Comprensión de los defectos del motor eléctrico
Defectos del motor son los fallos y modos de fallo que se producen en los motores eléctricos —desde problemas puramente mecánicos (fallos en los cojinetes, contacto entre el rotor y el estator, problemas en el eje), problemas electromagnéticos (barras del rotor rotas, fallos en los devanados del estator, irregularidades en el entrehierro) hasta los problemas electromecánicos combinados en los que uno influye en el otro—. Cada tipo de defecto deja una huella característica en la máquina vibración y su comportamiento eléctrico, de modo que puedan detectarse mediante análisis de vibraciones, el análisis de la firma de corriente del motor (MCSA) y la termografía, mucho antes de que el motor sufra una avería.
Los motores eléctricos se encuentran entre las máquinas más numerosas en cualquier instalación industrial, y sus averías representan una gran parte de los paros imprevistos y los costes de mantenimiento. Conocer los modos de fallo específicos de los motores —y la frecuencia con la que se producen— permite al equipo de fiabilidad pasar de una sustitución reactiva a una intervención planificada, evitando así averías catastróficas y sacando el máximo partido a la fiabilidad de cada accionamiento.
1. Las tres familias de defectos motores
Resulta útil clasificar los problemas de los motores en tres grupos: defectos comunes a toda la maquinaria rotativa, defectos propios de la electromagnética y los casos híbridos que combinan ambos ámbitos.
Defectos mecánicos (comunes a toda la maquinaria rotativa)
- Desequilibrar: asimetría en la masa del rotor, lo que da lugar a un predominante 1× velocidad de giro vibración.
- Fallos en los rodamientos: el defecto más frecuente en los motores, responsable de aproximadamente la mitad de todas las averías.
- Desalineación: error de acoplamiento entre el motor y la carga, que suele presentar un fuerte componente de segundo orden.
- Holgura mecánica: piezas de fijación sueltas, campanas de extremo o componentes del rotor, lo que a menudo provoca una serie de armónicos.
- Problemas de eje: a eje doblado o rotor agrietado que hace que el conjunto giratorio se doble.
Defectos electromagnéticos (específicos del motor)
Estas son las averías que una caja de cambios o una bomba nunca revelan: se producen en la jaula del rotor, en el devanado del estator y en el entrehierro magnético que hay entre ambos.
- Defectos eléctricos del rotor: barras de rotor rotas (barras conductoras fracturadas en los rotores de jaula de ardilla, que representan alrededor del 10-15 % de las averías), anillos de extremo agrietados (fracturas en los anillos de cortocircuito que unen las barras), porosidad del rotor (huecos de fundición que alteran las propiedades eléctricas) y uniones de alta resistencia entre las barras y los anillos de extremo.
- Defectos eléctricos del estator: fallos en el aislamiento de los devanados, cortocircuitos entre espiras y fallos entre fases (30-40 % de las averías), fallos a tierra en los que el aislamiento falla hasta llegar al bastidor, y daños en las bobinas debidos a la degradación térmica, la tensión mecánica o la contaminación.
- Problemas de entrehierro: un rotor excéntrico lo que da lugar a un espacio irregular debido a la fabricación o al desgaste, frotando el contacto entre el rotor y el estator debido a un fallo en los cojinetes o a una desalineación, y atracción magnética — fuerza magnética desequilibrada derivada de la asimetría del espacio.
Defectos electromecánicos combinados
- Problemas térmicos: sobrecalentamiento debido a una sobrecarga, una ventilación deficiente o un fallo eléctrico subyacente.
- Problemas de ventilación: ventiladores de refrigeración bloqueados o dañados que provocan que los devanados se sobrecalienten.
- Acoplamiento entre dominios: fallos eléctricos que provocan vibraciones mecánicas y fallos mecánicos que alteran el circuito magnético, amplificándose mutuamente.
2. Firmas vibratorias de los fallos principales
El poder del diagnóstico vibratorio en los motores reside en el hecho de que los fallos electromagnéticos se manifiestan en frecuencias predecibles relacionadas con la línea eléctrica, en lugar de en simples múltiplos de la velocidad del eje. El frecuencia de línea, el número de polos y el frecuencia de deslizamiento determinan conjuntamente dónde se sitúan los picos de diagnóstico.
Barras de rotor rotas
Uno de los defectos específicos del motor más importantes, y un caso de libro de texto para banda lateral análisis:
- Frecuencia: bandas laterales situadas a ambos lados de la velocidad de marcha, con una separación de ±(frecuencia de deslizamiento): 1× ± fs patrón, donde fs suele ser de 1 a 3 Hz en un motor de 60 Hz.
- Modulación de amplitud: La corriente y el par pulsan al doble de la frecuencia de deslizamiento.
- Dependencia de la carga: Las bandas laterales se hacen más evidentes bajo carga, por lo que el motor debe estar cargado cuando se realice la medición.
- Progresión: La amplitud de la banda lateral aumenta a medida que se rompen más barras, lo que convierte al defecto en un buen candidato para Tendencias.
Problemas del estator
- Frecuencia: un pico dominante al doble de la frecuencia de la red: 120 Hz con una red de 60 Hz y 100 Hz con una red de 50 Hz.
- Causa: asimetría de la fuerza magnética provocada por fallos de los devanados.
- Adicional: También pueden aparecer armónicos de la frecuencia de la red eléctrica.
- Ruido electromagnético: A menudo, la vibración va acompañada de un zumbido audible al doble de la frecuencia de la red eléctrica.
Rotor excéntrico (variación del entrehierro)
- Frecuencias: el frecuencia de paso de polo y sus armónicos.
- Patrón: (número de polos × velocidad de funcionamiento) ± velocidad de funcionamiento.
- Desequilibrio magnético: Un entrehierro no uniforme genera vibraciones radiales incluso cuando el rotor está bien equilibrado mecánicamente.
- Efecto combinado: tanto una contribución mecánica (la propia excentricidad) como una electromagnética (la variación de la reluctancia magnética alrededor del entrehierro).
3. Métodos de detección
No hay ninguna técnica que permita detectar todos los fallos del motor. Los programas más eficaces combinan métodos complementarios, de modo que un defecto que se le escape a uno de ellos sea detectado por otro.
Análisis de vibraciones
- FFT estándar: un FFT espectro resuelve tanto los defectos mecánicos como las frecuencias de línea electromagnéticas.
- Análisis de banda lateral: es fundamental para detectar problemas relacionados con las barras del rotor y el entrehierro, que se ocultan tras el pico de 1×.
- Frecuencias de los rodamientos: análisis de envolvente desvela poco a poco frecuencias de fallo de los rodamientos ocultos tras componentes más potentes.
- Tendencias: El seguimiento de las amplitudes a lo largo del tiempo pone de manifiesto un fallo que se está desarrollando lentamente.
Análisis de la firma de la corriente del motor (MCSA)
- Analiza el espectro de frecuencias de la corriente de red del motor, en lugar de sus vibraciones.
- Detecta fallos eléctricos sin necesidad de instalar sensores de vibración en la máquina.
- Especialmente eficaz para fallos en las barras del rotor y en los devanados del estator.
- Se puede realizar en línea sin interrumpir la producción.
- Complementa el análisis de vibraciones, en lugar de sustituirlo.
Imágenes térmicas
- Las cámaras infrarrojas detectan puntos calientes en todo el bastidor del motor.
- Las fallas de bobinado se manifiestan como un calentamiento localizado.
- Las obstrucciones en la ventilación se manifiestan como zonas amplias y calientes.
- Los problemas en los rodamientos elevan la temperatura de la carcasa del rodamiento.
- Las condiciones de sobrecarga provocan un aumento general de la temperatura.
Pruebas eléctricas
- Resistencia de aislamiento: Las pruebas con el megaohmímetro revelan un deterioro del aislamiento del devanado.
- Índice de polarización: un índice que indica el estado general del aislamiento.
- Prueba Hipot: comprueba la integridad del aislamiento bajo tensión elevada.
- Equilibrio de corriente: La medición de la corriente en cada fase revela desequilibrio eléctrico entre fases.
4. Estadísticas de fallos y el Balanset-1A en el terreno
Conocer la frecuencia relativa de cada modo de fallo permite al equipo centrar sus esfuerzos de supervisión en aquellos aspectos que realmente dan resultados:
- Fallos en los rodamientos: aproximadamente el 50 % de las averías del motor.
- Fallos en los devanados del estator: sobre 30-35%.
- Defectos del rotor: sobre 10-15%.
- Factores externos: el 5 % restante: contaminación, factores ambientales y similares.
Dado que la mitad de esas averías se deben a los rodamientos, y que muchas de ellas están provocadas por un exceso de vibraciones, controlar el desequilibrio en su origen es una de las medidas más rentables que puede tomar un equipo de mantenimiento. Cuando la vibración 1× de un motor es elevada, un ingeniero puede verificarlo y corregirlo en el acto con un analizador portátil de dos canales como el Balanset-1A: mide el amplitud y fase de la vibración a velocidad de funcionamiento, distingue un desequilibrio real de un pico electromagnético de línea doble y —cuando la avería es mecánica— realiza un equilibrado en uno o dos planos equilibrado de campo en los propios cojinetes del motor y, a continuación, comprueba el desequilibrio residual sin desmontar la unidad. Detectar el problema de esta manera evita la carga lateral que, de otro modo, acorta la vida útil de los rodamientos.
5. Estrategias de mantenimiento preventivo
Monitoreo de condiciones
- Inspecciones de vibraciones trimestrales o mensuales según un calendario de rutas.
- Monitorización continua para los motores más críticos.
- Estudios con cámaras termográficas anuales o semestrales.
- Análisis de la corriente del motor, periódico o continuo.
- Realizar un seguimiento de todos los parámetros para detectar los cambios de forma temprana, como parte de una estrategia más amplia mantenimiento predictivo programa.
Mantenimiento de rutina
- Lubricación: Vuelva a lubricar los cojinetes según el calendario previsto, normalmente cada 6-12 meses.
- Limpieza: limpiar el polvo y los residuos de los conductos de refrigeración.
- Apretar: Compruebe los pernos de fijación y las conexiones de los terminales.
- Inspección: Compruebe si hay daños visibles, sobrecalentamiento y suciedad.
- Pruebas: Realice periódicamente pruebas de resistencia de aislamiento.
Equilibrado y alineación
- Mantener una buena calidad de equilibrado para mantener bajas las cargas sobre los cojinetes.
- Mantener preciso alineación de ejes al equipo accionado.
- Compruebe la alineación periódicamente, una vez al año o después de cada operación de mantenimiento.
6. Análisis de las causas fundamentales
Cuando un motor falla, identificar la causa raíz es lo que evita que se repita el mismo fallo. Relacione el síntoma con las posibles causas:
Fallos de rodamientos
- Investigar: adecuación de la lubricación, fuentes de contaminación, alineación, niveles de vibración.
- Causas comunes: exceso de grasa, uso de un tipo de grasa inadecuado, desalineación, vibraciones excesivas.
Fallas eléctricas
- Investigar: Condiciones de funcionamiento, calidad del voltaje, ciclo de trabajo, adecuación del enfriamiento
- Causas comunes: Sobrecarga, desequilibrio de tensión, monofásico, refrigeración bloqueada
Fallas mecánicas
- Investigar: Características de carga, calidad de instalación, entorno operativo
- Causas comunes: Cargas de choque, desalineación, mala instalación, entorno contaminado
7. Normas del sector
Existen varias normas que regulan el rendimiento de los motores, los ensayos y los niveles de vibración admisibles:
- NEMA MG-1: rendimiento y pruebas de motores.
- IEC 60034: normas internacionales sobre motores, incluidos los límites de vibración.
- IEEE 43: práctica de ensayo de aislamiento (de donde se deriva el índice de polarización).
- ISO 20816: Criterios de severidad de vibración para motores eléctricos: el sucesor moderno de la tan citada serie ISO 10816.
Los fallos en los motores eléctricos representan una parte significativa del total de averías en equipos industriales. Comprender los indicios característicos de los fallos mecánicos, eléctricos y electromagnéticos —y combinar el análisis de vibraciones, el análisis de corriente y la termografía en un único programa de monitorización del estado— permite que el mantenimiento de los motores pase de ser una medida reactiva a una predictiva, lo que maximiza la fiabilidad y minimiza el tiempo de inactividad no planificado.
