Interpretacion de fallas en motores electricos




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INTERPRETACION DE FALLAS EN MOTORES ELECTRICOS

INTRODUCCION

En una instalación industrial en general, y en particular en un proceso productivo, cada máquina accionada por un motor eléctrico, y particularmente cuando este es de gran potencia, requiere resolver distintos problemas que implican estrecha colaboración de técnicos con distintas funciones, de distintas especialidades, de distintas empresas, y con distintos intereses.

Sin pretender fijar una condición determinada, pero para concretar ideas se describe como ejemplo una situación real de las tantas posibles:

a. El proyectista de la instalación industrial reúne y ordena la especificación técnica de la máquina accionada y la transmite al constructor.

b. El constructor de la máquina la proyecta y define todos los elementos relacionados con ella como ser conexiones mecánicas, fluidos necesarios para el servicio, regulación y características del motor eléctrico de accionamiento, que los comunica al proyectista de la instalación.

c. El constructor del motor procede al proyecto del mismo y comunica los datos necesarios para el control de los elementos que lo vinculan con la máquina accionada (problemas de acoplamiento mecánico) y con la línea de alimentación eléctrica (corriente de arranque, oscilaciones de la corriente absorbida, etc.) completando la especificación técnica del mismo.

Será obligación del proyectista de la instalación controlar que el sistema de alimentación eléctrica sea adecuado tanto para el arranque de la máquina, como para su marcha normal.

Será obligación del constructor de la máquina accionada controlar el acoplamiento mecánico y las prestaciones del conjunto.

Al proyectista de la instalación le corresponde además coordinar el intercambio de información técnica entre ambos constructores.

Para una mayor garantía de funcionamiento de la instalación, además, el proyectista debería prescribir en el momento de adquisición la responsabilidad solidaria de ambos constructores, por lo menos en cuanto se refiere al acoplamiento mecánico.

d. Construidos los componentes (motor y máquina accionada en particular), y realizados los ensayos de recepción en fábrica, se los instala en la obra y se los somete a pruebas y ensayos funcionales que terminan con su puesta en servicio y entrega al propietario.

e. Los equipos entran en producción y sobre ellos comienzan las acciones de mantenimiento que acompañan e intentan conservarlos en condiciones confiables durante su vida útil.

Frente a una eventual falla la búsqueda de sus causas tanto para el éxito de la reparación como para prevenir su eventual repetición, se deben analizar con amplitud todos los aspectos citados, quizás remontándose hasta condiciones supuestas en el proyecto original.

Indudablemente la documentación que se va reuniendo a lo largo del proyecto, instalación y puesta en servicio, como también la documentación de los controles sistemáticos de mantenimiento, son los puntos de apoyo para actuar con seguridad y eficiencia en las innumerables situaciones que se van presentando durante la vida de la instalación.

Si bien el tema central que se trata es la interpretación de fallas en motores eléctricos, se cree conveniente iniciar con algunas consideraciones relativas a su acertada elección.

CARACTERISTICAS FUNCIONALES DE LA MAQUINA ACCIONADA NECESARIAS PARA DEFINIR EL MOTOR ELECTRICO

Se deben considerar todas aquellas características que definen el motor eléctrico de accionamiento de la máquina, tales como:

    • Potencia nominal y velocidad de rotación del motor.

    • Datos de la máquina accionada que influyen sobre los ciclos de arranque del motor.

    • Límites impuestos por el constructor de la máquina accionada a los pares motrices.

    • Pares resistentes cíclicos o bien variables.

    • Acoplamiento mecánico.

    • Forma constructiva del motor.

    • Características de los motores eléctricos en relación con el ambiente de la instalación.

En la industria salvo casos muy particulares se utilizan para los accionamientos motores asincrónicos, esto es debido a su particular simplicidad constructiva.

En casos de velocidad constante también se utilizan motores sincrónicos que requieren circuitos de excitación.

Cuando se requiere control de velocidad debemos mencionar también los motores de corriente continua, cuyo principal inconveniente es la presencia del colector y los fenómenos de conmutación asociados.

Actualmente se dispone de generadores de frecuencia variable aptos para alimentar motores asincrónicos y hacerlos funcionar a velocidad variable, también se dan casos de uso de motores sincrónicos en aplicaciones similares.

Sin embargo debe tenerse presente que la amplia mayoría de los motores de accionamiento en las aplicaciones industriales son asincrónicos.

Potencia nominal y velocidad de rotación

Para poder definir la potencia nominal de un motor es necesario primero definir la potencia absorbida por la máquina, en las condiciones de funcionamiento nominales incluidas todas las pérdidas mecánicas en el interior de la máquina con exclusión de las pérdidas mecánicas de los órganos de transmisión.

Las máquinas accionadas de media y gran potencia utilizadas en la industria se pueden subdividir, en cuanto se refiere al cálculo de la potencia, en dos grupos:

    • Máquinas que transforman la energía mecánica recibida por el motor en energía potencial o cinética fácilmente calculable por el fluido tratado.

Pertenecen a este grupo todos los compresores, los ventiladores y las bombas.

Existen fórmulas que permiten determinar con suficiente aproximación la potencia mecánica absorbida en función del fluido (caudal) y de las características físicas (presión, temperatura, etc.) de los fluidos que entran y salen de la máquina.

Para compresores y bombas centrífugas ampliamente utilizados en instalaciones químicas y petroquímicas, sus proyectistas en general eligen (y especifican) la potencia del motor eléctrico un 15% superior a la potencia absorbida, para tener en cuenta condiciones más pesadas de funcionamiento (que se apartan de las condiciones nominales), como por ejemplo variación del peso específico de distintas composiciones o temperaturas del gas, variaciones de la presión de aspiración, etc.

    • Máquinas que transforman la energía mecánica recibida por el motor en energía mecánica y/o térmica (trituración, molienda, extrusión, etc.) del material tratado. Para el cálculo de la potencia absorbida para este segundo grupo existen tablas, obtenidas de la experiencia, que suministran la potencia específica es decir la potencia por unidad del material tratado y para un determinado tipo de elaboración.

En la definición de la velocidad de rotación de un motor a velocidad fija se pueden presentar dos casos:

    • Velocidad de la máquina accionada superior a aquella máxima obtenible con un motor eléctrico (3000 v.p.m. sí la frecuencia de la red de alimentación es de 50 Hz).

En este caso (grandes compresores centrífugos, axiales y algunas bombas) es necesario siempre interponer entre el motor y la máquina accionada un multiplicador de vueltas. Será entonces necesario decidir si conviene partir de un motor de 4 polos (más confiable) o de un motor de 2 polos (en general menos costoso). Esta elección debe realizarse en colaboración entre los constructores de la máquina accionada, del motor y el proyectista de la instalación que coordina el proyecto y la compra.

    • Velocidad de la máquina accionada inferior o igual a la máxima obtenible con un motor eléctrico.

En este segundo caso, se dimensiona la máquina accionada eligiendo su velocidad entre aquellas nominales del motor evitando de este modo la necesidad de un reductor de velocidad realizando entre las dos máquinas un acoplamiento directo.

Pueden aparecer situaciones muy particulares donde las velocidades normales de los motores eléctricos convenientes no son adecuadas a la máquina accionada, en cuyo caso también se requiere la utilización de un reductor.

Con el aumento del número de polos el costo de un motor se incrementa notablemente; por lo tanto, por debajo de una cierta velocidad límite (función decreciente con la potencia) será conveniente utilizar un reductor.

Datos de la máquina accionada que influyen en los ciclos de arranque del motor.

Para los motores de media y gran potencia utilizados en la industria el tipo de servicio requerido es casi siempre continuo; se especifican siempre los ciclos de arranque, que los motores pueden soportar sin superar los valores prefijados de temperatura en los arrollamientos tanto estatóricos como rotóricos.

Para que el constructor del motor pueda dimensionarlo respetando los ciclos de arranque previstos debe recibir del constructor de la máquina accionada los siguientes datos fundamentales:

    • momento de inercia de todas las masas rotantes (incluyendo si corresponde el de las masas con desplazamientos lineales) referido a la velocidad del motor.

    • diagrama de pares resistentes en función de la velocidad de la máquina durante el arranque.

La figura 1 muestra cuatro ejemplos con distintos pares resistentes correspondientes a distintas máquinas accionadas, y en particular el caso de un motor de elevación (par constante con la velocidad ascensor o montacargas), bomba a pistón (el par crece linealmente con la velocidad), ventilador o bomba centrífuga (el par crece con una potencia de la velocidad, cuadrático o cúbico), finalmente ciertos motores arrancan sin carga (rueda libre).

Límites impuestos por el constructor de la máquina accionada a los pares motrices.

Durante el arranque la máquina accionada debe poder soportar los valores de par motriz que, en el caso de arranque a plena tensión, pueden ser notablemente superiores a aquellos correspondientes a marcha normal.

El constructor de la máquina accionada debe suministrar al constructor del motor el valor límite del par motriz que puede soportar; valor que no debe ser superado durante el periodo de arranque y durante la marcha normal.

Normalmente el constructor de la máquina accionada define también el tiempo de arranque mínimo requerido, lo cual equivale a limitar el par medio acelerador y por lo tanto el par desarrollado por el motor.

En los motores de gran potencia si es necesario limitar el par motor, el problema se resuelve alimentando durante el arranque con tensión reducida, mediante un autotransformador, o con reactor o resistor en serie que producen una caída de tensión.

La electrónica actualmente ofrece la solución de alimentadores de frecuencia variable, llamados arrancadores suaves (soft starters), que limitan corriente de arranque y par de arranque según se requiera.

Acoplamiento mecánico

En el caso de grandes máquinas es necesario un análisis detallado de todos los problemas mecánicos que un acoplamiento puede generar. Es necesario distinguir si el acoplamiento es rígido o elástico.

En el primer caso el eje del motor es solidario con el de la máquina accionada y por lo tanto el análisis de los esfuerzos y vibraciones es relativamente simple.

Pueden aparecer problemas de eventuales empujes axiales que se deben evitar permitiendo la dilatación del motor del lado contrario al accionamiento.

También pueden presentarse vibraciones que son máximas a determinadas velocidades denominadas críticas (resonancia). Para evitar esta situación se trata de apartar suficientemente la velocidad crítica de la velocidad nominal.

Cuando aparecen esfuerzos y vibraciones anormales debidos a la flexión y/o torsión estos son bastante difíciles de eliminar con la máquina montada y funcionando.

Debe buscarse que los ejes trabajen por debajo de la primera velocidad crítica, y si esto no es posible (generalmente ejes muy largos) es oportuno que ninguna velocidad crítica se ubique entre el 85% y el 125% de la velocidad nominal.

Forma constructiva del motor

La forma constructiva del motor normalmente es elegida por el constructor de la máquina accionada en base a sus propias exigencias; en el caso particular de grandes y complejas máquinas, la elección debe ser realizada en colaboración con el fabricante del motor.

En lo referente al montaje y grado de protección, las normas definen los tipos y formas constructivas.

Motores asincrónicos

Los motores asincrónicos pueden ser de jaula simple, profunda, doble, o de rotor bobinado, los primeros denominados con rotor en cortocircuito, en general se prefieren por razones de simplicidad, solidez y costo.

El motor con rotor bobinado se utiliza cuando es necesario lograr ciertas condiciones de arranque, con el inconveniente que presenta el dispositivo auxiliar, es decir, anillos rozantes y resistencias rotóricas variables.

Motores con rotor en cortocircuito

Los motores de jaula simple se pueden clasificar en motores de jaula de baja resistencia y motores de jaula de alta resistencia.

La figura 2 muestra los diagramas característicos de par y de corriente en función de la velocidad con tensión nominal, para motores asincrónicos (Cn, In son el par y corriente correspondientes a la carga nominal).

Los motores con jaula de baja resistencia tienen respecto a los motores con jaula de alta resistencia corrientes de arranque más elevadas y resbalamientos más bajos (en condiciones de marcha) y presentan una característica de par en función de la velocidad con el valor máximo cercano a la velocidad sincrónica, mientras que en los motores con jaula de alta resistencia el par máximo se encuentra cercano al arranque.

Los primeros (de baja resistencia) se comportan bien para funcionamiento en servicio continuo con un número de arranques y frenados limitado y con arranques de breve duración, mientras que los segundos (de alta resistencia) son adecuados para funcionar en servicio intermitente con un número de arranques y frenados elevado o con arranques de larga duración.

En los motores de doble jaula se pueden obtener conjuntamente ambas ventajas, la jaula externa (de alta resistencia y baja reactancia) actúa preponderantemente durante el arranque, y la jaula interna (de baja resistencia y alta reactancia) a la velocidad nominal.

Además las características de par en función de la velocidad de estos últimos motores presentan un comportamiento distinto en función de las relaciones entre las resistencias y las reactancias de las respectivas jaulas.

La figura 3 muestra los diagramas característicos de par y corriente en función de la velocidad con tensión nominal, para motores que presentan distintas relaciones de resistencia y reactancia, esta posibilidad permite adaptar de modo satisfactorio la curva par en función de la velocidad del motor a la correspondiente característica de par requerida por la máquina acoplada.

Es importante destacar que debido a la gran variedad de motores asincrónicos en cuanto a sus características constructivas y funcionales (como arriba indicado) como así también a la gran diversidad de tipos de utilización y de servicio de estas máquinas, resulta particularmente difícil describir todas las variantes constructivas posibles.
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