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Causas de vibración de los
motores de inducción de 2
polos
mediante
análisis
espectral
Las causas más comunes de vibración
en los motores de inducción trifásicos y
dos polos son las originadas por
problemas dinámicos y magnéticos.
Las primeras se aprecian mediante un
espectro de frecuencias en el armónico
fundamental de la velocidad de giro
50Hz (UE), y 60Hz (USA). Los
problemas de origen magnéticos se
detectan al doble de la frecuencia de
alimentación en la componente de
100Hz y 120Hz respectivamente. Para
motores alimentados con convertidor
de frecuencia, este valor será siempre
el doble de la frecuencia de la
fundamental. En el ensayo siguiente de
un motor alimentado a 150Hz la
componente dinámica aparece a 150Hz
y la magnética a 300Hz, ver Fig. 1.
Pico dinámico
Pico ventilador
Pico magnético
Fig. 1 Espectro de vibración de un motor
con variador funcionando a 150Hz
(9000rpm) y pico magnético en el
armónico 2x.
Las instalaciones rígidas de motores
en bancadas producen una disminución
significativa del nivel de vibraciones de
origen dinámico o proveniente del giro
del rotor y son máximas en estado de
suspensión libre. En el espectro
comparativo de un mismo motor fijado
a bancada y suspendido (Fig. 2) se
aprecia
la
variación
de
estas
componentes de vibración.
Fig. 2 Espectro comparativo de un
mismo motor fijado a bancada y
suspendido.
La norma IEC 60034-14 establece
valores máximos de vibración menores
con el motor rígido a bancada que en
estado libre o suspendido. Las causas
de las vibraciones de origen dinámico
son producidas por defectos másicos
en el mismo rotor y del calaje de
elementos mal equilibrados a este,
como platos de acoplamiento y
ventiladores para la refrigeración del
motor.
Conocidas las causas que provocan los
problemas de vibraciones de origen
dinámico se precisa especial atención
al proceso de equilibrado de rotores y
elementos de calaje a estos. Con
tolerancias menores en el equilibrado
actual se consigue reducir, aunque no
eliminar, las vibraciones de origen
dinámico producidas en el motor.
Al contrario que las vibraciones de
origen dinámico, las magnéticas son
máximas en una instalación rígida del
motor a la bancada y mínimas en
estado libre de suspensión. Aunque
pueda parecer que haya una relación
entre ambas, las causas que las
producen son totalmente diferentes.
Las vibraciones de origen magnético se
producen en motores donde la
densidad del campo magnético en la
sección rotor-estator es mayor por
existir zonas con mínimo entrehierro.
En la Fig. 3 se ha utilizado un
simulador de elementos finitos para
visualizar la densidad del campo
magnético a su paso por una zona de
mínimo entrehierro en la sección rotorestator.
Estator
Entrehierro
Rotor
Fig. 5 Sección con mínimo entrehierro a
un lado de la sección rotor-estator
provocando
un
esfuerzo
no
compensado.
Fig. 3 Sección rotor-estator donde la
zona de mínimo entrehierro marcada
posee máxima densidad del campo
magnético.
Se
originan
principalmente
por
excentricidades del rotor con respecto
al eje del estator, asimetrías de los
elementos estructurales, deformación
del estator, pandeo del rotor debido a
un mal diseño del mismo y a la
proximidad de la velocidad de giro a la
frecuencia natural de vibración del eje.
El esfuerzo de la componente
magnética aumenta con el cuadrado de
la densidad del campo magnético b
según la ecuación[ 9]:
F=
b2
2µ 0
Esquemáticamente
se
puede
representar el vector normal de la
fuerza magnética a un lado y otro de un
motor sin excentricidad del rotor (Fig. 4)
y con excentricidad (Fig. 5). Se
obtendrían valores mayores en zonas
de mínimo entrehierro y menores en las
de mayor.
Estator
Entrehierro
Rotor
Fig. 4 Sección rotor-estator sin
excentricidad del rotor y esfuerzos
laterales compensados.
Estas
imperfecciones
mecánicas
conjuntadas con un gran valor de
saturación de la máquina acentúan el
aumento de las vibraciones de origen
magnético.
Teniendo en cuenta las causas que
incrementan la saturación magnética,
mencionadas anteriormente, se ha
conseguido
establecer
ciertos
parámetros en el diseño eléctrico de
motores para reducirla, por ejemplo la
introducción de un nuevo estator de
mayor longitud permite una saturación
menor del motor y por lo tanto
reducción de las vibraciones originadas
por defectos en los elementos
mencionados.
Con respecto a las bancadas se ha
comprobado que la planicidad de estas
ha de ser máxima para evitar
deformaciones del estator durante la
fijación rígida.
En una instalación rígida a la bancada
aumentamos la masa del conjunto y el
nivel de vibración total disminuye. Pero
si la bancada carece de planicidad se
esta introduciendo una deformación en
el motor debida a esfuerzos internos en
la estructura y provocar falta de
redondez en la sección del estator.
Esta deformación se traduce después
en un aumento del nivel de vibraciones
por causas magnéticas, ver Fig. 2. Se
ha conseguido reducir los niveles de
vibración por problemas de planicidad
de la base con la incorporación de vías
longitudinales entre el motor y la
bancada.
La disminución máxima obtenida ha
sido de hasta un 77% de la
componente magnética
AM280MV, ver Fig. 6.
del
motor
Fig. 6 Espectro comparativo de un
mismo motor rígido a la bancada y con
vías longitudinales.
La influencia de la bancada en la
estructura del motor, en el caso de vías
longitudinales, ha sido mínima no
creando
apenas
esfuerzos
ni
deformaciones en el estator.
El caso más desfavorable se produce
cuando la bancada del motor induce
una deformación debida a deficiencias
en la planicidad pero no aporta un
aumento considerable de masa al
conjunto motor-bancada.
El fabricante de motores puede ahora
establecer causas de elevada vibración
a problemas de planicidad en las
bancadas de la instalación en planta y
que no son atribuibles a defectos de
funcionamiento de sus máquinas.
La
actualización
de
la norma
IEC6400034-14 es más permisible en
el valor máximo de la vibración con
componente dominante dos veces la
frecuencia
de
alimentación,
en
comparación con los valores máximos
nominales. Anteriormente, la vibración
de un motor con componente
dominante de origen magnético era
más restrictiva que por causas de
desequilibrios dinámicos. Con la
entrada de esta nueva actualización y
referente a los niveles máximos de
vibraciones permitidos se exigen unos
valores máximos más restrictivos que
la anterior edición de 1996. La nueva
reglamentación obliga a fabricantes a
mejorar los diseños y procesos de
producción teniendo en cuenta las
causas que originan las vibraciones.
[1] R.B. Randall, “Frequency Análisis”, Brüel&Kyaer, Ed. k. Larsen & Sen A/S, Glostrup, 1987
[2] Singiresu S. Rao, “Mechanical Vibrations”, Purdue University, Ed. Addison-Wesley
Publishing Company, Reading, 1995
[3] Mark Serridge, Torben R. Licht, “Piezoelectric Accelerometer and Vibration Preamplifier
Handbook”, Brüel&Kyaer, Ed. Larsen & Sen A/S, Glostrup, 1986
[4] W. Schuisky, “Induktionsmaschinen”, Ed. Springer-Verlog, Pàgs. 257-258, Viena, 1957
[5] R. Roca Vila, Juan León L., “Vibraciones mecánicas”, Colección “Ciencias del Ingeniero”,
Ed. Limusa, México, 1985
[6] Leo L. Beranek, István L. Vér, “Noise and Vibration Control Engineering: Principles and
Applications”, Ed. John Wiley & Sons Inc., United States of America, 1992
[7] M. F. Cabanas, M.G. Melero, G. A. Orcajo, J. M. Cano, J. S. Sariego, “Técnicas para el
Mantenimiento y Diagnóstico de Máquinas Eléctricas Rotativas”, ABB Service S.A., Ed.
Boixareu Editores S. A., Barcelona, 1998
[8] Jürgen Reinermann, "Experimentelle und theoretische Untersuchung von
Schwingungendoppelter Netzfrequenz bei 2 poligen Käfigläufern", Studienarbeit , Institut für
Elektrische Maschinen, Universität Hannover, 1980
[ 9] Alfons Martinez, “Optimización sonora de motores asíncronos trifásicos con rotor de jaula
de ardilla”, AEG-UPC, Barcelona, 1999
[10] E. W. Summers, “Vibration in 2-pole induction motors related to slip frequency” Transtaction
A.I.E.E. Nº155-133
[11] F. Bolaños, “Causas comunes por mal funcionamiento de equipo rotativo. Aplicación al
caso de motobombas”, Automática e Instrumentación, Nº 166, Febrero, 1987
[12] F. Bolaños, “El análisis de vibraciones aplicado a electrodomésticos y equipos análogos”,
Automática e Instrumentación, Nº 125, Págs. 91 a 98, Febrero, 1983
[13] F. Bolaños, “Vibraciones en maquinas eléctricas por causas electromagnéticas, Aplicación
al arranque de motores síncronos”, Regulación y mando automático, Febrero, 1987
[14] ”La Medida de las Vibraciones”, Brüel&Kjaer, Ed. K.Larsen&Son A/S, Denmark, 1984
[15] IEC 60072-1:1991. Dimensions and output series for rotating electrical machines