Resolución de fallos prematuros en el motor

En los últimos 45 años, Linamar Corporation, con sede en Guelph, Ontario, Canadá, se ha ganado una bien merecida reputación global por ser un diseñador de clase mundial y un fabricante diversificado de componentes y sistemas metálicos de precisión para las industrias automotriz y energética y el mercado industrial de móviles.

A inicios de 2011, el grupo Camtac Manufacturing de Linamar se puso en contacto con el grupo de sistemas avanzados (ASG, por sus siglas en inglés) de la empresa para hablar sobre un problema reciente con sus motores de compresión. Parece que los motores de cada uno de los tres compresores de aire de 300 HP habían fallado en algún punto en el curso de los tres o cuatro años anteriores. Los motores eran relativamente nuevos, habían estado en servicio desde que la planta abrió en 2002. Se les daba mantenimiento a todos de manera periódica, de manera que era algo inusual que incluso uno fallara y más raro aún era que fallaran los tres en un periodo tan corto. "Un fallo es una casualidad; dos es una coincidencia, pero con una tercera vez que pase te das cuenta de que hay algo más", mencionó Leigh Copp, ingeniero jefe y director de la unidad de negocios del grupo de sistemas avanzados de Linamar.

El coste para que los motores se rebobinen oscila entre 6.000 $ y 8.000 $ cada uno. Luego está el coste del tiempo de inactividad. "Si su instalación debe tener un tiempo de inactividad no programado mientras cambia un motor, puede perder fácilmente decenas o cientos de miles de dólares en un solo cambio", agregó Copp.

Además del coste, un fallo repentino en un compresor puede ser contagioso. Los fallos resultantes de baja presión de aire pueden generar averías en otra maquinaria dentro de la instalación. "Necesitamos que funcionen tres cosas en una instalación normal: electricidad, aire comprimido y agua de refrigeración", dijo Copp. "Si alguno de dichos elementos se desactiva, se quedará fuera de servicio y puede resultar un fallo muy caro".

Linamar tuvo suerte. Dado que los motores fallaron en momentos distintos, el equipo fue capaz de trabajar en torno a las reparaciones. No obstante, cuando el tercer motor empezó a fallar, Camtac acudió al ASG para pedir ayuda y encontrar la causa del problema. El ASG pronostica y soluciona problemas particularmente complejos en las 25 plantas de la empresa en el área de Guelph, al igual que en Estados Unidos, México, Alemania, Hungría, Francia y China.

Seguimiento de las pistas

La energía entra a la planta de Camtac a través de un transformador de 5.000 kVA que proporciona una alimentación principal de 5.000 A y 600 V. Desde ahí, las fuentes de subalimentación de 1200 A se distribuyen en toda la planta, incluida la que alimenta a los tres compresores en cuestión. La bandeja de cables para la fuente de subalimentación alberga dos extensiones paralelas de un solo cable conductor para cada una de las tres fases y un conductor puesto a tierra a la mitad de la bandeja.

Copp y su equipo iniciaron sus investigaciones en los motores de compresión mediante el uso de una pinza amperimétrica Fluke 381 con una sonda iFlex™ para medir las tensiones y corrientes. "Encontramos que había un pequeño desequilibrio, quizás de 1 a 2 %, en la tensión del motor pero había un desequilibrio de casi un 10 % en la corriente del mismo, lo que podría causar un sobrecalentamiento significativo", dijo Copp.

Los ingenieros estaban un poco desconcertados porque, generalmente, un desequilibrio en la tensión de 1 % no genera un desequilibrio en la corriente de 10 %. Midieron la tensión en la alimentación principal y encontraron que tenía un buen equilibrio; el desequilibrio de 1 o 2 % en la subalimentación no estaba presente en la alimentación principal. Investigaron este hecho más a fondo con el uso de la pinza amperimétrica de calidad eléctrica Fluke 345 para buscar contenido de armónicos en la corriente del motor, pero encontraron una distorsión armónica muy escasa. También probaron el aislamiento del motor del compresor con un comprobador digital de aislamiento Fluke 1550B y no encontraron señas de deterioro ni otros problemas con el aislamiento.

Después, compararon los motores recién rebobinados con los motores en servicio y encontraron que la resistencia de fase a fase coincidía mejor en los nuevos motores. Esto les llevó a creer que los motores en servicio estaban sujetos a alguna clase de efecto de calentamiento que dañó los bobinados.

Detección de corriente de tierra alta

Al pasar de los motores a la subalimentación, el equipo identificó una corriente de tierra muy alta, cerca de 160 A, que fluía en el cable de enlace entre la subalimentación de 1.200 A y la alimentación principal. "Aunque se permite una corriente de 160 A, generalmente no debería haber ningún flujo de corriente a tierra a menos que haya alguna fuga", mencionó Copp.

Después, el equipo verificó que la derivación neutral estuviera firmemente enlazada y que todas las conexiones a tierra estuvieran en buen estado. También usaron el comprobador de conexión a tierra Fluke 1625 GEO para verificar que la red eléctrica a tierra estuviera presente y funcionando de manera adecuada.

Sin embargo, cuando midieron las corrientes a tierra procedentes de cada compresor de aire y a través de las bandejas de cables y del conducto metálico de aire, mediante el uso del Fluke 381, se toparon con más malas noticias. "Dichas medidas revelaron rutas múltiples a tierra con una cantidad significativa de flujo de corriente proveniente de cada compresor", dijo Copp. "Empleamos un osciloscopio portátil Fluke ScopeMeter® 190-204 con cuatro transductores de corriente de bobina para medir la magnitud y fase de los componentes de las corrientes a tierra que fluían en los conductores y la bandeja de cables adyacente. Se hizo evidente que algunos efectos inductivos contribuían a la corriente a tierra y que dichas corrientes podrían contribuir al desequilibrio de la tensión en la subalimentación".

Las medidas en la alimentación principal mostraron casi 200 A de corriente a tierra que fluía a través de los diversos cables de conexión a tierra encontrados en la alimentación. Ya en este punto, no podían ir más allá hasta el próximo apagado programado de la planta. Mientras tanto, Copp y otros dos ingenieros pasaron una gran parte de su tiempo en situaciones de trazado manual en pizarras y en la realización de análisis para averiguar de dónde provenía la corriente. Sospechaban que tenían un bucle a tierra en el cual se inducía la corriente a tierra por corrientes de fase.

Comprobación de la presunta causa

A finales de diciembre de 2011, Copp y su equipo emplearon un apagado de ocho horas en la planta de Camtac para llevar a cabo tantas pruebas estáticas como fuera posible con el fin de revelar el problema. Verificaron que no hubiera ningún hilo roto en el cable que se extendía entre la subalimentación y la alimentación principal. Midieron la resistencia de las extensiones paralelas del cable con un microohmímetro y encontraron que todas coincidían estrechamente. También desconectaron y limpiaron todas las conexiones a tierra, de enlace y del conductor de fase.

Una vez que la planta volvió a entrar en servicio, sin embargo, aún existía una corriente a tierra elevada.

Según las pruebas realizadas durante el apagado, el equipo del ASG concluyó que el problema provenía de la distribución de los conductores entre la alimentación principal y la subalimentación de 1.200 A. "Creímos que el conductor de interconexión estaba colocado en la ubicación física errónea dentro de la bandeja, lo que había provocado una interacción entre el conductor a tierra y los campos magnéticos del conductor de fase, que a su vez generó que fluyera la corriente a tierra", dijo Copp. "El conductor a tierra estaba colocado de acuerdo con las recomendaciones de los fabricantes de cables y los códigos NEC/CEC, pero esta investigación sugiere que dichas recomendaciones posiblemente necesiten una revisión".

Mediante comprobaciones posteriores, el equipo del ASG y sus homólogos en Camtac plantearon la hipótesis de que mover el conductor a tierra a una posición cercana al lado de la barra lateral de la bandeja de cables ayudaría a reducir las corrientes a tierra inducidas. No obstante, esto requeriría desactivar la energía de los alimentadores del compresor. Así que esperaron una vez más a que se diera un margen de tiempo adecuado en que la producción pudiera suspenderse durante algunas horas. Unos meses después, se dio dicha oportunidad y los ingenieros de Camtac se encargaron de la reubicación.

Inmediatamente después de que se reconectara la energía, los ingenieros midieron las corrientes a tierra y en la barra lateral.

"Enseguida se hizo evidente una reducción significativa en la corriente a tierra después de reubicar el conductor a tierra", dijo Copp. "Seguimos supervisando el sistema para verificar si mejoran los efectos a largo plazo y se reduce la degradación de los bobinados del motor. Hasta ahora, no hemos visto ningún incremento en la corriente a tierra ni más fallos en el motor del compresor. Seguiremos supervisando la instalación para verificar cómo van funcionando los motores a lo largo del tiempo".