Manteniment, avaries, assajos i maniobres de màquines elèctriques rotatives de corrent altern

La majoria de les avaries en motors són degudes als rodaments (vora el 70%), ja sigui per un muntatge inadequat, una lubricació incorrecta o esforços axials excessius.

Encara que la majoria de màquines tenen els rodaments amb coixinets de rodament (figura), també hi ha coixinets de lliscament o fricció en motors de dimensions grans, alta velocitat o molt esforç.

Imatge cortesia de http://www.motors-electrics.com/

El manteniment el classificarem en els tipus següents:

• Preventiu
• Predictiu
• Correctiu (reparació)

Seran operacions de manteniment preventiu mecànic:

• Netejar les aletes, directriu.
• Manteniment dels rodaments.
• Comprovació dels rodaments amb el dispositiu de reengreixament i dosificador de greix.
• Lubricació dels rodaments segons els tipus de greix i la temperatura.
• Verificació de la resistència d’escalfament.

Seran operacions de manteniment predictiu elèctric:

• Verificació d’equilibrat de fases.
• Tenir controlat l’indicador de consums anòmals.
• Evitar anomalies en el corrent d’alimentació, vigilar l’estat dels debanats rotòric i estatòric, excentricitat, desequilibri, estat mecànic.
• Revisar la temperatura dels debanats (caps de bobines, ranures, piròmetres).
• Comprovar defectes d’aïllament en la resistència elèctrica de l’aïllament.
• Verificar el nivell de contaminació dels debanats.
• Mantenir l’estat de les escombretes del motor i anells del rotor debanat.

Seran operacions de manteniment predictiu mecànic:

• Detectar la presència de vibracions.
• Evitar l’envelliment de lubricants.
• Verificar la contaminació de lubricants.
• Comprovar l’estat d’alineació.

Seran operacions de manteniment correctiu:

• La substitució de rodaments
• El rebobinatge

La qualitat i l’estat d’una màquina queden reflectits per la temperatura de treball: si un motor se sobreescalfa, les bobines es tendeixen a deteriorar ràpidament. Cada increment de 10 °C en les bobines d’un motor per sobre de la seva temperatura de treball nominal escurça la vida del motor en un 50%, fins i tot si el sobreescalfament és només temporal.

Hi ha tres causes principals perquè es produeixin patrons tèrmics atípics:

1. Desequilibri de càrrega
2. Defecte d’aïllament
3. Algun component deteriorat

En els desequilibris de càrrega, ja siguin per sobrecàrrega o per un dimensionament dolent, apareixen escalfaments en la fase o en una altra part del circuit. Si tot el conductor està escalfat, comproveu la càrrega nominal i la real per determinar quina de les dues és la causant.

Els desequilibris d’harmònics presenten un patró d’escalfament similar.

S’ha de descartar el desequilibri d’alimentació, ja que no sempre les tensions de les xarxes trifàsiques són balancejades. Les possibles causes de desequilibri també poden estar en la instal·lació del voltant, com a causes de desequilibri corresponents a pèrdues de simetria de línies de transmissió/distribució, presència de grans càrregues monofàsiques com forns d’arc o d’inducció, soldadors, bancs de condensadors amb errades, transformadors amb delta obert o connectats en estrella, equips de protecció i maniobra amb una fase oberta com interruptors, tèrmics, contactors, o càrregues desequilibrades en instal·lacions properes.

Les xarxes trifàsiques de plantes han de tenir proteccions contra desequilibris, ja que per les seves condicions internes, inclouen càrregues desequilibrades, transformadors sobrecarregats, mala repartició de fases en taulers de força i enllumenat, bancs de condensadors desequilibrats, reactors dessintonitzats i altres càrregues externes desequilibrades que contribueixen al desequilibri de tensions.

Les normes NEMA MG1 de motors elèctrics i generadors recomanen limitar el desequilibri a un màxim d’un 1%. Quan les tensions entre fases (RS, ST i TR) estan desequilibrades, el corrent augmenta ràpidament en els debanats del motor. Si es fa una disminució de la potència determinada (derating), és possible mantenir la màquina sota condicions de desequilibri de tensions i en treball sense danyar-la. El fabricant del motor, en el seu catàleg, exposarà la reducció que correspongui a cada cas pràctic. La taula mostra un exemple genèric de la potència final que pot desenvolupar el motor sota el desequilibri de tensions marcat.

Els components amb errades normalment semblen tenir una temperatura més alta que els que funcionen amb normalitat. Un fusible cremat en el circuit de control d’un motor produeix una condició monofàsica o desequilibri.

Els problemes d’aïllament en motors es deuen normalment al següent:

• Instal·lacions fetes de manera incorrecta
• Contaminació ambiental
• Esforç mecànic
• Antiguitat d’elements d’una part o tota la instal·lació

La comprovació d’aïllament es pot combinar fàcilment amb el manteniment mecànic del motor, per a identificar així la degradació abans que es produeixi una errada, o es pot fer durant els procediments d’instal·lació per comprovar la seguretat i el rendiment del sistema.

Establirem un procediment de manteniment; en el cas d’errada elèctrica en un motor, el motor no es pot posar en marxa, i un sobreescalfament pot produir el risc d’incendi i acabar provocant-se un curtcircuit. Una primera etapa de detecció més senzilla (amb poques eines de verificació podem detectar l’avaria) constaria del següent:

• Inspecció visual
• Comprovació del circuit de control
• Comprovació del circuit de potència
• Comprovació del bobinatge del motor

Altres mesures més precises requereixen aparells de mesura més sofisticats:

• Verificar la resistència d’aïllament al motor.

Tot això es fa en sistemes sense corrent, mentre que les mesures elèctriques (i tèrmiques) es fan en sistemes amb tensió i en funcionament. Pot ser interessant estar vigilant la màquina in situ, i detectar el problema amb la màquina en funcionament.

El procés complet de la inspecció visual implicarà desconnectar l’alimentació del motor i del motor d’arrencament (o variador), seguint els procediments de desconnexió adequats, i desconnectar el motor de la càrrega. A continuació, cal fer una inspecció visual, olfactiva i tèrmica del dispositiu, consultar la placa de característiques, comprovar si hi ha connexions soltes en el motor d’arrencament i examinar totes les rebladures.

Per comprovar el circuit de control, s’ha d’utilitzar un multímetre digital per comprovar la tensió d’alimentació i els contactes d’arrencada del motor (figura).

Imatge cortesia de FLUKE (http://www.fluke.es/)

El procés complet implica:

1. Desconnectar l’etapa de potència des del seu automàtic.
2. Comprovar la tensió en els elements, fent el mateix camí que faria el corrent i amb referència al neutre.
3. Bloquejar la desconnexió del motor d’arrencada.
4. Activar el motor d’arrencada manualment, de manera que els contactes quedin tancats.
5. Si hi ha contactes que són accionats per seqüència de funcionament del circuit, comprovar-los amb la mesura de continuïtat. Desconnectar l’etapa de control des del seu automàtic.
6. Seleccionar en el comprovador d’aïllament la funció Ohms, per a la mesura de resistències de contacte.
7. Mesurar la resistència de cada sèrie de contactes. La lectura hauria de ser pròxima a zero. Si és superior a 0,1 Ω, s’hauran de revisar, ajustar, o substituir els borns o platines de la connexió.

Per comprovar el circuit de potència s’ha d’utilitzar un multímetre digital per comprovar els contactes d’arrencada del motor. El procés implica:

1. Desconnectar les etapes de control i de potència des del seu automàtic.
2. Bloquejar manualment la desconnexió del motor d’arrencada.
3. Activar manualment el motor d’arrencada.
4. Seleccionar en el comprovador d’aïllament la funció Ohms, per a la mesura de resistències de contacte.
5. Mesurar la resistència de cada sèrie de contactes. La lectura ha de ser pròxima a zero. Si és superior a 0,1 Ω, s’hauran de revisar, ajustar, o substituir els borns o platines de la connexió.

Si fins aquí no s’ha trobat res és el motor el que té el problema. Mirarem els bobinats de la màquina entre ells, resistència del bobinatge del motor, i posteriorment entre ells i la carcassa, resistència d’aïllament.

Per comprovar la resistència del bobinatge del motor s’ha d’utilitzar un multímetre digital. El procés complet inclou:

1. Desconnectar tots els controls electrònics i la resta de dispositius del circuit de la màquina. La mesura es fa amb la màquina desconnectada, sense capacitors, si en tingués, ni altres elements com a supressors de disturbis, etc.
2. Seleccionar en el comprovador d’aïllament la funció Ohms, per a la mesura de resistències de contacte.
3. Mesurar la resistència de cada grup de bobines entre fases.

Els valors de resistència han de ser comparativament baixos i equilibrats en les tres fases de l’estator, sense desequilibris de resistència de bobina a bobina.

Ara li toca a la resistència d’aïllament, quan es tracta de localitzar avaries, la comprovació de la resistència d’aïllament dels circuits de línia i posada a terra serà la part final en la detecció diagnòstica de l’avaria.

La principal diferència entre una mesura d’aïllament i la resta de mesures descrites és que les primeres es fan en sistemes sense corrent, mentre que les mesures elèctriques (i tèrmiques) es fan en sistemes amb tensió i en funcionament.

La comprovació verifica la resistència d’aïllament entre un conductor i la carcassa connectada a la posada a terra o la resistència d’aïllament entre conductors adjacents. El procés complet implica:

1. Amb tots els controls electrònics i la resta de dispositius del circuit de la màquina. La mesura es fa amb la màquina desconnectada, sense capacitors, si en tingués, ni supressors de disturbis, etc.
2. El megaòhmmetre o els multímetres amb mesura d’aïllament són els equips de mesura que injecten una tensió CC, segons l’IEEE 43-2000, de valor proporcional al voltatge de funcionament del bobinatge, exposat a la taula. La tensió de prova s’aplica entre cada conductor actiu i la carcassa durant un minut.
3. Identificar la resistència entre fase i terra: com a norma general i per garantir un funcionament segur, els dispositius de CA necessiten un mínim de 2 MΩ, i els dispositius de CC 1 MΩ de resistència d’aïllament, totes dues mesurades entre conductors actius i terra. Les companyies tenen diferents límits mínims per a la resistència d’aïllament en equips usats, que van d’1 a 10 MΩ. La resistència en equips nous ha d’anar de 100 a 200 MΩ o més; si en fer la mesura el resultat no ha estat així, la ruptura d’aïllament està en el costat de la càrrega del motor d’arrencada, en els cables o en el motor. La resistència d’aïllament tabulada per l’IEEE 43-200 variarà en funció del temps de la màquina, segons la taula.
4. Calcular l’índex de polarització. La norma indica que si la resistència a 1 minut és més gran que 500 MΩ, llavors el càlcul és correcte; si no, com que el resultat és dependent de la temperatura, es manté durant deu minuts i es torna a prendre la mesura de la resistència. El quocient de la mesura presa als deu minuts entre la presa al minut dóna l’índex de polarització. Si les lectures són gaire diferents de les esperades, el motor no pot funcionar amb total seguretat.

A la taula, la tensió de bobinatge és la tensió entre fases en màquines trifàsiques o monofàsiques, i la tensió nominal per a CC i bobinatges de camp.

Aquests assajos ens permetran detectar la falla d’aïllament, per diagnosticar contaminació, humitat, deteriorament per sobreescalfament…

També hi ha mètodes que ens ajuden a la vigilància de les avaries abans que es produeixin. Amb una càmera termogràfica es pot observar a quina zona del motor es produeix l’escalfament, i també la magnitud d’aquest escalfament.

Si una lectura de temperatura a la carcassa del motor mostra un increment anormal, es pot prendre una imatge tèrmica del motor i cercar el lloc exacte on es produeix l’anomalia, per exemple, de les bobines, els rodaments o els acoblaments (si un acoblament s’escalfa, pot indicar que hi ha una alineació dolenta). Podeu veure un visor de càmera termogràfica a la figura i el resultat del sobreescalfament d’una fase a la figura.

Imatge cortesia de FLUKE (http://www.fluke.es/)

Imatge cortesia de FLUKE (http://www.fluke.es/)

Les imatges tèrmiques identifiquen fàcilment diferències de temperatures aparents en circuits elèctrics industrials trifàsics, comparant-les amb les de les condicions normals de funcionament. Examinant els gradients tèrmics de les tres fases per separat, es podran localitzar ràpidament anomalies derivades d’una sobrecàrrega o desequilibri en el funcionament dels circuits.

Normalment la major part són resultat de punts de contacte de gran resistència, ja sigui en connexions, borns o interruptors. Solen aparèixer amb més temperatura en el punt d’alta resistència, i es refreden a mesura que s’allunyen d’aquest punt. A la figura i la figura hi ha exemples de visualització amb càmera termogràfica de sobreescalfaments a l’eix i al bobinatge.

Imatge cortesia de FLUKE (http://www.fluke.es/)

Imatge cortesia de FLUKE (http://www.fluke.es/)

En el marc del manteniment mecànic, l’observació visual continua essent el primer procediment de diagnosi, i és important, per exemple, que el soroll de rodament sigui uniforme; de vegades hi ha pujades i baixades de to que indiquen que els rodaments no giren bé.

Dintre del pla de manteniment, en el manteniment predictiu teniu un diagnòstic a partir d’unes observacions sobre vibracions, que trobareu representades als fragments de taules comercials mostrats a la taula, amb la naturalesa del defecte.

Es podrien detectar problemes tant puntualment com avaluant tendències. Les proves elèctriques predictives efectuades a les màquines aniran encaminades a detectar amb més o menys anticipació el problema de degradació de l’aïllant del bobinatge. Aquest es produirà per un escalfament excessiu, ja sigui per contaminació dielèctrica, humitat, sobrecàrrega de corrent, vibracions, o per errada al nucli.

Els assajos destinats a detectar contaminació dielèctrica o humitat a l’aïllant del bobinatge són:

• Test de tensió graó CC: l’assaig buscarà una sèrie de paràmetres clau que alterin el seu valor significativament amb l’evolució i degeneració de l’aïllament. Es fa a dues tensions per determinar la linealitat de l’aïllament amb la tensió. Per a cada tensió, la màquina se sotmet a un període de càrrega de 30 minuts i un altre de descàrrega de 2 minuts. En aquests períodes es registren els corrents capacitius, resistius, de fuites i de reabsorció segons l’IEEE-43-2000. A més, es fa la mesura de capacitat del dielèctric en continu i altern, que permet detectar contaminació del sistema. Aquesta detecció és possible, ja que a 1 kHz, i per efecte de la inductància dels debanats, desapareixen les capacitats equivalents del possible dipòsit de contaminació. Comparant la diferència de capacitats en CC i CA s’obtenen les estimacions del grau de contaminació de la màquina.
• Assaig de tangent de delta en CA: és una altra prova que avalua el dielèctric. Qualsevol aïllant es pot assemblar a un condensador ideal en paral·lel/sèrie amb una resistència que representa les seves pèrdues dielèctriques. L’angle delta (δ) entre el corrent capacitiu i el total s’anomena angle de pèrdues o factor de dissipació. L’assaig de tan δ busca la determinació d’aquest angle i està basat en una font d’alta tensió alterna de potència i un pont de Schering per determinar la tan δ i la capacitat del dielèctric. Aquest assaig es complementa fent-lo a diverses tensions, aproximant-se a la nominal de la màquina, i s’obté, amb el conjunt de resultats, l’anomenat tip-up de la tan δ. La idea és que en un aïllament perfecte la tan δ no variï amb la tensió. La mesura proporcionarà informació del grau d’humitat i contaminació del dielèctric.
• Detectors de fum i d’ozó: algunes màquines de més entitat incorporen sistemes que alerten i disparen l’operació de la màquina quan detecten concentracions rellevants d’aquests elements. La idea és detectar en el medi refrigerant partícules resultants (fum) de l’exposició dels aïllaments, bé en bobinatges o laminacions, a altes temperatures. L’ozó (O₃) és el resultat de la ionització de l’oxigen de l’aire (O₂). Aquest procés precisa elevades energies per produir-se i generalment apareixerà relacionat amb l’existència de descàrregues parcials.
• Test de descàrregues parcials en servei i CA: els sistemes dielèctrics usats en màquines rotatives amb U_N > 1 kV es caracteritzen per la possibilitat de presentar descàrregues parcials degudes a problemes en les fases: disseny, fabricació, operació, manteniment i envelliment. Les descàrregues parcials són petites descàrregues que apareixen en l’interior dels dielèctrics com a manifestació de la seva degeneració. Un cop iniciat aquest procés, es mantindrà constant en el temps i serà origen de la degeneració del sistema aïllant: la calor i els compostos químics corrosius atacaran l’aïllament, el conduiran lentament a la destrucció i curtcircuitaran a terra per perforació.

El monitoratge en servei dels nivells de descàrregues parcials en el temps serà, per tant, un bon sistema per aconseguir avaluar el procés de degradació del dielèctric en la màquina. Hi ha diversos sistemes de mesura en servei:

• Sondes inductives (transformadors RF / bobines de Rogowski)
• Sensors de tipus antena (tires metàl·liques en zones clau)
• Sensors capacitius

Els d’ús més extens són els captadors capacitius. S’instal·len en la màquina condensadors de baixa capacitat (entre 80 pF i 500 pF) que bloquegen la tensió d’operació de la màquina, deixant passar les altes freqüències de les descàrregues axials. Els condensadors poden venir instal·lats de fàbrica o es pot aprofitar una aturada per instal·lar-ne. Els senyals es recolliran amb un analitzador de descàrregues parcials (PDA).

En servei, l’aïllament s’analitza en condicions reals de càrrega, temperatura i vibracions, aspectes no avaluables fora de servei. La idea és recollir informació en etapes suficientment primerenques dels possibles problemes que poden aparèixer perquè siguin de detecció i solució fàcils. Avui dia hi ha sistemes molt fiables que aconsegueixen una bona discriminació de soroll, tant per mitjà de l’electrònica com de la distribució dels captadors.

Després de l’assaig, de les gràfiques, nivells de descàrregues, polaritat, variació amb la temperatura, humitat i càrrega, s’obtenen dades que ens permeten discernir el tipus de degradació que es produeix en la màquina i fins i tot la zona d’aparició.

Avui dia hi ha una altra aproximació més còmoda: canviar el punt de mesura fins ara passiu per un terminal intel·ligent. Aquest terminal pot fer complexos bàsics de DP, que a un cost menor identifiquen problemes entre assajos programats DP i generen alarma amb totes les possibilitats d’integració, xarxa, SCADA, WWW, etc.

• Assajos de descàrregues parcials fora de servei i CA: aquests assajos consisteixen en l’energització de la màquina (del seu circuit dielèctric) amb una font de tensió alterna cercant la possible aparició de descàrregues parcials i, en el seu cas, la localització.

Com en els equips d’assaig, hi ha diverses possibilitats:

• Detectors en servei
• Detecció via ràdio
• Avaluació ultrasònica

La descàrrega parcial en les màquines rotatives és un fenomen que va apareixent en els forats de l’aïllament o en la interfase aïllament/nucli a causa de la intensificació del camp elèctric en aquests espais. Causaran efectes no desitjats de pèrdues energètiques i degeneratives en la zona afectada. Cada descàrrega produeix una energia radiada que pot ser capturada amb un receptor sintonitzat o bé una energia mecànica (acústica) donada a l’aire, que pot ser recollida por un transductor ultrasònic.

Les vibracions poden degradar els aïllants del nucli magnètic i de les bobines; en les proves per comprovar-ho caldrà tenir accés al nucli i en algun cas serà necessari que el rotor estigui retirat. Aquests assajos són:

• Control visual: inspecció interna que determina si el nucli magnètic està en condicions adequades d’operació. Aquesta prova és més complexa si el rotor està muntat, ja que les possibilitats d’inspecció són menors. Hi ha sistemes en els quals per mitjà de vehicles robotitzats es pot executar la inspecció visual introduint-los en l’entreferro rotor-estator. Aquest vehicle és també aplicable a l’assaig automàtic dels sistemes de flux reduït EL_CID i a l’assaig de collar les falques.
• Anàlisi de vibracions en CA: es fixen sobre la màquina sensors de vibracions que traslladen el comportament mecànic de la màquina a un registre elèctric continu. Es passa el senyal del domini del temps al domini de la freqüència. Hi ha aplicacions que poden recollir tota aquesta informació i acotar les freqüències pròpies teòriques. Amb l’estudi de nivells i desviacions en aquestes freqüències es pot deduir l’estat i evolució del sistema mecànic de la màquina. Els nivells excessius de vibracions, a part d’altres problemes mecànics, poden degenerar en el deteriorament dels aïllaments interlaminars en el nucli i en els aïllaments estatòrics.
• Test del ganivet: el nucli precisa que les laminacions estiguin fixes i compactades; la idea és que l’espai entre aquestes sigui impenetrable. És possible que a causa de les vibracions o al cicle tèrmic, les laminacions es comencin a alliberar, i s’iniciï el deteriorament de l’aïllament interlaminar. Es revisarà aquesta accessibilitat intentant introduir una fina fulla de ganivet comprovant que no és possible avançar entre laminacions.
• Test mecànic de collar les falques: la missió de les falques és mantenir els debanats fixos en les ranures del nucli i aconseguir més estabilitat mecànica en el sistema evitant que les bobines vibrin o surtin de les ranures. Manualment és difícil determinar el grau de fixació de la falca i es requereix personal especialitzat, tant per a la realització de l’assaig com per a la interpretació. Després d’un projecte EPRI, es va desenvolupar un sistema per facilitar la realització d’aquest assaig que utilitza un cap que, desplaçant-se a través de la longitud de l’estator, va colpejant les falques amb un electroimant calibrat i registra amb un acceleròmetre la vibració corresponent. El resultat de l’assaig és un mapa de nivells de pressió que elimina el caràcter subjectiu de l’assaig i permet conèixer l’estat del sistema complet.

Els criteris de diagnòstic varien en funció de la màquina i d’unes companyies a altres, però hi ha uns valors mínims, i altres normalitzats que, empíricament, conformen els programes experts de diagnòstic que interpreten els criteris d’errada. Aquests programes donen una orientació de l’estat de la màquina, però ha de ser l’expert de manteniment qui amb totes les dades indiqui el diagnòstic final i faci les acciones oportunes.

Un altre aspecte estarà determinat per l’històric/tendència, en què l’evolució dels paràmetres pot ajudar en la detecció de la velocitat de degradació i alterar les exigències de manteniment.

Les mesures de recerca d’escalfor pel nucli magnètic poden ser les següents:

• Assaig de flux nominal en CA: es busca comprovar la integritat de l’aïllament entre laminacions del nucli estatòric. L’assaig de flux nominal consisteix a portar la màquina a condicions similars a les d’operació quant a flux. Per a això, es fa circular corrent altern per mitjà d’un cable bobinat toroïdalment al voltant del nucli magnètic. Una vegada el flux hagi estat inserit, esperant un temps d’estabilització i mitjançant termografia es busquen punts calents que es corresponguin amb increments tèrmics associats a la circulació de corrent interlaminar. Aquest assaig és complex, car, llarg i perillós, tant per a les persones com per a la màquina.
• Pèrdues en el nucli en CA: aprofitant l’assaig a flux nominal utilitzant un wattímetre. Amb el resultat i el pes del nucli s’obtindran les pèrdues en W/kg. La dada i la seva evolució poden donar una informació complementària de la degradació.
• Assaig de flux reduït en CA: el desenvolupament d’equipament de mesura electrònic ha permès aquesta alternativa a l’assaig de flux nominal, utilitzant un sistema automatitzat i amb opció robotitzada que recorre el nucli ranura a ranura i proporciona uns diagrames que aporten la mateixa o més informació que l’assaig de flux nominal. Aquesta aproximació té molts avantatges enfront de l’assaig de flux nominal pel que fa a seguretat, logística, precisió… El sistema s’energitza bobinant espires al voltant del nucli, però utilitzant tensions i corrents que es poden extreure d’un endoll normal de paret, per utilitzar, per tant, equipament portàtil. El flux per a l’assaig és el 4% del flux nominal. Establert el flux en la màquina, un cap sensor recorre el nucli cercant irregularitats de corrent en les laminacions. Quan apareixen curts en el nucli, la bobina registra corrents circulants desfasats en quadratura amb el flux, que poden, per tant, ser detectats por separat. Aquest assaig aportarà informació molt valuosa sobre l’estat del nucli magnètic, i indicarà si hi ha laminacions amb el seu aïllament deteriorat, en curt, colpejades, soltes, i altres irregularitats magnètiques.
• Anàlisi en CA de barres trencades en rotors de gàbia d’esquirol: les implementacions de rotors basats en gàbia d’esquirol poden presentar, com a evolució de la seva degradació, trencament o “feblesa” en les barres de la gàbia rotòrica. La màquina podria continuar operant amb normalitat fins que degeneri, i s’alliberarien parts de la barra que danyarien l’aïllament i la destruirien. Registrant l’espectre en freqüència dels corrents d’alimentació, s’estimen els nivells de les bandes laterals. Si se superen uns valors límit en relació amb el fonamental, hi ha evidència de problema de barres trencades.

L’anàlisi següent és de vigilància i recerca d’escalfor per qualsevol causa i en qualsevol part del motor, i també es pot utilitzar com a assaig de flux nominal:

• Monitoratge tèrmic: les màquines disposen de sistemes d’aïllament pensats per treballar en uns marges de temperatura determinats. En sobrepassar els marges, es produeix una degradació anticipada de l’aïllament. Gran part de les màquines de certa entitat disposen de sistemes de monitoratge tèrmic que ofereixen informació indirecta del seu estat per mitjà de la temperatura.

Un altre sistema de monitoratge tèrmic és l’ús de càmeres d’infrarojos (càmeres termogràfiques). Aquest tipus de càmeres detecten la part de l’espectre òptic corresponent a l’emissió de calor superficial dels cossos.

Per detectar errades d’aïllament i estat de les bobines, les proves són:

• Assaig en CA d’ones de xoc: en els assajos habituals d’aïllament, l’aïllament de cada fase està sotmès en tot el seu recorregut a la mateixa tensió d’assaig, i es verifica l’aïllament principal respecte a terra. Queda per provar la part d’aïllament entre espires adjacents, que en cas de degradació evoluciona en curtcircuit a terra. L’abast predictiu el donarà l’assaig d’ones de xoc, que ens podrà mostrar debilitat de l’aïllament entre espires abans que aquest falli.

L’assaig consisteix en la inserció en cada fase d’un pols ràpid i repetitiu que evoluciona durant l’assaig des de zero fins a la tensió d’assaig. El pols s’aplica en cada una de les fases d’extrem a extrem, i les seves espires queden sotmeses a una tensió proporcional enfront de les verificacions següents de l’aïllament entre aquestes. El diagnòstic està determinat fonamentalment per comparació de les diferents respostes del pols per fases i de les diferents tensions d’assaig. Si la màquina no presenta problemes, les formes d’ona coincidiran entre fases i la seva resposta serà en relació amb l’equivalent R/L/C de cadascuna de les bobines. L’equip de captures les digitalitza superposades en pantalla. Quant la inductància s’altera (es redueix) per un defecte de l’aïllament fugint un arc elèctric, la freqüència ressonant del circuit resultant també canvia (augmenta) i cau el nivell de l’oscil·lació. Aquest assaig, per tant, detectarà errades de: aïllament entre espires, entre fases, en massa, curtcircuits, inversió de polaritats, circuits oberts, mals contactes, defectes de fabricació, de cura, etc.

• Assaig de sobretensió CA (IEEE 112 i NEMA MG-1) i CC (IEEE 95 i NEMA MG-1): sotmetent l’aïllament enfront el terra (xassís) a una tensió per sobre de la nominal, es precipita la màquina a l’errada en l’assaig si està a la vora de l’errada; si la màquina no falla, serveix per assegurar-nos que sigui capaç de suportar les especificacions de servei d’apertura de càrregues, transitoris, descàrregues atmosfèriques…
• Assajos de la resistència dels bobinatges en CC (IEEE 92): l’assaig injecta un corrent CC al bobinatge amb tensions relativament baixes, i la resistència és el quocient entre tots dos valors una vegada arriben a ser estables. La mesura de la resistència dels debanats de cada fase de la màquina ha de ser corregida en temperatura i el resultat ha de ser comparable amb les mesures de protocol de fàbrica (relació flux i escalfament), i donarà una indicació clara de la integritat dels bobinatges i la seva connexió. La mesura ha de ser feta a “quatre fils” per evitar incloure en el circuit de mesura la resistència extra dels cables d’assaig de corrent i les resistències de contacte.
• Resistència d’aïllament i índex de polarització en CC (IEEE 43): injectant un voltatge alt i determinat i mesurant el corrent es verifica la resistència d’aïllament entre cadascun dels conductors del bobinatge i entre cadascun dels conductors del bobinatge i la carcassa connectada a la presa de terra.

En els manuals d’instal·lació, funcionament i seguretat hi ha normes de manteniment. Per exemple, és habitual trobar recomanacions com les següents:

1. Inspeccioneu el motor a intervals regulars i almenys una vegada a l’any. La freqüència de les comprovacions depèn, per exemple, del nivell d’humitat de l’aire i de les condicions climatològiques locals. Es pot determinar inicialment de manera experimental i ha de ser respectada estrictament a partir d’aquest moment.
2. Tingueu el motor net i assegureu que l’aire flueix lliurement. Si s’utilitza el motor en un ambient polsós, és necessari verificar i netejar periòdicament el sistema de ventilació.
3. Comproveu l’estat dels retenidors de l’eix (per exemple, anell en V o retenidor axial) i canvieu-los si és necessari.
4. Comproveu l’estat de les connexions i dels cargols de muntatge i assemblatge.
5. Comproveu l’estat dels rodaments.

Per això, cal escoltar per detectar qualsevol soroll inusual, mesurar les vibracions, mesurar la temperatura dels rodaments, inspeccionar la quantitat de greix consumit o motoritzar els rodaments amb un mesurador SPM.

S’ha de parar una atenció especial als rodaments si estan a prop de la seva vida útil nominal calculada. Quan apareguin senyals de desgast, s’ha de desmuntar el motor, comprovar les peces i canviar les que es cregui necessari.

En substituir els rodaments, els de recanvi han de ser del mateix tipus que els muntats originalment, i els retenidors d’eix han de ser substituïts per retenidors de la mateixa qualitat i les mateixes característiques que els originals.

Una vegada verificat que el motor funciona bé, i per preservar-ne el bon funcionament per al temps que ha estat fabricat, es muntarà equilibradament. La bancada és el nom que rep la zona a sobre de la qual s’instal·larà el motor, anivellat allà, de manera que la distribució de càrrega s’efectuï homogèniament sobre el seu eix (un fet important per al bon funcionament i la disminució d’avaries). En la part elèctrica, en el muntatge, els dispositius de protecció acompliran la missió de bon funcionament i preservació del motor. En la figura tenim un especejament d’un motor trifàsic de gàbia.

Les màquines elèctriques portaran una sèrie de proteccions, com el termistor. Aquesta protecció addicional també la porten els motors monofàsics d’electrodomèstics, ja siguin rentadores, neveres, o més petits, com assecadors de cabell. En la figura teniu l’esquema de la protecció d’un motor trifàsic amb termistor.

En la documentació mateixa de les màquines, el fabricant dóna una sèrie de diagnòstics i la seva causa, trets de l’experiència del manteniment específic d’aquella màquina i d’aquell fabricant. A la taula hi ha alguns d’aquests diagnòstics amb l’acció que s’hauria de portar a terme per a la solució.

Abans de treure els models de motors al mercat, es comproven les seves característiques, amb la finalitat d’incloure-les després de la comprovació empírica en el full d’especificacions del motor.

Assajos normals per a tots els motors:

1. Mesura de resistència en continu de les fases de l’estator
2. Mesura de la resistència en continu de les fases del rotor (per al cas de rotor bobinat)
3. Rigidesa dielèctrica del debanat de l’estator
4. Rigidesa dielèctrica del debanat del rotor (per al cas de rotor bobinat)
5. Revisió de la seqüència de fases en la caixa de borns de la màquina
6. Nivell d’aïllament del debanat de l’estator
7. Nivell d’aïllament del debanat del rotor (per al cas de rotor bobinat)

Assajos addicionals per a motors tipus:

1. Assaig d’escalfament
2. Rendiment per suma de pèrdues
3. Corba característica de curtcircuit a tensió reduïda
4. Corba característica de buit

Assajos especials sota comanda:

1. Mesura del parell durant l’arrencament
2. Mesura de sorolls
3. Mesura de vibracions
4. Mesura del factor de pèrdues de l’aïllament dels debanats
5. Altres

En l’assaig en buit, que es fa amb les sortides de l’alternador obertes, s’obté la corba en buit a una velocitat constant, en la qual es representa com evoluciona la tensió nominal generada en l’estator segons la intensitat de camp:

L’alternador es posa a velocitat nominal, els borns de sortida oberts (sense càrrega) i el corrent de camp (I_f) a 0. En tenir els terminals oberts el corrent d’induït és:

En aquest moment podem trobar qualsevol f.e.m. induïda per a qualsevol corrent de camp.

En l’assaig de curtcircuit, que es fa curtcircuitant les sortides de tensió de l’alternador, s’obté el corrent nominal de l’estator a una velocitat constant en funció del corrent de camp.

El corrent de camp I_f es posa a 0, i es curtcircuiten els borns de sortida de l’alternador, i es mesura el corrent d’induït a mesura que es va augmentant el corrent de camp. En tenir els terminals curtcircuitats la tensió de sortida és:

I com que

Si els assajos de buit i de curtcircuit es fan a la mateixa velocitat constant tindrem la impedància per fase o síncrona de l’alternador a aquesta velocitat. A la figura teniu la corba de buit i de curtcircuit de l’alternador síncron.

Si es mesura la resistència a la placa de borns, tindrem en compte la connexió de l’alternador. Pot estar:

• Sense cap tipus de connexió, en què tindrem la resistència de cada bobina.
• En estrella, si estem mesurant dues bobines a la vegada.
• En triangle, si estem mesurant una bobina i les altres dues en sèrie i en paral·lel amb aquesta.

Els bobinatges en CA concentren el corrent en la perifèria dels conductors (efecte pel·licular), i aquest valor de resistència mesurat es multiplica per un factor 1,2.

L’assaig de curtcircuit és necessari per conèixer l’inici de la corba de velocitat, ja que la zona de l’arrencada està sotmesa a importants fenòmens transitoris a causa de la seva naturalesa de connexió i als elevats corrents que hi tenen lloc. Aquest assaig ens mostrarà el valor del parell i la intensitat real en el moment de l’arrencada.

La base de l’assaig és el bloqueig del rotor per impedir-ne el gir, reproduint així el punt de l’arrencada inicial, és a dir, quan la velocitat és n = 0 i el lliscament és s = 1. Bloquejar el rotor en motors grans és problemàtic, i els apliquem una tensió creixent fins a arribar al corrent nominal, ja que amb el rotor aturat la tensió és proporcional al corrent.

Amb el rotor bloquejat la freqüència de la f.e.m. induïda en els seus debanats és la mateixa que la de la xarxa, la de sincronisme, amb una tensió eficaç E_rcc. A mesura que el rotor agafa velocitat apareix el lliscament, que és com la constant de proporcionalitat, de manera que la freqüència i l’amplitud prenen els valors:

Aquest assaig és necessari per obtenir l’evolució de la velocitat del motor en tot el seu procés d’arrencada. Aquest senyal de velocitat és la base per a l’obtenció de la corba parell-velocitat, cosa que en fa l’assaig principal. No obstant això, per al tractament digital posterior del senyal de velocitat també és necessari conèixer l’evolució de la tensió i el corrent durant l’arrencada. L’objectiu és registrar la velocitat del motor mitjançant una dinamo tacomètrica a l’eix del motor; al motor se li aplica la tensió nominal directa mitjançant un contactor o una tensió reduïda, que després s’anirà incrementant.

En les maniobres de màquines d’altern, per a la regulació i el control dels alternadors cercarem i mirarem les normes de les companyies i les normes de les comunitats autonòmiques (ITC-BT-40) que regulen la connexió d’alternadors a la xarxa. Quant als motors, l’arrencada i el sentit de gir són els principis de bon funcionament una vegada instal·lada la màquina.

Els alternadors, per tal de connectar-los en paral·lel hauran de tenir la mateixa tensió i freqüència.

A la figura teniu la caixa de borns d’una màquina síncrona amb el seu bobinatge de camp.

Un motor sincrònic no té parell d’arrencada net, i per tant, no pot arrencar per si mateix. Aquestes són les formes d’arrencada:

1. Reduint la freqüència de l’estator a un nivell segur.
2. Utilitzar un motor primari extern.
3. Amb bobinatges esmortidors fins a fer-lo arribar a la velocitat síncrona per aplicar-hi tensió CC a la bobina de camp.

Els borns de les possibles connexions directes del motor asíncron apareixen a les figures 11 i 12.

Imatge cortesia de http://www.motors-electrics.com

Imatge cortesia de http://www.motors-electrics.com

Hi ha diversos tipus d’arrencada:

1. Connexió directa
2. Connexió estrella-triangle
3. Connexió amb transformador d’arrencada
4. Connexió amb resistència prèvia monofàsica a l’estator
5. Amb arrencadors estàtics
6. Amb variador de freqüència o vectorial

La connexió directa és la manera més senzilla de connectar els motors trifàsics amb rotor de gàbia. Aquest procediment és usual a quasi totes les explotacions industrials i serà l’utilitzat sempre que les condicions d’utilització i de la xarxa ho permetin. (I_cc / I_n < 4,5).

El mètode consisteix en la connexió del motor directament a la tensió nominal de la xarxa. En aquesta arrencada inicialment es donen uns valors molt elevats, el parell pot ser el doble del nominal i la intensitat fins a deu vegades superior a la intensitat nominal.

És adequat si no s’arrenca en buit o el corrent d’arrencada no arriba a nivells alts.

En la connexió estrella-triangle la tensió més petita de la placa característica del motor coincidirà amb la tensió de la línia d’alimentació. A la figura podem apreciar el comportament de l’arrencada estrella-triangle amb un exemple de valors característics de poca variació de velocitat en la zona de treball d’un motor de gàbia.

Imatge cortesia de http://www.motors-electrics.com

Les mesures per limitar el corrent d’arrencada en un motor amb rotor de gàbia consisteixen a aplicar al motor, durant l’arrencada, una tensió reduïda.

Aquest tipus de connexió consisteix a arrencar el motor connectat en estrella, i una vegada arriba a la velocitat de règim, es connecta en triangle. El corrent d’arrencada descendeix en les escomeses a la xarxa a menys d’un terç. El parell d’arrencada es redueix en la mateixa proporció que el corrent de la xarxa i, per tant, és menor que un terç del parell d’arrencada en connexió directa. La commutació d’estrella a triangle es produirà en el moment d’estabilització de la velocitat en estrella i abans que es creui el parell resistent i el parell motor en connexió de triangle.

Amb la connexió amb transformador d’arrencada es redueix la tensió aplicada al motor per mitjà d’un transformador, i la intensitat d’aturada es redueix en aquest en la mateixa proporció, mentre que el parell de sotrac i la intensitat de xarxa disminueixen de manera quadràtica.

La connexió amb resistència prèvia s’utilitza en els casos en què s’hagi de reduir el parell d’arrencada del motor amb mitjans elementals, amb vistes a la màquina operadora, o al procés tècnic. Es pot intercalar una resistència monofàsica en una de les tres escomeses del motor, la qual es curtcircuita una vegada acabat el procés d’acceleració.

Tant els arrencadors estàtics com els variadors arrenquen amb electrònica de potència. Utilitzen trossejadors de moduladors d’amplada de polsos (PWM), formats per triacs que són regulats mitjançant microprocessadors. Ens imaginem l’ona de la potència i apliquem polsos per tal de trossejar parts de l’ona i eliminar-ne d’altres.

Amb vistes a la xarxa i als aparells de maniobra s’ha de procurar mantenir reduït el corrent d’arrencada dels motors de connexió directa. En general, la seva intensitat s’expressa com a múltiple del corrent nominal, i permet així la comparació de motors de diferent mida. Un corrent d’arrencada excessivament petit repercuteix de manera desfavorable sobre els valors tècnics de les màquines, i especialment sobre el parell d’arrencada, el parell màxim i el factor de potència nominal. La influència sobre el rendiment és, al contrari, reduïda.

El parell d’arrencada serveix per accelerar l’accionament en repòs i ha de ser tan gran que superi el parell resistent de l’accionament. La fricció es menysprea en repòs. Però d’una altra banda no volem que es produeixin grans acceleracions perquè poden danyar l’engranatge.

L’arrencada és un dels principals problemes que es presenten en els motors asíncrons trifàsics, ja que la ràpida acceleració del sistema motor-càrrega requereix un elevat parell d’arrencada. Aquest ha de ser superior al parell resistent de la càrrega i les friccions per rodaments de boles. Un altre problema és el de la intensitat d’arrencada, que de vegades pot ser molt elevada, i produeix pertorbacions en les xarxes de distribució.

Per a l’acceleració de masses en moviment és necessari un parell d’acceleració M_b. Per consegüent, el parell motor M ha de ser major que el parell resistent M_g, entre l’aturada i la velocitat de règim, atès que només es disposa com a parell d’acceleració M_b de la diferència M − M_g. Així, doncs, el valor del parell d’arrencada i del parell de sot en el temps d’acceleració desitjat han de correspondre, sobretot, a la magnitud de les masses arrossegades i al parell resistent de les màquines de treball.

El temps d’arrencada estarà referit al moment d’inèrcia respecte a l’eix i al parell d’acceleració:

La simplificació que implica prendre un parell constant d’acceleració pot no ser admissible, a causa de la forta inflexió de la corba del parell motor M respecte a la velocitat n. En la figura es pot veure el parell accelerador d’un motor i una càrrega amb parell resistent quadràtic. Per fer el càlcul de temps d’arrencada més simplificat, la superfície entre les corbes característiques de parell motor i parell resistent es desglossa en tres parts iguals, que van de 0 a n₁, de n₁ a n₂ i de n₂ a n₃; de manera convenient, per a n₃ es tria el 95% de la velocitat plena. En cada cas, aquestes parts se substitueixen per rectangles d’igual superfície amb altures M_b1, M_b2 i M_b3, que donaran lloc a tres temps d’arrencada diferents per a cada cas, com a la figura.

Els motors porten la lletra de codi d’arrencada en la seva placa de característiques, que expressa un factor de potència aparent en funció dels cavalls de força.

A la taula apareix aquesta classificació dels motors segons NEMA MG-1.

La potència aparent d’arrencada màxima és:

i el corrent d’arrencada:

Noteu que el corrent de línia o corrent nominal apareix a la figura, tant en estrella com en triangle, i que la potència nominal, que és la que apareix a la placa característica, és la potència absorbida menys les pèrdues o amb l’afectació del rendiment.

Imatge cortesia de SIEMENS (http://www.siemens.es/)

Una vegada posat en marxa el motor hem de verificar el sentit de gir, ja que en cas contrari l’aplicació no seria correcta. Per exemple, en un extractor d’aire si les pales giressin a l’inrevés no extraurien l’aire sinó que l’introduirien; vegeu la forma de les pales a la figura.

Segons el tipus de motor l’acció que cal prendre per tal d’efectuar el canvi de sentit de gir es representa a la taula.