Diagnóstico de Barras Cortadas en Motores Asíncronos

Diagnósticos en Máquinas Eléctricas

El Rotor a Jaula de Ardilla

Diagnóstico de Barras Cortadas

Luis O. Corvalán

Junio de 2012

        

         Un problema recurrente que observé a lo largo de los años que reparé máquinas eléctricas y de continuar visitando y asesorando a colegas que reparan en particular motores asincrónicos, es el de diagnosticar barras cortadas o fallas en rotores de jaula de ardilla (rotores en corto circuito). Al no tener acceso eléctrico y en muchos casos ni siquiera acceso visual a la jaula de ardilla, en particular sus barras, el diagnóstico de roturas, cortes o fallas parciales en la jaula se debe hacer por métodos indirectos. Algunos autores proponen métodos relacionados con el análisis de forma de onda de corriente en condiciones de carga (estudios dinámicos) o estudios de desequilibrios magnéticos en el entrehierro insertando bobinas testigos (estudios estáticos). Estos y algunos otros métodos que andan por ahí requieren instrumental específico y/o trabajos sobre el estator y en casos como el primero mencionado, tener instalado el motor en su lugar de trabajo o disponer de una instalación de potencia considerable.

Aquí propongo un método relativamente simple y de fácil aplicación en un taller de reparación de máquinas eléctricas para la detección de fallas en un rotor de jaula de ardilla.

Sustento teórico:

Algunos de mis lectores suspirarán profundos al leer el título este, pero ya deberían saber que mi costumbre es vincular siempre las prácticas concretas de mantenimiento o diagnóstico con sus respectivos fundamentos teóricos. Prometo ser muy sencillo en este caso.

Toda máquina eléctrica (de inducción, sincrónica, de continua y transformador) tienen una configuración común: están compuestas por dos arrollamientos que abrazan un circuito magnético. El arrollamiento que se conecta a la fuente de alimentación se llama inductor y el otro arrollamiento se llama inducido. En el caso de la máquina de corriente continua hay casos en que ambos arrollamientos se conectan directa o indirectamente a la fuente, pero esto es un caso casi único. Ahora sigamos nuestro análisis.

Ya mencionamos en otros artículos como es la interacción entre ambos arrollamientos pero viene bien un breve repaso. El arrollamiento inductor crea un campo magnético y el arrollamiento inducido abraza ese campo que visto desde la posición del inducido, será siempre variable, ya sea porque varía en el tiempo o porque está en movimiento respecto de estos arrollamientos. Esto depende del tipo de máquina a que nos referimos, pero los fundamentos son estos que mencionamos.

En el arrollamiento inducido (o secundario) aparecerá una tensión inducida (de ahí el nombre) respondiendo a la Ley de Inducción o de Faraday que nos dice:

E = - N . dØ/dt

Aquí N es el número de espiras del arrollamiento secundario. En el caso de una jaula de ardilla N = 1/2, esto lo podemos analizar en otro artículo. dØ/dt es la variación del flujo respecto del tiempo. 

Si este inducido constituye un circuito cerrado, circulará una corriente que responderá a la ley de Ohm. Esta corriente por el arrollamiento inducido creará a su vez un campo magnético que se opondrá al campo magnético generado por el arrollamiento inductor, tendiendo a debilitar el campo resultante presente en el circuito magnético. Este efecto se conoce como “reacción del inducido”.

Como en la gran mayoría de los casos el inductor (o primario) está conectada a una fuente de tensión constante, y vemos que hay una relación entre tensión en una espira y el flujo magnético abrazado. En el momento que el flujo resultante tiende a disminuir, el arrollamiento inductor toma de la fuente de alimentación una mayor corriente para compensar la caída del flujo total provocada por la aparición de este flujo creado por la corriente del inducido, de forma tal que el flujo final resultante sea el mismo que crearía el inductor en ausencia de la corriente del inducido. Todo esto para mantener aproximadamente igualada la tensión aplicada U a la tensión autoinducida E que responde a Faraday, ya que una diferencia U-E apreciable se traduciría en un aumento de corriente por el inductor, un aumento de flujo inducido y por ende un aumento de la tensión autoinducida, etc. U y E tienden a igualarse.

El motor de inducción con jaula de ardilla:

         Esta máquina cumple cabalmente con la teoría de funcionamiento descrita. El estator conectado a la red es el arrollamiento inductor o primario y la propia jaula de ardilla es el arrollamiento inducido o secundario. La jaula conforma un circuito cerrado y es virtualmente un corto circuito, es decir, presenta una impedancia muy baja.  

         La corriente circulando en un campo magnético produce fuerzas mecánicas sobre las barras de la jaula, hace girar al rotor llevándolo prácticamente hasta la velocidad del campo magnético giratorio que produce el estator, si no hay una carga que tienda a frenarlo (motor en vacío). Cuando la velocidad de rotación se acerca a la del campo, llamada velocidad sincrónica, el campo visto desde la jaula permanece casi en reposo, ya que ambos están girando casi a la misma velocidad, con muy poca tensión inducida y corriente por sus barras. Cuando aplicamos carga al eje estas corrientes débiles no tienen fuerzas mecánicas suficientes para contrarrestar el momento mecánico de carga y el rotor se frena, perdiendo velocidad. Inmediatamente la jaula queda inmersa en un campo, cuya velocidad permanece constante determinada por la frecuencia de la red, pero como la jaula se está frenando, lo “ve” al campo girando ahora a una velocidad relativa cada vez mayor. Este fenómeno provoca mayores tensiones inducidas (al aumentar dØ/dt) en la jaula, mayores corrientes de circulación y mayores fuerzas mecánicas, hasta un punto en que se equilibran con el momento resistente de la carga y ahí se estabiliza la velocidad de giro del motor. Esta velocidad será siempre inferior a la velocidad sincrónica del campo, de ahí el nombre de motor “asincrónico”. La corriente más elevada por el rotor tiene su correlato en una mayor corriente en el estator según vimos anteriormente. El límite de carga que puede soportar un motor de inducción viene dado por la máxima corriente que puede admitir el estator sin exceder una determinada temperatura. De manera muy resumida hemos hecho una descripción del principio de funcionamiento de un motor asincrónico.

         Con esto en mente pasemos a nuestro desafío.

Detección de Barras Cortadas:

         Con el motor en reposo, un campo magnético estacionario y variable aplicado a una zona del motor provocará tensiones inducidas importantes en un sector del rotor y por lo tanto corrientes importantes en la jaula de ardilla. Este campo podemos lograrlo al menos de dos maneras: podemos usar un grupo de bobinas del estator correspondiente a un único polo y para lo cual el motor deberá estar armado o podemos recurrir al clásico probador de inducidos muy difundido en talleres de mantenimiento de motores y dínamos de corriente continua.

         Cualquiera de estos dos métodos producirá un fenómeno similar. La bobina del estator o del probador, estará conectada a una fuente de tensión alterna constante y tomará de esta fuente una corriente necesaria para establecer un campo acorde a la tensión aplicada más la compensación necesaria del efecto producido por la corriente de la jaula, tal como describimos anteriormente. La corriente por la jaula es producto de la tensión inducida por el campo variable y la muy baja impedancia de la jaula de ardilla. Si hacemos desplazar al probador por la periferia del rotor, o en el caso del motor armado, hacemos girar el rotor 360º con la mano, en todo momento la corriente que demanda el probador o la bobina del estator (según el caso empleado) deberá ser exactamente igual, porque la jaula de ardilla es perfectamente simétrica y la impedancia que ofrece a la tensión inducida es la misma.

         Si una o más barras de la jaula están rotas, esta barra ofrecerá una impedancia mayor o mucho mayor a la de una barra sana y cuando esta barra quede expuesta al campo magnético variable, la corriente por esa zona de la jaula será menor a la observada cuando el campo atravesaba una zona sana de nuestra jaula. Esto se verá reflejado en la bobina inductora que requerirá una corriente más baja para establecer el campo magnético resultante necesario. Aquí ya tenemos un método de detección fácil de realizar con los elementos disponibles en cualquier taller de mantenimiento, con muy poca potencia involucrada y sin necesidad de recurrir a artificios como bobinas testigos, cargas elevadas o instrumental sofisticado.

Implementación:

         Recomiendo disponer de un probador por sobre el uso de un grupo de bobinas del estator por al menos dos buenas razones: el núcleo del probador se aplica directamente sobre el núcleo del rotor, logrando un entrehierro mínimo y con esto las diferencias de condiciones entre una zona sana y una zona de falla es más acentuada, más fácil de percibir. Con una bobina del propio estator se debe emplear el motor armado con lo que tenemos dos entrehierros de aire en el circuito magnético lo que me obliga a tener corrientes magnetizantes más elevadas en condiciones normales y la corriente de falla se hará relativamente más parecida a la corriente normal, haciendo menos evidente la falla, incluso imperceptible en algunos casos. La otra razón es que disponiendo de un probador el ensayo se realiza con el motor desarmado mientras que empleando una bobina del estator hay que armar el motor para realizar el ensayo y luego volver a desarmar para continuar la reparación de la máquina. Es un paso más, por lo menos.

         Otra recomendación para exagerar más los efectos buscados y hacer más evidente los resultados del ensayo es alimentar la bobina inductora con frecuencias más elevadas (100 a 500hz). Esto aumenta las tensiones inducidas, baja las corrientes magnetizantes, dejando más en evidencia las corrientes de reacción del inducido y por lo tanto volviendo más evidentes las diferentes situaciones (zonas sanas y de falla) de la jaula de ardilla. El circuito recomendado y muy sencillo es el siguiente:

(Hacer "click" sobre la imagen para verla más grande)     

    

Aquí vemos una fuente variable que puede ser un transformador o autotransformador variable, alimentado desde una fuente de tensión preferentemente de frecuencia media (100 a 500hz). Esto permite regular la corriente por el probador hasta valores apreciables. Se recomienda, si la potencia necesaria no es exagerada, llevar el probador hasta cerca de su corriente máxima admitida, o la de la fuente, en el caso que esta sea menor a la del probador. Esto asegurará un campo magnético considerable y corrientes importantes por la jaula, de manera de hacer notable una rotura de barra o anillo. Es importante usar un amperímetro de calidad capaz de leer correctamente para la frecuencia que emplearemos. El voltímetro solo es necesario para garantizar una tensión estable a lo largo de las mediciones. Haremos girar el rotor con la mano mientras mantenemos la excitación en el probador. La corriente deberá ser exactamente igual a lo largo de los 360º. Si hay una zona de menor corriente respecto del resto, se marcará la zona con una tiza y se repetirá el ensayo unas veces más para corroborar que la disminución de corriente se repite siempre en la misma zona. Esto es prueba suficiente de una irregularidad en la jaula, ya sea por barras cortadas o una rotura en uno de los anillos frontales.

Experiencia práctica:

Hace poco tuve un par de casos con máquinas importantes que permitieron poner a prueba el método, que hasta entonces había sido planteado solo en teoría.

A mediados de junio de 2012 me tocó asesorar a un taller de máquinas eléctricas importante respecto a un motor de inducción que presentaba síntomas extraños. El paciente era un motor de 150hp 1500rpm fabricado en USA perteneciente a una empresa minera de la provincia de Catamarca (Argentina) que presentaba patologías de origen eléctrico en sus rodamientos. Tal fue la gravedad del problema que el motor con el tiempo se quemó por rotura del rodamiento de ataque al destemplarse completamente la pista interior y quedar soldada al eje.

Reparada la máquina, durante la prueba de vacío en el taller el fenómeno persistía, observándose chispazos de origen eléctrico en el mismo rodamiento y en menor medida en el de contraataque. Este fenómeno se analiza más en detalle en el artículo: Rodamientos Aislados: Las Verdaderas Razones 

Volviendo al caso, la causa más sospechosa que explicaría lo que estaba ocurriendo era la de una rotura parcial de la jaula de ardilla.

Aprovechamos para poner a prueba el método, que hasta entonces había sido planteado teóricamente y solo se hicieron algunas simulaciones en laboratorio con máquinas pequeñas.

En nuestro caso empleamos un probador de inducidos como el mostrado en el esquema anterior, al que se alimentó con una tensión alterna fija de 40V y 150 Hz. La corriente que tomó la bobina inductora del probador era de 8,59 Amp. Al hacer girar el rotor manteniendo en posición el probador, esta corriente se mantuvo constante durante 270º, pero en una zona de aproximadamente 90º, similar al ángulo que abarcaba las expansiones del probador, la corriente descendía rápidamente hasta un mínimo de 7,49 Amp. Se marcó con una tiza la zona donde se producía este descenso de corriente y se repitió la prueba haciendo 4 o 5 giros completos más, reproduciendo la misma variación de corriente en exactamente la misma zona marcada la primera vez.

Este ensayo permite concluir que la jaula de ardilla presenta una asimetría definida en una zona de su periferia, muy probablemente debido a una o más barras cortadas. Tratándose de una jaula de aluminio colado, su reparación es antieconómica y se recomendó la baja del motor, salvo que se pueda dar con el fabricante que esté dispuesto a proveer un rotor similar o reparar el rotor dañado a un precio aceptable. Una reparación o cambio de jaula realizado de manera artesanal en un taller no especializado en este tipo de reconstrucciones tiene un costo en horas/hombre y horas/máquina que no se justifica, salvo en motores muy especiales o irreemplazables.

Cómo influye esta falla detectada en el fenómeno eléctrico presente en los rodamientos es tema del próximo artículo.  

Previo a este ensayo, en los primeros días de mayo de 2012 me tocó hacer un control exhaustivo en un motor asincrónico de 1800kW (2300CV) y 1500rpm alimentado por 3x6,6kV fabricado en Argentina en 1987 y perteneciente a una fábrica de pasta celulosa de la Patagonia (Argentina) que estaba asintomático pero cuyo sistema de arranque por autotransformador había ocasionado una serie de fallas muy importantes, con pérdidas de meses de producción y equipamientos y había que descartar cualquier tipo de falla por más improbable que parezca. Aquí se empleó el mismo método propuesto, pero en este caso alimentando un polo del motor (no empleando probador) con baja tensión (380V 50hz) y midiendo la corriente mientras se giraba el rotor con la mano. En todo el recorrido de 360º se midió una corriente de 44,5 Amp lo que nos indica un rotor con una simetría en su jaula, dando la pauta de estar sana su jaula de ardilla.

Conclusiones:

         La intención de este artículo es proponer un método práctico y sencillo pero teóricamente riguroso para la detección de anomalías en jaulas de ardilla con el equipamiento e instrumental disponible en la mayoría de los talleres de mantenimiento y reparación de máquinas eléctricas de cierta importancia. Se planteó el sustento teórico, se hizo una descripción del ensayo práctico y se presentaron ejemplos concretos de su implementación. Espero que sea de interés o utilidad de los lectores.

Para los que tienen algo de intriga de saber como una jaula dañada puede ser causa de los efectos eléctricos observados en los rodamientos del rotor del motor del primer ejemplo, los invito a leer el artículo Rodamientos Aislados: Las Verdaderas Razones que subiré pronto.