Detección de Fallas de Motor Impulsor Modulado con Anchura de Pulso Usando Análisis de Firma Eléctrica (ESA)

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1 Detección de Fallas de Motor Impulsor Modulado con Anchura de Pulso Usando Análisis de Firma Eléctrica (ESA) Por ALL-TEST Pro, LLC & EMA Inc. Cada día son más los Motores Impulsores para los Motores AC en la industria y el Impulsor Modulado de Anchura de Pulso (PWM por sus siglas en inglés) se ha convertido en el estándar de la industria para las aplicaciones de pocos a un mediano número de caballos. Igual como con los otros componentes del sistema motriz, el impulsor PWM tiene diferentes modos de fallas y para fines de soluciones de problemas un electricista usa con frecuencia un Multi Medidor Digital (DMM por sus siglas en inglés), un osciloscopio digital y un analizador de calidad de potencia. Estos tres instrumentos le permiten al electricista buscar la solución de problemas relacionados con la potencia entrante y con el motor impulsor, pero ofrecen una limitada capacidad para detectar las fallas dentro del mismo motor y de la carga del motor impulsado. Además, ya que estos instrumentos están separados y pudieran ofrecer una limitada capacidad de hacer reportes, las pruebas para Mantenimiento Predictivo (PdM) o para Mantenimiento Basado en la Condición (CBM) pueden ser difíciles. Aquí es donde el Análisis de Firma Eléctrica (ESA) ofrece claras ventajas sobre el DMM, el osciloscopio, y el analizador de calidad de potencia para fines de pruebas de Confiabilidad. Más aun, además de evaluar la condición de la potencia entrante y el motor impulsor, también evaluará la condición del motor y la carga impulsada en busca de muchos modos comunes de fallas. Acerca del ESA ESA es un método de pruebas en línea donde se capturan las formas de onda de voltaje y corriente mientras el sistema motriz está trabajando y entonces, por medio de una Transformada Rápida de Fourier (FFT), se realiza un análisis de espectro por medio del software proporcionado. A partir de este FFT, se detectan las fallas relacionadas con la potencia entrante, el circuito de control, el mismo motor, y la carga impulsada, y entonces se pueden establecer tendencias para fines de CBM o de PdM. Nuestro instrumento ESA se lleva en una mano, es portátil y funciona con baterías. Todos los sistemas de análisis de ESA requieren tener la información estipulada en la placa del motor tal como voltaje, velocidad de operación, corriente en carga total, y caballos (o kw). Además, información opcional tal como número de barras del rotor y ranuras en el estator, número de parte del rodamiento, e información de los componentes de la carga impulsada, tal como número de alabes de un ventilador o de dientes en un engrane pueden ser agregados para tener un análisis más detallado y más preciso. Ya que ESA es algo nuevo para muchas personas, a continuación mostramos una gráfica que ilustra las fallas generales que puede detectar el ESA. Ver Figura 1. Figura 1 Sistema Motriz Calidad de Potencia Cone - xiones Cone xiones Cables Estator Elec Estator Meca Rotor Entre Hierro Aisla miento Roda miento ESA X X L - L X X X - X X L *Verde indica que una falla en desarrollo puede ser detectada y su tendencia trazada para fines de Mantenimiento Basado en Condición y Mantenimiento Predictivo. Amarillo indica que se puede detectar una falla pero no en su etapa más temprana. Este artículo analiza tres fallas comunes con un impulsor PWM: 1) Un diodo de entrada abierto en el puente rectificador. 2) Capacitores que están fallando en el circuito DC intermedio. 3) Puerta con Aislamiento Defectuoso del Transistor Bipolar (IGBT). Alinea ción De los tres, los capacitores que están fallando son los más difíciles de detectar temprano, ya que no hay señales inmediatas de esta condición al monitorear el desempeño del motor. Carga Motor Impulsor 2013 Copyright ALL-TEST Pro, LLC 1

2 Acerca del impulsor La Figura 2 muestra los bloques básicos del motor impulsor PWM que incluyen la potencia AC entrante, puente diodo de onda completa que rectifica el voltaje AC entrante, el circuito DC intermedio que contiene el o los capacitores, el puente inversor y el motor. Figura 2 Diagrama de Bloques del PWM Entrada AC Rectificador de Puente de Diodo Circuito DC Puente inversor IGBT M Al estar haciendo las pruebas con ESA, se hacen conexiones de voltaje y corriente al sistema motriz que se está probando. Esto se hace normalmente en el centro de control del motor y las conexiones se hacen usando sensores de voltaje portátiles y transformadores de corriente portátiles o por medio de cajas especiales de conexión previamente instaladas. La ventaja de la caja de conexión es su capacidad de tomar los datos sin necesidad de abrir el panel de control de motor para hacer estas conexiones requeridas. Figura 3 Conexiones ESA Portátiles para Voltaje y Corriente Voltaje Corriente 2013 Copyright ALL-TEST Pro, LLC 2 2

3 Figura 4 Caja de Conexiones instalada de ALL-SAFE PRO TM Transformadores de Corriente ALL-SAFE PRO Conexiones de Voltaje Con las aplicaciones PWM se deben tomar dos juegos de datos, uno en la entrada del impulsor PWM y el otro en la salida del impulsor PWM. Todo el proceso de recolección de datos (después de hacer las conexiones) toma cerca de 4 minutos y no se requiere información de la placa en este momento. Esta información se puede introducir después al hacer el análisis de datos. Los archivos de datos son entonces analizados usando el software proporcionado y se genera un reporte en Microsoft Word. El software proporciona herramientas fáciles de usar para trabajar con los diferentes análisis de espectros. Los resultados del software pueden ser vistos sin necesidad de generar el reporte completo. El software automáticamente reporta lo siguiente: Factor de Potencia, Desbalance de Corriente, Desbalance de Voltaje y voltaje RMS en la placa, Carga en la placa, Conexión de Fase, salud del Rotor, salud del Estator eléctrico y mecánico, entrehierros del Rotor/Estator, Distorsión Armónica Total (Voltaje y Corriente), indicaciones de Desalineación/Desbalance y salud del Rodamiento. También reporta Picos de Voltaje y Corriente y Factor de Cresta, Impedancia de Fase, Potencia (Aparente, Real y Reactiva), Velocidad de Operación, y Frecuencia de Línea. Para motores de inducción AC y para motores DC también calcula la eficiencia del motor. Un usuario normal con habilidad puede hacer un análisis completo y generar un reporte en menos de 10 minutos por motor Copyright ALL-TEST Pro, LLC 3 3

4 Figura 5 Motor Impulsor Diodo de Entrada, IGBT, Banco de Capacitores C IGBT Banco de Capacitores Diodo de Entrada Primer Caso El primer caso es un motor impulsor que se recibió en el departamento de servicio en EMA Inc, Cortland, NY. El impulsor y el motor se pusieron a trabajar en un dinamómetro para hacer las pruebas. Se recolectaron dos juegos de datos. El primero es solo una forma de onda capturada en la entrada del impulsor y el segundo juego fue tomado en la salida del impulsor. El segundo juego de datos incluye la captura de onda de voltaje y de corriente, más 50 segundos de formas de onda de voltaje y corriente. La Figura 6 muestra la forma de onda de corriente de entrada para la fase C. Observe que los picos negativos no están. Esto es causado por un diodo abierto. Figura 6 Forma de onda de Corriente El reporte ESA generado en forma automática identifica ambos, el desbalance de corriente y los excesos de distorsión armónica, que son causados por el diodo abierto. La primera página del reporte es solamente un resumen y hay páginas adicionales que proporcionan detalles para cada uno de los principales encabezados. Un desbalance grande en la fase de corriente, como se ve aquí, dañará los componentes internos del impulsor PWM y puede estresar el transformador de alimentación que alimenta el motor impulsor Copyright ALL-TEST Pro, LLC 4

5 Figura 7 Primera página del reporte ESA Figura 8 Diodo con Falla Segundo Caso El segundo caso fue recibido por EMA para su reparación e involucra capacitores viejos en el banco de capacitores. El problema es que conforme estos capacitores envejecen y comienzan a deteriorarse, el desempeño del motor ya no proporciona indicaciones obvias. Una vez que comienzan a fallar los capacitores, los capacitores buenos pasan mayor corriente, lo cual crea excesos de calor en los capacitores, y el calor adicional acelera las fallas de los otros capacitores. Estos capacitores tienen disipadores para el exceso de temperatura y presión interior, pero es posible que estos capacitores lleguen a explotar, si no son ventilados con la rapidez necesaria. Además, el exceso de voltaje ondulante recibido por el motor hará que la corriente armónica sea atraída por el motor. Estas corrientes armónicas crean torque (par) secuencial negativa, un pobre desempeño del motor, y una mayor acumulación dañina de calor dentro del motor. La Figura 9 muestra voltaje en la salida del impulsor y esto es para un impulsor bueno con capacitores en buenas condiciones Copyright ALL-TEST Pro, LLC 5

6 Figura 9 Voltaje de Salida Forma de onda de voltaje plana mostrando bus de capacitores buenos (sin voltaje ondulante). La Figura 10 muestra el voltaje ondulante generado por el bus de capacitores malos. Figura 10 Voltaje de salida con el voltaje ondulante Observe el exceso de ondulación en la forma de onda de voltaje. Figura 11 Capacitor con Disipadores Tercer Caso El tercer caso fue recibido por EMA para su reparación. La forma de onda resultante muestra un IGBT (Transistor Bipolar de Puerta con Aislamiento) que no se activa. Esto crea un desbalance en la corriente y una distorsión en la forma de onda Copyright ALL-TEST Pro, LLC 6

7 Figura 12 Corriente de Salida Trifásica El reporte automático de ESA también identifica un desbalance en la corriente. Ver Figura 13. Figura 13 Parte del reporte detallado de ESA Velocidad de Operación = Hz Frecuencia de paso de polos = Hz Carga = 10.2 % Tiempo RMS Peak CF Corriente Corriente Corriente Promedio % dev Figura 14 IGBT fallado Conclusión En conclusión, el DMM, el osciloscopio, y los instrumentos de calidad de potencia proporcionan una buena capacidad para solución de problemas para los motores impulsores PWM. Sin embargo, no se integran bien en un programa de confiabilidad de pruebas de motores eléctricos y reportan limitantes. Además, ofrecen poca información en cuanto a los motores comunes y los problemas relacionados con la carga. El Análisis de Firma Eléctrica (ESA) le permite al técnico de confiabilidad ver todo el sistema motriz desde la potencia entrante a través de la carga impulsada. Con las aplicaciones PWM la recolección de datos requiere menos de 4 minutos después de hacer las conexiones de voltaje y corriente. A partir de este proceso de 4 minutos de pruebas un análisis completo puede rápidamente identificar problemas tales Copyright ALL-TEST Pro, LLC 7

8 como fallas en diodos rectificadores, deficientes bus de capacitores DC, y los IGBTs fallados antes de que la falla del impulsor o del motor haya causado la falla de todo el sistema motriz. Es importante observar que en los tres casos el motor puede seguir operando, dependiendo de la carga y de otros factores operacionales, pero la seguridad de que el sistema siga trabajando ya está comprometida. La capacidad del ESA para identificar estas fallas temprano, antes de que ocurran daños adicionales al motor o al impulsor PWM, ayudará a minimizar los tiempos muertos tan caros, a incrementar la confiabilidad del equipo, y posiblemente prevenir daños catastróficos al equipo o posible lesiones al personal. Acerca de los autores Richard Scott es el Gerente Nacional de Ventas y Don Haapapuro, CMRP, es el Gerente de Cuentas Importantes para ALL-TEST Pro, LLC. ALL-TEST Pro es un fabricante de equipos portátiles de pruebas para Análisis de Circuito Motriz (MCA), Análisis de Firma Eléctrica (ESA), y Análisis de Calidad de Potencia (PQ) usados para pruebas de Mantenimiento Predictivo, Control de Calidad, y Solución de Problemas de motores eléctricos, generadores, transformadores, bobinas y embobinados. Los instrumentos de ALL-TEST PRO MCA ofrecen una detección temprana de fallas eléctricas incluyendo: fallas del embobinado, desbalance de la fase, fallas del rotor y fallas a tierra. Los instrumentos de ALL-TEST PRO ESA y PQ ofrecen un análisis automático de la potencia entrante, del motor eléctrico, a través de la carga impulsada, tanto eléctrico como mecánico. Los instrumentos son portátiles, de baterías fáciles de usar y pueden analizar cualquier tamaño o tipo de motor eléctrico, generador o transformador, hasta de cierta distancia. La página es: Dean Williams es el Vice Presidente de Servicios Técnicos para EMA, Inc, y su oficina está en el centro de servicio en Cortland, NY. EMA vende y le da servicio a los impulsores de motores y además ofrece entrenamiento para solucionar correctamente los problemas de los impulsores de motores. La página es: Microsoft Word es una Marca registrada of Microsoft Corporation. Copyright 2008 ALL-TEST Pro, LLC All Rights Reserved Copyright ALL-TEST Pro, LLC 8

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