Assajos normalitzats i manteniment de les màquines elèctriques rotatives de corrent continu

Les màquines d’excitació independent i d’excitació en paral·lel es comporten de manera similar. En el cas de motors d’excitació independent es disposa de dues fonts de tensió, una per a cada bobinatge, i es poden regular de manera independent.

Habitualment tots dos bobinatges es construeixen amb la mateixa tensió nominal, i per això es poden connectar a la mateixa font de tensió. En aquest cas es diu que la màquina és d’excitació en paral·lel. Per regular la tensió d’un sense variar l’altre es posa un regulador en sèrie amb el bobinatge que es vol regular i es deixa l’altre bobinatge amb la tensió original.

Aquest assaig ens proporcionarà la corba de buit, o sigui, la tensió que es genera en borns de la màquina quan gira a una velocitat constant, en funció de la intensitat del bobinatge de camp.

Quan la màquina de CC gira, els seus conductors es mouen dintre del camp magnètic generat per l’estator, i per tant s’indueix una tensió a cadascun. En estar tots connectats entre ells, entre les escombretes tenim una tensió que és proporcional a la velocitat de gir i al camp magnètic establert dintre de la màquina:

en què:

• K = constant que depèn de la màquina (nombre de connectors i connexions entre ells)
• = flux magnètic establert dintre de la màquina
• ω_m = velocitat de gir de la màquina

Com el flux intern de la màquina depèn de la intensitat d’excitació I_ex, podem dir que la tensió generada a la màquina depèn de la I_F i la velocitat a la qual gira la màquina. La corba no és lineal perquè el material ferromagnètic del qual està fet el motor se satura i té histèresi.

El circuit per efectuar l’assaig és el que es mostra a la figura.

S’acobla l’eix de la màquina de CC al d’un motor d’inducció o una altra màquina de CC i a una dinamo tacomètrica per mesurar la velocitat. En connectar la màquina d’inducció a la xarxa, el conjunt gira a una velocitat determinada. Es comença amb un valor de la tensió V_F = 0 i es va incrementant. Es fan diverses lectures dels valors de V i I_F i es grafien en una taula de doble entrada.

Per efectuar l’assaig necessitem:

1. Motor de CC que volem assajar
2. Motor asíncron
3. Voltímetre
4. Dinamo tacomètrica
5. Amperímetre
6. Autotransformador o resistència variable
7. Contactors per muntar el circuit de maniobra

L’assaig de regulació de velocitat del motor de CC ens proporcionarà la variació de velocitat del motor en funció de la tensió als borns del rotor.

La velocitat d’un motor de CC es pot posar aproximadament com:

Aquesta és l’equació d’una recta, que podeu veure representada a la figura per a dues tensions d’entrada diferents.

Per tant, si mantenim el motor en buit, la I_A es manté constant i si V_T no varia, el flux es manté també constant, i per tant, la velocitat depèn de la tensió.

El circuit per efectuar l’assaig és el que es mostra a la figura.

S’acobla l’eix de la màquina de CC a una dinamo tacomètrica per mesurar la velocitat i es va modificant la tensió del rotor amb un reòstat o un autotransformador. El bobinatge de camp s’ha de mantenir a la mateixa tensió durant tot l’assaig. S’efectuen diverses lectures regulars de la tensió en borns i la velocitat que marca la dinamo tacomètrica i amb els valors trobats es pot dibuixar la corba.

Per efectuar aquest assaig es necessiten els materials següents:

1. Motor de CC que volem assajar
2. Voltímetre
3. Dinamo tacomètrica
4. Autotransformador o resistència variable
5. Contactors per muntar el circuit de maniobra

L’assaig d’una màquina d’excitació independent en càrrega ens proporcionarà la corba de sortida, o sigui, la velocitat del motor en funció del parell carregat a l’eix. Aquest parell es pot aconseguir amb una dinamo fre connectada a l’eix del motor.

Hi ha diferents tipus de dinamo fre, però totes permeten regular el parell a l’eix i proporcionen una mesura d’aquest parell.

El circuit per efectuar l’assaig és el que es mostra a la figura.

S’acobla l’eix de la màquina a una dinamo tacomètrica per mesurar la velocitat i a la dinamo fre. Es connecta el motor a la xarxa i es va variant el parell a l’eix. Es fan diverses lectures dels valors del parell i la velocitat que dóna la dinamo tacomètrica i es grafien en una taula de doble entrada. En la figura podeu veure una representació de les dades obtingudes.

Per efectuar l’assaig necessitem:

1. Motor de CC que volem assajar
2. Motor asíncron
3. Voltímetre
4. Dinamo tacomètrica
5. Amperímetre
6. Autotransformador o resistència variable
7. Contactors per muntar el circuit de maniobra

La periodicitat del manteniment sol estar marcada per les dades del fabricant i per les condicions d’utilització o el règim de treball de la màquina. Es fixa entre 1.000 i 3.000 hores de treball.

Tot i que cada màquina té les seves pròpies necessitats de manteniment, es pot generalitzar un conjunt d’actuacions que cal portar a terme en la revisió de les màquines de CC:

1. Inspecció externa i presa de dades de la placa de característiques
   • Comprovar visualment l’estat de la pintura, zones recremades, conductors, etc.
2. Control de la connexió de la placa de borns
   • Comprovar visualment les connexions per veure defectes com un aïllant recremat, connexions soltes, etc.
3. Comprovació de vibracions
   • Si la màquina fa soroll excessiu en girar, sol ser a causa dels coixinets desgastats o a les fixacions a la bancada. Amb la màquina parada es pot forçar l’eix amb les mans alternativament cap a un costat o cap a l’altre i en sentit ascendent i descendent. Si es mou, vol dir que s’han de canviar els coixinets. Si veiem que es mou l’encolatge, s’han de collar les fixacions a la bancada.
4. Comprovació de l’estat de les escombretes i els portaescombretes
   • Es fa de manera visual. Es comprova que les escombretes no estiguin excessivament gastades i els portaescombretes ben fixats. Si en mesurar la resistència del rotor dóna un valor excessiu, pot ser degut al mal contacte d’una de les escombretes.
5. Control de les parts mecàniques del motor, com el xaveter, l’eix, etc.
   • Es fa de manera visual en una primera aproximació. Si la màquina vibra pot ser a causa dels rodaments, les fixacions o el desalineament de l’eix. En aquest darrer cas s’ha de desmuntar la màquina per reparar-la al taller.
6. Verificació de continuïtat i aïllament dels bobinatges de l’estator i del rotor
   • Es pot usar un òhmmetre per comprovar la continuïtat dels bobinatges. S’ha de comprovar cada bobinatge per separat tenint en compte que els bobinatges d’excitació independent i en paral·lel tenen una resistència superior als d’excitació en sèrie i rotor. En algunes màquines el bobinatge en paral·lel i independent poden tenir uns cents d’ohms, mentre que el bobinatge en sèrie i del rotor poden tenir de 0,2 a 20 ohms. Si es troba una discontinuïtat s’han de comprovar prèviament les escombretes i les soldadures.
   • Es pot utilitzar un megaòhmetre per comprovar els aïllaments a massa de cada bobinatge i entre totes les parelles de bobinatges. La falla d’un aïllant es pot trobar per inspecció visual. Si no es veu cap part de l’aïllant deteriorada s’ha de desmuntar el bobinatge sencer i bobinar-lo de nou. És una de les fallades més difícils de localitzar.
7. Verificació de curtcircuits a les bobines de l’estator, rotor i col·lector de delgues
   • Un curtcircuit al rotor fa que la màquina giri lentament o no giri. A més, s’observa un increment del corrent. Si es desmunta en calent, es pot observar on és el curtcircuit per la diferència de color a la bobina en curtcircuit respecte de les altres. Si la mesurem amb l’òhmmetre, podem observar una resistència menor que a la resta de bobines.
   • Un curtcircuit a l’estator fa que hi hagi una disminució del flux, i la màquina reacciona incrementant molt la seva velocitat. La intensitat s’incrementa excessivament fins i tot en buit, i es poden observar guspires a les escombretes. La bobina en curtcircuit presenta una resistència menor i es pot observar, encara que no sempre, la diferència de color sobre el bobinatge que produeix l’escalfament degut al curtcircuit.
   • Si el curtcircuit es produeix al col·lector de delgues, els símptomes seran semblants als del curtcircuit del rotor, i es pot observar la diferència de color a les delgues curtcircuitades.
8. Tornejament del col·lector
   • Si el col·lector de delgues està gastat o lleugerament deformat, es pot passar per un torn per deixar-lo totalment cilíndric. Acabat de tornejar, s’han de comprovar els aïllaments entre delgues.
9. Impregnació amb vernís antiarc dels bobinatges
10. Neteja de totes les parts del motor
11. Canvi de rodaments i juntes
    • Per al canvi de rodaments s’usa una eina especial extractora de rodaments, ja que entren a pressió. Un cop canviats, cal engreixar-los.
12. Muntatge del motor

És evident que moltes de les operacions habituals de manteniment s’han de fer amb el motor parat i en alguns casos significa que s’ha de parar la línia de producció. Els costos poden ser grans. És, per tant, important calibrar correctament el nombre de tècnics que han de fer les operacions de manteniment i el seu grau d’especialització.

Mesures com tensions i intensitats, velocitat, anàlisi de vibracions, rodaments i tacodinamo es poden fer normalment amb la màquina en marxa. En aquests casos s’han d’extremar totes les mesures de seguretat.

En el manteniment d’un motor de CC es poden fer servir molts tipus de formularis. Un de genèric pot ser el de la figura.

Abans de treure un bobinatge de la màquina de CC cal prendre’n les dades per a què es pugui reproduir amb fidelitat.

Com a norma habitual, es tria una bobina qualsevol i es marca sobre el rotor la ranura on comença i la ranura on acaba, i també les delgues del col·lector on va soldada. S’ha de determinar quin tipus de bobinatge té la màquina, imbricat o ondulat, i el nombre d’espires de cada bobina. Amb un peu de rei es mesura el diàmetre del fil de coure i s’anota el tipus d’aïllant de la ranura. Un formulari per a això pot ser el que es mostra a la figura.

Si les bobines són emmotllades, cal extreure’n una per prendre les dimensions i fer un motlle per confeccionar les bobines que s’hagin de canviar.

S’ha d’anotar la classe i el tipus d’aïllament de la ranura. Si està deteriorat s’ha de canviar per un de les mateixes característiques que l’original. Si el motor és petit, aquest aïllant ha de sobresortir uns mil·límetres per sobre de la ranura per poder, un cop introduïda la bobina, tancar amb l’aïllant per sobre, envoltant tota la bobina. També s’ha d’aïllar l’eix i les cares frontals del nucli amb paper o cinta aïllant.

Habitualment les eines s’han de traslladar al lloc on és la màquina. Per això s’han de seleccionar les imprescindibles. Un equipament mínim pot constar del següent:

• Tacòmetre per mesurar la velocitat (figura).
• Megaòhmetre per mesurar l’aïllament (figura).
• Multímetre d’escala adient a les tensions i intensitats de la màquina i comprovador de continuïtat (figura).
• Joc de tornavisos de dimensions adients.
• Joc de claus de dimensions adients.
• Eines per reparar les connexions elèctriques.
• Material aïllant.

Imatges: Gordon Cornell a http://goo.gl/nWIh2 i cortesia de http://www.pce-iberica.es/

Imatge: Curious_Gregor a http://goo.gl/CzN7l

• Estany i soldador.
• Equip de greixar.

Si es troba una avaria molt greu, per efectuar la reparació corresponent caldrà desmuntar la màquina i portar-la al taller, on es disposa de més eines i de cavallets i grues per a la manipulació de les parts més pesants.

El manteniment de les màquines de CC s’ha de fer de manera preventiva, abans que aparegui una avaria que obligui a l’aturada no programada de la producció i, sovint, a reparacions difícils i cares. Sovint en la documentació entregada pel fabricant s’indica la periodicitat del manteniment i les operacions que s’han de fer. Si la màquina ha de treballar amb un règim dur de funcionament, com poden ser sobrecàrregues, aturades i arrencades freqüents o atmosferes contaminades, cal ajustar la periodicitat i el nivell de les intervencions per assegurar-ne un bon manteniment.

El manteniment preventiu sol ser planificat i periòdic, mentre que el correctiu acostuma ser un manteniment no planificat, i s’ha de portar a terme en el moment que es produeix l’avaria de la màquina. Sovint es tracta d’una intervenció d’emergència, sota la pressió de reduir el temps de caiguda de la producció. Es tracta de substituir els elements espatllats i retornar la màquina a l’estat de funcionament el més aviat possible. En certs casos es pot, a més de substituir les peces defectuoses, eliminar la causa que ha produït l’avaria.

En el manteniment preventiu, concebut per a màquines complexes sotmeses a fortes variacions de les condicions de càrrega, els fabricants recomanen periodicitats òptimes de manteniment basades sobretot en mostrejos estadístics fets sobre els seus productes. A la figura podeu veure que el moment òptim per efectuar l’operació de manteniment és quan comença a incrementar-se la probabilitat d’una avaria a la màquina.

La idea és que una màquina, després d’efectuada la intervenció de manteniment, torni al mateix estat que quan es va adquirir i, per tant, comença un nou cicle de la mateixa durada que l’anterior. Aquest model funciona correctament per a màquines relativament petites com màquines eina, màquines per a compressors, etc., però no en sistemes complexos en què la probabilitat que apareguin avaries pot dependre d’altres factors i pot tenir diverses formes.

Per exemple, a la figura la corba A mostra un sistema en què la probabilitat d’avaries és més alta al principi, quan el sistema encara és nou i no està perfectament acoblat, baixa durant un període gran de temps i es torna a incrementar quan la màquina comenta a esgotar el seu cicle vital.

En el cas B no hi ha el període inicial d’adaptació i les avaries es comencen a incrementar al final de la vida de la màquina, i en el cas C només hi ha una gran probabilitat d’avaries en el període d’adaptació, i en la resta, fins a completar el període de vida de la màquina, la probabilitat d’avaries és molt petita. Es poden tenir altres perfils de probabilitats d’avaries segons les circumstàncies concretes de cada instal·lació.

El manteniment predictiu es pot definir com el seguiment organitzat amb mesurament periòdic de les variables d’estat del sistema i la comparació amb patrons establerts per conèixer el moment en què s’ha d’efectuar el manteniment. O sigui, que es tracta d’un manteniment preventiu però basat en mètodes estadístics que determinen períodes d’intervenció que poden variar segons el perfil de la corba de probabilitat d’avaries-temps.

Les màquines de CC presenten una tipologia d’avaries semblant a les altres màquines rotatòries en les parts comunes com els bobinatges o els rodaments. No obstant això, s’han de tenir en compte les parts que són específiques d’aquestes màquines, com per exemple les escombretes.

Els rotors de les màquines de CC es recolzen sobre rodaments que en faciliten el moviment rotatori (figura). Aquests rodaments estan sotmesos a fricció i vibracions produïdes en el funcionament normal de la màquina, per defectes de la màquina o algun agent extern. Com són components amb una taxa de fallades molt elevada, s’han desenvolupat diferents tècniques per analitzar-los i diagnosticar-les.

Imatge: patrickd a http://goo.gl/baLfp

Els rodaments de boles són els més utilitzats en motors de petita i mitjana potència. Aquest tipus de rodaments generen una sèrie de vibracions que són característiques de la seva geometria, el nombre de boles i la velocitat de gir de la màquina. Típicament produeixen vibracions de freqüències compreses entre la freqüència de pas de l’element rodant (nombre de cops que l’element rodant passa per un punt de la pista interior o exterior) i 7 cops aquesta freqüència. En els rodaments nous també es produeixen aquestes vibracions, encara que d’amplitud molt petita. Si es produeix una fallada en el rodament, l’amplitud de la vibració s’incrementa, més com més severa sigui la fallada del rodament. De l’estudi de les vibracions es pot determinar no solament quan s’ha de canviar el rodament, sinó la part que ha fallat. La figura mostra l’evolució d’una avaria en l’arc interior d’un rodament.

Les vibracions relacionades amb la fallada del rotor se situen en un rang de freqüències comprès entre 0,25 i 3 cops la velocitat de gir del motor. Moltes fallades dels rodaments estan relacionades amb el desequilibri o la desalineació mecànica del rotor.

El 90% de les fallades dels rodaments estan relacionades amb esquerdes que es produeixen en les pistes dels rodaments mateixos i que estan dintre del rang de freqüències mencionat.

Els rodaments tenen un temps de vida limitat sobretot per la fatiga dels elements que el constitueixen. Malauradament, en moltes instal·lacions industrials els rodaments treballen en condicions extremes i es pot produir una ruptura prematura abans d’arribar al límit de la seva vida útil. A la figura podem veure una mostra de les avaries típiques de rodaments i les causes que les produeixen.

Tot i que els rodaments i les escombretes són les parts de la màquina que causen més intervencions de manteniment, el bobinatge és una part fonamental de la màquina que cal tenir en bon estat, ja que substituir-lo és una operació que requereix molt temps i implica una forta depesa econòmica.

El bobinatge envelleix i es deteriora en el funcionament normal de la màquina, per haver patit un accident o per defecte de fabricació. Les principals causes són:

• En funcionament normal: la humitat s’acumula al dielèctric del bobinatge, i en el moment de la posada en marxa, l’evaporació ràpida amb el calor provoca despreniments de part de l’aïllant: descamació (figura esquerra).
• Durant la marxa: sobretot a causa de l’acumulació de greixos i contaminants. A temperatures altes els greixos llisquen més fàcilment per sobre dels conductors, fixen els contaminants i provoquen el deteriorament de l’aïllant (figura dreta).
• Causes accidentals: degudes a sobreescalfaments, per un funcionament defectuós de la ventilació o sobrecàrregues prolongades (figura). Les sobretensions i els esforços per arrencades successives.
• Defectes de disseny: desgast de l’aïllament dintre de la ranura, per fenòmens de ressonància de la reacció d’induït.

En les màquines elèctriques, l’augment de la temperatura en incrementar la transformació de potència és una de les causes d’avaries pel deteriorament de l’aïllant. Aquest increment de la temperatura es pot modificar en funció de les classes de servei, que poden ser:

• S1: servei continu. La màquina treballa a règim constant, o sigui, que arriba a una temperatura constant.
• S2: servei temporal o de curta duració. La màquina treballa a règim constant un període de temps breu, o sigui, que no arriba a estabilitzar la temperatura.
• S3, S4, S5: serveis intermitents. Sèrie contínua dels mateixos cicles compostos de períodes de càrrega constant (S3), incloent-hi el període d’arrencada (S4) i arrencades i parades (S5). Mai no s’arriba a una temperatura constant.
• S6, S7 i S8. Iguals que els anteriors, però amb períodes de repòs interposats.

Es defineixen els aïllaments en funció de la temperatura màxima que poden suportar de manera permanent, com es pot veure a la taula.

Així, en funció de la classe d’aïllament que tingui la màquina i del tipus de servei a què estigui sotmesa, es tindrà una necessitat de manteniment diferent. Aquest manteniment estarà en funció de la complexitat de la màquina, i per tant del perfil de la corba de probabilitat d’aparició d’avaries en funció del temps.

Les màquines elèctriques tenen parts giratòries i que poden estar sotmeses a tensió. A més, algunes parts es poden escalfar a temperatures que poden superar els 100 ºC. Per això totes les operacions de transport, posada en marxa i manteniment han d’estar fetes per personal amb la qualificació tècnica adient i respectant les indicacions del fabricant, així com tota la normativa vigent en el el moment de dur-se a terme l’operació.

Com a norma general s’han de complir les normes del Reglament Electrotècnic per a Baixa Tensió que afectin la instal·lació i, en particular, les ITC BT 47 i 48 que especifiquen com s’ha de fer la instal·lació de màquines elèctriques en general i totes les directives de seguretat de baixa tensió com la 73/23/EEC.

Per a cada situació s’han de tenir en compte les normes nacionals, locals i específiques de la instal·lació. La manipulació indeguda pot ocasionar danys personals, deteriorar la màquina o les instal·lacions on es connecti (EN 60034; EN 50110-1/VDE 0105).

Les màquines estan dissenyades per utilitzar-les en instal·lacions industrials i comercials, però dintre d’aquestes hi pot haver zones perilloses o amb atmosfera explosiva. En aquest cas s’han d’utilitzar màquines especialment dissenyades per a aquesta circumstància. En locals de concurrència pública, han de complir requisits més estrictes, com disposar d’envoltants que evitin la possibilitat de contactes amb els dits dels nens.

S’ha de respectar sempre la temperatura de magatzematge i la d’utilització (habitualment entre −5 i 40 °C), i també l’altitud de l’emplaçament (habitualment per sota de 1.000 m sobre el nivell del mar). Algunes d’aquestes circumstàncies no estan especificades a la placa de característiques, però el fabricant les sol tenir publicades en paper o a Internet. Fins que no s’hagi comprovat la conformitat amb totes les directives de seguretat (Directiva de maquinària 89/392/EEC, EN 60 204-1 i Directiva de baixa tensió 73/23/EEC), no s’ha de posar en marxa la instal·lació de la màquina.

Respecte a la compatibilitat electromagnètica, s’ha de complir tota la reglamentació que afecti el lloc on es munta i en general la Directiva 89/336/EEC. El muntador de la instal·lació ha de cuidar de detalls com la separació de línies de dades o control, la utilització de cables apantallats i tenir en compte les instruccions del fabricant dels aparells electrònics de control.

Tot i la normativa bàsica que ha de complir tota instal·lació de màquines elèctriques de CC, hi ha unes situacions comunes de les màquines que solen tenir requisits similars, com són el transport, la situació en el lloc de treball i la posada en marxa.

Abans d’iniciar qualsevol transport de la màquina s’ha d’assegurar que les parts mecàniques que la suporten estan en bones condicions, amb els cargols collats al parell indicat pel fabricant, les parts mòbils ancorades acuradament i cap peça solta que es pugui desprendre. També s’ha de comprovar que el pes de la màquina no superi el que pot suportar el mitjà de transport que s’utilitza.

Per al transport de les màquines s’han d’utilitzar exclusivament les nanses d’elevació destinades a aquesta finalitat.

Durant el període d’emmagatzematge les màquines s’han de mantenir en un lloc sec, sense pols i sense vibracions que puguin deteriorar els rodaments.

En el lloc de treball, la màquina s’ha d’instal·lar amb la posició indicada pel fabricant, ancorada sobre una base sòlida i ben alineada. Una bona pràctica és fer girar el motor manualment i escoltar algun soroll anormal després del muntatge i l’alineació. Si la transmissió és amb corretja, s’ha d’evitar una tensió excessiva.

En la figura podeu veure les fixacions d’una màquina a la bancada, recomanades pel fabricant.

Una màquina mal fixada produeix sorolls i vibracions que n’afecten el funcionament i produeixen un desgast prematur. Es redueix el temps entre manteniments i s’incrementa la despesa.

Abans de la posada en marxa, s’ha d’assegurar que la màquina estigui ben equilibrada mecànicament i que les entrades i sortides d’aire de ventilació no estiguin obstruïdes. S’ha d’evitar que li toqui directament la sortida d’aire de la ventilació d’altres aparells pròxims. Si l’aire del lloc d’utilització de la màquina està contaminat químicament, pot afectar negativament la commutació i la duració de les escombretes.

Les màquines de CC tenen una caixa de terminals on es connecta l’alimentació per al funcionament. Totes les connexions elèctriques s’han de fer dintre d’aquesta caixa, collades amb el parell indicat pel fabricant. En funcionament normal, aquesta caixa ha d’estar tancada i, si és el cas, complir amb el grau d’estanquitat que indiqui el fabricant (figura).

Abans de la posada en marxa s’ha de tenir en compte que tot estigui en perfecte estat, sobretot que s’hagi retirat l’ancoratge de les peces mòbils per al transport, les preses a terra connectades, les parts mòbils ben equilibrades i els rodaments plens de greix. Tot l’equip de protecció ha d’estar operatiu, en especial les evolvents ben posades i les connexions elèctriques inaccessibles si no s’han de fer mesures.

Durant la posada en marxa s’ha de comprovar que la temperatura dels rodaments no pugi excessivament (ha d’estar per sota de 80 °C), que no s’escoltin sorolls anormals. També s’ha de comprovar que els instruments elèctrics mesurin valors normals i que no hi hagi un nivell excessiu de vibracions. El fabricant acostuma a indicar els valors que es poden considerar dins la normalitat.