Defectos en motores eléctricos: análisis espectral completo

1. Fundamentos eléctricos para el analista de vibraciones

Antes de diagnosticar defectos del motor a partir de los espectros de vibración, es esencial comprender las frecuencias eléctricas clave que impulsan la vibración del motor.

1.1. Frecuencia de línea (LF)

La frecuencia de suministro de CA: 50 Hz en la mayor parte de Europa, Asia, África y Rusia; 60 Hz En América del Norte y partes de América del Sur y Asia. Todas las fuerzas electromagnéticas del motor se derivan de esta frecuencia.

1.2. Doble frecuencia de línea (2×LF)

En frecuencia de fuerza electromagnética dominante En motores de CA. En un sistema de 50 Hz, 2×LF = 100 Hz; en un sistema de 60 Hz, 2×LF = 120 Hz. La fuerza de atracción magnética entre el estator y el rotor alcanza un máximo de dos veces por ciclo eléctrico, lo que convierte a 2×LF en la frecuencia fundamental de "vibración eléctrica" de todo motor de CA.

1.3. Velocidad síncrona y deslizamiento

El campo magnético del estator gira a velocidad síncrona:

donde P es el número de polos. El rotor de un motor de inducción siempre gira ligeramente más lento. Esta diferencia es deslizamiento:

Deslizamiento típico a plena carga para motores de inducción estándar: 1–5 %. Para un motor de 2 polos a 50 Hz: N_s = 3000 RPM, velocidad real ≈ 2940–2970 RPM.

1.4. Frecuencia de paso de polos (F_p)

La velocidad a la que los polos del rotor se "deslizan sobre" los polos del estator. El resultado es universal — independientemente del número de polos:

Para un motor que funciona a 50 Hz con deslizamiento 2%: F_p = 2 × 0,02 × 50 = 2 Hz. Esta frecuencia aparece como bandas laterales características en los espectros de las barras del rotor rotas.

1.5. Frecuencia de paso de la barra del rotor

Donde R es el número de barras del rotor. Esta frecuencia y sus bandas laterales se vuelven significativas cuando las barras del rotor están dañadas.

1.6. Tabla de referencia de frecuencias clave

EstatorRotorBobinadosEntrehierroMecánicoAxial Cualquier distorsión del entrehierro modifica directamente la fuerza de atracción magnética, lo que altera inmediatamente el patrón de vibración. El símbolo ± indica bandas laterales (modulación).

2. Descripción general de los métodos de diagnóstico

Ninguna técnica puede detectar todos los defectos de los motores eléctricos por sí sola. Un programa de diagnóstico robusto combina múltiples métodos complementarios:

VibraciónMCSAESAMCATermografía Ningún método por sí solo ofrece una cobertura completa. Se recomienda encarecidamente un enfoque diagnóstico combinado.

2.1. Análisis espectral de vibraciones

La herramienta principal para el diagnóstico de la mayoría de los equipos rotativos. Los acelerómetros en las carcasas de los rodamientos capturan espectros que revelan defectos mecánicos (desequilibrio, desalineación, desgaste de los rodamientos) y algunos defectos eléctricos (entrehierro irregular, bobinados sueltos). Sin embargo, El análisis de vibraciones por sí solo no puede detectar todas las fallas eléctricas del motor.

2.2. Análisis de la Firma de Corriente del Motor (MCSA)

Una pinza amperimétrica en una fase captura el espectro de corriente. Las barras rotas del rotor producen bandas laterales en LF ± F p. La prueba MCSA se realiza en línea y es completamente no invasiva.

2.3. Análisis de Firma Eléctrica (ESA)

Analiza simultáneamente los espectros de tensión y corriente en el CCM. Detecta asimetrías en la tensión de alimentación, distorsión armónica y problemas de calidad de la energía.

2.4. Análisis del circuito del motor (MCA)

Un desconectado Prueba que mide la resistencia fase a fase, la inductancia, la impedancia y la resistencia de aislamiento. Esencial durante las paradas de mantenimiento.

2.5. Monitoreo de temperatura

La tendencia de la temperatura del devanado del estator y de la temperatura del cojinete proporcionan un aviso temprano de sobrecarga, problemas de refrigeración y degradación del aislamiento.

3. Defectos del estátor

Los defectos del estator son responsables de aproximadamente 23–37% de todos los fallos del motor. El estator es la parte estacionaria que contiene el núcleo de hierro laminado y los devanados. Los defectos producen vibración principalmente en 2×LF (100 Hz / 120 Hz) y sus múltiplos.

3.1. Excentricidad del estator — entrehierro desigual

El entrehierro entre el rotor y el estator suele ser 0,25–2 mm. Incluso una variación de 10% crea un desequilibrio de fuerza electromagnética medible.

Causas

• Pie cojo — la causa más común
• Carcasas de cojinetes desgastadas o dañadas
• Deformación del bastidor por transporte o instalación inadecuados
• Distorsión térmica en condiciones de funcionamiento
• Tolerancias de fabricación deficientes

Firma espectral

• Típicamente dominante 2×LF en el espectro de velocidad radial
• A menudo se acompaña de un pequeño aumento de 1X y 2X debido a la atracción magnética desequilibrada (UMP)
• Excentricidad estática: 2×LF domina con poca modulación
• Componente dinámico: bandas laterales en 2×LF ± 1X puede aparecer

Evaluación de la severidad

Nota: Estas son pautas ilustrativas, no un estándar formal. Compare siempre con la línea base de la máquina.

Prueba de confirmación

Prueba de apagado (prueba instantánea): Mientras monitorea la vibración, desactive el motor. Si el pico 2×LF cae bruscamente —en cuestión de segundos, mucho más rápido que la desaceleración mecánica— la fuente es electromagnética.

3.2. Bobinados del estator sueltos

Los devanados del estator están sometidos a fuerzas electromagnéticas de 2×LF durante cada ciclo de funcionamiento. Con el paso de los años, la fijación mecánica (epoxi, barniz, cuñas) puede degradarse. Los devanados sueltos vibran a 2×LF con una amplitud creciente, lo que acelera el desgaste del aislamiento por rozamiento.

Firma espectral

• Vibración predominantemente radial
• 2×LF puede ser menos estable: ligeras fluctuaciones de amplitud
• Casos severos: armónicos en 4×LF, 6×LF

Consecuencias

Esto es destructivo para el aislamiento del bobinado — conduce a una degradación acelerada, fallos a tierra impredecibles y fallo completo del estator que requiere rebobinado.

3.3. Cable de alimentación suelto: asimetría de fase

Un mal contacto crea asimetría de resistencia. Incluso Asimetría de tensión 1% causa aproximadamente Asimetría de corriente 6–10%. Las corrientes desequilibradas crean un componente de campo magnético de rotación inversa.

Firma espectral

• La amplitud 2×LF aumenta debido a la atracción magnética desequilibrada
• En algunos casos, bandas laterales cerca de ±⅓×LF (~16,7 Hz en sistemas de 50 Hz) alrededor del pico 2×LF
• En el espectro de corriente (MCSA): corriente de secuencia negativa elevada

Controles prácticos

• Verifique todas las terminaciones de cables, conexiones de barras colectoras y contactos de contactores.
• Medir la resistencia de fase a fase — con una diferencia no mayor al 1% entre sí
• Mida el voltaje de suministro en las tres fases: la asimetría no debe exceder 1%
• Termografía infrarroja de la caja de terminación del cable

3.4. Laminaciones del estator en cortocircuito

Los daños en el aislamiento entre láminas permiten la circulación de corrientes parásitas, creando puntos calientes localizados. No siempre detectables en los espectros de vibración — La termografía IR es el método de detección principal. Fuera de línea: prueba del núcleo electromagnético (prueba EL-CID).

3.5. Cortocircuito entre espiras

Un cortocircuito entre espiras crea un bucle de corriente circulante localizado, lo que reduce las espiras efectivas en la bobina afectada. Produce un aumento 2×LF, 3.er armónico elevado de baja frecuencia (LF) en la corriente y asimetría de corriente de fase. Se detecta mejor mediante la prueba de sobretensión MCA fuera de línea.

2×LF1X / 2XBandas laterales La prueba de apagado confirma el origen electromagnético: si 2×LF cae bruscamente al desenergizarse (mucho más rápido que en la parada por inercia), la fuente es electromagnética.

4. Defectos del rotor

Los defectos del rotor representan aproximadamente 5–10% de fallos del motor pero a menudo son los más difíciles de detectar de forma temprana.

4.1. Barras de rotor rotas y anillos de cortocircuito agrietados

Cuando una barra se rompe, la redistribución de la corriente crea una asimetría magnética local — en la práctica, un "punto magnético pesado" que gira a una frecuencia de deslizamiento en relación con el campo del estator.

Firma de vibración (espectro)

• 1X pico con bandas laterales a ± F_p. Para 50 Hz / 2% de deslizamiento: bandas laterales a 1X ± 2 Hz
• Casos graves: bandas laterales adicionales a ± 2F_p, ± 3 °F_p
• 2×LF También puede mostrar F_p bandas laterales

Firma de MCSA

Escala de severidad de MCSA

Importante: MCSA requiere una carga constante cercana a la nominal. Con carga parcial, la amplitud de la banda lateral disminuye.

Forma de onda de tiempo

Las barras de rotor rotas producen un patrón característico patrón de "batido" — La amplitud se modula en la frecuencia de paso polar. Suele ser visible antes de que las bandas laterales espectrales se hagan prominentes.

1XBandas laterales ±FpBandas laterales MCSA Las barras de rotor rotas se confirman mejor mediante MCSA. El espectro de vibración sugiere el defecto; el MCSA proporciona una evaluación cuantitativa de la gravedad.

4.2. Excentricidad del rotor (estática y dinámica)

Excentricidad estática

Desplazamiento de la línea central del eje respecto del orificio del estator. Produce una elevación 2×LF. En la corriente: armónicos de ranura del rotor en F_RBPF ± LF.

Excentricidad dinámica

El centro del rotor orbita alrededor del centro del orificio del estator. Produce 1X con bandas laterales a 2×LF y elevada frecuencia de paso de la barra del rotor. En la corriente: bandas laterales en LF ± f_{putrefacción}.

En la práctica, ambos tipos suelen estar presentes simultáneamente: el patrón es una superposición.

4.3. Flecha térmica del rotor

Los motores grandes pueden desarrollar un gradiente de temperatura que provoque una curvatura temporal. Produce 1X que varía con el tiempo Tras el arranque, suele aumentar durante 15 a 60 minutos y luego estabilizarse. El ángulo de fase se desplaza a medida que se desarrolla la curva. Para distinguirlo del desequilibrio mecánico (que es estable), monitorice la amplitud y la fase a una velocidad de 1X durante 30 a 60 minutos tras el arranque.

4.4. Desplazamiento del campo electromagnético (corrimiento axial)

Si el rotor está desplazado axialmente En relación con el estator, la distribución del campo electromagnético se vuelve asimétrica axialmente. El rotor experimenta una fuerza electromagnética axial a 2×LF.

Causas

• Posicionamiento axial incorrecto del rotor durante el montaje o después del reemplazo del cojinete
• Desgaste del cojinete que permite un juego axial excesivo
• Empuje del eje de la máquina accionada
• Expansión térmica durante el funcionamiento

Fuerza electromagnética axialDesplazamiento / voladizoEstator CLDetección El factor diferenciador clave respecto de las causas mecánicas es el factor axial 2×LF que desaparece instantáneamente al apagarse.

5. Defectos eléctricos relacionados con los cojinetes

5.1. Corrientes de cojinetes y EDM

La tensión entre el eje y la carcasa provoca el flujo de corriente a través de los cojinetes. Fuentes: asimetría magnética, tensión de modo común del variador de frecuencia (VFD), carga estática. Las descargas repetidas crean micropicaduras (Mecanizado por descarga eléctrica) que conduce a estriado — ranuras espaciadas uniformemente en las pistas.

Firma espectral

• Frecuencias de defectos en cojinetes (BPFO, BPFI, BSF) con picos muy uniformes y "limpios"
• Nivel de ruido de alta frecuencia elevado en el espectro de aceleración
• Avanzado: sonido característico de "tabla de lavar"

Prevención

• Cojinetes aislados (anillos recubiertos)
• Escobillas de puesta a tierra del eje (especialmente para aplicaciones VFD)
• Filtros de modo común en la salida VFD
• Medición regular de voltaje del eje: por debajo de 0,5 V pico

6. Efectos del variador de frecuencia (VFD)

6.1. Desplazamiento de frecuencia

Todas las frecuencias eléctricas del motor se desplazan proporcionalmente con la frecuencia de salida del VFD. Si el VFD funciona a 45 Hz, 2×LF se convierte en 90 Hz. Las bandas de alarma deben ser... adaptativo a la velocidad.

6.2. Armónicos PWM

La frecuencia de conmutación (2–16 kHz) y las bandas laterales aparecen en los espectros. Pueden causar ruido audible y corrientes en los rodamientos.

6.3. Excitación torsional

Los armónicos de orden bajo (5º, 7º, 11º, 13º) crean pulsaciones de torsión que pueden excitar frecuencias naturales torsionales.

6.4. Excitación por resonancia

A medida que el VFD recorre un rango de velocidad, las frecuencias de excitación pueden pasar por las frecuencias naturales estructurales. Se deben establecer mapas de velocidad crítica para los equipos accionados por VFD.

7. Resumen de diagnóstico diferencial

EléctricoMecánicoAnálisis 2×LFDefectos del rotor La prueba de corte de energía es la primera bifurcación en el árbol de diagnóstico. Una vez confirmado el origen eléctrico, la frecuencia y dirección dominantes acotan el diagnóstico.

8. Técnicas de instrumentación y medición

8.1. Requisitos de medición de vibraciones

8.2. Balanset-1A para diagnóstico de motores

El vibrómetro portátil de doble canal Balanset-1A (VibroMera) proporciona capacidades básicas para el diagnóstico de vibraciones de motores:

Después de diagnosticar y corregir el defecto del motor, el Balanset-1A se puede utilizar para equilibrado del rotor in situ — completar todo el flujo de trabajo desde el diagnóstico hasta la corrección sin quitar el motor.

8.3. Mejores prácticas de medición

• Tres direcciones —vertical, horizontal y axial— en cada rodamiento. El axial es crucial para el desplazamiento del campo electromagnético.
• Preparar superficies — eliminar pintura y óxido para un acoplamiento fiable del acelerómetro
• Condiciones de estado estacionario — velocidad nominal, carga, temperatura
• Registrar las condiciones de funcionamiento — velocidad, carga, voltaje, corriente con cada medición
• Tiempo consistente — las mismas condiciones para las comparaciones de tendencias
• Prueba de apagado — cuando se sospecha vibración eléctrica: tarda segundos y proporciona una identificación fiable de la fuente.

9. Referencias normativas

• GOST R ISO 20816-1-2021 — Vibración. Medición y evaluación de la vibración de máquinas. Parte 1. Directrices generales.
• GOST R ISO 18436-2-2005 — Monitorización de condición. Monitorización de la condición de vibraciones. Parte 2. Formación y certificación.
• ISO 20816-1:2016 — Vibración mecánica. Medición y evaluación. Parte 1: Directrices generales.
• ISO 10816-3:2009 — Evaluación de vibraciones de máquinas. Parte 3: Máquinas industriales >15 kW.
• IEC 60034-14:2018 — Máquinas eléctricas rotativas. Parte 14: Vibración mecánica.
• IEEE 43-2013 — Práctica recomendada para probar la resistencia del aislamiento.
• IEEE 1415-2006 — Guía para pruebas de mantenimiento de maquinaria de inducción.
• NEMA MG 1-2021 — Motores y generadores. Límites de vibración y pruebas.
• ISO 1940-1:2003 — Requisitos de calidad de equilibrado para rotores.

10. Conclusión

1. 2×LF es el indicador electromagnético primario. Un pico prominente a exactamente el doble de la frecuencia de suministro sugiere claramente una fuente electromagnética. La prueba de apagado lo confirma.
2. La dirección importa. Radial 2×LF → entrehierro / bobinados / alimentación. Axial 2×LF + 1X → desplazamiento del campo electromagnético: uno de los defectos más destructivos.
3. Las bandas laterales cuentan la historia. ± ⅓×LF → problemas en el cable de alimentación. ± F_p → Barras del rotor rotas. El patrón de bandas laterales suele ser más diagnóstico que el pico principal.
4. La resolución espectral es fundamental. Para motores de 2 polos a 50 Hz, 2X y 2×LF tienen una diferencia de solo ~2 Hz. Es obligatoria una resolución ≤ 0,5 Hz.
5. Combinar métodos. Vibración + MCSA + MCA + Termografía. Ningún método cubre todos los defectos por sí solo.
6. Hable con los electricistas. El personal de reparación de motores posee conocimientos irremplazables sobre motores específicos, su historia y condiciones de suministro.

Flujo de trabajo recomendado

Pasos de diagnósticoMCSAVerificación Siga esta secuencia sistemáticamente. La prueba de apagado (paso 2) toma segundos y distingue con precisión entre la fuente eléctrica y la mecánica.

Los modernos vibrómetros portátiles de doble canal, como el Balanset-1A permitir a los ingenieros de campo realizar análisis de vibración espectral con la resolución y precisión de fase requeridas para la identificación de defectos del motor, desde la detección de espacios de aire desiguales mediante el análisis de fase cruzada hasta el posterior equilibrado del rotor in situ.