Técnicas Predictivas para Detectar Fallos en Motores de Corriente Continua

Los motores de corriente continua representan una excepción dentro de la industria, puesto que casi todos los accionamientos de tipo eléctrico ya utilizan maquinaria alterna asíncrona.

motores de corriente continua

A pesar de ello siguen existiendo para maquinaria de ciertas características, siendo muy habitual que se utilicen para su mantenimiento revisiones basadas en calendario, por lo que resultará de gran utilidad para todos los usuarios del sector mostrar técnicas que permitan diagnosticar y monitorizar el estado de condición de estos activos. El artículo se iniciará con una breve explicación teórica sobre este tipo de equipos.

Motores de Corriente Continua

Clasificación

Se trata de máquinas eléctricas rotativas que sirven para transformar bien:

Energía Mecánica en Eléctrica

Generadores de continua, apenas utilizados pues cuando se precisa de continua se rectifica directamente la corriente de alterna de salida de los alternadores Los generadores se ven con frecuencia en la vida cotidiana, por ejemplo, el generador de la luz de la bici, las antiguas dinamos de los coches, ….

Energía Eléctrica en Mecánica

Motores objeto de la entrada. Los motores se utilizan en los trenes de laminación, o la tracción eléctrica en Ferrocarriles (en España se realiza a 3000V de continua), o en trenes metropolitanos «Metro» (a unos 600-1000V), al necesitarse de velocidad variable y elevado par de arranque.

Elementos Constructivos

Los motores de corriente continua presentan tres grandes elementos constructivos:

Estator

Parte estacionaria, formada en este caso por un paquete de conductores finos, por los que se hace circular una corriente continua, generándose así un campo magnético que se cierra por el propio bobinado (este debe cerrarse sobre sí mismo).

Rotor

Parte giratoria, formada en este caso por ranuras en el que se aloja un devanado de bobinas, lo que se conoce como circuito inducido, y que al igual que el del estator debe cerrarse sobre sí mismo.

Colector y Escobillas

Los extremos de las bobinas del rotor se conectan a un colector, formado por semianillos conductores aislados entre ellos, y que es solidario al rotor de la máquina (gira con él). Se usa para establecer contacto entre los dos bobinados mediante el uso de las escobillas, dispositivos de grafito ubicados en el estator de la máquina.

Principio de Funcionamiento

Se tiene un conductor curvilíneo, el rotórico, por el que circula una corriente eléctrica sometido a la acción del campo magnético del estator (también llamado de excitación), induciéndose según la ley de Faraday / Lenz una fuerza electromotriz en el circuito rotórico (que llamaremos desde ahora inducido), apareciendo, por la interacción entre ambos campos, un par de fuerzas, un momento y el giro en el motor.

Gráfico Explicativo

motores de corriente continua

Conceptos en Motores de Corriente Continua

Campo magnético en el Entrehierro

Obtenido por la circulación de la alimentación de continua por el circuito cerrado del estator. Para visualizar su valor la mejor manera es rectificar la superficie exterior del rotor comenzando desde el punto A y someterla a la interacción con los polos Norte y Sur, por lo que se tiene un campo de similar valor pero diferente sentido:

estator de motores de corriente continua

Campo Magnético del Rotor

Es generado por el campo eléctrico existente en el rotor cuando se cierra el circuito mediante el contacto de las escobillas con el colector de anillos, siendo por tanto su dirección la coincidente con esa generatriz de contacto.

Por otro lado, este campo presentará la siguiente forma representándose frente a la rectificada de la superficie del rotor (en discontinuo su forma en el estator):

rotor en motores de corriente continua

Campo resultante

El campo resultante, por tanto, se desplaza respecto de la dirección N-S original por lo que el campo generado por las escobillas se opone en cierto modo al total (valores distinto de cero al proyectar sobre la línea discontinua roja).

fuerzas en motores de corriente continua

Sumando los campos individuales de la figura anterior obtendremos el resultante, mostrándose su forma aproximada:

campos en motores de corriente continua

La forma es lo de menos pues lo importante es que el campo ya no es uniforme lo que puede generar daño en ciertos elementos como el colector de delgas pues está diseñado para los máximos voltajes pero muchas veces se utiliza con menos, por lo que está subdimensionado. Por otro lado, por las escobillas (de Cu) no pasa siempre el mismo voltaje produciéndose chispas y fatiga en las mismas, siendo habitual tener que cambiarlas por deterioro prematuro.

Esto se sabe, y en muchos motores de elevada criticidad y responsabilidad se ubican las escobillas en las posiciones orientadas a la dirección del campo resultante donde se tendrán lecturas más uniformes. Pero este es, sin lugar a dudas uno de los grandes problemas de estos equipos, los elementos de conmutación; seguro que lo sabéis si habéis trabajado con motores de corriente continua.

Esta sería la parte de teoría, obviamente daría para otra entrada determinar el tipo de conexión utilizada entre los devanados, … En el caso del ejemplo que se muestra a continuación se trata de una excitación en serie entre los bobinados de inducido y estátor.

Ensayos en Motores de Corriente Continua

Los ensayos se realizaron a unos motores de caja de laminación en una siderurgia. Los datos que se nos aportaron fueron:

Caja de Laminación 16

  • Motor Fabricante Ansaldo Tipo GH56505KI
  • Circuito de Armadura 400 V 2680 A 1000 Kw
  • Circuito de Campo 212 V / 23 A
  • 18 Hz de RPM nominales

Caja de Laminación 13

  • Motor de Características similares al anterior

Se realizaron todos los ensayos con carga en el motor, y suficiente (por encima del 70%):

Ensayo de Potencia

Esta prueba visualiza las ondas de consumo y tensión de alimentación en ambos circuitos que llamaremos:

Circuito de Armadura (estatórico)

Circuito de Campo (rotórico)

Se pueden capturar ambas ondas desde el cuadro de arranque del motor, algo común pues resulta imposible el acceso a bornas principales. Las pinzas utilizadas son sondas de Efecto Hall para medidas de corriente, y pinzas de tensión convencionales (tipo cocodrilo). Este test permite determinar posibles fallas en el circuito del rectificador (daños en tiristores), desequilibrios de corriente o daños estructurales en las bobinas de cada uno de los circuitos, y fenómenos de variaciones de carga en la unidad diagnosticada (nos referimos a la cadena cinemática completa).

Ensayo de Corriente

Este ensayo únicamente se puede realizar sobre el circuito de armadura, puesto que realiza el espectro de frecuencias y las pulsaciones inducidas por las escobillas en la intensidad que alimenta el otro circuito impiden realizar diagnósticos adecuados.  Este test permite identificar problemas con las barras del conmutador y en la  conmutación por cortos.

Gráficos de diagnóstico Circuito Armadura

Se muestran los gráficos que muestran alguna disparidad en la comparativa entre los motores.

Ondas de Consumo a Corto Plazo

Cada una de esas señales representa la intensidad consumida (antes se representaba el campo B), siendo una onda de alterna rectificada para el + y otra para el – (la polaridad se cambia electrónicamente). No se aprecian los pulsos o discontinuidades que se indicaban en la señal del campo, pues en la realidad el bobinado está construido con varios devanados, pero sí se deberían visualizar leves rizos o saltos producidos por el final de cada bloque de bobinas:

consumos en motores de corriente continua

Podéis ver en la onda del motor 16 no se aprecian los saltos por el final del devanado. Por esa razón se registró la onda de consumo en largo plazo (registro de tiempo más amplio):

ondas en motores de corriente continua

Existen diferencias entre las ondas de los motores de corriente continua, pues la del 16 presenta modulaciones que puedan asociarse a variaciones de carga en los elementos accionados, en este caso, rodillos de laminación, por desgaste.

Por tanto, una primera conclusión sería:

Comprobar con Vibración Desgaste

en los Rodillos del Laminador accionado por el Motor 16.

Ensayo de Corriente

Vemos que el motor 16 muestra muchas frecuencias con más de 40 dB por encima del 13, además algunas con valores armónicos en relación a la velocidad de giro. Esto puede deberse a un fallo en las escobillas.

espectro en motores de corriente continua

Circuito de Campo

circuito en motores de corriente continua

La gráfica del motor 16 no muestra pulsaciones, algo anormal pues los contactos entre escobillas y colector son puntuales.

Por tanto, parece poder concluirse que el

Motor 16 presenta deterioro en los carbones de las escobillas.

Tratándose de componentes de desgaste sería conveniente su sustitución en alguna parada programada.

Conclusión

El objeto de esta entrada no era otro que mostrar la teoría de los motores de corriente continua, y las técnicas que pueden existir para su diagnóstico. En opinión del autor del blog se trata de máquinas de cierta complejidad conceptual, por lo que quizás os venga bien repasar estos conceptos de maquinaria eléctrica.

Por otro lado, existen ciertos errores de concepto sobre estos motores a nivel de industria:

Utilizar Gamas de Mantenimiento Preventivo basado en Calendario

Resulta difícil mejorar su eficiencia por su alimentación de continua

Es decir, se ha de esperar que esta entrada sea de utilidad para romper con estos mitos, más allá del valor intrínseco del diagnóstico realizado. Pensar que no es habitual que ningún fabricante de escobillas suministre sus tiempos esperados de vida, por lo que

¿cómo establecer gamas basadas en calendario?.

Será conveniente, por tanto, controlar el equipo por mantenimiento predictivo para evaluar cuándo se inicia su deterioro y programar una parada cómo así se plantea en el estudio.

El estudio se realizó en estos motores de corriente continua, y en otros dos más en 4 horas largas de trabajo. Se contó con el apoyo de instrumentistas de la siderúrgica para la ubicación de pinzas.

¿Caso interesante, y útil, …..?

El caso será interesante seguro máxime si te interesan las teorías sobre máquinas eléctricas. Ahora bien, la utilidad será relativa pues cada vez es menos frecuente ver estos motores en los distintos tipos de industria.

Del interés existente sobre estos motores es una prueba el hecho de que este artículo se haya publicado en el último número de la revista Mantenimiento en Latinoamérica.

Por eso si dispones de Motores de Corriente Continua espero con ansia tu feedback y comentarios sobre tus experiencias y problemas con este tipo de equipos. feedback motores de corriente continua

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