrio mecánico. La firma aparece como un patrón de dos veces la frecuencia de línea (LF), cuatro veces la frecuencia de línea y luego dos veces la frecuencia de línea. En este caso, las barras del rotor multiplican la velocidad de marcha con bandas laterales LF y, a continuación, aparece el patrón restante.

Pruebas de motores de CC

Los motores de corriente continua se evalúan de forma similar a las vibraciones. De hecho, las firmas son las mismas en vibración que en MCSA. La tensión y la corriente continua se toman del circuito del inducido.

Figura 6: Fallo del variador de CC

En el caso de la figura 6, los armónicos múltiples de la frecuencia de línea más los armónicos múltiples del número de componentes electrónicos de potencia (SCR) multiplicados por la frecuencia de línea (360 Hz, en este caso), indican un fallo del SCR o una conexión floja. Esto puede confirmarse observando la ondulación de tensión y frecuencia en los datos de baja frecuencia.

Pruebas de alternadores síncronos

Los alternadores síncronos también pueden evaluarse de forma rápida y sencilla mediante la corriente demodulada de tensión e intensidad. En el caso del siguiente ejemplo, un alternador se disparó por alta temperatura. Para evaluar el sistema se utilizaron tanto el MCA como el MCSA.

Figura 7: Datos MCSA del alternador síncrono (baja frecuencia)

Figura 8: Excentricidad dinámica del alternador

El alternador sometido a prueba mostró un aumento de la excentricidad a lo largo de una prueba de 40 minutos, fallos en el campo giratorio y algunas firmas de fallos eléctricos. Esta información se unió a los datos de MCA que indicaban un cortocircuito en el devanado, un cortocircuito en el cable y una caída significativa de la resistencia de aislamiento en el cortocircuito de carga parcial. El alternador era un alternador de 475 kW y 480 Vca que requería tres cables paralelos por fase. Hay varias opciones con el sistema ATPOL para cables más grandes. Sin embargo, en un apuro, se utilizó uno de cada uno de los tres cables de cada fase, por lo que los valores de corriente eran aproximadamente 1/3.

Figura 9: Conexión de corriente para el alternador

Variadores de frecuencia

Los variadores de frecuencia han supuesto un reto para varios sistemas MCSA. En el caso de la ATPOL, sin embargo, esto no es un problema. Se pueden ver las señales de tensión y corriente de salida (Figura 10).

Figura 10: Formas de onda de tensión y corriente del variador de frecuencia (captura de 0,05 segundos)

Figura 11: Datos de baja frecuencia del VFD

En la Figura 11, que son los datos de Baja Frecuencia (<120 Hz) para el mismo sistema que la Figura 10, se muestra que la frecuencia de línea de salida del variador es de 43 Hz y la velocidad de funcionamiento del motor de 3600 RPM es de 2570 RPM.

Figura 12: Datos de alta frecuencia del VFD

Como puede observarse en la figura 12, los picos fuertes de tensión y corriente indican fallos relacionados con el sistema del motor. Parte del ruido adicional se debe estrictamente a las formas de onda de tensión y corriente procedentes del variador de frecuencia. Sin embargo, el software colocará automáticamente cursores relacionados con diferentes fallos dentro de las formas de onda.

Figura 13: Análisis especial en valores máximos

La figura 13 muestra los mismos datos, pero con los picos de tensión y corriente. Las corrientes de mayor frecuencia indican problemas relacionados con los armónicos de tensión, que se muestran en la forma de onda inferior. Todos los datos combinados muestran un problema relacionado con la tensión de entrada. Cuando se probó a 46 Hz, el problema se hizo más significativo y apuntó a un posible fallo en el sistema de alimentación que se hace prevalente por encima de 45 Hz.

La solución se paliaría con un filtrado aplicado a la salida del variador de frecuencia.

Punzonadora con motor y accionamiento de corriente de Foucault

Se puede visualizar el sistema motor completo, incluida la carga accionada.

Figura 14: Ciclo de carga de la punzonadora

La figura 14 muestra el ciclo de corriente durante 10 segundos. El pico A es uno de los tres picos de este ciclo que se relaciona con el punzón (parte inferior) de la carrera de la prensa, mientras que el punto C se relaciona con la parte superior de la carrera. El punto B identifica algún tipo de problema de rozamiento o agarre cuando el sistema se acercaba al pico de la carrera. Los tres trazos inferiores ayudan a identificar que la operación se produce 18 veces por minuto.

Figura 15: Bandas laterales de frecuencia de línea relacionadas con el motor

La figura 15 muestra un “ruido de fondo” elevado y muchas bandas laterales en torno al pico de frecuencia LF. Esto, junto con los datos de alta frecuencia, ayuda a señalar la dirección hacia la carga.

Figura 16: Datos de alta frecuencia del embrague de Foucault

La figura 16 identifica que existe un fallo de conexión y/o SCR en la tensión continua de alimentación del rectificador (seis SCR). Los picos de la alta
El espectro de frecuencias también identifica fallos en el accionamiento por corrientes de Foucault y en la propia punzonadora, probablemente una holgura en el sistema (las firmas relacionadas muestran pisos de ruido elevados).

MCSA y aplicaciones energéticas

Las funciones automatizadas de elaboración de informes y registro de datos del sistema ATPOL también permiten trabajar con el software MotorMaster Plus del Departamento de Energía de Estados Unidos.

ALL-TEST Pro, Dreisilker Electric Motors y Pruftechnik financiaron la inclusión de funciones adicionales en MotorMaster Plus para permitir el análisis de la información de diagnóstico del motor. El uso de MCA y MCSA permite al usuario evaluar el estado de un motor eléctrico y, a continuación, tomar una decisión de reparación o sustitución relacionada con la energía con un retorno de la inversión confirmable.

Por ejemplo, un motor de 40 caballos de potencia y 1800 RPM probado con MCSA determinó algunos fallos mecánicos y eléctricos relacionados. Los datos se incorporaron a un informe de MotorMaster Plus y se determinó que la frecuencia de funcionamiento era del 91,5% de eficiencia al 90% de carga. Suponiendo un coste energético de 0,07 $/kWh y una demanda de 14 $/kW, con 2000 (1 turno) de funcionamiento al año, se identificó un motor eléctrico de sustitución de alta eficiencia con una amortización simple de 0,9 años y un rendimiento de la inversión del 866% después de impuestos.

Los datos también pueden ser utilizados por la Herramienta de Evaluación de Sistemas de Bombeo (PSAT) del Departamento de Energía de EE.UU., AirMaster y otras herramientas.

Potencia de diagnóstico del motor – Sistema ALL-TEST PRO MD

La potencia combinada de MCA y MCSA disponible en el kit ALL-TEST PRO MD, integrada a través del sistema de Software de Gestión de Motores EMCAT, permite la
usuario para realizar lo siguiente:

• Análisis automatizado de datos de MCA y MCSA.
• Cálculo de la amortización mediante los sistemas de software Power System Manager y MotorMaster Plus.
• Puesta en servicio de maquinaria eléctrica
• Solución de problemas de maquinaria eléctrica
• Tramitación de maquinaria eléctrica
• Análisis de las causas de la maquinaria eléctrica
• Vista completa del sistema eléctrico y mecánico
• Evaluación de sistemas CA/CC, cargas mediante sistemas de “acoplamiento suave” (es decir, accionamientos por corrientes de Foucault).
• Estudios y encuestas sobre energía.
• Admite otras tecnologías de diagnóstico, como vibración, infrarrojos, etc.

Todo ello mediante un sencillo sistema de diagnóstico del motor. Los datos pueden recogerse utilizando los colectores de datos manuales o mediante la función de “operación remota” a través de un ordenador o portátil (el sistema puede manejarse a distancia desde la pantalla de un ordenador).

Conclusión

El objetivo de este libro blanco de ALL-TEST Pro era presentar las capacidades MCSA del sistema de diagnóstico motorizado ALL-TEST PRO MD.
Las capacidades, como se ha demostrado, van mucho más allá del simple análisis de motores de inducción e incluyen:

• Motores de CA y alternadores
• Motores y generadores de CC
• Sistemas monofásicos y trifásicos
• Accionamientos por corrientes de Foucault
• Variadores de frecuencia
• Calidad de la energía entrante
• Carga motriz
• Más información

Las capacidades han ido mucho más allá de las citadas en este documento.

Se presentarán otros trabajos que identifican oportunidades utilizando la calidad de la energía, MCA, MCSA y la detección de fallos relacionados con la carga.