Ingeniería de Máquinas y Sistemas Eléctricos: Causas de averías en motores y sus consecuencias

En una instalación con motores eléctricos, podemos distinguir dos tipos de fallos: los defectos de origen interno del motor y los defectos de origen externo.

■ Defectos de origen interno:

cortocircuito fase - tierra,
cortocircuito entre fases,
cortocircuito entre espiras,
sobrecalentamiento de los bobinados,
rotura de una barra en motores de jaula de ardilla,
problemas ligados a los rodamientos,
etc.

■ Defectos de origen externo:

Sus causas se encuentran fuera del motor eléctrico, pero sus consecuencias pueden provocar degradaciones en él.

Estas anomalías pueden provenir:

■ De la fuente de energía:

corte de la alimentación,
inversión o desequilibrio de fases,
caída de tensión,
sobretensión,
etc.

■ Del modo de explotación del motor:

regímenes de sobrecarga,
número y régimen de arranques,
inercia de la carga,
etc.

■ De la instalación del motor:

desalineación,
desequilibrio,
esfuerzos excesivos sobre el eje,
etc.

1.- Defectos internos del motor: Averías concernientes al arrollamiento del estator o del rotor

El devanado del estator de un motor eléctrico consiste en conductores de cobre aislados con barniz. El fallo de este aislamiento puede causar un cortocircuito permanente, entre una fase y masa, entre dos o incluso tres fases, o entre espiras de una misma fase (ver Figura 1).

Puede ser causada por fenómenos eléctricos (descargas superficiales, sobretensiones), térmicos (sobrecalentamiento) o incluso mecánicos (vibraciones, esfuerzos electrodinámicos en los conductores).

Los fallos de aislamiento también pueden ocurrir dentro del devanado del rotor con la misma consecuencia: la parada del motor.

La causa más común de daños en los devanados de un motor es un aumento excesivo de temperatura. Este aumento a menudo es causado por una sobrecarga que implica un aumento de la corriente que circula en estos devanados.

Figura 1: Los arrollamientos son, para los motores, las partes más vulnerables a los fallos eléctricos e incidentes de explotación.

La curva de la Figura 2, proporcionada por la mayoría de los fabricantes de motores eléctricos, muestra la evolución de la resistencia de aislamiento en función de la temperatura: cuanto mayor es la temperatura, menor es la resistencia de aislamiento. La vida útil de los devanados y, por lo tanto, del motor, se reduce considerablemente.

Figura 2: Evolución de la resistencia de aislamiento de los arrollamientos

en función de la temperatura

La figura 3 muestra que un aumento del 5% en la corriente, equivale a un aumento de temperatura de aproximadamente + 10 °C, reduce a la mitad la vida útil de los devanados.

Por lo tanto, la protección contra sobrecarga es necesaria para evitar el sobrecalentamiento y reducir el riesgo de daños internos en el motor por fallo en el aislamiento de los devanados.

Figura 3: Duración de vida de los motores en función de la temperatura

de funcionamiento o de la corriente consumida

2.- Defectos externos al motor: Fenómenos ligados a la alimentación eléctrica del motor

2.1.- Sobretensiones

Cualquier tensión aplicada a equipos cuyo valor de cresta está fuera de los límites definidos por una norma o especificación es una sobretensión.

Las sobretensiones temporales o permanentes (ver Fig. 4) pueden tener diferentes orígenes:

atmosférico (descarga de rayo directa o indirecta),
descargas electrostáticas,
maniobras de aparatos conectados a la misma red,
etc.

Figura 4: Ejemplo de sobretensión

Sus características principales se describen en la tabla 1.

Estas perturbaciones, que se superponen a la tensión de red, se pueden aplicar en dos modos:

Modo común, entre los conductores activos y tierra,
Modo diferencial, entre los diferentes conductores activos

En la mayoría de los casos, las sobretensiones terminan afectando el aislamiento de los arrollamientos del motor, causando su destrucción.

Tabla 1: Características de los diferentes tipos de sobretensión

2.2.- Fases desequilibradas

Un sistema trifásico está desequilibrado cuando las tres tensiones no son iguales en amplitud y/o no están desfasadas 120 ° entre sí.

El desequilibrio (ver Fig. 5) puede ser causado por la apertura de una fase (defecto de asimetría), por la presencia de cargas monofásicas en el entorno cercano al motor, o por la misma fuente de alimentación eléctrica.

Figura 5: Registro de tensiones de un sistema trifásico desequilibrado

El nivel de desequilibrio puede ser calculado mediante la siguiente ecuación:

Con:

D: Desequilibrio (%)

Vmáx.: Tensión más elevada

Vmín.: Tensión más baja

Las consecuencias de un desequilibrio de tensiones aplicadas a un motor son la reducción del par útil y el aumento de las pérdidas; los desequilibrios se traducen en una componente inversa que genera fuertes corrientes en el rotor que provocan un calentamiento muy importante del rotor e implica un sobrecalentamiento del motor (ver tabla 2).

Tabla 2: Influencia de un desequilibrio de tensión sobre las características

de funcionamiento de un motor

La norma IEC 60034-26 proporciona una regla de reducción de potencia de acuerdo con el desequilibrio de tensión (ver Fig. 6) que se recomienda aplicar cuando este fenómeno es conocido o predecible en la red que suministra al motor.

Este coeficiente de reducción hace posible sobredimensionar un motor para tener en cuenta el desequilibrio o reducir la corriente de funcionamiento de un motor con respecto a su corriente nominal.

Figura 6: Desclasificación de un motor en función de un desequilibrio

de tensión en su alimentación

2.3.- Huecos y caídas de tensión

Una caída de tensión (ver Fig. 7) es una caída repentina de voltaje en un punto de una red de energía eléctrica, a un valor (por convención) de entre 90% y 1% del voltaje nominal de la red BT (IEC 61000-2-1). Los huecos son un caso especial de caídas de tensión con descensos superiores al 99 % (IEC).

Se caracterizan por un solo parámetro: su duración. Las interrupciones breves son más cortas de 1 minuto (IEC), los cortes largos son de mayor duración. Los micro cortes tienen duraciones del orden de un milisegundo.

Figura 7: Ejemplo de caída de tensión

El origen de estas variaciones de tensión puede ser un fenómeno aleatorio fuera de la explotación (defecto en la distribución pública o cortocircuito accidental), un fenómeno relacionado con la instalación en sí (conexión de cargas pesadas como motores, transformadores). La influencia de las variaciones puede ser dramática para el motor en sí.

2.3.1.- Consecuencias en un motor asíncrono

Durante una caída de tensión, el par de un motor asíncrono (proporcional al cuadrado del voltaje) disminuye bruscamente y provoca una desaceleración. Esta desaceleración es una función de la amplitud y duración de la caída de tensión, la inercia de las masas giratorias y la característica de par/velocidad de la carga impulsada. Si el par que desarrolla el motor se vuelve menor que el par resistivo, el motor se para (desenganche). Después de un hueco de tensión, el retorno de tensión genera una corriente de reaceleración cercana a la corriente de arranque y cuya duración depende de la duración del corte.

Cuando la instalación tiene muchos motores, las reaceleraciones simultáneas pueden causar una caída de tensión en las impedancias aguas arriba de la red. La duración del hueco, en este caso, se alarga y puede dificultar las reaceleraciones (rearranques largos con sobrecalentamiento) o hacerlas imposibles (par motor inferior al par resistivo).

La realimentación rápida (~ 150 ms) sin precauciones de un motor asíncrono en curso de desaceleración se expone al riesgo de un reenganche en oposición de fase entre la fuente y la tensión residual mantenida por el motor asíncrono. En este caso, el primer pico de corriente puede alcanzar tres veces la corriente de arranque (15 a 20 In).

Estas sobreintensidades y caídas de voltaje resultantes tienen varias consecuencias en el motor:

calentamiento adicional y fuerzas electrodinámicas en las bobinas que pueden causar roturas en los aislantes,
sacudidas con tensiones mecánicas anormales en los acoplamientos que resultan en desgaste prematuro o incluso averías.

Estas pueden afectar a otros equipos como contactores (desgaste o incluso soldadura de los contactos), provocar el disparo de las protecciones generales de la instalación y, por lo tanto, parar una cadena de producción o una fábrica.

2.3.2.- Consecuencias en un motor síncrono

Las consecuencias son casi idénticas que en el caso de los motores asíncronos. Sin embargo, los motores síncronos pueden soportar caídas de tensión mayores (del orden del 50 %), debido a su mayor inercia general y a una menor influencia de la tensión sobre el par.

En caso de desenganche, el motor se detiene y luego se debe reanudar todo el proceso de arranque, que puede ser complejo.

2.3.3.- Consecuencias en máquinas de velocidad variable.

Los problemas planteados por caídas de tensión aplicadas a los variadores de velocidad son:

imposibilidad para proporcionar suficiente voltaje al motor (pérdida de par, desaceleración),
mal funcionamiento de los circuitos de control alimentados directamente por la red,
sobreintensidad en el retorno de tensión (recarga del condensador de filtro de los variadores),
sobreintensidad y desequilibrios de corriente en la red en caso de caídas de tensión en una sola fase.

Los variadores de velocidad fallan generalmente ante caídas de tensión superiores al 15 %.

2.4.- Presencia de armónicos

Cualquier función periódica (de frecuencia f) puede descomponerse en una suma de sinusoides de frecuencia h · f (h: entero)

Con:

Y₀: componente continua

h: rango del armónico

w: pulsación (2πf)

Y_h: amplitud del armónico de rango h

Y₁: componente fundamental

La tasa de distorsión armónica (DHT para la distorsión armónica total) proporciona una medida de la distorsión de la señal:

Las corrientes y tensiones armónicas son creadas por cargas no lineales conectadas a la red de distribución. La distorsión armónica (ver Fig. 8) es una forma de contaminación de la red eléctrica que puede causar problemas con una tasa superior al 5%.

Los equipos electrónicos de potencia (variadores de velocidad, inversores, ...) son las principales fuentes de inyección de armónicos en la red. El motor, al no ser perfecto, puede ser el origen del armónico de rango 3; en el caso de un acoplamiento en triángulo, puede aparecer un reequilibrio del flujo generando así una corriente en sus devanados.

La presencia de armónicos provoca, en los motores, un aumento de las pérdidas por corrientes de Foucault provocando calentamientos suplementarios. También pueden generar pares pulsantes (vibración, fatiga mecánica), ruido y limitar el uso de motores a plena carga.

Figura 8: Registro de una tensión sinusoidal con armónicos de rango 5.

3.- Defectos externos a los motores: Fenómenos ligados a la explotación del motor

3.1.- Arranques del motor: arranques demasiado largos y/o muy frecuentes

La fase de arranque de un motor corresponde al tiempo que lleva alcanzar su velocidad nominal.

El tiempo de arranque (t_D) depende del par resistivo (Cr) y del par motor (Cm).

El aumento del par resistente, vinculado a la carga a arrastrar, así como la reducción del par motor, debido a una caída simultánea en la tensión de red (20 a 30% de Un), provoca el aumento del tiempo de arranque del motor:

Con:

J: Momento global de inercia de las masas en movimiento,

N (tr. s-1): Velocidad de rotación del rotor.

Dadas sus características intrínsecas, cada motor solo puede admitir un número limitado de arranques, generalmente especificado por el fabricante (número de arranques por hora).

Asimismo, cada motor tiene un tiempo de arranque máximo función de su corriente de arranque (ver Fig. 9).