Medidas en Variadores de Velocidad

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MMeeddiiddaass eenn vvaarriiaaddoorreess ddee vveelloocciiddaaddNota de aplicacin

Los tcnicos de mantenimiento con experiencia estn bienpreparados para afrontar muchos de los fallos que se producenen los motores trifsicos tradicionales, sin embargo, losmodernos motores con control electrnico, llamadoshabitualmente variadores de velocidad, plantean un especialconjunto de problemas que no siempre son bien conocidos pordichos tcnicos.

sta nota de aplicacin irn abordando las averas msfrecuentes, el cmo localizarlas y con equipos herramientas de medida hacer las pruebas necesariaspara diagnosticar los componentes defectuosos y

otras condiciones que pueden concluir en un fallo prematurodel motor regulado con variadores de velocidad.

Son muchas las posibles formas para intentar localizaraveras en un circuito elctrico y no cabe duda que, concualquiera de ellas, un buen profesional acabarencontrando, finalmente, la causa del problema. En todocaso es aconsejable empezar por el examen del motor e irluego retrocediendo hasta llegar a la fuente de alimentacin elctrica. No se olvide que sepuede desperdiciar una gran cantidad de tiempo y dinero cambiando piezas en perfectoestado cuando, quizs, lo nico defectuoso sea una mala conexin.

Las medidas han de ser precisas

Obviamente, nadie hace intencionadamente medidas inexactas; sin embargo, hacer unamedida imprecisa es mucho ms fcil de lo que pueda creerse, especialmente cuando setrabaja en ambientes ruidosos y de alta energa, como acostumbra a ser el caso de lostalleres y plantas donde operan los variadores de velocidad.

Algunos consejos al respecto:

Si puede evitarse, conviene no utilizar instrumentos de medida conectados a tierra, yaque pueden introducir ruido en una medida en la que antes no exista ningn ruido.Siempre que sea posible hay que evitar tambin tocar instrumentos y sondas cuando sehace una lectura, ya que el ruido elctrico se puede acoplar a travs de las manos y estopuede afectar tambin a la lectura. Es necesario utilizar pinzas amperimtricas que estnbien apantalladas y terminadas en conectores BNC.

Las pinzas amperimtricas con salidas de 10mV/A 100mV/A tienen una relacinseal/ruido mejor que las pinzas con salida de 1 mV/A, cuando se miden corrientesinferiores a 20A.

Por otra parte, es muy importante documentar las medidas elctricas en puntos deprueba clave del circuito cuando el sistema est funcionando correctamente. Si no sedispone de un buen plano, merece la pena preparar uno. Basta un sencillo diagrama debloques y anotar las medidas de tensin y temperatura en los puntos de prueba clave.Esto puede llegar a ahorrar mucho tiempo y preocupaciones posteriores.

Finalmente, y no por ello menos importante, antes de hacer ninguna medida elctrica hayque asegurarse de que se conoce perfectamente la forma de hacerla con seguridad.Ningn instrumento de medida es seguro del todo si se utiliza incorrectamente, perotambin es cierto que muchos de los instrumentos existentes en el mercado no sonadecuados para hacer medidas en variadores de velocidad.

E


Hablemos de los variadores de velocidad

Los variadores de velocidad, tambin llamados convertidores de frecuencia, son dispositivosutilizados para regular los procesos industriales. Se trata de equipos utilizados, hoy en da, enmltiples aplicaciones, existiendo un buen nmero de fabricantes y suministradores de losmismos. Sin embargo, existe an cierto desconocimiento sobre cmo localizar las averasrelacionadas con los variadores de velocidad, incluyendo los motores, qu tipos deherramientas de medida hay que utilizar y cmo realizar las medidas, empezando por las mssencillas hasta llegar a aqullas que requiere herramientas de visualizacin de la forma deonda, todo ello encaminado a reducir el tiempo de localizacin de la avera y, por tanto, eltiempo de paro de la mquina.

Correlacionados con los variadores de velocidad (ASD) se encuentran una amplia variedad demotores controlados mecnica, neumtica y electrnicamente, de velocidad variable. Para losmotores de induccin de CA controlados electrnicamente se suele utilizar otro trmino: el deaccionamiento de frecuencia variable, ya que, en este caso, se vara la frecuencia de latensin aplicada al motor para cambiar su velocidad. En la figura se muestra el diagrama debloques de un variador de velocidad.

El convertidor de entrada transforma corriente alterna sinusoidal en CC, necesaria para lostransistores de potencia, controlados electrnicamente, del inversor de salida.

El enlace de continua es la fuente de potencia del inversor de salida. Los variadores develocidad de gran potencia tienen un gran banco de condensadores para almacenar cargaelctrica procedente de la entrada sinusoidal.

Tensin DC

Bus decontinua

Pantalla Controles(Operador)

Realimentacin delproceso / Seales

de control

Al motorTensinde lnea

Circuitos de Control

Inversor(salida)

Conversor(entrada)

Entradatrifsica

Rectificadorcontrolado

Inversor de 6pulsos

Motor deinduccin

Figura -. Esquema simplificado de un inversor de la fuente de tensin


El inversor de salida proporciona una tensin y una frecuencia variables en CA. La tensiny la frecuencia (V/Hz) se varan a la vez para obtener un par constante de velocidad variable,o se varan en distinta proporcin para obtener un par variable a distintas velocidades.

Los circuitos de control temporizan la conmutacin de los circuitos de E/S y transportancomandos desde el panel de control del operador. Tambin monitorizan la aparicin de fallosde funcionamiento y la existencia de condiciones de funcionamiento incorrectas, informandoal operador en su caso al tcnico. Si es necesario, los circuitos de control paran el variadorde velocidad para proteger el motor o el inversor de salida.

Medidas iniciales, las cosas sencillas, lo primero

En primer lugar, hay que asegurarse de que todaslas conexiones estn bien hechas. Parece algodemasiado evidente, verdad?, sin embargo, lostcnicos de mantenimiento en planta que sededican a la localizacin y reparacin de averastendrn que admitir honradamente que han pasadopor alto esta posibilidad al menos una vez durantesu carrera, no es as?. Este paso debe darse antesque ningn otro. Con frecuencia, es necesarioapretar peridicamente las conexiones paramantener una baja resistencia de contacto entreconductores. Inspeccionar visualmente todos lospuntos de conexin para ver si estn flojos,corrodos o con vas de conduccin a tierra. Inclusosi los resultados de la inspeccin visual sonsatisfactorios, al menos deber utilizarse uno de los tres mtodos siguientes, o unacombinacin de ellos, para comprobar las conexiones: medidas de resistencia, cadas detensin y medida de temperatura.

La medida de la resistencia es, probablemente, el mtodo menos aconsejable de los tres,pero permite detectar circuitos totalmente abiertos vas de fuga a tierra que presentenuna resistencia. Sin embargo, hay que tener en cuenta que la mayora de los ohmmetrosutilizan corrientes muy pequeas en sus medidas y que pueden dar una conexin por buenacuando, de hecho, la conexin puede estar en circuito abierto siempre que tiene que pasaruna gran corriente a travs de la misma. Estos es lo que se conoce con el nombre deresistencia de contacto.

Rectificador Inversor PWM

Motor deinduccin

Fuente AC

Figura -. Esquema simplificado de un variador de velocidad PWM con la forma de onda de la tensin ycorriente tomadas en los terminales de un motor. Grfica tomada con un Scopemeter de Fluke.


La salida de 1 mV de la sonda 80T-IRpuede ser utilizada por cualquiermultmetro digital capaz de leer mV. Losintrumentos Fluke Scopemeter puedenhacer directamente las lecturas engrados centgrados.

Otra alternativa es la de comprobar las cadas de tensin atravs de las diversas conexiones y compararlas con las delas otras dos fases. Cualquier variacin importante entrefases superior al 2% o 3% (dependiendo de la corrientedel motor y de la tensin de alimentacin) en cada conexindebe ser considerada como mnimo de sospechosa.

Finalmente, una sencilla sonda de temperatura porinfrarrojos, utilizada con un multmetro digital de mano, esuna forma rpida y fcil de comprobar la existencia deconexiones defectuosas. Cualquier aumento significativo dela temperatura del terminal de la conexin debido a prdidasde calor I2R, indicar una conexin defectuosa o unaresistencia de contacto mayor de lo permisible. Si latemperatura del terminal no se haba registrado en elesquema con anterioridad, ha de compararse con la de lasotras dos fases.

Medida en los motores: temperatura y sobrecargas

La temperatura es un indicador clave de que un motor est fallando o que sufre unasobrecarga. Puede utilizarse una sonda de temperatura por infrarrojos (por ejemplo, la 80T-IR de Fluke) para medir temperaturas en los puntos clave de los motores, incluidos loscojinetes y las conexiones de las regletas de terminales (si existiesen), as como la propiacarcasa del motor. Son las lecturas prximas a las obtenidas cuando el motor estabafuncionando normalmente? Si estas temperaturas no se haban medido con anterioridad,est la temperatura de funcionamiento del motor dentro de los lmites indicados por laclasificacin NEMA para ese motor? Si las respuestas a estas preguntas son afirmativas, quizpueda ya pasarse a estudiar el controlador del variador de velocidad o, para mayorseguridad, pueden hacerse algunas otras medidas, tales como la medida de posiblessobrecargas.

Si el motor est intentado proporcionar una potencia o un par superiores a los nominales, seproducir una situacin de sobrecarga, es decir, el motor absorber una corriente que sersuperior a la nominal indicada en su placa de caractersticas. Por tanto, se puede medir lacorriente absorbida por el motor y compararla con la indicada en la placa de caractersticas.Es importante no olvidar que hay que multiplicar la corriente nominal por el factor de servicio(SF), siempre que est en la placa.

Si el motor est por encima de su capacidad nominal y hace que dispare intermitentemente laproteccin contra sobrecargas del variador, la solucin no est en ajustar el dispositivo deproteccin contra sobrecargas a un valor superior para evitar su disparo. Conviene averiguarsi las caractersticas nominales del motor son adecuadas para la aplicacin. En ocasiones seutiliza un motor ms barato y de menor potencia que el necesario o bien un error de clculode la carga requerida es la causa de que el motor no sea el adecuado. Tambin es posibleque la carga mecnica accionada por el motor haya sido aumentada por el operador osupervisor del proceso, que no se da cuenta de que va aplicar una sobrecarga al motor.

Cul es el prximo paso?

Si los requisitos de la carga mecnica y el comportamiento parecen normales, es posible queexista algn cortocircuito en el bobinado del motor y que sta sea la causa del aumento de lacorriente y del calor y de la disminucin del par. Lo que se debe comprobar entonces es eldesequilibrio de corrientes, el funcionamiento con una sola fase, el desequilibrio decorrientes, el funcionamiento con una sola fase, el desequilibrio de tensiones y algo que es


caracterstico de los variadores de velocidad PWM: las sobretensiones causadas por ondas detensin reflejadas. Las tensiones altas en el eje del motor (problema asociado tambin conlos variadores de velocidad del tipo PWM) pueden explicar temperaturas excesivas en loscojinetes y el fallo prematuro de stos. La forma de probar estas condiciones se explica msadelante.

Medidas de tensin

Puesto que la tensin aplicada a los terminales del motor por el variador de velocidad no essinusoidal, sern distintas las lecturas proporcionadas por un multmetro analgico unmultmetro digital que mida el valor medio y un multmetro digital que mida el verdaderovalor eficaz. Muchos tcnicos de mantenimiento prefieren un multmetro analgico, porque labobina que sirve de mecanismo de medida del multmetro responde de la misma manera queel motor, es decir, atiende a la componente de baja frecuencia de la forma de onda y no a lacomponente de conmutacin de alta frecuencia. El medidor analgico tambin estar encorrespondencia con la relacin V/Hz programada del variador de velocidad y con la tensinmostrada en la caja del variador de velocidad, si es que existe.

Muchos multmetros digitales respondern a la componente de alta frecuencia de la forma deonda de alimentacin del motor y, por tanto, darn una lectura ms alta. Aunque unmultmetro digital capaz de medir verdaderos valores eficaces har una lectura correcta delefecto de calentamiento de la tensin no sinusoidal aplicada al motor, muy a menudo seprefiere la indicacin del medidor analgico, porque da una lectura de tensin inferior, similara la tensin aplicada que reconoce el motor. Sin embargo, es necesario observar que, aunqueel motor no responda a las frecuencias ms altas en trminos de par o de trabajo, puedencircular corrientes de alta frecuencia por fuera de los arrollamientos, debido a distintascapacidades en otras partes del motor.

La razn de hacer medidas de tensin en los terminales del motor es verificar que la tensinno es demasiado alta ni demasiado baja y que no existen desequilibrios. Se puede utilizar unmultmetro u osciloscopio digital con una sonda filtro-paso-bajo para verificar que la tensinen los terminales del motor se corresponde con la lectura de tensin mostrada en la pantalladel variador de velocidad. Utilizando un osciloscopio o, por ejemplo, el analizador de calidadelctrica Fluke 43B, se tiene la ventaja de que es posible hacer simultneamente la medidade frecuencia que resulta de gran utilidad y es realmente significativa. Si la tensin en elmotor es demasiado baja, una causa probable es la existencia de conexiones defectuosas oque la tensin en el bus de continua del variador de velocidad puede ser demasiado baja. Asu vez si las tensiones en los terminales del motor son demasiado altas, la tensin en el busde continua puede ser demasiado alta; lo que podra ser debido a una tensin demasiado altaen la entrada del variador de velocidad.

A continuacin hay que medir la tensin entre fases entre los tres terminales del motor paraver si hay desequilibrio de tensiones. Tngase en cuenta que desequilibrios de tensiones tanpequeos como el 3% pueden originar un calentamiento excesivo debido a corrientesdesequilibradas en los arrollamientos del estator y una disminucin del par motor. Sinembargo, algunas instalaciones de motores toleran mejor los desequilibrios y, por ello, esnecesario asegurarse de que se comprueba el sistema completo del motor para ver si existenotras causas. Puesto que lo que se mide es la diferencia relativa entre tensiones entre fases yno tensiones absolutas, un multmetro digital dar unas lecturas ms precisas y con mejorresolucin que un multmetro analgico.

Para calcular el desequilibrio de tensiones puede aplicarse la siguiente formula:

Desequilibrio en tensin (%) =

Desviacin mxima respecto ala tensin media

Tensin media

x 100


As, por ejemplo, unas tensiones de 389, 372 y 382 V dan una tensin media de 381V. Ladesviacin mxima respecto a la tensin media ser, por tanto, de 9, y el desequilibrio enporcentaje sera:

Las causas posibles de los desequilibrios son: que uno de los circuitos de alimentacin sloconduzca parcialmente que haya una cada de tensin entre la salida del variador develocidad y el terminal del motor en una de las fases, a causa de una mala conexin. Hayotros posibles problemas relativos a las tensiones en los terminales del motor relacionadoscon la distorsin, pero stos se tienen que ver y medir utilizando un osciloscopio.

Medidas de desequilibrio de corrientes

Se debe medir la corriente del motor para asegurar que no se supera la corriente nominalcontinua especificada en la placa de caractersticas y que las corrientes en las tres fases estnequilibradas. Si la corriente de carga medida es superior a la nominal o si las corrientes estndesequilibradas, la duracin del motor se acortar, porque la temperatura de funcionamientoresultante ser elevada. Si el desequilibrio de tensiones est dentro de los lmites aceptables,cualquier desequilibrio de corrientes detectado podra indicar un cortocircuito en losarrollamientos del motor. En general, el desequilibrio de corrientes en un motor trifsico nodebe ser superior al 10%.

Puesto que la medida de corriente se har en un entorno de alta energa y elctricamenteruidoso, conviene utilizar una pinza amperimtrica adecuada, as como una buena tcnica demedida. Una pinza amperimtrica del tipo de transformador de corriente (CT) slo para CAnormalmente funcionar mejor, ya que es un dispositivo de baja impedancia y es menosprobable que capture ruido elctrico a travs de ella. Muchas de las pinzas amperimtricasde CA/CC son de efecto Hall, que tiene una alta impedancia, y son, por tanto, mssusceptibles al ruido. Ambos tipos de pinzas pueden tener problemas con el ruido si no estndebidamente apantalladas y no tienen terminaciones con conectores BNC.

Las pinzas con escalas de salida seleccionables ms altas para medidas de corrientesinferiores a 10 A 20 A son las que permiten obtener una mejor relacin seal/ruido. Comoya se ha dicho, en ocasiones, la integridad de la medida se puede mejorar si, mientras sehace la lectura, no se toca la pinza ni el medidor (ver Fig. A).

Para calcular el desequilibrio de corrientes hay que utilizar la misma frmula que para lastensiones, sustituyendo stas por las corrientes. Por ejemplo, corrientes de 30,35 y 30 Adaran una corriente media de 31,7A. La desviacin mxima respecto a la corriente mediasera de 3,3 A con un desequilibrio de corrientes del 10,4%.

Si las corrientes del motor estn desequilibradas se puede determinar si el desequilibrio sedebe al motor o al variador de velocidad cambiando las conexiones de las fases en losterminales del motor. Pero, en primer lugar, hay que medir la corriente en las tres fases conel motor bajo carga. A continuacin, desplazar los conductores de las fases del variador develocidad a los terminales del motor. Si las fases , y estn conectadas a losterminales del motor T1, T2 y T3, respectivamente, hay que cambiar las conexiones demanera que las fases , y queden conectadas a los terminales del motor T2, T3 yT1, respectivamente. Despus hay que medir de nuevo la corriente de las fases con el motorbajo carga.

Supongamos que la primera medida ha determinado que el desequilibrio de corrientes estabaen la conexin /T2. Si el desequilibrio se desplaz a la conexin /T3 de la segundamedida, el desequilibrio viene del variador de velocidad. Si el desequilibrio de corrientes de la

Desequilibrio en tensin =9 V.

381 V.x 100= 2,36 %

A B C

A B C

B B


segunda medida se ha encontrado en la conexin /T2 eso quiere decir que el desequilibriose debe al motor (ver Fig. B).

Funcionamiento con una sola fase

El funcionamiento con una sola fase es el resultado de perder por completo una de lastensiones de fase aplicadas a un motor de induccin trifsico de CA, y puede ser un problemadifcil de detectar. En una aplicacin con variador de velocidad esto sera debido,normalmente, a una conexin abierta en cualquier de los extremos del cableado entre elmotor y el variador de velocidad o en uno de los conductores del propio cable. Tambin esposible que uno de los IGBTs, que son los dispositivos que alimentan cada una de las fasesdel motor, se hayan quedado en circuito abierto. Algunos de los variadores de velocidad delmercado son capaces de detectar esta situacin.

El funcionamiento con una sola fase es una causa bastante corriente de fallos de motores deinduccin trifsicos, ya que los arrollamientos de las otras dos fases tienen que soportarmayores corrientes y, por tanto, generan ms calor, lo que, en su momento, llega a provocaraveras prematuras en el motor. Lo que hace que el funcionamiento con una sola fase sea unproblema difcil de detectar es que, en esas condiciones, el motor sigue funcionando connormalidad aunque se produzca un aumento del calor generado en rgimen normal y,posiblemente, una reduccin del par, pero stas son condiciones sutiles que pueden pasardesapercibidas. Otro indicador es que, en el caso de parar el motor y volverlo a arrancar, stepuede girar en sentido contrario.

Por lo que respecta a la medida, la deteccin de este problema es tambin algo difcil.Cuando las medidas de tensin se hacen en los terminales del motor, las lecturas de lastensiones estarn prximas a las normales, ya que la accin del motor est induciendotensin en el arrollamiento abierto. La mejor manera de detectar con fiabilidad esta situacines hacer medidas de corriente en todas las fases hasta detectar la fase abierta por laausencia del paso de corriente.

Adaptacin libre de la Nota de aplicacin deFluke Corporacin Medida en variadores develocidad con multmetros Fluke

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