PLAN DE MANTENIMIENTO DE MOTORES

 

INTRODUCCIÓN

En la actualidad, podemos encontrar motores en diversas aplicaciones: bandas transportadoras, bombas, ventiladores, elevadores, soplantes, entre muchas otras máquinas. Por esta razón, su mantenimiento es un tema recurrente en las conversaciones de profesionales y técnicos responsables de la continuidad operativa de los procesos industriales, pues sus componentes eléctricos y mecánicos se desgastan y deterioran con el paso del tiempo y el uso. Según nos confirman nuestros clientes, las principales causas de fallas en un motor eléctrico se encuentran en sus elementos mecánicos, especialmente en el rodamiento, en el devanado del estator (con menor frecuencia) y en las barras del rotor.

Si hablamos de las causas que originan los fallos en el rodamiento, encontraremos como unas de las principales razones, la electroerosión, y los errores de lubricación, tanto por exceso como por escasez, por intervalos incorrectos, por selección incorrecta del lubricante y por contaminación, siendo esta última intrínseca de muchos procesos productivos. En segundo lugar, se encuentran factores operacionales como un mal montaje, un alineamiento incorrecto, una sobrecarga, entre otros.

Para Montajes Alhama S.L.U. el principal origen de las fallas en motores eléctricos nace de no respetar las condiciones de montaje y operaciones propias de su diseño. Es por esto que, desde el punto de vista mecánico, los motores presentan fallas asociadas fundamentalmente a problemas de montaje y de puesta en marcha, vibraciones excesivas, alineamiento incorrecto, bases de montaje defectuosas, solturas mecánicas o problemas de lubricación. Desde el punto de vista eléctrico, las fallas se deben a sobrecargas, voltajes de alimentación desbalanceados, acumulación de suciedad, humedad y elementos corrosivos en el interior de los bobinados que dañan su aislación.

En este sentido, resumimos lo anterior, afirmando que “estas fallas se producen principalmente por falta de mantenimiento, control del trabajo del motor y supervisión del consumo de corriente, fuente de voltaje, temperatura y vibración”, y por errores de diseño del accionamiento.

El mantenimiento eléctrico no es un gasto, sino una inversión, pues si un motor o equipo eléctrico importante no es revisado periódicamente podría dejar de funcionar de improviso y ocasionar perdidas, por ello además de revisar los motores conviene conocer por ejemplo si un interruptor automático de protección para un motor u otro equipo, funciona de forma eficaz, o solamente hace de conductor eléctrico porque no realiza la función de protección.

El mantenimiento adquiere vital importancia en el caso de protecciones eléctricas generales, las cuales en ocasiones el calibre de su corriente nominal es considerable y por este motivo en la mayoría de casos se opta por no revisarlas por falta de medios para realizar pruebas y ensayos de disparo que demuestren que la protección funciona correctamente, y por no detener el proceso de producción. En estos casos un fallo de la protección general cuando ésta debe actuar y no lo hace, suele acarrear consecuencias catastróficas, sobre todo cuando se trata de protecciones antiguas o con muchos años de servicio, de las cuales se desconoce su estado.

 

PREPARAR UN BUEN PLAN DE MANTENIMIENTO

Considerando su importancia dentro de la operación de una industria, resulta vital establecer y llevar a cabo un plan de mantenimiento adecuado que garantice el correcto funcionamiento de los motores eléctricos. Al respecto, podemos explicar que la detención de un motor eléctrico origina importantes costos debido a las interrupciones en la producción, muy superiores siempre al costo de un mantenimiento mínimo o del propio coste del motor, es por esto que en la industria están cada vez más considerados los rigurosos planes de mantención para sus motores eléctricos, tanto preventivos periódicos como predictivos, prefiriendo éstos en lugar de los mantenimientos orientados a la falla o correctivos “post mortem” del motor.

Por lo general, la vida útil de los motores es bastante amplia y suele llegar a los 20 años por diseño, aunque puede ser mayor respetándose las correctas condiciones de montaje y operación. En la práctica, los motores eléctricos generalmente presentan una curva de falla con forma de bañera, esto es, tienen alta probabilidad de falla al comienzo y al final de su vida útil. Los fallos en la etapa inicial se deben fundamentalmente a problemas en la especificación de los motores y problemas en el montaje. Al final de su vida útil, las fallas se deben al natural desgaste de los componentes del motor.

En esta línea, nosotros recomendamos registrar mensualmente las condiciones de montaje, uso y datos técnicos del motor en una plantilla (o sistema afín), desde el momento que el motor inicia su funcionamiento, y posteriormente con mediciones y parámetros predictivos. Con ello se detecta fácilmente cualquier variación en las condiciones de trabajo del motor. Entre los parámetros más relevantes a considerar, los profesionales destacamos el consumo eléctrico (idealmente un perfil de carga), temperatura en varios puntos del motor (principalmente en los alojamientos de los rodamientos), vibraciones y lubricación de los rodamientos (si se aplica).

Además, recordamos que el punto crítico de un motor eléctrico (o que requiere mayor preocupación) son sus rodamientos, los que tienen una duración limitada de horas. Por ello, el usuario debe cambiarlos cuando éstos cumplen su vida útil, aunque no presenten problemas, ya que la falla de uno de los rodamientos conlleva una falla mayor, llevando incluso a dejar inutilizado el equipo o máquina durante el tiempo que dura la reparación.

Por nuestra parte, el mantenimiento de los motores eléctricos, sobre todo el predictivo, hace que una empresa pueda ser competitiva en precios frente a competidores y el mercado. Se asegura la entrega de sus productos en el plazo de tiempo acordado y puede controlar sus beneficios cuando se enfrenta a variaciones de los precios de mercado, sobre todo en el ámbito industrial.

Nosotros aconsejamos que cualquier plan de mantenimiento deba contemplar el resultado en el tiempo de las pruebas a las que se somete. A esto le llamamos “mantenimiento predictivo”, que es el análisis de las partes y comportamiento del motor en el tiempo, de tal forma que nos podemos anticipar a cualquier falla. De esta forma, podemos programar un mantenimiento de la máquina evitando paradas inesperadas, cortes en la producción y considerables pérdidas en la expectativa de los beneficios de los inversionistas o propietarios de las empresas.

Entre otros aspectos a considerar al diseñar un plan de mantenimiento para motores, por el que a nuestro juicio se debe de iniciar, es el de ubicar operacionalmente el motor, es decir, determinar la criticidad, nivel de complejidad o importancia que tiene dicho motor dentro del proceso productivo, para así identificar los recursos que serán destinados a su mantenimiento.

 

A lo anterior, nosotros sabemos que otro factor a considerar, son los tiempos de respuesta ante una falla ocurrida. Hay que preguntarse cuál es la disponibilidad de repuestos, el tiempo de intervención del motor y los recursos requeridos para esto.

Respecto a la implementación de un sistema de mantenimiento preventivo, argumentamos que en algunas plantas puede ser suficiente utilizar una hoja de cálculo, mientras que en otras se necesitan sistemas dedicados más complejos. La meta final es la misma, cada motor necesita ser registrado como un activo, dándosele la misma atención que a cualquier otro motor.

Algunos datos a incluir en el mantenimiento preventivo son: fecha de instalación, potencia (HP), tamaño, rpm, tipo de rodamiento y condiciones ambientales de operación. Establecer un sistema como éste puede llevar algún tiempo, pero una vez completado será una gran herramienta.

 

DEUDA DE MANTENIMIENTO

La importancia que le otorga la industria al mantenimiento de sus motores eléctricos es mínima, los clientes destacan la evolución del rol del mantenimiento dentro de las operaciones industriales. Al respecto, opinamos que la industria, está en deuda respecto al mantenimiento y cuidado predictivo de los motores eléctricos. De hecho, el motor es reemplazado o reparado sólo cuando entra en falla. No se anticipan a la falla, producto de que no existe la cultura de mantenimiento, adecuada. Eso sí, en los últimos años, poco a poco los usuarios van implementando sistemas de apoyo, debido a la mayor especialización del personal responsable de la mantención.

Por nuestra parte, creemos que si bien cada sector de la industria aborda de manera distinta las tareas de mantenimiento, la tendencia de los últimos años ha evidenciado un creciente interés por las tareas de mantenimiento a nivel general, debido a las altas exigencias productivas y disponibilidad operacional de los equipos y procesos. Papel importante en esta disposición lo marcan las leyes y normas en materia de seguridad laboral y medioambiente, así como las certificaciones nacionales e internacionales que exigen procedimientos que aseguren un nivel de excelencia en sus procesos internos, incluyendo las tareas de mantenimiento, dejando atrás modelos inadecuados de mantenimientos insuficientes o nulos, en los que el motor era utilizado como un fusible.

 

AVANCES

Dada la relevancia que juega el mantenimiento de los motores eléctricos en su funcionamiento, los fabricantes de medidores y analizadores para monitoreo de motores están incorporando en estos equipos tecnología que simplifica el desarrollo de planes de mantenimiento. Sostenemos que la mantención de un motor eléctrico es una tarea constante, por lo que la tecnología ha colaborado a monitorear de mejor forma el trabajo de los motores eléctricos, ya sea con el uso de relés inteligentes o con mediciones de vibración y de temperatura (termografía).

En la actualidad, es común encontrar en motores de gran potencia sistemas de monitoreo incorporados desde su construcción, diseñados para alarmar ante una variable que exceda límites preestablecidos. Cada vez, más clientes solicitan en las especificaciones de sus motores la incorporación de elementos para el monitoreo de las condiciones de funcionamiento, siempre conscientes de que es más rentable anticipar un evento y/o fallo que reaccionar de forma correctiva. Ahora bien, desde el ámbito del servicio también ha habido un creciente interés por los sistemas de monitoreo disponibles.

Al evaluar un motor eléctrico, es conveniente preguntarse si es recomendable reemplazar el equipo por un modelo de mayor eficiencia energética. Normalmente, los motores son reemplazados, por problemas eléctricos o mecánicos cuando ya no aceptan más reparaciones o rebobinados, pero considerando que estos equipos pierden eficiencia con cada reparación o rebobinado, podemos decir que aproximadamente después de tres reparaciones el valor es prácticamente igual a un motor nuevo y debido a la pérdida de eficiencia, el motor consume más energía eléctrica para generar el mismo torque. Incluso, la corriente en vacío sufre un incremento. Por lo tanto, al reparar por primera vez un motor, es conveniente evaluar la adquisición de un motor más eficiente y nuevo.

En este sentido, el mantenimiento de motores eléctricos representa una herramienta esencial para lograr el óptimo funcionamiento de casi toda operación industrial. Por lo tanto, es necesario mantener registros adecuados de su funcionamiento y evaluar cabalmente la opción del reemplazo por modelos nuevos y más eficientes, si es que los hay.

Después de todo, y tomando en cuenta el costo de la energía eléctrica, el consumo de estos motores no debe ser ignorado.

 

 Un buen plan de mantenimiento reduce los costes de producción.

 

Las medidas necesarias para un correcto mantenimiento eléctrico de una máquina, en relación con los armarios de variadores de frecuencia, son las siguientes:

* Calidad de la alimentación de energía eléctrica a la máquina desde el Centro de transformación.

* Índice de armónicos de tensión (THDV) y de corriente (THDI).

* Cos fi.

* Desequilibrios de tensión, etc., en la acometida a la máquina.

* Líneas eléctricas de enlace de salida de variadores de frecuencia a motores.

* Acondicionado de las ondas de voltaje y de corriente que llegan al motor.

* Motores.

* Sistema de puesta a tierra de la máquina.

Las medidas que completan los últimos trabajos realizados en los armarios eléctricos de variadores de frecuencia de una máquina, deberíamos de justificarlos sobre históricos de medidas anteriores existentes si los hubiere, si no existen dichas medidas, sobre criterios adecuados que despejan la duda del envejecimiento o estado de conservación de los motores y demás componentes de la instalación de los mismos.

 

 

Como es lógico el tipo de ensayos, como hemos comentado antes, depende del histórico anterior, si lo hay, si no tenemos ninguna información que avale los estados de envejecimiento, seguimiento o conservación anterior, descartaremos cualquier incertidumbre en base a registros que ahora se tomen.

 

Medidas y pruebas

Resulta esencial conocer previamente, que las medidas de aislamiento utilizando aparatos que funcionan con CC (corriente continua) para evaluar el estado de aislación de los devanados de los motores que funcionan con CA (corriente alterna), resulta poco útil, es el caso de las medidas realizadas con el clásico "meger" o "mega óhmetro", pues si un aislamiento se encuentra en condiciones terminales, puede ser medido con un multímetro en la escala de ohmios, que nos dará resultados similares al de un mega óhmetro. Las medidas de CC para devanados de CA resultan vagas y difusas, pues no se correlacionan con las medidas de CA donde el parámetro medido es corriente alterna de fuga. En nuestra dilatada experiencia se han presentado numerosos casos en los cuales la medida de CC arrojaba resultados correctos de aislamiento, por ejemplo, en un motor de mediana potencia que funcionaba a 400 VAC se evaluó el aislamiento utilizando un voltaje de CC de 1000 V, el valor de resistencia medido fue superior a 1500 Mega Ohmios entre fases, y otro valor similar entre fases y masa, pudiendo hacer pensar que el aislamiento del motor se encuentra en buenas condiciones, además, el valor de resistencia de los hilos de las tres fases midieron exactamente los mismos µOhmios con el medidor de microhmios, lo cual puede reforzar la creencia de que los devanados están correctos. Lejos de funcionar correctamente, cuando se intentaba dar marcha alimentando el motor, las protecciones del arrancador progresivo disparaban siempre, lo cual quiere decir que el devanado esta incorrecto. Posteriormente se evaluó el aislamiento utilizando medidores que funcionan utilizando CA, y éstos arrojaron valores desiguales en las medidas de aislamiento entre las tres fases. Después de reconocer que el aislamiento del devanado del motor es dudoso se procedió a realizar una prueba de impulso de tensión, donde apareció un puenteo entre las espiras de la misma fase cuando el devanado es alimentado con el comprobador AC de impulso, dando lugar a una sobrecarga que es vista por las protecciones del arrancador progresivo que alimenta al motor. Resumimos estos detalles advirtiendo que las medidas de aislamiento en motores pequeños utilizando mega óhmetros solo son útiles si el aislamiento es crítico o peligroso, y también pueden ser medidos con un simple multímetro, para motores de cierta potencia, o de pequeña potencia que son esenciales, éstos se deben evaluar siempre con aparatos que utilizan CA para medir. Las pruebas de aislamiento realizadas a bajo voltaje en devanados de motores eléctricos utilizando medidores de surge (impulso), o CC (HiPot) de corriente continua, solo detectan problemas cuando ya es tarde para adoptar soluciones.   

Valga como ejemplo el siguiente, si realizamos una medida de corriente de fuga en la acometida a un motor que funciona con 400 V AC, introduciendo todos los conductores activos menos el cable de tierra, en el interior de la mordaza de una pinza para medida de fugas, muy cerca del motor para no introducir las fugas propias de los cables de la acometida, y medimos una intensidad de 0,05 mA, esto quiere decir que en el motor existe una "impedancia de aislamiento" de:  400 V / 0,00005 Amp = 8 Mega Ohmios. Por el contrario si medimos el aislamiento utilizando un aparato que usa CC para medir (medidor de rigidez dieléctrica), desconectando la alimentación al motor para poder realizar la medida, resultara que el valor de la medida será superior a 60 Mega Ohmios, Esto sucede porque el medidor de rigidez dieléctrica usa corriente continua para medir, y no contempla el efecto de la capacidad del motor. De todos modos, el valor real de la impedancia de aislamiento será el que se obtendría cuando el motor se encuentre en funcionamiento.

Como base de partida en primer lugar debemos conocer la calidad del suministro de eléctrico a la máquina, mediante un análisis de la RED en la acometida de la misma, para descartar posibles problemas y sus consecuencias.

La calidad de la energía ha sido ignorada en muchos casos por el personal de mantenimiento y sin duda es una de las fuentes de falla con mucha influencia en la vida de un motor.

Existen varios factores involucrados, algunos de ellos son picos de voltaje, desbalance de voltaje y factor de potencia. Sin embargo con relación a las fallas en motores eléctricos nos concentraremos en dos de estos factores:

 

 Desbalance de tensión

 

Cuando los voltajes de línea aplicados a un motor no son equilibrados se desarrollan corrientes desbalanceadas en los devanados de un motor, a éstas se les conoce como corrientes de secuencia negativa y reducen el torque del motor. Se producen dos efectos importantes, aumento de temperatura en el devanado y aumento de vibración. Un aumento de la temperatura por encima de su valor permitido provocaría daños al aislamiento, y el aumento en los niveles de vibración provocaría en algún grado solturas mecánicas, mayor desgaste de rodamientos y aflojamiento de las bobinas.

Con desbalance de voltajes presentes, la potencia de placa de características de un motor debe ser multiplicada por un factor de reducción, tal como se muestra en el gráfico anterior.

De acuerdo a NEMA ningún motor debe operar con desbalances de voltaje mayores a un 5%

 

Armónicos

Con la popularidad de los variadores de frecuencia de CA (Corriente Arterna) se crean distorsiones importantes en la forma de onda de voltaje, a esto se le conoce como armónicos, o frecuencias armónicas. Un armónico es un múltiplo de la frecuencia de la red eléctrica. La tensión de los armónicos suele ser inferior a la tensión de la red, no obstante, la composición de la frecuencia de red en combinación con las frecuencias de los armónicos presenta siempre un valor de tensión mayor, que el valor de la tensión de red. Es esencial conocer, que los receptores eléctricos como los motores y demás aparatos eléctricos, no se fabrican para funcionar con tensiones armónicas, de ahí que los armónicos solo producen mayor consumo de energía que no devuelve trabajo alguno, calor, y averías.

El parámetro más conocido es la distorsión armónica Total (THD) en términos simples es el valor RMS (valor médio de la suma cuadratica) de la señal con la frecuencia fundamental distorsionada. Es decir, una onda perfecta de 50 Hz tendría un THD de 0%, cualquier otra onda presente junto con la fundamental se le considera distorsión armónica.

 El fenómeno de los armónicos que más afecta para el caso de los motores eléctricos es el excesivo calor que se produce por las demandas de corriente anormales, el estándar IEEE 519 reconoce que son las cargas las que introducen armónicos en el sistema, por lo tanto el conocimiento preciso de éstos se convierte en una herramienta muy útil para el diseño de filtros de corrección.

 

 

En segundo lugar es aconsejable conocer el estado de los conductores eléctricos de enlace de variadores a motores, comprobando la rigidez dieléctrica entre conductores, y también entre conductores y tierra o masa, estas medidas bastan para conocer dicho estado, la justificación de esta medida la tenemos porque en dichos conductores existe siempre una tensión superior a la máxima nominal soportable por el aislamiento de éstos, ya que según la forma de onda PWM (forma de ondas de la tensión de salida de los variadores de frecuencia) que alimenta al motor, los conductores del devanado y el bobinado del motor soportan continuamente tensiones anormalmente elevadas, por sobre tensión en el circuito intermedio "condensadores del variador". Para no extendernos, para un voltaje entre fases de 400 V AC dicha tensión es mayor que U x V2 = 566 VDC, pero multiplicado por 2, puesto que los conductores de la misma línea y los de los devanados se tocan unos con los otros, y la polaridad es opuesta, o sea -566 VDC en los otros conductores, con lo cual tenemos siempre tensiones superiores a 1132 VDC entre los aislamientos de ellos, esto somete continuamente al aislamiento de los conductores y al devanado a un elevado estrés dieléctrico. Esta tensión casi siempre es mayor debido a los picos de sobretensión que suceden durante la conmutación de los transistores, siendo frecuente obtener más de 1350 VDC.

 

 

Origen por el cual los motores de baja tensión accionados mediante variadores de frecuencia no alcanzan la vida esperada de un motor normal

Este estrés dieléctrico descrito anteriormente es producido por la siguiente razón, cuando un motor es alimentado por una onda "senoidal", la evolución del voltaje depende de la frecuencia de la pulsación denominado "ω" (velocidad angular), las tensiones y las corrientes evolucionan de forma progresiva dependiendo del ángulo eléctrico según su velocidad angular, que es del orden de decenas de mSeg. (milisegundos), un motor alimentado por la red eléctrica, el mismo funciona a 50 Hz con un tiempo de duración para cada periodo electrico de 20 ms (mili segundos), en éstas condiciones el motor funciona de forma indefinida sin ningun problema. En los devanados de los motores eléctricos que son alimentados por variadores de frecuencia esto no sucede así, si no al contrario, la tensión llega a los devanados del motor de forma casi instantánea, produciendo un frente de subida del voltaje de muy corta duración del orden de 0,30 µSeg. (millonésimas de segundo) para los tiempos de conexión de los transistores, y de aproximadamente 0,28 µSeg para los tiempos de desconexión, este frente es decenas de miles de veces más rápido que en el caso de un motor alimentado por la onda senoidal de la red. Cuando las tensiones de CC (corriente continua) han alcanzado el máximo o el mínimo, en cada conexión o desconexión de los transistores del variador, se produce una oscilación de algunas centenas de KHz (1 KHz = 1000 Hz), ésta oscilación es de corta duración pero de muy alta frecuencia, en comparación con la frecuéncia de 50 Hz que alimenta a un motor sin variador.

Veamos a continuación en las siguientes imagenes lo que sucede durante un pulso "positivo" de conexión, perteneciente éste a la secuencia PWM del semi periodo positivo (traza color amarillo), la otra traza de color azul corresponde a la evolución de la magnitud de la corriente durante este tiempo. 

En este registro podemos ver una sobretensión producida durante el instante que la tensión "positiva" es conectada al motor mediante el cierre (conmutación), o conducción de uno de los transistores del variador de frecuencia, estas sobretensiones se producen en este transistor para cada conexión y desconexión. Si la tensión nominal de la red es de 400 VAC RMS, entonces la tensión rectificada de CC presente en el BUS de condensadores del variador, es 400 X √² 1,41 = 564 V CC, pero por las características de la instalación, cuando conmutan los transistores para conectar, se produce una sobretensión de más de 200 voltios y otra cifra similar de voltaje para el polo negativo. Con todo esto a los bornes del motor llegan alrededor de 560 V del polo positivo, y -560 V correspondientes al polo negativo, más 200 V de sobretensión en el polo positivo, más otros -200 voltios de sobretensión del polo negativo, en total llega a bornes del motor una tensión de 1540 V CC durante el tiempo que duran las transiciones de conmutaciones, concretamente en la captura visualizada en esta imagen se ha registrado 840 V CC. Es igualmente importante conocer que los tiempos empleados por los transistores de potencia del variador para conmutar la tensión son extremadamente rápidos como podemos ver en la imagen, con un "Rise Time" tiempo de subida de la tensión de 154,8 nano segundos, y un "Fall Time" tiempo de bajada de la tensión de 197,2 nano segundos. Estos tiempos de conmutación tan breves suponen un alto estrés dieléctrico muy elevado para la salud del aislamiento del motor, que reduce la vida útil del devanado eléctrico.

 

 

Para mejor comprensión, en la siguiente imagen aparece ampliado otro pulso de conmutación, En esta ocasión podemos observar una oscilación de AF (alta frecuencia) producida durante el instante de la conmutación, con un voltaje registrado en esta captura de 752 V CC, estas frecuencias elevadas se producen en cada conmutación que realizan los transistores del variador de frecuencia. Este fenómeno eléctrico de alta frecuencia que producen los transistores de potencia al conmutar la tensión sucede en los transistores de todos los variadores de frecuencia. A destacar en esta captura, como podemos ver en la derecha de grafico, la extrema velocidad de ascenso del voltaje (Rise Time) con 0,134 micro segundos. Junto con las sobretensiones de conmutación, la velocidad extrema de ascenso de los voltajes, y las frecuencias de AF, son directamente responsables del 50% de las causas de envejecimiento prematuro de los aislamientos en motores que son accionados mediante variadores de frecuencia. Para éstos problemas Montajes Alhama S.L.U. dispone de soluciones 100% efectivas como veremos más adelante para evitar el envejecimiento prematuro de los aislamientos de los motores, elimando por completo las sobretensiones de conmutación. Para ampliar esta información puede visitar el apartado MANTENIMIENTO ELÉCTRICO/ Resonadores Vectoriales, en nuestra página WEB, o pinchar el siguiente enlace: /resonador-vectorial-2

 

 

En estas condiciones de funcionamiento sucede lo siguiente: entre espiras de las bobinas que componen el devanado eléctrico de un motor existe cierta capacitancia denominada Cp capacidad distribuida, su reactancia "Xc" que presenta esa capacitancia equivale a la (resistencia al paso de la corriente alterna), que tiene un valor de: Xc = 1 / (2 x π x f x C) = (1 / 2 x π x (f) frecuencia x (C) capacitancia), obsérvese en la ecuación anterior que si la frecuencia (f) de la oscilación producida es decenas de miles de veces más elevada, como así sucede, entonces su "Xc" vale decenas de miles de veces menos, y por lo tanto su reactancia entre espiras de la misma bobina o entre la bobina y masa (la resistencia del aislamiento) sera decenas de miles de veces menor durante el tiempo que dura cada evento de conmutación de cada uno de los transistores del variador de frecuencia, generalmente los variadores disponen de seis transistores.

Las frecuencias elevadas que se producen durante las conmutaciones de los transistores de los variadores provoca, que la capacidad distribuida (Cp) de las primeras espiras en las bobinas del devanado de un motor reduzcan su Xc (reactancia capacitiva) inversamente proporcional a la frecuencia de las oscilaciones que se producen durante las conmutaciones, se trata de la frecuencia que alimenta a las bobinas en el instante de las conmutaciones, tipicamente estos tiempos son de algunos nSeg (nano segundos). Del mismo modo la reactancia capacitiva Xc entre las bobinas y la masa (Cm) se reduce también inversamente proporcional a la frecuencia de las oscilaciones producidas en las conmutaciones. Con todo ello la Xc que presentan las primeras espiras de cada bobina del devanado, y la Xc entre las bobinas y masa, se reducen considerablemente durante las conmutaciones de los transistores, provocando un consumo de corriente extremadamente elevado durante este tiempo aunque sea muy breve, produciendo calor excesivo de forma puntual, que merma la calidad del aislamiento. Esta es la causa fundamental de que los aislamientos de los motores que son accionado mediante variadores de frecuencia, no alcancen la misma longevidad, que los motores con accionamiento convencional, por ejemplo con contactores.

 

 

Es fácil deducir, que en presencia de estos fenómenos complejos, la aislación de los devanados debiera estar siempre en las mejores condiciones posibles, de hecho la mayor parte de motores alimentados por variadores de frecuencia no alcanzan el 50% de la vida esperada, en comparación con los motores que no son alimentados por variadores, de ahí que la asiduidad en las operaciones de mantenimientos en motores accionados por variadores debe ser mayor, especialmente para motores grandes, pues un fallo en el aislamiento del motor puede acarrear también averías en el variador de frecuencia.             

 

En tercer lugar, tenemos que los motores de las máquinas, éstos están compuestos de cobre, aluminio u otro conductor, aislamientos y la masa metálica. En el lado del conductor tenemos la caja de bornes, los cables que conexionan él bobinado, y un bobinado o devanado de conductores formando espiras, en esta parte tenemos los siguientes parámetros de interés:

* El aislante o esmalte de los conductores.

* Las espiras que forman la bobina.

* La resistencia óhmica de los conductores.

* La inductancia resultante de la forma física de la bobina.

* La capacitancia existente entre espiras, denominada "capacidad distribuida".

* La capacitancia entre devanado y la masa metálica.

 

Las bobinas que componen el devanado de un motor eléctrico están sometidas a las siguientes condiciones:

* El campo eléctrico interno del motor.

* El campo magnético producido por los devanados.

* La fuerza mecánica producida por el campo magnético.

* La frecuencia fundamental de la red eléctrica.

* Las frecuencias armónicas de la red.

* La corrientes en Amperios que recorren los conductores del motor e instalación del mismo.

* La diferencia de potencial en Voltios entre fases.

* La temperatura exterior e interior del motor.

* La vibración de los materiales que componen el motor por su propio funcionamiento y el de la maquina accionada.

 * Los contaminantes ajenos al motor (líquidos, gases y sólidos) que se depositan entre espiras y grietas del devanado, por fricción, corrosión, desgaste, y vibraciones como resultado del funcionamiento del motor y otras causas externas. Estas partículas cambian cuando son sometidas a las condiciones antes citadas, en especial los líquidos. El agua cambia y puede producir ácidos que modifican el aislante o dieléctrico.

 

La contaminación y las debilidades de aislamiento entre espiras en bobinas de la misma fase en un motor suelen producir "puenteo" entre los hilos de las mismas bobinas, especialmente cuando el motor está caliente en funcionamiento. Si la carga del motor no es la máxima nominal la protección contra sobre corriente no actuara al no alcanzar el umbral de disparo. Esto suele suceder en mayor medida en motores que funcionan muchas horas de forma continuada efectuando arranques y paradas frecuentes. Si el motor tiene espiras puenteadas, en los arranques severos cuando el motor está caliente no arrancara por falta de par, ya que el campo magnético en el devanado es inferior al nominal al no tener las tres fases todas sus espiras, dependiendo del numero de espiras puentado el par de arranque sera mucho menor y en ocasiones el motor no arrancara. 

Aunque pensemos que un motor eléctrico necesita poco mantenimiento, estaremos en lo cierto si dicho mantenimiento se corresponde con el uso que le damos al motor, como ejemplo tenemos el aceite de un automóvil que es cambiado cada cierto kilometraje o tiempo de uso, por lo tanto el motor eléctrico también ha de ser mantenido de forma predictiva para poder anticiparnos y así corregir las diversas causas que aceleran su degradación.

 

Las averías que se producen en motores se reparten con la siguiente proporción:

 

41%  por causas mecánicas, rodamientos, ventilación, vibración, etc.

37%  por debilitamiento del aislante entre las espiras de los devanados, que casi siempre son debidas a las causas mecánicas .

10%  por causas eléctricas, sobrecargas, fallo de protecciones, sobretensión, etc. 

12%  por otras causas.

Como inicio de un plan de seguimiento de un motor se debe registrar el estado de los rodamientos y la vibración de los motores mediante un análisis de vibración, posteriormente se puede llevar a cabo una toma de datos de modo puntual, cada cierto tiempo.

Con este tipo de análisis obtenemos principalmente datos del estado de los rodamientos del motor, entre otros, el estado de bolas o rodillos, el picado de éstas, el estado y picado de pista externa e interna del rodamiento, el exceso o falta de grasa, pudiendo programar con antelación el momento de su sustitución (la de los rodamientos).

Los variadores de frecuencia en su funcionamiento normal generan pulsos de alta frecuencia (PWM) que crean tensiones inducidas en el rotor de los motores eléctricos y que provocan una corriente que circula por donde no debe, es decir, entre los extremos del eje hacia la carcasa del motor cerrando el circuito, provocando que esta corriente atraviese los rodamientos del eje, en su circulación, perjudicando a éstos, denominado (electro erosión).

Esta corriente es significativa y es perjudicial para los rodamientos de motores. Para evitar esta corriente, se colocan rodamientos aislados con bolas de cristal de Nitruro de Silicio (Si₃N₄) o bien rodamientos con recubrimiento cerámico en su pista exterior. El aislamiento de estos rodamientos ha de ser verificado periódicamente porque esta corriente produce arcos eléctricos si el voltaje es excesivo, picando las bolas de los rodamientos o incluso fundiendo parte de las pistas y por tanto reduciendo considerablemente la vida de los mismos.

 

 El análisis de vibración aplicado a otras partes de una máquina puede mostrar muchos más datos, por ejemplo fallos de la jaula rotorica del eje motor, este tipo de análisis se realiza sin interrupción del funcionamiento del motor, igualmente pueden ser detectados inicios de fallos en cajas de engranajes, etc.

 

Sobre el estado de los devanados del estator debemos realizar los siguientes registros:

A) Medidas fundamentales realizadas la primera vez

Aislamiento

 El aislamiento perfecto no existe, lo que existe es la mayor o menor dificultad para conducir cargas eléctricas, los materiales que presentan más aislamiento, o sea mayor dificultad para conducir cargas de electricidad se denominan materiales aislantes o dieléctricos, ni siquiera estos últimos están exentos de "perdidas dieléctricas", aunque sean pequeñas. En el interior de los materiales aislantes se presentan cavidades microscópicas que pueden ser conductoras sobrepasando un umbral de tensión, por efecto de la ionización que produce un campo eléctrico, produciendo pequeñas descargas y carbonización entre los extremos de la cavidad, llamadas descargas parciales (DP) o ruptura dieléctrica, esto hace que una pequeña parte de la energía sea conducida a través de los aislamientos, dicha energía no debe superar ciertos valores que son admisibles.

 

 

El gas o el aire contenido en el interior de los huecos o vacuolas del aislamiento es ionizado debido a los campos eléctricos creados por los motores en su funcionamiento. Por ejemplo, el aire normal es un buen aislante. El aire ionizado por otro lado, no lo es, es un buen conductor. En consecuencia, cuando el gas en un vacío es ionizado, adquiere una bajada de resistencia a través del hueco y puede provocar un arco voltaico entre el conductor eléctrico y masa o entre fases adyacentes al hueco. Cuando la maquinaria rotativa está funcionando, la resistencia dieléctrica del aislamiento que rodea al hueco debe ser lo suficientemente alta como para evitar un arco voltaico.

La ionización de un gas se disipa rápidamente cuando se elimina el campo eléctrico pulsante que creó la ionización, es decir, después de que el pulso de tensión haya desaparecido. Por lo tanto, mayores tasas de frecuencias de pulso, mantienen un nivel más alto de ionización. Esto depende de la frecuencia de la red (50 Hz), o en caso de accionamiento por variador de frecuencia, depende de la frecuencia de la onda portadora PWM, que suele ser de centenares de miles de Hz. De ahí, que el aislamiento de un motor accionado mediante variador de frecuencia debe encontrarse siempre en las mejores condiciones posibles, en caso contrario debe realizarse un "curado" del devanado. 

La lista de causas para un aislamiento débil es larga e incluye la edad, el sobrecalentamiento, las vibraciones, los picos de voltaje frecuentes, los picos de voltaje de los variadores de velocidad, la humedad, la suciedad y la grasa o el aceite (donde no debería existir) y los defectos de fabricación, entre otros.

Estimamos que aproximadamente que el 80% de los fallos de aislamiento en los devanados de los motores son el resultado de debilidades dieléctricas de espira a espira o cortocircuitos. Un fallo de aislamiento de espira a espira generalmente comienza con un debilitamiento de aislamiento entre espiras que progresa a un cortocircuito. El cortocircuito luego progresa a múltiples espiras en cortocircuito, y finalmente a un fallo a tierra o entre fases que se considera como la razón de la falla. Esta progresión ocurre porque un corto entre espiras crea un bucle en el que circula la corriente, y la energía resultante se convierte en calor. El calor debilita aún más el aislamiento y eventualmente el calor excesivo causará la carbonización del aislamiento y un fallo a tierra, o entre fases.

Los bobinados y las bobinas tienen que ser probados a un voltaje más alto que el voltaje de funcionamiento del equipo para encontrar debilidades antes de que sea demasiado tarde y el motor tenga un fallo catastrófico. Una debilidad es una condición donde el motor trabaja por ahora, pero tiene un "defecto" que conducirá a un fallo eléctrico. Si este defecto es verificado a tiempo, puede ser corregido fácilmente con un coste inferior al de un rebobinado.

Los motores soportan fuertes picos de voltaje durante el funcionamiento normal durante todo el día. Estos picos vienen de interruptores y contactores que se abren y cierran en su funcionamiento,  como arrancadores, circuitos de potencia que están conmutando, variadores de frecuencia, etc. También pueden venir de rayos, de interruptores o contactores defectuosos. Muchos de estos picos pueden ser mucho más altos en voltaje que los que aparecen durante el trabajo normal del motor.

Los operarios del mantenimiento de motores deben realizar pruebas de aislamiento como medida preventiva, predictiva y de fiabilidad, pero muchas veces por carecer de los equipos de medida idóneos, no realizan todas las pruebas dieléctricas necesarias para poder descartar debilidades en el aislamiento, dando por aceptable el aislamiento del motor sin haber comprobado todas ellas, al no encontrar fallos entre bobinas, o entre fases, o entre fases y masa. Los motores con aislamiento crítico fallan trabajando con las correspondientes repercusiones tanto económicas como de otro tipo.

Las mediciones y ensayos de baja tensión son utilizados por los operarios del mantenimiento eléctrico para analizar y monitorear el estado de motores. Algunos argumentan que pueden ser una sustitución de las pruebas de sobretensión, solo porque no disponen del equipamiento específico. Esto es incorrecto, según manifiesta el personal que usa equipos de prueba de baja tensión y sobretensión. Las mediciones de baja tensión son muy útiles en diversas aplicaciones, pero solas, pueden ser difíciles de interpretar y pueden producir resultados falsos cuando se usan para detectar debilidades en el aislamiento de devanados de motores. No hay sustitución para las pruebas realizadas a voltajes "altos", se detectan debilidades que simplemente no pueden detectarse o medirse a bajas tensiones.

¿Puede una prueba de sobretensión ser destructiva?

Cuando se encuentra una debilidad entre espiras de devanados, habrá arcos voltaicos o descargas en una sola espira. Si la prueba de sobretensión se ejecuta demasiado tiempo durante el arco (se aplican demasiados impulsos), podría producirse carbonización en el punto de mayor debilidad dieléctrica y en consecuencia, el arco voltaico ocurriría a una tensión menor la próxima vez.

Cuando se utilizan variadores de frecuencia para el accionamiento de motores, el buen diseño del sistema es un aspecto importante para asegurar una larga vida del motor. Sin embargo, en muchas ocasiones existen limitaciones históricas o de otro tipo, a las opciones de diseño del sistema. En otros casos, el sistema puede haberse degradado de una manera desconocida. En la mayoría de estos casos, los cambios en la condición del motor probablemente sean la primera indicación de que existe un problema, como se ha explicado anteriormente, el motoraccionado por un variador sufre picos de sobretensión frecuentemente durante todo su ciclo de vida.

Las variadores de frecuencia son muy populares y están creciendo en uso. Tienen una larga lista de ventajas y hacen posible reemplazar motores de corriente continua por motores de corriente alterna que típicamente son más pequeños en tamaño físico y reducen los costos de operación.

Una desventaja "clave" es que si el sistema de potencia no se aplica correctamente, puede haber grandes picos de voltaje o "sobrecarga" de voltaje en los terminales del motor. Estos picos pueden causar descargas parciales en el medio aislante y eventualmente un fallo en el sistema de aislamiento del motor, a éstas descargas se les conoce como (PD) del inglés (Partial Download), para nosotros, DP (Descargas Parciales).

Las descargas parciales emiten ondas de radio en un amplio espectro de frecuencias, sonido, luz y ozono. El ozono (O3) es un gas muy corrosivo que acelera la degradación de los aislamientos, dando lugar al puenteo de conductores en los devanados, con un consumo excesivo en la zona del defecto y elevando la temperatura donde se produce el puente, acabando en poco tiempo con la falla del aislamiento.

En ocasiones, responsables de fábricas nos han comentado que adquirieron e instalaron un  "VF" (variador de frecuencia) a un motor existente, lo que significa que un nuevo VF alimentará a un motor viejo y con los cables de alimentación existentes, sin tener en cuenta las longitudes de cable, tipo de cable y otros problemas importantes. Resultado: el motor duró muy poco tiempo.

 Los accionamientos del VF usados ​​para controlar la velocidad tienen diferentes tipos de salidas, ancho de pulso, control modulado, o PWM, este último es el más utilizado. Toma un voltaje de entrada de corriente alterna senoidal y lo convierte en "DC" (corriente continua) con rectificadores para cargar el bus intermedio (condensadores). El voltaje DC tomado por los transistores IGBT produce ondas cuadradas o pulsos rectangulares con anchura variable de impulso, frecuencia variable y algunos, voltaje variable.

 

 

Los pulsos rectangulares se producen típicamente usando transistores "IGBT" del inglés (Transistor Bipolar de Puerta Aislada). El estado de encendido / apagado de los IGBT es controlado, básicamente cortando la tensión de entrada de CC (corriente continua). Dado que los impulsos de voltaje tienen diferentes anchos, producen una corriente de aspecto senoidal en la carga (motor) a la que están conectados, sin llegar a ser senoidal. La aproximación de la onda lisa y senoidal dependerá de varios factores, incluyendo el número de pulsos producidos por ciclo. Esto se denomina "PWM" frecuencia portadora o frecuencia de conmutación.

Para proporcionar una potencia "limpia" con una corriente de paso que el motor pueda manejar, el sistema que incluye el variador de frecuencia, el motor y el cable con las conexiones debe estar adecuadamente adaptado desde el punto de vista de la "impedancia". Si esto no se hace, habrá grandes picos de voltaje en bornes del motor. Estos picos pueden ser hasta dos veces o más el voltaje máximo que el aislamiento del motor admite y en casos severos, más altos que ese valor.

 

 

Los Estándares NEMA ICS 7.2-2015 indican que la tensión máxima en los terminales del motor tiene un máximo típico de dos veces el voltaje del bus CC del VF, siempre y cuando los impulsos estén suficientemente separados en tiempo para permitir que el pulso producido se extinga antes de que llegue el siguiente pulso. Cuando esto no ocurre, el voltaje máximo puede ser mayor. El voltaje de salida del pulso, voltaje del bus CC, es típicamente "igual o menor" que la tensión nominal máxima para el motor, o sea, RMS (tensión de RED) x 1,414 (raíz de 2) en Voltios. Algunos VF pueden reducir el voltaje de salida del pulso cuando el motor no requiere la potencia completa, modulando el voltaje del rectificador.

Los picos de sobre voltaje son una respuesta natural a la excitación del circuito RCL (Resistencia Condensador Inductancia) que incluye el cable y el motor. El tiempo de subida (conexión) de cada pulso que excita el circuito (bobinas del motor) puede ser tan bajo como aproximadamente 150 nano segundos, o sea, muy rápido. La teoría de la línea de transmisión dice que bajo estas circunstancias las ondas reflejadas ocurrirán en los puntos de transición, donde hay un desajuste de impedancia. Estos puntos de transición pueden ocurrir en varias ubicaciones del sistema. Las ondas reflejadas son de alta frecuencia en el tránsito de las conmutaciones de la onda rectangular, como se indica en la imagen anterior. Si la impedancia en el sistema constituida por los componentes "cables" y "motor", tienen ciertos valores, el voltaje del pico inicial puede ser alto y sumado a las ondas cuadradas de tensión del pulso como se ve en la imagen anterior, puede alcanzar una tensión del doble o mayor.

En realidad, los rápidos impulsos rectangulares, en el tiempo de subida y bajada (conexión y desconexión) producidos por los transistores de un VF son una combinación de un amplio espectro de frecuencias. A medida que aumenta la longitud del cable entre el VF y el motor, aumenta la capacitancia y la inductancia a lo largo del cable. Esto hace que la frecuencia de resonancia del cable caiga. Cuando esta frecuencia y las frecuencias contenidas en los impulsos del VF están en el mismo rango, pueden llegar a ser aditivas y dar lugar a picos de alta tensión de varios miles de voltios, típicamente 3500 V o mayores. A medida que la longitud del cable aumenta por encima de 15 metros, la superposición de frecuencias puede comenzar a suceder dependiendo de la configuración y el tipo de cable.

Las frecuencias portadoras PWM del VF pueden ser tan altas como 18 kHz. Esto significa que cada pulso dura un tiempo muy corto 0,55 µSg. (micro segundos). En algunas configuraciones, el residuo de energía de la onda reflejada no tendrá tiempo suficiente para extinguirse antes de que llegue el siguiente pulso. Cuando esto sucede, la onda reflejada construirá encima de lo que queda de la onda reflejada anterior, y los picos de sobre voltaje pueden llegar a ser muy altos.

DP (Descargas Parciales) Efectos en los motores

Los picos de voltaje entrantes en el devanado llegan a una velocidad muy alta, una por impulso producido por el VF. Como se mencionó antes, los transistores IGBT trabajan modulando las ondas de tensión en tiempo, cuando son enviadas al motor pueden producir pulsos con frecuencias de 1,5 kHz a 18 kHz. Cuando los picos de voltaje son suficientemente altos provocan descargas parciales en los aislamientos de los devanados del motor debido a la fuerza y concentración de los campos eléctricos, el VF puede disparar su protección, incluso puede disparar a unos pocos cientos de pulsos por segundo y en mayor medida a 18.000 pulsos por segundo, la tensión resultante que llega al aislamiento del devanado puede ser lo suficientemente alta como para dañar el aislamiento en poco tiempo. Asi mismo, las tensiones elevadas producidas por la conmutación de los transistores del VF, pueden deteriorar los aislamientos de los conductores que alimentan al motor, el aislamiento de los soportes aislantes del propio VF, y el de los transistores del VF, reduciendo drasticamente el tiempo de intervalo entre las averias.

Hay muchas maneras de reducir la magnitud de los picos y su efecto en el motor. Estos incluyen filtros resonantes, longitudes de cable más pequeñas, diferentes tipos de cable, conductores simétricos, frecuencia portadora inferior, impulsos de tiempo de subida más lentos, tecnica de doble pulso, etc. Cada uno de estos sistemas tiene ventajas y desventajas.

Para motores de baja tensión no debe haber descarga parcial a las tensiones normales de prueba de sobretensión de 2*U+1000V*0,75. Esto hace que el análisis sea muy fácil. Si se encuentran DP (descargas parciales en el aislamiento), el motor tiene un aislamiento que se está degradando, o el motor está contaminado con una cantidad significativa de "suciedad" y / o humedad. El nivel de contaminación ya debe ser conocido anteriormente a partir de la prueba de resistencia de aislamiento, y si está muy sucio, debe ser reacondicionado antes de ir a peor.

La norma IEC 60270 define las descargas parciales como “descargas localizadas de electricidad que sólo puentean parcialmente el aislante entre conductores, o entre conductores y masa”.

 

Analisis de las formas de onda de los voltajes producidos por los VF

El conocimiento detallado de las magnitudes de los voltajes generados en la salida de los variadores de frecuencia, como consecuencia de las conmutaciones de los transistores de los mismos, capacita al técnico que realiza los trabajos de mantenimiento eléctrico en motores. Su estudio a través de mediciones en distintos accionamientos de motores con VFs, dará como resultado, que la mayoría de los motores que son accionados mediante VFs funcionan sometidos a sobretensiones que superan el aislamiento de los devanados de los motores de forma permanente durante todo el tiempo de operación del motor. Estas sobretensiones son intrínsecas de los VFs, y llegan a los devanados del motor, reduciendo sustancialmente la vida de los aislamientos del mismo en poco tiempo, en comparación con los motores que no son accionados mediante VF. Estos sobre voltajes de tensiones mayores que las de funcionamiento nominal del motor, propician la generación de DPs . Si la impedancia del circuito eléctrico formado por el motor, los cables, y el variador de frecuencia, está netamente desacoplada, dichas tensiones pueden alcanzar voltajes mayores que 1700 VAC en bornes del VF, aunque lo normal en bornes, son tensiones de alrededor de 1260 VAC. La desadaptación de impedancias produce retornos de los pulsos de voltaje que llegan al motor, y vuelven hacia el VF, sumándose en bornes del VF las tensiones de retorno mas las de los pulsos de salida del VF. Como consecuencia de la desadaptación de impedancias, resultaran nuevos pulsos de tensiones con mayor magnitud que viajan hacia el motor.   

Para mejor comprensión del daño que producen los pulsos PWM de elevada velocidad de ascenso y descenso, al aislamiento del los devanados de los motores, en la siguiente imagen se muestra un solo pulso PWM, donde podemos observar que el frente de ascenso sucede en un tiempo menor que 1 micro segundo, y el frente de descenso sucede mucho más rápido. Véase que en un tiempo menor a 1 micro segundo, la tensión asciende desde 0 voltios, hasta mas de 600 voltios. Así, las capacidades que componen el aislamiento eléctrico del devanado de los motores, son cargadas y descargadas a razón de centenares de miles de veces por segundo, con un frente ascendente de tensión extremadamente abrupto, y una descarga de la capacidad del aislamiento aún más rápido. Este funcionamiento se traduce en menor esperanza de vida de los aislamientos del motor y del variador de frecuencia.

 

 

A continuación en la siguiente imagen se muestran las formas de onda producidas por la tensión trifásica a la salida de un variador de frecuencia generando una frecuencia de 50 Hz para la onda de "corriente". Cada una de las tres fases tiene un tiene un tren de ondas PWM (Pulse Width Modulation) en color distinto con una separación de 120ª eléctricos entre cada fase. 

 

Estos problemas pueden ser eliminados por completo incorporando los resonadores vectoriales trifásicos que nosotros fabricamos para cualquier potencia. Los resonadores funcionan a cualquier frecuencia PWM de salida del variador, a los bornes del motor llega una tensión alterna de seno casi perfecto.

En la siguiente imagen podemos ver la forma de onda de las tensiones PWM en salida de una de las fases del VF (trazo en color amarillo), los fabricantes de motores no diseñan sus motores para que sean alimentados por este tipo de voltajes. En el trazo en color verde podemos observar la forma de onda de la tensión resultante al paso por el resonador vectorial, llegando a los bornes del motor una forma de onda de seno casi perfecto, siendo igual que la onda de la red eléctrica, Este es el tipo de onda  para el cual están fabricados todos los motores que trabajan con tensiones de CA corriente alterna.

 

 

Observando la imagen anterior (trazo de color verde), es fácil deducir que el cable que alimenta el motor, y el motor, no son sometidos a las sobretensiones de salida del VF, y por esto, la vida útil del aislamiento de los mismos, será mucho mayor con el resonador vectorial instalado, igualmente la vida esperada del VF “sin averiarse” también se incrementa sustancialmente, porque al variador no llegan las sobretensiones de mayor magnitud producidas por los pulsos de retorno de tensión por desadaptación de la impedancia, del motor y variador. Desde el punto de vista de la impedancia, motor y variador "nunca" se encuentran acoplados, es por esta causa, que suceden las sobretensiones al superponer diferentes pulsos con tensiones diferentes, nos referimos a los pulsos de retorno y los pulsos que son enviados por el VF, los cuales suman sus dos magnitudes, alcanzando al motor y al variador de frecuencia.

En la imagen inferior se muestra en detalle el resultado del funcionamiento que realiza el resonador vectorial, amortiguando el frente ascendente de tensión en cada pulso de salida enviado por el VF hacia el motor, para una frecuencia de 50 Hz producida por el variador de frecuencia. Como podemos ver, el cambio en la evolución de la tensión de entrada (color amarillo) y de la tensión de salida (color verde) al paso por el resonador es muy efectivo y contundente, siendo ésta la única solución definitiva para el accionamiento de motores mediante VFs. Con este sistema desaparecen todos los problemas causados por el funcionamiento de los VF a los motores. La imagen muestra la transición que se produce de polaridad negativa (izquierda) a polaridad positiva (derecha)

 

 

      En comparación con las formas de ondas originales de 50 Hz de la red de suministro eléctrico que vemos en la imagen siguiente registrada durante un análisis, podemos concluir que: el funcionamiento de un resonador vectorial devuelve las formas de ondas a la salida de los variadores o inversores fotovoltaicos al estado original, pero con la frecuencia que se necesita para el accionamiento de un motor, tambien es el caso de los inversores fotovoltaicos que funcionan conectados a la frecuencia fija de la red. 

      Imagen correspondiente al análisis de una red trifasica de 400 V AC de 50 Hz de frecuencia, con origen en la salida de un transformador de potencia.

 

 

Una vez explicado todo lo anterior pasamos a describir cuales serían los trabajos de medición:

* Medida de descargas parciales (PD) de acuerdo con la disposición Std. IEC 600270-2000-12, en este sistema la medida la realizamos con divisor de tensión capacitivo, conectado al lado de tensión superior, esta conexión forma la entrada al sistema de adquisición. Se miden los tres tipos de descargas, DP internas en el medio aislante, DP superficiales que se producen en las superficies de contacto de dos materiales aislantes diferentes, y DP corona que son descargas parciales externas que ocurren normalmente por el proceso de ionización del aire contenido entre los aislamientos, cuando comienza a ser visible.

* Factor de pérdidas dieléctricas del aislamiento Tgδ (Tangente Delta), norma IEEE std 286TM-2000 (R2006) y norma IEEE std 432 (pérdidas en el medio aislante), ésta medida es independiente del volumen, tamaño o potencia del motor, y nos indica con bastante aproximación el estado de contaminación actual y la vida restante de los aislamientos, esta medida está condicionada en parte, por la frecuencia y por la temperatura, y nos anticipa fallas con mucha antelación.

* Medida de aislamiento obligatoria realizada en AC a 2*U+1000V*0,75 según normas IEEE 43, IEC 60204-1,IEC 61010-1, IEC 60755, y VDE 701-T1, esta medida nos muestra la resistencia entre fase y fases, y entre fases y masa aplicando tensión alterna. También nos muestra el origen de la corriente, bien capacitiva, o resistiva, ésta última corriente es la de fuga entre fases-fase y entre fase-masa, los valores resultantes deben encontrarse en un margen aceptable.

* Medida de  la inductancia de los devanados, esta medida está directamente relacionada con el número de espiras de los devanados, es sencilla, rápida, y nos servirá posteriormente para conocer los estados relacionados con el número de espiras de cada bobina del motor sin tener que realizar el test de impulso o el de tangente.

* Test de impulso, Estándar IEEE 522, por onda de alta frecuencia y sobretensión relativa, "PASA", "NO PASA", este tipo de ensayo se realiza en origen o en la ubicación después de la instalación del motor, para determinar el estado del aislamiento entre espiras del devanado del estator y entre fases del devanado. Este test detecta fallas de aislamiento y posteriores fallas en bobinas, puesto que el comienzo del deterioro casi siempre es por causa de un aislamiento pobre entre espiras, como resultado de la acumulación de partículas entre los conductores durante el tiempo de funcionamiento del motor como se explicó anteriormente. Si el ensayo NO PASA, se procede a la retirada del motor para su reparación o curado en su caso. Este tipo de test conviene realizarlo si alguna de las mediciones anteriores no es favorable o al inicio de un plan de mantenimiento.

B) Medidas secundarias realizadas la primera vez y posteriormente de forma periódica

* Medida de la resistencia de los devanados a frío de cada una de las fases IEEE 112, IEC 60034-1, esta medida nos muestra la resistencia del conductor de cada bobina expresado en ohmios y elevada a la temperatura de referencia con coeficiente térmico, por ejemplo el del cobre es 3,93*10^-3/ºC, normalmente se calcula esta elevación a 20ºC, posteriormente es una medida sencilla y rápida, complementaria de la medida de inductancia, que nos mostrara diferencias entre espiras sin recurrir el test de impulso o al de tangente.

  * Medida de rigidez dieléctrica, Estándar IEEE 112, IEC 60034-2-1, realizada en origen a 2*U+1000 VDC y a 2*U+1000 VDC*0,7 en fábrica, más Índice de Polarización  IEEE 43, IEC 60204-1, ésta es la medida más sencilla y rápida de realizar, y la que posteriormente se debe realizar como referencia para llevar un histórico.

En las siguientes imágenes se muestra el análisis de aislamiento de un motor recién rebobinado, en la prueba se ha obtenido un máximo de 290 Giga ohmios con una tensión de prueba de 500 V.

 

 

Imagen del motor analizado de 400/660 V de 400 CV de potencia recién rebobinado, medido antes de transportarlo a las instalaciones del cliente

 

Análisis del resultado de aislamiento del motor de la imagen anterior, datos de la prueba de 10 minutos y 15 segundos 274,6 Giga ohmios, resultando un aislamiento excelente

 

*  El resultado de resistencia de aislamiento obtenido durante una medida debe ser evaluado a la temperatura máxima de funcionamiento del motor instalado en la máquina, de forma que, por cada diez grados centígrados de elevación de su temperatura, su resistencia de aislamiento es la mitad, y por cada diez grados de disminución, su resistencia de aislamiento es el doble. Por ejemplo, una resistencia de aislamiento de 85 Mega Ohmios sería insuficiente para un motor de baja tensión, cuando el mismo trabaja en condiciones adversas de refrigeración, temperatura del local elevada, motores ubicados en recintos con insuficiente ventilación, etc. Suponiendo un margen de aislamiento mínimo de seguridad de cinco Mega Ohmios con el motor trabajando a la máxima temperatura de operación, a la cual el aislamiento de los hilos que forman el devanado no colapsa para que un motor de 400/660 V trabaje sin ocasionar una falla a tierra o entre fases cuando se caliente anormalmente, para ello debemos obtener en la medida de aislamiento realizada a 20 ºC, o corregida para dicha temperatura, como mínimo 5,12 Giga Ohmios (casilla azul), según el siguiente cuadro ejemplo.

Como podemos ver en este cuadro, cada diez grados centígrados de elevación en la temperatura de operación del motor, su resistencia se divide por la mitad, de forma que por ejemplo, para una resistencia de aislamiento entre los hilos del devanado de 85 Mega Ohmios obtenida a 20ºC (casillas amarillas), cuando en los hilos del devanado del motor trabajando en las peores condiciones exista una temperatura de 130ºC, que es perfectamente soportable por un aislamiento de clase (H), el aislamiento entre los hilos del devanado, o entre los hilos y masa, su resistencia de aislamiento será de 0,08 Mega Ohmios (casilla roja), que es insuficiente. Para que el aislamiento del devanado de éste motor pueda soportar sin problemas una temperatura de operación de 130ºC, la resistencia obtenida en una medida de aislamiento realizada a 20ºC o corregida para dicha temperatura, su valor debería ser de 5.120 Mega Ohmios, o lo que es lo mismo 5,12 Giga Ohmios (casilla azul) como se ha explicado antes.

 

 

Otro factor a tener en cuanta son las posibles sobretensiones de origen externo, atmosféricas, u originadas por nuestra instalación, como conmutaciones de cargas de elevada potencia, cortocircuitos, averías en transformadores, etc., por lo cual es recomendable que los aislamientos de los devanados de motores tengan un mínimo de fortaleza frente a estos fenómenos que no podemos controlar.  

En general, el aislamiento que podemos esperar en el devanado de cualquier motor eléctrico, cuando éste se encuentra en buenas condiciones, se encuentra en el rango de varios Giga Ohmios, dicho aislamiento debe ser medido con la tensión de prueba adecuada (sufrientemente elevada) para que el motor pueda mostrar sus debilidades dieléctricas, si es que existen, por el contrario, si realizamos pruebas de aislamiento de bajo voltaje, cuando se averíe el motor, éste lo hará de improviso por haber realizado únicamente medidas de aislamiento empleando tensiones reducidas a ciegas.

 

* Medida de capacidad, Estándar IEEE 286, entre devanados y devanados a masa, esta medida nos indica la cantidad de acumulación de partículas en el interior de las bobinas, aceite, grasa, polvo, etc., éstos residuos en función de la temperatura, vibración y campos magnéticos internos, modifican y aceleran la degradación del aislamiento entre las espiras del devanado y entre el devanado y masa.

C) Medidas complementarias

Existen una serie de comprobaciones o medidas para las cuales no es necesario parar la máquina o el proceso de producción, éstas se pueden tomar con mayor frecuencia.

A continuación pasamos a describir las medidas para las cuales no se necesita el paro de motores o máquinas:

* Análisis de red, un ejercicio fundamental en la industria es el análisis de las redes, un escáner exhaustivo que permite detectar cualquier tipo de anomalía así como también revelar la situación actual del trabajo de las máquinas. Con esto podremos examinar posibles problemas de desequilibrios de tensiones, armónicos, mal factor de potencia y otros problemas del suministro de energía.

* Análisis de la resistencia de puesta a tierra de la máquina, además de la revisión de la equipotencialidad de las tensiones a masa de los armarios eléctricos y herrajes de la misma máquina con respecto a tierra.

* Ensayo de las respuestas a protecciones eléctricas generales, por sobrecarga (protección magnetotérmica) y por defecto a tierra (protección diferencial).

* Análisis de las perturbaciones electromagnéticas producidas por la máquina, medida del espectro en campo cercano de la energía radiada en el funcionamiento normal de la máquina. Esta medida es válida par conocer el grado de perturbaciones electromagnéticas que afectan a equipos eléctricos sensibles.

* Termografía del motor y armario eléctrico, esta medida nos indica de forma instantánea y sencilla cualquier defecto eléctrico relacionado con la marcha del motor, ésta conviene realizarla igualmente la primera vez como punto de referencia.

 

 

* Medida de intensidad eléctrica del motor, este tipo de medida conviene realizarla periódicamente con mayor frecuencia y con cargas iguales en la misma máquina para detectar consumos anormales para el mismo tipo de producción.

* Medida de la resistencia de aislamiento en rodamientos, norma IEEE 112, esta medida se realiza para comprobar que el rotor del motor no induce tensiones ni corrientes que deterioran los rodamientos y que son provocadas por el funcionamiento del variador.

* Vibración (Norma NEMA MG1-P7, IEC 60034-14), igualmente la medida de vibración puede ser considerada como periódica, al no necesitar parar la máquina o el proceso productivo, esta tecnología es de aparición relativamente temprana, pero ha demostrado ser clave en el mantenimiento predictivo no solamente de motores sino de toda clase de máquinas, por la cantidad de información que puede ofrecer y por las posibilidades que puede aportar en la actualidad, ésta tecnología se encuentra infravalorada.

Montajes Alhama S.L.U. tiene amplia experiencia en el campo de la vibración, optimiza constantemente sus algoritmos, empleados en el desarrollo de su propia instrumentación, dispone de profesionales cualificados que dan servicio a más de 350 instalaciones anualmente, con el consiguiente ahorro para los clientes, minimizando mantenimientos correctivos.

Espectro de vibración

 

La vibración puede revelar mucha información, se pueden detectar diferentes condiciones de falla y definir la severidad.

 

 

 Curva de condiciones en el tiempo

+

 

Las condiciones de vibración y ruido pueden ser monitorizadas con mucha antelación, anticipándonos para realizar las operaciones de mantenimiento programadas cuando sean establecidas, ya que podemos detectar los defectos en su inicio, antes de que se produzca la falla.

 Estrategias de mantenimiento

 

 Economía de los paros programados

 

El aislamiento y la vibración

Agotar la vida útil de los rodamientos en los motores eléctricos no es la mejor solución para ahorrar costes de producción o mantenimiento. Cuando los rodamientos se encuentran en su fase crítica de desgaste, se producen vibraciones anormales en el eje del motor, que son transmitidas al devanado eléctrico del estator a través de los rodamientos. En los motores que operan con una proporción elevada de vibración, la acumulación de desgaste de los rodamientos, acarrea la reducción de la fuerza dieléctrica en el devanado, por estas razones los cambios de rodamientos en los motores no devuelven al estado original el aislamiento del devanado. Como norma general, a los motores que trabajan con vibración elevada se les ha de cambiar los rodamientos delantero y trasero en la mitad del periodo de vida útil estimado.

En la imagen siguiente podemos ver el resultado de acumulación de vibración elevada sobre el devanado del estator, el cual presenta un cortocircuito entre las espiras de las bobinas a causa de la vibración.

 

Análisis de vibraciones sin rodeos

Un análisis de vibraciones se sumerge en la máquina. Cada componente vibra de un modo diferente y genera un timbre o ruido característico dejando en el espectro una huella de identidad típica en forma de patrón de líneas. Si hay un deterioro el patrón lo muestra a partir de los ruidos de fondo. El especialista detecta si se trata, por ejemplo, de un desequilibro, de un fallo de alineación o de daños de rodamientos. Además de un diagnóstico preciso, por regla general, también se puede especificar si es necesario actuar con celeridad o puede esperar hasta la próxima revisión programada.

 

Análisis de vibraciones: las ventajas

Las ventajas para el operador y el responsable de mantenimiento son claras:

• Identificación rápida de los fallos de la máquina.
• Información precisa sobre las causas de los fallos.
• Localización fácil de los componentes afectados.
• Optimización de las existencias de piezas de recambio.
• Planificación de las medidas de mantenimiento.

 

Rendimiento eléctrico

Basado en el trabajo de los últimos años, Montajes Alhama S.L.U. ha desarrollado como primicia un nuevo algoritmo matemático y la instrumentación necesaria para medir de forma muy precisa el rendimiento eléctrico de un motor. En base a los datos obtenidos, ahora podemos decidir cambiar las condiciones de funcionamiento de los motores para ahorrar energía, dado que ésta tiene cada vez un peso más importante en el coste final de producción, en un futuro cercano el coste energético de cualquier empresa será el caballo de batalla para ofrecer un producto competitivo en un mercado marcado por los precios cada vez más bajos.

 

A continuación se adjunta un ejemplo de cuadro de rendimiento obtenido tras nuestro análisis a un motor.