Cómo probar completamente los motores de inducción de CA trifásicos usando las pruebas a motores desenergizados

A menudo se realizan pruebas de inductancia del motor con métodos que no evalúan con precisión el conjunto. Unas pruebas inadecuadas pueden conducir a la sustitución prematura de los equipos, a un mal análisis de costes y a otros resultados negativos. Las pruebas de motores sin energía con los dispositivos de análisis de circuitos de motores (MCA™) patentados por ALL-TEST Pro pueden hacer que las pruebas sean más precisas, procesables y directas. Este artículo le mostrará cómo probar un motor de CA trifásico y le explicará por qué los métodos MCA™ son más completos.

¿Cómo funcionan los métodos de prueba tradicionales?

Antes de cubrir cómo probar un motor trifásico con procedimientos de prueba modernos, revisaremos por qué los métodos de prueba tradicionales que utilizan medidores de resistencia de aislamiento a tierra y multímetros no son suficientes. Estas herramientas pasan por alto partes específicas del motor y no siempre le ayudarán a saber si un motor trifásico está mal.

Medidores de resistencia de aislamiento a tierra

Las pruebas indican que sólo un 17% de los fallos del estator eléctrico se producen entre las bobinas y el bastidor del motor o son un cortocircuito directo a tierra, mientras que aproximadamente el 83% se producen en el aislamiento del bobinado. Dado que la prueba IRG no tiene en cuenta el aislamiento del bobinado, sólo se aplica a un pequeño porcentaje de fallos. Tampoco evalúa el estado general del aislamiento de la pared del suelo, sino sólo su punto más débil. Los medidores IRG recomiendan el uso de un anticuado índice de polarización para determinar la capacidad del GWI de almacenar una carga eléctrica. Estas directrices, basadas en tipos de aislamiento más antiguos, pueden no ser válidas para los sistemas de aislamiento más recientes.

El objetivo de las mediciones de IRG no es determinar el estado del aislamiento, sino verificar que el motor eléctrico trifásico es seguro para su puesta en marcha. Las mediciones adicionales, como el factor de disipación y la capacitancia a tierra, proporcionan una indicación más completa del estado general de la GWI.

Multímetros

Los multímetros miden la resistencia del circuito eléctrico entre determinados cables del motor. En teoría, si el aislamiento que rodea a los conductores se rompe (como en un cortocircuito del devanado), la resistencia de la bobina en cortocircuito sería menor que la de las otras bobinas, creando un desequilibrio de resistencia entre las fases.

El problema de la resistencia como indicador de la degradación del aislamiento del bobinado radica en la ley fundamental de la electricidad que establece que la corriente toma el camino de la menor resistencia. Para que la corriente pueda derivar una o varias espiras de una bobina, la resistencia del aislamiento entre las bobinas debe ser menor que la resistencia de los conductores de la o las espiras cortocircuitadas. Estos valores pueden estar en los miliohmios y normalmente no son medibles hasta que el aislamiento entre los devanados desaparece por completo.

Otro problema de los multímetros es que el aislamiento tiene un coeficiente de temperatura negativo. A medida que aumenta su temperatura, la resistencia disminuye, potencialmente hasta un valor lo suficientemente bajo como para que la corriente se acorte alrededor de la bobina. Si realiza las mediciones después de que el motor se haya apagado, las temperaturas del devanado y del aislamiento habrán disminuido, permitiendo que la resistencia del aislamiento aumente lo suficiente para que la corriente siga su camino habitual y se presente con una medición equilibrada entre las fases.

¿Cómo se descompone el aislamiento?

La evaluación del estado de un motor trifásico se basa en la indicación temprana de la rotura del aislamiento. Para ello, MCA™ utiliza señales de CA de baja tensión para ejercitar el sistema de aislamiento del devanado y determinar cuándo el aislamiento del devanado comienza a sufrir los cambios químicos que se producen cuando el aislamiento comienza a degradarse.

Toda la materia está formada por moléculas y átomos. Los átomos funcionan como ladrillos de LEGO®, formando moléculas mediante enlaces químicos. Estos enlaces se producen en la capa más externa del átomo (valencia). Los materiales aislantes tienen electrones de valencia muy unidos. Los materiales conductores tienen electrones poco enlazados en la capa de valencia. El calor puede cambiar la composición química del material aislante, haciendo que el aislamiento que rodea a los conductores se vuelva más conductor y forme caminos en el aislamiento. Estos caminos crean cortocircuitos entre los conductores.

Según la
Ecuación de Arrhenius
estas reacciones químicas se duplican por cada aumento de temperatura de 10 grados Celsius. El aislamiento no falla instantáneamente. Todos los materiales de aislamiento eléctrico son dieléctricos y experimentan un cambio en su composición química con el tiempo, pero estas reacciones aceleran el deterioro. El calor hace que aumente la velocidad de reacción, lo que acelera en consecuencia la velocidad de deterioro.

Cuando esto sucede, el aislamiento comienza a fallar por etapas:

1. A medida que el aislamiento se estresa, se vuelve más conductor, menos resistivo y menos capacitivo. La temperatura comienza a aumentar en la zona de la falla y el aislamiento forma caminos de carbonización. En las primeras etapas, no fluye corriente a través del aislamiento.
2. La resistencia sigue disminuyendo a medida que el aislamiento se degrada. La autoinductancia y la capacitancia podrían disminuir, y el motor podría empezar a dispararse intermitentemente pero funcionar con éxito después de que el aislamiento se enfríe. El funcionamiento continuado permitirá que las temperaturas en la zona de la falla sigan aumentando a medida que ésta se agrava.
3. Finalmente, el aislamiento se degrada hasta que la corriente fluye a través de la zona de fallo. Este fenómeno podría causar una ruptura completa del aislamiento del devanado, vaporizando el devanado. En este punto, la inductancia de la bobina y la resistencia del devanado cambian.

¿Cuáles son las averías más comunes del rotor?

Algunos (el EPRI afirma que el 10%) de los grandes motores de inducción de CA trifásicos fallan debido a problemas con el rotor. Estos son indetectables en los métodos tradicionales de pruebas motoras o exigen diagnósticos que requieren mucho tiempo e instrumentos de prueba complejos. He aquí algunos fallos típicos del rotor.

Vacíos de fundición

Los vacíos de fundición se producen cuando se forman burbujas de vapor en las barras del rotor o en los anillos extremos de la parte eléctrica de los rotores de jaula de ardilla. Aumentan la resistencia en la barra o barras. Las barras de los rotores crean circuitos paralelos. La teoría eléctrica básica establece que la tensión en cada tramo de los circuitos en paralelo es la misma. Un vacío de fundición en una barra del rotor aumenta la resistencia de la barra del rotor, lo que hace que el flujo de corriente (a través de la barra con el fallo) disminuya, y aumenta el flujo de corriente a través de las barras adyacentes. El aumento del flujo de corriente a través de estas barras de rotor adyacentes provoca un calentamiento adicional de estas barras de rotor. El calor adicional hace que las barras afectadas se expandan térmicamente, provocando que el rotor se arquee y creando una vibración excesiva y fallos tempranos y frecuentes en los rodamientos.

Rotor excéntrico

Un rotor excéntrico se produce cuando la línea central geométrica del eje no es concéntrica con la línea central geométrica del núcleo del rotor. El punto del rotor más alejado del eje (punto alto) estará más cerca del estator, mientras que el punto del lado opuesto del rotor (punto bajo) estará más cerca del eje pero más lejos del estator. La excentricidad crea un espacio desigual entre el núcleo del rotor y el núcleo del estator. Como un rotor excéntrico tiene un punto alto y un punto bajo, la separación desigual entre el rotor y el estator cambia con la posición del rotor.

Este tipo de excentricidad se denomina excentricidad dinámica. Esta condición crea fuerzas eléctricamente desequilibradas entre el rotor y el estator, lo que provoca frecuentes fallos en los rodamientos.

Huecos de aire desiguales

Se produce un entrehierro desigual si un rotor concéntrico no está colocado en la línea central geométrica del campo del estator. Esta circunstancia puede producirse debido a un mecanizado impreciso y no concéntrico de los ajustes de los rebajes en el bastidor del motor y las campanas finales. Incluso los ajustes correctamente mecanizados pueden permitir que el GCL del rotor se desvíe del GCL del estator. Este problema crea holguras estrechas y fuerzas eléctricas desequilibradas entre el estator y el rotor, similares a las de un rotor excéntrico, pero la holgura estrecha permanece en un lugar fijo dentro del motor y no cambia con la orientación del rotor. Este tipo de excentricidad se llama excentricidad estática.

Una condición de pie blando entre los pies motores y la base es una causa común de excentricidad estática. Si las patas del motor no están en el mismo plano que la base sobre la que se monta el motor, al apretar los tornillos de sujeción del bastidor del motor se puede deformar el bastidor del motor, lo que también distorsionará el campo del estator. Estas distorsiones crean las mismas condiciones que si el rotor estuviera descentrado en el campo magnético del estator.

Estos espacios de aire pueden crear holguras estrechas y fuerzas magnéticas desequilibradas que pueden provocar frecuentes fallos en los rodamientos y grietas o roturas en las barras del rotor.

Barras de rotor agrietadas o rotas

Las barras del rotor actúan como conductores en el circuito eléctrico del rotor. Si las barras del rotor están agrietadas o rotas, se producirán puntos muertos en el rotor cuando las barras afectadas estén bajo cualquiera de los polos del campo magnético del estator que giran alrededor del núcleo del estator. La corriente se modula a través del rotor a una frecuencia igual al número de polos del motor y a la frecuencia de la corriente que circula por el rotor. Las barras de rotor rotas o agrietadas impedirán que el rotor alcance la velocidad normal o que se genere un exceso de corriente, calor y vibración de la maquinaria. Si no se corrige, el rotor puede acabar autodestruyéndose.

¿En qué consiste el Motor Circuit Analysis™?

Para evaluar estos fallos del rotor y las deficiencias de las pruebas tradicionales, podemos utilizar estrategias más completas Análisis del circuito del motor™ para probar un motor de CA trifásico.

Aislamiento de paredes en el suelo

El aislamiento de tierra es cualquier aislamiento que separa la energía eléctrica suministrada al motor y el bastidor o cualquier otra parte expuesta del motor. Su objetivo es dirigir la trayectoria de la corriente y evitar que vaya a otro lugar que no sea el previsto. Recuerde que las mediciones de IRG confirman que un motor es seguro de energizar, no su condición. Las mediciones de DF y CTG proporcionan más información sobre el estado general de la GWI.

El sistema GWI puede modelarse como un circuito RC en serie-paralelo. El aislamiento GWI forma un condensador ya que es un material dieléctrico colocado entre materiales conductores. El condensador almacena una carga eléctrica, por lo que parte de la corriente alterna aplicada a un condensador vuelve a la fuente cuando se elimina la tensión. Sin embargo, una parte fluye a través del dieléctrico. La corriente que vuelve a la fuente es capacitiva, mientras que la que fluye a través del material dieléctrico es resistiva. Cuando se aplica una tensión alterna al condensador, la corriente capacitiva adelanta la tensión en 90 grados, mientras que la corriente que fluye a través del dieléctrico es resistiva y está en fase con la tensión alterna.

Un aislamiento nuevo y limpio tiene una corriente resistiva que es del 3 al 5% de la corriente capacitiva. Si el material aislante se degrada, la corriente resistiva aumenta o la capacitiva disminuye, o ambas. En cualquier caso, afecta a la relación entre la corriente resistiva y la capacitiva: la DF. Un FD creciente indica una degradación de la GWI, que podría deberse a la degradación térmica o a la contaminación.

Los motores nuevos y limpios también tienen un valor CTG específico. Si el valor actual del CTG ha aumentado con respecto a la línea de base, normalmente se debe a un aislamiento contaminado o a la entrada de agua. La degradación térmica del aislamiento GWI aumenta la corriente resistiva y disminuye la corriente capacitiva, por lo que el valor CTG disminuye. La combinación de estas dos mediciones de CA con las de IRG proporciona más información para determinar el estado general de la GWI.

Pruebas de bobinado estático del estator

Las pruebas del devanado del estator pueden ser estáticas o dinámicas. Las pruebas estáticas se realizan cuando el rotor está parado e incluyen lo siguiente.

• Resistencia del bobinado: Para medir la resistencia del bobinado, puede aplicar secuencialmente una tensión continua a dos de los tres cables del motor para evaluar la resistencia de los conductores conectados entre los cables del instrumento. Los desequilibrios asociados a la resistencia del bobinado suelen deberse a conexiones sueltas o de alta resistencia.
• Inductancia (L): La inductancia mide la capacidad de una bobina o de un devanado para almacenar un campo magnético. Los motores tienen inductancia propia y mutua. La degradación del aislamiento de una bobina afecta a la autoinductancia, y cualquier cambio en el circuito eléctrico del rotor afecta a la inductancia mutua. El desequilibrio de la inductancia suele provenir de la posición del rotor. La posición del rotor no es un problema, sino una condición natural asociada a los motores de inducción. Los motores de inducción de CA pueden moldearse como un transformador con un secundario giratorio. Los devanados del estator actúan como el primario y las barras del rotor son el secundario. En una condición estática, el número de barras del rotor colocadas directamente debajo de las bobinas energizadas que se están probando establece la relación de vueltas entre el primario y el secundario. Esto establece la inductancia mutua entre el rotor y el estator. Si el número de barras del rotor situadas bajo cada fase no es el mismo debido a la posición del rotor, se creará una inductancia desequilibrada entre las fases.
• Impedancia (Z): La impedancia es la oposición total al flujo de corriente en un circuito de CA. Mientras que la resistencia sólo mide la oposición de la corriente continua, la inductancia y la capacitancia del circuito afectan a la impedancia. Estas cantidades cambian cuando el aislamiento que rodea a los conductores que forman las bobinas de los devanados comienza a cambiar. Como Z es un valor de escala, puede pasar por alto pequeños cambios en las primeras etapas de la degradación del aislamiento.
• Ángulo de fase (Fi): El ángulo de fase mide el retardo de tiempo entre dos o más eventos dentro del mismo período. Un ciclo completo es de 360 grados. Si se tarda un segundo en completar un ciclo (el periodo del ciclo), y un evento se retrasa respecto al otro medio segundo (medio ciclo, o 180 grados), la Fi es de 180 grados. La frecuencia es la inversa del tiempo (1/T), por lo que todos los eventos con el mismo periodo ocurren con la misma frecuencia. Si los ciclos no se inician simultáneamente, uno irá por delante o por detrás. Los circuitos resistivos, inductivos y capacitivos se diferencian en la forma en que la corriente y la tensión se adelantan o retrasan. Por lo tanto, cuando la composición química del aislamiento que rodea a los conductores que componen las bobinas comienza a cambiar, la Fi cambiará antes que la Z, la L, la R o la C. La medición de la Fi es un indicador adelantado de la rotura del aislamiento.
• Respuesta en frecuencia de la corriente(I/F): Los inductores almacenan campos magnéticos para oponerse a un cambio de corriente, mientras que los condensadores almacenan cargas eléctricas para oponerse a un cambio de tensión. Si estas propiedades cambian, también lo hace la capacidad de la bobina o el devanado para almacenar una carga o un campo magnético. El aislamiento rodea a los conductores en las bobinas de los devanados de fase. Si los aislamientos que rodean todas las bobinas tienen el mismo estado, cada fase tiene la misma capacidad de almacenamiento. Una vez que el aislamiento comienza a degradarse, esta capacidad cambia, creando un desequilibrio en la capacidad de las bobinas de fase para almacenar un campo magnético o una carga eléctrica. La respuesta I/F mide la capacidad de una bobina para almacenar un campo magnético o una carga eléctrica. Los desequilibrios superiores al 2% de I/F de cualquier bobina con respecto a la media de todas las fases indican un fallo en desarrollo en el devanado.

MCA™ es una tecnología probada sobre el terreno que se ha utilizado con éxito durante más de 35 años. MCA™ cuenta con directrices documentadas para identificar los fallos del devanado y del rotor en desarrollo. Para los profesionales ocasionales, estas directrices pueden ser difíciles de recordar y aplicar. Por ello, a petición de algunos usuarios, los ingenieros de ALL-TEST Pro desarrollaron una solución única y patentada. Desarrollaron un algoritmo propio que combina todas las mediciones del MCA™ y que define el estado del devanado y del sistema del rotor. Proporciona un único valor, el valor de prueba estático. TVS™ no evalúa el aislamiento o la aptitud del sistema del rotor, sino que refleja el estado de los sistemas eléctricos del bobinado y del rotor del motor. Los motores no son autorreparables, por lo que cualquier cambio en el TVS™ indica que el estado del motor se está deteriorando.

El valor de referencia estático es generalmente el primer TVS™ realizado en un motor y se especifica como el valor de referencia o “línea base”. Esto permite al instrumento comparar los resultados de cualquier “prueba estática” presente con el RVS almacenado para evaluar el estado del motor. El RVS es un TVS™ guardado en el instrumento o en el software MCA™ como referencia para las comparaciones. Si el TVS™ cambia más de un 3% de su valor original, es una alerta temprana. Pasar del 5% indica un cambio severo.

Los motores nuevos o reconstruidos deben tener los resultados de la primera “prueba estática” almacenados como RVS.

Cuando un motor se instala por primera vez en un sistema, se realiza una nueva prueba estática desde un lugar de fácil acceso, como el centro de control del motor o una desconexión local, y los resultados se almacenan como un nuevo RVS. Este nuevo RVS incorpora todos los componentes eléctricos en el controlador del motor y el cableado asociado. La realización de cualquier prueba estática posterior desde ese lugar puede evaluar rápidamente el estado del circuito eléctrico.

Si un nuevo TVS™ difiere del RVS en menos de un 3%, el estado del motor y los componentes asociados no ha cambiado. Un aviso más allá del 3 o del 5% indica un fallo en desarrollo o un cambio severo, respectivamente. El cambio no se ha producido necesariamente en el motor, sino en alguna parte del sistema. Para aislar la avería es necesario realizar una nueva prueba estática directamente en el motor. Si ese TVS™ del motor está dentro del 3% del RVS para el motor, el fallo está en el controlador o en el cableado asociado. Si es superior al 3%, el fallo está en los devanados del motor o en el sistema del rotor.

Para determinar si la avería está en el estator o en el rotor, tendrá que realizar una prueba dinámica.

Pruebas dinámicas

Las pruebas dinámicas tienen lugar mientras el eje del motor gira manualmente de forma suave y lenta. Crean una firma del estator y una firma del rotor.

• Firma del estator: La firma del estator traza los valores medios de cambio en la impedancia a medida que las barras del rotor se mueven a través del campo magnético creado por las bobinas energizadas. En los motores buenos, la distribución de los valores medios es inferior al 1,1% de las demás fases. Si es mayor, indica que se está produciendo un fallo en el aislamiento que rodea a los conductores que forman las bobinas dentro de las fases. Si los valores superan una variación del 3%, se está produciendo una grave degradación en el aislamiento.
• Firma del rotor: La firma del rotor indica la cantidad en que cada pico se desvía del valor medio. En los rotores buenos, estos picos son simétricos. Deben variar en menos de un 10% con respecto a otros picos de la fase. Entre el 10% y el 15% indica una alerta temprana, y una variación superior al 15% indica un rotor en mal estado.

¿Por qué es tan útil el MCA™?

Desafortunadamente, la falta de conocimiento sobre las modernas capacidades de las pruebas motoras de MCA™, probadas en el campo, ha limitado el uso generalizado del método. Los enfoques tradicionales tienen una capacidad limitada para analizar a fondo los motores de inducción de CA trifásicos. Existen otros métodos que consumen mucho tiempo, pero siguen centrándose en el GWI, que no proporciona ninguna indicación de los problemas más comunes de aislamiento del devanado y del rotor.

Existen instrumentos más caros que requieren más tiempo de prueba, pero no determinan el estado del rotor del motor o del sistema de aislamiento.

MCA™ supera estos problemas con un método fácil de usar y comprensible de pruebas de motores sin energía. Ofrece evaluaciones detalladas, probadas sobre el terreno y precisas para estos motores de CA trifásicos. Nuestros instrumentos MCA™, como el
ALL-TEST PRO 7
™ y el
ALL-TEST PRO 34
™, son herramientas de mano que funcionan con baterías y ofrecen instrucciones paso a paso para realizar las pruebas. También ofrecen una evaluación inmediata en pantalla del estado del motor.

Unas pruebas motoras mejores, más fáciles y más rápidas con MCA™ pueden ofrecer beneficios como estos.

• Mayor precisión y éxito en la localización de averías: Muchos motores tienen fallos menores, a menudo reparables, pero sus usuarios los descartan debido a los costes adicionales de las pruebas. Algunas plantas sustituyen los motores problemáticos a partir de un tamaño predeterminado. Al identificar con precisión el fallo, estos usuarios pueden realizar mejores análisis de costes/reparaciones para reducir el número de sustituciones y minimizar los costes asociados a las reparaciones, el tiempo de inactividad y la mano de obra especializada redirigida.
• Instalaciones más fiables: Al inspeccionar los motores nuevos y reconstruidos, una planta se asegura de obtener lo que paga. Puede evitar instalar motores defectuosos o desperdiciar motores que aún están en buen estado y son fáciles de reparar.
• Reducción del tiempo de inactividad: Las pruebas de los motores para detectar indicios de degradación pueden ayudarle a sustituir los motores sospechosos o débiles durante una parada programada, en lugar de permitir que los fallos repentinos detengan las operaciones y reduzcan el tiempo de actividad.

Equipo MCA™ de ALL-TEST Pro

Comience a utilizar los valores exclusivos de MCA™ y ALL-TEST Pro, TVS™ y RVS, con nuestros productos de comprobación de motores trifásicos. Ofrecemos una amplia gama de dispositivos de prueba, y nuestro equipo de expertos estará encantado de ayudarle a encontrar el adecuado para su operación.
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