¿El problema es el transmisor, el motor o la carga?

¿El problema es
el transmisor,
el motor o la carga?
¿Por dónde empezar
a diagnosticar las
fallas?
A la hora de diagnosticar fallas
relacionados con el motor, más
de la mitad del proceso consiste
simplemente en aislar el problema.
Siempre que haya un motor en
funcionamiento, también hay una
carga y algún tipo de transmisor
del motor, que tiende cada vez
más a tratarse de una unidad
de velocidad variable (ASD). Así
que, cuando surgen problemas,
¿cómo puede saber si se trata
del transmisor, del motor o de la
carga? A continuación, le damos
algunos consejos para que pueda
diagnosticar el problema de forma
rápida y sistemática, solo tiene que
hacer algunas mediciones clave
sobre la marcha.
Mediciones
del desequilibrio
Un buen punto de partida consiste
en medir la corriente que consume
el motor. En este contexto,
cuando hablamos de motores, nos
referimos a motores de inducción
trifásicos, el caballo de batalla de
la industria. Los motores son cargas
equilibradas: la corriente que
consumen en cada fase debe ser
prácticamente la misma (inferior
Nota sobre la aplicación
al diez por ciento, según el cálculo
que se indica más abajo). Si no
están equilibrados, podría deberse
a un problema interno del motor
(por ejemplo, al deterioro del
aislamiento del estator) o podría ser
el resultado del desequilibrio de la
tensión. De modo que, si hay algún
problema con el desequilibrio de
la corriente, realice la medición del
desequilibrio de la tensión (inferior
al tres por ciento) a la salida del
ASD. El siguiente cálculo sirve para
el desequilibrio de la tensión o de
la corriente.
Las mediciones del desequilibrio
de la tensión y de la corriente
se deben realizar en el lado por
donde se alimenta el transmisor.
Los transmisores son muy sensibles
al desequilibrio de la tensión,
incluso más que los motores. Los
transmisores utilizan la tensión
máxima de cada fase para cargar las
baterías internas del condensador.
Si alguna de estas fases es incluso
un poco baja, entonces será
difícil que el transmisor consuma
corriente de dicha fase. Por tanto,
el desequilibrio de la tensión
producirá el desequilibrio de la
corriente. Aunque el transmisor
siga funcionando, el ciclo de carga
de los condensadores y el período
de protección de los mismos
disminuirán en caso de caída
de tensión.
Porcentaje de desequilibrio = desviación máxima de la
media / media de tres fases X 100 %
Ejemplo:
1.Según medidas: Fase A = 449 A, Fase B = 470 A
y Fase C = 462 A
2.Cálculo de la media = (449 + 470 + 462) / 3 = 460 A
3.Cálculo de la desviación máx. = 460 – 449 = 11 A
4. Cálculo del desequilibrio = (11 / 460) x 100 % = 2,4 %
Nota: los nuevos analizadores de calidad de la alimentación trifásica realizan estos cálculos automáticamente.
Además de las mediciones del
desequilibrio, también se deben
comprobar las caídas de tensión
entre conexiones sueltas. Esto
se puede hacer con mediciones
directas de la tensión o con
termómetros infrarrojos. Las
lecturas que son mucho más altas
que la temperatura ambiente,
o mucho más altas que otras fases,
pueden indicar conexiones sueltas
o defectuosas.
De la Biblioteca digital Fluke en www.fluke.com/library
Consejos sobre alto
y bajo tensión del ASD
Los transmisores tienen códigos
de diagnóstico que identifican
la causa del disparo. En general,
se pueden clasificar como alta
tensión, baja tensión o sobrecarga
(sobrecorriente). Tenga en cuenta
que los motores de arranque
mecánicos sólo tienen disparos
de sobrecarga. Por tanto, no tienen
que preocuparse por casos de alta
o baja tensión. ¿Qué diferencia a los
transmisores?
Los transmisores convierten
la CA de las ondas senoidales en
CC (sección del convertidor) y,
posteriormente, vuelven a convertir
la CC en CA (sección del inversor).
Sin embargo, la CA que sale no
es una onda senoidal. Se trata
de una forma de onda especial
conocida como señal modulada por
ancho de impulso (PWM). Desde el
punto de vista del motor, la PWM
se acepta prácticamente como si
fuera una onda senoidal (véanse
las mediciones avanzadas del
motor en la página 3). No obstante,
vamos a centrarnos por ahora en
los aspectos internos del transmisor,
en concreto, en lo que se conoce
comúnmente como enlace de CC.
El enlace de CC no es más que una
batería del condensador, que incluye
normalmente un inductor (reactor) de
enlace de serie para el filtrado y la
protección. El transmisor controla
detenidamente el enlace de CC; la
alta o baja tensión hace referencia
a la tensión del enlace de CC.
La baja tensión puede originarse
externamente a causa de caídas
de tensión en la entrada del
transmisor. La función de caídas
y subidas en un analizador
de calidad de la alimentación
puede contribuir a identificar
los problemas de baja tensión
relacionados con la alimentación.
También pueden existir problemas
internos con el reactor y/o el
condensador del enlace de CC.
En muchos transmisores, existen
puntos de prueba para medir la
tensión del enlace de CC. Para
comprobar los condensadores,
utilice la función mín./máx. de un
multímetro digital o, de ser posible,
la función de tendencia de un
analizador de calidad de la energía
o de un osciloscopio. Compruebe
si la regulación de la tensión está
dentro de las especificaciones
del fabricante. Para comprobar el
reactor, revise la forma de onda
en ambos lados. No debería haber
cambios.
2 Fluke Corporation
A la hora de diagnosticar las
fallas en un sistema, se tiende
a considerar el transmisor o al
controlador lógico programable
como lo más susceptible a las
caídas de tensión. El relevador de
control con caja transparente suele
ser con frecuencia el origen de los
problemas relacionados con las
caídas de tensión. Los estudios han
demostrado que estos componentes
de bajo costo son los primeros en
fallar cuando se producen caídas
de tensión. Por lo tanto, cuando
diagnostique fallas relacionados con
paradas intermitentes del sistema,
no olvide examinar los circuitos de
control externos.
La alta tensión puede ser indicio
de problemas en los condensadores
o en el reactor. También puede
deberse a transiciones de tensión
relacionadas con la alimentación. En
un momento dado, las transiciones
de cambio de los condensadores
de la red de distribución se
caracterizaban por causar disparos
de alta tensión en los transmisores.
La alta tensión también podía
derivar de cargas regenerativas. Las
cargas como grúas y ascensores
devuelven tensión cuando frenan. La
instalación de circuitos de frenado
dinámicos tiene por objeto derivar
esta energía del transmisor, donde,
de lo contrario, se mostrarían como
alta tensión en el enlace de CC.
Problemas como una instalación
inadecuada pueden dar lugar
a disparos de alta tensión.
Los problemas de sobrecarga
normalmente están relacionados con
la carga y se abordan a continuación.
Perfil de carga
Para solucionar los problemas
relativos a la interacción entre
la carga y el motor, es necesario
comprender la relación entre el
par y la corriente. Un motor no
es otra cosa que un dispositivo
que convierte la energía eléctrica
(corriente) en energía mecánica
rotativa (par), a través de los mágicos
efectos del magnetismo. Lo que una
carga demanda de un motor es el
par. Para efectos práctico, este par
es directamente proporcional a la
corriente que consume el motor.
Esto tiene sentido completamente,
porque todos sabemos que en los
motores de velocidad constante,
que incluyen todos los motores
de arranque directo (con motores
de arranque electromecánicos), la
tensión es, o debe ser, estable, y la
corriente es la variable. Cuando una
carga demanda más par y corriente
¿Se trata del transmisor, del motor o de la carga?
de lo que puede suministrar un
motor, se produce una condición de
sobrecarga. La sobrecarga producirá
el sobrecalentamiento del motor. Los
transmisores del motor apagan el motor
(y por lo tanto la carga) para impedir
que se produzca un daño permanente
del aislamiento del bobinado. La
sobrecarga siempre depende del
tiempo: una sobrecarga elevada
disparará el motor en poco tiempo,
mientras que, con un nivel más bajo
de sobrecarga, el motor tardará más
en dispararse.
Cuando queramos evaluar el
impacto de una carga en el sistema del
transmisor del motor, debemos medir la
corriente que consume. Naturalmente,
este consumo de corriente varía con
el tiempo conforme varía la carga.
La medición de la corriente durante
un período de tiempo se denomina
perfil de carga. En la creación de un
perfil de carga, la función de registro
de alimentación de un analizador de
calidad de la energía resulta ideal
para capturar una línea de tendencia
del consumo de corriente (y también
los kW, si así lo desea). Un cursor
le permite identificar los valores de
corriente en diferentes puntos de la
línea de tendencia, junto con una
marca temporal para tales puntos. No
es necesario medir las tres fases del
motor de inducción porque el motor
es una carga equilibrada. Antes de
crear un perfil de carga, mida primero
el desequilibrio de la corriente para
asegurarse de que el estado del motor
sea bueno. Si lo que le preocupa son
los disparos inesperados, mida la fase
de alta tensión (una sobrecarga en una
fase disparará las tres fases).
Al crear un perfil de carga,
buscamos períodos de corriente
especialmente altos en relación con
el amperaje de la carga completa
del motor. La información sobre el
amperaje de la carga completa está
disponible en la placa del motor.
Si existe un factor de servicio, el
cálculo del intervalo se debe realizar
en función del amperaje de la carga
completa.
Mientras que la corriente alta es
el principal problema, también hay
que evitar la corriente baja. Un motor
es más eficaz y tiene el mejor factor
de potencia en el intervalo del 60 al
80 por ciento de su amperaje de carga
completa. No hay una penalización
inmediata por carga baja; el motor
no se disparará. De hecho, muchos
motores normalmente son demasiado
grandes para la carga, sobre la teoría
de que existe una menor probabilidad
de que el motor se dispare por la
sobrecarga. Sin embargo, como suele
ser el caso, nada es gratis. En caso de
carga muy baja, la compañía de
energía le enviará una factura
mayor.
Dos cargas diferentes:
par variable y par
constante
La mayoría de los sistemas de
control se utilizan con cargas de
par variable o de par constante.
Entre las cargas de par variable
se incluyen los ventiladores
y las bombas giratorias. Desde el
punto de vista del consumo de
energía, actualmente, este es el
caso de la mayoría de las cargas.
Cuando se utilizan ASD con estas
cargas, se puede ahorrar bastante
energía. Por ejemplo, un ventilador
a velocidad media (30 Hz) emplea
idealmente un octavo de la potencia
del mismo ventilador a 60 Hz
(decimos que es lo ideal, porque
siempre existe algún grado de
pérdida debido a las ineficiencias
del sistema de carga del motor de
control). Desde el punto de vista
del diagnóstico de problemas,
lo más importante es que estas
cargas de par variable raramente
provocan problemas de sobrecarga
para los transmisores (suponiendo
que el tamaño de la carga se
haya calculado correctamente). El
motivo es que pasan gran parte del
tiempo funcionando a velocidades
más bajas (inferiores a 60 Hz)
y consumiendo menos corriente.
Si esto no fuera así, es decir, si la
carga demandara velocidad (y par)
completa la mayoría del tiempo
o todo el tiempo, la instalación
de un ASD al principio no tendría
justificación económica (ahorros de
energía). En ocasiones, estas cargas
provocarán un disparo al inicio, pero
eso suele indicar que el tamaño
de la carga no se ha calculado
correctamente con respecto al
transmisor. Otra posibilidad es
que la carga haya cambiado. Por
ejemplo, un cojinete que empieza a
agarrotarse demanda más par inicial
para mover la carga.
Las cargas de par constante
pueden resultar un mayor
desafío. Las cargas por fricción
o gravitatorias son ejemplos de
cargas de par constante. Lo que
hay que comprender acerca de
estas cargas es que requieren el
mismo nivel de corriente (más
o menos) a velocidades más bajas.
Esto puede resultar peligroso
para el motor. Normalmente, los
motores se refrigeran con los
ventiladores integrados en el rotor;
cuando la velocidad del motor es
3 Fluke Corporation
lenta, el ventilador enfría menos.
Por lo tanto, se puede producir
un calentamiento excesivo. El
peligro radica en que los circuitos
de sobrecarga del motor son
para medir el calor midiendo
indirectamente la corriente (hay
motores con sensores de calor
integrados en sus estatores,
pero obviamente son más caros).
Aquí tenemos una situación en
la que el consumo de corriente
normal a baja velocidad puede
provocar sobrecalentamiento.
La solución común consiste en
instalar ventiladores alimentados
externamente para enfriar el motor.
Antes de dejar el tema de la
solución de los problemas de carga,
es necesario advertir que existe
todo un campo de experiencia
relacionado con las varillas
mecánicas del motor y la carga.
Aquí se incluye la vibración, la
alineación de los ejes, el montaje
del motor, etc. Si bien obviamente
son problemas importantes,
escapan del ámbito de este artículo.
Mediciones avanzadas
del motor
En los sistemas de motores con
ASD, es necesario realizar algunas
mediciones que no se realizarían
en los sistemas de motores de
arranque mecánico (directo). Esto
se debe a que el elemento de alta
frecuencia y cambio rápido de la
forma de onda de la salida PWM
provoca problemas específicos que
no ocasiona la onda senoidal. A
primera vista, el motor como carga
de consumo de corriente no parece
otra cosa que un gran conjunto de
inductores o bobinas (bobinados
de estatores), y los inductores, por
naturaleza, filtran los elementos de
corriente de alta frecuencia. Este
es el motivo de que la forma de
onda de la corriente parezca una
onda senoidal. Lamentablemente,
esos elementos de alta frecuencia
de la forma de onda de la tensión
no se filtran y, en consecuencia,
pueden ocasionar daños.
Las dos primeras de estas
mediciones se deben realizar con
un osciloscopio o con la función de
osciloscopio de un analizador de
calidad de la energía:
• Reflexiones de alta tensión.
Mida fase a fase en los
terminales del motor. Los flancos
principales de los pulsos de
PWM pueden tener valores
máximos muy superiores (en
teoría, hasta un 200 por ciento)
a lo normal. Estas reflexiones de
¿Se trata del transmisor, del motor o de la carga?
alta tensión pueden ocasionar
daños a los bobinados del
motor. Estas sobretensiones son
claramente visibles en la forma
de onda del osciloscopio. Las
soluciones se clasifican en tres
categorías: acortar la longitud
del cable del motor de control,
utilizar un motor con un grado
de aislamiento mayor, los
llamados motores en régimen de
inversor, y utilizar filtros.
• Tensiones del eje del motor
y corrientes de los cojinetes.
Mediante un alambre multifilar
o una escobilla de carbón,
mida la tensión del rotor al
bastidor (tierra). Los motores
que funcionan mediante ondas
senoidales tienen una tensión
“normal” del eje/cojinete al
bastidor de entre 1 y 2 V. La
forma de onda PWM puede
dar lugar a que se produzcan
tensiones disruptivas de entre 8 V
y 15 V entre el eje (en particular,
el cojinete) y el bastidor. Esto
daña los cojinetes, haciendo que
se piquen y presenten marcas.
Aunque se han propuesto muchas
soluciones, la más común es el
dispositivo de puesta a tierra
del eje.
• Corriente de fugas. Con un
amperímetro de gancho, mida
la corriente alrededor de los
conductores trifásicos. Las
altas frecuencias provocan un
aumento de las fugas entre los
bobinados de estatores y el
bastidor. Esta corriente de fugas
o puesta a tierra puede interferir
con las señales de control
y comunicación. Algunas de las
soluciones más comunes son el
uso de cables de supresión de
IEM o un arrancador (choke) de
modo común.
¿Y qué sucede con los armónicos en
la salida del transmisor? ¿La forma
de onda PWM convertida en forma
de onda de corriente senoidal
contendrá muchos armónicos?
Absolutamente, pero no tenemos
que medirlos. En primer lugar,
no afectan al resto del sistema
de distribución de energía, sólo
al motor. En concreto, provocan
el calentamiento adicional del
motor. Sin embargo, los fabricantes
de motores y transmisores han
solucionado este problema
suministrando niveles más elevados
de aislamiento del motor. En
aquellos casos en los que un motor
antiguo se actualice con un ASD, se
recomienda reducir el amperaje de
carga completa del motor.
Resumen
Seguridad en el trabajo
A la hora de determinar si el
problema es la carga, el motor
o el transmisor, es importante
proceder de forma sistemática.
Comience con las mediciones
básicas del motor (desequilibrio)
para comprobar el estado del
motor en sí. A continuación, lleve a
cabo algunas mediciones sencillas
para comprobar las causas de los
disparos de alta o baja tensión.
Realice un perfil de la carga para
averiguar la causa de los disparos
intermitentes de sobrecarga. Para
finalizar, en el caso de fallos
prematuros de los cojinetes o los
bobinados del motor, así como
de problemas de interferencia
con la señal de control, utilice un
instrumento como la herramienta
de prueba Fluke ScopeMeter® para
realizar mediciones adicionales
del motor. Aunque con ello no se
agoten todas las posibles causas
de los problemas, seguro que se
identificarán muchas de las más
comunes.
La tensión y las corrientes elevados
presentes en los sistemas eléctricos
pueden provocar graves lesiones
o incluso la muerte por electrocución
y quemaduras. Por consiguiente,
la prueba y modificación de los
sistemas eléctricos sólo deben
llevarlas a cabo electricistas
experimentados y cualificados que
tengan conocimiento de los sistemas
eléctricos en general y del equipo
objeto de la prueba.
Fluke no puede anticipar todas
las posibles precauciones que hay
que considerar al realizar todas
las medidas indicadas en este
documento. No obstante, como
mínimo, debe:
• Utilizar el equipo de seguridad
adecuado como gafas de
seguridad, guantes de
protección, tapetes aislantes, etc.
• Asegurarse de que toda
la alimentación se haya
desconectado, bloqueado
y etiquetado en cualquier
situación en la que vaya
a estar en contacto directo
con componentes de circuitos.
Tener la certeza de que nadie,
excepto usted, pueda activar la
alimentación.
• Leer y comprender todos los
manuales aplicables antes
de aplicar la información de
esta nota de aplicación. Preste
especial atención a todas las
precauciones y advertencias de
seguridad que se describen en
los manuales de instrucciones.
• No utilizar instrumentos en
aplicaciones para las que no
están indicados, y ser siempre
consciente de que si el equipo
se utiliza de una manera no
especificada por el fabricante, la
protección ofrecida por el equipo
podría verse mermada.
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en marcha.®
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4 Fluke Corporation
¿Se trata del transmisor, del motor o de la carga?