Detección de fallos en motores de ancho de pulso modulado mediante el análisis de firmas eléctricas

El uso industrial de accionamientos para motores de CA sigue creciendo y el accionamiento por ancho de pulsos modulado (PWM) se ha convertido en el estándar común de la industria para aplicaciones de potencia baja a media. Al igual que ocurre con los demás componentes del sistema del motor, el accionamiento PWM presenta diferentes modos de fallo y, para la localización de averías, un electricista suele utilizar un multímetro digital (DMM), un osciloscopio digital y un analizador de calidad de la energía. Estos tres instrumentos permiten al electricista detectar problemas relacionados con la alimentación de entrada y el accionamiento del motor, pero ofrecen una capacidad limitada para la detección de fallos en el propio motor y en la carga accionada por el motor. Además, como estos instrumentos son independientes y pueden ofrecer una capacidad limitada de generación de informes, las pruebas con fines de mantenimiento predictivo (PdM) o mantenimiento basado en el estado (CBM) pueden resultar difíciles.

Aquí es donde el Análisis de Firma Eléctrica (ESA) ofrece claras ventajas sobre el DMM, el osciloscopio y el analizador de calidad de energía para las pruebas de Fiabilidad. Además de evaluar el estado de la alimentación entrante y del accionamiento del motor, también evaluará el estado del motor y de la carga accionada para muchos modos de fallo habituales.

Acerca de la AEE

ESA es un método de prueba en línea en el que se capturan formas de onda de tensión y corriente mientras el sistema del motor está en funcionamiento y, a continuación, mediante una transformada rápida de Fourier (FFT), se realiza un análisis espectral a través del software suministrado. A partir de esta FFT, se detectan los fallos relacionados con la potencia de entrada, el circuito de control, el propio motor y la carga accionada, y se pueden trazar tendencias para fines de CBM/PdM. Nuestro instrumento ESA es portátil y funciona con pilas.

Todos los sistemas de análisis ESA requieren información de la placa de características del motor sobre tensión, velocidad de funcionamiento, corriente a plena carga y potencia (o kW). Además, se puede introducir información opcional, como el recuento de barras del rotor y de ranuras del estator, los números de pieza de los rodamientos y la información de los componentes de carga accionados, como el recuento de álabes de un ventilador o el recuento de dientes de una aplicación de caja de engranajes, para obtener un análisis más detallado y preciso.

Dado que el ESA es nuevo para muchas personas, a continuación se muestra un gráfico que ilustra los fallos generales que detecta el ESA. Véase la figura 1.

En este artículo se analizan tres fallos comunes de los accionamientos PWM:

1) Un diodo de entrada abierto en el puente rectificador.

2) Condensadores defectuosos en el circuito intermedio de CC.

3) Transistor bipolar de puerta aislada (IGBT) defectuoso.

De los tres, el fallo de los condensadores es el más difícil de detectar a tiempo, ya que no hay signos inmediatos de esta condición mediante el control del rendimiento del motor.

Acerca de la unidad

La figura 2 ilustra los bloques básicos de un accionamiento de motor PWM, que incluyen la alimentación de CA entrante, el puente de diodos de onda completa que rectifica la tensión de CA entrante, el circuito intermedio de CC que contiene el condensador o condensadores, el puente inversor y el motor.

Cuando se realizan pruebas con ESA, las conexiones de tensión y corriente se realizan al sistema del motor que se está probando. Esto se hace normalmente en el centro de control de motores y las conexiones se realizan utilizando las sondas de tensión portátiles y los transformadores de corriente portátiles suministrados o mediante cajas de conexiones especiales previamente instaladas. La ventaja de la caja de conexiones es que permite tomar los datos sin necesidad de abrir el panel de control del motor para realizar las conexiones necesarias.

Con las aplicaciones PWM se deben tomar dos conjuntos de datos, uno a la entrada del variador PWM y otro a la salida del variador PWM. El proceso completo de recopilación de datos (una vez realizadas las conexiones) dura unos 4 minutos y en este punto no se requiere información sobre la placa de características del motor. Esta información puede introducirse posteriormente al realizar el análisis de los datos.

A continuación, los archivos de datos se visualizan con el software suministrado y se genera un informe de Microsoft® Word. El software proporciona herramientas fáciles de usar para trabajar con los distintos espectros de análisis. Los resultados del software pueden verse sin generar el informe completo.

El software informa automáticamente de lo siguiente:

Factor de potencia, desequilibrio de corriente, desequilibrio de tensión y tensión RMS respecto a la placa de características, carga respecto a la placa de características, conexión de fases, estado del rotor, estado eléctrico y mecánico del estator, entrehierro del rotor/estator, distorsión armónica total (tensión y corriente), indicaciones de desalineación/ desequilibrio y estado de los rodamientos.

También informa de la tensión y la corriente de pico y el factor de cresta, la impedancia de fase, la potencia (aparente, real y reactiva), la velocidad de marcha y la frecuencia de línea. Para motores de inducción de CA y motores de CC también calculará la eficiencia del motor.

Un usuario medio cualificado puede realizar un análisis completo y generar un informe en menos de 10 minutos por motor.

Primer caso

El caso número uno es un accionamiento de motor que se recibió en las instalaciones de servicio de EMA Inc, Cortland, NY. El accionamiento y el motor se probaron en un dinamómetro.

Se recopilaron dos conjuntos de datos. La primera es una captura de la forma de onda sólo en la entrada de la unidad y, a continuación, el segundo conjunto se tomó en la salida de la unidad. El segundo conjunto de datos incluye una captura de formas de onda de tensión y corriente, además de 50 segundos de formas de onda de tensión y corriente.

La figura 6 muestra la forma de onda de la corriente entrante para la fase C. Obsérvese que faltan los picos negativos. La causa es un diodo abierto.

El informe generado automáticamente por el ESA identifica tanto el desequilibrio de corriente como la distorsión armónica excesiva, causada por el diodo abierto.

Esta primera página del informe es sólo un resumen y hay páginas adicionales que ofrecen detalles sobre cada uno de los principales epígrafes temáticos. Un desequilibrio de fase de corriente grande, como el que se ve aquí, dañará los componentes internos del variador PWM y puede sobrecargar el transformador de alimentación que alimenta el variador del motor.

Segundo caso

El caso número dos fue recibido por EMA para su reparación e implica condensadores envejecidos en la batería de condensadores. El problema es que, a medida que estos condensadores empiezan a envejecer y deteriorarse, el rendimiento del motor no ofrece indicaciones evidentes. Una vez que los condensadores empiezan a fallar, la corriente adicional es transportada por los condensadores buenos, lo que crea un calor excesivo en los condensadores, y el calor adicional acelera el fallo de los condensadores restantes. Estos condensadores tienen respiraderos para disipar la presión excesiva en su interior, pero es posible que exploten si no se ventilan con la suficiente rapidez. Además, la excesiva tensión de ondulación que se suministra al motor hará que éste absorba corriente armónica. Estas corrientes armónicas crearán un par de secuencia negativa, un rendimiento deficiente del motor y una acumulación adicional de calor perjudicial en el interior del motor.

La figura 9 muestra la tensión a la salida del variador y esto es para un buen variador con condensadores en buen estado.

Caso 3

El caso número tres fue recibido por la EMA para su reparación. La forma de onda de salida muestra un IGBT (transistor bipolar de puerta aislada) que no se enciende. Esto crea tanto un desequilibrio en la corriente como una distorsión de la forma de onda.

Conclusión

En conclusión, el DMM, el osciloscopio y los instrumentos de calidad de potencia proporcionan una buena capacidad de resolución de problemas para los accionamientos de motor PWM. Sin embargo, no se integran bien en un programa de fiabilidad de pruebas de motores eléctricos debido a las limitaciones de recopilación de datos y elaboración de informes. Además, proporcionan poca información sobre los problemas habituales relacionados con el motor y la carga.

El análisis de firmas eléctricas permite al técnico de fiabilidad ver todo el sistema del motor, desde la alimentación entrante hasta la carga accionada. Con las aplicaciones PWM, la recogida de datos tarda menos de 4 minutos una vez realizadas las conexiones de tensión y corriente. A partir de este proceso de prueba de 4 minutos, un análisis completo de 8 puede identificar rápidamente problemas como diodos rectificadores defectuosos, condensadores de bus de CC deficientes e IGBT defectuosos antes de que el fallo del accionamiento o del motor haya provocado el fallo del sistema del motor.

Es importante señalar que en los tres casos el motor puede seguir funcionando, dependiendo de la carga y de otros factores operativos, pero la seguridad de que el sistema siga funcionando se ve comprometida. La capacidad de la ESA para identificar estos fallos en una fase temprana, antes de que se produzcan daños adicionales en el motor o en el accionamiento PWM, ayudará a minimizar los costosos tiempos de inactividad, aumentar la fiabilidad del equipo y, posiblemente, evitar daños catastróficos en el equipo o posibles lesiones al personal.

Sobre los autores

Richard Scott es el Director Nacional de Ventas y Don Haapapuro, CMRP, es el Director de Cuentas Clave de ALL-TEST Pro, LLC. ALL-TEST Pro es un fabricante de equipos de prueba portátiles para Análisis de Circuitos de Motores (MCA), Análisis de Firmas Eléctricas (ESA), y Análisis de Calidad de Potencia (PQ) utilizados para pruebas de Mantenimiento Predictivo, Control de Calidad, y Localización y Solución de Problemas de motores eléctricos, generadores, transformadores, bobinas y devanados. Los instrumentos ALLTEST PRO® MCA proporcionan una detección precoz de fallos eléctricos, incluidos: fallos de bobinado, desequilibrio de fases, fallos del rotor y fallos de tierra. El instrumento ALL-TEST PRO® ESA y PQ proporciona un análisis automático desde la potencia de entrada, el motor eléctrico, hasta la carga accionada, tanto eléctrica como mecánica. Los instrumentos son portátiles, funcionan con pilas, son fáciles de usar y comprueban prácticamente cualquier tamaño o tipo de motor eléctrico, generador o transformador, incluso desde una ubicación remota. La página web es www.alltestpro.com.

Dean Williams es el Vicepresidente de Servicios Técnicos de EMA, Inc. y trabaja desde el centro de servicio de Cortland, NY. EMA vende y mantiene accionamientos de motor y ofrece formación para la correcta resolución de problemas de los accionamientos de motor. La página web es www.emainc.net.

Microsoft® Word es una marca registrada de Microsoft Corporation.

Copyright © 2008 ALL-TEST Pro, LLC Todos los derechos reservados