Análisis de las zonas de falla de motores eléctricos

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1 Rincón Técnico Análisis de las zonas de falla de motores eléctricos Autores: El contenido de este artículo es un extracto tomado del portal Elaboración técnica: Esta publicación ha sido redactada en su formato original por Juan Carlos Hidalgo, fundador del Grupo TERMOGRAM, una empresa costarricense especializada en mantenimiento predictivo, autor de diversos artículos técnicos y textos sobre mantenimiento predictivo, termografía infrarroja y confiabilidad de motores eléctricos. Es Especialista en Termografía Nivel II y en Análisis de Fallas en Motores Eléctricos e instructor en termografía infrarroja y otras técnicas predictivas. Actualmente es instructor de cursos nivel I para el Infrared Training Center en Boston, MA, USA. Ha sido consultor en diversos países del área centroamericana y ha impartido cursos en Colombia. Además, es conferencista activo de la IEEE.

2 1. Introducción Comúnmente las únicas herramientas usadas por el personal de mantenimiento para detectar fallas en motores han sido un Megger (medidor de aislamiento) y un ohmimetro. Desdichadamente la información brindada es muy general y no precisa la zona de falla del motor en estudio. Es muy fácil el diagnóstico erróneamente si se confía solo en los resultados de un Megger. Por ejemplo, un corto entre espiras o entre fases puede perfectamente estar disparando un motor y al medir el aislamiento este esta en buen estado. Ya que estas fallas aunque son un problema de aislamiento en el devanado podrían estar aisladas completamente de tierra y por lo tanto el Megger no las detecta. Este tipo de anomalías deteriora rápidamente el devanado lo cual resultara en un futuro reemplazo u overhaul del motor. También se ha usado el análisis por vibraciones para detectar fallas en el rotor, estator y excentricidad. Por ejemplo en el rotor se encuentran a la frecuencia de paso de polo (barra) para el caso de motores con rotor jaula de ardilla (motores de inducción de CA), con bandas laterales alrededor de esa frecuencia, y excentricidad y cortos en el estator a 2 veces la frecuencia de línea sin ninguna banda lateral. Sin embargo, el análisis a 2 veces la frecuencia de línea no detalla cual de las dos fallas es la que está afectando más al motor. Ilustración 1: Estudio de Fallas en Motores Eléctricos Y estas son determinadas por especialistas en vibraciones muy experimentados y pueden ya sea pasar desapercibidas por completo o confundirse con otro tipo de influencia.

3 La ilustración 1 muestra un estudio realizado entre el Electric Power Research Institute (EPRI) y General Electric en El propósito de este estudio fue el mostrar las verdaderas fuentes de falla en motores eléctricos. Entonces nos preguntamos, estamos realmente diagnosticando todas las zonas posibles de falla en un motor? Realmente la respuesta es simple, ni vibraciones, ni un ohmimetro ni un Megger logran revisar todas las zonas de falla de un motor, entonces, la tecnología predictiva que está aplicando en su planta es suficiente para evaluar todos los componentes que pueden causar la falla de un motor? Las pruebas eléctricas aplicadas a un motor deben de ser confiables y nos deben dar un diagnóstico completo de todas las zonas o áreas de falla de un motor. Las pruebas a realizar deben incluir pruebas tanto con motor energizado como con motor detenido. Las pruebas con motor detenido son de particular importancia en aquellos casos en que un motor sé este disparando y su puesta en funcionamiento puede terminar de dañarlo, o en el caso de pruebas de puesta en marcha al instalarse un nuevo equipo de producción. Para el diagnóstico de un motor, se han establecido las siguientes zonas o áreas de fallas: Circuito de Potencia Aislamiento Estator Rotor Excentricidad (entrehierro) Calidad de energía El análisis de estas 6 zonas nos permite distinguir entre un problema mecánico y uno eléctrico. Y en el caso de un problema eléctrico detallar la solución. 2. Zonas de Falla I. Circuito de Potencia Generalmente se establece desde el Centro de Control del Motor (CCM) hasta la caja de bornes del mismo, e involucra a todos los conductores con sus bornes, interruptores, protecciones térmicas, fusibles, contactores y cuchillas. La ilustración 2 muestra un típico circuito de potencia, se ha demostrado por EPRI que los falsos contactos han sido la fuente de un 46% de las fallas en motores, por lo que aunque muchas veces el motor este en excelente estado, este se instala en un circuito de potencia defectuoso, que a la postre lo daña. Los problemas de conexiones de alta resistencia (se oponen al paso de la corriente) son variados, entre ellos:

4 Generación de armónicas Desbalances de voltaje Desbalances de corriente Ilustración 2: Típico circuito de potencia Típicamente las conexiones de alta resistencia son causadas por: Terminales corroídos Cables sueltos Barras sueltas Prensa fusibles corroídos Hilos abiertos Conexiones entre Aluminio cobre Diferentes tamaños de conductores Uno de los métodos que usamos para detectar defectos en el circuito de potencia en un motor / generador, trifásico es la medición de resistencia entre fases, es una prueba estática con motor detenido. En un equipo en buen estado las tres lecturas entre las fases deberían ser casi idénticas, su desbalance resistivo debe ser menor a un 5%. Dinámicamente, con motor energizado el circuito es evaluado completamente al detectarse desbalances de voltaje en cualquiera de las fases. Otro de los métodos utilizados para complementar el diagnostico del circuito de potencia es la termografía IR, sin duda una de las técnicas mas conocidas para detectar falsos contactos. II. Calidad de energía La calidad de energía ha sido ignorada en muchos casos por el personal de mantenimiento y sin duda es una zona de falla con mucha influencia en la vida de un motor. Existen varios factores involucrados en la calidad de energía; distorsión armónica tanto de voltaje como de corriente, picos de voltaje, desbalances de voltaje y factor de potencia son algunos de estos.

5 Sin embargo, con relación a las fallas en motores eléctricos nos concentraremos en dos de estos factores: Ilustración 3: Desbalance resistivo falso contacto severo Desbalance de Voltaje Ilustración 4: Factor de reducción de potencia (NEMA) Cuando los voltajes de línea aplicados a un motor no son equilibrados se desarrollan corrientes desbalanceadas en los devanados del estator, a estas se les conoce como corrientes de secuencia negativa y reducen el torque del motor. Se producen dos efectos importantes, aumenta la temperatura en el devanado y aumenta su vibración. Un aumento de la temperatura por encima de su valor permitido provocaría danos al aislamiento, y el aumento en los niveles de vibración provocaría en algún grado solturas mecánicas, desgaste en los rodamientos y aflojamiento de las bobinas. Con desbalances de voltaje presentes, la potencia de placa de un motor debe ser multiplicado por un factor

6 de reducción tal y como se observa en la ilustración 4. De acuerdo a NEMA ningún motor debe ser operado con desbalances de voltaje mayores a un 5%. Armónicas Con la popularidad de los "drives" de CA y CD para motores se crean distorsiones importantes en la forma de onda de voltaje, a estas se les conoce como armónicas. Ilustración 5: Armónicas El parámetro más conocido es la distorsión armónica Total (THD, en inglés) en términos simples es el valor RMS de la señal con la frecuencia fundamental removida. O sea, una onda sinusoidal perfecta de 60Hz tendría un THD de 0%. Cualquier otra onda presente junto con la fundamental se le considera distorsión armónica. Entonces, las armónicas son señales que distorsionan a la onda fundamental, tienen una forma sinusoidal y están presentes en múltiplos de la fundamental. La ilustración 5 muestra la onda fundamental a 60Hz pero con otra onda sobrepuesta, esta última completa 2 ciclos en el mismo tiempo que la fundamental completa uno. Si se observa la fase 1 de la fundamental (gris), la armónica forma los dos ciclos (verde). A la onda sobrepuesta se le conoce como la 2da. Armónica 2x60Hz = 120Hz. Las armónicas existen en todos los sistemas trifásicos y son generadas por cargas no-lineales como: Convertidores de potencia electrónicos: rectificadores y vaciadores de frecuencia (VFD) Fluorescentes Hornos de arco UPS Otros.

7 Existen tres tipos de armónicas: Secuencia positiva: Crea un campo magnético en la dirección de rotación, por lo tanto ayuda al torque del motor. Secuencia negativa: Se opone a la rotación del motor e incrementa la demanda de corriente a una carga determinada. Secuencia cero: No produce ningún trabajo, pero causa calentamiento y retorna al transformador de alimentación y sobre carga al nuestro. Produce por lo tanto calentamiento en el transformador también. La siguiente tabla muestra la clasificación de cada armónica para un sistema: El fenómeno de las armónicas que más afecta para el caso de los motores eléctricos es el excesivo calor que se produce por las demandas de corriente anormales. Un motor diseñado para consumir a plena carga 150amp. Podría consumir 180 A. Sí el THD es alto. Este aumento de corriente perfectamente podría no ser tolerado por el motor y provoca daños severos al aislamiento y posible colapso del mismo. Si este alto THD no es corregido, al instalarse un nuevo motor en este circuito, el fenómeno se repetiría y sería de nunca acabar, por esto un análisis de la calidad de energía que le llega a un motor es irremplazable. Existe un factor de reducción conocido como el factor de voltaje armónico (HVF, en ingles), el cual se utiliza para reducir la potencia del motor en presencia de un THD alto. El estándar IEEE reconoce que son las cargas las que introducen armónicas al sistema y nos da ciertos límites que se deberían de manejar en las industrias. En este caso la distorsión armónica de voltaje es más importante, según la tabla de este estándar, el THD para sistemas operando a menos de 69KV debería ser no mayor a 5%. Aun recomiendan que cada armónica de voltaje individual no exceda de un 3%. Una correcta identificación de las armónicas presentes en el circuito de distribución permitirá a los ingenieros de calidad de energía, diseñar filtros pasivos y activos para eliminar el efecto anteriormente discutido.

8 Ilustración 6: Medición de armónicas III. Aislamiento Cuando hablamos de la condición de aislamiento nos referimos a la resistencia que existe entre este a tierra (RTG, en ingles). La RTG indica que tan limpio o sano esta un aislamiento. Para que se dé una falla a tierra, deben de ocurrir dos cosas. Primero debe crearse un camino de conducción a través del aislamiento. Conforme el aislamiento envejece se fisura y posibilita que se acumule material conductivo. Segundo, la superficie exterior del aislamiento se contamina de material conductivo y conduce suficiente corriente a la carcasa o núcleo del motor que está conectado a tierra. Hoy en día los sistemas de aislamiento han mejorado notablemente y son capaces de soportar mayores temperaturas sin sacrificar su vida esperada. La máxima temperatura de operación de un motor / generador depende principalmente de los materiales usados en su construcción, existen varias clases, pero las más usadas son: Aislamiento clase B, temperatura máxima 130 C Aislamiento clase F, Temperatura máxima 155 C Aislamiento clase H, temperatura máxima 180 C Dichas temperaturas máximas, son aquellas a las cuales el aislamiento podría colapsar. En termografía IR es posible detectar una falla en el aislamiento de

9 un motor si se tiene la clase de aislamiento del mismo (dato de placa). Generalmente al medir la temperatura de la carcasa del motor, asumimos que el aislamiento esta en 20 C más alto que esta. Por ejemplo, si observamos que la temperatura de la carcaza de un motor clase B es de 120 C, podría estar muy seguro que la temperatura del aislamiento esta a por lo menos 140 C excediendo la temperatura máxima permitida para esa clase de aislamiento. El aislamiento pierde muy rápido sus propiedades al aumentar la temperatura, este mismo motor en vez de durar aproximadamente 15 años, duraría alrededor de 3 años. La termografía IR es una herramienta muy útil para detectar un sobrecalentamiento en el motor, y aunque podría precisar el área donde se produce el calentamiento (corto entre espiras), sin embargo es todavía bastante limitada en su capacidad de indicar el porqué se produce este. El determinar la causa raíz de una falla en el aislamiento de un motor, puede involucrar alguno de estas causas posibles: Circuito de potencia: Una conexión de alta resistencia, produce un voltaje de línea desbalanceada. Armónicas: que introducen corrientes de secuencia negativa y sobrecalentando el devanado. Ilustración 7: Medición de aislamiento corregida con Temp.

10 Ambiental: Contaminación en el motor Es fácil diagnosticar una falla en el aislamiento de un motor, pero se deberá realmente a esto la falla del motor en si? Si se instala nuevamente el motor reparado o uno nuevo, es muy probable que la falla se repita. El utilizar un Megger es un buen inicio para probar el aislamiento eléctrico pero no da información completa, otro aspecto importante de resaltar es que el Institute of Electrical and Electronic Engineers (IEEE) basa los límites de aislamiento a una temperatura de 40 C. Por ello es muy importante hacer lectura con corrección de temperatura, de otro modo se tendrían valores con variaciones altas y bajas, tal y como se observa en la ilustración 7. La norma de la IEEE a la que hacemos referencia es la IEEE También IEEE indica que se debe de calcular el Polarization Index (PI), es el valor de aislamiento tomado a los 10 minutos entre el valor de 1 minuto, básicamente da una indicación de la pendiente del perfil del índice de polarización; un PI de 2.0 según IEEE es aceptable para aislamientos clases B, F y H; pero desdichadamente motores/generadores con sistemas de aislamiento inestables pueden dar valores cercanos a 2.0; por esto recomendamos el evaluar el perfil del índice de aislamiento y no solo su valor. La ilustración 8 muestra el perfil para un motor con una contaminación severa y posible daño o resquebrajamiento del aislamiento. La prueba del PI es una prueba que se realiza con voltaje CD y no es potencialmente destructiva como lo son otro tipo de pruebas como Hi-Pot y la prueba de Impulso, que se utilizan también para este efecto. Otra tipo de parámetro utilizado para evaluar la contaminación interna del aislamiento es la Capacitancia a Tierra (CTG, en inglés). Una máquina que está limpia y seca exhibe un CTG bajo en comparación con una que está contaminada. Un aumento en la contaminación es comparable con el aumento en el material dieléctrico entre las dos placas de un capacitor, conforme se deposite más material en el aislamiento el dieléctrico aumenta y la capacitancia crece.

11 Ilustración 8: Perfil del índice de polarización inaceptable Para aquellas compañías que efectúan paros para limpieza de motores esta es una herramienta de gran importancia para ahorrar tiempo de paro para este tipo de mantenimiento. IV. Estator En un estator es importante el diagnosticar: los devanados, el aislamiento entre vueltas, juntas de soldado entre las espiras y el núcleo del estator o laminaciones. Tal vez, la falla más común es un corto entre vueltas, esto reduce la habilidad de producir un campo magnético balanceado. Esto a la vez trae otras consecuencias como un aumento en la vibración de la máquina, y por ende degradación del aislamiento y daños a los rodamientos del motor. Generalmente este tipo de cortos aumenta la temperatura y el corto se expande a un corto entre espiras y eventualmente destruye todo el motor. Aún más grave que esta es la falla entre fases, un corto de este tipo acelera rápidamente la destrucción del motor. Fallas de este tipo pueden ocurrir varias veces en un motor y no resultan en una falla a tierra. Debido a esta razón, el utilizar solamente un Megger como herramienta predictiva es insuficiente ya que este tipo de fallas pueden ser pasadas por alto. Sí el núcleo del motor se llegase a dañar el reemplazo del motor sería total. El diagnóstico de esta zona de falla puede ser efectuada directamente en los terminales del motor o desde el Centro de Control de Motores (CCM). La prueba estática involucra mediciones de inductancia entre fases, para esto se envían señales de CA a alta frecuencia, y se calcula un desbalance inductivo. Un desbalance presente implica que las fases producen campos magnéticos desbalanceados y que muy probablemente tiene cortos entre vueltas o espiras. También como parte de la prueba se toman valores de resistencia, si excede un valor predeterminado indica que pueden existir conexiones de alta resistencia en el circuito hacia el motor o en las juntas de soldado. A continuación se muestra gráficamente el efecto en un devanado en estrella.

12 La prueba dinámica con motor energizado identifica una falla en el estator tomando mediciones de voltaje y corriente por fase y calculando la impedancia en cada una. Si una fase tiene problemas en los devanados, el desbalance de impedancia aumenta. Ilustración 9: Desbalance inductivo - corto entre espiras V. Rotor Cuando nos referimos a la condición de un rotor se deben de revisar; las barras, laminaciones y los anillos de corto circuito. Un estudio del EPRI mostró que un 10% de fallas en motores se debió al rotor. Una barra rota genera un calor intenso en la zona de ruptura y puede destruir el aislamiento cercano a las laminaciones y el devanado estatórico colapsara. Desdichadamente, muchas veces, los problemas en las barras del rotor no son fácilmente detectables con tecnologías comunes y se obvia como causa-raíz. Hemos tenido la experiencia de muchas empresas que rebobinan varias veces un motor sin saber que la raíz del problema en el devanado estaba en el rotor. El MCEmax detecta un problema en el rotor mediante la prueba del Rotor Influence Check (RIC), esta prueba es estática y relaciona el magnetismo entre el rotor y el estator. La prueba se realiza al rotor en incrementos específicos (determinados por el número de polos del motor) y tomando la lectura en el cambio de inductancia para cada fase. El RIC de un motor normal tiene la forma de la ilustración 10 y el RIC de un rotor con barras rotas muestra valores de inductancia erráticos y periódicos causados por la distorsión del flujo alrededor de la barra rota. Se recomienda efectuar la prueba del RIC como prueba inicial para un motor en su primer análisis.

13 Ilustración 10: RIC - rotor en buen estado Ilustración 11: RIC rotor con barras rotas Dinámicamente se identifica las barras rotas en un análisis de corriente del motor, este se desarrolla al tomar la señal corriente de las tres fases del motor

14 y se pasa al dominio de la frecuencia (FFT). El análisis dinámico identifica una falla en el rotor como una banda lateral, a la frecuencia de línea a una frecuencia llamada frecuencia de paso de polo (Fp). Al utilizar tanto el análisis estático como dinámico para diagnosticar un problema en un rotor se tiene un alto nivel de confianza, especialmente cuando se tiene que sacar un motor importante de servicio. La ilustración 12 muestra problema en un rotor obtenido mediante un análisis de corrientes. VI. Excentricidad El rotor de un motor / generador debe estar centrado, existe un claro entre estos denominado Air Gap, si este Air Gap no está bien distribuido en los 360 del motor se producen campos magnéticos desiguales. Se ha discutido ampliamente el efecto adverso que provocan estos campos magnéticos desiguales que a la larga resultará en una falla en el aislamiento y falla en los rodamientos. Este problema se le conoce como excentricidad, existen básicamente dos tipos, la estática en la cual el rotor esta descentrado pero fijo en un lugar generalmente este tipo de problemas es causado cuando los alojamientos de los roles están desalineados, por un inadecuado alineamiento o por que la carcaza del motor fue torcida cuando se instalo en su base. La ilustración 13 muestra como es la excentricidad estática. Ilustración 12: Prueba dinámica - falla en rotor

15 Ilustración 13: Excentricidad estática El otro tipo de excentricidad es la dinámica, y como resultado el rotor se balancea dentro del estator, por lo tanto la inductancia varía. La excentricidad dinamica es producida por un deflexión en el eje generalmente. Ilustración 14: Excentricidad dinámica VII. Conclusiones

16 Como se ha discutido en este artículo, las tecnologías predictivas más comunes tienen severas limitaciones y fallan en precisar la causa de la anomalía en un motor eléctrico, pero sí ayudan a dar un indicio de donde podría estar el problema. El diagnosticar el problema en un motor debe involucrar todas las zonas de falla presentes como lo son: Calidad de energía, circuito de potencia, aislamiento, estator, rotor y excentricidad, para ello deben de utilizarse tanto tecnologías dinámicas como estáticas. Y estas deben de ser de tipo no destructivas para no acelerar el daño en el motor. La tecnología dinámica es de particular importancia para diagnosticar anomalías en aquellos motores que por razones del proceso productivo no pueden ser detenidos. Y la tecnología estática es vital para revisar aquellos motores que se dispararon por algún motivo y su puesta en funcionamiento es peligrosa para el motor. O para revisar aquellos motores que han sido reparados por un taller de reparación de motores y se quiere tener certeza de que están aptos para funcionamiento. Como se ha explicado, ambas tecnologías son vitales. Introducción Las armónicas son corrientes y/o voltajes presentes en un sistema eléctrico, con una frecuencia múltiplo de la frecuencia fundamental. Así, en sistemas con frecuencia de 60 Hz y cargas monofásicas, las armónicas características son la tercera (180 Hz), quinta (300 Hz), y séptima (420 Hz) por ejemplo. Con el creciente aumento en el uso de cargas no lineales (procedentes de la electrónica de potencia), se han empezado a tener algunos problemas en las instalaciones eléctricas debido a los efectos de las componentes armónicas de corrientes y voltajes en el sistema eléctrico, que no se contemplaban anteriormente. Entre estos están el sobrecalentamiento de cables, transformadores y motores, corrientes excesivas en el neutro, fenómenos de resonancia entre los elementos del circuito (si se cuentan con bancos de capacitores para corrección del factor de potencia) y en general la calidad en el suministro de energía eléctrica se ha ido deteriorando por la distorsión presente en los voltajes y corrientes. Esta situación puede llegar a causar un funcionamiento incorrecto de muchos equipos (especialmente los menos robustos) que han sido diseñados para operar bajo condiciones normales (poca distorsión armónica). Además, se presenta un incremento en los costos de operación como resultado de algunos factores ligados a la generación de armónicas. Estos problemas han sido ampliamente analizados en libros y artículos, se han desarrollado equipos de medición sofisticados que permiten realizar estudios acerca de éstos y además se cuenta con prácticas recomendadas para tener cierto grado de control sobre los mismos. Se presentará un análisis de los efectos más comunes provocados por las armónicas en los sistemas eléctricos, en conjunto con una extensa bibliografía para el lector interesado en profundizar en el tema.

17 Fuentes de Armónicas En general, cualquier tipo de carga no lineal conectada al sistema eléctrico causará distorsión armónica. A continuación se muestra una lista de ejemplos comunes de fuentes de armónicas en sistemas de potencia, entre las que se citan algunas cuyos efectos se pueden despreciar de manera segura en sistemas de distribución: a. Saturación de transformadores b. Corrientes de energización de transformadores c. Conexiones al neutro de transformadores d. Fuerzas magnetomotrices en máquinas rotatorias de corriente alterna e. Hornos de arco eléctrico f. Lámparas fluorescentes g. Fuentes reguladas por conmutación h. Cargadores de baterías i. Compensadores estáticos de VAr s j. Variadores de frecuencia para motores ( drives ), inversores k. Convertidores de estado sólido Es importante señalar que las armónicas son una situación de estado estable, por lo que no se deben confundir con fenómenos transitorios. Aun y cuando las corrientes de energización en los transformadores son transitorios en sistemas eléctricos, también se pueden citar dentro de fuentes que producen armónicas si operan en sistemas que presentan una resonancia aguda en alguna de las frecuencias de esta corriente (en su mayoría la 2da, 3ra, 4ta y 5ta armónicas). Esto causaría una distorsión en voltaje que a su vez afectará a la corriente de energización del transformador, por ende excitando aún más la frecuencia de resonancia del sistema e incrementando la distorsión en voltaje hasta niveles que pueden degradar o dañar equipo en forma instantánea o eventual. Efecto de las Armónicas Los efectos producidos por las armónicas en los componentes de los sistemas eléctricos han sido analizados tanto para circuitos particulares como para toda una red interconectada, no obstante en algunos casos es muy difícil cuantificarlos en forma específica puesto que dependen de muchos factores. A continuación se presentará un compendio de los mismos, citando las referencias correspondientes. a. Efecto en cables y conductores: al circular corriente directa a través de un conductor se produce calentamiento como resultado de las pérdidas por efecto Joule, I²R, donde R es la resistencia a corriente directa del cable y la corriente está dada por el producto de la densidad de corriente por el área transversal del conductor. A medida que aumenta la frecuencia de la corriente que transporta el cable (manteniendo su valor rms igual al valor de corriente directa) disminuye el área efectiva por donde ésta circula puesto que la densidad de corriente crece en la periferia exterior (Figura 1), lo cual se refleja como un aumento en la resistencia efectiva del conductor.

18 Figura 1. Densidades de corriente en un mismo conductor, (a) a corriente directa y (b) a corriente de alta frecuencia. Por lo tanto, la resistencia a corriente alterna de un conductor es mayor que su valor a corriente directa y aumenta con la frecuencia, por ende también aumentan las pérdidas por calentamiento. A frecuencia de 60 Hz, este efecto se puede despreciar, no por que no exista, sino porque este factor se considera en la manufactura de los conductores. Sin embargo con corrientes distorsionadas, las pérdidas por efecto Joule son mayores por la frecuencia de las componentes armónicas de la corriente. La Tabla 1 muestra la razón entre la resistencia de alterna y la de directa producida por el efecto piel en conductores redondos, a frecuencias de 60 y 300 Hz. Tabla 1. Ejemplo de efecto piel en conductores b. Efecto en transformadores: la mayoría de los transformadores están diseñados para operar con corriente alterna a una frecuencia fundamental (50 ó 60 Hz), lo que implica que operando en condiciones de carga nominal y con una temperatura no mayor a la temperatura ambiente especificada, el transformador debe ser capaz de disipar el calor producido por sus pérdidas sin sobrecalentarse ni deteriorar su vida útil. Las pérdidas en los transformadores consisten en pérdidas sin carga o de núcleo y pérdidas con carga, que incluyen las pérdidas I²R, pérdidas por corrientes de Eddy y pérdidas adicionales en el tanque, sujetadores, u otras partes de hierro. De manera individual, el efecto de las armónicas en estas pérdidas se explica a continuación: Pérdidas sin carga o de núcleo: producidas por el voltaje de excitación en el núcleo. La forma de onda de voltaje en el primario es considerada senoidal independientemente de la corriente de carga, por lo que no se considera que aumentan para corrientes de carga no senoidales. Aunque la corriente de magnetización consiste de armónicas, éstas son muy pequeñas comparadas con las de la corriente de carga, por lo que sus efectos en las pérdidas totales son mínimos. Pérdidas I²R: si la corriente de carga contiene componentes armónicas, entonces estas pérdidas también aumentarán por el efecto piel.

19 Pérdidas por corrientes de Eddy: estas pérdidas a frecuencia fundamental son proporcionales al cuadrado de la corriente de carga y al cuadrado de la frecuencia, razón por la cual se puede tener un aumento excesivo de éstas en los devanados que conducen corrientes de carga no senoidal (y por lo tanto en también en su temperatura). Estas pérdidas se pueden expresar como: Pérdidas adicionales: estas pérdidas aumentan la temperatura en las partes estructurales del transformador, y dependiendo del tipo de transformador contribuirán o no en la temperatura más caliente del devanado. Se considera que varían con el cuadrado de la corriente y la frecuencia, como se muestra en la ecuación (2). Aunado a estas pérdidas, algunas cargas no lineales presentan una componente de corriente directa en la corriente de carga. Si este es el caso, esta componente aumentará las pérdidas de núcleo ligeramente, pero incrementarán substancialmente la corriente de magnetización y el nivel de sonido audible, por lo que este tipo de cargas se debe evitar. En el caso de transformadores conectados en delta - estrella (comúnmente de distribución) que suministran cargas no lineales monofásicas como pueden ser fuentes reguladas por conmutación, las armónicas triplen (múltiplos de 3) circularán por las fases y el neutro del lado de la estrella, pero no aparecerán en el lado de la delta (caso balanceado), ya que se quedan atrapadas en ésta produciendo sobrecalentamiento de los devanados. Se debe tener especial cuidado al determinar la capacidad de corriente de estos transformadores bajo condiciones de carga no lineal puesto que es posible que los volts-amperes medidos en el lado primario sean menores que en el secundario. Con el constante aumento de cargas no lineales, se han llevado a cabo estudios para disminuir la capacidad nominal de los transformadores ya instalados que suministran energía a este tipo de cargas. Además, en el caso de transformadores que operarán bajo condiciones de carga no lineal, es conveniente en lugar de

20 sobredimensionar el transformador, utilizar un transformador con un factor K mayor a 1. Estos transformadores son aprobados por UL (Underwriter s Laboratory) para su operación bajo condiciones de carga no senoidal, puesto que operan con menores pérdidas a las frecuencias armónicas. Entre las modificaciones con respecto a los transformadores normales están: a. El tamaño del conductor primario se incrementa para soportar las corrientes armónicas triplen circulantes. Por la misma razón se dobla el conductor neutro. b. Se diseña el núcleo magnético con una menor densidad de flujo normal, utilizando acero de mayor grado, y c. Utilizando conductores secundarios aislados de menor calibre, devanados en paralelo y transpuestos para reducir el calentamiento por el efecto piel. El factor K se puede encontrar mediante un análisis armónico de la corriente de la carga o del contenido armónico estimado de la misma. La ecuación que lo define es: Con el valor del factor K de la corriente de la carga, se puede escoger el transformador adecuado. La Tabla 2 muestra los valores comerciales de transformadores con factor K. Tabla 2. Transformadores con factor K disponibles comercialmente. c. Efecto en interruptores (circuit breakers): los fusibles e interruptores termomagnéticos operan por el calentamiento producido por el valor rms de la corriente, por lo que protegen de manera efectiva a los conductores de fase y al equipo contra sobrecargas por corrientes armónicas. Por otro lado, la capacidad interruptiva no se ve afectada por las componentes armónicas en los sistemas eléctricos puesto que durante condiciones de falla, las fuentes que contribuyen a la misma son de frecuencia fundamental.

21 d. Efecto en las barras de neutros: dado que este es el primer punto de unión de los neutros de las cargas monofásicas, en el caso balanceado, las corrientes (fundamentales y armónicas) de secuencia positiva y negativa se cancelan aquí. Estas barras pueden llegar a sobrecargase por el efecto de cancelación de las componentes armónicas de secuencia positiva y negativa entre los conductores neutros que sirven diferentes cargas. En el caso de corrientes armónicas de secuencia cero (armónicas triplen ), estas no se cancelarán en el neutro aun con condiciones balanceadas, por lo que estas barras se pueden sobrecargar por el flujo de estas corrientes. En la realidad, las barras de neutros transportan corrientes de secuencia positiva y negativa producidas por el desbalance de cargas más las armónicas triplen de secuencia cero generadas por éstas. Por esta razón las barras que están dimensionadas para soportar la misma corriente de fase pueden sobrecargarse fácilmente en presencia de cargas no lineales. En el caso de que se estén alimentando cargas no lineales, es recomendable que las barras de neutros tengan una capacidad de corriente igual al doble de la de las fases. e. Efecto en los bancos de capacitores: el principal problema que se puede tener al instalar un banco de capacitores en circuitos que alimenten cargas no lineales es la resonancia tanto serie como paralelo, como se muestra en la Figura 2. A medida que aumenta la frecuencia, la reactancia inductiva del circuito equivalente del sistema de distribución aumenta, en tanto que la reactancia capacitiva de un banco de capacitores disminuye. Existirá entonces al menos una frecuencia en la que las reactancias sean iguales, provocando la resonancia. Figura 2. Circuitos que ejemplifican: (a) resonancia paralelo y (b) resonancia serie Resonancia paralelo: la Figura 2 (a) muestra el circuito equivalente para el análisis de la resonancia paralelo en un sistema eléctrico. La carga no lineal inyecta al sistema corrientes armónicas, por lo que el efecto de dichas corrientes se puede analizar empleando el principio de superposición. De esta manera, el circuito equivalente a distintas frecuencias se puede dibujar como:

22 Figura 3. Circuito equivalente para el análisis del sistema a frecuencias armónicas. En general, la fuente de voltaje Vh vale cero (corto circuito), puesto que sólo presenta voltaje a frecuencia fundamental. Entonces a frecuencias armónicas, el circuito equivalente visto por la carga (fuente de corrientes armónicas) será una inductancia y capacitancia en paralelo, por lo que la frecuencia de resonancia se tendrá cuando: Si la carga inyecta una corriente armónica de una frecuencia igual o cercana a la frecuencia de resonancia paralela del sistema, entonces las corrientes y voltajes experimentarán una amplificación puesto que la admitancia equivalente se acerca a cero (impedancia muy alta). Esto produce los problemas de calentamiento inherentes a las corrientes armónicas (en cables, transformadores, interruptores), la operación de fusibles, y el posible daño o envejecimiento prematuro de equipo. Resonancia Serie: esta resulta en un circuito como el mostrado en la Figura 2 (b). En este caso la expresión matemática de la frecuencia de resonancia es la misma que muestra la ecuación (4), la diferencia es que ahora el circuito presenta una trayectoria de baja impedancia a las corrientes armónicas (casi un corto circuito). Esta resonancia causará problemas similares a los que se tienen en el caso de la resonancia paralelo. Una forma de minimizar los problemas de resonancia por la instalación de bancos de capacitores consiste en distribuir los mismos en diferentes puntos del sistema, para alejar la frecuencia de resonancia a valores más altos. También es importante considerar que los capacitores se deben conectar en delta y/o estrella no aterrizada (para evitar atraer las armónicas triplen ) en sistemas menores a 69 kv. f. Efecto en los motores de inducción: fundamentalmente, las armónicas producen los siguientes efectos en las máquinas de corriente alterna: un aumento en sus pérdidas y la disminución en el torque generado. Este ha sido el tema de análisis de muchos artículos por su importancia en la industria y a continuación se mostrará un estudio simplificado de estos efectos en base a las referencias citadas.

23 Pérdidas en los motores de inducción: si el voltaje que se alimenta a un motor de inducción contiene componentes armónicas, entonces se incrementarán sus pérdidas I²R en el rotor y estator, pérdidas de núcleo (Eddy e histéresis) y pérdidas adicionales, en tanto que las pérdidas de fricción y ventilación no son afectadas por las armónicas. En forma más detallada, tenemos el siguiente análisis de las pérdidas. 1. Pérdidas I²R en el estator: según IEEE, las pérdidas en el estator son determinadas utilizando la resistencia a corriente directa de la máquina, corregida a la temperatura especificada. Al operar la máquina de inducción con voltajes con contenido armónico no sólo aumentan estas pérdidas por el efecto piel que incrementa el valor de la resistencia efectiva, sino que también aumenta el valor de la corriente de magnetización, incrementándose aún más las pérdidas I²R. 2. Pérdidas I²R en el rotor: éstas aumentan de manera más significativa que las anteriores, por el diseño de la jaula en los motores de inducción que se basa en el aprovechamiento del efecto piel para el arranque. Esta resistencia aumenta en forma proporcional a la raíz cuadrada de la frecuencia y por ende las pérdidas. 3. Pérdidas de núcleo: estas pérdidas son función de la densidad de flujo en la máquina. Éstas aumentan con excitación de voltaje no senoidal puesto que se tienen densidades de flujo pico más elevadas, sin embargo su aumento es aún menor que el de las pérdidas mencionadas anteriormente e incluso son más difíciles de cuantificar. 4. Pérdidas adicionales: son muy difíciles de cuantificar aun bajo condiciones de voltaje senoidal. Al aplicar voltaje no senoidal, éstas aumentan en forma particular para cada máquina. Torque en el motor de inducción: las armónicas de secuencia positiva producen en el motor de inducción un torque en el mismo sentido de la dirección de rotación, en tanto que las de secuencia negativa tienen el efecto opuesto. En caso de que se tenga conectado el neutro, el par producido por las armónicas triplen es igual a cero. Dependiendo del contenido armónico del voltaje aplicado, el par promedio de operación puede verse disminuido considerablemente, sin embargo en la mayoría de los casos el efecto producido por las armónicas de secuencia negativa se cancela con el efecto de las de secuencia positiva, por lo que su efecto neto en el par promedio puede despreciarse. La interacción de las corrientes armónicas del rotor con el flujo en el entrehierro de otra armónica resultan torques pulsantes en los motores, los que pueden afectar la calidad del producto donde las cargas de los motores son sensibles a estas variaciones. Estos torques pulsantes también pueden excitar una frecuencia de resonancia mecánica lo que resultaría en oscilaciones que pueden causar fatiga de la flecha y otras partes mecánicas conectadas. Por lo general la magnitud de estos torques es generalmente pequeña y su valor promedio es cero.

24 g. Efectos en otros equipos: equipos electrónicos sensitivos son susceptibles a operación incorrecta a causa de las armónicas. En algunos casos estos equipos dependen de la determinación precisa del cruce por cero del voltaje u otros aspectos de la forma de onda del mismo, por lo que condiciones de distorsión pueden afectar su operación adecuada. En lo que respecta a equipos de medición e instrumentación estos son afectados por las componentes armónicas, principalmente si se tienen condiciones de resonancia que causen altos voltajes armónicos en los circuitos. Para el caso de medidores se pueden tener errores positivos o negativos, dependiendo del tipo de medidor y de las armónicas involucradas. Conclusiones Se han presentado los efectos más importantes de las armónicas en las componentes principales de los sistemas eléctricos. En algunas ocasiones estos efectos son extremadamente complicados de evaluar, aunado al hecho de que el equipo de medición necesario para cuantificarlos es muy costoso. Sin embargo el conocimiento de los aspectos generales de sus causas y consecuencias nos ayuda a prevenir y tomar las medidas tendientes a minimizar sus efectos en aras de una operación efectiva y segura de los sistemas eléctricos actuales.

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