En los próximos dos artículos, discutiremos tres métodos "modernos" de evaluar la condición del sistema de aislamiento incluyendo los dos métodos de Análisis de Circuito Motriz (MCA) y la prueba de comparación de carga. Cada una de estas metodologías operan de forma distinta en cómo evalúan la condición de aislamiento a tierra y el sistema de aislamiento de entre-vueltas de una máquina eléctrica.

Al ir progresando por los artículos anteriores, usted quizás había advertido que la parte primaria del análisis de aislamiento se centró en el sistema de aislamiento de tierra-pared. En el artículo de marzo del 2007, discutimos la operación del sistema de aislamiento mismo, y cómo los instrumentos de prueba de aislamiento de tierra-pared de alto voltaje trabajan. Sin embargo, el mayor número de fallas eléctricas en el bobinado de un motor ocurre realmente entre conductores o bobinas, con sólo 17% de las fallas de aislamiento terminan con una falla de aislamiento a tierra.

A causa de la naturaleza reactiva de la avería de aislamiento de vuelta y bobina, las lecturas de resistencia de DC de fase a fase no los detectara en ninguna etapa hasta que los conductores fallen o de algún modo entren en contacto directo uno con el otro. Esto significa que usted o debe detectar la debilidad del aislamiento o la degradación de aislamiento. Las tecnologías que discutiremos incluyen la debilidad de aislamiento (prueba de comparación de carga) y degradación de aislamiento (MCA) por mirar los componentes reactivos del sistema. También exploraremos a los tres principales jugadores en estas tecnologías: ALL-TEST Pro, Baker Instruments y PdMA y cómo ellos utilizan estas tecnologías, en combinación con parte de otras pruebas que hemos discutido en esta serie, para proporcionar el diagnóstico motriz y soluciones basadas en la condición. En este artículo, discutiremos la prueba de bajo voltaje y en el próximo artículo discutiremos los métodos de prueba de alto voltaje.

Análisis de Circuito Motriz

Los dispositivos modernos de MCA utilizan salidas sinusoidales de bajo voltaje diseñadas para excitar las bipolas del sistema de aislamiento y bipolas de acero magnéticas circundantes así como otras pruebas de aislamiento de DC para obtener una vista más completa de la condición del sistema de aislamiento. Hay varios beneficios clave a este enfoque: El tamaño y la calificación de voltaje de la máquina para ser probada no importa; en muchos casos, los criterios específicos de pasa/falla pueden ser aplicados para comparaciones de prueba a prueba; y, la Degradación puede ser tendenciada con el tiempo sin ningún efecto adverso en la condición existente.

Detección de Contaminación de las Bobinas

Hay varias maneras de detectar la contaminación de las bobinas utilizando MCA. Estos métodos incluyen: La prueba tradicional de la resistencia del aislamiento; la Prueba de Índice de Polarización y Absorción Dieléctrica; Capacitancia; y, comparación de Impedancia e inductancia.

Porque una de las últimas medidas en cambiar debido a una falla en la bobina es inductancia (L), un resultado de prueba de L puede ser utilizado como una referencia. Esto es importante, como la posición relativa del rotor en una máquina realizará la lectura debido a inductancia mutua. Al considerar el estator como el primario en un transformador, y el rotor como secundario, el número de vueltas en relación con uno al otro dará lecturas ligeramente diferentes. En cada posición del rotor de un motor de inducción, la proporción de vueltas será ligeramente diferente en cada fase, causando un valor ligeramente diferente de inductancia.

La contaminación de las bobinas causa cambios a la capacitancia del circuito de la bobina debido a la polarización de los contaminantes (es decir: humedad). Al referenciar la fórmula sencilla de impedancia, identifica que un cambio en la capacitancia tendrá un impacto negativo en la impedancia. También, con instrumentos que utilizan voltajes muy bajos, la reactancia de la capacitividad tiene un impacto más significativo en la impedancia como que el valor de capacitividad es más dominante. El resultado, utilizando una salida relativamente de baja frecuencia y sinusoidal, es un colapso de impedancia hacia la inductancia en la fase que tiene el impacto más grande de la contaminación o la humedad. En casos de humedad alta, el aislamiento tiene que tener fisuras o defectos para causar el cambio. Sin embargo, puede detectar inter-vuelta, inter-bobina y contaminación del extremo de la bobina.

Otro impacto estará en la tendencia de la capacitancia de circuito, al compensar especialmente la humedad ambiente en máquinas que han refrescado a la temperatura ambiente, y a temperatura de prueba, que también tiene un impacto directo en medidas de solo capacitancia. El nivel de la sensibilidad de este tipo de medida es una espada de doble filo. Mientras tiene la sensibilidad a cambios ambientes de temperatura y humedad de prueba en prueba, también puede detectar cambios muy temprano, haciéndolo una excelente prueba de tendencia. Los usuarios con experiencia limitada deben considerar pruebas adicionales antes de hacer una decisión basados en esta medida. Esta medida también puede detectar inter-vuelta, inter-bobina y contaminación del extremo de la bobina.

El Índice de Polarización (PI) y Absorción Dieléctrica (DA) detectará cuándo se edifiquen contaminantes entre los conductores y tierra. Como se menciono en la edición de febrero, 2007 de la Revista Uptime en "Manteniéndose al ritmo de Resistencia," la proporción de 10 minutos a 1 minuto de la lectura de la resistencia del aislamiento para PI y de 1 minuto a 30 segunda para DA detectará la mayoría de los asuntos de contaminación cuando se Tendencione. Sin embargo, para pruebas solo de PI o DA, un enfoque diferente puede ser tomado. En este enfoque, la curva es vigilada todo el tiempo. Si el bobinado está limpio y seco, la curva será lisa. Sin embargo, si hay depresiones repentinas en la curva, identifica descargas capacitivas que indican contaminación.

Bobinas sobrecargadas

Las bobinas sobrecalentadas tienen un impacto semejante a la contaminación. La diferencia es que el aislamiento degrada térmicamente causando un aumento de la resistencia a la acción dipolar. En este caso, el valor de la capacitancia cambiará causando una disminución en la impedancia en una o más fases.

Tanto en la contaminación como en la sobrecarga del bobinado, el resultado será un corto. La contaminación puede ser corregida con la limpieza, humedecer y secar, si se detecta y se corrige en sus fases iniciales. Sin embargo, una vez que los cambios ocurren, la bobina tendrá que ser reemplazada. Si el asunto es sobrecarga, la acción correctiva es el rebobinado.

Corto de bobina

Uno de las claves para una apropiada prueba de MCA es que la inductancia no es utilizada como un método primario de detección de desarrollo de cortos. En vez de eso, dos medidas específicas son utilizadas en combinación para determinar el tipo y la severidad del defecto. Estas medidas son el ángulo de fase de circuito y el método de respuesta de corriente/frecuencia.

Cuándo un defecto ocurre en la bobina, cambia la capacitancia efectiva del circuito. El cambio en la capacitancia afectara directamente en cómo la corriente de bajo nivel se desarrolla con retraso del voltaje con el resultado usual que es un aumento en la capacitancia y una reducción del ángulo de fase en la fase afectada. Una vez que el defecto llega a ser más severo, comenzará a afectar las fases circundantes. Esto ocurre normalmente cuando el defecto existe en un bobinado o entre bobinados en la misma fase. Un cambio muy pequeño en la capacitancia dentro del circuito puede ser detectado, permitiendo el descubrimiento de fallas de una sola vuelta y cortos de perforaciones cuando se usan frecuencias muy bajas.

Un segundo método de detección de fallas utiliza una proporción de corriente, semejante en el método a la prueba de la respuesta de frecuencia utilizado para pruebas de transformador. Sin embargo, la corriente bajo voltaje es medida, entonces la frecuencia es duplicada exactamente y una reducción de porcentaje en la corriente de bajo nivel es producida. Cuándo la frecuencia es duplicada, pequeños cambios a la capacitancia entre conductores o fases son amplificados, causando un cambio a la reducción del porcentaje cuando es comparado entre fases.

La combinación de fase de ángulo de fase y la respuesta de corriente/frecuencia permite la detección de cortos de bobinado y el tipo de corto detectado en cualquier tamaño de máquina. También, debido al uso de bajo voltaje y el resultado que sólo un pequeño cambio a la capacitancia del circuito es requerido para detectar las fallas, los defectos prematuros del bobinado se pueden detectar rápidamente y tendenciar hacia la falla.

Otro método para detectar las ultimas etapas de la falla del bobinado es el de realizar una prueba de inductancia de rotor. Al terminar la prueba, si una fase cambia apreciablemente de las otras fases, o ya sea que indica una desbalance significativa de la fase o un corto del bobinado. Si el motor ha sido probado anteriormente, un cambio indicaría un corto del bobinado.

Prueba de Rotor con MCA

Las lecturas de la inductancia de MCA pueden ser utilizadas para determinar si existen defectos de barra de rotor en el motor eléctrico. El dispositivo de MCA excita al acero basado en la cantidad de corriente disponible al circuito y reacciona a través de los vacíos de aire. La relación directa a la capacidad de detección del circuito de rotor a través del vacío de aire depende de la distancia a través del vacío de aire, el área de acero imantada y la longitud del centro del estator. En centros más largos, el efecto llevará a través del vacío de aire y excitará el centro del rotor e inducirá la frecuencia del instrumento en el circuito del rotor. En máquinas grandes, la cantidad de energía disponible de un dispositivo de MCA permite el descubrimiento de defectos de rotor sólo encima del área rodeando inmediatamente cada lado del bobinado.

Esto produce multiples efectos:

1. La inductancia mutua cambia mientras la posición de rotor cambia como un resultado directo del cambio a la proporción del transformador entre el primario (estator) y secundario (rotor). Un rotor bueno mostrará una pauta que repite, una barra mala de rotor cambiará la proporción del transformador y un defecto aparecerá como un patrón de no-repetición.

2. Las fracturas serán detectadas fácilmente mientras la energía inducida es relativamente baja y los óxidos en la superficie del defecto bloquearán la corriente de bajo nivel con el mismo resultado como una barra de rotor mala, como arriba. Mientras que, en pruebas de rotor de más alto voltaje, la energía puede ser suficientemente significativa para pasar por el defecto.

3. En casos raros, el vacio de aire puede ser demasiado significativo y muy poca a ninguna variación de la inductancia mutua ocurre. En este caso, defectos más grandes, tales como fracturas múltiples o una barra rota, se mostrarán como una variación en una línea recta.

4. La tecnología de MCA tiene la capacidad de detectar una "herida" en el rotor, campo síncrono de rotor y otros defectos de "herida" de rotor a través del vacío de aire. A causa de la proporción de la impedancia entre el primario y el secundario, los defectos del bobinado del rotor se mostrarán como una respuesta al cambio a ángulo fase y corriente/frecuencia y variaran basado sobre la posición del rotor.

El Instrumento de MCA de ALL-TEST IV PRO 2000™

El fabricante de dispositivos de MCA ALL-TEST PRO, LLC, ofrece dispositivos a un costo más bajo, portátiles, de MCA. El ALL-TEST IV PRO 2000 utiliza dos puntas de prueba, muy parecido a un multi metro, y cuenta con una memoria de 500 datos que puede ser cargada al software propietario. El sistema del software utiliza reglas sencillas de evaluación de condición del bobinado para el usuario y para tendencionar los datos.

Los tipos de datos recolectados por la unidad incluyen:

• Una prueba de mili-ohmio de DC que es comparada para balance de fase a fase. Esto permite un porcentaje de desbalance resistivo que no requiere corrección de temperatura. Es utilizado básicamente para detectar conexiones flojas, conductores rotos u otros defectos resistivos.
• Impedancia de Circuito en selecciones de frecuencia de 100, 200, 400 y 800 Hz que el instrumento escoge basado sobre la lógica propietaria.
• Inductancia de Circuito.
• Lecturas de Fase Angulo en la misma frecuencia como impedancia.
• Lecturas de Corriente/Frecuencia con la frecuencia de base misma que impedancia.
• Una prueba de aislamiento a tierra a 100 Mega ohmio en selección de 500 o 1.000 Voltios.

El propósito primario del ALL-TEST IV PRO 2000 es el de detectar las fallas del aislamiento que indican desarrollo de cortos del bobinado, cortos del bobinado existentes, contaminación del bobinado y fallas del rotor. Las pruebas de resistencia y el aislamiento a tierra son utilizadas para detectar una resistividad significativa y defectos de aislamiento de tierra-pared.

El Instrumento de MCE de PdMA

El fabricante de dispositivo de MCA PdMA proporciona un ordenador portátil y dispositivo de unidad de caso. Este dispositivo puede conectarse a las tres fases y a tierra durante el ciclo de prueba y los datos son ingresados directamente en el ordenador portátil incluido. El software proporciona alarmas y la capacidad de tendencia para detectar las fallas.

Los tipos de datos recolectados por la unidad incluyen:

• Una prueba de Resistencia de DC de Puente de Kelvin de 4 cables. Este valor es corrección de temperatura para la tendencia y la comparación de fase a fase.
• Prueba de AC realizada en 300 o 1200 Hz.
• Prueba de Inductancia para comparación de balance de inductancia de fase a fase.
• Prueba de Capacitancia de Circuito para tendencia.
• Prueba de Resistencia de Aislamiento con corrección de temperatura y la capacidad de realizar una Prueba de PI y/o DA. Estas pruebas producen las curvas para detectar descargas capacitivas.
• Una prueba del sistema de aislamiento de más alto voltaje está disponible como una opción para permitir pruebas de valores de hasta 5.000 Voltio y pruebas de PI y DA más altos.

El propósito primario del MCE es detectar defectos de aislamiento a tierra, fallas de rotor y cortos de bobinado en su etapa final.

Conclusión

En este artículo nosotros hemos discutido las tecnologías de Análisis de Circuito Motriz y cómo son utilizadas para detectar la degradación del bobinado y la condición del rotor con motores eléctricos de inducción. La discusión resumió la detección de contaminación del bobinado, sobrecarga del bobinado, desarrollo de bobinas cortos de bobina y fallas de rotor. Los dos dispositivos primarios de MCA ofrecidos por ALL-TEST Pro, LLC y PdMA son semejantes pero uno se enfoca principalmente en la detección prematura de cortos en el bobinado y el otro en sistemas de aislamiento de tierra-pared y condición del rotor.

En nuestro próximo artículo, discutiremos la prueba de aislamiento de alto voltaje seguido por una discusión de los límites de prueba para cada una de las tecnologías.

Bibliografía

1. IEEE P1415/D15, Draft Guide for Induction Machinery Maintenance Testing and Failure Analysis, IEEE Standards, July, 2006.
2. Penrose, Howard W., Ph.D., CMRP, Motor Circuit Analysis: Theory, Application and Energy Analysis, SUCCESS by DESIGN, 2001.

Howard W. Penrose, Ph.D., CMRP, es Presidente de SUCCESS by DESIGN, una firma de servicios de confiabilidad y consultoría ubicada en Old Saybrook, CT, EEUU. El Dr. Penrose puede ser contactado en howard@motordoc.net o por teléfono al 860- 575-3087