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Marzo 2009 © SKF Group Slide 0

Análisis Estático y Dinámico de Máquinas Rotativas

Presentado por: Luis Beltrán, E.E., M.B.A. Gerente de Producto, América Latina SKF CMC Fort Collins

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SKF y Baker Instrument Company


SKF y Baker Instrument Company

• SKF compró Baker en Junio 2007. • SKF CMC Fort Collins (Baker Instrument Company) esta localizado en Fort Collins Colorado, USA.

• 65 empleados +


SKF – Baker Instrument Company

• Oficinas de SKF y distribuidores alrededor del mundo • Equipos de prueba de calidad para devanados eléctricos • Más de 50 años de experiencia en pruebas de motores eléctricos

• Entrenamientos (hasta 3 niveles): En las instalaciones del cliente (Español) Cursos abiertos al público (Español) En nuestras instalaciones (Inglés)


SKF y Comulsa Perú

Distribuidor exclusivo en Perú:

Ing. Leopoldo Chaname [email protected]


Equipos para el programa de Mantenimiento Predictivo de Máquinas Rotativas Empleado para el mantenimiento predictivo, diagnóstico y aseguramiento de calidad.

•Pruebas fuera de línea o estáticas AWA

DX

•Pruebas en linea o dinámicas Explorer 4000


Programa de Mantenimiento Predictivo de Máquinas Rotativas Que es lo que realmente se busca? Ahorros $$$$$$$ !!!!

• Reducir paradas no programadas • Análisis de Ia raíz de la causa de los problemas • Ahorro de dinero en el gasto de energía eléctrica • Análisis de la interacción: Energía – Motor - Carga • Aseguramiento de la Calidad del Motor (nuevo o reparado)


Programa de Mantenimiento Predictivo de Máquinas Rotativas

La pregunta no es si un motor va a fallar La pregunta es CUANDO!!!


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Vida útil de una máquina rotativa


Gerente de Ventas RPC: +51 1 991763326 Skype: COMULSA.Leopoldo.Chaname E-mail: [email protected] Innovamos con energía junto a ti

Aislamiento, Voltaje de Ruptura vs. Tiempo


Pasos Típicos de Fallas de Motores 1. Aislamientos nuevos tienen alto voltaje de ruptura 2. El aislamiento del motor experimenta un envejecimiento normal y además: - Envejecimiento Térmico - Contaminación Química - Esfuerzo Mecánico, humedad, etc. 3. El aislamiento entre espiras de la bobina o el aislamiento a tierra del motor cae debajo del nivel de transitorios resultando en un arco eléctrico


Pasos Típicos de Fallas de Motores 4. Los arcos eléctricos aceleran la degradación del aislamiento 5. El voltaje de ruptura del aislamiento entre espiras y el aislamiento a tierra caen debajo del voltaje nominal de operación de la máquina causando un corto entre espiras o a tierra.

6. La falla de aislamiento a tierra se produce rápidamente (típicamente en minutos)


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Pruebas Estáticas o Fuera de Línea en Motores Eléctricos


Pruebas Eléctricas Estáticas en Motores



1. 2. 3. 4.

Pruebas de Balanceo de Resistencia (Método Kelvin)

Pruebas con el Megómetro (Megado) IEEE-43 Indice de Polarización / Absorción Dieléctrica IEEE-43 Pruebas de Voltaje en Escalón – Hipot (Step Voltage) IEEE-95

5. Prueba de Surge (Impulso) IEEE-522 6. L,C,Z (Ind., Cap., Imped.) 7. D/Q 8. RIC test (Rotor Influence Test)



1. Pruebas de Balanceo de Resistencia Problemas a detectar:

– – – – – –

Número de vueltas por fase Diámetro del cobre Conexiones con alta resistencia Cortos totales entre espiras Conexiones abiertas entre espiras Tendencias - Históricos


Pruebas Eléctricas Estáticas en Motores 2. Pruebas con el Megohmetro (IEEE Std.43)

– Mide la resistencia a tierra – Determina fallas a tierra o posible contaminación en la superficie a voltajes similares al de operación pero en corriente contínua. – Util para crear tendencias – No determina: Si el motor está “totalmente” en buenas condiciones o si existe fallas entre espiras internas de la máquina


Pruebas Eléctricas Estáticas en Motores 3. Indice de Polarización / Absorción Dieléctrica (IEEE Std.43) Prueba similar al usar el megómetro, pero dura: Valor de Resistenci a en 10 minutos

IP = Valor de Resistenci a en 1 minuto

Si la resistencia obtenida es mas de 5000 MΩ en un minuto, entonces se realiza la prueba de Absorción Dieléctrica, que es similar a la IP, pero con los valores tomados en 30 sg. y 3 minutos. IP: para motores mayores de 100 HP

AD: para motores menores de 100 HP Marzo 2009 © SKF Group Slide 18

Pruebas Eléctricas Estáticas en Motores 3. Indice de Polarización / Absorción Dieléctrica (IEEE Std.43)

- Mide la habilidad del aislamiento para polarizarse. - Busca deterioro, resequedad, fisuras, o contaminación del aislamiento a tierra.


Pruebas Eléctricas Estáticas en Motores Hasta aqui, son suficientes la prueba de Megado como herramienta de diagnóstico?


Pruebas Eléctricas Estáticas en Motores 4. Pruebas de Alto Voltaje en Escalón - Hipot (Step Voltage) (IEEE Std. 95) Asegura que el aislamiento a tierra soporte el trabajo normal durante el arranque y parada del motor (peaks de Suceden entre 0.2 y 0.5 µsec voltaje durante los transitorios). durante el arranque y parada del motor


Pruebas Eléctricas Estáticas en Motores 4. Pruebas de Voltaje en Escalón – Hipot (Step Voltage)

Voltaje de Prueba = 2 x Vn + 1000 V


Pruebas Eléctricas Estáticas en Motores 4. Pruebas de Voltaje en Escalón – Hipot (Step Voltage)

(IEEE Std. 95)



Caso de Estudio: Contaminación en Caja de Bornes Motor Síncrono: 7,200 Voltios 1,000 HP

3,600 RPM


Pruebas Eléctricas Estáticas en Motores Caso de Estudio: Contaminación en Caja de Bornes







“Resultado después de limpiar la caja”


Pruebas Eléctricas Estáticas en Motores 5. Prueba de Impulso o Surge (IEEE Std. 522)

- Consiste en aplicar una corriente alta de impulso. Se genera un voltaje por una fase del motor, teniendo las otras fases a tierra. - Es el único método disponible para detectar aislamiento débil entre las espiras, permitiendo al operador realizar un mantenimiento predictivo.


Pruebas Eléctricas Estáticas en Motores Tom Baker con un primer probador de Impulso



-El aislamiento de las espiras es el punto más débil de donde puede generarse una falla del motor.

-Condiciones externas en el aislamiento pueden acelerar el deterioro de la vida útil. - Existen movimientos mecánicos en las bobinas debido a los arranques del motor. (Crawford/General Electric)



-80% de las fallas del motor (aislamiento) empiezan como fallas entre espiras (General Electric Paper).

- La mayoría de los motores fallan a tierra, pero la causa raíz del problema se basa en una falla entre espiras (General Electric Paper - EASA).









- Peaks de voltajes suceden entre 0.2 y 0.5 µsec durante el arranque del motor - Peaks de voltaje se generan al segundo cierre de contacto - Uso de variadores de velocidad


Pruebas Eléctricas Estáticas en Motores Caso de Estudio: Aislamiento débil entre espiras Estator de voltaje nominal de 4160V


Pruebas Eléctricas Estáticas en Motores 6,7. Mediciones de L, Z, C (Inductancia, Impedancia, Capacitancia), D y Q



V I

V 360˚

Marzo 2009 © SKF Group Slide 39 3/10/2014 © SKF Group Slide 39

I

Pruebas Eléctricas Estáticas en Motores ZL L: Inductancia

XL

φ: Angulo

R

Q: Calidad C: Capacitancia R

D: Disipación XC

ZC




Ejemplos: Errores en Devanados 1)

2) Mismo alambre, menos # vueltas Q1: R, L cambian? Q2: Z y φ cambian? Q3: Q cambia?

Alambre mas delgado, mismo # vueltas Q1: R, L, crece, decrece, igual? Q2: Z y φ? Q3: Q cambia?

Zreference Z2 XL

Z3

R 3) Mismo Alambre, igual # vueltas, bobina invertida Q1: R y L cambian? Q2: Z y φ cambian? Q3: Q cambia?


Z1

Pruebas Eléctricas Estáticas en Motores 8. Prueba RIC (Rotor Influence Check)

Puede hallar cuatro tipos de problemas en el rotor:

• • • •

Excentricidad Estática

Excentricidad Dinámica Barras rotas en el rotor Posibles fallas en el Estator


Pruebas Eléctricas Estáticas en Motores Prueba RIC (Rotor Influence Check)




Ejemplo de Excentricidad Estática

Variaciones de amplitudes de Peaks entre fases, implican Excentricidad estática.

Notar que las amplitudes de los peaks para cada fase se mantienen constantes.


Ejemplo: Excentricidad Dinámica

Variaciones dentro de una fase Indica excentricidad dinámica (Baldor 125hp)





NO ES TOTALMENTE CONFIABLE!!!!


¿Por que realizar las pruebas estáticas?


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Pruebas Dinámicas o en Línea en Motores Eléctricos


Pruebas Eléctricas Dinámicas en Motores Diagnostican problemas en la línea de alimentación, motor, carga, y la interacción entre ellas Carga Motor CCM


Pruebas Eléctricas Dinámicas en Motores Explorer 4000 Softwares opcionales:

1. VFD4000: Variadores de Velocidad 2. DC4000: Motores de Corriente Contínua (500V máximo) 3. CM4000: Monitoreo Contínuo 4. DT4000: Instalación en computadoras 5. TM4000: Análisis de Torque 6. V4000: Análisis de Vibración


Pruebas Eléctricas Dinámicas en Motores Calidad de Energía

Datos de Corrientes

Voltajes y corrientes: niveles y desbalances

Sobrecorriente

Distorsión de armónicos y distorsión total

Sumas de corrientes

Potencias reactivas, activas y aparentes.

Espéctros

Desempeño del motor

Espectros de V/I

Factor de servicio efectivo

Armónicos

Niveles de carga

Condiciones de operación Eficiencia Tiempo de retorno de inversión


Desbalances

Barras rotas del rotor

Diagrama de conexiones

Formas de ondas ABC/Componentes SYM Fasores

Pruebas Eléctricas Dinámicas en Motores Voltaje < 1000 V Carga Interruptor

Motor CCM

Exp


Pruebas Eléctricas Dinámicas en Motores Voltaje > 1000 V Carga Interruptor

Motor TCs TVs

Explorer


Pruebas Eléctricas Dinámicas en Motores Conexión del modulo EP-1000:

- Se instala una sola vez - Futuras mediciones sin abrir el gabinete - Reconocimmiento automático del motor en la base de datos


Pruebas Eléctricas Dinámicas en Motores Carga Interruptor

Motor TCs TVs EP

Explorer

Panel Interior Panel Exterior


Pruebas Eléctricas Dinámicas en Motores Análisis de la Calidad de Energía

- Voltajes y corrientes: niveles y desbalances - Distorsión de armónicos y distorsión total

-Potencias reactivas, activas y aparentes -Armónicos e inter-armónicos Importancia: - Una baja calidad de energía causa incremento de temperatura - Por cada 10 ºC de incremento de temperatura, la vida del aislamiento se reduce a la mitad (IEEE Std 43).


Pruebas Eléctricas Dinámicas en Motores Desempeño del Motor - Desbalance de Voltajes - Distorsión de Armónicos - Derateo NEMA


Pruebas Eléctricas Dinámicas en Motores Desempeño del Motor: Valores RMS de operación Nivel de Voltaje 658.2 V Nivel de Corriente 378.4 A Nivel de Carga 312.6 Kw


99.7% 91.4% 78.1%

Desbalance de Voltaje All OK? Distorsión de Voltaje

3.66% 9.80%

% demérito de NEMA F. de Servicio Efectivo

0.6 1.28

Pruebas Eléctricas Dinámicas en Motores Estudio de Armónicos:

NEMA MG-1 30.1 Motor trabajando con VFD (Variador de Velocidad) “Armónicos incrementan pérdidas, elevan la temperatura del motor, disminuyen la eficiencia y la vida útil del motor”. THD  Múltiplos de la frecuencia fundamental TD  Inter-armónicos + otros


Pruebas Eléctricas Dinámicas en Motores Caso de Estudio:

Motor eléctrico de 770 hp, 1786 rpm, 460 V, 850 A. Variador de velocidad ABB Rodamiento: 6220 C3


Pruebas Eléctricas Dinámicas en Motores Caso de Estudio:


Pruebas Eléctricas Dinámicas en Motores Condiciones del Motor: Barras Rotas en el Rotor


Pruebas Eléctricas Dinámicas en Motores Caso de Estudio: Barras Rotas en el Rotor


Pruebas Eléctricas Dinámicas en Motores Análisis de Transientes Ayuda a: - Establecer los rangos de disparos de las corrientes

- Programar los arrancadores suaves o soft starters - Diagnosticar problemas en bombas y ventiladores


Pruebas Eléctricas Dinámicas en Motores Caso de Estudio: Arrancador suave – Estado Sólido


Pruebas Eléctricas Dinámicas en Motores Software Análisis de Torque - Herramienta muy útil para separar los problemas eléctricos de los mecánicos (ayuda a resolver discusiones entre mecánicos y electricistas) - Si la señal de torque de una máquina se muestra diferente a la de otra máquinas similar, el problema se encuentra en la carga.


Pruebas Eléctricas Dinámicas en Motores Software Análisis de Torque: Bomba Sumergible 4160V


Pruebas Eléctricas Dinámicas en Motores Caso de Estudio: Cavitación en bomba sumergible de 750 HP Perspectiva de diagnóstico: Dos bombas identicas en funcionamiento…una esta con problemas…

Pregunta: Cual de estas bombas gemelas a veces cavita? Marzo 2009 © SKF Group Slide 71

Pruebas Eléctricas Dinámicas en Motores Software Análisis de Torque:

Análisis Mecánico FFT - Diagnostica problemas mecánicos desde el CCM:

Rodamientos Desbalance en Ventiladores Cajas reductoras Etc.


Pruebas Eléctricas Dinámicas en Motores Software Análisis de VFD (Variadores de Velocidad):

VFD: Accionamiento de faja 60 hp, 1200 rpm

Frecuencia

Voltaje


Torque Velocidad

Pruebas Eléctricas Dinámicas en Motores Software Análisis de VFD (Variadores de Velocidad): Beneficios •Programar accionamientos •Análisis de cargas

•Fallas en IGBT’S •Problemas de realimentación en accionamientos


Pruebas Eléctricas Dinámicas en Motores Software de Monitoreo Contínuo:


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NetEp – Sistema de Análisis de Motores en Línea (OnLine)


Tipos de motores a monitorear

•Asíncronos •Estatores de motores Síncronos •Estatores de motores de rotor bobinado •Estatores de generadores •En el futuro, disponibilidad para motores asíncronos trabajando con variadores de velocidad y motores de corriente contínua.


NetEP – Descripción del Sistema

•El monitoreo se realiza a través de los NetEps que son instalados en diferentes lugares de la planta.

•Se obtiene información de los voltajes y corrientes de cada motor, se determina los niveles de desempeño y las mediciones de espectros.

•Programación de alarmas para identificar mediciones fuera de rangos permitidos.



Es permanentemente instalado, capaz de monitorear La distancia máxima cableado desde la NetEp hasta 32 motores en de 7 barras diferentes decaja voltajes a hacia tablero, gabinete o CCM de 300 través decualquier transformadores de corriente paraes cada motor metros Una caja NetEp puede tener 7 barras de voltajes diferentes


NetEP – Descripción del Sistema SQL Database

NetEps

Servido r

Port 1100 TCP o Port 1150 UDP Multicast

Supervisor TCP/IP Port 1100 o UDP Port 1150

Mas supervisores!


Mas motores!


•Se puede monitorear mas de 40 parámetros de motores eléctricos, compara los resultados con los límites permitidos, y muestra alarmas si alguno de los límites es excedido.

•Puede mostrar tendencias de los parámetros (históricos), que es importante para el mantenimiento predictivo.



•Diagnósticos similares al efectuado por la unidad portátil Explorer 4000


Resúmen

•Las pruebas dinámicas proveen información acerca de las condiciones de la energía, el motor, la carga, y la interacción entre ellas (Explorer, NetEp).

• Las pruebas estáticas miden la integridad del sistema de aislamiento del motor (AWA).

• Juntos representan una imagen de la salud del motor y suministran valiosa información para predecir eminentes fallas. Se mejora el control de calidad y la capacidad del diagnóstico de fallas.


Gracias!!

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