Detección de fallas eléctricas en motores de inducción utilizando pulsos rápidos de tensión

(1)

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA

MECÁNICA Y ELÉCTRICA

“

DETECCIÓN DE FALLAS ELÉCTRICAS EN

MOTORES DE INDUCCIÓN UTILIZANDO PULSOS

RÁPIDOS DE TENSIÓN”

TESIS

QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE INGENIERO ELECTRICISTA

PRESENTAN:

FRANCISCO RODRIGUEZ MARIA ANGELICA GALÁN LÓPEZ MIRIAM

RIVAS MUÑOZ LILIANA

(2)

(3)

v

Francisco Rodríguez Ma. Angélica.

Agradezco:

A mis padres y toda mi familia que me apoyo para poder finalizar

satisfactoriamente mi carrera profesional.

A mis asesores:

Dr. Fermín Pascual Espino Cortes

M. en C. Tomas Ignacio Asiain Olivares

Lic. Blanca Marina Feregrino Leyva

Y a IDEMSA, la empresa que nos permitió verificar la utilidad de la

prueba.

A mi mugroso Juan Carlos López Gloria por haberme apoyado y estar a mi

lado y a mis amigos Choche, Pepe y Puma por su apoyo moral.

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vi

GALÁN LÓPEZ MIRIAM

No hace falta decir gracias…

A cada uno, ya que todos los que estuvieron a lo largo de mi carrera profesional

deberán saber que han sido parte importante de mi vida y que significo mucho

para mí el tiempo, apoyo y comprensión que de alguna manera recibí de cada una

de aquellas personas que se cruzaron en mi camino.

Agradezco:

A mis padres:

Brigido Galán Cruz y Guadalupe López Delgadillo, por haberme dado la vida,

apoyarme, creer, y confiar en mí; por la herencia más valiosa que pudiera recibir de

quienes sin escatimar esfuerzo alguno han sacrificado gran parte de su vida para

formarme y educarme para así poder cumplir la meta de concluir mi carrera

profesional.

Gracias por lo que hemos logrado.

A mis asesores:

Dr. Fermín Pascual Espino Cortes, M. en C. Tomas Ignacio Asiain Olivares, Lic.

Blanca Marina Feregrino Leyva por su tiempo y apoyo, a mis compañeras de tesis

Liliana Rivas y Ma. Angélica Francisco y a la empresa IDEMSA.

A mis amigos:

Que hicieron los momentos en la jaula más amenos (todo los de la office), y a los

que hicieron que mi carrera fuera agradable y divertida a pesar de todo, bueno a

todas mis generaciones de amigos.

Gracias a todos por haber estado hay, por dedicar su tiempo a enseñarme cosas

nuevas, por hacer que los momentos en la escuela fueran amenos, por alegrar mis

días, por sus consejos, y a todos aquellos que ayudaron directa o indirectamente a

(5)

vii

Rivas Muñoz Liliana

Existen muchas personas a las que quisiera agradecer su apoyo y

comprensión a lo largo de mi vida:

A los asesores de tesis por su tolerancia y tiempo, al igual que la

empresa IDEMSA que nos hizo favor de prestarnos sus

instalaciones para realizar una prueba.

A mis amigos que siempre me dieron un consejo cuando era

necesario en especial a mis amigas y compañeras de tesis (Angélica

y Miriam).También a aquellos que siempre nos hicieron reír con sus

ocurrencias los compañeros de la office.

A mis hermanos y actualmente a dos personitas que ya son una

parte importante de mi vida, mi Marido y mi Bebe.

Pero sobretodo a aquella persona que me dio la vida y que a pesar

de mis errores nunca dejo de brindarme su apoyo y cariño

…

Mi

Madre.

Muchas gracias

(6)

viii

RESUMEN

En la actualidad la máquina de inducción es una de las tecnologías dominantes en motores eléctricos, representando más del 90 por ciento de capacidad de motores instalados en la industria Estos motores se encuentran disponibles como motores monofásicos y polifásicos y capacidades que van de fracciones de Watt hasta decenas de miles de Watts. Por lo anterior es deseable que estas máquinas operen de manera segura y de forma constante sin salir de operación de forma inesperada por fallas. Una identificación temprana de motores con problemas resulta mucho más ventajosa económicamente que las grandes pérdidas por paros no deseados.

Se considera que problemas en los devanados representan la segunda causa de las fallas en motores. En este trabajo se analiza la metodología de comparación de impulsos para detectar fallas en los devanados del estator de motores trifásicos de inducción tipo jaula de ardilla. Esta prueba es útil para la verificación del estado de los motores en base a la comparación de los oscilogramas de la respuesta a una tensión de impulso de las fases de la máquina.

El trabajo se enfoca principalmente en la detección de fallas en los devanados de los motores puesto que el deterioro en el aislamiento, principalmente entre fases y entre espiras, en su fase inicial es en muchas ocasiones difícil de diagnosticar con otro tipo de pruebas. Como una prueba complementaria a la comparación de la respuesta a impulsos se realizó la medición de resistencia óhmica de los devanados en la mayoría de los motores analizados. Se utilizaron dos motores de baja capacidad, uno de ellos libre de fallas y otro llamado motor prototipo modificado para generar los tipos de falla que se presentan con mayor frecuencia. Posteriormente se realizó la prueba de comparación de impulsos rápidos de tensión, tanto al motor sin fallas como al motor prototipo; para obtener los oscilogramas de tensión y poder realizar la comparación entre las fases en buen estado y las fases falladas.

(7)

vi

ÍNDICE

RESUMEN VIII

LISTA DE FIGURAS X

LISTA DE TABLAS XIV

GLOSARIO DE TERMINOS XV

CAPÍTULO 1 : INTRODUCCIÓN ₁

1.1 Generalidades. 1

1.2 Objetivos. 2

1.2.1 Objetivo General 2

1.2.2 Objetivos Particulares 2

1.3 Justificación 2

1.4 Motor Eléctrico 3

1.4.1 Motores de Inducción 4

1.4.2 Motores de Jaula de Ardilla 5

1.5 Variadores de Velocidad 6

1.5.1 Principios Fundamentales. 6

1.6 Fallas en el Motor de Inducción. 7

1.6.1 Fallas en Motores de Inducción 7

1.6.1.1 Circuito de Potencia 8

1.6.1.2 Aislamiento 9

1.6.1.2.1 Sistema de Aislamiento en Máquinas Eléctricas de Baja Tensión 9 1.6.1.2.2 Tipos de Fallas en los Aislamientos 10 1.6.1.2.3 Interrupción del aislamiento 11

1.6.1.3 Estator 12

1.6.1.4 Rotor 12

1.6.1.5 Excentricidad. 13

1.6.1.6 Calidad de Energía. 13

1.6.1.6.1 Desbalance de tensión 13

1.6.1.6.2 Generación de Armónicas 14

1.6.2 Falla en las Bobinas 15

1.6.2.1 Etapas en la Falla de una Bobina 15

1.6.2.2 Tipos de Fallas en los Devanados s de un Motor Trifásico 16

1.6.2.2.1 Embobinado en Fase Abierta 17 1.6.2.2.2 Fallas Ocasionadas por Roces, Vibraciones o Fluctuaciones de Tensión 17 1.6.2.2.3 Fase Dañada Debido a un Desequilibrio de Tensión. 18 1.6.2.2.4 Embobinado Dañado por alta Tensión 18

1.7 Estado Del Arte 18

(8)

vii

1.9 Limitaciones 19

1.10 Estructura de Proyecto. 19

CAPÍTULO 2 : METODOLOGÍA DE LA PRUEBA. ₂₀

2.1. Generalidades 20

2.2. Fundamentos de la Prueba de Comparación de Pulsos 21

2.2.1 Prueba de Comparación de la respuesta a Impulsos Rápidos de Tensión 22

2.2.1.1 Desarrollo. 23

2.2.1.2 Pasos a Seguir para la Realización de la Prueba de Pulsos: 24

2.2.2 Prueba a Devanados Monofásicos 26

2.2.3 Prueba a Devanados Trifásicos 27

2.2.4 Prueba a Devanados Especiales. 27

2.2.4.1 Devanado con Núcleo de Aire 27

2.2.4.1 Devanados de un Rotor Devanado. 27

2.2.4.2 Bobinas Conformadas 28

2.2.4.3 Bobina de Campo 29

2.3. Respuesta Transitoria 29

2.3.1 Respuesta libre de un circuito RLC. 29

2.3.1.1 Respuesta Libre (Características generales). 30

2.3.1.2 Respuesta Sobreamortiguada. 32

2.3.1.3 Respuesta Críticamente Amortiguada. 32

2.3.1.4 Respuesta Subamortiguada. 32

2.3.1.5 Respuesta No Amortiguada. (Caso Ideal) 32

2.3.2 Modelado de la Aplicación de un Impulso de Tensión al Circuito Equivalente de un Motor Usando ATP DRAW. 33

2.3.3 Simulación del Comportamiento de Transitorios de Tensión 33

2.3.4 Simulación del Comportamiento de Transitorios de Corriente 35

2.4. Instrumentos Utilizados 37

2.5.1 Motores sin Fallas 37

2.5.1 Motor Prototipo 38

2.5.2 Motor de 1 Hp 38

2.5.3 Generador de Pulsos de Tensión 39

2.5.4 Osciloscopio 40

2.5.5 Bobina de Precisión. 41

2.5.6 Cables Coaxiales 42

2.5.7 Punta Atenuadora de Alta Tensión 42

2.5.8 Micro-Óhmetro 43

CAPÍTULO 3 : DESARROLLO DE PRUEBAS DE PULSOS RÁPIDOS A MOTORES

ELÉCTRICOS. ₄₄

3.1 Generalidades. 44

3.2 Pruebas de Resistencia Óhmica en los Motores Utilizados Bajo Prueba. 45

3.2.1 Motor sin Fallas. 45

3.2.2 Motor Prototipo. 46

3.2.2.1 En Conexión a 220V. 46

3.2.2.2 En Conexión a 440V. 47

(9)

viii

3.2.2.4 Conexión de Aumento de Espiras en la Fase 3 (15-18). 48

3.2.2.5 Conexión Cortocircuitando Tres Espiras en la Fase 2 (19-23). 49

3.2.2.6 Conexión Cortocircuitando Seis Espiras en la Fase 2 (19-26) 49

3.3 Determinación de los Factores de Atenuación de las Sondas de Tensión y Corriente. 50

3.3.1 Factor de Atenuación de la sonda de Corriente. 50

3.3.2 Factor de Atenuación de sonda de Tensión. 51

3.4 Pruebas de Pulsos Rápidos a Motor Prototipo. 51

3.4.1 Pruebas de Pulsos Rápidos a Motor sin Fallas y sin Bobina de Corriente 52

3.4.1.1 Prueba de Pulsos Rápidos al Motor sin Fallas en la Posición 1-2 del Generador de Pulsos. 53

3.4.2 Prueba de Pulsos Rápidos al Motor Sin Fallas, con Bobina de Corriente 55

3.4.2 1 Prueba de Pulsos Rápidos al Motor sin Fallas en la Posición 1-2 del Generador de Pulsos, con Bobina

de Corriente. 56

de Corriente. 58

3.5 Pruebas a Motor Prototipo 59

3.5.1 Prueba de Pulsos Rápidos al Motor Prototipo, con Bobina de Corriente 59

3.5.2 Prueba en Conexión Estrella (Paralelo) a 220V. 60

3.5.2.1 Prueba de Pulsos Rápidos al Motor Prototipo en la Posición 1-2 del Generador de Pulsos, con Bobina

de Corriente. 60

de Corriente. 61

de Corriente. 62

3.5.3 Prueba en Conexión Estrella (Serie) a 440V. 62

de Corriente. 62

de Corriente. 63

de Corriente. 64

3.5.4 Prueba de Pulsos Rápidos Agregando 4 Vueltas en la Fase 1, en las Vueltas 13-16. 64

3.5.4.1 Agregando 4 Vueltas en la Fase 1 con posición 1-2 del Generador de Pulsos. 65

3.5.4.2 Agregando 4 Vueltas en la Fase 1 con Posición 2-3 del Generador de Pulsos. 65

3.5.4.3 Agregando 4 Vueltas en la Fase 1 con posición 3-1 del Generador de Pulsos. 66

3.5.5 Prueba Agregando 4 Vueltas en la Fase 3, en las Vueltas 15-18. 67

3.5.5.1 Aumentando 4 Vueltas en la Fase 3, en las Vueltas 15-18 en posición 1-2 del Generador de Pulsos. 67

3.5.5.2 Aumentando 4 Vueltas en la Fase 3, en las Vueltas 15-18 en posición 2-3 del Generador de Pulsos. 68

Aumentando 4 Vueltas en la Fase 3, en las Vueltas 15-18 en posición 3-1 del Generador de Pulsos. 68

3.5.5.3 68

3.5.6 Cortocircuitando 3 Espiras en la Fase 2, en las Vueltas 19-23. 69

3.5.6.1 Cortocircuitando 3 espiras en la Fase 2 con posición 1-2 del Generador de Pulsos. 69

Cortocircuitando 6 espiras en la Fase 2, en las Vueltas 19-26. 71

3.5.7 71

3.5.1 Carcasa Aterrizada Conexión Fases Iguales 220V Motor Prototipo. 73

(10)

ix

CAPÍTULO 4 : COMPARACIÓN DE RESULTADOS. 79

4.1. Generalidades 79

4.2. Comparación de Oscilogramas de Tensión y Corriente. 80

4.2.1 Comparación de los Oscilogramas de Tensión. 80

4.2.1.1 Motor sin Fallas. 80

4.2.1.2 Motor Prototipo. 81

4.2.1.2.1 Motor Prototipo sin Falla. 81 4.2.1.2.2 Aumentando 4 Espiras en la Fase 1 (13-16). 82 4.2.1.2.3 Aumentando 4 espiras en la Fase 3 (15-18). 83 4.2.1.2.4 Cortocircuitando 3 espiras en la Fase 2 (19-23). 83 4.2.1.2.5 Cortocircuitando 6 espiras en la Fase 2 (19-26). 84 4.2.1.2.6 Prueba Cortocircuitando Espiras desde el principio de la Fase 2 hasta la Espira 26 85

4.2.2 Comparación de Ondas de Corriente. 86

4.2.2.1 Motor sin Fallas Conexión 3 Fases Iguales a 220V 86

4.2.2.2 Motor Prototipo. 87

4.2.2.3 Motor Prototipo sin Falla Conexión a 220V. 87

4.2.2.4 Aumentando 4 Espiras en la Fase 1 (13-16). 88

4.2.2.5 Aumentando 4 espiras en la Fase 3 (15-18). 88

4.2.2.6 Cortocircuitando 3 espiras en la Fase 2 (19-23). 89

4.2.2.7 Cortocircuitando 6 espiras en la Fase 2 (19-26). 89

4.2.2.8 Prueba Cortocircuitando Espiras desde el principio de la Fase 2 hasta la Espira 26 90

CAPÍTULO 5 : CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES. 91

5.1 Conclusiones. 91

5.2 Recomendaciones para Trabajos Futuros. 92

REFERENCIAS 93

I. ANEXO A: PROCESO DE CONVERSIÓN DE DATOS .WFM A ARCHIVOS .DAT 94

II. ANEXO B: ESTUDIO ECONÓMICO 97

III. ANEXO C: MOTOR DE 1HP. 98

(11)

x

LISTA DE FIGURAS

Figura 1.1. Clasificación de motores de C.D. y C.A. en base a la construcción del estator y del rotor [2]... 4

Figura 1.2. Motor y Rotor jaula de ardilla [3]. ... 5

Figura 1.3. Circuito de potencia [5]. ... 8

Figura 1.4 Corte transversal del estator con devanado aleatorio donde se muestran sus elementos constitutivos [6]. ... 10

Figura 1.5. Excentricidad. a) Estática; b) Dinámica [4]. ... 13

Figura 1.6. Embobinado de un motor en buen estado [9]. ... 16

Figura 1.7. Fallas Ocasionadas por Roces, Vibraciones o Fluctuaciones de Tensión. a) Cortocircuito de Fase a Fase en el Embobinado; b) Cortocircuito entre Vueltas en en el Embobinado; c) Embobinado en Cortocircuito; d) Embobinado haciendo Tierra en el Borde de una Ranura; e) Embobinado Haciendo Tierra en una Ranura y f) Corto circuito en una Conexión [8]. ... 17

Figura 1.8. Embobinado Dañado por alta Tensión [9]. ... 18

Figura 2.1. Modelo de dos espiras de una bobina con parámetros distribuidos [12]... 21

Figura 2.2. Espira representada por cinco líneas de transmisión en serie [12]. ... 21

Figura 2.3. Forma de Onda de dos Bobinas en buen Estado [14]. ... 22

Figura 2.4. Prueba de comparación de impulsos con un Defecto en el Aislamiento. La Curva Problemática se Desplaza a la Izquierda y Baja de Nivel Frente a la Buena [16]. ... 23

Figura 2.5. Esquema básico de ensayo con ondas de choque o pulsos rápidos de tensión [12]. ... 24

Figura 2.6. Conexión Estrella [14]... 25

Figura 2.7. Conexión Delta [14] ... 25

Figura 2.8. Patrones para la Comparación de Ondas de Tensión [14]. ... 26

Figura 2.9. Conexión de Armadura. ... 28

Figura 2.11. Circuito RLC [14] ... 30

Figura 2.13. Respuesta de Tensión en dos Bobinas con Impedancia Ideales. ... 34

Figura 2.14. Respuesta de las Tensiones con un Valor de Inductancia de 1x10-8 mH. ... 34

Figura 2.14. Respuesta de las Tensiones con un Valor de Inductancia de 10 mH. ... 35

Figura 2.15. Respuesta de las Tensiones modificando los valores como se muestra en la tabla 2.2. ... 35

Figura 2.16. Comportamiento de las corrientes con valores iníciales. ... 35

Figura 2.17. Comportamiento de la corriente con un Valor de Inductancia de 1x10-8 mH. ... 36

Figura 2.18. Comportamiento de la corriente con un Valor de Inductancia de 10 mH. ... 36

Figura 2.19. Respuesta de las Tensiones modificando los valores como se muestra en la tabla 2.2. ... 36

Figura 2.20. Motor sin fallas ... 37

(12)

xi

Figura 2.22. Motor de 1 hp ... 38

Figura 2.23. Comparador de ondas ... 40

Figura 2.24. Osciloscopio Tektronix ... 41

Figura 2.25. Transformador de corriente de precesión marca Bergoz [16]. ... 41

Figura 2.26. Cable Coaxial [17]... 42

Figura 2.27. Punta Atenuadora de Alta Tensión. ... 43

Figura 2.28. Micro-óhmetro ... 43

Figura 3.1. Circuito de prueba resistencia para motor sin fallas. ... 45

Figura 3.3 Conexión 3 Fases iguales a 220V. ... 46

Figura 3.4. Conexión tres fases iguales a 440V. ... 47

Figura 3.5. Conexión de aumento de espiras en la fase 1 (13 - 16) ... 48

Figura 3.6. Conexión de aumento de espiras en la fase 3 (15 - 18). ... 48

Figura 3.7. Conexión de cortocircuitando entre espiras en la fase 2 (19-23)... 49

Figura 3.8. Conexión de cortocircuitando tres espiras en la fase 2 (19-26) ... 50

Figura 3.9. Conexión del motor sin Fallas y sin bobina de corriente. ... 52

Figura 3.10. Tensión de Fase 1. ... 53

Figura 3.11. Tensión de Fase 2 ... 53

Figura 3.12. Comparación de la Tensión entre Fases 1 y Fase 2 ... 53

Figura 3.14. Comparación de la Tensión de Fases 3 y 1 ... 55

Figura 3.15. Conexión del Motor sin Fallas y con Bobina de Corriente... 56

Figura 3.16. Tensión de Fase 1... 57

Figura 3.17. Tensión de Fase 2 ... 57

Figura 3.18. Corriente de Fase 3 en la conexión de Fases 1 y 2 ... 57

Figura 3.19. Tensiones de Fase 1 y 2, corriente de Fase ... 57

Figura 3.20. Tensiones de Fases 2 y 3 corriente de Fase 3 ... 58

Figura 3.21. Tensiones 3 y 1, corriente de Fase 2 en conexión de Fases 3 y 1 ... 59

Figura 3.22. Conexión del Motor con Fallas al Comprador de Ondas de Pulsos Rápidos y al Osciloscopio con Bobina de Corriente... 60

Figura 3.23. Motor Prototipo. ... 60

Figura 3.24. Oscilograma de las tensiones y corriente entre fases de 1-2 ... 61

Figura 3.25. Corriente entre fases t tensiones de las fases 2 y 3. ... 61

Figura 3.27. Tensión de Fases 1-2 y corriente entre fases ... 63

Figura 3.28. Tensiones 2-3 y corriente entre fases ... 63

Figura 3.29. Tensión de fases 3-1 y corriente entre fases. ... 64

Figura 3.30. Tensión de la fase 1. ... 65

(13)

xii

Figura 3.32. Corriente entre fases 1 y 2. ... 65

Figura 3.33. Tensión de las fases 1 2 y la corriente entre fases. ... 65

Figura 3.34. Tensión de fases 2 y 3 y corriente entre fases... 66

Figura 3.35. Tensión entre fase 3 y 1 y corriente entre fases... 66

Figura 3.36. Tensión entre fase 1 y 2 y corriente entre fases... 67

Figura 3.37. Tensión de fases 2 y 3 y Corriente entre fases. ... 68

Figura 3.38. Tensión de fases 3-1 y Corriente entre fase. ... 69

Figura 3.39. Tensión de fases 1 y 2 y corriente entre fase ... 70

Figura 3.42. Tensión de las fases 1 y 2 y corriente entre fases ... 72

Figura 3.43. Tensión de las fases 2 y 3 y Corriente entre fases. ... 72

Figura 3.44. Tensión de las fases 3 y 1 corriente entre fases. ... 73

Figura 3.50. Tensión de las fases 2 y 3 corriente entre fases... 77

Figura 3.51. Tensión de las fases 3 y 1 corriente entre fases... 78

Figura 4.1. Tensión de las fases 1 y 2... 80

Figura 4.4. Tensión en las fases 1 y 2... 81

(14)

xiii

Figura 4.21. Tensión en las fases 3 y 1. ... 86

Figura 4.22. Grafica de oscilogramas de corriente de las 3 fases del motor sin fallas (3 fases iguales). ... 87

Figura 4.23. Grafica de Oscilogramas de Corriente de las 3 Fases del Motor con Fallas (3 Fases Iguales). ... 87

Figura 4.24. Grafica de Oscilogramas Aumentando 4 Espiras en la Fase 1 (13-16) a 220V ... 88

Figura 4.25. Grafica de Oscilogramas Aumentando 4 Espiras en la Fase 2 (15-18). ... 88

Figura 4.26. Grafica de Oscilogramas Cortocircuitando 3 espiras en la Fase 1 (19-23). ... 89

Figura 4.27. Grafica de Oscilogramas Cortocircuitando 3 espiras en la Fase 2 (19-26). ... 89

Figura 4.28. ... 90

Figura IV.1 Generador de Pulsos Rápidos ... 101

Figura IV.2 Oscilogramas de Tensión. ... 102

Figura IV.3 Motor Sie e s de 3 Hp’s ... 102

Figura IV.4 Oscilogramas Obtenidos en la Prueba ... 102

Figura IV. Os ilogra as O te idos e la Prue a al Motor de Hp’s. ... 103

(15)

xiv

LISTA DE TABLAS

Tabla 1.1 Fallas en motores de inducción [1]. ... 3

Tabla 1.3 Identificación de los diferentes sistemas de aislamiento [6]. ... 10

Tabla 1.4 Clasificación de cada armónica para un sistema [4]. ... 14

Tabla 2.1 Potencial en la punta de prueba en función de la posición de interruptor de selección [12]. ... 26

Tabla 2.3 Placa de datos del motor marca: FORLEC LUMISISTEMAS. ... 37

Tabla 2.4 Placa de Datos del Motor de 1Hp. ... 38

Tabla 2.8 Cable Coaxial... 42

Tabla 3.2 Resistencia medida en conexión 220V ... 47

Tabla 3.5 Resistencia medida aumentando 4 espiras en la fase 3 (15-18) ... 49

Tabla 3.8 Valores Máximos y Mínimos de los Canales Utilizados en el Osciloscopio. ... 51

Tabla II.1 Costos unitarios de la prueba de pulsos rápidos de tensión. ... 97

Tabla III.1 Resistencia medida en el motor de 1Hp. ... 98

Tabla IV.1 Tabla de datos del Motor Siemens. ... 101

Tabla IV.2 Tabla de datos del Motor Siemens. ... 102

(16)

xv

GLOSARIO DE TERMINOS

Bobina: Es un componente pasivo de un circuito eléctrico que, debido al fenómeno de la autoinducción, almacena energía en forma de campo magnético.

C.A. y C.D.: corriente alterna y corriente directa.

Capacitor: Es un dispositivo capaz de almacenar energía en forma de campo eléctrico. Está formado por dos electrodos metálicos separados por un material dieléctrico.

Circuito Abierto: Es un circuito en el cual no circula la corriente eléctrica por estar éste interrumpido o no comunicado por medio de un conductor eléctrico. El circuito al no estar cerrado no puede tener un flujo de energía que permita a una carga o receptor de energía aprovechar el paso de la corriente eléctrica y poder cumplir un determinado trabajo. El circuito abierto puede ser representado por una resistencia o impedancia infinitamente grande.

Corriente: Es el flujo de carga por unidad de tiempo que recorre un material. Se debe a un movimiento de los electrones en el interior del material

Cortocircuito: Es la falla en un aparato o línea eléctrica por el cual la corriente eléctrica pasa directamente del conductor activo o fase al neutro o tierra en sistemas monofásicos de corriente alterna, entre dos fases o igual al caso anterior para sistemas polifásicos, o entre polos opuestos en el caso de corriente continua.

Desfasamiento O Defasamiento: Es la diferencia o desplazamiento en tiempo entre dos señales de tensión o corriente. Habitualmente, esta diferencia de fases, se mide en un mismo instante para las dos ondas, pero no siempre en un mismo lugar del espacio.

Devanado: Es el conjunto de espiras destinado a producir el flujo magnético, al ser recorrido por la corriente eléctrica.

Embobinado: Arrollar o devanar hilos, alambre, etc., en forma de bobina, generalmente sobre un núcleo.

Espira: Cada una de las vueltas que da el hilo conductor en una bobina.

Falla a Tierra: Una falla a tierra se produce por la pérdida de aislamiento de un conductor eléctrico y el consecuente contacto de éste con la carcasa de algún equipo de energía eléctrica, ser humano o contacto directo con el suelo o alguna estructura de construcción civil. Estas fallas son potencialmente peligrosas para las personas (electrocución) y también para los equipos eléctricos ya que el 98% de las fallas eléctricas originalmente son fallas a tierra.

Hp: Es una unidad de potencia utilizada en el Sistema Anglosajón de Unidades. Se denota hp o HP o Hp, del término inglés «Horse Power».

(17)

xvi

Oscilograma: Es un tipo de representación gráfica donde se representa el tiempo en el eje horizontal y la amplitud en el eje vertical.

Impulso: Es la variación, generalmente breve (unos pocos microsegundos) en intensidad o tensión de una corriente pulsante. Idealmente debería tener una forma de onda cuadrada. La producida por los circuitos electrónicos tiene un flanco de subida y otro de bajada.

Resistencia: Simbolizada habitualmente como R, a la dificultad u oposición que presenta un cuerpo al paso de una corriente eléctrica para circular a través de ella

(18)

1

CAPÍTULO 1

:

INTRODUCCIÓN

1.1 Generalidades.

(19)

2

1.2 Objetivos.

1.2.1 Objetivo General

Realizar, medir e identificar el tipo de falla eléctrica en devanados del estator de motores de inducción trifásicos tipo jaula de ardilla, utilizando la técnica de comparación de impulsos rápidos de tensión.

1.2.2 Objetivos Particulares

 Identificar el tipo de respuesta de un impulso de tensión rápido en devanados de un motor con fallas preestablecidas.

 Verificar la utilidad de incluir la medición de corriente rápida durante la prueba de comparación de impulsos rápidos de tensión.

1.3 Justificación

En la actualidad la máquina de inducción es una de las tecnologías dominantes en motores eléctricos, representando más del 90 por ciento de capacidad de motores instalados en la industria. Estos motores se encuentran disponibles como motores monofásicos y polifásicos y capacidades que van de fracciones de Watt hasta decenas de miles de Watts. En especial el tipo jaula de ardilla, es la máquina eléctrica más utilizada a nivel industrial debido a las características y ventajas que ofrece ante los demás motores. Algunas de estas ventajas son:

 Bajo costo.

 Alta confiabilidad.  Robustez.

 Capacidad de trabajar en ambientes sucios y explosivos.  Fácil mantenimiento.

 Versatilidad.

(20)

3

Es por ello que se requiere certidumbre en el diagnóstico de fallas eléctricas en dichos motores, fundamentalmente en el estator; con lo cual se puede verificar si existe corto circuito entre espiras, entre fases o de fase a tierra, la cual será de gran utilidad en los programas de mantenimiento preventivo y correctivo de las empresas que tienen esta tipo de equipos. La Tabla 1.1 muestra los resultados de encuestas realizadas en la industria sobre la ocurrencia de fallas en motores de inducción. Como se puede ver, problemas en los devanados representan la segunda causa de fallas en este tipo de máquinas, por lo que cualquier mejora en la confiabilidad de motores de inducción a través del uso de técnicas como la de comparación de impulsos de tensión, sin duda resulta de bastante interés.

Tabla 1.1 Fallas en motores de inducción [1].

Componentes Principales

Frecuencia de Fallas (%)

Rodamientos 41

Fallas en devanados 36 Barras del rotor 9

otros 14

1.4 Motor Eléctrico

Los motores eléctricos suministran potencia motriz a una amplia variedad de maquinaria doméstica e industrial. Ninguna otra forma de tracción puede igualar su adaptabilidad, confiabilidad y economía. La aplicación con éxito de los motores depende de la selección de tipo de motor que satisfaga las necesidades cinéticas de arranque, funcionamiento y detección de la maquinaria accionada, así como del mantenimiento que se realice [2].

(21)

4 Esto se muestra en la Figura 1.1 siguiente.

Figura 1.1. Clasificación de motores de C.D. y C.A. en base a la construcción del estator y del rotor[2].

1.4.1 Motores de Inducción

Los motores de inducción también llamados asíncronos son máquinas eléctricas de corriente alterna, en la cual la velocidad de rotación del rotor es menor que la del campo magnético del estator y ésta depende de la carga. El motor de inducción tiene la propiedad de ser reversible, además puede funcionar como motor y como generador de energía eléctrica.

Los motores de corriente alterna están construidos por dos devanados un primario y un secundario. El motor de inducción trifásico tiene dos partes principales: estator y rotor.

El estator es la parte fija de la máquina en cuyo interior hay ranuras donde se coloca el devanado trifásico que se alimenta con tensión alterna trifásica. La parte giratoria de la máquina se llama rotor y en sus ranuras también se coloca un devanado o un tipo de jaula de ardilla. El estator y el rotor tienen un núcleo que se conforma de láminas delgadas de hierro magnético para reducir las pérdidas por corrientes de remolino.

La corriente del devanado primario (estator) crea un campo magnético giratorio, el cual induce una corriente en el devanado secundario (rotor). La corriente del rotor junto con el campo magnético inducido provoca una fuerza, que es la que provoca la rotación del rotor del motor.

Los motores industriales de gran capacidad que necesitan una mayor cantidad de energía eléctrica para el arranque en la actualidad tienen control de velocidad para regular la toma de corriente de la línea y así no generar caídas de tensión.

MOTORES ELÉCTRICOS

MOTORES DE C.D. DE IMÁN PERMANENTE, DEVANADOS EN SERIE,

CON EXITACIÓN DE DERIVACIÓN, CON

DEVANADO COMPOUND.

MOTORES DE C.A. MONOFÁSICOS

DE INDUCCIÓN DE JAULA DE

ARDILLA

DE FASE DIVIDIDA, DE ARRANQUE CON CAPACITOR, DE IMÁN PERMANETE, DE FASE DIVIDIDA Y CAPACITOR, DE

POLO SOMBREADO, DE CAPACITOR DE DOS

VALORES. DE ROTOR DEVANADO DE REPULSIÓN, DE ARRANQUE POR REPULSIÓN, DE REPULSIÓN-INDUCCIÓN. SÍNCRONOS DE POLO SOMBREADO, DE HISTÉRISIS, DE RELUCTANCIA, DE IMÁN PERMANETE. POLIFÁSICOS DE INDUCCIÓN DE ROTOR DEVANADO, DE JAULA DE ARDILLA.

SÍNCRONOS MOTORES

(22)

5

Como se muestra en la Figura 1.1, los motores de C.A. de inducción polifásicos se clasifican en de rotor devanado y jaula de ardilla, este último es el motor que en esencia se empleó para desarrollar el presente trabajo[3].

1.4.2 Motores de Jaula de Ardilla

El rotor jaula de ardilla está formado por varillas conductoras alojadas en ranuras que existen en el hierro del propio rotor y cortocircuitadas en ambos extremos mediante dos anillos planos conductores dispuestos en cada lado del rotor, según se puede apreciar en la Figura 1.2 [4].

Figura 1.2. Motor y Rotor jaula de ardilla [3].

La Asociación Nacional de Fabricantes Eléctricos (NEMA, por sus siglas en inglés) clasifica a los motores jaula de ardilla respecto a las curvas de par-velocidad y de corriente-velocidad como: diseño A, B, C, D, y F (Las propiedades de la construcción eléctrica y mecánica del rotor, en las cinco clases NEMA de motores de inducción de jaula de ardilla, se resumen en la Tabla 1.1); y por las designaciones del código desde A hasta V, respecto a los kVA/HP con rotor bloqueado.

Tabla 1.2 Características de los motores comerciales de inducción de jaula de ardilla de acuerdo con la clasificación en letras NEMA [2].

Clase de NEMA

Par de arranque (#de veces el

nominal)

Corriente de arranque

Regulación de

velocidad (%) Nombre de clase del motor

A B C D F

1.5 – 1.75 1.4 – 1.6

2 _– 2.5 2.5 – 3.0

1.25

5 -7 4.5 - 5 3.5 _– 5 3 - 8 2 - 4

2 – 4 3.5 4 _– 5 5 - 8, 8 – 13 Mayor de 5

Normal De propósito general De doble jaula, alto par De alto par, alta resistencia De doble jaula, bajo par y baja

corriente de arranque

(23)

6

Para todos los motores de inducción los aumentos permisibles en la temperatura y los sistemas de aislamiento se designan por las clases A, B, F y H; en cuanto a las dimensiones mecánicas estas se designan por los tamaños de armazones, y en carcasas desde a prueba de goteo hasta por completo encerradas con diversos tipos de ventilación.

Tanto los motores jaula de ardilla como los de rotor devanado pueden ser del tipo de una sola velocidad o de velocidades múltiples. Con base en la eficiencia, los motores polifásicos de inducción se clasifican en estándar y de rendimiento energético [2].

1.5 Variadores de Velocidad

Con la demanda generalizada de equipos electrónicos para controlar la velocidad de los motores de inducción con rotor jaula de ardilla por variación de frecuencia, surgen interrogantes con respecto a los problemas e impactos que pueden generar en el funcionamiento del motor y su sistema de aislamiento al ser utilizado bajo estas aplicaciones. En el caso de motores de baja tensión se ha determinado que cuando los variadores de velocidad son del tipo fuente de tensión con modulación de ancho de pulsos (PWM), una de las partes del sistema de aislamiento más afectadas, es el aislamiento entre vueltas. Los frentes escarpados de los pulsos rápidos de tensión que forman la tensión PWM incrementan considerablemente las pérdidas dieléctricas en los aislamientos, las pérdidas magnéticas, y las pérdidas eléctricas en los conductores. El calentamiento excesivo en el motor acelera el envejecimiento de los materiales, lo cual junto con la distribución no lineal de tensión en las fases de los devanados, llega en muchos casos a provocar fallas del aislamiento entre espiras.

1.5.1 Principios Fundamentales.

La fórmula para obtener la velocidad sincrónica de rotación en un motor de inducción es:

RPM = 120*F/P (Ec. 1.1) Dónde:

RPM = Velocidad sincrónica F = Frecuencia de la red (Hz) P = Número de polos

Debido a lo anterior cualquier cambio que se haga en la frecuencia de alimentación del motor causará una variación en la velocidad que puede afectar el rendimiento del motor.

El número de polos de un motor estándar es fijo y depende del diseño y construcción del fabricante. Con el número de polos fijo, los variadores de velocidad controlan la frecuencia y así la velocidad del motor es proporcional a la frecuencia aplicada.

(24)

7

La manipulación de la frecuencia permite el decremento y aumento de la velocidad del motor, lo anterior implica que se debe tener en cuenta consideraciones importantes cuando se usen aplicaciones motor/variador de frecuencia, entre los más importantes tenemos:

 Daño del devanado o fallas prematuras debido a los transitorios de tensión repetitivos y por maniobra de interruptores a frecuencias elevadas, por arriba de 10 kHz.

 Torque de arranque insuficiente por niveles reducidos Volts/Hertz o por deficiencias en la capacidad instantánea de corriente del variador.

 Temperaturas excesivas para el aislamiento nominal a cualquier velocidad de operación o carga determinada por la aplicación. Refrigeración insuficiente, torque excesivo, eficiencia reducida en el motor, requerimientos de potencia elevados o sobrecargas intermitentes en el motor son causas de excesivas temperaturas.

 Daño en rodamientos por paso de la corriente ocasionado por tensiones inducidas en el rotor debido a altas frecuencias de conmutación.

 Corrientes del motor excediendo los datos de placa, debido a excesivos armónicos de voltaje, niveles impropios Volts/Hertz o sobrecarga.

 Niveles de ruido del motor excediendo los límites aceptables debido al incremento del ruido en el ventilador, excitación de los puntos mecánicos resonantes o ruido magnético debido a las formas de onda del variador.

1.6 Fallas en el Motor de Inducción.

La mayoría de las fallas en los motores interrumpen un proceso, reducen la producción, inclusive pueden causar daños a otras máquinas, es por ello que se han desarrollado dos tipos de mantenimiento para garantizar el buen funcionamiento de dichos equipos, los cuales se mencionan a continuación.

 El mantenimiento preventivo sistemático que consiste en revisiones periódicas a los equipos, aunque no existan imperfecciones, tratando de evitar posibles fallas, antes de que estas causen daños de mayor magnitud. Con este tipo de técnica se suelen cambiar piezas que no presentan defectos [5].

 El mantenimiento correctivo consiste en la intervención en las máquinas o equipos de trabajo cuando éstas fallan, el daño de una pieza puede contribuir a la destrucción masiva de la máquina y por ende al paro de la producción [5].

1.6.1 Fallas en Motores de Inducción

(25)

8

1.6.1.1 Circuito de Potencia

El circuito de potencia está formado por todos los conductores con sus bornes, interruptores, protecciones térmicas, fusibles, contactores y cuchillas. En la Figura 1.3 se observa un circuito de potencia.

Figura 1.3. Circuito de potencia [5].

Se ha observado que los falsos contactos son la fuente de alrededor del 46% de las fallas en motores, por lo que aunque muchas veces el motor esté en buen estado, es instalado en un circuito de potencia defectuoso, lo cual ocasionará que éste falle.

Los problemas de conexiones de alta resistencia son variados, entre ellos se encuentran los siguientes [5]:

 Generación de armónicas.  Desbalances de voltaje.  Desbalances de corriente.

Típicamente las conexiones de alta resistencia son causadas por:

 Terminales corroídas.  Cables sueltos.  Barras sueltas.

 Prensa fusibles corroídos.  Hilos abiertos.

 Conexiones entre aluminio–cobre.  Diferentes tamaños de conductores.

Uno de los métodos que se emplean para detectar defectos en el circuito de potencia en un motor trifásico es la medición de resistencia entre fases, es una prueba estática con motor detenido. En un motor en buen estado las tres lecturas entre las fases deben ser casi idénticas, su desbalance resistivo debe ser menor a un 5%. En un motor energizado el circuito es evaluado completamente al detectarse desbalances de tensión en cualquiera de las fases.

(26)

9

1.6.1.2 Aislamiento

La condición de aislamiento se refiere a la resistencia que existe entre éste y tierra (RTG, por sus siglas en ingles). La RTG indica que tan limpio, seco o sano está un aislamiento.

Para que se dé una falla a tierra, deben de ocurrir dos cosas. Primero debe crearse un camino de conducción a través del aislamiento. Conforme el aislamiento envejece se fisura y posibilita que se acumule material conductivo. Segundo, la superficie exterior del aislamiento se contamina de material conductivo y conduce suficiente corriente a la carcasa o núcleo del motor que está conectado a tierra [5].

Actualmente los sistemas de aislamiento han mejorado notablemente y son capaces de soportar mayores temperaturas sin sacrificar su vida esperada.

La máxima temperatura de operación de un motor depende principalmente de los materiales usados en su construcción, existen varias clases, pero las más usadas son:

 Aislamiento clase B, temperatura máxima 130°C.  Aislamiento clase F, Temperatura máxima 155°C.  Aislamiento clase H, temperatura máxima 180°C.

Estas temperaturas máximas, son a las cuales el aislamiento podría fallar.

Con ayuda de la termografía es posible detectar fallas en el aislamiento de un motor. Generalmente al medir la temperatura de la carcasa del motor, asumimos que el aislamiento está a 20°C más alto que ésta. El aislamiento pierde muy rápido sus propiedades al aumentar la temperatura.

Las fallas en el aislamiento pueden ser ocasionadas por:

 Problemas en el circuito de potencia: Una conexión de alta resistencia, produce una tensión de línea desbalanceada.

 Problemas de armónicas: introducen corrientes de secuencia negativa sobrecalentando el devanado.

 El ambiente de operación: Contaminación en el motor.

Otro tipo de parámetro utilizado para evaluar la contaminación interna del aislamiento es la capacitancia a tierra (CTG, por sus siglas en inglés)..

1.6.1.2.1 Sistema de Aislamiento en Máquinas Eléctricas de Baja Tensión

(27)

10

Además, cada ranura contiene material aislante, que proporciona aislamiento eléctrico adicional a los devanados del estator, Figura 1.4 [6].

El término aleatorio se refiere a que cada vuelta de conductor puede, en principio, estar ubicado aleatoriamente contra cualquier otra vuelta de conductor de la bobina, independientemente del nivel de tensión que tenga cada vuelta [6].

Tabla 1.3 Identificación de los diferentes sistemas de aislamiento [6].

a. Aislamiento entre fases dentro y fuera del estator. b. Aislamiento a tierra.

c. Aislamiento entre vueltas.

1. Aislamiento entre fases 2. Aislamiento de fase a tierra 3. Aislamiento entre vueltas

Figura 1.4Corte transversal del estator con devanado aleatorio donde se muestran sus elementos constitutivos [6].

El sistema de aislamiento provisto para máquinas de baja tensión está compuesto por:

 Aislamiento entre hilos conductores.  Aislamiento entre espiras.

 Aislamiento a tierra.

La función principal del aislamiento entre espiras es la de prevenir cortocircuitos entre espiras de una bobina, esto se debe principalmente a que si ocurriera esta falla la corriente tendería a incrementarse en la vuelta funcionando como el arrollamiento secundario de un autotransformador [6].

A menudo el aislamiento entre espiras tiene que soportar una tensión superior a su tensión nominal fase a fase, esto es debido a la distribución de las espiras en las ranuras y donde dos espiras de diferente fase pueden ser alojadas en la misma ranura [6].

El aislamiento a tierra, tiene la función de mantener a los conductores de la bobina y el estator separados de los elementos que se conectan a la tierra física [6].

1.6.1.2.2 Tipos de Fallas en los Aislamientos

(28)

11

El término dieléctrico es sinónimo de aislamiento eléctrico, cuando es utilizado para evitar corrientes de conducción entre cuerpos que se encuentran a diferente potencial. Un dieléctrico perfecto solamente permite el paso de la corriente de carga capacitiva entre conductores [7].

1.6.1.2.3 Interrupción del aislamiento

La interrupción del aislamiento, también llamada “fallas”, “cortocircuitos” o “cortos”, incluye la contaminación, humedad, rastreo del arco, envejecimiento térmico y fallas mecánicas. Cada tipo de falla lleva un factor común: Las características resistivas y capacitivas del aislamiento eléctrico cambian [7].

La contaminación, especialmente la del agua, aumenta la conductividad del aislamiento ya que ésta tiende a acumularse en fracturas e incluso dentro del sistema de aislamiento. Los campos eléctricos causan cambios a los contaminantes, incluyendo expansión, que ocasionarán que falle el sistema de aislamiento.

Los contaminantes como gases, vapores, polvo entre otros, pueden modificar la composición química del sistema de aislamiento, modificando en muchos casos su capacidad aislante.

Una vez que el sistema de aislamiento ha fallado, entonces se considera en cortocircuito. Esto ocurrirá principalmente entre los conductores, donde el sistema de aislamiento está instalado.

El rastreo de arco en los sistemas de aislamiento ocurren donde corriente eléctrica alta pasa entre los conductores a través de la superficie del sistema del aislamiento. El aislamiento en esos puntos carboniza, cambiando los componentes capacitivos y resistivos del sistema eléctrico de aislamiento. El rastreo del arco es a menudo el resultado de: sobretensiones, contaminación; o, ambos. Este tipo de avería ocurre sobre todo entre los conductores o las bobinas y termina normalmente con un cortocircuito [7].

El envejecimiento térmico de un sistema de aislamiento ocurre mientras que los sistemas de aislamiento eléctricos se degradan como resultado de la ecuación química de Arrhenius [8], que dice que “la vida térmica de los sistemas de aislamiento decaen a la mitad por cada aumento de 10° C en la temperatura de funcionamiento”. El aislamiento se degradará y carbonizará rápidamente una vez que obtenga el límite de la temperatura para el sistema del aislamiento.

Los factores ambientales también afectan la vida térmica del sistema de aislamiento como: Contaminación de la bobina, incluyendo aceite, grasa, polvo, etc.; la humedad, con agua contaminada particularmente con sales, etc.; la electrólisis; y otras tensiones eléctricas.

(29)

12

Las fallas mecánicas incluyen: averías del balero que ocasionan que éste se aparte y pase a través de los componentes móviles del sistema. Estas fallas pueden terminar como cortocircuitos entre los conductores, bobinas o bobinas a tierra.

1.6.1.3 Estator

En el estator es importante el diagnosticar: los devanados, el aislamiento entre vueltas, uniones de soldado entre las espiras y el núcleo del estator o laminaciones.

La falla que se presenta con mayor frecuencia es un cortocircuito entre vueltas, esto reduce la posibilidad de producir un campo magnético balanceado. Lo que trae como consecuencia un aumento en la vibración del motor y por ende la degradación del aislamiento y daños a los rodamientos del motor. Este tipo de cortocircuitos aumenta la temperatura y éste se expande a un corto entre espira mayor y eventualmente destruye todo el motor. La falla más grave es la que se produce entre fases, un corto de este tipo acelera rápidamente la destrucción del motor. Estas fallas pueden ocurrir varias veces en un motor y no resultan en una falla a tierra. Sí el núcleo del motor se llegase a dañar el reemplazo del motor sería total.

El diagnóstico de esta zona de falla puede ser efectuada directamente en las terminales del motor o desde el centro de control de motores (CCM).

La prueba estática involucra mediciones de inductancia entre fases, para esto se envían señales de CA a alta frecuencia, o pulsos rápidos y se mide un desbalance inductivo. Un desbalance presente implica que las fases producen campos magnéticos desbalanceados y que muy probablemente tiene cortos entre vueltas o espiras. También como parte de la prueba se toman valores de resistencia, si excede un valor predeterminado indica que pueden existir conexiones de alta resistencia en el circuito hacia el motor o en las uniones de soldado [5].

1.6.1.4 Rotor

En el rotor se deben revisar, las barras, laminaciones y los anillos de corto circuito. Una barra rota genera un calor intenso en la zona de ruptura y puede destruir el aislamiento cercano a las laminaciones y en el devanado del estator puede fallar en su aislamiento.

Para detectar un problema en el rotor se emplea la prueba de “verificación de la influencia del rotor”

(RIC, por sus siglas en ingles), esta prueba es estática y relaciona el magnetismo entre el rotor y el estator [5].

(30)

13

1.6.1.5 Excentricidad.

Para este caso el rotor de un motor debe estar centrado, existe un entrehierro entre los devanados

denominado “Air Gap” y si éste no está distribuido uniformemente en los 360° del motor se producen campos magnéticos desiguales. El efecto adverso que provocan estos campos magnéticos desiguales a la larga resultará en una falla en el aislamiento y falla en los rodamientos.

A este problema se le conoce como excentricidad, existen básicamente dos tipos, la estática (que se ilustra en la Figura 1.5 a)) en la cual el rotor está descentrado pero fijo en un lugar, generalmente este tipo de problemas es causado cuando los alojamientos están desalineados por un inadecuado alineamiento o por que la carcasa del motor fue torcida cuando se instaló en su base. El otro tipo de excentricidad es la dinámica, mostrada en la Figura 1.5 b) y como resultado el rotor se balancea dentro del estator, por lo tanto la inductancia varía. La excentricidad dinámica es producida por una deflexión en el eje.

a) _b)

Figura 1.5. Excentricidad. a) Estática; b) Dinámica [4].

1.6.1.6 Calidad de Energía.

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

Entre los factores involucrados en la calidad de energía se encuentran, la distorsión armónica tanto de tensión como de corriente, picos de tensión, desbalances de tensión y factor de potencia. En relación a las fallas por tal característica en motores eléctricos los principales factores son [7].

 Desbalance de tensión  Generación de armónicas

1.6.1.6.1 Desbalance de tensión

(31)

14

Se producen dos efectos importantes, aumenta la temperatura en el devanado y aumenta su 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, desgaste en los rodamientos y aflojamiento de las bobinas [5]. De acuerdo a NEMA ningún motor debe ser operado con desbalances de tensión mayores a un 5%.

1.6.1.6.2 Generación de Armónicas

Con la popularidad de los controladores de velocidad variable (drives) de CA y CD para motores se crean distorsiones importantes en la forma de onda de tensión, generando un contenido alto de armónicas

El parámetro más conocido es la distorsión armónica total (THD, por sus siglas en inglés) en términos simples es el valor RMS de la señal con la frecuencia fundamental removida. O sea, una onda senoidal perfecta de 60Hz tendría un THD de 0%. Cualquier otra onda presente junto con la fundamental se le considera distorsión armónica. Las armónicas son señales que distorsionan a la onda fundamental, tienen una forma senoidal y están presentes en múltiplos de la fundamental lo cual se puede observar en la Tabla 1.4. Las armónicas existen en todos los sistemas trifásicos y son generadas por cargas no-lineales como:

Convertidores de potencia electrónicos: rectificadores y variadores de frecuencia (VFD).

Existen tres tipos de armónicas:

 Secuencia positiva: Crea un campo magnético en la dirección de rotación, por lo tanto ayuda al torque del motor.

 Secuencia negativa: Se opone a la rotación del motor e incrementa la demanda de corriente a una carga determinada.

 Secuencia cero: No produce ningún trabajo, pero causa calentamiento en el transformador.

Tabla 1.4 Clasificación de cada armónica para un sistema [4].

Armónicas Hz Secuencia Armónicas Hz Secuencia

(32)

15

El fenómeno de las armónicas que más afecta a los motores eléctricos es el calor excesivo que se produce por las demandas de corriente anormales. Un motor diseñado para consumir a plena carga 150 A podría consumir 180 A. Sí el THD es alto. Este aumento de corriente perfectamente podría no ser tolerado por el motor y provoca daños severos al aislamiento y posible falla del mismo.

1.6.2 Falla en las Bobinas

La principal falla en la bobina del motor eléctrico es un cortocircuito, éstos pueden ocurrir entre los alambres en una sola bobina, entre espiras (vuelta a vuelta), o entre las bobinas en diversas fases (fase A a fase B). La falla se puede causar por un solo problema o una combinación de problemas. Éstos incluyen:

Problemas Térmicos:

 Antigüedad  Sobrecarga  Ciclo de trabajo

Mecánicos:

 Movimiento  Rotores  Partes

Eléctrico:

 Esfuerzo Dieléctrico  Efecto Corona

 Oscilaciones de tensión y corriente transitorias

Ambiente:

 Humedad

 Contaminación  Objetos extraños

1.6.2.1 Etapas en la Falla de una Bobina

Hay tres etapas que pueden identificarse en la falla de una bobina que comienzan como una interrupción del aislamiento entre los conductores [6].

(33)

16

Etapa 2: El punto de la falla llega a ser más resistente. Una inductancia mutua ocurre entre la porción "buena" de la bobina (y de otros componentes que llevan la corriente del sistema) y de las vueltas que ponen en cortocircuito. Las pérdidas de I2_{R aumentan en el punto de falla debido al aumento en la} corriente dentro de las vueltas que ponen en cortocircuito, aumentando la temperatura en ese punto y haciendo al sistema de aislamiento carbonizarse rápidamente.

Etapa 3: El aislamiento se interrumpe y la energía dentro del punto del cortocircuito puede causar una ruptura explosiva en el sistema de aislamiento y la vaporización de las bobinas. La inductancia y a veces la resistencia, pueden detectar la avería a este punto [6].

El índice real de la falla depende de un número de factores incluyendo:

 Severidad de la falla

 Potencial entre los conductores  Tipo y cantidad de aislante  Causa de la falla

La contaminación de la bobina, la interrupción termal, la incursión de la humedad, la corona, transitorios, sobrecargas y la flexión mecánica pueden iniciar la falla en la bobina:

 Entre espiras de una misma bobina  Entre bobinas de una misma fase  Entre bobinas de diferentes fases  Entre una bobina o una fase y tierra

1.6.2.2 Tipos de Fallas en los Devanados s de un Motor Trifásico

La utilidad de los devanados en un motor trifásico se puede reducir drásticamente cuando se expone a condiciones operativas no favorables tanto eléctricas, mecánicas y de medio ambiente; en la Figura 1.6 se puede observar el embobinado de un motor en buen estado [9].

(34)

17

1.6.2.2.1 Embobinado en Fase Abierta

Una falla de fase abierta en el embobinado es el resultado de la apertura en una fase desde el alimentador al motor. La apertura es generalmente causada por un fusible fundido, un contacto abierto, o malas conexiones.

1.6.2.2.2 Fallas Ocasionadas por Roces, Vibraciones o Fluctuaciones de Tensión

En las siguientes fotos se muestran fallas que típicamente son causadas por roces constantes, vibraciones o fluctuaciones de tensión. Dichas fallas son representadas en la Figura 1.7.

a) b)

c) d)

e) f)

Figura 1.7. Fallas Ocasionadas por Roces, Vibraciones o Fluctuaciones de Tensión. a) Cortocircuito de Fase a Fase en el Embobinado; b) Cortocircuito entre Vueltas en en el Embobinado; c) Embobinado en Cortocircuito; d) Embobinado haciendo Tierra en el Borde de una Ranura; e) Embobinado Haciendo Tierra en una Ranura y f) Corto circuito en una

(35)

18

1.6.2.2.3 Fase Dañada Debido a un Desequilibrio de Tensión.

El deterioro térmico del aislante en una fase del embobinado del motor puede ser resultado de desbalances de tensión entre las fases. Las tensiones desiguales por lo general son causadas por cargas no balanceadas en la fuente de alimentación, una mala conexión en las terminales del motor o por un contacto de alta resistencia como por ejemplo un resorte flojo. El desbalance del 1% en la tensión puede resultar en una diferencia de un 6% a 10% en la corriente [9].

1.6.2.2.4 Embobinado Dañado por alta Tensión

En la Figura 1.8 se muestran las fallas en los aislantes, éstas usualmente son causadas por fluctuaciones de tensión. Las fluctuaciones de tensión son algunas veces el resultado de las comunicaciones de circuitos de alimentación, la caída de rayos, descargas de capacitores o de equipos de electrónica de potencia (PWM) [9].

Figura 1.8. Embobinado Dañado por alta Tensión [9].

1.7 Estado Del Arte

Un trabajo anterior a éste fue realizado por: M. en C. Tomas Ignacio Asiain Olivares, M. en C. José O. Patlán F., Dr. Daniel Olguín Salinas, titulado: “Determinación de patrones de fallas en

devanados de motores de inducción por comparación de ondas”, 5º Congreso Nacional y 4º Simposiun Internacional de Maquinas eléctricas Rotatorias, Amime-CFE, Veracruz-México, octubre 1995, México [9].

También existe un trabajo en el cual fue utilizada la bobina de precisión pero en bobinas de mayor impedancia, realizado por: Jacqueline Alvarado Aguilar, Manuel Isaac Márquez Fragoso, Iván Rodríguez días; titulado “Pruebas eléctricas para el diagnóstico del sistema de aislamiento entre

(36)

19

1.8 Alcances

Se contó con un motor de prueba diseñado para generar algunos tipos de fallas, y así comparar con mayor facilidad las formas de onda obtenidas en dicho motor con los patrones proporcionados por el fabricante del generador de pulsos [12].

Se tuvo acceso a una bobina de precisión, que proporciona, con ayuda del osciloscopio, la forma de onda de la corriente que circula por los devanados de los motores que fueron sometidos a esta prueba. Con el uso de esta bobina se busca obtener más sensibilidad para la detección de fallas incipientes.

1.9 Limitaciones

Para la realización de este proyecto no se contó con gran cantidad de motores de baja tensión para someterlos a la prueba de pulsos rápidos de tensión y poder verificar el estado de los devanados y de sus aislamientos, ya que el motor de prueba solo presenta algunas fallas y la información obtenida de los oscilogramas de tensión para este caso no fue suficiente para la comparación con respecto a los patrones de fallas ya establecidos.

Al no contar con motores de gran potencia no se pudo comprobar si la respuesta de la bobina era igual a la mostrada en motores de baja tensión.

1.10 Estructura de Proyecto.

(37)

20

CAPÍTULO 2

:

METODOLOGÍA DE LA

PRUEBA.

2.1. Generalidades

(38)

21

2.2. Fundamentos de la Prueba de Comparación de Pulsos

Las espiras de una bobina excitadas por una onda de impulso pueden ser consideradas como una línea de transmisión en la que todas las espiras se conectan de forma paralela. Cada espira se puede modelar como un simple conductor de una línea de trasmisión, acoplada con otras líneas que representan las espiras próximas, y al final de la cual comienza la siguiente espira (Figura 2.1) [12].

Figura 2.1. Modelo de dos espiras de una bobina con parámetros distribuidos [12].

Por otra parte se debe tener en cuenta que las espiras de las bobinas están formadas por dos partes o secciones diferentes, una que atraviesa por la ranura y la otra la que sobresale del estator (cabezal). Ya que las propiedades en cada sección son diferentes, cada espira se puede considerar como un conjunto de cinco líneas de transmisión conectadas en serie, esto se puede observar en la Figura 2.2.

Figura 2.2. Espira representada por cinco líneas de transmisión en serie [12].

(39)

22

2.2.1 Prueba de Comparación de la respuesta a Impulsos Rápidos de Tensión

La prueba de comparación de impulsos rápidos de tensión es conocida también como: Ensayo de ondas de choque, Prueba de impulso. Esta prueba a llegado a ser una herramienta indispensable en el mantenimiento preventivo y correctivo de los devanados de una máquina rotatoria, proporcionando información del estado del devanado del estator, algo que no es tan fácil de obtener con otras pruebas como son la de tensión continua o de sobre tensión. Estas últimas ayudan a determinar el estado de aislamiento a tierra o entre fases dentro del estator, pero no son adecuadas para verificar las condiciones en las que se encuentran el aislamiento entre espiras. La prueba de comparación de impulsos evalúa la integridad del aislamiento entre espiras, así como también la capacidad que tiene el aislamiento a tierra para soportar transitorios de frente de onda agresivos que pueden aparecer cuando están en servicio las máquinas (motor).

Generalmente 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 progresivamente el aislamiento en vueltas adyacentes hasta que falle la bobina y por lo tanto el motor. Las fallas más comunes son espira-espira, bobina-bobina o fase-fase. El mecanismo de falla puede tomar un tiempo largo para que se manifieste como una falla a tierra, así que la prueba de resistencia de aislamiento no puede detectarla.

El equipo utilizado para realizar esta prueba inyecta impulsos de tensión a la bobina del motor con un tiempo rápido de subida; los pulsos reflejados resultantes son la respuesta a la inductancia y capacitancia de la bobina. Cuándo el impulso es aplicado a una bobina, dependiendo de los parámetros eléctricos de la bobina, éste producirá una oscilación transitoria. Si los impulsos son aplicados a dos o más bobinas idénticas, y las respuestas son capturadas en un osciloscopio, la oscilación transitoria debe ser exactamente la misma. Si alguna de ellas se desvía, esto representa una diferencia entre bobinas, lo cual puede ser asociado con una posible falla del aislamiento [13]. En la Figura 2.3 se muestra la respuesta típica a una tensión de impulso de una bobina en buen estado [14].

Figura 2.3. Forma de Onda de dos Bobinas en buen Estado [14].