Prueba de Motor AC y PdM
Estándares
útiles optimistamente en camino
Por Howard W.
Penrose, PhD, CMRP
La
llave para entender completamente el monitoreo basado en condición
de motores eléctricos AC es determinar las capacidades y las
limitaciones de cada tecnología. Con este conocimiento, el técnico
de mantenimiento y confiabilidad puede hacer las decisiones con un
grado conocido de certeza. En este artículo, discutiremos parte de
los métodos primarios de prueba de motor junto con sus capacidades,
cómo son aplicados y si pasan/fallan (donde aplica) así como los
límites de tendencia. La base para esta discusión será la norma
"IEEE P1415: Guía para Prueba Mantenimiento de Maquinaria de
Inducción y Análisis de Fracaso".
Introducción
El
requisito para un estándar inclusivo de maquinaria de inducción de
AC que resume las tecnologías de prueba basadas en condición y sus
capacidades han sido necesario por algún tiempo. En los últimos
nueve años, un Comité de IEEE ha estado en el proceso de desarrollar
"la Guía para Prueba de Mantenimiento de Maquinaria de Inducción y
Análisis de Fracaso," designada IEEE P1415. En el tiempo que este
articulo fue redactado, la IEEE P1415 estuvo en las fases finales de
votación para llegar a ser un Estándar de IEEE.
Lo
que hace particular a este estándar es que proporciona una vista
general de los métodos eléctricos y mecánicos de prueba y
proporciona los límites de la prueba hasta donde es posible. En
muchos casos, parte una tecnología particular en sub-pruebas. Por
ejemplo una prueba Motriz de Análisis de Circuito que involucra la
resistencia, impedancia, inductancia, ángulo de fase,
corriente/frecuencia y el aislamiento a tierra son divididos en
pruebas individuales tales como: Resistencia de bobinado,
Resistencia de Aislamiento, Fase de Angulo, Fase de Balanceo
(Inductancia e Impedancia) y Frecuencia Variable. El propósito es de
cubrir las tecnologías existentes y proporcionar el espacio para las
tecnologías futuras que pueden utilizar combinaciones diferentes.
Figura 1- Análisis de Circuito de Motora través de un Control del
Motor
Diagnóstico Eléctrico Motriz Definido
Una
de las áreas más problemáticas que ha venido con nuestros tiempos
modernos es mantener el rastro de las definiciones. Por ejemplo en
línea puede significar utilizar el Internet o mientras el equipo
trabaja. Recientemente, el concepto de Diagnóstico de Motor
Eléctrico ha sido considerado sólo como las tecnologías de Análisis
Motriz de Circuito (MCA) y el Análisis Eléctrico o Análisis de Firma
de Corriente. Sin embargo, en el 2004, el Instituto de Diagnóstico
Motriz Eléctrico (IEMD) definió al Diagnóstico Motriz Eléctrico como
todas las tecnologías utilizadas para prueba o evaluación de la
condición del sistema motriz eléctrico o capaz de ser utilizada en
los programas de mantenimiento y administración del sistema motriz.
Entonces se definió el mantenimiento y la administración del sistema
motriz:
"La
administración y el mantenimiento del sistema motriz son la
filosofía de la mejora continua de todos los aspectos del sistema
motriz del poder entrante a la carga manejada. Implica todos los
componentes de energía, del mantenimiento y la confiabilidad de la
cuna a la tumba del sistema".
El
resultado de estas definiciones es que un alcance más amplio de la
tecnología es abarcado, proporcionando el concepto de una gama más
amplia de instrumentos disponibles para el diagnóstico del estado
motriz eléctrico. Esta definición, combinada con la IEEE P1415, nos
da la pauta de las tecnologías que serán exploradas en este
artículo. Sin embargo, el enfoque estará solo en el motor,
incluyendo:
•
Bobinado del estator
•
Bobinado del Rotor
•
Vibración
y
ruido
•
Cojinetes
y
ejes
•
Estructura
y Marcos
•
Ventilación
•
Accesorios
Tecnologías Basadas
en
Condición
Las
siguientes tecnologías están cubiertas por el estándar propuesto:
• AC
Alto Potencial: Es una prueba de pasa/falla aplicada al doblre del
voltaje valorado más 1.000 voltios para nuevos sistemas de
aislamiento y 125-135% del voltaje motriz para sistemas de
aislamiento existentes.
•
Tiempo de Aceleración: Aumentado o disminuyendo tiempos de arranque
puede indicar problemas con la alimentación, el motor o la carga.
•
Aislamiento de los cojinetes: La evaluación de la integridad de
aislamiento de los cojinetes para propósitos de corrientes reducidas
de ejes y resultando el daño de cojinete. Realizado siguiendo
IEEE Std 43-2000.
•
Temperatura del Cojinete: Medido por RTD, termómetro termopar o de
tipo bombilla. Los límites de la temperatura varían pero caen
generalmente en el rango de 90-100°C para la alarma y 105-120°C para
el cierre.
•
Capacitancia: La medida es tendencia y valores a tierra
incrementados con el tiempo indican contaminación de superficie,
humedad alta, alta temperatura o pérdida de aislamiento.
•
Pérdida del Centro (Prueba de Lazo): La prueba se realiza durante la
reparación motriz para evaluar el aislamiento interlaminar del
centro de estator. Ningún lugar debe ser superior a 10°C que la
temperatura ambiental del centro.
•
Aislamiento de los coples: Realizado para asegurar que ninguna
corrientes existe del eje desemboquen en el equipo. Realizado
siguiendo IEEE Std 43-2000.
•
Demodulación de Corriente: Utilizado en el análisis actual motriz de
firma como un método para remover la frecuencia fundamental de
corriente de espectro FFT.
•
Corriente que trabaja: Puede ser utilizada como una indicación de la
carga. Corriente pulsante, medida con una punta de corriente
analógica, es un indicador de problemas de barra de rotor.
•
Análisis Actual de Firma: Utilizado para proporcionar el análisis de
la condición electromecánica y del equipo. Requiere
el
análisis
de
corriente de espectro
FFT.
•
Corriente de Arranque: La irrupción y el arranque son evaluados para
anomalías.
• DC
Alto Potencial: es una prueba de tendencia cuando se registran
fugas. Utiliza el doble del voltaje más 1.000 volts por 1 como el
máximo aplicado. Si, al aumentar el voltaje, el valor de merma
aumenta muy rápidamente, entonces la prueba ha fallado.
• La
Absorción Dieléctrica: Es el índice de las lecturas de la
resistencia de aislamiento de DC del valor de 60 segundos al valor
de 30 segundos. Un índice de 1,4 o mayor, en sistemas de aislamiento
anteriores a 1970, son considerados aceptables. De otro modo, la
tendencia es requerida. Referencia IEEE Std 43-2000.
• El
Factor de la Disipación y el Factor de Poder: Ambas pruebas utilizan
un voltaje de la corriente alterna en el voltaje valorado del motor
para ser probado. El valor de la tendencia no debe exceder un cambio
de 2% sobre el período de la prueba.
•
Análisis de Grasa: Utilizado para tendenciar y evaluar el deterioro
de las propiedades lubricantes de la grasa.
•
Prueba de Growler: Utilizada para evaluar la condición de las barras
del rotor cuando el rotor es removido del motor eléctrico.
• La
Resistencia del Aislamiento: Mide el valor de aislamiento entre
conductores y tierra después de un minuto. El voltaje aplicado es
menos que el voltaje del motor con una temperatura corregida
resultando en 5 Megohmios para máquinas aleatorias y 100 Megohmios
para máquinas de forma. Referencia IEEE Std 43-2000.
•
Análisis de Aceite: Utilizado para evaluar la degradación de las
propiedades lubricantes del aceite. Puede ser utilizado también para
detectar desgaste mecánico excesivo en el equipo.
•
Descarga Parcial: Es una medida de descargas capacitivas dentro del
aislamiento eléctrico. Este valor es tendeciero generalmente en
máquinas de más de 6,000Vac.
• Fase
Angulo: La medida de tiempo entre el pico de voltaje y la corriente
en acerca de 7Vac aplicados a una bobina. Cuándo dos bobinas son
comparados, el valor debe estar dentro de de un dígito de ambos
resultados.
• Fase
de Balance (Inductancia e Impedancia): Utilizada para detectar
severo desbalance de bobinado o para comparar en orden para detectar
contaminación. Los resultados de la prueba son comparados fase a
fase para determinar si el patrón es el mismo, o no.
•
Índice de Polarización: La prueba del índice de los 10 minutos de
aislamiento a tierra y la de un minuto. Un índice de 2 o más es
requerido en sistemas de aislamiento anteriores a 1970. Referencia
IEEE Std 43-2000.
•
Prueba de Rotor de Una Fase: 10 por ciento del voltaje motriz es
aplicado a través de una fase del motor. El rotor es girado y se
toman los valores de la corriente. Las variaciones de 3%, o más, del
valor de la corriente por 360 grados de la rotación identifican las
probables barras rotas del rotor.
•
Corriente del Eje a tierra: Una medida de la corriente del eje.
Puede identificar que esas corrientes del eje no fluyen por el
sistema a tierra del eje.
•
Prueba del eje: partícula magnética, penetración de líquido y examen
ultrasónico es utilizado para evaluar la condición del material
motriz del eje.
•
Voltaje del eje: Se toman medidas del voltaje del eje del motor. Las
variaciones en el valor del voltaje indican problemas con el motor.
•
Velocidad: Utiliza las medidas de RPM del motor para determinar si
existen problemas potenciales del motor o de la carga.
Figura
2 – Análisis del Circuito Motriz para una Bomba Sumergible
•
Prueba de Surge: Prueba de alta frecuencia, alto voltaje basado en
impedancia utilizada para verificar la vuelta a vuelta de la fuerza
dieléctrica del sistema de aislamiento. Las formas de ondas
comparadas con las desviaciones que indican los defectos.
•
Surge PD: variación de la prueba anterior, evalúa las descargas
parciales que resultan del voltaje alto, prueba rápida de aumento de
tiempo rápido.
•
Termografía: Utiliza una cámara infrarroja para comparar el fondo
(ambiente) al componente de la prueba. Los defectos pueden causar un
aumento de temperatura en el punto del defecto.
•
Análisis de torsión: Utiliza tres fases del voltaje y la corriente
para calcular el momento de torsión. El valor entonces es demostrado
y es analizado como espectro de torsión FFT.
•
Ultrasonido: Utilizado para detectar defectos en cojinetes y otros
defectos electromecánicos en motores. también se usa para detectar
otras cuestiones del sistema motriz.
•
Frecuencia Variable: Utilizando cerca de 7Vac, la corriente motriz
es medida entonces la frecuencia aplicada duplicada y la corriente
resultante se compara al resultado inicial. El valor debe ser no más
de uno a dos dígitos entre las diferentes fases.
•
Vibración: La información de los espectro de vibración FFT son
utilizados para tendenciar y detectar fallas mecánicas y algunas
eléctricas.
•
Balance de Voltaje: Las medidas del voltaje se utilizan para
detectar defectos de desbalance de voltaje en el suministro.
•
Distorsión de Voltaje: El contenido armónico del voltaje. Si este
valor es demasiado alto, ocurrirá calentamiento del rotor y del
estator.
•
Caída de Voltaje: Es una medida de tendencia de la caída del voltaje
al arrancar un motor eléctrico grande. Los cambios pueden indicar
defectos eléctricos motrices.
•
Nivel de Voltaje: Las medidas del voltaje son utilizadas para
asegurar que la tensión de alimentación se quede dentro de + /- 10%
del voltaje especificado por el fabricante.
•
Picos de Voltaje: Monitorear los picos de voltaje permite la
habilidad de evaluar las condiciones del suministro y de los
controles.
Figura
3 – Se prepara un Motor con una falla para realizarle las pruebas en
el piso del taller.
•
Resistencia de bobinado: Detecta alambres rotos y conexiones flojas.
•
Temperatura del bobinado: La temperatura puede ser tendenciada con
el tiempo para determinar si ocurrirán condiciones de sobrecarga o
fallas de aislamiento.
Each of the
tests is described, effectiveness determined (i.e.: Effective for
trending?), online or offline, typical test frequencies, any
precautions or considerations and related standards cited.
Aplicación
de
Combinación
de
Tecnologías
Como
se menciono antes, las tecnologías citadas pueden ser utilizadas
individualmente y en combinación. El uso de multi-tecnologías
permite un análisis más exacto de la condición de una máquina.
Una
parte importante para comprender la aplicación de cualquier
tecnología de prueba es también el conocimiento que los resultados
representan una probabilidad del tipo de defecto para ser
diagnosticado. Por ejemplo, una prueba de resistencia de aislamiento
que muestra un resultado muy bajo de la prueba puede ser falla en un
sistema de aislamiento, contaminación del bobinado, humedad alta,
procedimiento inadecuado de la prueba o un instrumento dañado. Es
común que la llamada sea realizada de acuerdo ala experiencia del
usuario. Por ejemplo si una prueba de motor 480Vac en 0.5 Megaohmios
a tierra basada sobre la experiencia del usuario, ellos pueden
indicar que el sistema de aislamiento ha fallado o hay humedad alta.
Se lleva a cabo la acción correctiva, si existe, puede ser
incorrecta como resultado.
En vez
de eso, entendiendo las tecnologías y prácticas disponibles, como
son aplicadas y lo que los resultados pueden significar (incluyendo
la probabilidad de resultados diferentes), el técnico de
mantenimiento y confiabilidad ahora puede escoger la combinación de
instrumentos para mejorar la confianza en los resultados. Por
ejemplo utilizando el mismo caso anterior, una combinación de la
resistencia de aislamiento, Fase de balanceo, Fase de ángulo y
prueba de frecuencia variable son utilizadas. El valor bajo del
aislamiento es acoplado sin tolerancia de la fase ángulo y
frecuencia variable y el balanceo de la inductancia y la impedancia
no cuadran. El resultado más probable sería una falla del
aislamiento y la acción correctiva seria un rebobinado o el
reemplazo del motor.
Otro
beneficio de evaluar la condición, o tendencia, con múltiples
tecnologías es la habilidad de estimar mejor el tiempo restante de
vida. Como resultado, muchos fabricantes de tecnología ahora
combinan múltiples tecnologías en un solo paquete de soluciones.
Caso
# 1:
Análisis
del
Propulsor
El
análisis eléctrico de la firma de máquinas DC proporciona un retrato
sólido del equipo impulsor, el motor y el impulsor DC. En el caso de
propulsores marinos, el DC permite velocidad variable a los
propulsores que son utilizados para posicionar una nave. El desafío
de analizar propulsores es la habilidad de detectar los problemas en
los engranajes, cojinetes, sellos y el propulsor con la cavitación
resultante, que afecta directamente los resultados de la prueba de
vibración.
Utilizando una combinación de Análisis de Firma de Voltaje y
Análisis de Corriente de Firma (Análisis de Firma Eléctrica - ESA),
los resultados pueden ser comparados y el equipo impulsor evaluado.
En un caso reciente, el análisis de vibración fue realizado en un
propulsor seguido por ESA. ESA identificó una fuerte firma de
corriente de la velocidad que significaría un extremo desbalance,
una severa desalineación o el eje doblado. Una revisión de los datos
de vibración proporcionó información adicional que sugirió que el
resultado fue un eje doblado.
Caso
#2:
Análisis
de
Generador
Un
generador operando a bordo de una nave transatlántica estaba
fallando debido a la alta temperatura varias veces durante las
operaciones de carga. La Termografía infrarroja determinó que el
sistema de refrigeración operaba de modo satisfactorio. MCA fue
utilizado y fue determinado que se estaba desarrollando un corto del
bobinado que se acoplaba con un aislamiento a tierra. Seguido de una
prueba en línea, realizada con ESA, fue determinado que había un
problema del campo de rotación, también. Otra prueba de MCA fue
realizada y el rango de fracaso de aislamiento fue determinado.
Utilizando la información proporcionada por estas pruebas, fue
determinado que el generador podría operar en una condición de
"reducido" por aproximadamente tres meses. Esto permitió a la nave
cumplir su próxima misión. El generador fue rebobinado, debido al
fracaso de aislamiento; durante el próximo período, como se
planifico.
Conclusión
La
identificación de tecnologías disponibles para prueba de motor
basada en condición, sus límites y capacidades proporciona un
instrumento poderoso para el diagnóstico del motor eléctrico. La
espera de la publicación IEEE P1415, "Guía para Mantenimiento de
Maquinaria de Inducción y Análisis de Fracaso," dirige la necesidad
para un estándar completo de pruebas eléctricas y mecánicas para la
prueba de condición de motor eléctrico. Utilizando las capacidades
combinadas de las tecnologías, el análisis prematuro y exacto y la
estimación restante de la vida pueden ser realizados.
El Dr.
Penrose es el Presidente de SUCCESS by DESIGN, una firma de
consultoría de mantenimiento y confiabilidad. El Dr. Penrose tiene
mas de 20 años en la industria de motores eléctricos industriales y
es el Director Ejecutivo del Instituto de Diagnostico de Motores
Eléctricos. Puede ser contactado vía correo electrónico en
howard@motordoc.net
Bibliografía
IEEE PAR P1415,
Draft Guide for Induction Machinery Maintenance Testing and Failure
Analysis, IEEE Standards Activities Department, Power Engineering
Society, 2005.
