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ANÁLISIS DE VIBRACIONES EN MOTORES ELÉCTRICOS Las maquinas eléctricas son usadas por la mayoría de las industrias para generar potencia y/o accionar equipos para procesos. El desarrollo del motor eléctrico ha contribuido sustancialmente en el crecimiento de las industrias siendo este un dispositivo simple que convierte energía eléctrica en energía mecánica. Los motores eléctricos tienen un número limitado de problemas comparado con otros equipos, sin embargo, algunos problemas solo ocurren en los motores eléctricos. En el presente documento se presentan elementos de diagnostico para los motores, en la primera parte se hará una breve descripción de su operación y componentes. Motores de corriente alterna Un motor de inducción consiste de un rotor y un estator. El estator es un electro magneto estacionario ranurado, construido con un núcleo de hierro laminado, el cual, recibe suministro de corriente a un voltaje determinado. Para formar los polos norte y sur, se enrolla alambre en las ranuras del estator. El rotor por otra parte esta construido de barras de aluminio cortocircuitadas con anillos en los extremos

Figura 1 Constitución de un motor de inducción Motores de corriente directa Los motores DC consisten en un rotor (armadura) y un estator bobinado (polos). En este tipo de motores la corriente se debe conducir a las bobinas de la armadura a través de unas escobillas de carbón que resbalan sobre un conmutador, el cual va JORGE MURILLO

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montado en el rotor. La combinación de las escobillas con el conmutador me crea el polo norte sur magnético en el rotor. Estos polos magnéticos en el rotor son rechazados por los polos norte y sur del estator, los cuales se forman haciendo pasar corriente directa a través del devanado; esta atracción y repulsión es lo que lo hace rotar.

Figura 2. Motor de corriente Directa Fuentes eléctricas de vibración en motores AC Las fallas de un motor eléctrico normalmente son de origen mecánico y afectan al campo magnético. Un campo magnético desbalanceado causa fuerzas desbalanceadas inducidas eléctricamente en el motor Frecuencia de línea: En vista que los motores de corriente alterna son fabricados en pares de polos, la vibración eléctrica inducida en el motor ocurre dos veces la frecuencia de línea o 7200 Hz., esta vibración eléctrica inducida es por tanto una característica del motor que se puede ver alterada por algún tipo de fallo eléctrico o mecánico, como la distorsión del rotor, pero que por si sola no presenta problemas al funcionamiento del motor. Frecuencia de deslizamiento: La diferencia entre la frecuencia del campo magnético rotatorio del estator y la frecuencia rotacional del rotor es llamada frecuencia de deslizamiento. Este deslizamiento debe existir para que se produzca el movimiento, a medida que el motor se acerca a su máxima carga, disminuye también su velocidad, si el motor JORGE MURILLO

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disminuye gradualmente su velocidad en condiciones de carga relativamente constante es evidencia de un problema eléctrico como veremos mas adelante. Frecuencia de paso de barras Este es un fenómeno de alta frecuencia causado por el paso del campo magnético del rotor a través de las ranuras del estator y su valor numérico equivale al número de ranuras totales multiplicado por la frecuencia de rotación; otro fenómeno de las mismas características, se produce cuando se induce una frecuencia excitada por el paso de las barras del rotor a la velocidad de rotación. Problemas eléctricos Motor fuera de su centro magnético Como su nombre lo indica esta condición normalmente ocurre cuando el rotor no esta posicionado en el centro magnético del estator ya sea en la dirección axial o radial cuando se tiene un air gap desigual. Este problema puede no generar excesivos niveles de vibración y a menudo es pasado por alto por que los datos no fueron procesados con la suficiente resolución para identificar el problema. Por ejemplo los datos en la figura 3 fueron tomados a un motor de 3600RPM. Esta información podría ser erróneamente diagnosticada como soltura, desalineamiento o incluso el eje doblado por que se necesitaba mas resolución para que el diagnostico fuera mas preciso. La figura 4 contiene alrededor de 60Hz una ventana de 20Hz. Esta información indica que el motor esta fuera de su centro magnético, contiene la frecuencia de línea de 60Hz y la velocidad del motor a 59.5Hz, adicionalmente, la velocidad de rotación tiene bandas laterales a la frecuencia de deslizamiento por el numero de polos (0.5 Hz x 2 = 1Hz).

Figura 3. Información de un motor de 3600RPM JORGE MURILLO

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Figura 4. Motor fuera de su centro magnético, mostrado en una ventana de 20Hz alrededor de la frecuencia de 60Hz. Barras rotas del rotor Aunque este problema es similar al motor fuera de su centro magnético tiene unas diferencias distintivas. La similaridad consiste en que la velocidad del rotor es modulada por la frecuencia de deslizamiento por el número de polos. Una barra rota del rotor crea un punto muerto en el rotor dando como resultado un desbalanceo eléctrico que genera unos niveles significativos de vibración a una o dos veces la velocidad de rotación. De nuevo, la información espectral debe ser tomada con suficiente resolución para un diagnostico preciso. La figura 5 contiene información tomada de un motor con una o más barras rotas. En el rango de 1000Hz, el diagnostico podría ser soltura y eje doblado. La figura 6 contiene una ventana de 40Hz alrededor de 60Hz. La velocidad del motor es 59.5Hz y tengo presentes bandas laterales a más o menos 0.9Hz, lo cual coincide con la frecuencia de deslizamiento por el número de polos. La banda lateral a 58.6Hz es más grande en amplitud que la velocidad del motor, cuando la amplitud del modulador es más grande que la portadora, esto puede indicar que tengo más de una barra rota en el rotor.

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Figura 5. Información tomada de un motor con luna barra rota.

Figura 6. Frecuencia de 60Hz vista desde una ventana de 40Hz Corto entre espiras Los arrollamientos del estator son a menudo llamados polos. Cuando algunos de los cables en los polos están en corto, el motor disminuye su velocidad y cuando esto sucede la frecuencia de deslizamiento crece, la figura 7 contiene información de un motor de 1800RPM que tiene un corto entre espiras. La velocidad del motor es 1740RPM, además, se tiene bandas laterales a la frecuencia de deslizamiento por el numero de polos.

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Figura 7. Motor con corto entre espiras Problemas de vibración en motores síncronos En muchos casos la corriente directa necesitada para manejar un motor es proporcionada por un generador DC. Sin embargo por un proceso de rectificación, se puede convertir la corriente AC en DC. Industrialmente esto se hace por medio de SCR. Si la corriente trifásica es rectificada, la conmutación de los SCR presenta 6 picos por ciclo, por lo tanto se genera una frecuencia en los motores correspondiente a 360Hz (21600CPM). Estos picos generan pulsaciones en la alimentación DC del campo principal del motor, por lo tanto la velocidad del motor varía a las mismas pulsaciones de frecuencia Conmutación La conmutación en los motores DC es una fuente de vibración debido al contacto mecánico entre las escobillas y los segmentos del conmutador. Debido a que el conmutador no es perfectamente pulido, las escobillas brincan arriba y abajo con el giro del motor. El brinco de las escobillas crea una frecuencia de vibración al número de segmentos del conmutador x RPM. Esta frecuencia, o sus armónicos, pueden excitar otras componentes junto con el sistema de resonancia. Se puede detectar vibración de las escobillas en el dominio de la frecuencia. La presencia de la vibración de escobillas indica que estas están en buena condición, y que el resorte todavía ejerce presión hacia el conmutador. Cuando la vibración por el brinco desaparece, la escobilla no esta haciendo contacto con el conmutador. Por esto, existe un espacio permanente entre la escobilla y el conmutador, causando excesivo chisporroteo. Puntos sobresalientes del conmutador también puede causar brinco en las escobillas.

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Referencias § The vibration analysis Handbook, James Taylor § Análisis de las Vibraciones Volumen I y II, Vibration Institute § Vibration Institute Proceeding 20th annual Meeting St Louis, Missouri § Vibration Volumen 20 No2 Junio, Septiembre y Diciembre de 2004.

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