Al igual que con los otros componentes dentro del sistema motriz, el PWM tiene diferentes modos de falla y para propósitos de localización de fallas un electricista utiliza comúnmente un Multímetro Digital (DMM), un osciloscopio digital y un analizador de calidad de energía. Estos tres instrumentos permiten al electricista localizar fallas de problemas relacionados a la energía entrante y al impulsor motriz, pero ofrece capacidad limitada para la detección de defectos dentro del mismo motor y de la carga del impulsor motriz. Además, como estos instrumentos vienen por separado y pueden ofrecer limitada capacidad para emitir informes, las pruebas con el propósito de Mantenimiento Predictivo (PdM) o Monitoreo Basado en Condición (CBM) pueden ser difíciles.
Aquí es donde el Análisis Eléctrico de Firma (ESA por sus siglas en ingles) ofrece ventajas claras sobre el DMM, el osciloscopio, y el analizador de calidad de energía para propósitos de prueba de Confiabilidad. Además, aparte de evaluar la condición de la energía entrante y de los elementos de fuerza motriz, también evaluará la condición del motor y la carga para muchos modos comunes de fracaso.
Sobre ESA
El ESA es un método de prueba en línea donde el voltaje y las formas de ondas actuales son captados mientras el sistema motriz trabaja y después, a través de una Transformada Rápida de Fourier (FFT por sus siglas en ingles), se realiza un análisis espectral a través del software proporcionado. De este FFT, los defectos relacionados a la energía entrante, el circuito de control, el motor en sí, y la carga accionada son detectados y entonces pueden ser tendenciados para propósitos de CBM/PdM. Nuestro instrumento particular de ESA es portátil, y opera con batería.
Todos los sistemas de análisis de ESA requieren de la información voltaje del motor que se encuentra en la placa de identificación en el motor que incluye, voltaje, velocidad operacional, corriente de carga total, y caballos (o kW). Adicionalmente, información opcional como barra del rotor y conteo de ranuras del estator, números de parte de los cojinetes, y la información para los componentes del impulsor motriz, como conteo de hojas para un ventilador o dientes para una aplicación de una caja de engranaje, pueden ser ingresados para un análisis más detallado y exacto.
Ya que ESA es nuevo para muchas personas, debajo mostramos un gráfico que ilustra los defectos generales que ESA detecta. Vea la Figura 1.
Este artículo discute las 3 fallas comunes con un Impulsor de PWM:
- Un diodo de entrada abierto en el puente rectificador.
- Condensadores fallando en el circuito intermedio de DC.
- Transistor bipolar de puerta aislada (IGBT) aislado mal.
De los tres, la falla de los condensadores es la más difícil de detectar prematuramente, como no hay signos inmediatos de esta condición monitoreando el desempeño del motor.
Acerca del Impulsor
La figura 2 ilustra los bloques básicos a un impulsor motriz de PWM (o drive) que incluye la energía entrante de AC, el puente de diodo de onda total que rectifica el voltaje entrante de AC, el circuito intermedio de DC que contiene el condensador (condensadores), el puente inversor y el motor.
Al realizar pruebas con ESA, las conexiones del voltaje y corriente son hechas al sistema motriz que está siendo probado. Esto es realizado normalmente en el centro motriz de control y las conexiones son hechas utilizando puntas de voltaje portátiles y transformadores portátiles de corriente o por cajas de conexión especiales anteriormente instaladas. La ventaja a la caja de la conexión es la capacidad de tomar los datos sin abrir el tablero de control motriz para hacer las conexiones necesarias.
Con aplicaciones de PWM dos conjuntos de datos deben ser tomados, uno en la entrada al drive de PWM y el otro en la salida. El proceso total de la recolección de datos (después de que las conexiones propias se hayan realizado) toma aproximadamente 4 minutos y hasta este punto no se requiere ninguna información de la placa de Información del motor. Esta información puede ser ingresada más tarde al realizar el análisis de datos.
Los archivos de datos entonces son vistos utilizando el software proporcionado y un informe en Microsoft® WORD es generado. El software proporciona herramientas fáciles de usar para trabajar con los espectros diferentes de análisis. Las conclusiones del software pueden ser vistas sin necesidad de emitir un informe completo.
El software informa automáticamente lo Siguiente:
El Factor de energía, la Corriente de desbalance, el Voltaje de desbalance y voltaje de RMS a la placa de identificación, la Carga a la placa de identificación, Conexión de Fase, el estado del Rotor, el estator eléctrico y el estado mecánico, vacio del Rotor/Estator, Distorsión Harmónica Total (Voltaje y Corriente), indicaciones de desalineación/desbalance y el estado de los cojinetes.
También informa Pico de Voltaje y Corriente y Factor Cresta, Impedancia de Fase, Energía (Aparente, Real y Reactiva), Velocidad Operacional, y Frecuencia de Línea. Para motores de inducción AC y DC también calculará eficiencia motriz.
Un usuario con habilidad promedio puede correr un análisis total y generar un informe en menos de 10 minutos por motor.
Primer Caso
El primer Caso es el impulso de un motor que se recibió en EMA Inc., Cortland, EEUU, en el complejo de Nueva York. El impulsor y el motor trabajaban en un dinamómetro para prueba.
Dos conjuntos de datos fueron recolectados. El primero es una forma de ondas de una sola captura en la entrada al impulsor y después el segundo conjunto fue tomado en la salida del impulsor. Los segundos datos incluyen una captura de voltaje y corriente de forma de ondas, además 50 segundos de voltaje y corriente de formas de ondas.
La Figura 6 muestra la corriente de forma de ondas entrante para la fase C. Note que faltan los picos negativos. Esto es causado por un diodo abierto.
El ESA generó automáticamente un informe que identifica tanto el desbalance de Corriente como el exceso de distorsión harmónico, que es causado por el diodo abierto.
Esta primera página del informe es solo un resumen y hay páginas adicionales que proporcionan detalles para cada uno de los principales títulos. Un gran desbalance de fase de corriente, como es visto aquí, dañará los componentes internos del impulsor de PWM y puede estresar al transformador de suministro que alimenta el impulsor motriz.
Segundo Caso
El segundo caso fue recibido por EMA para reparación e implica condensadores añejos en el banco del condensador. El problema es que como estos condensadores comienzan a envejecer y deteriorarse, el desempeño del motor no proporcionará ninguna indicación obvia. Una vez que los condensadores comienzan a fallar, corriente adicional es llevada por los condensadores buenos, que crea calor excesivo en los condensadores, y el calor adicional acelera el fracaso de los condensadores restantes. Estos condensadores tienen aberturas para disipar la presión excesiva dentro, pero es posible para estos condensadores el estallar, si no se ventilan lo bastante rápido. Adicionalmente, el excesivo voltaje de onda suministrado al motor causará corriente armónica que será dibujada por el motor. Estas corrientes armónicas crearán una secuencia de torque negativa, desempeño motriz pobre, y daño adicional de calor dentro del motor.
La figura 9 muestra el voltaje en la salida del impulsor y esto es para un buen impulsor con condensadores en buen estado.
Figura 10 muestra la ondulación generada por condensador bus dañado.
Tercer Caso
El tercer caso fue recibido por EMA para su reparación. La forma de ondas de salida muestra un IGBT (Transistor bipolar de puerta aislada, IGBT por sus siglas en ingles) que no enciende. Esto crea tanto un desbalance en la corriente como una distorsión de forma de ondas.
El reporte automático de ESA también identifica el desbalance de corriente. Ver Figura 13.
Conclusión
En conclusión, DMM, el osciloscopio, y los instrumentos de calidad de energía proporcionan una buena localización de fallas para los impulsores PWM de motores. Sin embargo, no se integran bien a un programa de confiabilidad de prueba de motor eléctrico debido a limitaciones en la recolección de datos y la generación de informes. Además, proporcionan información pequeña con respecto a los problemas relacionados al motor y a la carga.
El Análisis eléctrico de Firma, permite al técnico de confiabilidad ver el sistema motriz completo de la energía entrante por la carga accionada. Con las aplicaciones de PWM la recolección de datos toma menos de 4 minutos después de que las conexiones de corriente y voltaje se han efectuado. De este proceso de 4 minutos un análisis completo puede identificar rápidamente problemas como diodos de rectificación fallidos, condensadores bus pobres de DC, y IGBT fallidos, antes que el impulsor o el fracaso del motor causen que falle el sistema motriz.
Es importante notar que en los tres casos, el motor todavía puede estar operando, puede estar dependiendo de la carga y otros factores operacionales, pero la certeza del sistema para continuar trabajando esta comprometida. La capacidad de ESA para identificar estos defectos prematuramente, antes de que un daño adicional al motor o al impulsor de PWM ocurra, ayudará a minimizar el costoso tiempo de inactividad, aumentar la confiabilidad del, y prevenir posiblemente un daño catastrófico al equipo o posibles accidentes al personal.
Acerca de los autores
Richard Scott es el Gerente Nacional de Ventas y Don Haapapuro, CMRP, es el Gerente de Cunetas Claves para
ALL-TEST Pro, LLC. ALL-TEST Pro es fabricante de equipos de prueba portátiles para Análisis de Circuito Motriz (MCA), Análisis de Firma Eléctrico (ESA), y Análisis de Calidad de Energía (PQ) utilizados para pruebas de Mantenimiento Predictivo, Control de Calidad, y detección de fallas en motores eléctricos, generadores, transformadores, bobinas y devanados. Los instrumentos de ALL-TEST PRO® para MCA proporcionan una detección prematura de las fallas eléctricas incluyendo: fallas de bobina, desbalance de fase, fallas de rotor y fallas a tierra. Los instrumentos de ALL-TEST PRO® para ESA y PQ proporcionan análisis automático de la energía entrante, del motor eléctrico, a través de la carga impulsora, tanto eléctrica como mecánica. Los instrumentos son portátiles, operados por baterías, fáciles de usar y probaran virtualmente cualquier tipo o tamaño de motor eléctrico, generador, transformador, incluso de una ubicación remota. El sitio de internet www.alltestpro.com.
Dean Williams es el Vice Presidente de Servicios Técnicos de EMA, Inc. y trabaja fuera del Centro de Servicios de Cortland, Nueva York, EEUU. EMA vende y da servicio a impulsores de motor además de que ofrece capacitación para detectar apropiadamente las fallas en los impulsores motrices. Sitio de Internet www.emainc.net.
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