Comprendiendo las Pruebas de PDM para Motores Eléctricos La mayoría de las fallas eléctricas son causadas por una combinación de picos de voltaje que ocurren en el arranque y en el deterioro normal. El problema a menudo empieza como un corto vuelta-a-vuelta que eventualmente irá a tierra. Sin una prueba de alto voltaje mucos de estos problemas pasarán desapercibidos. desapercibidos. !sí que es importante conocer sus pruebas. Ecemos un vistazo a la prueba de resistencia de aislamiento" a la prueba de índice de polarización" a la prueba de alto potencial de #$ y a la prueba de car%a" y resumir los tipos de problemas que pueden y que no pueden encontrar. Introducción !ntes de acer una decisión ló%ica acerca de qué clases de pruebas deben ser realizadas en motores para predecir fallos eléctricos" usted debe entender lo que ocasiona que estas fallas ocurran. &ambién es importante entender los diferentes %rupos de aislamiento" el proceso de des%aste del aislamiento y revisar los escenarios típicos de falla. Sólo entonces se pueden tomar las decisiones en cuanto a que pruebas deben ser incluidas. Los Grupos de Aislamiento El sistema de aislamiento de un motor consiste en el aislamiento de tierra a la pared" el aislamiento de fase a fase y el aislamiento de vuelta a vuelta. En una típica inducción de motor el aislamiento a la tierra de la pared es el forro de papel de ranura que prote%e el cobre aislado a tierra. La 'ase a 'ase es a menudo una oja de papel de aislamiento a islamiento que es colocada entre las fases. La cone(ión más débil en el sistema de aislamiento es a menudo el aislamiento de vuelta a vuelta. Esta es el esmalte en el cobre de un motor aleatorio de embobinado o el esmalte y la cinta encontrada en forma de serpentines. El propósito de este aislamiento es de prote%er las fallas de cobre a cobre. )ara probar apropiadamente apropiadamente el sistema total de aislamiento" varias pruebas diferentes deben ser realizadas. El aislamiento a tierra de la pared puede ser probado con un me%ommetro para para determinar los valores de la resistencia del aislamiento" una prueba del índice de la polarización para evaluar la elasticidad del aislamiento" y una prueba de alta tensión de #$ para probar la fuerza dieléctrica del aislamiento a al%*n nivel predeterminado. El aislamiento de la fase a fase puede ser probado también con parte de las mismas pruebas mencionadas previamente si el motor es desconectado completamente. En la mayoría de los casos de mantenimiento predictivo esto no será el caso y el aislamiento de fase a fase debe ser probado en la misma manera como el aislamiento de vuelta a vuelta. La prueba de car%a es la *nica prueba disponible de aislamiento de vuelta a vuelta.
El Proceso de Desgaste del Aislamiento El proceso de des%aste del aislamiento puede ser afectado por uno o más de los si%uientes cinco factores+ ,.
$ontaminación+ n depósito químico en el bobinado que causa deterioro en el aislamiento.
.
/ecánico+ 0ibración o movimiento en el bobinado o motor que usa el sistema de aislamiento.
1.
#es%aste térmico normal+ E lento deterioro del aislamiento sobre el período de vida normal del a través de la operación normal.
2.
#es%aste termal prematuro+ &emperaturas e(cesivas del bobinado causando una falla prematura.
3.
)icos de sobre voltaje+ $ar%as de alto voltaje causadas por cambios" luces y dise4o del 0'#.
Estos cinco factores deben ser considerados cuando se dise4a un pro%rama de prueba. /iraremos los procesos de des%aste térmico normales y como son afectados por los factores mecánicos" des%aste prematuro termal y picos de sobre voltaje. 5os concentraremos en los problemas no relacionados con la contaminación. ¿Qué hace ue los motores !allen" Las fallas eléctricas son las responsables entre el 136 a 276 de todas las fallas motrices. Estos mismos estudios" al%unos remontados acia ,819" a menudo muestran que mucas de estas fallas del bobinado comienzan como un corto de vuelta a vuelta ocasionados por una car%a inclinada pronunciada debido a la conmutación . En los a4os sesentas" la toma de medidas de estas car%as muestran picos de 7"3 microse%undo asta de 3 por unidad. #ota$ Al discutir sobre la fuerza dieléctrica y picos de voltaje en este artículo la medida de “pu” será utilizada. Una por unidad (pu) es la línea de al voltaje a tierra.
Estas car%as inclinadas son causadas por una variedad de fuentes. La causa más com*n y principal de avería del aislamiento de vuelta interna son las car%as de conmutación 1. Estas car%as de conmutación pueden ocurrir al abrir y cerrar los contactos. El reencendido creará m*ltiples car%as. Los estudios muestran que estas car%as recorrerán de , a 3 pu con aumentos de tiempo de 7", a , un micro se%undo. n motor 2,970 verá car%as de asta ,:"7770. En operación normal" un serpentín típico sólo verá de ,7 a ,770 vuelta a vuelta. La ley de )asens indica que una diferencia de 1370 es requerida para iniciar un arco. ;0er la 'i%ura ,<. $on esta peque4a diferencia potencial un motor no debe fallar debido a cortos de vuelta a vuelta en operación normal. Es la combinación de un aislamiento débil y las car%as inclinadas que aceleran el deterioro natural del aislamiento - llevando finalmente a las fallas eléctricas del motor. La abrasión mecánica dentro del embobinado es otro mecanismo de deterioro que opera en el aislamiento del motor. En el arranque una acción que aprieta causada por las fuerzas ma%néticas causará el des%aste entre los componentes móviles 2. El campo ma%nético cambia ,7 veces por se%undo causando que esta opresión ocurra cada vez. !unque el des%aste e(ista entre el bobinado y el aislamiento a tierra" los estudios muestran que menos del ,:6 del aislamiento a tierra sea debido a este movimiento. Es el aislamiento vuelta a vuelta el que es muy afectado por este tipo de abrasión.
$omo se indico previamente" la diferencia potencial de la vuelta a vuelta durante la operación normal no es suficiente causa de una falla del aislamiento de la vuelta a vuelta en un motor. Sólo los picos tendrán un nivel de voltaje suficientemente alto para causar esta clase de problema. !l !4adir el estrés a esta vuelta a vuelta en la distribución no lineal del voltaje a través de la fase. En un estudio realizado por $ristiansen y )edersen 3" fue concluido que el tiempo de la subida de los picos determinará cómo el voltaje se propa%a sobre los bobinados. $omo se muestra en la fi%ura " mientras más rápido es el tiempo de subida menos lineal es el voltaje dividido sobre el serpentín. Escenario t%pico de una !alla eléctrica $uándo un motor es nuevo la fuerza dieléctrica del sistema de aislamiento es muy alta. En una fuerza típica de aislamiento de vuelta a vuelta de un motor 2,970 está sobre 12=0. $on el tiempo el aislamiento se deteriora debido al proceso de des%aste térmico normal. El e(ceso de contaminación y el énfasis mecánico causarán un deterioro más rápido. Esto continuará asta que finalmente el aislamiento se aya deteriorado a un nivel que es afectado por las car%as ;ver la fi%ura 1<.
En este momento cada car%a tendrá como resultado un arco que causa más deterioro al aislamiento. $uándo el aislamiento de vuelta a vuelta se erosiona a un nivel al voltaje operacional" los conductores se soldarán causando la falla rápidamente debido a la alta corriente inducida. ;0er la fi%ura 2<.
¿Prueba de Alto &olta'e" #e las cuatro pruebas revisadas en este artículo" sólo dos son consideradas para ser de >alto voltaje?. Es importante entender lo que cada una de estas pruebas pueden y no pueden acer. Es la combinación de las pruebas correctas que ayudarán a encontrar la meta. Prueba de (esistencia del Aislamiento #esarrollada a inicios del si%lo @@" la prueba de resistencia de aislamiento ;infrarrojo< es la más vieja y la más difundida y utilizada para valorar la calidad del aislamiento a tierra. En esta prueba" el marco motriz es aterrizado" y el instrumento de la prueba ;me%ommetro< impone un voltaje de #$ en los bobinados motrices. La lectura de salida del instrumento es proporcionada en me%aomios. El sonido de un bobinado rinde una lectura de salida en centenares" o en miles" de me%aomios. )ara el embobinado aleatorio y la mica asfáltica el estándar >!5SABAEEE 21 del AEEE recomendaciones para la )ráctica para )rueba de la Cesistencia de !islamiento para máquinas rotatorias? prescribe , me%aomio más , me%aomio por =0 del ran%o de voltaje del motor como una lectura mínima aceptable. ,77D para los modernos embobinados son aceptables. )or ejemplo" la resistencia aceptable mínima para un motor 2970 es ,"29 me%aomios. La prudencia" sin embar%o" dicta que el motor debe de ser retirado del servicio para la ∧
reconstrucción del bobinado mientras que el bobinado a tierra esta aun por encima del valor aceptable mínimo. Las lecturas de la prueba de infrarrojo son sumamente sensibles a la temperatura y la umedad. )ara lecturas e(actas y si%nificativas" la prueba debe ser realizada cuando el motor a estado fuera de servicio por un período de tiempo suficientemente lar%o para aber alcanzado la temperatura ambiente. )ara impedir la condensación" la temperatura debe estar encima del punto de rocío. Las lecturas infrarrojas obtenidas entonces deben ser corre%idas a una temperatura uniforme de acuerdo con las tablas en las formulas del AEEE 21. Esta prueba es solo una prueba de aislamiento a tierra y no tiene valor para determinar la calidad del aislamiento de la vuelta a vuelta. Prueba del )ndice de Polari*ación Esta prueba de diez minutos de #$ es realizada en un voltaje inferior que la prueba de voltaje má(imo de acuerdo con AEEE21. )ara más información de niveles e(actos de voltaje ver la tabla disponible en AEEE21. na lectura del me%aomio es tomada en un minuto y otra vez en diez minutos para determinar la elasticidad del aislamiento a tierra. $uándo es colocado en un campo eléctrico" las moléculas del aislamiento a tierra se deben alinear con ese campo. ;0er la fi%ura 3< Si el aislamiento presenta des%aste" dureza" y esta quebradizo" nin%una polarización puede ocurrir.
El ndice de )olarización es la proporción de la lectura de la resistencia del aislamiento de diez minutos dividida por la lectura de un minuto. Sobre el período de ,7 minutos esta lectura debe aumentar por un factor de dos o más dando un >)A? de dos o más. Si el aislamiento es muy quebradizo el índice de polarización será uno o poco de uno" indicando que la polarización no
sucedió ;ver la fi%ura 9<. Esta prueba también sólo ve el aislamiento de tierra y no verá los problemas en el aislamiento de vuelta a vuelta.
Prueba de Alto Potencial DC +,iPotLa primera de las dos pruebas de >alto voltaje?" la prueba de #$ Fi)ot puede destapar las debilidades del aislamiento que quizás no necesariamente fueron detectadas en un procedimiento infrarrojo ni en el de )A. !demás de medir la resistencia %eneral del aislamiento a tierra" proporciona información en la fuerza dieléctrica del aislamiento. En este sentido" puede detectar las debilidades del aislamiento que son probables de fallar a tierra si esta sujeta a las car%as de alto voltaje transitorias que ocurren com*nmente en sistemas industriales de ener%ía. $on esta prueba" el marco motriz es aterrizado" y un voltaje de #$ es aplicado %radualmente en incrementos asta el má(imo del voltaje recomendado de la prueba AEEE Std 83 >)ráctica Cecomendada para )robar el !islamiento de !$ en maquinaria %rande rotatoria con !lto 0oltaje diri%ido? recomienda el voltaje má(imo de la prueba en ,"3 @ ,": 0line @. En cada paso asta este voltaje" la corriente de merma en micro amperes es leída y %raficada contra el voltaje correspondiente de la prueba de #$. El %ráfico resultante debe ser una línea recta. La ma%nitud de la corriente de merma y la cuesta resultante de la línea no es la *nica consideración. El criterio de importancia es que el %ráfico es" de eco" una línea recta. n au%e brusco en el ascenso del %ráfico indica un desperfecto del aislamiento. La prueba debe ser abortada inmediatamente para prevenir que el bobinado falle bajo la prueba. El motor puede re%resar al servicio" pero el reacondicionamiento del bobinado o su reemplazo debe ser planificado a la brevedad. El n*mero de pasos distintos en los que la prueba es realizada es opcional. Sin embar%o" tomando más pasos en rendimientos más peque4os de incrementos de voltaje se obtienen mejores resultados y aminora la posibilidad de que la prueba de voltaje se pasa de la raya. La mayoría de los jue%os de prueba de alto potencial incorporan interruptores de sobrecar%a para prote%er el bobinado si una debilidad es detectada. El más sensible de estos circuitos protectores puede operar cuándo la merma de corriente es tan baja como un micro ampere. El #$ Fi)ot es
también una prueba que sólo mira la tierra de pared y es de nin%*n valor para el aislamiento de la vuelta a vuelta. Prueba de Carga !unque la prueba de comparación de car%a fue desarrollado ace más de G7 a4os" es la prueba clásica más nueva realizadas para determinar la condición del aislamiento del bobinado. Esta prueba detecta los defectos de la vuelta a vuelta" rollo a rollo" y fase a fase que no pueden ser descubiertos por otros métodos. La )rueba de comparación de car%a se basa en la premisa del principio que en un estator sin nin%*n defecto del bobinado" las 1 fases del bobinado son idénticas. Esto es *til para el estator de forma de bobina sin rotores instalados. $ada fase es probada contra las otras H !-I" I-$" y !-$. El instrumento de la prueba impone un pulso breve de voltaje en la fase que e(perimenta la prueba y se reflejan pulsos en la pantalla del osciloscopio de instrumento. Si dos bobinados son idénticos ;como debe ser<" las imá%enes reflejadas son idénticas y aparecen como una sola uella.
Este método de comparación a sido utilizado en talleres motrices que reparan motores por más de 27 a4os. $uando se usa un probador de car%a como un instrumento predictivo de mantenimiento" la prueba no requiere la comparación de dos formas de onda. na prueba más sencilla es realizada que busca un cambio a la izquierda por la forma de ondas de la fase que esta siendo probada. Este cambio indica que la fuerza dieléctrica del aislamiento de la vuelta a vuelta a empeorado a un nivel debajo de las car%as de conmutación. na vez que el aislamiento se a debilitado a este punto" se necesitan tomar las decisiones con respecto al futuro del motor. $on la actual tecnolo%ía di%ital es posible adquirir los datos de la fase bajo la prueba en varios niveles de voltaje y juntarlos. Esta técnica es valiosa en detectar y documentar este cambio a la izquierda.
Conclusión !l probar un sistema de aislamiento de motor" es importante que se realicen las pruebas correctas. El entender que el motor muestra voltajes de asta 3pu" es importante que el sistema de aislamiento sea capaz de manejar el estrés más alto que su voltaje de operación normal. $omo se mostró en este artículo" si la prueba de alto voltaje no es realizada" es casi imposible detectar el aislamiento débil anticipado a la falla. #e las cuatro pruebas discutidas en este artículo tres conciernen al aislamiento a la tierra de pared sin nin%una consideración para la vuelta a vuelta. La prueba de car%a es la *nica prueba que mira el aislamiento de vuelta a vuelta. El aislamiento de vuelta a vuelta es la causa primordial de un alto n*mero de fallas eléctricas. Esta prueba simula características de una car%a en el arranque" aciéndola una prueba apropiada para el descubrimiento prematuro de un aislamiento débil. (e!erencias$ ,. Scump" #avid E." >)redict /otor 'ailure Jit Ansulation &estin%" >)lant En%ineerin% /a%azine" September" ,889. . Kotos" )eter !." /ember AEEE" /otor 'ailures #ue to Steep 'ront Sitcin% Sur%es+ &e 5eed for Sur%e )rotection serMs E(perience" > AEEE &ransactions on Andustrial !pplications" 0olume 17" 5umber 9" 5ovB#ec ,882. 1. =ema" 5.0." !rnem &e 5eterlands" F.N. &empelaar" >#eterminin% of &ransient Over 0olta%es $aused by Sitcin% of Fi% 0olta%e /otors.? 2. $raford" #.E." Neneral Electric company" >/ecanisms of /otor 'ailures.? 3. $ristiansen" =.!. and )ederson" !." >!n E(perimental Study of Ampulse 0olta%e penomena An ! Lar%e !$ /otor.? $urt Lanam es presidente de IaPer Anstrument $ompany. /iembro de la AEEE y %raduado de la niversidad de /issouri Jestern" $urt a trabajado en la industria del mantenimiento predictivo en los *ltimos ,9 a4os. ! impartido seminarios en estas materias en más de ,7 países y a través de los Estados nidos de !mérica. $urt puede ser contactado en clanamQbaPerinst.com
