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boletín iie marzo/abril de 1999

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.

Diagnóstico en línea y fuera de línea de motores de inducción de baja, mediana y alta tensión

Francisco Antonio Carvajal, José Manuel Ramírez y Luis Fernando Arcos

Resumen

L

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.

os 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. artículos

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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.

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

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 FIGURA 1 Termografías realizadas en un motor de baja devanado del estator. tensión. 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. artículos

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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: 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.

FOTO 1 Diagnóstico en línea a un motor de 600 C.P., 4 160 V. artículos

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Además de los problemas mencionados anteriormente y que

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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,

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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, bobinabobina 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 artículos

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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.

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FIGURA 3

Resultados de la prueba fuera de línea del rotor: a) en un motor en buen estado; b) en un motor con fallas en las barras de la jaula. a)

Inductancia (mH9

Motor en buenas condiciones fases 1 y 2

fases 2 y 3

fases 3 y 1

Grados eléctricos b)

Motor dañado

Inductancia(mH)

fases 3 y 1 (café Vs negra) fases 2 y 3 (negra Vs café) fases 1 y 2 (gris Vs negra)

Grados eléctricos

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 artículos

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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 SamariaSitio 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

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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.

Asociación Nacional de Normalización y Certificación de Motores de la Asociación Nacional de Normalización y Certificación del Sector Eléctrico (ANCE). Ha publicado varios artículos relacionados con técnicas de diagnóstico en línea de máquinas eléctricas rotatorias y su aplicación en programas de mantenimiento del tipo predictivo. JOSÉ MANUEL RAMÍREZ CRUZ

FRANCISCO ANTONIO CARVAJAL MARTÍNEZ

Ingeniero electromecánico (1990) por el Instituto Tecnológico de Minatitlán. En 1992 ingresó al IIE en donde actualmente es investigador de la Gerencia de Equipos Eléctricos. Se ha especializado en motores de inducción. Ingeniero industrial electricista (1982) egresado del Instituto Tecnológico de Veracruz y candidato al grado de maestro en ingeniería eléctrica con opción en sistemas eléctricos de potencia por la División de Estudios de Posgrado de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM), cuenta con la especialización técnica sobre diseño y operación de generadores y motores de inducción (1991) por la Notthingham Trent University, Inglaterra. En 1984 ingresó al IIE en donde es investigador de la Gerencia de Equipos Eléctricos. Se especializa en máquinas eléctricas rotatorias. Es representante del IIE ante el Subcomité Técnico de Certificación de Motores de la artículos

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LUIS FERNANDO ARCOS ZAMORA

Ingeniero industrial en eléctrica (1995) por el Instituto Tecnológico de Puebla. En 1996 ingresó al IIE en donde actualmente es investigador de la Gerencia de Equipos Eléctricos. Se ha especializado en máquinas eléctricas rotatorias.