Cómo probar un motor síncrono con tecnología moderna

Para comprender mejor la aplicación de las pruebas y análisis de circuitos de motores en motores eléctricos síncronos (máquinas síncronas), es importante tener una breve visión general del funcionamiento de un motor síncrono, los fallos más comunes, los métodos de prueba habituales, cómo funciona el ALL-TEST IV PRO™ (
Ahora AT5™
) trabaja con grandes motores síncronos, pasos básicos para el análisis de estatores y rotores síncronos y, resultados esperados de las pruebas (
Editor- ALL-TEST PRO 5™ es el reemplazo recomendado para el ATIV™.
). En este documento analizaremos estos diversos aspectos, haciendo referencia a otros materiales para obtener detalles adicionales.

Acerca de las máquinas síncronas

Los grandes motores síncronos tienen dos funciones básicas:

• El primero es mejorar el factor de potencia eléctrica de una planta. En cualquier planta con grandes cargas inductivas, como motores y transformadores, la corriente empieza a ir por detrás de la tensión (factor de potencia deficiente). Cuando esto se agrava lo suficiente, la planta requiere cantidades significativamente mayores de corriente para realizar la misma cantidad de trabajo. Esto puede provocar caídas de tensión y sobrecalentamiento de los componentes eléctricos. Un motor síncrono puede utilizarse de forma que apenas afecte al factor de potencia, o puede utilizarse para que la corriente conduzca a la tensión y se corrijan los problemas de factor de potencia.
• El segundo método de funcionamiento consiste en absorber cargas pulsantes, como los compresores alternativos. Una vez que un motor síncrono ha alcanzado la velocidad de sincronización, tiene bobinas que se “bloquean” al ritmo de los campos magnéticos giratorios del estator del motor eléctrico. Si se produce un impulso de par (por ejemplo, en la parte superior de la carrera de un compresor alternativo), el motor puede desincronizarse con los campos giratorios. Cuando esto ocurre, un devanado especial del rotor denominado devanado amortiguador (véase la construcción síncrona más adelante) absorbe la energía del impulso de par, manteniendo el rotor sincronizado.

La construcción básica de un motor síncrono es sencilla. Hay tres juegos de bobinados, un estator, un rotor, cojinetes y un generador (sin escobillas) o un “excitador estático” (con escobillas).

Los devanados consisten en:

• Un bobinado trifásico estándar, muy similar a un motor eléctrico de inducción estándar.
• Un conjunto de bobinas de campo, que son bobinas de CC hechas de alambre redondo para máquinas pequeñas y de alambre rectangular o de cinta en máquinas más grandes.
• Un bobinado amortiguador, similar a la jaula de ardilla del rotor de un motor de inducción.

Los métodos de arranque de los motores síncronos con y sin escobillas son similares. El circuito de salida será diferente para ambos. A continuación se describe el modo básico de funcionamiento, seguido de una breve descripción de las diferencias:

Durante la fase de arranque, un motor síncrono actúa de forma muy similar a un motor de inducción estándar. El estator recibe una corriente eléctrica y se desarrolla un campo magnético giratorio (la velocidad = (120 * frecuencia aplicada) / nº de polos). Este campo genera una corriente en el devanado amortiguador, que se utiliza para desarrollar el par de arranque generando su propio campo magnético que interactúa con el campo magnético del estator en el entrehierro y hace que el rotor siga los campos magnéticos del estator. Cuando el rotor empieza a alcanzar los campos del estator, se inyecta corriente continua en las bobinas del campo del rotor, creando pares magnéticos norte y sur (las bobinas del rotor siempre se encuentran en pares). Estos se bloquean al paso de los campos magnéticos del estator y siguen a la misma velocidad que los campos del estator, mientras que un motor de inducción estándar siempre va por detrás.

En una máquina de escobillas, la fuente de corriente continua para los campos del rotor suele proceder de un arrancador “estático” (electrónico), que convierte la corriente alterna suministrada en corriente continua. En la mayoría de los casos, la CC de salida varía a lo largo del ciclo de arranque. El accionamiento también puede configurarse para cortocircuitar las bobinas de campo de la máquina para evitar la saturación del rotor y las corrientes extremadamente altas resultantes en el estátor. Una vez que el rotor empieza a girar, se suministra corriente continua para ayudar al motor a desarrollar par. La tensión continua se suministra a través de un par de anillos colectores y escobillas.

En una máquina sin escobillas, se instala un generador de CC directamente en el eje del motor síncrono. Cuando el motor síncrono arranca, el generador suministra muy poca CC a través de su conmutador. A medida que aumenta la velocidad, también aumenta la tensión continua, lo que ayuda al motor a generar par y, a continuación, a bloquearse en paso a velocidad síncrona. En este tipo de máquina, el generador se conecta directamente a los campos del rotor.

También hay máquinas que tienen un generador montado en el eje del rotor que alimenta un mando independiente. Se utiliza primero para cortocircuitar los devanados y luego para controlar la cantidad de CC que llega al rotor, igual que en la máquina de escobillas.

Averías más comunes de los motores síncronos

Los grandes motores síncronos suelen estar bien construidos y ser robustos. Suelen estar sobreconstruidos con material para soportar las fuertes cargas que se les aplican. Las averías más comunes de las máquinas síncronas industriales, por orden, son:

• Rodamientos por desgaste general y contaminación
• Campos del rotor: debido a las altas temperaturas, a menudo se queman desde dentro hacia fuera.
• Devanados Amortisseur – sobre todo en cargas alternativas. Debido a la cantidad de energía absorbida, las barras de bobinado suelen agrietarse. En particular, si los campos del rotor empiezan a fallar y son cortos, lo que facilita que el rotor se desincronice.
• Devanados del estator: desgaste general y contaminación. Los devanados del estator de las máquinas síncronas suelen estar “bobinados” y fuertemente aislados.

Casi todos los fallos de bobinado que se producen en un motor síncrono comienzan entre los conductores de las bobinas del rotor o del estator.

Métodos de ensayo comunes, puntos fuertes y débiles

A continuación se indican los métodos de prueba tradicionales para evaluar el estado de un motor síncrono:

• Pruebas de resistencia de aislamiento: Utilizando tensiones continuas aplicadas según lo especificado por IEEE 43-2000, se coloca un potencial entre los devanados del estator y tierra. Sólo mide los fallos directos entre los devanados del estator y el bastidor del estator. También se realiza a través de los anillos rozantes en una máquina de tipo cepillo.
• Índice de polarización: Es una relación de 10 minutos a 1 minuto de la resistencia del aislamiento. Tradicionalmente se ha utilizado como método para medir el estado del aislamiento entre los devanados del estator y el bastidor. Al igual que la prueba de resistencia del aislamiento, también puede realizarse a través de los anillos rozantes en una máquina de tipo cepillo. Como se indica en la norma IEEE 43-2000, este método de ensayo sólo es realmente válido en sistemas de aislamiento anteriores a 1970.
• Pruebas de alto potencial: Lo más común en máquinas grandes es la prueba de alto potencial de CC que se realiza a un valor de dos veces el voltaje de la placa de identificación del motor más 1000 voltios, multiplicado por la raíz cuadrada de 3. En un sistema de aislamiento existente, este valor suele reducirse al 75% de la tensión potencial. Esta prueba somete al sistema de aislamiento a grandes esfuerzos y es potencialmente dañina (según las normas 388 y 389 del IEEE). Este tipo de prueba NUNCA debe aplicarse a los devanados del rotor de un motor síncrono.
• Prueba de comparación de sobretensiones: Evalúa la condición de vuelta a vuelta del estator sólo mediante la comparación de las formas de onda de dos devanados cuando un pulso de tiempo de subida rápida de dos veces la tensión más 1000 voltios. Si hay problemas corregibles, como devanados contaminados, esta prueba puede dañar los devanados del motor.
• Pruebas de descarga parcial: Se trata de un método de prueba no destructivo que mide las radiofrecuencias de las descargas en huecos dentro del sistema de aislamiento de los devanados del motor. Esto es eficaz para las tendencias en las máquinas de más de 6,6 kV y sólo proporciona una breve advertencia a partir de 4 kV. No detecta ningún fallo en el rotor.

• Análisis de la firma de corriente del motor: Se diseñó para la comprobación del rotor de motores de inducción.
• Prueba de caída de tensión: Requiere que el motor esté desmontado. Se aplica una tensión alterna de 115 a los bobinados del rotor y se mide la caída de tensión con un voltímetro a través de cada bobina. Si hay un cortocircuito, la caída de tensión variará más del 3%.

La lista anterior no incluye los equipos para las pruebas mecánicas de los motores síncronos.

Acerca del instrumento ALL-TEST Pro

El ALL-TEST IV PRO™ (
Editor- ALL-TEST PRO 5™ es el sustituto recomendado para el ATIV™)
es un sencillo instrumento electrónico que funciona de forma muy similar a un multímetro, con la diferencia de que proporciona una serie de lecturas que cubren los parámetros de CA del circuito del motor. Se trata de un recopilador y comprobador de datos que envía una señal de CC de baja tensión para pruebas sencillas de resistencia, del mismo modo que un mili-ohmímetro, y una señal de CA de baja tensión y alta frecuencia para lecturas de CA. A continuación, el instrumento mide y calcula los resultados de las pruebas en unidades de ingeniería de resistencia, impedancia, inductancia, ángulo de fase, respuesta de corriente/frecuencia y una prueba de resistencia de aislamiento a tierra.

Las principales diferencias entre las pruebas electrónicas de equipos de potencia y los métodos de potencia tradicionales son:

• Una visión más completa del circuito del motor, incluidas las influencias de los cambios en el estado del aislamiento de la bobina del campo del rotor.
• Un instrumento para una amplia gama de tamaños de equipos. La prueba se limita únicamente al rango de resistencia simple del instrumento (0,010 Ohm a 999 Ohmios).
• No destructivo: no se aplica ningún voltaje perjudicial.
• Interpretación de datos más sencilla – Algunas reglas sencillas para la interpretación de datos (Véase la interpretación de datos más adelante).
• Equipos portátiles frente a equipos que pueden pesar desde 40 libras hasta más de 100 libras.
• Fuente de alimentación interna del instrumento.

A medida que un sistema de aislamiento envejece, o si el sistema de aislamiento está contaminado y ello está afectando a la integridad del aislamiento, el circuito eléctrico del motor cambia. Dado que el rotor es una parte integral del circuito, los cambios en la integridad eléctrica del circuito del rotor y el sistema de aislamiento se reflejan directamente a través de los devanados del estator, también. Esto permite tanto la localización inmediata de averías como la determinación de tendencias a largo plazo del motor.

La información de prueba única permite a los instrumentos ALL-TEST Pro ver suficientes parámetros del sistema de aislamiento para detectar y aislar:

• Bobinados del estátor cortocircuitados
• Campos del rotor en cortocircuito
• Barras de bobinado del amortiguador rotas
• Excentricidad del entrehierro
• Contaminación del bobinado (rotor y estator)
• Fallos de aislamiento de tierra

Pasos básicos para el análisis de máquinas síncronas con los instrumentos ALL-TEST Pro

Los pasos para probar las máquinas síncronas son similares a los que se siguen para evaluar el estado de los motores de inducción estándar. Sin embargo, debido a que hay bobinas de campo en el rotor del motor, se requieren algunos pasos adicionales para la localización de averías.

Al probar una máquina síncrona desde el centro de control del motor o el arrancador:

• Desenergice el equipo. Asegúrese de que las fuentes de alimentación secundarias también estén desconectadas.
• Realice las pruebas estándar ALL-TEST IV PRO™ (ahora AT5™) en el estator siguiendo las indicaciones del menú del instrumento.
• Evalúe los resultados de las pruebas (véase Resultados esperados de las pruebas)
• Si se indica un fallo, inicie la localización de averías:
• Ajuste la posición del rotor, tanto como sea posible, hasta 45 grados (cualquier movimiento servirá si el rotor es difícil de girar, pero no menos de 5 grados).
• Vuelva a realizar las pruebas y revise las lecturas. Si el fallo se ha desplazado o ha cambiado en más de un dígito, lo más probable es que el fallo se encuentre en el rotor.
• Si el fallo permanece fijo (no cambia con la posición del rotor), desconecte los cables en la caja de bornes del motor y vuelva a realizar la prueba. Si se sigue indicando un fallo, lo más probable es que esté en el estátor, si no, lo más probable es que esté en el cable.

El tiempo medio de prueba, aparte de la localización de averías, es de aproximadamente 3-5 minutos.

Al probar una máquina síncrona desmontada, es importante recordar que las lecturas serán muy diferentes sin el rotor colocado:

• Realice la prueba automática ALL-TEST IV PRO™ (AT5
  Z/
  
  
  modo de prueba) en el estátor y evalúe los resultados de la prueba. Esto proporcionará una indicación inmediata de cualquier fallo.
• Para la prueba del rotor:

• Realice la prueba automática y compárela con una lectura anterior; o,

• Realice la prueba automática y compare con un rotor “idéntico”; o,
• Realice la prueba automática a través de cada bobina de campo en lugar de una prueba de caída de tensión.
• Todos los parámetros de los tres deben cumplir los límites de evaluación.

Gracias al estilo de las pruebas, estos resultados se pueden comparar entre máquinas similares.

Otras aplicaciones de las pruebas de circuitos de motores son la evaluación y aceptación, y el mantenimiento predictivo.

Resultados previstos de las pruebas

Como se menciona en la última sección de este documento, los resultados de las pruebas son similares a los encontrados en las máquinas de inducción trifásicas. Los patrones de fallo son muy sencillos y se aplican independientemente del tamaño del equipo, dentro del rango de prueba de los instrumentos ALL-TEST Pro. A continuación se ofrece un breve resumen de las mediciones de prueba y sus resultados para la localización básica de averías:

• Mediciones simples de resistencia: Son un indicador de conexiones de alta resistencia, conexiones sueltas o conductores rotos en el circuito. Esta prueba es importante, sobre todo si el problema de resistencia está en un punto, ya que, según I2R, un punto resistivo emitirá una gran cantidad de energía térmica (en vatios). Por ejemplo, una resistencia de 0,5 Ohm a través de un punto de un circuito que recibe 100 Amperios emitiría: (100Amperios2)(0,5 Ohmios) = 5.000 vatios (5kW) de energía. Es aproximadamente la misma energía que se utiliza para hacer girar un motor eléctrico de 6 caballos de potencia.
• Medición de la inductancia: Es un indicador de la fuerza magnética de una bobina y de la influencia de otras bobinas sobre una bobina. Influye el número de espiras de un circuito, las dimensiones de las bobinas y la inductancia de otras bobinas. Esta medición, por sí sola, sólo es un buen indicador del estado del bobinado del amortiguador y de la excentricidad del rotor. La inductancia sólo mostrará un devanado en cortocircuito si es grave.
• Medida de la impedancia: Es la medida de la resistencia compleja del circuito. Puede utilizarse, al igual que la inductancia, para comprobar el estado del bobinado amortiguador y del rotor. Sin embargo, cuando se utiliza junto con la inductancia, puede servir para detectar rápidamente devanados sobrecalentados y suciedad en los devanados. Observando la relación de inductancia e impedancia entre cada fase: Si la inductancia y la impedancia son relativamente paralelas, entonces cualquier desequilibrio inductivo y de impedancia está en la relación entre el rotor y el estator (posición del rotor); Si no son paralelas, esto es una indicación de un problema de aislamiento como rotura de aislamiento o contaminación del devanado.
• Ángulo de fase e I/F (Corriente/Frecuencia): Ambos son indicadores de fallos de aislamiento entre espiras en el estator o el rotor.
• Resistencia de aislamiento: Evalúa el aislamiento a tierra y sólo indicará cuando el aislamiento haya fallado.

Las recomendaciones de límites de ensayo, tal y como se recogen en la “Guía para el análisis electrónico de circuitos estáticos de bobinado de máquinas rotativas y transformadores”, son las siguientes:

Tabla 1: Límites de ensayo (valores pico a pico)

*Puede superar este valor si las mediciones son paralelas.

A continuación se ofrece un resumen de las normas de resolución de problemas:

• Devanados en cortocircuito:

• Los devanados cortocircuitados pueden evaluarse observando el ángulo de fase y las lecturas I/F del instrumento en bobinas similares o entre fases:
• Ángulo de fase (Fi) – El ángulo de fase debe estar dentro de 1 dígito de la lectura media. Por ejemplo, una lectura de 77/75/76 sería buena porque la lectura media es 76. Una lectura de 74/77/77 sería mala.
• Respuesta en frecuencia actual (I/F) – La respuesta en frecuencia actual debe estar dentro de los 2 dígitos de la lectura media. Por ejemplo, una lectura de -44/-45/-46 sería buena. Una lectura de -40/-44/-44 sería mala. Sin embargo, una lectura como -42/-44/-44 debe considerarse sospechosa.

• Contaminación del devanado y posición del rotor

• La posición del rotor dentro del motor eléctrico puede provocar un desequilibrio de fase natural. La contaminación del bobinado también provocará desequilibrios de fase. La evaluación del DF puede mostrar si el desequilibrio de fase procede del rotor o de la contaminación.

• Posición del rotor – Los desequilibrios en la posición del rotor pueden evaluarse comprobando si los valores de inductancia e impedancia están bastante equilibrados. Por ejemplo, si hay inductancias de 17/18/19 e impedancias de valores 24/26/29, el desequilibrio se debe a la posición del rotor. También puede ser el caso si las inductancias son 5/5/5 y las impedancias 8/9/8.
• Contaminación del devanado – También puede encontrarse en devanados sobrecalentados (quemados). Estas condiciones son el resultado de cambios en el aislamiento debidos a la rotura del sistema de aislamiento.

Conclusión

A través de un conjunto de reglas e instrucciones sencillas, el ALL-TEST IV PRO™ (ahora AT5™) proporciona una excelente herramienta para la localización de averías y tendencias del estado de las máquinas síncronas. La prueba se realiza mediante mediciones sencillas y no destructivas que permiten una visión más completa del estator del motor y del circuito del rotor que cualquier otra prueba. La evaluación de las pruebas es sencilla y directa, independientemente del tamaño o el tipo de equipo.

Bibliografía

• Directrices para el análisis electrónico de circuitos de bobinado estático de máquinas rotativas y transformadoresBJM Corp, División ALL-TEST, 2001.
• Penrose, Howard W. Análisis de Circuitos de Motores: Teoría, Aplicación y Análisis EnergéticoSUCCESS by DESIGN, 2001.