Caída de voltaje en polos de campo: detección de espiras en corto

Qué es

La prueba de caída de voltaje en los polos de campo, llamada a menudo prueba de caída en CA, es una prueba comparativa sobre el devanado de campo de una máquina rotativa. Se hace pasar una corriente alterna de bajo voltaje por todo el circuito de campo y se usa un voltímetro para medir el voltaje a través de cada polo, uno tras otro. Se aplica a motores y generadores síncronos de polos salientes, cuyo rotor lleva una serie de polos bobinados, y a motores y generadores de corriente continua, cuyos polos de campo estacionarios están conectados en serie. Es una verificación sencilla y rápida que solo necesita una fuente alterna variable de bajo voltaje, un medidor de corriente y un buen voltímetro. Lo importante no es la lectura absoluta de un polo, sino cómo se comparan los polos entre sí. Polos eléctricamente idénticos en su diseño deben mostrar casi el mismo voltaje cuando pasa por ellos la misma corriente, de modo que un polo que lee distinto del resto señala un cambio en su devanado o en las conexiones a ambos lados.

Por qué se realiza

Las fallas del devanado de campo son difíciles de ver y se desarrollan en silencio. El aislamiento entre espiras de un polo del rotor puede fallar por calor, esfuerzo centrífugo, contaminación o vibración, dejando unas pocas espiras en corto. La resistencia de corriente continua del campo cambia muy poco cuando se pierden pocas espiras, así que una lectura de resistencia común puede aprobar la máquina mientras se desarrolla una falla real. Las espiras en corto reducen la fuerza magnética del polo, desequilibran el campo de la máquina, aumentan la vibración, elevan el calentamiento de las espiras restantes y, si se dejan, pueden evolucionar hacia una falla a tierra y una avería del rotor que saca la máquina de servicio por una reparación larga y costosa. Las conexiones flojas o de alta resistencia entre polos también se calientan bajo carga y pueden abrirse. Hacer la prueba en la aceptación confirma que el rotor no se dañó en el transporte y establece una referencia, y hacerla en paradas de mantenimiento detecta los cambios con tiempo para planificar una reparación.

El principio

A frecuencia industrial, la impedancia de una bobina está dominada por su inductancia, y la inductancia depende mucho del número de espiras y de qué tan bien enlazan el circuito magnético del polo. Con la misma corriente alterna circulando por todos los polos en serie, el voltaje a través de cada polo es proporcional a la impedancia de ese polo. Un polo sano de un diseño dado cae, por tanto, aproximadamente el mismo voltaje que sus hermanos. Cuando algunas espiras de un polo están en corto, se comportan como el secundario de un transformador, con una corriente circulante que se opone al flujo. La inductancia efectiva del polo disminuye, por lo que el voltaje a través de él también disminuye y el polo destaca como bajo frente a los demás. Una conexión de alta resistencia entre polos tiene otra firma: muestra una caída elevada en la propia conexión o un total alterado. Una medición de corriente continua no puede hacer esta comparación porque la inductancia no participa en régimen permanente, y por eso la prueba alterna encuentra lo que una lectura de resistencia no ve.

Cómo se realiza

La máquina se desenergiza, se aísla de toda fuente, se bloquea y se conecta a tierra según los procedimientos del propietario, y el circuito de campo se desconecta del excitador, del rectificador o de la alimentación de los anillos rozantes para que ningún equipo electrónico reciba el voltaje de prueba. En una máquina síncrona la prueba puede hacerse sobre el rotor con los polos accesibles, o a través de los anillos rozantes, con el rotor detenido. Se conecta al devanado de campo una fuente alterna de bajo voltaje obtenida de un transformador variable, con un medidor para vigilar la corriente y un voltímetro aparte para leer cada polo. El voltaje y la corriente se llevan a un nivel que permita la norma o el fabricante, lo bastante bajo para no esforzar el devanado, y se mantienen estables mientras las puntas del voltímetro se colocan a través de cada polo en secuencia, cuidando que toquen los terminales del polo y no pintura o corrosión. En una máquina de corriente continua los polos de campo se miden de la misma manera, con las escobillas levantadas o el circuito de la armadura aislado. En pruebas repetidas se usan la misma fuente, la misma corriente y los mismos puntos de contacto, y donde el rotor puede girar se repiten las lecturas en más de una posición, porque el resultado puede variar ligeramente con la posición del polo respecto al estator. Se anota la temperatura del devanado. Al terminar, la fuente se lleva a cero y se apaga antes de retirar los cables.

Qué se registra

El registro muestra la corriente de la fuente utilizada, el voltaje medido a través de cada polo y el orden en que se midieron, junto con la posición del rotor cuando importa. También anota la temperatura del devanado, la identidad y el estado de calibración de los instrumentos y la condición encontrada del campo, por ejemplo limpio y seco o visiblemente contaminado, así como cualquier cable que se haya levantado para aislar el circuito. La comparación entre polos solo tiene sentido si quien lea después puede ver que se aplicaron las mismas condiciones, por lo que se documenta cómo se montó la prueba además de las lecturas.

Cómo se juzgan los resultados

Ninguna lectura aislada decide el resultado, y esta página no indica límites numéricos. El criterio principal es la comparación entre los polos de un mismo devanado: los polos del mismo diseño deben leer de forma muy parecida, y el que se aparta del grupo es el que hay que investigar. Un polo bajo sugiere normalmente espiras en corto, mientras que una caída inusualmente alta puede indicar una conexión deficiente o un problema en el montaje de la medición. El segundo criterio es la comparación con los datos del fabricante y el tercero es la comparación con resultados anteriores de la misma máquina, donde la deriva entre pruebas es tan informativa como la diferencia absoluta entre polos. Se consideran los efectos de la posición del rotor y las lecturas repetidas deben reproducirse. El alcance de esta medición y las condiciones que la exigen se tratan en ANSI/NETA ATS-2025 para las pruebas de aceptación y en ANSI/NETA MTS-2023 para las de mantenimiento, donde figura como una prueba opcional en las máquinas a las que aplica. Para los valores y el texto vigente, consulte su propia copia con licencia de las normas.

Variaciones

En la aceptación la prueba establece que el devanado de campo está sano después de la fabricación y el envío, y el resultado se convierte en la referencia para la vida útil de la máquina. En el mantenimiento se repite en las paradas y se compara con esa referencia, y es especialmente útil tras un periodo de sobrecarga, una falla o un rebobinado. En las máquinas síncronas de polos salientes los polos giran con el rotor, de modo que el acceso es por los anillos rozantes o por las conexiones expuestas de los polos, y la posición del rotor puede importar. En las máquinas de corriente continua los polos de campo son estacionarios y más fáciles de alcanzar, y la prueba puede incluir también los interpolos y los devanados de compensación según la guía del fabricante. Las máquinas de rotor cilíndrico tienen devanados distribuidos, por lo que este enfoque polo por polo no les aplica y se usan otros métodos como la comparación de impulsos recurrentes o las verificaciones de impedancia. La prueba rinde mejor junto con la resistencia de devanados, la resistencia de aislamiento y, si se dispone de ella, la comparación de impulsos, porque cada una encuentra un tipo distinto de falla.