Diagnóstico en línea y fuera de línea de motores de inducción

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.
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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.
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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.
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técnicos
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
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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
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técnicos
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
96
técnicos
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.