Causa:

-         Posición incorrecta del collar portaescobillas.

                  Hay  que buscar la posición exacta de la zona neutra y ajustar las escobillas.

-         Presión del carbón insuficiente.

                  Regular aproximadamente a 200 gr/cm^2

-         Las escobillas no se mueven libremente en los portaescobillas.

                 Limpiar las escobillas y portaescobillas.

-         Sobresale mica.

                 Rebajarla y achaflanar delgas, en caso de colector con mica no rebajada, usar carbones más abrasivos.

-         Aceite o otras substancias entre delgas.

                 Limpiar delgas, y examinar cierres en cojinetes.

-         Escobillas mal adaptadas.

                  Adaptarlas al colector mediante papel esmeril o piedra pómez, después limpiar esmeradamente escobillas y portaescobillas.

-         Colector ovalado.

                        Tornear

-         Escobilla cubre un número mayor de delgas.

                     Restablecer posición y sección originales de las escobillas previstas por el fabricante de la maquina.

-         Puntos de soldadura defectuosos en el devanado del inducido.

                      Soldar

-         Distancia demasiado grande entre la caja de portaescobillas y colector.

                            Ajustar el canto inferior de la caja portaescobillas a 2 mm del colector.

Problema: Manchas o quemaduras en los colectores.

-         Delgas salientes o sueltas

                        Tornear, y eventualmente reajustar el colector.

-

-  Sobresale mica.

                        Tornear o rebajar, eventualmente reajustar el colector.

-          

-         Colector ovalado o mal equilibrado.

Tornear o equilibrado

-         Conexiones deficientes entre bobinas y colector  (problema en puentes equipotenciales).

                   Soldar conexiones.

Problema: Desgaste desigual o excesivo del colector.

-         Sobrecarga de algunas escobillas debida a distribución desigual de corriente.

          Cambiar muelles de escobillas.

-         Polvo en el aire.

                Colocar filtros y ventilación con aire limpio.

-         Granos de esmeril entre escobilla y colector.

- Deformación de las delgas.

              Cambiar tipo de carbón

-         Desgaste anódico de anillos de corriente continua.

                Cambiar la polaridad de los anillos.

Problema: Vibraciones de escobillas.

-         Colector o anillo ovalado.

-         Fijación insuficiente del portaescobillas.

-         Mica o delgas salientes.

    Problema: Corrugaciones.

-         Alta humedad atmosférica, fuertes fluctuaciones de temperatura.

-         Vapores de aceite

-         Polvo

-         Densidad insuficiente de la corriente de las escobillas.

-    Granos de esmeril bajo las escobillas.

    En ciertas atmósferas donde hay vapores ácidos, de aceite o partículas abrasivas, esa superficie de que hablamos no puede formarse, en estos casos el desgaste de escobillas seria alto y el aire de refrigeración debería ser tomado de una fuente limpia.

    Bajo ciertas condiciones eléctricas y atmosféricas, puede ocurrir que se forme una superficie, en el colector, de alto coeficiente de fricción, que sin embargo puede no distinguirse de las antes comentadas, esto se traduciría en recalentamiento, vibraciones y ruido de escobillas, y por lo tanto, debe eliminarse con una piedra de amolar, teniendo cuidado de proteger lo mas posible los devanados y rodamientos del polvo que se produciría. Después de esta operación debe quitarse el polvo que se haya acumulado con un cepillo, aspiradora o aire comprimido.

     Cuando la maquina ha estado sometida a sobre intensidades pueden aparecer puntos quemados en la superficie del colector. Estos puntos hacen que cada vez que la escobilla pase sobre ellos, se separe momentáneamente, por lo cual el punto empeorará progresivamente. Así mismo, cualquier excentricidad en el colector puede ser causa de puntos quemados.

      Si han aparecido dichos puntos quemados o cuando el colector se halla ennegrecido o sucio, es preciso pasar una piedra de amolar por la superficie, jamás se debe emplear papel de lija o tela de esmeril.

       En una inspección sobre un colector se debe prestar  atención a la existencia de rayas, surcos, delgas o micas salientes, ninguna delga debe salir mas de 0,01 mm de las demás, así como puede aceptarse una excentricidad superior a 0,1 mm.

        Cuando aparezcan estos defectos debe desmontarse el inducido y tornear el colector, una vez torneado la excentricidad no debe ser superior a 0,03 mm y ninguna delga sobresaldrá más de 0,003 mm de las demás. Es esencial dejar la mica que hay entre los segmentos a nivel mas bajo que el colector, debiendo tener cuidado de que no quede polvo en los pequeños canales que quedan, que pudieran provocar cortocircuitos entre segmentos, la mica debe quedar rebajada por igual en toda la superficie, las rebabas en los segmentos dan lugar a desgaste de escobillas y en ocasiones llegar a cerrar el canal impidiendo la salida del polvo de escobilla, lo cual provocará cortocircuitos entre segmentos, es pues preciso chaflanar los filos vivos de las delgas.

        En casos de poca humedad atmosférica o largos periodos de marcha en vacío, las escobillas de carbón pueden chirriar o vibrar, en estos casos, provean al colector de una fina capa de parafina.

   Escobillas.-

            La posición correcta de las escobillas, para una correcta conmutación de la maquina viene dada por la coincidencia de dos marcas, situadas una en el collar que soporta los porta escobillas y la otra en la carcasa.

            La escobilla debe moverse fácilmente en el porta escobillas. Cualquier agarrotamiento seria peligroso y son recomendables por ello, frecuentes revisiones, sustituyendo cualquier escobilla algo agarrotada. La presión de la escobilla es aproximadamente 200 gr/cm^2.

            Para el mejor funcionamiento de la escobilla es conveniente que la parte mas baja del porta escobillas se coloque a una distancia minima de 1,5 o 2,5 mm y se debe ajustar siempre que se tornee el colector. Para ajustarlas se usara tela de esmeril de granulación mediana, sujetando el rotor y haciéndolo girar en el sentido de rotación, no se debe esmerilar nunca en sentido contrario al de rotación si queremos conseguir resultados satisfactorios, al girar en sentido contrario, levantar la escobilla. Es aconsejable limpiar la maquina una vez finalizado el esmerilado.

Existen nuevos requerimientos conforme aparecen nuevos desarrollos en el sector fabricante:

·         Costes menores: Utilización de paredes más delgadas, con materiales que puedan soportar mayores temperaturas. El coste se reduce por la reducción de volumen de material utilizado, siempre y cuando este nuevo material no sea mucho más caro.

·         Tiempos de fabricación y de aplicación menores, usando nuevos procesos.

·         Mayores tensiones: Sistemas que aguanten campos eléctricos mayores por unidad de espesor de aislante. Existe un incremento en el uso de máquinas de alta tensión (particularmente generadores) en el rango de 26-30 kV, debido al ahorro que conlleva el no tener que utilizar transformadores y reductores.

·         Reguladores de los motores: Este tipo de controles provocan picos de tensión que pueden dañar el aislante entre conductores (turn insulation).

1.1.1       Aplicación de la resina

En un aislamiento gran parte de la tensión se concentra sobre los huecos de aire, ya que son éstos los que menor rigidez dieléctrica presentan. El objetivo de la fabricación de un aislante es que su contenido en huecos sea muy reducido.

1.1.2       VPI (Vaccum Pressure Impregnation)

La bobina se envuelve con cinta de mica porosa, con fibra de vidrio o algún soporte parecido. Se introduce la bobina en un tanque que contiene la resina líquida. La temperatura del tanque ha de ser la adecuada para que la viscosidad de la resina sea la correcta, de manera que la resina pueda fluir por todos los huecos del aislante, ayudados por la aplicación de presión. El aire que existe alrededor de las bobinas se expande en el tanque y se libera a la atmósfera. Se aplica más presión mediante aire o gas presurizado, para así asegurar que la resina llega a todos los huecos. Una vez que la resina está compactada, se retira ésta del tanque y luego se coloca en un horno de curado.

Problemas que se presentan:

·         Necesidad de un tanque de resina grande. La resina epoxy es lenta en curar y en incrementar su viscosidad. Se debe evitar su polimerización, aplicándole calor adecuadamente. Para ello se mantiene la resina en un tanque externo grande y luego se bombea la resina hasta el tanque VPI. Existe una recirculación para mantener la temperatura del tanque adecuadamente.

·         Dificultad de mantener la viscosidad de la resina. Para ello se necesita incorporar un disolvente o reactivo que se diluya, como moléculas de epoxy de bajo peso molecular. Estos añadidos se han de retirar de los bobinados impregnados. Las tendencias actuales van dirigidas al desudo de estos disolventes, para que no se liberen a la atmósfera. Ahora se están utilizando técnicas sin disolventes, en las cuales se añaden a las resinas materiales que pueden polimerizar con ellas y que además dan una viscosidad baja a las resinas.

En este tipo de fabricación es habitual que el estator sufra dos o incluso más procesos de impregnación y curado. Antes del curado final de la resina, pero después del VPI, se puede aplicar la cinta semiconductora a la zona recta de la bobina. Después se aplican las capas necesarias de recubrimiento protector en las cabezas de los bobinados. Por último se deja a secar en el horno a presión elevada.

Las bobinas, una vez aisladas, se introducen en las ranuras del estator y se interconexionan.

Impregnado por inmersión

Se utilizan tanques de resina grandes, en los que ésta tiene un curado más lento. Para alcanzar el mojado del bobinado hemos de darle una viscosidad más baja que el proceso anterior. Las sustancias disueltas no se desprenden como en el VPI.

VPI Global

Se utiliza en motores por debajo de los 4 kV. Las bobinas se encintan y se colocan alrededor dentro de las ranuras. Se realizan las operaciones necesarias, de manera que las bobinas queden adecuadamente entrelazadas y dispuestas. Se calienta el estator durante un tiempo suficiente para eliminar la humedad. A continuación se incluye en un autoclave (tanque) al vacío y se inunda éste con la resina. Se aplica la presión adecuada para que la resina llegue a todos las zonas deseadas. Una vez transcurrido el tiempo suficiente, se retira el conjunto del autoclave y se somete al proceso de curado en horno, donde los volátiles se desprenden del aislante.

Cintas de mica

Con el uso de este sistema se ha logrado reducir el tamaño físico de las máquinas eléctricas, mientras se ha podido incrementar las capacidades de potencia del sistema.

Para la fabricación de bobinas individuales en grandes motores y generadores se utilizan cintas porosas con impregnación posterior. (1.2.2)

La cinta aislante que se aplica a la bobina está formada por resina epoxy no curada, fibra de vidrio y papel de mica. Una vez encintada la bobina se aplica calor y presión al aislante. De esta forma la resina epoxy se suaviza y fluye mediante presión por todas las partes del aislante, eliminando los huecos existentes. La resina formará un volumen rígido con las láminas de mica entremezcladas, que se agruparán formando el sistema aislante.

Puede haber dos modalidades, una rica en resina, en la cual no es necesaria la aportación de más resina y otra más pobre en resina en la cual el sistema se aplica mediante VPI. Generalmente se opta por la segunda porque con ella se obtienen mejores resultados.

Recubrimiento con polvos

Es un proceso bastante reciente. Se utiliza la electrodeposición para aplicar una capa de polvo de resina epoxy, para que luego sea curado en un horno. Tiene numerosas ventajas; el aislante tiene una capa gruesa y no viene dado por varias capas superpuestas unas sobre las otras. El proceso es rápido y además está libre de disolventes. El inconveniente que presenta es que el material es granular y para convertirlo en líquido habrá que aplicarle temperaturas elevadas.

1.1.3       Colocación y acuñado de las bobinas

En los sistemas aislantes de las grandes máquinas las técnicas de colocación de las barras en el estator son de gran importancia para conseguir una vida útil prolongada. Es importante el acuñado y fijación de las bobinas. Las cuñas se utilizan para el apriete de las bobinas contra el cuerpo del estator, para que así éstas no se salgan de las ranuras. La fijación de las cabezas de las bobinas se hace por medio de cintas de fibra de vidrio impregnadas en resina, acopladas a una estructura rígida.

Se estudia la resistencia de la pared del aislante y el índice de polarización. Son útiles como indicadores del grado de contaminación y de humedad al que están expuestos los devanados. Son de fácil ejecución y de gran utilidad (3.1)

Tangente de pérdidas

Una de las razones para medir el factor de disipación es la información que porporciona el grado de curado de la resina aglomerante. El incremento de la tangente de pérdidas se usa en la producción de motores para medir la cantidad de huecos en el aislante. Cuando la resina está bien curada la tangente de pérdidas apenas crece con la tensión aplicada. En bobinados con asfalto, los huecos y la deslaminación son más frecuentes. Las técnicas de hoy en día utilizan resinas con procesos de curado más precisos que disminuyen la cantidad y el tamaño de los huecos. Con este test, se obtienen valores que permiten verificar el control del proceso. En (A4, 9) se adjunta la norma UNE que utilizan los fabricantes de motores españoles para certificar la calidad del aislamiento en una máquina rotativa comprendida entre 5 y 24 kV con una potencia asignada superior a 5 MVA en generadores y 5 MW en motores. Se distinguen dos casos:

·         Ensayo de barras y bobinas individualmente. Se explican todas las condiciones necesarias para certificación del fabricante del motor: tensión aplicada, medidas de la tangente de pérdidas, valores permitidos de ésta. En (A4, 9 Parte A) se explica también la forma de ensayar dos bobinas elegidas aleatoriamente.

·         Ensayo para el caso de máquinas en las cuales las bobinas están endurecidas y no pueden extraerse, o simplemente porque es muy difícil de desenganchar las bobinas entre sí. Se comenta que lo adecuado es tomar una bobina que halla seguido un proceso de fabricación idéntico a las otras y colocarlo sobre una falsa ranura que simule el estator (A4, 9 Parte B).

Ensayos de ondas de choque

Se utilizan para evaluar la integridad de los aislantes entre espiras. Se aplican picos de tensión elevados y si existe alguna zona peligrosa entonces ésta fallará, es decir en cierta forma este ensayo es destructivo. Aquellas bobinas que estén a punto de producir el cortocircuito, serán atravesadas por el pico de tensión que acabará produciendo el fallo, que se verá reflejado en la pantalla del osciloscopio.

Se conoce que los picos de tensión afectan la vida del aislante. Con la presencia de huecos y de materiales sensibles al efecto corona se producen descargas parciales en estos picos de tensión.

Con las nuevas tendencias hacia motores de velocidad variable en motores y generadores, este tipo de test se está cada vez haciendo más importante. Se recoge un estándar IEEE 522.

Mucho del estudio que se realiza ahora se basa en la mejora de las cualidades del aislante ante este ensayo. (3.3)

Descargas parciales

Existe un intenso estudio sobre este fenómeno, reflejado en la gran cantidad de artículos que tratan sobre el tema. Es un problema que afecta a todos aquellos componentes que trabajen con una tensión del orden de los kV. Por eso en algunos centros de investigación europeos se tiene un área dedicado exclusivamente al estudio de las descargas parciales en equipos de alta tensión: transformadores, máquinas eléctricas, cables de distribución, interruptores de potencia…

Es un parámetro que permite localizar errores puntuales en el interior del devanado, este ensayo se considera fundamental en el análisis del aislante de un motor. En la fabricación se utiliza un método de medición off-line. (3.4)

1.1.2       Ensayos destructivos

Este tipo de ensayos, como es lógico, sólo los usan los fabricantes. Muchos clientes los piden, aunque a veces son innecesarios.

Se aísla una barra que haya seguido un proceso de fabricación similar, mejor aún si es idéntico. Se ensaya en un modelo preparado al efecto que simula el efecto de la ranura del motor. Las condiciones del ensayo conducen a la destrucción del aislante.

Ensayo de tensión de ruptura

Se aumenta la tensión aplicada al aislante progresivamente. Llega un momento en el que la corriente que circula a través del aislamiento aumenta rápidamente (corriente de avalancha). En este momento se dice que el material ha alcanzado su límite dieléctrico, punto muy cercano a la ruptura del dieléctrico.

Se suele seguir el estándar IEEE 1043 en el que se explican los pasos a dar para realizar este tipo de ensayos en máquinas alimentadas entre 6.9 y 26 kV. Se especifican las condiciones del ensayo: temperatura (90-120ºC), tiempo mínimo que tiene que soportar la máxima tensión, núcleo del motor… Por ejemplo para el caso de una máquina a 13,9 kV de tensión nominal la tensión que se considera como la tensión de resistencia es de 35 kV durante 35 horas o sino 30 kV durante 400 horas. Bajo condiciones de temperatura constante este ensayo sigue una curva del tipo:

                                                                                         t= k*e             (1.1)

Donde:

·         E es la tensión última antes de producirse el fallo. [kV]

·         t: tiempo hasta que se produzca el fallo. [horas]

En condiciones normales de funcionamiento las zonas de salida de ranura trabajan a un nivel de estrés mayor. Con este ensayo las zonas de ranura serán las que más sufran, sobre todo debido a las altas temperaturas que se alcanzan.

La comunidad científica no está del todo de acuerdo. Existen partidarios de este test, que alegan que si el bobinado aguanta  una serie de horas en un test de alta tensión, éste será capaz de soportar el efecto corona en el sistema por lo menos para asegurar la vida por encima del periodo de garantía. Otros dicen que no se puede extrapolar las medidas alcanzadas con éste test a las condiciones de estrés normales que se producen. Superar una tensión determinada depende de una función probabilística. Esto conlleva al desarrollo de aislantes con mayor espesor, para que soporten un alto riesgo de fallo, prácticamente imposible de darse. Este sobredimensionamiento reduce la eficiencia de la máquina al reducir el diámetro de las barras conductoras.

En todo caso está comprobado que un sistema que tiene una curva muy suave debería soportar más tiempo que un sistema con una curva característica con tendencia más fuerte. Los fabricantes lo seguirán utilizando, mientras aparezca algún otro test que asegure al cliente la calidad de su máquina. Se ha demostrado que barras que fallen a un nivel normal de tensión no tienen defectos, sin embargo, aquellas que aguanten tiempos muy cortos, casi siempre presentan defectos importantes.

Se define como tensión de ruptura residual en t (años) la relación entre la tensión de ruptura cuando ha pasado un tiempo t (años) y la tensión de ruptura que tenía inicialmente el aislante.

Ciclos de estrés múltiples

Varias formas de combinar los distintos factores que afectan al devanado. Un ejemplo podría ser el siguiente, que se presenta con el nombre de “formette testing”. Se colocan los bobinados en ranuras de modelos que simulan el estator. Se colocan tres muestras en el horno donde son tratadas a temperaturas muy altas. Después se colocan en una banca donde se les aplica vibraciones para que rompa el aislante. Una vez superado el paso anterior, se colocan las bobinas en una cámara con una humedad relativa del 100% (condensación) donde se les aplica alta tensión. El ciclo se repite hasta que se produzca el fallo. Los datos obtenidos de este test se comparan con otros obtenidos de modelos con buenas características.

Ciclos térmicos

Se mide primero las características del bobinado ensayado. Luego las muestras sufren ciclos de calentamiento y enfriamiento y se miden de nuevo las características físicas del aislante.

Un sistema se considera no apto si las propiedades se degradan muy rápidamente o no son estables con el número de ciclos aplicados.  Es un test caro y que requiere mucho tiempo. Puede llevar de 8 a 12 semanas en completar 500 ciclos. Esto hace que su uso sea restringido en los turbo generadores y motores de alta tensión. Además tampoco se reproducen fielmente las condiciones de la ranura. El calentamiento se realiza con la aplicación de corrientes que habrán de medirse con amperímetros que soporten temperaturas elevadas.

Según se cita en [4] parece que este método en 1995 estaba en auge y era especificado por los compradores de manera indiscriminada ya que depende más del sistema de diseño que del proceso de fabricación.

Existen dos estándares, IEEE 432-1992 para máquinas desde los 5 hp hasta los 10000 hp y el IEEE 1107-1996 para máquinas con bobinados “random-wound”.

1.- Desequilibrio y sus consecuencias.

            Los desequilibrios de voltage degradan el funcionamiento y acorta la vida de un motor trifasico, el desequilibrio de voltage en las bornas del estator del motor causa un desequilibrio de la corriente que no guarda proporcion con el desequilibrio del voltage.

            El efecto de las corrientes desequilibradas es la presencia de pulsaciones de par, se incrementan las vibraciones y los esfuerzos mecanicos, incrementandose las perdidas y el calen-tamiento, lo que lleva a un acortamiento de la vida del aislamiento.

            El desequilibrio de voltage es definido por la NEMA como cien veces el valor absoluto  de la maxima desviación del voltage medio de linea en un sistema trifasico, dividido por el voltage medio. Como ejemplo pongamos, si tenemos unos voltajes de linea de 462, 463 y 455 voltios, la media es 460, asi que el desequilibrio de voltage es

                    ((460-455)/460)*100= 1,1 %

             Se recomienda que el desequilibrio en terminales del motor no exceda el 1 %, los desequilibrios superiores al 1 % requieren el reducir la potencia demandada al motor, según tabla de NEMA MG-1 2003, revision 1-2004, y anularia la mayor parte de las garantias de los fabricantes, como causas comunes de desequilibrio podemos pensar en:

-         Operación defectuosa de equipos de correccion de factor de potencia.

-         Red de suministro desequilibrado o inestable.

-         Banco de transformadores suministrando una carga en un sistema trifasica en situación de sobrecarga.

-         Fallas a tierra monofasicas.

-         Uno de los circuitos del primario de distribución abierto.

 .

Se escuchan diversos valores en plan leyenda urbana, 1 A ¿está bien?...

    Una alarma de corriente en el eje, es una indicacion de que hay un arco electrico entre el eje y la superficie de los rodamientos o cojinetes, y en ocasiones en los acoplamientos o engranajes. Este arco electrico no solo destruye las susperficies de los rodamientos, dañando estas, asi como el lubricante a largo plazo, y finalmente el eje, asi que hay que evitar la circulación de estas corrientes, especialmente en maquinas de rodamientos de bolas. Voltajes de hasta 50 voltios son comunes en hidrogeneradores, y se hace necesario el aislar uno de los cojinetes del generador.

     El generador debe ser parado tan pronto como se detecte la circulación de corriente en el rotor, ya que se pueden llegar a generar corrientes de hasta 100 Amperios o incluso mas

, los monitores de medida de circulacion de corriente del rotor se suelen ajustar en el rango de 100 a 1000 mA, por lo cual podriamos pensar que es un valor aceptable, aunque nunca he oido de un valor maximo permitido.