BOLETÍN IIE
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Diagnóstico en línea y fuera de línea
de motores de inducción de baja, mediana y alta tensión
Resumen
Los motores de inducción de baja, mediana y alta tensión
son los equipos eléctricos de mayor aplicación en la industria.
La importancia que tienen en los diferentes procesos productivos hace necesario
asegurar su continuidad operativa. La detección anticipada de una
posible causa de falla permite planear, con fines de mantenimiento, la remoción
programada del motor. En este artículo se presentan los resultados
de las actividades que realiza actualmente la Gerencia de Equipos Eléctricos
del Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE) para el desarrollo
y la aplicación de técnicas de diagnóstico en línea
y fuera de línea para motores de inducción de hasta 13.8 kV.
Introducción
El motor de inducción es uno de los equipos eléctricos de
mayor aplicación en el ámbito industrial. Muchos de estos
motores de gran capacidad se utilizan en la industria minera, petrolera
y del acero, en donde una falla repentina puede tener graves consecuencias,
por lo que resulta necesario asegurar su continuidad operativa mediante
la detección oportuna de fallas incipientes originadas por los esfuerzos
eléctricos, mecánicos y térmicos, a los que se someten
durante su operación. Conocer a tiempo una falla incipiente permite
planear la remoción del motor con fines de mantenimiento y reducir
pérdidas de producción [Carvajal Martínez, F.A. et
al., 1998].
Actualmente la Gerencia de Equipos Eléctricos del IIE está
realizando actividades para el desarrollo y la aplicación de técnicas
de diagnóstico en línea y fuera de línea para motores
de inducción en baja, mediana y alta tensión.
Diagnóstico en línea a motores de inducción
La posibilidad de una falla eléctrica que produzca algún
tipo de arqueo en un motor ubicado en un área peligrosa resulta inaceptable,
por lo que se requieren técnicas confiables de diagnóstico
en línea que permitan detectar problemas incipientes en los devanados
con el motor operando en línea y bajo condiciones de carga nominal.
Estas técnicas de diagnóstico en línea deben ser no
invasivas tanto como sea posible e intrínsecamente seguras. En las
técnicas de diagnóstico en línea implementadas y aplicadas
por el IIE se consideran estos factores y permiten evaluar el estado operativo
de motores de inducción instalados en diferentes ambientes de trabajo.
El diagnóstico en línea de motores de inducción de
baja, mediana y alta tensión usado por el IIE se basa en la aplicación
de las siguientes técnicas:
Monitoreo térmico de componentes.
Análisis de la potencia eléctrica
de suministro.
Análisis de corrientes de fase.
Monitoreo térmico de componentes
Una alta temperatura en el motor (causada por el ambiente o por un problema del motor mismo) es frecuentemente causa de falla. Los motores deben operar dentro del valor límite de elevación de temperatura de acuerdo con el tipo de aislamiento de sus devanados para asegurar una vida útil adecuada. Las normas [NEMA Standars Publication, 1993] indican que por cada 10ºC que el motor opere sobre su valor límite de elevación de temperatura, la vida útil de su aislamiento se reduce a la mitad. El monitoreo térmico de los componentes del motor (chumaceras, terminales de conexión, etcétera), permite determinar si existe algún incremento anormal de temperatura o detectar la presencia de puntos calientes. El monitoreo térmico se lleva a cabo con la finalidad de obtener un mapa de temperaturas del motor, de detectar los puntos máximos de temperatura y de determinar las posibles causas. En la figura 1 se muestran los mapas de temperaturas obtenidos para el diagnóstico del estado de los rodamientos de un motor de baja tensión, así como de los cables de su interruptor.
FIGURA 1  |
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Análisis de la potencia eléctrica de suministro
Las técnicas empleadas para el análisis de la potencia
eléctrica de alimentación a motores de inducción se
basan en la medición simultánea y en el análisis de
las señales de voltaje y corriente de alimentación al motor.
Este análisis permite identificar desbalances de voltajes, picos
de voltajes, niveles elevados de distorsión armónica y fallas
incipientes en el devanado del estator.
La presencia de conexiones de alta resistencia, tanto en el motor como en
el circuito de alimentación principal, traen como resultado desbalances
de voltajes y altas corrientes circulantes. Estas corrientes causan elevación
de temperaturas en los devanados del motor, lo cual puede provocar daños
al aislamiento. Mediante la medición y el análisis de los
tres voltajes de fase y el cálculo del nivel de desbalance se puede
determinar la severidad de la conexión de alta resistencia.
Los picos de voltaje dentro del circuito de potencia del motor pueden ser
provocados por diferentes causas, incluyendo arranques y paros de cargas
en la planta y el uso de equipos de control de estado sólido como
controladores de velocidad de frecuencia variable. Los picos de voltaje
de magnitud considerable someten al motor a esfuerzos eléctricos
adicionales, lo que resulta, eventualmente, en fallas catastróficas
del sistema aislante. Estos picos de voltaje se pueden identificar mediante
el análisis de las señales de voltaje y corriente para determinar
su factor de cresta (relación del valor de cresta de la señal
medida al valor rms de la forma de onda fundamental).
Otra causa de problemas en los motores es la presencia de armónicas
en la línea de suministro, las cuales son causadas por el uso de
dispositivos de estado sólido, como los variadores de velocidad.
Un alto contenido armónico en la alimentación de los motores
puede causar problemas como sobrecalentamiento en devanados de estator y
rotor, pares pulsantes y ruido. La Gerencia de Equipos Eléctricos
realiza estas mediciones con el fin de verificar que el nivel de contenido
armónico que alimenta al motor se encuentre dentro de los límites
aceptables.
Análisis de las corrientes de fase
El diagnóstico en línea de motores mediante el análisis
de las corrientes de fase es un método no invasivo aplicado por la
Gerencia de Equipos Eléctricos para detectar la presencia de fallas
incipientes tanto mecánicas como eléctricas. Esta técnica
se basa en el análisis de los espectros en frecuencia de alta resolución
de la corriente de alimentación del motor operando en línea
bajo condiciones de carga nominal.
La técnica de diagnóstico en línea basada en el análisis
de las corrientes de fase [Carvajal Martínez, F.A. et al., 1998]
utiliza la medición simultánea de las tres corrientes de fases
del motor y permite detectar diversas condiciones de falla en los motores
eléctricos que no pueden diagnosticarse adecuadamente a través
de la simple medición de vibraciones mecánicas como son:
Ruptura de barras del rotor.
Grietas en anillos de cortocircuito de la jaula.
Falsos contactos en soldaduras de la jaula.
Irregularidades estáticas y dinámicas
del entrehierro.
Desbalances magnéticos.
Porosidades en la fundición del rotor
Los defectos en las barras del rotor provocan altas temperaturas y pérdida
de par en el motor, su detección mediante esta técnica se
basa en el análisis del espectro de las corrientes de fase en el
dominio de la frecuencia. El espectro en frecuencia de las corrientes de
fase medidas en el dominio del tiempo se obtiene por la aplicación
de la transformada rápida de Fourier (FFT). Este análisis
se lleva a cabo para detectar armónicas que se atribuyen directamente
a barras rotas, anillos terminales fisurados, flechas torcidas o chumaceras
en mal estado. Las señales de corriente en el dominio del tiempo
se obtienen utilizando transformadores de corriente tipo gancho (foto 1).
En motores de alta tensión, los ganchos de corriente se utilizan
en los secundarios de los transformadores de corriente de medición.
Las pruebas realizadas tanto en campo como en el laboratorio de motores
del IIE [Carvajal Martínez, F.A. et al., 1998] han demostrado que
la existencia de barras rotas en el rotor del motor produce flujos armónicos
en el entrehierro con componentes de corrientes en los devanados del estator
a una frecuencia de (1±2s)f1 Hz, donde s es el porcentaje de deslizamiento
y f1 es la frecuencia de línea del motor. Las frecuencias de la componente
espectral contenidas en el flujo del entrehierro [Cameron, J.R., 1986] están
dadas por:
 FOTO 1 |
f=f1[k/(p/2).(1-s)±s]
donde:
s = deslizamiento en por unidad.
p = número de polos.
k = 1, 2, 3, 4...
La figura 2 muestra los espectros en frecuencia de las corrientes de
fase característicos de un motor con el rotor en buen estado y con
el rotor con falla en las barras obtenidos al aplicar esta prueba. Por otra
parte, una excentricidad dinámica [Long G., Fox, 1994] o estática
del rotor trae como consecuencia un incremento de vibración y el
riesgo potencial de un rozamiento entre el estator y el rotor. De no corregirse
una situación de este tipo se podría provocar una falla catastrófica
del motor o, al menos, una reducción de la vida útil de las
chumaceras. La asimetría del rotor (debido a una falla en las chumaceras,
rotor elíptico, desalineamiento de la flecha con la jaula o un desbalance
magnético) da por resultado un espectro similar al producido por
las barras rotas. Evaluando las frecuencias de excentricidad y sus bandas
laterales asociadas se conoce la condición del entrehierro. Las excentricidades
dinámicas y estáticas dan como resultado picos de componentes
de corriente en las frecuencias dadas por la siguiente fórmula [Cameron
J.R., 1986]:
f = f1[kR±nd).(1-s)/(p/2)±nw]
donde:
R = número de ranuras del rotor.
k = 1, 2, 3, 4, 5...
nw =1, 3, 5, 7, 9...
nd = 0, para excentricidad estática.
nd = 1, 2, 3, 4... para excentricidad dinámica.
Además de los problemas mencionados anteriormente y que pueden
detectarse mediante el análisis de las corrientes de fase, también
se pueden obtener resultados (análisis del espectro de alta frecuencia)
que nos permiten confirmar defectos del devanado del estator y realizar
un diagnóstico mecánico preliminar del motor. La fotografía
2 muestra el rotor fallado de un motor de 3 500 C.P., 13.8 kV; la Gerencia
de Equipos Eléctricos diagnosticó en línea esta falla
en su etapa inicial mediante la técnica del análisis de las
corrientes de fases.
Debido a que existen fallas evidentes durante el periodo de arranque del
motor, pero no durante su operación normal, actualmente y como parte
de esta técnica de diagnóstico en línea mediante el
análisis de las corrientes de fase, el IIE monitorea la firma de
corriente de arranque del motor con la finalidad de analizar su tendencia;
ello nos permite obtener un indicativo anticipado de la evolución
de posibles fallas.
Diagnóstico fuera de línea de motores de inducción
El diagnóstico fuera de línea permite probar motores de
inducción desenergizados a través de la medición de
sus parámetros básicos y los de su circuito de fuerza asociado.
Con base en estas mediciones se determina la condición del equipo.
Actualmente la Gerencia de Equipos Eléctricos basa su diagnóstico
fuera de línea de motores de inducción de hasta 13.8 kV en
las siguientes pruebas:
Resistencia de aislamiento.
Pruebas estándar de c.a.
Comparación de pulsos.
Pruebas a rotor.
Prueba de resistencia de aislamiento
La confiabilidad del motor depende de la integridad de su sistema aislante, por lo que éste resulta ser la parte más importante. El sistema de aislamiento de los motores se encuentra sujeto a diversos esfuerzos de tipo mecánico, térmico y eléctrico. La prueba de resistencia de aislamiento detecta la presencia de humedad y sustancias contaminantes en la superficie de los devanados. A partir de esta prueba se determinan los índices de polarización y de absorción dieléctrica que indican la variación de la resistencia a tierra del aislamiento respecto al tiempo. Valores adecuados de estos índices [ANSI/IEEE, 1992] garantizarán que los devanados del motor se encuentren libres de la presencia de humedad y contaminación antes de ser sometidos a los esfuerzos eléctricos propios de la operación del motor.
Pruebas estándar de c.a.
Estas pruebas se aplican para determinar la condición general del motor; se pueden utilizar en todos los motores, ya sean nuevos o reparados. Las que aplica el IIE como pruebas estándar de c.a. miden lo siguiente:
Resistencia a tierra.
Capacitancia a tierra.
Resistencia óhmica.
Inductancia fase a fase
Los valores obtenidos de la medición de la resistencia a tierra
permiten evaluar la condición del aislamiento a tierra del motor
y sus cables de alimentación en caso de ser evaluados de manera conjunta.
Los valores de la capacitancia a tierra son un indicador adicional de la
condición del motor, el cual facilita identificar la presencia de
elementos contaminantes depositados en el aislamiento del estator.
A partir de la medición de la resistencia de fase a fase en el motor
se identifican desbalances resistivos, lo cual permite evaluar sus devanados.
Altos desbalances resistivos indican que durante la operación el
motor presentará puntos calientes por conexiones de alta resistencia.
Los valores de inductancia de fase a fase que se obtienen durante esta prueba
son útiles para evaluar los devanados, núcleo magnético
y componentes del rotor del motor. Altos desbalances inductivos indican
fallas en el devanado del estator y defectos en el rotor.
Prueba de comparación de pulsos
Por lo común, las fallas en los devanados de los motores se inician
como cortos entre espiras dentro de las bobinas; estos cortos generan puntos
calientes que degradarán el aislamiento en vueltas adyacentes hasta
que falle la bobina y por lo tanto el motor. El mecanismo de falla puede
tomar largo tiempo para que se manifieste como una falla a tierra, así
que la prueba de resistencia de aislamiento no puede detectarla. Este tipo
de fallas se pueden descubrir mediante la prueba de comparación de
pulsos, la cual localiza defectos en el aislamiento, espira-espira, bobina-bobina
o fase-fase, fallas que no pueden revelar fácilmente las demás
pruebas. El equipo utilizado por el IIE para realizar esta prueba inyecta
pulsos de voltaje a la bobina del motor; los pulsos reflejados resultantes
son la respuesta de la inductancia de la bobina.
En un motor trifásico sin fallas, los devanados de las tres fases
deben tener inductancias y capacitancias similares, por lo que la respuesta
al impulso en cada fase debe ser similar también. En un motor trifásico,
la inductancia de una fase dañada por un cortocircuito entre espiras
es diferente a la inductancia de las otras dos bobinas y, por lo tanto,
su respuesta al impulso también. Un corto entre espiras en el motor
probado ocasionará un desfasamiento y una disminución en el
valor pico de la forma de onda reflejada.
Prueba fuera de línea al rotor
La prueba fuera de línea al rotor de motores de inducción
del tipo jaula de ardilla que actualmente aplica la Gerencia de Equipos
Eléctricos se basa en la medición de las inductancias de fase
a fase del motor, con el rotor colocado en diferentes posiciones predeterminadas.
Los resultados obtenidos de esta prueba son una representación gráfica
de la relación rotor-estator y con base en su análisis detectar
excentricidades y defectos del rotor, además de verificar fallas
del estator.
Un motor es similar a un electromagneto, donde el rotor actúa como
el núcleo y el estator actúa como el devanado del electromagneto.
Esta prueba fuera de línea del rotor nos muestra cómo el magnetismo
residual del rotor colocado en diferentes posiciones dentro del estator
afecta su inductancia. Dado que el campo magnético del rotor interactúa
con las tres fases del devanado del estator, las inductancias de cada fase
cambian con las diferentes posiciones del rotor.
Esta prueba se realiza mediante la aplicación de una señal
de voltaje a cada fase del estator y el giro manual del rotor en incrementos
específicos de grados, hasta cubrir al menos un paso polar. Con el
rotor colocado en cada posición se genera y se mide un valor de la
inductancia del circuito por fase, mismo que se puede graficar. Para motores
en buen estado se obtienen curvas regulares que se repiten cada paso polar
con formas de onda senoidales. El análisis de estas gráficas
permite determinar la condición del rotor y del estator, así
como correlacionar los resultados de las diferentes pruebas fuera de línea
aplicadas al motor.
En el laboratorio del IIE [Carvajal Martínez, F.A. et al., 1998]
se obtuvieron los resultados de esta prueba para un motor de 100 c.p. en
buen estado y un motor de 1 c.p., con fallas en las barras de la jaula.
En la figura 3 se muestran gráficamente los resultados obtenidos.
Diagnósticos en línea y fuera de línea aplicados a motores en sitio
La Gerencia de Equipos Eléctricos, a través de su grupo
técnico de diagnóstico de motores, ha evaluado en línea
y fuera de línea, mediante la aplicación de las técnicas
descritas en este artículo, aproximadamente 118 motores de inducción
con capacidades de 200 a 6 800 c.p. y tensiones eléctricas de 440
a 13 200 Volts. Estos motores se han evaluado en sitio bajo diferentes condiciones
de operación.
En la terminal marítima Dos Bocas de Pemex Exploración y Producción
se realizó el diagnóstico en línea de 23 motores de
1 250, 1 750 y 2 500 c.p., con tensiones de 4 160 y 13 200 Volts, instalados
en las casas de bombas 1, 2, 4-temporal y en la estación de compresores
de esta terminal. Los motores se utilizan para el bombeo de crudo.
Con la finalidad de incrementar la confiabilidad y disponibilidad de los
motores de inducción de media tensión utilizados en las baterías
de bombeo de crudo instalados en el activo Samaria-Sitio Grande, de Pemex
Exploración y Producción, Región Sur, la Gerencia de
Equipos Eléctricos realizó el diagnóstico en línea
de 16 motores de inducción tipo jaula de ardilla, de tipo horizontal,
trifásicos, de 450, 600 y 1 250 c.p., a 4 160 Volts.
Dentro de las instalaciones de la planta criogénica del Complejo
Procesador de Gas La Venta (CPG La Venta) de Pemex Gas y Petroquímica
Básica, operan seis motores eléctricos de inducción
de 13.2 kV. Debido a que estos equipos son críticos dentro del proceso
de producción, se evaluó en línea las condiciones de
operación de estos motores, de 3 500 y 6 800 c.p. [Ramírez
Cruz, J.M. et al., 1998].
También se evaluaron las condiciones eléctricas de operación
de 35 motores de 440 y 2 300 Volts, localizados en nueve instalaciones del
sistema de abastecimiento de agua potable del municipio de Acapulco en el
estado de Guerrero, esto mediante la realización de pruebas eléctricas
en línea y fuera de línea.
Con base en el análisis de los resultados de las pruebas aplicadas
en los casos anteriores, se determinó que las principales causas
de falla detectadas en estos motores se asociaban con daños en el
sistema aislante, problemas en la jaula del rotor y dificultades de tipo
mecánico. Los daños en el sistema aislante se deben principalmente
a la acumulación de elementos contaminantes, tales como polvo, humedad,
salitre, aceite, etcétera. Los problemas mecánicos tienen
que ver principalmente con las condiciones de operación de la bomba.
Conclusiones
Los resultados obtenidos y la experiencia adquirida por la Gerencia de
Equipos Eléctricos durante las etapas de implementación y
aplicación en sitio de las pruebas de diagnósticos en línea
y fuera de línea de motores de inducción de baja, mediana
y alta tensión permiten asegurar que son un método efectivo
y exitiso para monitorear la condición de estos equipos eléctricos
y resultan una herramienta valiosa para fundamentar programas de mantenimiento
de tipo preventivo y predictivo.
El IIE cuenta actualmente con la capacidad y la experiencia para realizar
el diagnóstico de motores de baja, mediana y alta tensión,
mediante la aplicación de las técnicas descritas en este artículo
y su complementación con el desarrollo de programas y procedimientos
de mantenimiento que permitan sistematizar las actividades de mantenimiento
aplicadas a los motores de inducción.
Referencias
ANSI/IEEE Std-43-1974 (R1992) Recommended practice for testing insulation resistance of rotating machinery.
Cameron, J. R., "Vibration and current monitoring for detecting airgap excentricity in large induction motors", en IEEE Proc., vol. 133, Pt. B, núm. 3, mayo de 1986.
Carvajal Martínez, F.A. y J.M. Ramírez Cruz, Diagnóstico en línea de motores de inducción mediante el monitoreo de las corrientes de fase, parte I: pruebas de laboratorio, RVP-98, IEEE Sección México, Acapulco, 1998.
Carvajal Martínez, F.A. y J.M. Ramírez Cruz, El análisis de las corrientes de fase como herramienta de mantenimiento predictivo en motores de inducción, Octavo Congreso Nacional de Máquinas Eléctricas Rotatorias, AMIME 1998, Veracruz, México.
Lang G., Fox, "Of cages, induction, deduction, bars, vars and squirrels", en Sound and Vibration Review, diciembre de 1994.
NEMA Standars Publication núm. MG-1-1993 motors and generators.
Ramírez Cruz, J.M., F.A. Carvajal Martínez y M. Campos Hernández, Diagnóstico en sitio de motores de inducción mediante el análisis del espectro en frecuencia de las corrientes de fase, Octavo Congreso Nacional de Máquinas Eléctricas Rotatorias, AMIME 1998, Veracruz, México.
FRANCISCO ANTONIO CARVAJAL MARTÍNEZ
JOSÉ MANUEL RAMÍREZ CRUZ
LUIS FERNANDO ARCOS ZAMORA
Sumario Boletín IIE
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