Las mejoras en la tecnología de los variadores de frecuencia (VFD) han permitido reducir los costes, mejorar la fiabilidad y, lo que es más importante, aumentar su uso. La mayoría de los sistemas VFD modernos disponen de diagnósticos internos que provocan el apagado automático en caso de avería. Sin embargo, a veces resulta difícil localizar y corregir la causa de estos fallos. Sin embargo, las pruebas de motores sin tensión (MCA) y con tensión pueden proporcionar información valiosa para ayudar a identificar rápida y fácilmente muchos de estos problemas. Este breve documento destaca cómo incorporar estas dos técnicas de comprobación de motores fáciles de realizar en la localización de averías de VFD.

Funcionamiento básico

Un variador de frecuencia rectifica la corriente alterna trifásica entrante para crear un bus de corriente continua. El bus de CC utiliza condensadores para suavizar la CC rectificada como entrada a la sección del inversor. En el sector del inversor, el controlador utiliza microprocesadores para controlar los interruptores semiconductores que convierten la tensión continua en una tensión alterna trifásica variable y la frecuencia de entrada al motor. Controlando el tiempo de disparo de los semiconductores (SCR o IGBT), la anchura de los impulsos de CC modula la CC para producir una tensión de entrada trifásica simulada con tensión y frecuencia variables. La frecuencia de la tensión de entrada determina la velocidad a la que el campo magnético gira alrededor del estator. La velocidad a la que el campo magnético se denomina velocidad síncrona (SS).

SS= 120 F/P

Donde F= frecuencia de la tensión de alimentación

P = número de polos del motor

Debido a la naturaleza de conmutación del circuito del inversor, los VFD pueden crear problemas de calidad de energía al introducir armónicos en el sistema eléctrico de la planta. Además, los VFD también pueden ser sensibles a los problemas de calidad del aire entrante, lo que provoca que se apaguen. Muchos variadores de frecuencia tienen una electrónica interna que indica la causa de la parada. Estos códigos comunes asignan la causa del fallo a sobretensión, sobrecorriente, sobrecarga, desequilibrio de tensión o corriente, sobretemperatura o fallos externos. Esta información es importante, pero la verdadera pregunta es qué ha provocado el fallo. ¿La avería es causada por el variador de frecuencia o experimentada por éste?

Si el fallo se produce en el variador de frecuencia, puede deberse a la potencia de entrada, a problemas de conexión, a cualquiera de los muchos problemas de los motores o a fallos en la máquina accionada o en el propio proceso. Si el fallo es causado por el VFD. Podría ser el resultado de la rotura o fallo de componentes electrónicos. Entre los fallos más comunes, se encuentran los diodos en la sección del rectificador, los condensadores del bus de CC o la rotura o fallo de un semiconductor en la sección del inversor.

Pruebas de motores sin tensión: Motor Circuit Analysis™ (MCA™)

Análisis de Circuitos de Motores™ (MCA™)
es una técnica de prueba de motores que inyecta una serie de señales de CA y CC de bajo voltaje a través de los devanados del motor para evaluar a fondo todo el sistema del motor mientras éste está desenergizado. Las pruebas de motor MCA pueden realizarse directamente en el motor o a distancia desde la salida del variador de frecuencia. A diferencia de las pruebas tradicionales de motores sin corriente, que no identifican los problemas del rotor o la rotura del aislamiento del bobinado en desarrollo. Las pruebas MCA proporcionan indicaciones tempranas de fallos en desarrollo no sólo en el sistema de aislamiento de la pared de tierra, sino también en el aislamiento que rodea a los conductores utilizados para crear las bobinas en el estator, así como fallos existentes o en desarrollo en la parte eléctrica de los rotores. El ACM puede identificar fallos en las primeras etapas, pero también puede confirmar rápidamente el “buen” motor, lo que puede eliminar rápidamente el motor como causa de la desconexión del variador de frecuencia. Al realizar la prueba de 3 minutos desde la salida del variador de frecuencia, un resultado “bueno” no sólo indica que el motor está bien, sino que todo el cableado asociado y todos los componentes eléctricos del circuito probado también están en buenas condiciones. Sin embargo, si los resultados indican que es malo, basta con realizar una prueba adicional de 3 minutos directamente en el motor. Si las pruebas del motor son buenas, entonces el fallo está en el cableado o en el controlador. Si el motor indica un fallo de desarrollo, existen pruebas MCA opcionales disponibles para determinar si el fallo se encuentra en el rotor o en el circuito eléctrico del estator.

Las pruebas de CC de baja tensión indican problemas de conexión en el circuito sometido a prueba para confirmar que todas las conexiones externas e internas son suficientemente “estancas”. La serie de pruebas de CA ejercita el aislamiento del devanado e identifica los pequeñísimos cambios que se producen en la composición química del aislamiento del devanado a medida que el aislamiento entre conductores comienza a degradarse.

La prueba dinámica opcional requiere la rotación manual del eje del motor sometido a prueba y desarrolla una firma del estator que identifica cualquier fallo en desarrollo en el aislamiento que rodea a los conductores en las bobinas que componen el sistema de bobinado del estator. Las firmas del rotor identifican fallos en el sistema eléctrico del rotor, como excentricidad estática o dinámica, grietas, roturas o vacíos de fundición en las barras o los anillos extremos del rotor.

Pruebas de motores energizados: Análisis de firmas eléctricas (ESA)

ESA utiliza la tensión y la corriente de entrada y salida del variador de frecuencia para analizar rápidamente el estado y la calidad de la energía suministrada al variador, así como la tensión y la corriente de salida del variador al motor. Cada una de estas pruebas requiere < 1 minuto. La realización de pruebas de motor ESA tanto en la entrada como en la salida del accionamiento proporciona un perfil completo de la potencia de entrada y salida. Cada prueba realiza una captura de datos simultánea de las tres fases de tensión y corriente para crear tablas PQ para cada una de las tres fases, captura, muestra y almacena 50 mseg de las formas de onda de tensión y corriente para las 3 fases. Además, en 50 segundos se digitalizan las formas de onda de tensión y corriente y se utilizan para realizar FFT de alta y baja frecuencia en la tensión y las corrientes de entrada y salida.

Potencia de entrada

La tensión de entrada al accionamiento proporciona información valiosa que indica el estado de la tensión de entrada suministrada al accionamiento, calcula cualquier desequilibrio de tensión o corriente, o contenido armónico en la tensión o corriente de entrada. La corriente de entrada indica el estado de los diodos de la sección rectificadora del accionamiento. La figura 2 muestra la forma de onda de la corriente con todos los diodos disparando correctamente, en la figura 3 se puede determinar rápidamente que uno o más de los diodos en la sección del rectificador no están disparando correctamente.

Figura 2: Sección de diodos en buen estado Figura 3: Sección de diodos defectuosos

Tensión de salida

Figura 4: IGBT que funcionan correctamente

La tensión de salida del variador proporciona información sobre el estado del propio variador, así como sobre la calidad de la potencia que se suministra al motor, lo que incluye, entre otras cosas, el funcionamiento correcto o incorrecto de los semiconductores de los circuitos inversores y el desarrollo de fallos en los condensadores del bus de CC. La figura 4 muestra una instantánea de una fase de la salida de tensión del accionamiento, que es la tensión del motor. Todas las formas de onda de la tensión de salida deben ser relativamente uniformes y simétricas. Las formas de onda de tensión no simétricas indican fallos o IGBT averiados. Observe las ondulaciones en la parte plana de las partes positiva y negativa de las formas de onda de la figura 5. Esto indica que los condensadores del bus de CC están fallando. Un condensador de 20 dólares averiado puede destruir toda una unidad.

Corriente de salida

Figura 5: Fallo del condensador del bus de CC

La corriente del motor actúa como un transductor muy sensible para el sistema motor. Cualquier fallo existente o en desarrollo en el motor, la máquina accionada o el propio proceso provocará la modulación de la corriente de los motores. Estas modulaciones en la corriente de salida proporcionan indicaciones del estado eléctrico o mecánico o de cualquier anomalía en el propio proceso. Una FFT sobre las formas de onda de tensión y corriente digitalizadas identifica rápidamente fallos en el motor como barras del rotor agrietadas o rotas, excentricidad estática o dinámica. La indicación temprana de fallos en los rodamientos y el estado de equilibrio y alineación de los componentes giratorios del motor o de la máquina accionada también pueden identificarse rápidamente utilizando la misma frecuencia de fallo reconocida desde hace tiempo en el análisis de vibraciones.

Análisis automático

El software ESA combina toda la información recopilada en el proceso de adquisición de datos de 50 segundos y la compara con normas, directrices y algoritmos predeterminados para crear los gráficos, tablas y pantallas necesarios para evaluar rápidamente el estado de todo el sistema del motor, desde la alimentación entrante hasta el proceso. Una vez finalizada la evaluación, la ESA elabora un informe completo y detallado en el que no sólo se destacan los problemas en desarrollo en la parte eléctrica, los fallos en desarrollo en la máquina accionada u otros equipos conectados al motor, sino también las anomalías en el proceso que podrían provocar la desconexión del variador de frecuencia. El informe de 8 páginas también detalla las mediciones que se encuentran dentro de las directrices predeterminadas, eliminando así la mayor parte del trabajo de adivinación normalmente asociado con la solución de problemas de VFD.

Figura 6: Tabla PQ en la salida del variador de frecuencia

Figura 7: Pantalla de resultados

Resumen

Al incorporar MCA y ESA a los procesos estándar de solución de problemas de VFD, el analista dispone de la información más detallada para determinar rápidamente si el problema lo causa el VFD o lo experimenta el VFD. La prueba MCA de 3 minutos no sólo identifica los motores defectuosos, sino que puede eliminar el motor como causa del fallo y garantizar que, si se instala un motor nuevo, éste no presente fallos. ESA confirma que la alimentación y la salida del variador de frecuencia no presentan fallos en una sencilla prueba que dura menos de 1 minuto.