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Solución de fallas prematuras 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 fabricante de clase mundial creador y 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 de Camtac Manufacturing de Linamar se puso en contactó con el Grupo de sistemas avanzados (ASG) de la empresa para hablar sobre un problema reciente con sus motores de compresión. Parece que los motores en 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 fallará y más raro aún era que fallaran los tres en un periodo de tiempo tan corto. "Una falla es una casualidad; dos es una coincidencia, pero una tercera vez que pase te das cuenta que hay algo más en marcha aquí", mencionó Leigh Copp, ingeniero en jefe y director de la unidad de negocios del Grupo de sistemas avanzados de Linamar.

El costo para que los motores se rebobinen oscila entre USD 6000 y USD 8000 cada uno. Luego está el costo 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 costo, una falla repentina en un compresor puede ser contagiosa. Las fallas resultantes de baja presión de aire pueden generar averías en otra maquinaria dentro de la instalación. "Necesitamos que funcionen tres cosas en una instalación típica: electricidad, aire comprimido y agua de refrigeración", dijo Copp. "Si alguno de dichos elementos se desactivan, estará fuera de servicio y puede ser una falla muy cara".

Linamar tuvo suerte. Ya que los motores fallaron en momentos distintos, el equipo fue capaz de trabajar en torno a las reparaciones. Pero para el momento en que 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 todas las 25 plantas de la empresa en el área de Guelph, al igual que las áreas en los Estados Unidos, México, Alemania, Hungría, Francia y China.

Seguimiento de las pistas

Uso de la pinza amperimétrica Fluke 381
Con el uso de la pinza amperimétrica Fluke 381, los técnicos midieron una cantidad significativa de corriente a tierra procedente de cada compresor de aire. Foto: cortesía de Linamar Corporation
La pantalla remota de la pinza amperimétrica Fluke 381
La pantalla remota de la pinza amperimétrica Fluke 381 acoplada al compresor #2 proporcionó un monitoreo sencillo a varios metros de distancia. Foto: cortesía de Linamar Corporation
Sonda flexible de corriente iFlex™
Los técnicos de Linamar colocaron la sonda flexible de corriente iFlex™ alrededor de los tres cables de alimentación en cada compresor con el fin de mostrar el flujo diferencial en el conductor a tierra. Foto: cortesía de Linamar Corporation

La energía entra a la planta de Camtac a través de un transformador de 5000 kVA que proporciona una alimentación principal de 5000 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 por ciento, en la tensión del motor pero había un desequilibrio de casi un 10 por ciento en la corriente del mismo, lo que podría causar un sobrecalentamiento significativo", dijo Copp.

Los ingenieros estaban un poco desconcertados porque, generalmente, un desequilibrio de tensión de 1 por ciento no genere un desequilibrio de corriente de 10 por ciento. Midieron la tensión en la alimentación principal y encontraron que tenía un buen equilibrio, el desequilibrio de 1 o 2 por ciento en la subalimentación no estaba presenta 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 medidor digital de aislamiento Fluke 1550B y no encontraron señas de deterioro u 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 los llevó a creer que los motores en servicio estaban sujetos a alguna clase de efecto de calentamiento que dañó los devanados.

Detección de corriente de tierra alta

Al ir 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 1200 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 enlazadas y que todas las conexiones a tierra estuvieran en buen estado. También usaron el Comprobador de resistencia de 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 mediciones 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 tensión en la subalimentación".

Las mediciones en la alimentación principal mostraron casi 200 A de corriente a tierra que fluía a través de los diversos cables de puesta 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 escenarios de trazado manual en pizarras y en la realización de análisis para averiguar de dónde provenía la corriente. Sospechaban que tenían un lazo 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 micro ohmímetro 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 planta volvió a entrar en servicio, sin embargo, aún estaba presente una corriente a tierra elevada.

Con base en 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 1200 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 la corriente a tierra fluyera", dijo Copp. "El conductor a tierra estaba colocado de acuerdo con las mejores prácticas de los fabricantes de cables y los códigos NEC/CEC, pero esta investigación sugiere que dichas prácticas posiblemente necesiten un segundo examen".

Diagrama A
En la configuración original de la bandeja de cables para la fuente de subalimentación que suministra energía a los tres compresores, el conductor de puesta a tierra se ubicó entre dos extensiones trifásicas paralelas de los cables conductores. Esto creó una interacción entre el conductor a tierra y los campos magnéticos del conductor de fase, lo cual causó que la corriente a tierra fluyera.
Diagrama B
Los técnicos de Linamar descubrieron una reducción significativa en la corriente a tierra después de reubicar el conductor a tierra (G) al lado de la bandeja de cables.

Mediante comprobaciones posteriores, el equipo del ASG y sus homólogos en Camtac plantearon la hipótesis 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. Aunque esto requeriría desactivar la potencia de los alimentadores del compresor. Así que esperaron una vez más a que se mostrará una ventada adecuada que marcara el momento en que la producción podría 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.

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

Corrientes a tierra y de fug
Corriente
Antes de la reubicaciónDespués de la reubicación
Conductor de puesta a tierra160 A45 A
Barra lateral de la bandeja de cables70 A20 A