Métodos para la detección y diagnóstico de fallos en motores eléctricos (Parte 1ª)

 

Detección de asimetrías rotóricas por métodos convencionales

 Los rotores de los motores de inducción están constituidos por un conjunto de barras unidas en ambos extremos por dos anillos, denominados anillos de cortocircuito. El conjunto formado por las barras y los anillos de cortocircuito se denomina jaula.

 La asimetrías en la jaula rotórica de un motor de inducción suelen estar relacionadas con las altas temperaturas alcanzadas en el rotor y con las elevadas fuerzas centrifugas que soportan tanto barras como anillos, especialmente durante los regímenes de funcionamiento transitorio. Los problemas pueden iniciarse durante la construcción de la máquina debido a una fundición defectuosa en los rotores de aluminio, o a uniones defectuosas en el caso de anillos de cortocircuito soldados o ensamblados. De esta forma aparecen juntas de alta resistencia eléctrica o porosidades en la fundición que producen puntos de elevada temperatura dentro de la jaula.

 La fractura suele iniciarse en los puntos de la barra que no están soportados por el cuerpo del rotor, es decir en las proximidades de la unión con el anillo de cortocircuito o en éste mismo, ya que en dicha zona es donde suelen acumularse las mayores tensiones mecánicas de la estructura. En el proceso de evolución de la avería hay que tener en cuenta que la jaula rotórica proporciona las fuerzas de frenado y aceleración al motor, por tanto, si la máquina sufre fluctuaciones bruscas en su velocidad de giro, originadas por su ciclo de trabajo o por el tipo de maquina accionada, el fallo puede desarrollarse rápidamente como consecuencia de la fatiga de los materiales. Además, debido a los regímenes transitorios térmicos del motor la jaula puede sufrir movimientos diferenciales dentro del paquete magnético rotórico, lo que conduce habitualmente a la torsión y agrietamiento de los anillos. Una vez que una barra o anillo se ha agrietado, el proceso es degenerativo la barra defectuosa se calienta en torno a la fisura hasta llegar a romperse. La rotura origina la aparición de arcos eléctricos entre las dos partes separadas, que habitualmente dañan al circuito magnético. Las barras adyacentes soportan entonces corrientes mayores y por tanto mayores solicitaciones térmicas y mecánicas, con lo cual se inicia el proceso de aparicion de nuevas grietas. En la figura 1 se puede observar un rotor con esta avería.

 La rotura de una de las barras produce una alteración en el campo magnético del motor que se traduce en la aparición de dos series de armónicos de campo giratorios que se desplazan en la máquina con sentidos de giro inverso.

Fig. 1. Rotor de un motor de media tensión con dos barras rotas, diagnóstico realizado por ABB Service.

 Dichos armónicos de campo inducen fuerzas electromotrices que finalmente dan lugar a la aparición de armónicos en las corrientes de alimentación del motor. Los armónicos de corriente pueden interaccionar con el campo magnético de la máquina para producir fuerzas capaces de generar vibraciones. Sin embargo, la detección de este tipo de fallo mediante el análisis de vibraciones ha demostrado muy poca fiabilidad, ya que la respuesta modal de toda la estructura que soporta a la maquina define si ésta va a vibrar o no con la avería.

 El método de diagnóstico habitual para este tipo de fallo consiste en el análisis, en el dominio de la frecuencia de las corrientes de alimentación del motor y posterior valoración de los armónicos de las siguientes frecuencias: (1+2S)f y (1-2S)f, donde S es el deslizamiento y f la frecuencia de alimentación del motor. A modo de ejemplo, en la figura 2 se presenta el espectro de corriente de un motor de media tensión que presenta el rotor seriamente dañado. 

Fig. 2. Espectro de corriente de un motor con varias barras rotas, diagnóstico realizado por ABB Service.

 Aunque el procedimiento de diagnóstico parece, en esencia, sencillo presenta sin embargo, una serie importante de inconvenientes que serán descritos a continuación.

 Relación entre la amplitud de los armónicos anteriores y el nivel de fallo

 Para poder determinar el estado del rotor mediante la medición de los armónicos laterales es necesario poder relacionar su amplitud con el nivel de deterioro de la jaula. Ello no es posible si no se dispone de una gran experiencia y se han realizado estudios estadísticos sobre distintos tipos de motores. M.F. Cabanas realizó un estudio sobre una base de datos de unos 300 motores pertenecientes a plantas industriales, previamente diagnosticados por ABB Service Delegación Asturias. Los resultados de dicho estudio se presentan en la gráfica de la figura 3.

Fig. 3. Criterio de diagnóstico desarrollado por ABB Service Delegación Asturias y el grupo de investigación en el diagnóstico de máquinas eléctricas de la Universidad de Oviedo.

 Influencia de las corrientes interlaminares

 Puesto que el origen de las anomalías que se producen en la corriente de alimentación está en la distorsión que origina la no circulación de corriente por la barra rota, parece obvio, que si existiera un camino alternativo para ella una vez que la barra estuviese separada del anillo, el efecto de la perturbación sería menos notable.

 En trabajos recientes, Kerzesbaun y Landy, definieron las corrientes interlaminares como corrientes circulantes entre barras adyacentes a través del paquete magnético del motor. La circulación de dichas corrientes, junto con su expresión matemática aparece representada de forma esquemática en la figura 4. En ella se muestra la barra del motor que se ha roto al separarse del anillo por el extremo derecho y la distribución de corriente que aún circula por ella debido al camino alternativo formado por el núcleo a ambos lados de la barra.

 En motores de inducción de gran tamaño donde las barras, habitualmente de cobre, están insertadas en las ranuras del núcleo sin ningún aislamiento, se producen resistencias de contacto entre las barras y el núcleo relativamente bajas. De este modo, se propicia la aparición de corrientes a través del circuito magnético comprendido entre dos barras adyacentes aún cuando la máquina no haya sufrido ningún tipo de avería. La circulación de las corrientes anteriores alterará en mayor o menor medida el campo magnético de la máquina, pero cuando realmente va a hacerse relevante es cuando existan asimetrías rotóricas: al producirse la rotura de una barra por su separación del anillo, ésta seguirá siendo capaz de conducir corriente ya que existirá un camino alternativo a través del núcleo.

Este comportamiento del motor está totalmente determinado por sus características constructivas, de hecho, en los estudios anteriores se obtuvieron valores medios para la resistencia entre barras de máquinas de gran tamaño, del orden de 20 μΩ para un metro de longitud efectiva del núcleo. Este valor, característico de las máquinas grandes, es casi dos órdenes de magnitud menor que el que se obtuvo en el caso de pequeños motores con el rotor de aluminio fundido. Por tanto, se puede afirmar que en máquinas grandes el valor de la impedancia de la barra es mayor o del mismo orden que el correspondiente a la porción de núcleo comprendida entre barras adyacentes, mientras que en motores pequeños dicha resistencia es bastante mayor que la impedancia de la barra. Así pues, el fenómeno de las corrientes interlaminares parece propio de los grandes motores de inducción, motivo por el cual su comportamiento bajo condiciones de asimetría rotórica diferirá notablemente del de los motores pequeños.

 En la figura 4 se puede observar como a medida que se va recorriendo la barra, la fuga de corrientes desde la barra rota hacia las adyacentes se va haciendo mayor, llegando así al extremo donde se encuentra la avería, punto en el que la corriente por la barra es nula. Además, conforme nos alejamos de la rotura, a lo largo de la barra rota las corrientes decrecen exponencialmente, lo que implica que la mayor parte de las corrientes interlaminares circularán desde la barra rota a las dos barras adyacentes en la zona donde la barra se ha separado del anillo de cortocircuito.

 Este último hecho obliga a que la distorsión eléctrica y magnética producida por la avería se concentre al final del rotor, en las proximidades de la rotura. Esta situación se observa en grandes motores en los cuales la rotura de la barra viene acompañada de la destrucción del paquete magnético en las proximidades del anillo de cortocircuito.

 En cuanto al modo en que la presencia de las corrientes interlaminares afecta al diagnóstico, cabe señalar que la reduccion en la distorsión producida por la avería no afecta a las frecuencias inducidas por ésta en las corrientes estatóricas, sin embargo sí afectará a su amplitud reduciéndola, ya que la corriente circulante por el rotor dispone ahora de un camino alternativo. Por tanto, la distorsión causada por el fallo en las corrientes estatóricas será menos acusada y el criterio de valoración que debe emplearse más conservador. En la figura 5 se puede observar una fotografía en la que se presentan dos barras pertenecientes al rotor de un motor que sufrió un fallo catastrófico. En ella se puede observar como el deterioro sufrido por las barras se ajusta de una forma bastante clara al patrón definido para la circulación de corrientes interlaminares: a lo largo de toda la barra se puede apreciar como en aquellas zonas donde existía contacto entre la barra y la chapa magnética del núcleo estatórico se produjo un importante deterioro como consecuencia de la circulación de corrientes en la dirección periférica del rotor. Además, tal y como se aprecia en la fotografía el daño es creciente conforme nos acercamos a la zona de rotura de la barra.

 

Fig. 4. Distribución de corrientes interlaminares en una ba-rra rota de un motor de inducción.

 

Fig. 5. Barras rotóricas dañadas por la circulación de corrientes interlaminares.

Influencia de la inercia

Como se indicó anteriormente, el procedimiento convencional para el diagnóstico de averías rotóricas implica la medición de los armónicos lateral inferior y superior del espectro de corrientes. Aunque en un principio podría pensarse que ambos están ocasionados directamente por el fallo su origen es, sin embargo, algo más complejo: El armónico lateral inferior está causado directamente por la avería, mientras que el superior es consecuencia de una oscilación producida en el par motor de la máquina por el primero. Además, la presencia del armónico de frecuencia (1+2S)f ocasionará la aparición de un nuevo armónico a la frecuencia (1-4S)f con lo que la avería se traducirá en la aparición de bandas en torno a la frecuencia de alimentación de anchura 2Sf. Puesto que la inercia de la máquina influye en la capacidad de fallo para provocar oscilaciones en el par motor, también influirá en las amplitudes de los armónicos característicos. De hecho, publicaciones muy recientes, demuestran que un incremento en la inercia del motor provoca un aumento en el armónico lateral superior y un decremento en el inferior de igual magnitud.

 Por otro lado, si se realiza un estudio matemático completo, del funcionamiento del motor en condiciones de avería se pueden encontrar armónicos de otras frecuencias cuyas amplitudes también se incrementan con el fallo. En la tabla 1 se muestran dichas frecuencias: i es un número entero, P es el número de pares de polos, S es el deslizamiento y f la frecuencia de alimentación.

 

Tabla 1. Frecuencias adicionales a las convencionales válidas para el diagnóstico de la asimetría rotórica

Influencia de la máquina accionada

 En un estudio realizado entre ABB Service Delegación Asturias y el grupo de trabajo de la Universidad de Oviedo se pudo determinar la influencia que máquinas con pares torsores pulsantes producían sobre el espectro de corrientes del motor. Para ello se analizaron los espectros de corriente de numerosos motores en los que el par demandado estaba sometido a pulsaciones. Los casos más típicos fueron aquellos en los que el motor accionaba molinos y otros elementos mecánicos a través de engranajes reductores. En ellos se pudo comprobar como las vibraciones torsionales de la máquina aparecían reflejadas en el espectro de corrientes del motor en forma de bandas laterales alrededor de la frecuencia de alimentación. En la figura 6 se presenta el espectro de corrientes de un motor que acciona un molino a través de un reductor.

 

Fig.6. Espectro de corriente de un motor accionando un molino diagnóstico realizado por ABB Service Delegación Asturias.

En este espectro se puede observar como aparecen multitud de bandas laterales alrededor de la frecuencia de alimentación. Dichas bandas laterales responden a una expresión matemática de la forma ±K*fr donde K, es una constante y fr es la velocidad de salida del reductor -en este caso 52 rpm- expresada en Hz o lo que es lo mismo la frecuencia de las vibraciones torsionales a las que está sometido el motor.

 

FUENTES:

Grupo de investigación en el diagnóstico de Maquinas Eléctricas, Universidad de Oviedo (Manés F. Cabanas, Manuel G. Melero, Gonzalo A. Orcajo, José Manuel C. Rodriguez, Francisco R. Raya)

ABB Service Delegación de Asturias (Juan S. Sariego)

 

 

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