Cinco puntos de prueba clave para comprender el rendimiento y la eficiencia de los motores

Los accionamientos de motores son una tecnología omnipresente que transforma la tensión CA de la red eléctrica en un valor de tensión variable con el que se controlan el par y el régimen de motores. Es perfecta para motores con los que se accionen cargas de equipos mecánicos. Los accionamientos de velocidad son más eficientes que los motores en línea y ofrecen un grado de control imposible para los motores simples de accionamiento directo. Estos factores dan como resultado un ahorro energético, un mayor rendimiento para la producción y una vida útil más prolongada para los motores.

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Según el Departamento de Energía de EE.UU. (DOE), los motores son de vital importancia para el funcionamiento de cualquier fábrica y su consumo eléctrico asciende a entre el 60% y el 70% del total de estas. El DOE también destaca que los variadores de velocidad son dispositivos que permiten un ahorro de costes muy considerable para las fábricas. No sorprende, pues, que los accionamientos de este tipo se utilicen en motores de muchos sectores e instalaciones. Para garantizar el tiempo de actividad de estos sistemas de motores, las tareas de mantenimiento y resolución de problemas constituyen una prioridad.

Dificultades a la hora de realizar pruebas en accionamientos de motores

La resolución de problemas y comprobación de accionamientos, también denominados variadores de velocidad o frecuencia, suelen ser realizados por especialistas que emplean diferentes instrumentos de prueba, como osciloscopios y multímetros. Estas comprobaciones suelen implicar un cierto grado de ensayo y error, y para ellas se utiliza un proceso de descarte por envejecimiento. Dada la complejidad de los sistemas de los motores, las comprobaciones suelen efectuarse anualmente a menos que algún sistema comience a fallar. Determinar cuándo hay que iniciar las pruebas puede presentar problemas si se tiene en cuenta que suele no existir historial alguno de los equipos o, de haberlo, suele estar incompleto. El historial está formado por documentos sobre pruebas y medidas concretas realizadas con anterioridad, trabajos llevados a cabo o el estado en el que se dejó cada uno de los componentes. Los avances realizados en materia de tecnología de comprobación han eliminado algunos de estos problemas. Los instrumentos más recientes, como el analizador de motores de Fluke (modelos MDA-510 y MDA-550), están diseñados para una mayor eficiencia en los procesos de comprobación de motores y más claridad de uso, además de contar con la capacidad de documentar todo el proceso paso a paso. Estos informes pueden se pueden guardar y comparar con comprobaciones posteriores para obtener una visión más general del historial de mantenimiento de los motores.

Una forma más sencilla de solucionar problemas con variadores de velocidad

Este analizador de motores avanzado, que aúna funciones de medidor, osciloscopio portátil y registrador con la orientación de un instructor cualificado, utiliza mensajes emergentes en pantalla, diagramas de configuración nítidos e instrucciones paso a paso redactadas por expertos en motores para orientarle por las pruebas esenciales. Este nuevo método de división y simplificación de las comprobaciones permite que los expertos en motores más experimentados trabajen rápidamente y con confianza para conseguir el nivel de detalle que exigen. También proporciona a aquellos técnicos con menor experiencia una forma más rápida para iniciarse en el análisis de motores.

Determinar la causa fundamental de la avería de un motor o llevar a cabo inspecciones de mantenimiento preventivo periódicas es más fácil con una serie de comprobaciones y medidas estandarizadas para analizar los principales puntos del sistema. Para evaluar todo el sistema se emplean diferentes técnicas de medida y criterios de evaluación, empezando por la alimentación de entrada y terminando por la salida.

Las siguientes son pruebas esenciales para la resolución de problemas en motores:

(Tenga en cuenta que los analizadores de motores de Fluke le orientan durante estas pruebas y automatizan muchos de los cálculos necesarios para proporcionarle la seguridad de obtener resultados correctos). Además, es posible guardar datos en un informe en casi cualquier punto de las pruebas, lo que le permitirá disponer de documentación que poder cargar en un sistema de gestión de mantenimiento por ordenador (CMMS), compartir con un compañero o consultar con un experto.

Nota sobre seguridad: Recuerde leer siempre la información sobre seguridad del producto antes de realizar cualquier prueba. No trabaje solo y cumpla todas las normas de seguridad. Utilice equipos de protección personal (guantes de goma, protección facial y prendas ignífugas homologadas) para evitar lesiones por descarga o por arco eléctrico debido a la exposición a conductores con corriente.

Para iniciar cada comprobación con un analizador de motores de Fluke, basta con conectar las sondas de prueba como indica el diagrama y pulsar Next (Siguiente).

Conexiones fase a fase
Conexiones de medida guiadas paso a paso para la entrada del variador

1. Entrada del variador

Analizar la alimentación suministrada al motor es un excelente primer paso para determinar si alguno de los circuitos de alimentación del variador presenta distorsiones, perturbaciones o ruido que pudieran estar afectando a la conexión a tierra.

Pruebas

Compare la tensión nominal del variador con la tensión real suministrada para observar rápidamente si los valores correspondientes están dentro de los límites permisibles. Un valor situado fuera del rango más de un 10% puede indicar un problema con la tensión de alimentación. Observe si la corriente de entrada está dentro de los valores máximos y si los conductores tienen la capacidad adecuada.

  • Compare la frecuencia obtenida con el valor especificado para la frecuencia. Una diferencia superior a 0,5 Hz puede originar problemas.
  • Compruebe si la distorsión armónica se encuentra dentro de un nivel aceptable. Inspeccione visualmente la forma de la onda, o bien consulte la pantalla de espectro de armónicos, en la que se muestran tanto la distorsión armónica total como cada armónico. Por ejemplo, si las formas de onda tienen la parte superior plana puede indicar que existe una carga no lineal conectada al mismo circuito de alimentación. Si la distorsión armónica total (THD) es superior al 6% es posible que se haya producido algún problema.
  • Compruebe el desequilibrio de tensión en los terminales de entrada para asegurarse de que el desequilibrio de fase no sea demasiado elevado (de entre menos del 6% al 8%) y de que la rotación de fase sea correcta. Una lectura de desequilibrio de alta tensión puede ser indicativa de la existencia de errores en las fases. Una lectura de más de un 2% puede dar lugar a muescas de tensión y hacer que se active de la protección contra fallos por sobrecarga del variador o perturbar otros equipos.
  • Efectúe una comprobación para comprobar el desequilibrio de corriente. Un desequilibrio excesivo puede ser indicativo de algún problema en el rectificador del variador. Una lectura de desequilibrio de corriente de más del 6% puede indicar un problema con el inversor del motor.

2. Bus de CC

La conversión de CA a CC en el variador es de la máxima importancia. Disponer del valor de tensión correcto y de una atenuación adecuada con un bajo rizado es esencial para conseguir el mejor rendimiento del variador. Una elevada tensión de rizado puede indicar un fallo en los condensadores o que el motor conectado no es del tamaño correcto. La función de registro del analizador de motores MDA-500 de Fluke se puede utilizar para comprobar el funcionamiento del bus de CC de forma dinámica en modo de funcionamiento cuando se aplica una carga. También es posible utilizar un ScopeMeter® o un multímetro avanzado de Fluke para llevar a cabo esta comprobación.

Pruebas

Nivel 1 de bus de CC del variador
Rizado en un bus de CC
  • Calcule si la tensión del bus de CC es proporcional al pico de tensión de la línea de entrada. Excepto para rectificadores controlados, la tensión debe ser entre 1,31 y 1,41 veces el valor eficaz de la tensión de línea. Una lectura baja de tensión de CC puede activar el inversor. Esta baja tensión puede deberse a que se suministre un voltaje bajo desde la red eléctrica principal o a distorsiones en la tensión de entrada, como aplanamientos en la parte superior de la forma de onda.
  • Compruebe si hubiera alguna distorsión o error en la amplitud del pico de la tensión de la línea. Estos fenómenos podrían dar pie a un error por exceso o defecto de tensión. Una lectura de tensión de CC con una variación de ± 10% respecto a la tensión nominal puede indicar algún problema.
  • Observe si los picos de rizado de CA se producen a un grado de repetición diferente. Tras la conversión de CA a CC, continuará existiendo un ligero componente de rizado de CA en el bus de CC. Pueden producirse tensiones de rizado superiores a 40 V como consecuencia de averías en los condensadores o de una variación demasiado pequeña para el motor conectado o la carga.
Corriente de la tensión de salida del variador 1
Tensión y corriente de la salida del variador

3. Salida del variador

Comprobar la salida del variador es de la máxima importancia para garantizar un funcionamiento correcto del motor y puede ofrecer pistas sobre qué problemas existen en los circuitos del variador.

Pruebas

  • Calcule si la tensión y la corriente están dentro de los límites. Una corriente de salida elevada puede aumentar la temperatura, acortando así la vida útil del aislamiento del estator.
  • Compruebe la relación tensión/frecuencia (V/Hz) para asegurarse de que se encuentre dentro de los límites especificados para el motor. Una relación alta puede hacer que el motor se sobrecaliente, mientras que una relación baja puede ocasionar pérdidas de par motor. Una frecuencia estable con una tensión inestable puede indicar que existe algún problema con el bus de CC; una frecuencia inestable y una tensión estable pueden ser indicativas de problemas de conmutación (IGBT). Si tanto la frecuencia como la tensión son inestables, es posible que existan problemas con los circuitos de control de velocidad.
  • Compruebe la salida del variador centrándose en la relación tensión-frecuencia (V/F) y la modulación de la tensión. Cuando se mide una alta relación V/F alta, el motor podría sobrecalentarse. Con relaciones V/F bajas, el motor podría ser incapaz de suministrar el par necesario a esa carga para realizar el proceso deseado adecuadamente.
  • Compruebe la modulación de la tensión con medidas fase a fase. Los picos de alta tensión pueden dañar el aislamiento del devanado del motor y afectar al variador. Los picos de tensión de más del 50% de la tensión nominal son problemáticos.
  • Compruebe la pendiente de los impulsos de conmutación indicados por la lectura del variador. El tiempo de aumento o la pendiente de los impulsos se indican con la lectura de dV/dt (índice de cambio de tensión a lo largo del tiempo) y se deben comparar con el aislamiento especificado para el motor.
  • Compruebe la frecuencia de conmutación con una fase a CC. Detecte si hubiera cualquier posible problema con la conmutación electrónica o la conexión a tierra. Las fluctuaciones de señal hacia arriba y hacia abajo podrían ser un signo de este tipo de problemas.
  • Mida el desequilibrio de tensión, preferiblemente a carga máxima. El desequilibrio no debe ser superior al 2%. El desequilibrio de tensión provoca un desequilibrio de corriente, que puede traducirse en un calor excesivo en el devanado del motor. Una de las causas que pueden provocar desequilibrios son las averías en los circuitos del variador. Los fallos en una fase causan el denominado "funcionamiento monofásico" y pueden elevar la temperatura de funcionamiento del motor, hacer que este no arranque después de apagarse, ocasionar pérdidas de eficiencia y, posiblemente, dañar tanto el motor como la carga conectada.
  • Mida el desequilibrio de corriente, que no debe superar el 10% para motores trifásicos. Un desequilibrio significativo a bajas tensiones puede apuntar a que los devanados del motor están cortocircuitados o a que las fases están derivadas a tierra. Además, los desequilibrios de consideración también pueden hacer que se active el variador, originar temperaturas elevadas en el motor y quemar los devanados.

4. Entrada del motor

La tensión suministrada a los terminales de entrada del motor y la elección de los cables que van del variador al motor son fundamentales. Elegir unos cables incorrectos puede causar daños tanto en el variador como en el motor debido a unos picos de tensión reflejada excesivos. Estas pruebas son en su mayoría idénticas a las de las salidas de variadores indicadas anteriormente.

Pruebas

  • Compruebe que la corriente presente en los terminales se encuentre dentro de los valores de capacidad del motor. La sobrecorriente puede aumentar la temperatura de funcionamiento del motor y acortar la vida útil del aislamiento del estator, lo que puede originar averías prematuras en el motor.
  • La modulación de la tensión ayuda a detectar picos de alta tensión a tierra que podrían dañar el aislamiento del motor.
  • Los desequilibrios de tensiones pueden afectar de gravedad a la vida útil del motor y pueden indicar averías en el inversor. Pueden originar cortes de tensión y hacer que se active la protección contra fallos por sobrecarga.
  • Un desequilibrio de la corriente puede indicar un desequilibrio de la tensión o problemas con el rectificador del variador.
Ingeniero de MDA

5. Tensión del eje del motor

Los impulsos de tensión de un variador de motor pueden acoplarse desde el estator de un motor a su rotor, lo que genera una tensión en el eje del rotor. Si la tensión del eje del rotor supera la capacidad de aislamiento de la grasa del rodamiento, se pueden producir descargas de corriente (chispas) que forman picaduras y estrías en la pista de rodamiento del motor, lo cual a su vez puede hacer que el motor falle prematuramente.

Prueba

  • Mida la tensión entre el chasis del motor y el eje del variador. Por ejemplo, el MDA-550 cuenta con una sonda con escobilla de fibra de carbono a tal efecto. Mediante esta prueba puede detectarse fácilmente la presencia de corrientes disruptivas destructivas, mientras que la amplitud de los pulsos y el recuento de eventos le permitirán tomar medidas antes de que se produzca una avería.
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