Diagnóstico de motores: El enfoque multitecnológico

Introducción

Existe la idea errónea y persistente de que hay una “solución mágica”, en forma de instrumento de monitorización basada en el estado (CBM), que proporcionará toda la información necesaria para evaluar la salud de su sistema de motor eléctrico. Este concepto erróneo suele deberse a las presentaciones comerciales de los fabricantes o las fuerzas de venta de estos instrumentos de MFC. Es el propio La labor del vendedor consiste en centrarse en los puntos fuertes de sus instrumentos y presentarlos como “la única solución que necesitará para resolver todos sus problemas”.

En realidad, no existe ningún instrumento que le proporcione toda la información que necesita. No hay un “Santo Grial” de la CBM y la fiabilidad. Sin embargo, mediante la comprensión del sistema de motor eléctrico, y las capacidades de las tecnologías CBM, se puede tener una visión completa del sistema, su estado de salud y tener confianza en la estimación del tiempo hasta el fallo con el fin de hacer una buena recomendación a la dirección.

El objetivo de este documento es sencillo: Resumir los componentes de un sistema de motor eléctrico; analizar los modos de fallo de cada componente principal; analizar cómo cada una de las principales tecnologías aborda cada componente; analizar cómo pueden integrarse las tecnologías para obtener una visión completa del sistema; y, analizar el impacto final del enfoque multitecnológico. Los tipos de equipos CBM que deben revisarse son tecnologías estándar disponibles en el mercado que se utilizan para pruebas periódicas.

El sistema de motor eléctrico

El sistema de motor eléctrico implica mucho más que el motor eléctrico. De hecho, se compone de seis secciones distintas, todas ellas con sus diferentes modos de fallo. Las secciones son (Figura 1):

• El sistema de distribución de energía de la instalación, que incluye el cableado y los transformadores.
• Sistemas de arranque.
• El motor eléctrico – Un motor de inducción trifásico para el propósito de este trabajo.
• El acoplamiento mecánico, que puede ser directo, por engranajes, correas u otro método de acoplamiento. Para los fines de este documento, nos centraremos en el acoplamiento directo y las correas.
• La carga se refiere al equipo accionado, como un ventilador, una bomba, un compresor u otro equipo accionado.
• El proceso, como el bombeo de aguas residuales, la mezcla, la aireación, etc.

La mayoría verán los componentes individuales del sistema cuando se trate de solucionar problemas, establecer tendencias, poner en marcha o realizar alguna otra función basada en la fiabilidad relacionada con el sistema. En qué se centran los componentes depende de varios factores, entre ellos

• Cuál es la experiencia y los antecedentes del personal y los directivos implicados. Por ejemplo, lo más habitual es ver un programa de vibración potente cuando el personal de mantenimiento es principalmente mecánico, o un programa de infrarrojos cuando el personal es principalmente eléctrico.
• Áreas de fracaso percibidas. Esto puede ser un problema grave dependiendo de cómo se perciba el sistema motor y merecerá más atención a continuación.
• Conocimiento de las distintas tecnologías CBM.
• Formación. Pero, ¿desde cuándo la formación no es un problema?

Las áreas de fallo percibidas suponen un problema especialmente grave a la hora de ver el historial de su sistema motor. A menudo, cuando se elaboran los registros, el único resumen puede decir algo así como “avería del ventilador, reparada” o “avería de la bomba, reparada”. El resultado final es que el fallo percibido tiene que ver con la bomba o el componente del ventilador del sistema del motor. Esto resulta especialmente problemático cuando se confía en la memoria para dar respuesta a los problemas más graves de una planta, basándose en la historia. Por ejemplo, cuando se trata de determinar qué parte de una planta ha estado causando más problemas, la respuesta podría ser: “Bomba de aguas residuales 1”. La percepción inmediata es que la bomba tiene un problema constante y, dado que una bomba es un sistema mecánico, se podría seleccionar una solución de supervisión mecánica para realizar un seguimiento del estado de la bomba. Si se hubiera registrado la causa raíz de cada fallo, se podría haber determinado que era el bobinado del motor, los rodamientos, el cable, los controles, el proceso o una combinación de problemas.

En una reunión reciente, mientras se discutía la selección de equipos CBM, se preguntó a los asistentes por los modos de fallo de sus emplazamientos. Las respuestas fueron ventiladores, compresores y bombas. Cuando se analizaron más a fondo, se observó que los ventiladores presentaban con mayor frecuencia fallos en los cojinetes y los bobinados del motor, las juntas de las bombas y los cojinetes de los motores en el caso de las bombas, y las juntas y los bobinados de los motores en el caso de los compresores. Si se observan más de cerca, los fallos del bobinado tienen que ver con problemas de control y cableado, reparaciones inadecuadas y calidad de la energía. Los problemas de rodamientos tenían que ver con prácticas de lubricación inadecuadas.

En efecto, a la hora de determinar la mejor manera de implantar la CBM en su sistema de motor eléctrico, debe adoptar una visión de sistema, no de componente. El resultado es sencillo: Mayor fiabilidad, menos quebraderos de cabeza y mejores resultados.

Instrumentos de prueba de monitorización basada en condiciones

A continuación se describen algunas de las tecnologías CBM más comunes. Encontrará más información sobre estas tecnologías en “Análisis de circuitos de motores”.1 En las Tablas 1-4 al final de este documento se detallan los componentes del sistema probado y sus capacidades:

Pruebas de desenergización:

1 Análisis de Circuitos de Motores: Teoría, Aplicación y Análisis energéticoHoward W. Penrose, Ph.D., SBD Publishing, ISBN: 0-9712450-0-2, 2002.

• Pruebas de alto potencial de CC: aplicando una tensión del doble de la tensión nominal del motor más 1.000 voltios para CA y 1,7 veces ese valor adicional para alto potencial de CC (normalmente con un multiplicador para reducir la tensión en el sistema de aislamiento), se evalúa el sistema de aislamiento entre los devanados del motor y tierra (aislamiento de la pared de tierra). En general, la prueba se considera potencialmente destructiva.
• Pruebas de comparación de sobretensiones: Utilizando impulsos de tensión a valores calculados igual que las pruebas de alto potencial, se comparan gráficamente las impedancias de cada fase de un motor. El objetivo de la prueba es detectar cortocircuitos en las primeras vueltas de cada fase. La prueba se realiza normalmente en aplicaciones de fabricación y rebobinado, ya que se realiza mejor sin rotor en el estator. En general, esta prueba se considera potencialmente destructiva y se utiliza principalmente como una prueba de “sí” o “no”, sin capacidad real para establecer tendencias.
• Comprobador de aislamiento: Esta prueba coloca una tensión continua entre los devanados y tierra. Las fugas de baja corriente se miden y se convierten en una medida de meg, gig o tera-Ohms.
• Prueba del índice de polarización: Utilizando un comprobador de aislamiento, se visualizan los valores de 10 minutos a 1 minuto y se elabora una relación. De acuerdo con la norma IEEE 43-2000, los valores de aislamiento superiores a 5.000 MegOhms no necesitan ser evaluados utilizando PI. La prueba se utiliza para detectar la contaminación grave de los devanados o el sobrecalentamiento de los sistemas de aislamiento.
• Pruebas Ohm, Milli-Ohm: Con un ohmímetro o mili-ohmímetro se miden y comparan los valores entre los bobinados de un motor eléctrico. Estas mediciones se realizan normalmente para detectar conexiones sueltas, conexiones rotas y fallos de bobinado de fase muy avanzada.
• Pruebas de análisis de circuitos de motores (MCA): Los instrumentos que utilizan valores de resistencia, impedancia, inductancia, ángulo de fase, respuesta de corriente:frecuencia y pruebas de aislamiento pueden utilizarse para solucionar problemas, poner en servicio y evaluar el control, la conexión, el cable, el estator, el rotor, el entrehierro y la salud del aislamiento a tierra. Utilizando una salida de baja tensión, las lecturas se leen a través de una serie de puentes y se evalúan. Lecturas no destructivas y con tendencia, a menudo con meses de antelación al fallo eléctrico.

2 Potencialmente destructivo: Se considerará potencialmente destructivo cualquier instrumento que pueda potencialmente cambiar las condiciones de funcionamiento del equipo por una aplicación incorrecta o acabar con condiciones de aislamiento debilitadas.

Pruebas energizadas:

Análisis de vibraciones: La vibración mecánica se mide a través de un transductor que proporciona valores de vibración globales y análisis FFT. Estos valores proporcionan indicadores de fallos mecánicos y el grado de los mismos, pueden ser objeto de tendencias y proporcionarán información sobre algunos problemas eléctricos y del rotor que varían en función de la carga del motor. Requisitos mínimos de carga de los motores eléctricos para detectar fallos en el rotor. Requiere un conocimiento práctico del sistema que se está probando.

El análisis por infrarrojos proporciona información sobre la diferencia de temperatura entre objetos. Los fallos se detectan y se calcula su tendencia en función del grado de fallo. Excelente para detectar conexiones sueltas y otros fallos eléctricos, con cierta capacidad para detectar fallos mecánicos. Las lecturas variarán en función de la carga. Requiere un conocimiento práctico del sistema que se está probando.

Los instrumentos ultrasónicos miden el ruido de baja y alta frecuencia. Detectará una variedad de problemas eléctricos y mecánicos hacia las últimas fases de avería. Las lecturas variarán en función de la carga. Requiere un conocimiento práctico del sistema que se está probando.

Las mediciones de tensión y corriente proporcionarán información limitada sobre el estado del sistema del motor. Las lecturas variarán en función de la carga.

El análisis de firmas de corriente del motor (MCSA) utiliza el motor eléctrico como transductor para detectar fallos eléctricos y mecánicos a través de una parte importante del sistema del motor. La MCSA, que suele utilizarse como prueba de funcionamiento, tiene algunas funciones de tendencia, pero normalmente sólo detectará los fallos de bobinado y los problemas mecánicos en sus últimas fases. Sensible a las variaciones de carga y las lecturas variarán en función de la carga. Requiere información de la placa de características y muchos sistemas requieren el número de barras del rotor, las ranuras del estator y la introducción manual de la velocidad de funcionamiento.

Componentes principales y modos de fallo

Se repasarán algunos de los principales problemas de los distintos componentes del sistema motor para comprender los tipos de fallos encontrados y las tecnologías utilizadas para detectarlos. A modo de resumen, es posible que esto no abarque todos los modos de fallo que puede experimentar.

Energía entrante

Empezando por la potencia de entrada a la carga, la primera área que habría que abordar es el sistema de alimentación y distribución entrante. El primer problema es la calidad de la energía y los transformadores.

Los problemas de calidad de la energía asociados a los sistemas de motores eléctricos incluyen:

• Armónicos de tensión y corriente: Con tensión limitada al 5% de THD (distorsión armónica total) y corriente limitada al 3% de THD. Los armónicos de corriente tienen el mayor potencial de dañar el sistema del motor eléctrico.
• Condiciones de sobretensión y subtensión: Los motores eléctricos están diseñados para funcionar a no más de +/- 10% de la tensión de placa.
• Desequilibrio de tensión: Es la diferencia entre fases. La relación entre el desequilibrio de la tensión y la corriente varía desde unas pocas veces hasta muchas veces el desequilibrio de la corriente en relación con el desequilibrio de la tensión en función del diseño del motor (puede llegar hasta 20 veces).
• Factor de potencia: Cuanto menor sea el factor de potencia con respecto a la unidad, más corriente deberá utilizar el sistema para realizar su trabajo. Los signos de un factor de potencia deficiente también incluyen la atenuación de las luces cuando se pone en marcha maquinaria pesada.
• Sistema sobrecargado: En función de las capacidades del transformador, el cableado y el motor. Se detecta con mediciones de corriente, normalmente, así como de calor.

Las principales herramientas utilizadas para detectar problemas con la energía entrante son los medidores de calidad eléctrica, los MCSA y los medidores de tensión y corriente. Conocer el estado de su calidad eléctrica puede ayudar a identificar muchos problemas “fantasma”.

Los transformadores son uno de los primeros componentes críticos del sistema motor. En general, los transformadores tienen menos problemas que otros componentes del sistema. Sin embargo, cada transformador suele encargarse de varios sistemas, tanto en el motor eléctrico como en otros sistemas.

Entre los problemas comunes de los transformadores se incluyen (transformadores llenos de aceite o de tipo seco):

• Fallos de aislamiento a tierra.
• Bobinados cortocircuitados.
• Conexiones sueltas, y,
• Vibración eléctrica/aflojamiento mecánico

Entre los equipos de prueba utilizados para controlar la salud de los transformadores (dentro de la selección de instrumentos de este documento) se incluyen:

• MCA para masas, conexiones sueltas/rotas y cortocircuitos
• MCSA para la calidad de la energía y los fallos de última fase
• Análisis por infrarrojos para detectar conexiones sueltas
• Ultrasonidos para detectar holguras y fallos graves
• Comprobadores de aislamiento para fallos de aislamiento a tierra.

CCM, controles y desconexiones

El control o desconexión del motor proporciona algunos de los principales problemas de los sistemas de motor eléctrico. Los más comunes tanto para sistemas de baja como de media tensión son:

• Conexiones sueltas
• Contactos defectuosos, incluidos los picados, dañados, quemados o desgastados.
• Bobinas de arranque en mal estado en el contactor
• Condensadores de corrección del factor de potencia defectuosos que normalmente provocan un desequilibrio importante de la corriente.

Los métodos de prueba para evaluar los controles incluyen infrarrojos, ultrasonidos, voltímetros/amperímetros, ohmímetros e inspecciones visuales. MCA, MCSA e infrarrojos proporcionan los sistemas más precisos para la detección de fallos y tendencias.

Cables – Antes y después de los controles

Los problemas de cableado rara vez se tienen en cuenta y, en consecuencia, provocan algunos de los mayores quebraderos de cabeza. Entre los problemas habituales de los cables se incluyen:

• Rotura térmica por sobrecarga o envejecimiento
• Contaminación que puede ser aún más grave en los cables que pasan bajo tierra a través de conductos.
• Pueden producirse cortocircuitos de fase, así como puestas a tierra. Pueden deberse a la “arborización” o a daños físicos.
• Se abre por daños físicos u otras causas.
• Los daños físicos suelen ser un problema combinado con otros problemas de los cables.

Las pruebas y tendencias se realizan con MCA, infrarrojos, pruebas de aislamiento y MCSA.

Resumen del lado de alimentación del motor

En el lado de alimentación del motor, los problemas pueden desglosarse del siguiente modo:

• Factor de potencia deficiente – 39
• Conexiones deficientes – 36%.
• Conductores subdimensionados – 10%.
• Desequilibrio de tensión – 7%.
• Condiciones de subtensión o sobretensión – 8%.

Los equipos más comunes que cubren estas áreas incluyen MCA, infrarrojos y MCSA.

Motores eléctricos

Los motores eléctricos incluyen componentes mecánicos y eléctricos. De hecho, un motor eléctrico es un convertidor de energía eléctrica en par mecánico.

Problemas mecánicos primarios:

• Rodamientos: desgaste general, aplicación incorrecta, carga o contaminación.
• Eje o alojamientos de cojinetes en mal estado o desgastados
• Desequilibrio mecánico general y resonancia

El análisis de vibraciones es el principal método de detección de problemas mecánicos en motores eléctricos. MCSA detectará los problemas mecánicos en fase avanzada, al igual que los infrarrojos y los ultrasonidos.

Problemas eléctricos primarios:

• Cortocircuitos entre conductores o bobinas
• Contaminación del bobinado
• Fallos de aislamiento a tierra
• Fallos en el entrehierro, incluidos los rotores excéntricos
• Averías en el rotor, incluidos huecos de fundición y barras de rotor rotas.

La MCA detectará todos los fallos en una fase temprana del desarrollo. MCSA detectará los fallos tardíos del estátor y los fallos tempranos del rotor. La vibración detectará los fallos de fase tardía, el aislamiento a tierra sólo detectará los fallos a tierra, que representan menos del 1% de los fallos del sistema del motor, las pruebas de sobretensión sólo detectarán los cortocircuitos de devanados poco profundos y todas las demás pruebas sólo detectarán los fallos de fase tardía.

Acoplamiento (directo y por correas)

El acoplamiento entre el motor y la carga ofrece oportunidades para que surjan problemas debidos al desgaste y a la aplicación.

• Desalineación de la correa o de la transmisión directa
• Desgaste de la correa o del inserto
• Los problemas de tensión de la correa son más comunes de lo que se piensa y suelen provocar fallos en los rodamientos.
• Desgaste de la polea

El sistema más preciso para detectar fallos de acoplamiento es el análisis de vibraciones. Los análisis MCSA y de infrarrojos detectarán normalmente los fallos graves o de última fase.

Carga (ventiladores, bombas, compresores, reductores, etc.)

La carga puede presentar numerosos tipos de fallos en función del tipo de carga. Los más comunes son las piezas desgastadas, los componentes rotos y los rodamientos.

Entre los instrumentos de prueba capaces de detectar problemas de carga se incluyen el MCSA, la vibración, el análisis por infrarrojos y los ultrasonidos.

Enfoques comunes de la multitecnología

Existen varios enfoques comunes en la industria, así como otros nuevos (véase el Cuadro 3). Los mejores utilizan una combinación de pruebas energizadas y desenergizadas. Es importante tener en cuenta que las pruebas energizadas suelen ser mejores en condiciones de carga constante y con tendencias en las mismas condiciones de funcionamiento cada vez.

Uno de los enfoques más comunes ha sido el uso de la resistencia de aislamiento y/o el índice de polarización. Éstos sólo identificarán fallos de aislamiento a tierra tanto en el motor como en el cable, lo que representa menos del 1% de los fallos totales del sistema del motor (~5% de los fallos del motor).

Los infrarrojos y la vibración suelen utilizarse conjuntamente con gran éxito. Sin embargo, pasan por alto algunos problemas comunes o sólo los detectan en las últimas fases del fallo.

Las pruebas de sobretensión y las pruebas de alto potencial sólo detectarán algunos fallos de bobinado y fallos de aislamiento a tierra, con el potencial de dejar el motor fuera de servicio en caso de que exista contaminación o debilidad en el aislamiento.

MCA y MCSA se apoyan mutuamente y detectan prácticamente todos los problemas del sistema motor. Esta precisión requiere sistemas MCA que utilicen resistencia, impedancia, ángulo de fase, I/F y aislamiento a tierra y sistemas MCSA que incluyan demodulación de tensión y corriente.

El enfoque más novedoso y eficaz ha sido la vibración, los infrarrojos y MCA y/o MCSA. El punto fuerte de este enfoque es que hay una combinación de disciplinas eléctricas y mecánicas implicadas en la evaluación y la resolución de problemas. Según el Estudio de Diagnóstico Motor y Salud Motora, 3 El 38% de las pruebas de sistemas de motor que sólo implican vibración y/o infrarrojos obtienen un rendimiento significativo de la inversión. 3 Diagnóstico de motores y inversión. Esta cifra se elevó al 100% en los sistemas que utilizaban una combinación de MCA/MCSA junto con vibración y/o infrarrojos.

En un caso, una aplicación combinada de infrarrojos y vibración obtuvo un retorno de la inversión de 30 000 dólares. Cuando la empresa añadió la MCA a su caja de herramientas, el rendimiento de la inversión aumentó a 307.000 dólares, diez veces más que el original utilizando una combinación de instrumentos.

Oportunidades de aplicación

Hay tres oportunidades comunes para las pruebas de sistemas de motores eléctricos. Entre ellas figuran:

• Puesta en servicio de los componentes o de todo el sistema recién instalado o reparado. Esto puede proporcionar una amortización muy inmediata de las tecnologías implicadas y le ayudará a evitar catástrofes de mortalidad infantil.
• La resolución de problemas del sistema mediante la aplicación de múltiples tecnologías le ayudará a identificar los problemas mucho más rápidamente y con mayor confianza.
• Tendencia de los resultados de las pruebas de fiabilidad del sistema, de nuevo mediante la aplicación adecuada de múltiples tecnologías. Gracias a pruebas como las de MCA, vibración e infrarrojos, es posible determinar tendencias de posibles fallos a largo plazo, lo que permite detectar muchos fallos con meses de antelación.

Conclusión

En este documento se ofrece una breve visión general del funcionamiento conjunto de múltiples tecnologías para ofrecer una buena visión del sistema del motor eléctrico. Si comprende y aplica este enfoque, obtendrá fantásticos beneficios de su programa de mantenimiento.

Sobre el autor

El Dr. Howard W. Penrose obtuvo su doctorado en Ingeniería General centrándose en la mejora de procesos de sistemas industriales, análisis de flujos de residuos y energía y fiabilidad de equipos. Cuenta con 15 años de experiencia en la industria de motores eléctricos y servicios, liderando iniciativas de PdM y Análisis de Causas Raíz en una gran variedad de ubicaciones comerciales e industriales.

Tabla 1: Comparación de tecnologías de diagnóstico de sistemas de motor

Cuadro 2: Consideraciones de gestión

Cuadro 3: Enfoques comunes

Cuadro 4: Consideraciones adicionales