En cuanto a las pruebas de motores eléctricos, el índice de polarización (IP) es una medida de cuánto mejora (o se degrada) con el tiempo la resistencia del sistema de aislamiento.
Aunque la Prueba PI se ha considerado la prueba principal a la hora de evaluar el estado del aislamiento de un motor, su proceso se ha quedado anticuado en comparación con métodos de prueba más recientes que proporcionan una evaluación diagnóstica más completa de la salud general de un motor.
Este artículo proporciona una comprensión práctica del sistema de aislamiento de un motor, un conocimiento básico de la prueba del índice de polarización y cómo los métodos modernos de prueba de motores proporcionan resultados más completos en menos tiempo.
ÍNDICE DE POLARIZACIÓN (PI)
La prueba del índice de polarización (PI) es un método estándar de prueba de motores eléctricos desarrollado en el siglo XIX que intenta determinar el estado del aislamiento del bobinado de un motor.
Aunque la prueba PI proporciona información sobre los sistemas de aislamiento de la pared de tierra (GWI) instalados normalmente antes de los años 70, no proporciona un estado exacto del aislamiento del bobinado en los motores modernos.
La prueba PI consiste en aplicar una tensión continua (normalmente de 500 V a 1000 V) al bobinado del motor para medir la eficacia del sistema GWI para almacenar una carga eléctrica.
Como el sistema GWI forma una capacitancia natural entre los devanados del motor y el bastidor del motor, la tensión continua aplicada se almacenará como carga eléctrica igual que cualquier condensador.
A medida que el condensador se carga por completo, la corriente disminuirá hasta que sólo quede la corriente de fuga final, que determina la cantidad de resistencia que el aislamiento proporciona a tierra.
En los sistemas de aislamiento nuevos y limpios, la corriente de polarización disminuye logarítmicamente con el tiempo a medida que se almacenan los electrones. El Índice de Polarización (IP) es la relación del valor de la resistencia de aislamiento a tierra (IRG) tomada a intervalos de 1 y 10 minutos.
PI = IRG de 10 minutos/1 IRG de 1 minuto
En los sistemas de aislamiento instalados antes de la década de 1970, la prueba PI se realiza mientras se polariza el material dieléctrico.
Si el aislamiento de la pared de tierra (GWI) empieza a degradarse, sufre un cambio químico que hace que el material dieléctrico se vuelva más resistivo y menos capacitivo, disminuyendo la constante dieléctrica y reduciendo la capacidad del sistema de aislamiento para almacenar una carga eléctrica. Esto hace que la corriente de polarización se vuelva más lineal a medida que se acerca al rango en el que predomina la corriente de fuga.
Sin embargo, en los nuevos sistemas de aislamiento posteriores a la década de 1970, por diversas razones, la polarización completa del material dieléctrico se produce en menos de un minuto, y las lecturas de IRG son superiores a 5.000 Meg-ohmios. El PI calculado puede no ser significativo como indicación del estado de la indicación de la pared del suelo.
Además, como esta prueba crea el campo electrostático entre los devanados y el bastidor del motor, proporciona muy poca o ninguna indicación del estado del sistema de aislamiento de los devanados. La mejor indicación de este tipo de fallos es mediante el uso de mediciones MCA del ángulo de fase y la respuesta en frecuencia de la corriente.
MATERIALES AISLANTES
En los motores eléctricos, el aislamiento es el material que resiste el flujo libre de electrones, dirigiendo la corriente por una trayectoria deseada e impidiendo que escape por otra parte.
En teoría, el aislamiento debería bloquear todo el flujo de corriente, pero incluso el mejor material aislante deja pasar una pequeña cantidad de corriente. Este exceso de corriente suele denominarse corriente de fuga.
Aunque en general se acepta que los motores tienen una vida útil de 20 años, el fallo del sistema de aislamiento es la principal razón de que los motores eléctricos fallen prematuramente.
El sistema aislante empieza a degradarse cuando el aislamiento se vuelve más conductor debido a un cambio en su composición química. La composición química del aislamiento cambia con el tiempo por el uso gradual y/u otros daños. La corriente de fuga es resistiva y genera calor, lo que provoca una degradación adicional y más rápida del aislamiento.
Nota: La mayoría de los alambres esmaltados están diseñados para garantizar una vida útil de 20.000 horas a las temperaturas nominales (105 a 240° C).
SISTEMAS DE AISLAMIENTO
Los motores y otros equipos eléctricos con bobinas tienen 2 sistemas de aislamiento separados e independientes.
Los sistemas de aislamiento de la pared de tierra separan la bobina del bastidor del motor, impidiendo que la tensión suministrada a los devanados se escape al núcleo del estator o a cualquier parte del bastidor del motor. La rotura del sistema de aislamiento de la pared de tierra se denomina fallo de tierra y crea un peligro para la seguridad.
Los sistemas de aislamiento del bobinado son capas de esmalte que rodean el hilo conductor que suministra corriente a toda la bobina para crear el campo magnético del estator. La rotura del sistema de aislamiento del bobinado se denomina cortocircuito del bobinado y debilita el campo magnético de la bobina.
RESISTENCIA DEL AISLAMIENTO A TIERRA (IRG)
La prueba eléctrica más común que se realiza en los motores es la prueba de resistencia del aislamiento a tierra (IRG) o “prueba puntual”.
Aplicando tensión continua al bobinado del motor, esta prueba determina el punto de resistencia mínima que presenta el aislamiento de la pared de tierra con respecto al bastidor del motor.
CAPACIDAD
La capacitancia (C), medida en Faradios, se define como la capacidad de un sistema para almacenar una carga eléctrica. Para establecer la capacitancia de un motor se utiliza la ecuación 1 Faradio = la cantidad de carga almacenada en culombios (Q) dividida por la tensión de alimentación.
Ejemplo: Si la tensión aplicada es una pila de 12 V y el condensador almacena 0,04 culombios de carga, tendría una capacitancia de 0,0033 Faradios o 3,33 mF. Un culombio de carga equivale aproximadamente a 6,24 x 1018 electrones o protones. Un condensador de 3,33 mF almacenaría aproximadamente 2,08 X 1016 electrones cuando está totalmente cargado.
La capacitancia se crea colocando un material dieléctrico entre placas conductoras. En los motores, los sistemas de aislamiento de la pared de tierra forman una capacitancia natural entre los devanados y el bastidor del motor. Los conductores del bobinado forman una placa y el bastidor del motor forma la otra, haciendo que el aislamiento de la pared de tierra sea el material dieléctrico.
La cantidad de capacitancia depende de
La superficie medida de las placas – La capacitancia es directamente proporcional al área de las placas.
La distancia entre las placas – La capacitancia es inversamente proporcional a la distancia entre las placas.
La constante dieléctrica – La capacidad es directamente proporcional a la constante dieléctrica
CAPACITANCIA A TIERRA (CTG)
La medición de la capacitancia a tierra (CTG) es indicativa de la limpieza de los bobinados y cables de un motor.
Como el aislamiento de la pared de tierra (GWI) y los sistemas de aislamiento del bobinado forman una capacitancia natural a tierra, cada motor tendrá un CTG único cuando el motor sea nuevo y esté limpio.
Si los bobinados del motor o el GWI se contaminan, o el motor tiene entrada de humedad, el CTG aumentará. Sin embargo, si el GWI o el aislamiento del bobinado sufren una degradación térmica, el aislamiento se volverá más resistente y menos capacitivo, lo que hará que disminuya el CTG.
MATERIAL DIELÉCTRICO
Un material dieléctrico es un mal conductor de la electricidad, pero soporta un campo electrostático. En un campo electrostático, los electrones no penetran en el material dieléctrico y las moléculas positivas y negativas se emparejan para formar dipolos (pares de moléculas con carga opuesta separadas por la distancia) y se polarizan (el lado positivo del dipolo se alineará hacia el potencial negativo y la carga negativa se alineará hacia el potencial negativo).
CONSTANTE DIELÉCTRICA (K)
Una constante dieléctrica (K) es una medida de la capacidad de un material dieléctrico para almacenar una carga eléctrica mediante la formación de dipolos, en relación con el vacío, que tiene una K de 1.
La constante dieléctrica de un material aislante depende de la composición química de las moléculas combinadas para formar el material.
El K de un material dieléctrico se ve afectado por la densidad del material, la temperatura, el contenido de humedad y la frecuencia del campo electrostático.
PÉRDIDA DIELÉCTRICA
Una propiedad importante de los materiales dieléctricos es la capacidad de soportar un campo electrostático, disipando al mismo tiempo un mínimo de energía en forma de calor, lo que se conoce como pérdida dieléctrica.
RUPTURA DIELÉCTRICA
Cuando el voltaje a través de un material dieléctrico es demasiado alto, provocando que el campo electrostático sea demasiado intenso, el material dieléctrico conducirá la electricidad y se denomina ruptura dieléctrica. En los materiales dieléctricos sólidos, esta ruptura puede ser permanente.
Cuando se produce la ruptura dieléctrica, el material dieléctrico sufre un cambio en su composición química y se produce un cambio en la constante dieléctrica.
CORRIENTES EMPLEADAS CON UN CONDENSADOR DE CARGA
Hace varias décadas, se introdujo la prueba del índice de polarización (PI) para evaluar la capacidad del sistema de aislamiento para almacenar una carga eléctrica. Dado que en la carga de un condensador intervienen esencialmente tres corrientes diferentes, como se ha descrito anteriormente.
Corriente de carga – Es la corriente acumulada en las placas y depende del área de las placas y de la distancia entre ellas. La corriente de carga suele terminar en < más de 1 minuto. La cantidad de carga será la misma independientemente del estado del material aislante.
Corriente de polarización – La corriente necesaria para polarizar el material dieléctrico, o alinear los dipolos creados al colocar el material dieléctrico en un campo electrostático. Normalmente, con los sistemas de aislamiento instalados en los motores (anteriores a la década de 1970) cuando se desarrolló la prueba del índice de polarización, el valor nominal de un sistema de aislamiento nuevo y limpio estaría en el rango de los 100 megaohmios (106) y normalmente se necesitarían más de 30 minutos y, en algunos casos, muchas horas para completarla. Sin embargo, con un sistema de aislamiento más reciente (posterior a la década de 1970), el valor nominal de un sistema de aislamiento nuevo y limpio estará entre el giga-ohmio y el tera-ohmio (109, 1012) y, normalmente, se polariza por completo antes de que finalice por completo la corriente de carga.
Corriente de fuga – La corriente que fluye a través del material aislante y disipa el calor.
CORRIENTE DE CARGA
Un condensador sin carga tiene placas que comparten el mismo número de cargas positivas y negativas.
La aplicación de una fuente de CC a las placas de un condensador no cargado hará que los electrones fluyan desde el lado negativo de la pila y se acumulen en la placa conectada al polo negativo de la pila.
Esto creará un exceso de electrones en esta placa.
Los electrones fluirán desde la placa conectada al polo positivo de la pila y entrarán en la pila para sustituir a los electrones acumulados en la placa negativa. La corriente seguirá fluyendo hasta que la tensión en la placa positiva sea la misma que la del lado positivo de la pila y la tensión en la placa negativa alcance el potencial del lado negativo de la pila.
El número de electrones desplazados de la pila a las placas depende del área de las placas y de la distancia entre ellas.
Esta corriente se denomina corriente de carga, que no consume energía y se almacena en el condensador. Estos electrones almacenados crean un campo electrostático entre las placas.
CORRIENTE POLARIZADORA
La colocación de un material dieléctrico entre las placas de un condensador aumenta su capacidad en relación con la separación entre placas en el vacío.
Cuando un material dieléctrico se coloca en un campo electrostático, los dipolos recién formados se polarizarán, y el extremo negativo del dipolo se alineará con la placa positiva y el extremo positivo del dipolo se alineará hacia la placa negativa. Esto se denomina polarización.
Cuanto mayor sea la constante dieléctrica de un material dieléctrico, mayor será el número de electrones necesarios, aumentando así la capacitancia del circuito.
CORRIENTE DE FUGA
La pequeña cantidad de corriente que fluye a través del material dieléctrico manteniendo sus propiedades aislantes se denomina resistencia efectiva. Esto es diferente de la rigidez dieléctrica, que se define como la tensión máxima que puede soportar un material sin fallar.
Cuando un material aislante se degrada, se vuelve más resistivo y menos capacitivo, aumentando la corriente de fuga y disminuyendo la constante dieléctrica. La corriente de fuga produce calor y se considera una pérdida dieléctrica.
FACTOR DE DISIPACIÓN
Es una técnica de prueba alternativa que utiliza una señal de CA para ejercitar el sistema de aislamiento de la pared de tierra (GWI). Como se ha explicado anteriormente, utilizando una señal de CC para probar el GWI se encuentran 3 corrientes diferentes, sin embargo, el instrumento no es capaz de diferenciar las corrientes más que el tiempo. Sin embargo, aplicando una señal de CA para probar la GWI es posible separar las corrientes que se almacenan (corriente de carga, corriente de polarización) de la corriente resistiva (corriente de fuga).
Dado que tanto la corriente de carga como la de polarización son corrientes almacenadas y se devuelven a la en el ciclo de ½ opuesto, la corriente adelanta a la tensión en 90°, mientras que la corriente de fuga, que es una corriente resistiva que disipa calor y la corriente está en fase con la tensión aplicada. El factor de disipación (FD) es simplemente la relación entre la corriente capacitiva (CI) y la corriente resistiva (IR).
DF = IC / IR
En un aislamiento limpio y nuevo, la IR suele ser < 5% de la CI; si el material aislante se contamina o se degrada térmicamente, la CI disminuye o la IR aumenta. En cualquier caso, la DF aumentará.
ANÁLISIS DEL CIRCUITO DEL MOTOR (MCA™)
El análisis del circuito del motor (MCA™), también denominado evaluación del circuito del motor (MCE), es un método de prueba no destructivo y sin energía que se utiliza para evaluar el estado de un motor. Iniciado desde el Centro de Control del Motor (CCM) o directamente en el propio motor, este proceso evalúa toda la parte eléctrica del sistema del motor, incluidas las conexiones y los cables entre el punto de prueba y el motor.
Mientras el motor está apagado y sin corriente, herramientas como la AT7 y la AT34 de ALL-TEST Pro, utilizan la MCA para evaluar:
- Fallo a tierra
- Fallos internos del bobinado
- Conexiones abiertas
- Fallos del rotor
- Contaminación
La prueba del motor con las herramientas MCA™ es muy fácil de realizar, y se tarda menos de tres minutos, en comparación con la prueba del índice de polarización, que suele tardar más de 10 minutos.
¿CÓMO FUNCIONA EL ANÁLISIS DE CIRCUITOS DE MOTOR?
La parte eléctrica del sistema motor trifásico está formada por circuitos resistivos, capacitivos e inductivos. Cuando se aplica una tensión baja, los circuitos sanos deben responder de una manera específica.
Las herramientas de análisis de circuitos de motor ALL-TEST Pro aplican una serie de señales de CA sinusoidales de bajo voltaje y no destructivas a través del motor para medir la respuesta de estas señales. Esta prueba desenergizada sólo lleva unos minutos y puede realizarla incluso un técnico principiante.
Medidas de la MCA:
- Resistencia
- Impedancia
- Inductancia
- Fi (ángulo de fase)
- Factor de disipación
- Aislamiento a tierra
- I/F (respuesta en frecuencia actual)
- Valor de prueba estático (TVS)
- Firmas dinámicas del estator y el rotor
Y sigue aplicando:
- Motores CA/CC
- Motores de tracción CA/CC
- Generadores/Alternadores
- Motores de máquinas herramienta
- Servomotores
- Transformadores de control
- Transformadores de transmisión y distribución
RESUMEN
Durante el siglo XIX, la prueba del índice de polarización era un método eficaz para determinar el estado general de un motor. Sin embargo, ha perdido eficacia con los sistemas de aislamiento modernos.
Mientras que la prueba PI lleva mucho tiempo (más de 15 minutos) y no puede determinar si el fallo está en el devanado o en el aislamiento de la pared de tierra, las tecnologías modernas, como el ANÁLISIS DEL CIRCUITO DEL MOTOR (MCATM), identifican los problemas de conexión, los fallos de devanado en desarrollo de vuelta a vuelta, de bobina a bobina y de fase a fase en fases muy tempranas, con pruebas que se completan en menos de 3 minutos.
Otras tecnologías, como DF, CTG e IRG, proporcionan un estado del sistema de aislamiento del muro de tierra en pruebas realizadas también en un tiempo mínimo.
Mediante la combinación de nuevas tecnologías, como MCA, DF, CTG e IRG, los métodos modernos de comprobación de motores eléctricos proporcionan una evaluación mucho más completa y exhaustiva de todo el sistema de aislamiento de un motor, de forma más rápida y sencilla que nunca.
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