Comprensión de la frecuencia de paso del polo
Frecuencia de paso de polos (PPF) es la componente de baja frecuencia vibración generada en un motor de inducción de CA cuando el campo magnético giratorio se desliza respecto al rotor. Se calcula como el número de polos multiplicado por la frecuencia de deslizamiento: PPF = número de polos × (velocidad síncrona − velocidad real) / 60. Como el deslizamiento es pequeño, la PPF es una frecuencia muy baja — normalmente de solo unos pocos hertzios — y suele aparecer no como un pico aislado sino como bandas laterales espaciadas a PPF alrededor de los componentes de velocidad de giro y frecuencia de red. Esa modulación relacionada con el deslizamiento se amplifica mucho cuando el motor tiene entrehierro excentricidad, barras del rotor rotas o un problema de alineación entre rotor y estator. Por ello, la PPF es una de las herramientas más útiles para separar fallos eléctricos de las puramente mecánicas.
La PPF es importante desde el punto de vista diagnóstico porque unas bandas laterales espaciadas a esta frecuencia apuntan claramente a un problema electromagnético — un rotor excéntrico, barras del rotor rotas, un entrehierro no uniforme o interacción dinámica rotor-estator — y no a desequilibrio o desalineación. Leído correctamente, indica al analista si debe abrir el motor o buscar en otra parte del tren.
1. Cálculo de la frecuencia de paso de polo
La fórmula básica
- PPF = P × (Nsinc − N) / 60
- donde P = número de polos,
- Nsinc = velocidad síncrona en RPM (Nsinc = 120 × frecuencia de red / P),
- N = velocidad real del rotor en RPM,
- y el resultado está en Hz. El término (Nsinc − N) / 60 es la frecuencia de deslizamiento expresada en Hz.
Tenga en cuenta que la PPF se basa en la difference entre la velocidad síncrona y la velocidad real: el deslizamiento. Sin carga, un motor de inducción gira casi a velocidad síncrona, por lo que la PPF se aproxima a cero; a medida que crece la carga, el deslizamiento y, por tanto, la PPF también crecen, terminando normalmente en el intervalo aproximado de 0.5–3.5 Hz a carga nominal. No confunda la PPF con el orden puramente mecánico P × velocidad de giro (para un motor de 4 polos a 1750 RPM eso es aproximadamente 116.7 Hz): eso es un armónico de la rotación del eje, no la frecuencia de paso de polos. Cuando necesite convertir rápidamente la velocidad de giro en una familia de órdenes, nuestra Calculadora de frecuencias armónicas convierte las RPM en Hz en los órdenes 1×-10×, y el Calculadora de frecuencia de defectos eléctricos del motor pone las frecuencias electromagnéticas una al lado de la otra.
Ejemplos prácticos
Motor de 4 polos a 1750 RPM (alimentación 60 Hz):
- Velocidad síncrona Nsinc = 120 × 60 / 4 = 1800 RPM.
- Slip frequency = (1800 − 1750) / 60 = 0.83 Hz.
- PPF = 4 × (1800 − 1750) / 60 = 3.33 Hz
- En el espectro de vibración espectro aparece como bandas laterales espaciadas ±3.33 Hz alrededor del pico de velocidad de giro 1× (29.2 Hz) y alrededor de 2× la frecuencia de línea (120 Hz) — un patrón diagnóstico de excentricidad y barras de rotor rotas.
Motor de 6 polos a 970 RPM (alimentación a 50 Hz):
- Velocidad síncrona Nsinc = 120 × 50 / 6 = 1000 RPM.
- Slip frequency = (1000 − 970) / 60 = 0.5 Hz.
- PPF = 6 × (1000 − 970) / 60 = 3.0 Hz
- Las bandas laterales espaciadas solo ±3.0 Hz alrededor del pico 1× (16.2 Hz) o alrededor de 2× la frecuencia de línea (100 Hz) son fáciles de pasar por alto.
- Resolverlas exige un análisis cuidadoso y de alta resolución análisis espectral.
2. El mecanismo físico
Cómo se genera la fuerza electromagnética
La cadena de acontecimientos que crea el PPF es sencilla:
- Los bobinados del estator crean un campo magnético que gira a velocidad sincrónica.
- Ese campo está organizado en polos magnéticos en un patrón N-S-N-S.
- El rotor gira ligeramente más despacio debido al deslizamiento, por lo que los polos del campo pasan continuamente junto al rotor en lugar de permanecer bloqueados con él.
- Cada vez que un polo del campo se desliza junto a un punto dado del rotor (una barra de alta resistencia, un lado excéntrico del entrehierro), la fuerza magnética que actúa sobre ese punto se modula.
- Con P polos, ese punto es atravesado P veces por ciclo de deslizamiento.
- La frecuencia de la modulación resultante es, por tanto, P × frecuencia de deslizamiento = PPF — un lento “batido” superpuesto a la vibración de la velocidad de giro y la frecuencia de red.
Entrehierro uniforme: un motor sano
- El rotor está centrado en el diámetro interior del estator.
- El entrehierro es uniforme en toda la circunferencia.
- Las fuerzas magnéticas están equilibradas y se anulan mutuamente.
- La modulación relacionada con la PPF es, en consecuencia, de amplitud muy baja.
Entrehierro excéntrico — un motor defectuoso
- El rotor está descentrado con respecto a desgaste de los rodamientos, a eje doblado, o un error de fabricación.
- El entrehierro es menor en un lado y mayor en el opuesto.
- Las fuerzas magnéticas se desequilibran: son más fuertes donde la separación es menor.
- Aparece una fuerza radial neta — atracción magnética desequilibrada — y se modula a PPF a medida que los polos de campo pasan por el lado estrecho del entrehierro.
- Se desarrollan bandas laterales espaciadas a PPF alrededor de los picos espectrales principales y crecen con la severidad.
3. Bandas laterales y patrones de diagnóstico
Excentricidad estática
En este caso, el centro del rotor está desplazado pero fijo respecto al estator:
- Patrón: un componente elevado a 2× la frecuencia de red (100/120 Hz); las bandas laterales de paso de polos son débiles o no existen porque el descentramiento no gira con el eje.
- Causa: desgaste de rodamientos, deformación del bastidor o del escudo, o un error de mecanizado en el alesado del estator.
- Amplitud: la amplitud a 2× la frecuencia de red indica la severidad de la excentricidad.
Excentricidad dinámica
El centro del rotor gira u orbita alrededor del centro del estator:
- Patrón: picos de velocidad de giro 1× y de frecuencia de línea 2× con bandas laterales espaciadas a la PPF (por ejemplo, ±3.33 Hz en el ejemplo de 4 polos anterior).
- Causas: un eje doblado, rotor excentricidad, rotor-estator rozamiento o rodamiento holgura.
- Más grave: indica una interacción dinámica activa, no un desplazamiento fijo. La misma familia de bandas laterales de paso polar alrededor de 1× y sus armónicos es la firma clásica de barras de rotor rotas.
Excentricidad mixta
- Una combinación de efectos estáticos y dinámicos.
- Es el estado más común en los motores reales.
- Produce patrones de banda lateral complejos.
- Para interpretarlo correctamente es necesario un análisis cuidadoso.
4. Interpretación diagnóstica
Como la PPF es de solo unos pocos hercios, se evalúa por la intensidad de sus bandas laterales alrededor de los picos de velocidad de giro 1× y de frecuencia de línea 2×, leídas como un continuo:
Bajo — bandas laterales de paso de polos apenas visibles por encima del nivel de ruido
- Una condición normal.
- Un entrehierro uniforme y una buena concentricidad rotor-estator.
- No es necesario adoptar medidas correctoras.
Moderado — bandas laterales claramente visibles pero muy por debajo del pico portador
- Ligera no uniformidad del entrehierro o degradación incipiente del circuito del rotor.
- Supervise la tendencia y compruebe el estado de los rodamientos.
- Verificar la posición del rotor si es accesible.
- No es inmediatamente crítico, pero merece atención.
Alto — bandas laterales que se aproximan al pico portador en amplitud
- Excentricidad significativa, barras del rotor rotas o un problema de entrehierro.
- Puede sentirse u oírse un marcado “batido” de baja frecuencia a PPF.
- Riesgo de contacto entre rotor y estator.
- Fuerzas electromagnéticas ascendentes que aceleran los daños.
- Planificar la reparación o sustitución.
En la práctica, el analista rara vez juzga la PPF de forma aislada. Un analizador portátil de dos canales como el Balanset-1A, usado en las carcasas de los rodamientos, captura el espectro y resuelve las bandas laterales de paso polar alrededor de los picos 1× y de frecuencia de línea — y, con la misma importancia, confirma si el componente dominante es electromagnético o el simple pico 1× de un fallo mecánico. Esa distinción decide todo lo que sigue: una firma electromagnética le lleva al interior del motor, mientras que un pico 1× limpio que desaparece en el instante en que se corta la alimentación apunta a desequilibrio puede corregir equilibrado de campo el rotor en su sitio.
5. Relación con otras frecuencias del motor
La PPF es un tono en un espectro de motor abigarrado, y reconocer dónde se sitúa en relación con sus vecinas es ganar media batalla. Una jerarquía típica para un motor de 4 polos y 1.750 RPM con una alimentación de 60 Hz es:
- Frecuencia de deslizamiento: (1800 − 1750) / 60 ≈ 0.83 Hz.
- FPP: P × frecuencia de deslizamiento — aproximadamente 3.3 Hz aquí, el tono más bajo de la familia.
- Velocidad de funcionamiento (1×): about 29.2 Hz.
- Frecuencia de línea: 60 Hz (o 50 Hz en Europa).
- Orden mecánico del rotor P × velocidad de giro: unos 117 Hz, a menudo confundidos con la PPF, pero se trata de un armónico de la velocidad del eje.
- 2× frecuencia de línea: 120 Hz (o 100 Hz): el componente electromagnético clave para la excentricidad.
- Frecuencia de paso de la barra del rotor: número de barras del rotor × velocidad de funcionamiento, en el rango de los kilohertzios.
La estrecha proximidad entre 2× la frecuencia de línea (120 Hz) y la cercana armónicos de la velocidad de funcionamiento (el 4.º orden se sitúa aquí en unos 117 Hz) es exactamente la razón por la que los fallos electromagnéticos se confunden tan fácilmente con los mecánicos, y por la que la fina estructura de bandas laterales de paso de polos, no solo la amplitud, es la pista decisiva. Cuando la imagen sigue siendo ambigua, desconectar la alimentación es la prueba definitiva: un componente electromagnético desaparece instantáneamente con el campo, mientras que uno mecánico solo decae a medida que el rotor gira por inercia hasta detenerse.
6. Métodos de corrección
Para la excentricidad mecánica
- Reemplace los cojinetes desgastados para restablecer el centrado adecuado del rotor.
- Corrija un eje doblado o sustituya el rotor.
- Vuelva a montar el rotor si el fallo es un error de instalación.
- Verificar la alineación de la campana y el apriete de los tornillos.
Para la excentricidad de fabricación
- En casos graves, puede ser necesario rectificar el rotor o el estátor.
- Sustituya el motor cuando esté económicamente justificado.
- Acepte la condición si la vibración se mantiene dentro de límites aceptables.
- Documéntelo como referencia para futuras comparaciones.
Para problemas de entrehierro
- Compruebe el estado de los cojinetes y sustitúyalos si están desgastados.
- Verificar la posición axial del rotor.
- Inspeccione si hay distorsiones en el bastidor o problemas en las campanas (tapas).
- Mida el entrehierro real donde sea accesible.
La frecuencia de paso de polos es, en resumen, un componente de baja frecuencia relacionado con el deslizamiento y específico del motor que abre una ventana a la interacción electromagnética rotor-estátor y a la uniformidad del entrehierro. Dominar su cálculo, reconocer las firmas de sus bandas laterales e interpretar sus tendencias de amplitud permite a un ingeniero diagnosticar con confianza fallos electromagnéticos y dirigir el esfuerzo de mantenimiento al lugar correcto, en vez de perseguir una causa mecánica que nunca existió.
