Diagnóstico de fallas eléctricas en motores CA mediante análisis de vibración
Fallas eléctricas en motores de inducción CA son defectos en el circuito magnético — el estator, el rotor o el entrehierro entre ellos — que se delatan a través de la vibración. Aunque análisis de vibración se asocia con mayor frecuencia a problemas mecánicos como desbalance y defectos de rodamiento, también es una forma poderosa de encontrar problemas eléctricos. Las fallas eléctricas generan fuerzas magnéticas pulsantes que hacen vibrar al estator y al rotor; esas vibraciones viajan a través de la carcasa del motor y son captadas fácilmente por un acelerómetroacelerómetro. El arte reside en reconocer patrones vinculados a la frecuencia de suministro y al número de polos del motor.
1. Introducción: Fallas eléctricas como fuente de vibración
La clave para diagnosticar fallas eléctricas es buscar picos específicos en frecuencias relacionadas con la frecuencia de línea eléctrica — 50 Hz o 60 Hz según la región — y con el número de polos del motor. Debido a que estas fuerzas son magnéticas y no puramente mecánicas, dos pistas las separan de las fallas mecánicas ordinarias: sus frecuencias se bloquean al suministro en lugar de a la velocidad del eje, y muchas de ellas cambian con la carga del motor. La prueba diagnóstica clásica consiste en reducir la carga mientras se observa el espectro; un pico que colapsa al retirar la carga es casi seguro de origen eléctrico. Una comprensión clara de frecuencia eléctrica y de la carga del motor deslizamiento sustenta cada diagnóstico a continuación.
2. Fallas del estator
Los problemas del estator —hierro suelto, holgura de las bobinas o laminaciones en cortocircuito— pueden hacer que el estator sea excéntrico o se deforme, produciendo un campo magnético desigual alrededor del orificio. El resultado es típicamente una fuerza magnética que pulsa al doble de la frecuencia de línea.
- Firma de vibración: el indicador más común es un pico elevado en 2× la frecuencia de línea (2×FL). Para un motor de 60 Hz, esto es 120 Hz (7200 CPM); para un motor de 50 Hz, es 100 Hz (6000 CPM). Tenga en cuenta que un 2×FL pico no es exclusivo de fallas en el estator: el desbalance de voltaje de suministro, la excentricidad del entrehierro y la resonancia del marco también pueden elevarlo.
- Características: el pico de 2×FL pico suele ser más estable y menos sensible a la carga que las firmas de barras del rotor, pero no está garantizado que sea constante: confirme el diagnóstico con verificaciones de corriente de fase y comparando espectros con carga y sin carga. La vibración suele ser mayor en la dirección de los pies de montaje del estator, donde el marco es más rígido contra la tracción pulsante. Los defectos del estator se confunden fácilmente con holgura mecánica a 2× la velocidad de giro, por lo que la prueba de carga y una lectura precisa de la frecuencia son importantes.
3. Fallas del rotor (Barras del rotor rotas)
Las barras del rotor agrietadas o rotas son una falla común en los motores de inducción CA. Cuando una barra se rompe, interrumpe el flujo de corriente en la jaula del rotor, produciendo calentamiento localizado y un par pulsante que modula la vibración a la velocidad de giro.
- Firma de vibración: el signo clásico de barras del rotor rotas es frecuencia de paso de polos (FP) bandas laterales flanqueando el velocidad de giro (1×) pico y sus armónicos.
- Frecuencia de paso de polos (FP): la velocidad a la que el rotor se desliza respecto al campo magnético rotatorio, calculada como FP = número de polos × frecuencia de deslizamiento, donde la frecuencia de deslizamiento es la diferencia entre la velocidad síncrona del campo y la velocidad real del eje.
- Características: busque un pico de 1× flanqueado por dos bandas laterales claras, una en (1× + FP) y otra en (1× − FP). A medida que el daño empeora, aparecen bandas laterales alrededor de los armónicos de 2× y 3× también. A diferencia de las fallas del estator, esta firma es muy sensible a la carga: las bandas laterales crecen a medida que aumenta la carga y pueden desaparecer por completo sin carga.
4. Brecha de aire excéntrica
El entrehierro es el pequeño espacio entre el rotor y el estator. Si no es uniforme alrededor del orificio, el resultado es un tracción magnética que obliga al rotor a vibrar.
- Excentricidad estática: el rotor gira centrado en sus rodamientos, pero el núcleo del estator no es redondo, por lo que el punto más estrecho de la brecha está fijo en el espacio.
- Excentricidad dinámica: el propio rotor no es redondo o está descentrado, por lo que el punto más estrecho de la brecha gira con el rotor, una condición estrechamente vinculada a excentricidad del rotor.
- Firma de vibración: la excentricidad estática generalmente eleva un pico estable en 2×FL, porque el punto de entrehierro estrecho no se mueve. La excentricidad dinámica modula el entrehierro a medida que el rotor gira, produciendo vibración a 1× la velocidad de giro y bandas laterales de la frecuencia de paso de polos — en 2×FL ± FP y alrededor de los armónicos de la velocidad de giro. En la práctica, los dos a menudo coexisten, dando un patrón combinado complejo.
5. Confirmación y mejores prácticas
Las fallas eléctricas se encuentran cerca de los componentes de la velocidad de giro en el espectro, por lo que una medición disciplinada es esencial para distinguirlas.
- Espectro de alta resolución: el diagnóstico de fallas eléctricas exige un Espectro FFT con suficientes líneas para separar los armónicos de la velocidad de giro de los armónicos de la frecuencia de línea y sus bandas laterales estrechamente espaciadas. Un FFT con zoom a menudo es la única manera de resolver las bandas laterales de frecuencia de deslizamiento de manera limpia.
- La carga es crítica: para los problemas de barras del rotor, el motor debe funcionar bajo una carga significativa, generalmente por encima del 75 %, para que el defecto se manifieste. Variar la carga mientras se observan los picos es el discriminador de campo más confiable entre las fuentes eléctricas y mecánicas.
- Captúrelo en el campo: un analizador portátil de dos canales como el Balanset-1A registra el espectro y la velocidad de giro sincronizada en el motor en su lugar, lo que facilita marcar un pico de estator de 2×FL o bandas laterales de paso de polos dependientes de la carga antes de comprometerse con un desmontaje y, si el culpable real resulta ser el desbalance mecánico, para balancear el rotor en la misma visita.
- Confirme con otras tecnologías: los diagnósticos pueden corroborarse con el análisis de la firma de corriente del motor (MCSA) o con termografía infrarroja, que revela el calentamiento localizado causado por barras rotas o laminaciones en cortocircuito. Verificar en cruz contra la familia más amplia de defectos del motor evita confundir una falla eléctrica con una mecánica.
