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MANTENIMIENTO PREVENTIVO DE ANILLAS ROZANTES Y ESCOBILLAS DE CARBÓN EN GENERADORES (PARTE 1)

debe ser ejecutado a intervalos predeterminados y/o de acuerdo con criterios prescritos, utilizando todos los medios disponibles, para determinar frecuencia de aparición de fallos, vida útil, etc [3]. Es en este sentido que nos avocaremos a trabajar en el mantenimiento preventivo.

En una unidad generadora el sistema de excitación es el encargado de suministrar corriente continua al devanado del rotor para crear el campo magnético giratorio necesario para inducir en el estator los voltajes y corrientes de funcionamiento.

El proceso de excitación del rotor se muestra en la Figura 1, y se describe a continuación: la excitatriz recibe el voltaje de salida alterno trifásico del estator, lo reduce mediante un transformador AC, lo rectifica mediante un puente de tiristores, y este voltaje rectificado DC se lleva a través de las barras de excitación hasta el portaescobillas.

El portaescobillas, mediante las escobillas de carbón coloquialmente llamados carbones, cuya función es establecer una conexión eléctrica entre una parte fija y una parte rotatoria en una maquina eléctrica, transmite la corriente DC a los anillos rozantes (que están girando), y luego las barras de excitación llevan esta corriente desde los anillos rozantes hasta el devanado del rotor, que produce un campo magnético giratorio, el cual induce un voltaje en el estator, que es transmitido nuevamente a la excitatriz.

Esto quiere decir que se cumple un proceso cerrado de retroalimentación entre el rotor y el estator, y el generador se excita el mismo, o se auto-excita.

Sin embargo, es necesario crear el campo inicial en el rotor para que se pueda empezar a generar voltaje en el estator. Esto se logra mediante la inyección de una corriente inicial continua proveniente de una fuente externa al generador (llamada excitación inicial) que normalmente se la toma del banco de baterías. Al inyectar esta corriente al rotor, se genera un voltaje de salida reducido en el estator, este voltaje de salida llega al transformador de excitación para generar el voltaje en la excitación al rotor quedándose de esta manera con la excitación propia producida por el generador.

Daniel S. Celis Laguna

RESUMEN – En este artículo se presenta las directrices para realizar el mantenimiento preventivo del conjunto de anillas rozantes y escobillas de carbón en generadores.

El mantenimiento es una parte principal para el buen funcionamiento de la unidad generadora así como para evitar fallas e incrementar la disponibilidad de la unidad.

Summary - This article presents the guidelines for the preventive maintenance of friction rings and carbon brushes in generators.

Maintenance is a main part for the proper functioning of the generating unit as well as to avoid failures and incremental unit availability.

Índice de Términos – Escobillas de carbón, porta escobillas de carbón, patina, sistema de excitación

I. INTRODUCCION

Definimos mantenimiento como; la combinación de todas las acciones técnicas y administrativas, incluidas las acciones de supervisión, destinadas a mantener o restaurarlo a un estado en el que el activo pueda para llevar a cabo una función requerida. “ISO 14224” . Existen diferentes tipos de mantenimiento en los que se distinguen el manteniendo preventivo, predictivo y correctivo.

El objetivo fundamental del mantenimiento no es el de reparar urgentemente las averías que surjan. El departamento de mantenimiento industrial tiene cuatro objetivos que deben marcan y dirigir su trabajo:

Cumplir un valor determinado de disponibilidad. Cumplir un valor determinado de fiabilidad. Asegurar una larga vida útil de la instalación en su

conjunto, al menos acorde con el plazo de amortización de la planta.

Conseguir todo ello ajustándose a un presupuesto dado, normalmente el presupuesto óptimo de mantenimiento para esa instalación

II. MANTENIMIENTO PREVENTIVO

Para evitar realizar el mantenimiento correctivo y evitar fallas inesperadas en equipos, se debe realizar un apropiado mantenimiento preventivo el mismo que

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Figura 1 [2]

El sistema de anillos rozantes y portaescobillas (Figura 2) funciona de la siguiente manera:

La corriente continua, proveniente del cubículo de excitación, llega a través de dos barras (positiva y negativa) a dos anillos circulares fijos (cada barra a su respectivo anillo fijo), llamados anillos portaescobillas (uno positivo y uno negativo).

Figura 2

Figura 3

Cada anillo portaescobillas tiene un determinado número de portaescobillas individuales con sus respectivas escobillas o carbones (Figura 3). El número de escobillas en cada máquina está determinado por la corriente de excitación de la unidad y la corriente que pueda transmitir cada una de las escobillas.

También se pueden distinguir dos tipos de anillas rozantes; las lisas y las helicoidales que cumplen la misma función.

A. Tres parametrons de funcionamiento

Para un buen funcionamiento de las escobillas de carbones se debe tomar en cuenta los siguientes parámetros.

• Mecánico. Tiene relación directa con la presión de los resortes hacia la escobilla. Se usa un resorte para empujar el cepillo hacia el anillo para mantener y garantizar el contacto.

La superficie del anillo deslizante o del conmutador no debe ser demasiado lisa o demasiado rugosa, pues así se asegura un buen contacto, así como un óptimo rendimiento del cepillo.

La presión que se debe ejercer sobre los carbones debe ser de 200 gr/cm2.

Figura 4

Figura 5 [1]

En la figura 4 y 5 se puede observar la variación dela presión con el desgaste y la variación del coeficiente de rozamiento en función de la temperatura y la Densidad de corriente.

• Eléctrico. La corriente eléctrica se transmite el desde el puente de tiristores hacia las bobinas del rotor o a través del contacto con las escobillas de carbón., denominadas puntos de contacto, chocan con la superficie del anillo. Los puntos de contacto deben distribuirse uniformemente en la superficie de la escobilla para mantener el equilibrio del carbón y para evitar posibles daños en la superficie o anillo rozante. Las escobillas de carbón con alta resistividad funcionan mucho mejor, pues tal resistividad ayuda a evitar el arco en la interfaz entre el cepillo y la anilla.

El cono de corriente (ver Figura 6) se forma en el interior de la escobilla, teniendo su vértice en el extremo del cable empotrado dentro de la escobilla (sucede igual para los remaches y pasadores), y su base es parte de la superficie de contacto de la escobilla con el colector.

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Figura 6

Por lo que el desgaste de la escobilla debe ser solo del 30% del largo total de la escobilla de carbón

• Físico/Químico. Este parámetro tiene relación con la humedad del ambiente, se refiere al entorno de funcionamiento de la escobilla de carbón, lo cual puede tener un fuerte efecto sobre el rendimiento de los carbones. Por ejemplo, se necesita un cierto nivel de humedad en el aire para que la película de la anilla se forme de manera correcta.

Condición optima de humedad está situado entre 8 y 15 g/m3.

Condición optima de T° en el anillo está situado entre 50°C y 70°C.

B. La patina

Es una película que se forma en la superficie de la anilla rozante y se compone de tres elementos básicos que no deben faltar en el ambiente o en el entorno de la máquina. Estos elementos son: El agua, el óxido de cobre y el grafito. Ninguno de los tres debe faltar porque eso ocasionaría una mala formación de pátina.

El agua es la humedad natural del ambiente. Hay ambientes demasiado secos, que originan pátinas muy delgadas y hay ambientes demasiado húmedos que originan pátinas demasiado gruesas.

Figura 7

C. Mantenimiento preventivo a Escobillas

La parada de una unidad generadora para realizar el mantenimiento al sistema de escobillas / anillos rozantes, obedece a dos razones fundamentales:

Verificar que el tamaño de las escobillas sea apropiado.

Debido al roce con los anillos rozantes, a la corriente circulante y a los materiales que la componen, la escobilla se desgatará (desgate que es normal). Si la escobilla se desgasta en exceso sin ser cambiada, se pueden dar tres situaciones:

• La presión del resorte del portaescobilla no será adecuada .Una inadecuada presión pude causar sobrecalentamiento.

• El cono de corriente en la escobilla se reducirá.• Rotura del cable que conecta a la escobilla con el

anillo de los portaescobillas.

En este sentido para un mantenimiento rutinario preventivo se debe realizar lo siguiente:

Verificar el desgaste de la escobilla (ver si la escobilla se está desgastando uniformemente)

No mezcle dos o más calidades de escobillas en la misma máquina.

Asentamiento de carbones, el mismo se debe realizar con una lija de banda #80 como se muestra en la figura:

Figura 8

Cambio de carbones en el momento adecuado.

La periodicidad de este trabajo debe ser de aproximadamente 4 meses y debe ser realizado por el operador o encargado de planta.

D. Mantenimiento preventivo a Porta-Escobillas

Se debe verificar lo siguiente

Presión de los resortes, se debe medir la presión del resorte aplicado a la escobilla mediante un dinamómetro, esta se calcula mediante las formulas:

Para anillos lisos:

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(1)

Donde, Id es la densidad de corriente; I_e corresponde a la corriente de excitación; n_e número de escobillas activas; A y E corresponden al ancho y espesor de la escobilla.

Para anillos helicoidales:

(2)

Donde, Id es la densidad de corriente; Ie corresponde a la corriente de excitación; ne número de escobillas activas; A y E corresponden al ancho y espesor de la escobilla, eh , nph corresponden al espesor y al número de pasos del helicoide.

Verificación de aislación en resortes. (solo para algunos modelos).

Verifiquen la holgura entre los porta escobillas y escobillas.

E. Mantenimiento preventivo a Anillas Rozantes

Verificación de pátina en su superficie. Verificación de rugosidad de la superficie, El

arrugado de la superficie del anillo, constituye una parte fundamental para la generación de pátina y por consiguiente una correcta distribución de la temperatura, evitando el rayado del anillo, prolongando su vida útil.

Arrugado de la superficie del anillo, consiste en realizar el lijado de forma axial al movimiento de la anilla con la lija # 360.

Limpieza de anillo se debe limpiar la anilla con la goma abrasiva y posteriormente con un paño y agua

Se debe evitar el uso de gasolina u solvente combustible, esto debido a que es muy probable que se dañe la escobilla en su composición y no se obtengan los resultados requeridos. se recomienda solo agua y paño.

F. Mantenimiento preventivo a Anillas Rozantes

Verificación excentricidad del anillo, realizo mediante un perfilometro, se utiliza para ver la deformaciones de la anilla.

Biselado surcos helicoidales (solo para anillos de tipo helicoidal)

Ajuste de la posición radial al anillo. Distancia porta escobillas a la superficie del anillo

debe estar comprendida entre 1.6 a 3.2 mm [4].

Figura 9

III. EQUIPOS UTILIZADOS PARA EL MANTENIMIENTO

Los equipos básicos utilizados para el mantenimiento son los siguientes:

Dinamómetro: Equipo utilizado para medir la presión de los resortes

Figura 10

Perfilometro: Utilizado para verificar la excentricidad del anillo

Figura 11

IV. CONCLUSIONES

Para una buena operación del conjunto anilla/portaescobillas se debe verificar:

Distancia porta escobillas - anilla Formación de Patina Presión de resortes Buen asentamiento de carbones

Ninguna escobilla es de mala calidad, independiente del fabricante. El problema es el diseño y la especificación.

No existe escobilla dura ni blanda.

1.6 a 3.2 mm

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El correcto mantenimiento de un anillo es el 50% del buen comportamiento de una escobilla

El 80% de las fallas son debido a un mal trabajo mecánico en los resortes y descalibraciones en la porta escobilla en general.

V. REFERENCIAS

[1] Union Carbide Corporation, CARBON BRUSHES for Electrical Equipment.

[2] MERSEN ,CARBON BRUSHES FOR MOTORS ABD GENERATOR.

[3] Alexis Lárez Alcazarez, Ing. MSc, PMM, BUSINESS SCHOOL, GESTIÓN DE MANTENIMIENTO INDUSTRIAL & PARADAS DE PLANTA Y EQUIPOS. Especialista Profesional. (IV Edición).

[4] MORGANITE CARBON LIMITED, 1061, ESCOBILLAS DE ……..CARBON Y MAQUINA ELÉCTRICAS.

Biografía del Autor

Daniel Saúl Celis Laguna

Ingeniero Eléctrico titulado de la Universidad Mayor de San Andres.

Especialidad en Gestión de Mantenimiento Industrial y paradas de plantas.

Diplomado en Educación SuperiorCertificación en Tintes Penetrantes Nivel II y Vibraciones Nivel I.

Usuario autorizado de EMTP/ATP y DigSilent.

Experiencia de más de 10 años en Mantenimiento preventivo, predictivo y correctivo de Generadores, turbinas y Sistemas de Transmisión.

e-mail: dasacel10@gmail.com