Mantenimiento de motores eléctricos
Desarrollo de fallas en motores eléctricos Un sistema rotativo esta expuesto a una serie de eventos que pueden devenir en el desarrollo de fallas. Durante el periodo de desarrollo estas pueden ser detectadas mediante el monitoreo de diversos parámetros o variables que se presentan en estas máquinas. Las fallas de origen mecánico que generalmente caen en la detección prematura corresponden a: •
Solturas mecánicas
•
Pata coja
•
Desbalance dinámico
•
Problemas de transmisión y/o reducción mecánica
•
Problemas de acoplamiento
•
Sobrecarga transitoria
•
Sobrecarga sostenida
•
Defectos de acople
Desarrollo de fallas en motores eléctricos Las fallas de origen eléctrico que requieren requieren un análisis previo para su detección prematura corresponden corresponden a: •
Selección adecuada del motor
•
Pérdida de eficiencia mecánica del motor
•
Desbalance eléctrico entre fases
•
Problemas en el circuito eléctrico estator
•
Problemas en el circuito eléctrico rotor
•
Problemas de rotura de barras de rotor
•
Desarrollo de fallas en rodamientos
•
Desarrollo de falla en aislamiento eléctrico eléctrico
•
Excentricidad estática y dinámica del rotor
•
Presencia de 5a y 7a armónicas
•
Defectos de lubricación de rodamientos
Desarrollo de fallas en maquinas rotativas Criterio de estabilidad
Desarrollo de fallas en maquinas rotativas
Origen de la frecuencia eléctrica 2FL
Entrehierro asimétrico produce una mayor fuerza en dirección radial En la posición de menor entrehierro se produce la mayor fuerza electromagnética, se debe mantener en un porcentaje de 10% de tolerancia
Modos de vibración originados por el campo electromagnético de motores eléctricos
El montaje, la altura de la base pueden afectar el nivel de vibraciones. Aquí se muestra un grafico de altura versus desplazamiento de vibración
MAGNITUDES MECANICAS QUE DERIVAN EN DISTORSIONES DEL CAMPO MAGNETICO
Problemas asociados a la geometría del conjunto. 1. Desalineamiento estático y dinámico 2. Ovalidad del estator 3. Eje del rotor doblado Problemas asociados a rodamientos y cojinetes. 1. Excitación de frecuencias de falla en rodamientos. 2. Holguras y tolerancias inadecuadas en rodamientos. 3. problemas de lubricación en cojinetes planos Problemas asociados al conducido. 1. Desbalance dinámico. 2. Carga variable en curvas de funcionamiento cuadráticas 3. Sobrecarga. 4. Caso de turbulencia en bombas y ventiladores
Fundamentos del mantenimiento condiciones mecánicas •
Las condiciones mecánicas resultan críticas en aquellas que presentan partes móviles
Alineamiento de ejes
Nivelación, alineamiento y desbalance de masa
Problemas estructurales
Fundamentos del mantenimiento condiciones mecánicas •
Entre los elementos que se ven afectados e inciden en el tiempo de vida de la máquina tenemos: – Rodamientos y cojinetes – Ventiladores y ranuras de ventilación – Acoplamientos – Sistemas de transmisión de potencia – Alineamiento de ejes – Entorno ambiental
Condiciones mecánicas •
Rodamientos: –
–
–
Su vida se determina por el número de horas a velocidad constante que soporta antes de la aparición de síntomas de fatiga en anillos o elementos rodantes. En ellos predomina el rozamiento por rodadura. Pueden ser del tipo de bolas o de rodillos.
Precauciones: • • •
•
•
Respetar las tolerancias de acuerdo al diámetro del eje En caso la requieran, mantener la lubricación de acuerdo a las recomendaciones de fabricantes. Evitar defectos de alineación (deformaciones de ejes, excentricidad de carga, errores de mecanización de soportes y acoplamientos) Las deformaciones elásticas de los soportes de rodamiento deben compensarse con el desplazamiento del rodamiento. Si se cambia un rodamiento que se detectó malo, necesariamente se debe cambiar el otro.
Rodamientos •
•
Influencia de la temperatura del rodamiento en el tiempo de vida del mismo. El exceso o defecto de grasa lubricante provoca un aumento de la temperatura
Cambio de rodamientos •
Tomando un motor eléctrico trifásico montado horizontalmente y acoplado a una carga bajo condiciones normales, tenemos el presente cuadro que señala la relación del tiempo vida vs. temperatura: Velocidad
Tamb=25°C
Tamb=40°C
Hasta 1800 rpm Aprox. 40000 horas
Aprox. 20000 horas
>1800 hasta 3600 rpm
Aprox. 10000 horas
Aprox. 20000 horas
Desarrollo de fallas en maquinas rotativas
Desarrollo de fallas en maquinas rotativas
Tomar en cuenta al momento de engrasar •
•
• • •
Si es excesiva, la grasa se comprime en algunos intersticios, aumentando la presión y provocando calentamiento. Si es muy poca, las superficies pueden quedar expuestas a la rodadura provocando también calentamiento. No debe haber pintura alrededor de las graseras Quite todo vestigio de grasa anterior alrededor del ingreso de la grasera. En caso de cambiar el tipo de grasa, deberá tomar en cuenta la compatibilidad entre ellas.
Disminución del tiempo de vida del motor por exceso de temperatura
Intercambio térmico con el ambiente •
Las características ambientales constituyen un elemento de fundamental importancia, debido a que intervienen en la disipación del calor producido por las pérdidas y bajo este aspecto determinan las características de ventilación.
Ventiladores •
•
•
•
De acuerdo a las exigencias de carga, los fabricantes incorporan ventiladores a sus series de motores. Más adelante veremos la influencia y origen del exceso de temperatura. Como precaución se debe tomar en cuenta que las conducciones de aire de ventilación deben estar libres. En caso de ambiente de mucha polución es posible instalar un ventilador externo.
Ventiladores •
•
Flujo de aire para ventiladores internos. La ruta del aire debe quedar libre de obstáculos
Acoplamientos •
•
Dispositivos que permiten unir dos ejes con el fin de transmitir la potencia motriz. Antes de acoplar gire el eje para prevenir fallos.
Acoplamientos Es necesario distinguir si el acoplamiento es rígido o elástico.
Acoplamientos 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.
Problemas de acoples
Acoplamientos
Bobinado quemado debido a introducción de perno por caja de contactos
Poleas, fajas outros (4%)
engrenagens
7%
32% directo
57%
correias e polies
Poleas, fajas
alinhamento
paralelismo
tensão
Problemas de transmisión de correa
Tensado de correa mediante equipo trumetter con haz laser
Sistemas de transmisión de potencia •
•
•
Velocidad de la máquina accionada superior a aquella máxima obtenible con un motor eléctrico Velocidad de la máquina accionada inferior o igual a la máxima obtenible con un motor eléctrico. 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.
Severidad del entorno •
Constituye un elemento que puede ejercer una acción dañina para la conservación del motor y bajo ese aspecto determina las características del motor en lo referente a su protección.
Severidad del entorno
Severidad del entorno •
En particular se pueden considerar tres tipos de ambientes que requieren especiales consideraciones: – Ambiente
con presencia de agentes corrosivos. – Ambiente con presencia de polvos no corrosivos. – Ambiente con peligro de explosión o de incendio.
En ejes de bombas verticales
Punto critico, acople roscado de eje
Agujeros previstos para balanceo in situ
Desarrollo de fallas en maquinas rotativas Equipo 430 1531 04 1H ESPVH 27/04/2006 720
P1
8,056
600
P2
1,342
PicosMáximos P3 0,948
480
2880
P4
0,531
840
P5
0,517
P1
8,0
7,0
6,0
5,0
s / m m4,0
3,0
2,0 P2
1,0
P3 P4
P5
0,0 10890
21810
32730
43650
54570
65490 cpm
76410
87330
98250
109170
Diversos casos
Exceso de lubricación afecta aislamiento
Flaking de rodamiento, excesiva carga axial
Mal armado de caja reductora originó cariado de piñón
Caso de ventilador axial
MAGNITUDES ELECTRICAS CUYA DISTORSION AFECTAN EL BUEN FUNCIONAMIENTO
1. Calidad de la corriente y voltaje eléctricos 1. Armónicos en el sistema. 2. Flicker, sag, 3. Sobretensiones por maniobra 4. Huecos de tensión. 2. Deslizamiento y carga en el motor 1. Calculo del deslizamiento con carga y monitoreo de la misma 2. Deslizamiento en motores con variador de frecuencia. 3. Calidad de energía, caída de tensión . 1. Caída de tensión en el arranque. 2. Caída de tensión durante operación continua 4. Influencia del número de arranques por hora. 1. Identificación de código de corriente de arranque. 2. Presencia de armónicos 5ª y 7o y su influencia 3. Otros orígenes del desarrollo de armónicos 5ª y 7º.
Calidad de energía eléctrica
Descargas Parciales
CAUSAS Y EFECTOS CAUSAS: Tradicionales (Clásicos)
Transformadores Máquinas rozantes Hornos de arco Modernos (Electrónica de Potencia)
Lámparas fluorescentes Controles electrónicos, fuentes conmutadas, equipamientos electrónicos modernos de oficina Dispositivos controlados (tiristores): Rectificadores Inversores Compensadores estáticos Cicloconversores Transmisión HVDC
CAUSAS Y EFECTOS CAUSAS: Transformadores Corriente de excitación:
CAUSAS Y EFECTOS CAUSAS:Transformadores Corriente de excitación: 1.5 1 0.5
] u p [
0
m I -0.5 -1 -1.5 0
0.005
0.01
t [ms]
0.015
0.02
CAUSAS Y EFECTOS CAUSAS: Transformadores
CAUSAS Y EFECTOS CAUSAS: Hornos de Arco
CAUSAS Y EFECTOS CAUSAS: Lámparas fluorescentes o de arco Lámpara de mercurio 4
d n 3 u F V a 2 l e d 1 % 0 0
5
10
15
20
25
0
5
10
15
20
25
15
d n u 10 F I a l e d 5 % 0
CAUSAS Y EFECTOS CAUSAS: Microondas 3
d n u F2 V a l e d 1 % 0 0
5
10
15
20
25
0
5
10
15
20
25
8
d 6 n u F I a 4 l e d %2 0
CAUSAS Y EFECTOS CAUSAS: Equipos electrónicos Fuentes monofásicas
220 V AC
Switcher y Control
6V DC
CAUSAS Y EFECTOS CAUSAS: Equipos electrónicos PC 2 A 0
-2 0
0.005
0.01 ms
0.015
10
15 20 25 Orden armónico
30
0.02
100 n u F 50 %
0
0
5
35
40
Fundamentos del mantenimiento condiciones eléctricas •
Las condiciones eléctricas que afectan el tiempo de vida de las máquinas eléctricas rotativas son: – – – – – – –
La tensión de alimentación (voltaje) Desbalance de la tensión de la red de alimentación La frecuencia de la alimentación (f) Intensidad de la corriente de arranque (Ia) Desbalances internos Sobretensiones externas Tipo de arranque del motor
Condiciones eléctricas (tensión de alimentación) •
La tensión de alimentación puede afectar el rendimiento del motor de acuerdo al cuadro siguiente:
Condiciones eléctricas (Desbalance de la tensión de la red de alimentación) •
La mayor incidencia del desbalance de voltaje se encuentra en el incremento de las pérdidas (aumento de corrientes parásitas)
Desequilibrio de tensiones • Cuando las tensiones aplicadas a un motor no son iguales, se produce un desequilibrio de corrientes en el estator. Un pequeño porcentaje de desequilibrio de la tensión provoca un gran desequilibrio de corrientes. • Consecuentemente, la sobre elevación de temperatura del motor funcionando con una carga dada y con un desequilibrio de tensiones, será mayor que en el caso que esté funcionando con las mismas condiciones de carga pero con tensiones equilibradas. • El efecto de tensiones desequilibradas en un motor polifásico de inducción es equivalente a introducir una tensión de secuencia negativa que tiene sentido contrario de rotación, que produce un flujo en el entrehierro, que tiende a producir altas corrientes.
Tomar en cuenta que: • Las diferencias de tensión entre líneas al interior del motor deberán ser de un máximo de 2%. • Generalmente se produce por el desbalance de la alimentación, falsos contactos, cargas monofásicas elevadas ubicadas en el circuito de alimentación • Otra causa son los conductores de diverso calibre en las líneas de alimentación. • La corrosión de los contactos por efectos bimetálicos debe evitarse.
Condiciones eléctricas: frecuencia
de la alimentación •
Se muestra el comportamiento de un motor a diversas frecuencias
Condiciones eléctricas: frecuencia de la alimentación • Cuando la frecuencia aumenta demasiado, el par tiende a disminuir proporcionalmente al cuadrado de la misma • Si la frecuencia es muy baja de la misma manera tiende a disminuir el par.
La frecuencia también afecta el tiempo de vida del arrollamiento magnético
•
Tabla de máximas longitudes de cable en motores eléctricos en condiciones de frecuencia variable
Condiciones eléctricas. Desbalances internos •
•
Generalmente derivan en calentamiento de los arrollamientos. Según la clase de aislamiento los motores soportan los máximos señalados en la tabla.
Desbalances internos •
•
La apertura de una fase de alimentación de un motor como consecuencia de la fusión de un fusible, un contacto abierto, una línea interrumpida o malas conexiones, es causa de falla de los devanados. Se produce un desequilibrio de corrientes, si la carga es relativamente grande se sobrecargan algunas de las fases lo que puede provocar sobre temperaturas y un daño de los aislamientos entre espiras y a masa.
Desbalances internos (2) •
Reducción de la eficiencia debida al desbalance de las impedancias
Desbalances internos (3) •
Reducción de la potencia debido al desbalance de las impedancias
Desbalances internos (4) •
Aumento de pérdidas por desbalance de las impedancias
Desbalances internos (5) •
Incremento de la temperatura por desbalance de la impedancia
Condiciones eléctricas. Sobretensiones externas •
•
Las sobretensiones producidas por maniobras de los circuitos de alimentación o descargas atmosféricas pueden provocar fallas de los aislamientos de los devanados. Las sobretensiones atmosféricas se presentan en instalaciones expuestas ya sea directamente o a través de los acoplamientos que representa la red de distribución que finalmente se enlaza con las instalaciones de alta tensión expuestas.
Sobretensiones externas •
Las sobretensiones de maniobra son debidas en particular a interrupciones de corrientes en los circuitos, donde la energía magnética se transforma bruscamente en electrostática. Ciertos dispositivos de maniobra (interruptores, contactores) cuya forma de interrupción es brusca (anticipan la extinción al cero natural) producen sobretensiones que superan las que corresponden al caso de interrupción ideal, y aparecen ondas de frente escarpado que penetrando en los devanados pueden ser causa de fallas.
Sobretensiones externas (2) Típica sobre tensión atmosférica
Sobretensiones externas (3) Típica sobre tensión de maniobra fuertemente amortiguada
Sobretensiones externas (4) •
Comportamiento típico de la corriente de un rayo
Condiciones eléctricas. Intensidad
de la corriente de arranque •
•
Los motores eléctricos requieren altos valores de corriente para lograra vencer la inercia Si la carga mecánica es excesiva podría producirse bloqueo
Corriente de arranque •
•
El arranque es una situación que puede considerarse como primera aproximación adiabática (acumulación del calor sin disipación), varios arranques consecutivos llevan a temperaturas inadmisibles. Una situación parecida al arranque pero más severa se puede presentar cuando se interrumpe la alimentación del motor e inmediatamente se lo vuelve a alimentar. Podría ocurrir que las tensiones de alimentación estén en contratase con las tensiones remanentes en bornes del motor y entonces se tendría un fenómeno análogo a un arranque con dos veces la tensión nominal.
Corriente de arranque •
Excesivos arranques o cambios de sentido de rotación (frenado contracorriente) también puede producir bloqueo del rotor
Condiciones eléctricas. Tipo de arranque •
•
Puede utilizarse arranque directo, auto transformador, estrella triángulo. Actualmente se cuenta también con arrancadores estáticos
Tipo de arranque •
Se muestra el comportamiento de arranque típico de un motor.
Número de arranques permitidos por hora en función de la potencia
Ábaco de selección de sección conductor
EL MANTENIMIENTO DERIVADO DEL MONITOREO POR CONDICION 1. Correlación de los parámetros en curvas de tendencia 2. Análisis de espectro FFT eléctrico 3. Bandas de alarma 4. Mantenimiento predictivo eléctrico en conjunción con vibraciones
MCM IMPLEMENTACION TECNICAS
Problemas en barras de rotor
Pulsaciones que se originan en la interrelación entre slots del estator y barras del rotor
Rotura de barras de rotor y/o cortocircuito entre anillos La rotura de barras de rotor afecta fundamentalmente las fuerzas electromagnéticas originando esfuerzos dinámicos
Un variador de frecuencia puede originar descargas parciales
MCM IMPLEMENTACION TECNICAS
Desarrollo de fallas en maquinas rotativas Espectro de armónicos de frecuencia de falla de rodamiento Equipo 421 1531 12M1 3H ESPEH 27/06/2006 Armónicas X: 7665 3x 4x 5x 6x 7x 15330 1,4 22995 1,042 30660 0,752 38325 0,782 45990 0,446 53655 0,387 12x 13x 14x 15x 16x 17x 2x
8x
9x
10x
11x
18x
19x
20x
21x
X: 7665 Y: 3,116
3,0
2,5
2,0
G
2x
1,5
3x
1,0 5x
4x
6x
0,5
7x
0,0 5445
10905
16365
21825
27285
32745
38205
43665
49125
54585
Desarrollo de fallas en maquinas rotativas Comparación 183.0
3
Subset 5 2
G
1
0
0
0 2 0
0 0 4
0 0 6
0 0 8
0 0 0 1
Hz
421 1531 12M1-3H-ESPEH 01/03/2006 RMS 1,88
421 1531 12M1-3H-ESPEH 08/03/2006 RMS 1,06
421 1531 12M1-3H-ESPEH 04/05/2006 RMS 2,42
421 1531 12M1-3H-ESPEH 27/06/2006 RMS 5,38
Desarrollo de fallas en maquinas rotativas
Desarrollo de fallas en maquinas rotativas Grafico de tendencia en desarrollo de falla en rodamiento de eje de ventilador
Inspección por termografía de un punto caliente al interior del motor (conexiones) Termografia donde mediante filtros y contraste se aprecia un punto rojo en las conexiones interiores del motor
Inspección por partículas magnéticas de un eje de motor para verificar que no existan fisuras superficiales
Ultrasonido en mantenimiento predictivo de motores eléctricos
Efecto corona, perdida de aislamiento, chisporreteo
Rodamientos, transmisiones, sobrecargas Efecto corona, perdida de aislamiento, chisporreteo
Tipos de ensayo • Estáticos – Motor parado • Dinámico – Motor en marcha
Ensayos Generales Asegurar que las conexiones están bien colocadas • Calcular la Resistencia a Tierra (RTG) • Calcular la Capacidad a Tierra (CTG) • Calcular la Resistencia entre fases y su desequilibrio • Calcular la inductancia entre fases y su desequilibrio Vuelve a asegurar que las conexiones están bien colocadas para dar el análisis por bueno
Ensayo de arranque del motor Es la captura en valor eficaz de la señal de intensidad en el arranque (desde 15 hasta 60s) El valor del pico debe ser entre 7 a 10 veces el valor del régimen permanente Se ha de analizar tendencias para establecer diagnósticos del estado del rotor y el estator
ESTADISTICA ESTADISTICA DE CONSUMO CO NSUMO DIAGRAMA DE CARGA SOBRECARGA SOSTENIDA
Métodos para determinar la eficiencia de un motor El deslizamiento puede ser corregido en función del voltaje según:
Donde V es el voltaje promedio medido en las fases y Vr el voltaje de placa
LINEA A TIERRA TENSION DE TOQUE TENSION DE PASO PASO RESISTENCIA RESISTE NCIA A TIERRA
Tensión de toque y paso
Medición Resistividad del suelo Método de los cuatro puntos
- A = Separación sondas - B = Largo de sondas - B menor que A/20 - D =profund. medición - Separaciones iguales - Resistividad = 6.28 A.R
Mejora Resistencia a Tierra
ANALISIS DEL MODO Y EFECTO DE FALLO
AMEF ANALISISDE RIESGO Y CRITICIDAD INSPECCIONES BASADAS EN RIESGO
Monitoree el Estado de la Máquina • Inspecciones del Operador • Inspecciones de Campo •Inspecciones en PM • Muestreo fluidos
• Pruebas de Rendimiento
Reparación Antes de Falla Tiempo Optimo
n o i c i d n o C
Falla
Horas •Algunas fallas son al azar •Determine Causa Raiz (Root Cause Analisis •Regla = “Inspeccion” a 1/3 del MTBS
Tres etapas en el desarrollo de una Falla
Síntoma inicial del Problema (Problema Potencia)
Falla tiempo Recurso $ Costo ...
tiempo
Maintenance System MUST be capable of:
Tiempo
I
El Modelo AMEF Detección
Detección
Prevención
Causa
Material o Entrada de Proceso
Modo de la Falla (Defecto )
Paso del Proceso
Controles
Efecto
Cliente externo o paso del proceso con la corriente
Nombre del Producto o Proceso: _____________________
Fecha de Elaboración: ____________________ CLAVE: _____________________
Responsable: ___________________________________
Fecha de Revisión: __________________________________ HOJA: ___ de ___
Otras: ________________________________________________ a Controles Descripción d i a c e Efecto(s) Causa(s) d n Actuales: i del Proceso- Modo de s r e r a e l r Falla de Falla de Falla v C Propósito del u detección e c Potencial S Potencial Potencial O prevención Proceso
Severidad: 1 … 10
Clase:
n ó i R c c P e t e N D
Accion(es) Recomendada (s)
Área/Individuo Responsable y Fecha de Terminación
Ocurrencia: 1… 10
Detección: 1… 10
1= Lo menos severo
C = Crítica, R = Relevante
1 = Nunca ocurre
1 = Lo detecta siempre
10= Lo más severo
- = Normal
10 = Siempre Ocurre
10 = No detecta nada
Resultados de Acciones Acciones Tomadas
d i a a c d n i r r e e v r e u S c O
n R ó i c P c e t N e D
DEFINICION DE EQUIPO CRITICO Es todo activo que una vez efectuado el análisis de riesgo tanto cualitativo como cuantitativo resulta dentro del sistema con los valores ponderados por encima de un valor de referencia.
(API 580)
COMPORTAMIENTO DE LOS EQUIPOS Disponibilidad de Operación Si observamos la situación de un equipo en algún instante cualquiera, podemos reconocer 2 situaciones. • Equipo disponible para la operación • Equipo no disponible para la operación
(API 580)
Generalmente, un componente se considera crítico si se da cualquiera de las condiciones siguientes:
1. Se usa en el equipo en gran número. 2. Sólo puede obtenerse de una única fuente. 3. Ha de usarse dentro de estrechos límites. 4. No tiene un historial probado de confiabilidad. 5. El historial de uso arroja demasiadas incidencias de fallo del componente.
Fallas en motores eléctricos
