Arcos eléctricos en el conmutador: detectar las chispas antes de que destruyan su máquina

Si se observan chispas brillantes y persistentes en los cepillos, la máquina ya está funcionando fuera de su zona de seguridad. Los arcos eléctricos rara vez se producen “solo en los cepillos”, sino que son todo el sistema electromecánico el que expresa tensión en una interfaz muy pequeña. Si se lee bien esa interfaz, se pueden solucionar los problemas en su origen, en lugar de limitarse a pulir el cobre.

Ya sabes qué es un conmutador, qué es el voltaje de conmutación y has visto los diagramas en las normas. Por lo tanto, esto no es un tutorial. Considéralo como las notas de campo de alguien que ha observado demasiadas máquinas que producen chispas y luego ha medido lo que realmente ocurría.

¿Qué se considera un arco eléctrico “normal”?

La ausencia total de chispas visibles es ideal en teoría, pero la mayoría de las máquinas de CC en funcionamiento presentan un tenue resplandor naranja localizado en el borde posterior del cepillo. Esto es aceptable. Muchos fabricantes y fabricantes de equipos originales de motores clasifican la gravedad de las chispas desde prácticamente invisibles hasta “fuego anular”, permitiéndose los grados más bajos para el funcionamiento continuo y tratándose los grados superiores como fallos que exigen una parada.

Una forma útil de verlo: si la superficie del conmutador permanece uniformemente marrón o gris claro, cualquier chispa que vea probablemente se encuentre dentro de los supuestos de diseño. Una vez que empiece a aparecer rastro negro, barras grabadas o segmentos oscuros y claros periódicos, los arcos están realizando trabajo mecánico y térmico, no solo transportando corriente durante unos pocos microsegundos.

Una tabla de referencia visual rápida

La tabla siguiente resume varios esquemas de “niveles de chispa” del sector y prácticas de servicio habituales en una sola vista. No se trata de una norma, sino de una comprobación de coherencia para técnicos que ya están familiarizados con las directrices de los fabricantes de equipos originales.

Si habitualmente te quedas en la tercera fila o peor, estás cambiando cobre y carbono por producción a corto plazo. Ese intercambio acaba fracasando según su propio calendario, no el tuyo.

Triaje rápido cuando realmente ves el arco

Cuando alguien te llama para que “vayas a ver el motor que echa chispas”, ya se está perdiendo tiempo. La tentación es fijarse en el conmutador y ajustar las escobillas hasta que parezca que funciona mejor. Ese enfoque soluciona los síntomas, a veces. Pero los arcos eléctricos son un síntoma de la geometría de los contactos, el estado de la superficie, las condiciones magnéticas o la forma de onda de la corriente. Normalmente, más de uno.

Una secuencia práctica, realizada con las cubiertas retiradas y el motor encendido el tiempo suficiente para observar con seguridad, suele ser la siguiente: observar el patrón de las chispas en relación con la rotación; fijarse si se producen en el borde delantero o trasero, o si aparecen principalmente en determinadas barras; observar qué ocurre cuando cambia la carga o la velocidad; y escuchar si se produce un chirrido en las escobillas. Esa breve observación le indicará si el problema es mecánico, magnético o de suministro antes de tener que sacar el destornillador.

Si la intensidad del arco aumenta considerablemente con la velocidad, pero no con el par, la causa más probable es que el conmutador esté descentrado, mal asentado o que la escobilla rebote. Si, por el contrario, sigue el par o el debilitamiento del campo, los principales responsables suelen ser el voltaje de conmutación y la reacción del inducido.

Mecánica de contacto: cuando la interfaz en sí misma es incorrecta

El contacto físico entre el cepillo y el conmutador suele ser el primer culpable, y a menudo con razón. Pero es útil dividir el problema.

Un patrón es el desgaste de las escobillas, que produce una presión de resorte baja y desigual, por lo que el área de contacto real se reduce a unos pocos puntos de alta corriente. Esos puntos calientes encienden arcos en cada evento de conmutación, y el conmutador comienza a mostrar marcas irregulares. La experiencia en el campo y los fabricantes señalan que la presión incorrecta de las escobillas es una de las causas comunes de los arcos visibles y el eventual daño del anillo.

Otro patrón es un mal asiento. Los cepillos nuevos que nunca se han asentado correctamente, o los viejos que se han desgastado hasta formar una cuña sesgada porque el soporte está desalineado, se deslizarán por los bordes en lugar de por una película uniforme. Ese borde concentra la corriente, lo que vuelve a elevar el voltaje local en la parte que realmente se levanta de la barra, y se producen chispas granuladas y persistentes.

Los soportes de escobillas situados demasiado lejos del conmutador permiten que la escobilla se incline y vibre. Si están demasiado cerca, el polvo de carbón se acumula en el espacio y provoca fricción y atascos. Las instrucciones de mantenimiento clásicas mantienen las caras de los soportes a una distancia aproximada de entre 1/16 y 1/8 pulgadas del conmutador, dependiendo del tamaño del bastidor; fuera de ese rango, son muy frecuentes las quejas por arcos eléctricos.

Los conmutadores descentrados y el mal equilibrio dinámico añaden otra capa. A alta velocidad, la escobilla se desplaza efectivamente sobre una leva. Pierde contacto en los puntos altos, vuelve a impactar, y cada pérdida de contacto es una invitación a que se produzca un arco. Casi siempre se recomienda mecanizar el conmutador en un torno para volver a alinearlo, seguido de un corte y pulido adecuados, una vez que las picaduras y el desgaste desigual superan una rugosidad muy superficial.

Condición de la superficie, contaminación y detalles del aislamiento

En la práctica, muchos arcos defectuosos se originan en las ranuras, no en la superficie que se ve fácilmente. El polvo de carbono, las partículas finas de cobre, la neblina de aceite y los residuos en general se acumulan en el socavado. Esto crea vías de fuga entre las barras, lo que desplaza el punto de conmutación efectivo y favorece la formación de arcos entre barras y, en ocasiones, incendios en anillo.

La mica alta es otro elemento que se calienta lentamente. Cuando la mica no está suficientemente recortada, sus aletas se elevan hasta la trayectoria del cepillo. El cepillo golpea la mica en lugar de descansar sobre el cobre, por lo que el contacto es intermitente y la película nunca se estabiliza. El resultado es vibración, chispas y, a menudo, un patrón regular de barras quemadas. Recortar la mica y limpiar las rebabas de cobre suele ser suficiente para calmar el arco, suponiendo que el resto del sistema esté en buen estado.

Es fácil subestimar la contaminación en la propia superficie. Una película de aceite muy fina puede mejorar la vida útil de las escobillas. Una película más gruesa o pegajosa, producida a veces por cojinetes sobrelubricados o contaminantes del proceso transportados por el aire, se arrastra bajo las escobillas y crea una resistencia desigual alrededor de la circunferencia. Las chispas siguen a los puntos pegajosos. La inspección sistemática de las películas del conmutador y una limpieza cuidadosa son recomendaciones estándar en los boletines de mantenimiento para máquinas que se encuentran en atmósferas polvorientas o aceitosas.

Causas eléctricas y magnéticas ocultas tras las chispas

Una vez descartados los problemas mecánicos y superficiales evidentes, las causas restantes de la formación de arcos suelen residir en la forma en que interactúan el circuito magnético y la forma de onda de la corriente. El contacto de la escobilla es solo el límite observable.

La distorsión del campo y la reacción del inducido son las explicaciones clásicas. A mayor carga, el propio campo del inducido distorsiona el campo principal y desplaza la zona de conmutación ideal. El cepillo fijo se coloca entonces en el lugar equivocado, por lo que la inversión de corriente es incompleta y el borde posterior del cepillo sigue transportando una corriente significativa al romper el contacto. Se trata de la tensión a través de un pequeño espacio, más la inductancia residual, lo que provoca un arco eléctrico. Los interpoles y los devanados de compensación se inventaron para contrarrestar este problema concreto, manteniendo la conmutación sin chispas en un amplio rango de cargas.

Los informes de fallos modernos siguen mostrando que los devanados de los polos intermedios débiles o defectuosos, o los ajustes incorrectos del campo después de los rebobinados, a menudo se manifiestan primero como un aumento de los arcos eléctricos en el conmutador, en lugar de como un fallo claro en la resistencia o en la prueba de aislamiento. En algunos estudios, los polos intermedios correctamente diseñados y en buen estado permiten un funcionamiento sin chispas hasta una sobrecarga de aproximadamente 20-30%, mientras que una máquina idéntica sin polos intermedios eficaces produce chispas mucho antes.

La calidad del suministro también es importante. Los variadores de corriente continua con una regulación deficiente de la corriente, SCR defectuosos o programas agresivos de debilitamiento de campo crean picos de corriente y voltaje pronunciados. Esos picos se producen exactamente cuando las escobillas transfieren la corriente entre las barras. La física es bastante simple: dI/dt es alto, la inductancia no es cero y se forma un arco para satisfacer el requisito de voltaje. Varias empresas de servicio técnico de motores señalan explícitamente los ajustes incorrectos de los variadores y los fallos de los SCR como causas ocultas detrás de los “misteriosos” arcos eléctricos y descargas eléctricas en máquinas que, por lo demás, están en buen estado.

Cuando el nivel del arco está estrechamente relacionado con el debilitamiento del campo o con pasos de carga rápidos del variador, suele ser más productivo revisar los parámetros del variador y la retroalimentación del campo que cambiar tres veces los grados de las escobillas.

Medio ambiente, ciclo de trabajo y el lento camino hacia el fuego anular.

Las máquinas que se utilizan en entornos mineros, cementeros, de pulpa o similares, con mucho polvo, suelen sufrir la formación de películas conductoras y socavados compactados. Con el tiempo, esto provoca corrientes de fuga y arcos eléctricos que pueden formar anillos casi continuos alrededor del conmutador. Este “fuego en anillo” suele desencadenarse durante una perturbación, pero se forma lentamente por la contaminación y las malas prácticas de limpieza.

Los arranques cortos repetidos, las inversiones frecuentes y los largos periodos de inactividad bajo un campo débil también pueden favorecer la formación de arcos eléctricos. Los ciclos térmicos y la alteración de la película cambian las condiciones de contacto de las escobillas, y el inducido nunca llega a estabilizarse en un patrón de desgaste estable. Algunos estudios de casos sobre motores de automóviles y bombas de combustible, por ejemplo, relacionan el desgaste acelerado de las escobillas bajo arcos de conmutación con ciclos de alta frecuencia, incluso en atmósferas benignas.

En el extremo más grave se encuentra el flashover. En este caso, se produce un arco eléctrico alrededor de la cara del conmutador o desde el conmutador hacia las piezas metálicas cercanas o el engranaje de las escobillas. Esto se ve favorecido por la contaminación, un dv/dt elevado, una mala alineación y, a menudo, una sobrecarga de trabajo. Las organizaciones de servicio técnico a veces añaden metal conectado a tierra cerca del conmutador, lo que proporciona una vía de baja impedancia intencionada para que el arco eléctrico impacte en ella en lugar de quemar las cajas de escobillas y el cobre hasta destruirlos.

Diseño y especificación contra la formación de arcos eléctricos

Si se dedica a especificar o reconstruir máquinas, en lugar de solo mantenerlas, hay algunos aspectos del diseño que son más importantes que otros.

La selección del grado del cepillo suele decidirse a partir de los datos del fabricante de equipos originales, pero en la práctica muchas actualizaciones de campo cambian los grados para reducir los arcos eléctricos en determinadas condiciones de funcionamiento. Los grados más duros conducen bien la corriente, pero pueden ser implacables con el descentramiento o la contaminación del conmutador. Los grados más blandos toleran las superficies imperfectas, pero pueden generar más polvo y requerir un control de limpieza más estricto. Las notas de aplicación de los fabricantes de cepillos destacan repetidamente la relación entre la resistencia de contacto, la capacidad de formación de película y la tendencia a la formación de arcos eléctricos bajo diferentes cargas.

Las ayudas de conmutación en el circuito magnético (interpolos y bobinados de compensación) son la segunda palanca importante. Si se conectan y dimensionan correctamente, estos devanados generan un campo electromagnético local que se opone al voltaje de reactancia del inducido durante la conmutación. Esto reduce tanto el voltaje entre los contactos de separación como la energía del arco eléctrico. Si se rebobina una máquina para una nueva función con inversiones más frecuentes o un debilitamiento más profundo del campo, suele ser más eficaz revisar los datos de diseño de los interpolos que intentar solucionar el desgaste de las escobillas a posteriori.

La precisión mecánica es el tercer factor. Los conmutadores redondos, los cojinetes auténticos, los cepillos correctamente ubicados y un equilibrio razonable no son muy atractivos, pero en muchos casos influyen más en la formación de arcos eléctricos que los cepillos de calidades exóticas. Las directrices del sector insisten repetidamente en que, una vez que el daño superficial supera las marcas muy leves, el mecanizado y el socavado son la solución adecuada; el lijado tópico sin restaurar la geometría solo reinicia la cuenta atrás para otro fallo.

Hábitos de mantenimiento que realmente cambian los resultados

La práctica diaria suele ser más importante que el diseño a la hora de determinar el nivel de arco eléctrico con el que se convive. La inspección rutinaria de la longitud de las escobillas, el estado de los resortes, la película del conmutador y la limpieza de los socavados parece algo básico. En las plantas reales, a menudo se omite hasta que alguien nota chispas u olores.

Las notas de servicio de varios fabricantes de equipos originales y talleres de reparación destacan algunos patrones recurrentes. Las escobillas cortas con resortes débiles provocan arcos eléctricos y un par de torsión irregular. Los socavados descuidados se llenan de polvo de carbono y cobre, lo que crea caminos paralelos entre las barras y favorece la formación de arcos eléctricos. El papel abrasivo es adecuado para retoques muy ligeros, pero el papel grueso o el trabajo manual agresivo pueden dejar surcos y rebabas que provocan el problema de arcos eléctricos que creías estar solucionando.

Las prácticas de limpieza merecen más atención de la que suelen recibir. El aire comprimido seco por sí solo tiende a introducir el polvo conductor más profundamente en las grietas. Aspirar con herramientas no conductoras, seguido de una limpieza cuidadosa y una inspección del fondo de las ranuras, favorece un funcionamiento estable y con bajo arco eléctrico. En algunas industrias, la limpieza programada de los socavados se trata como la lubricación: no es opcional, no es cosmética.

Si una máquina en particular muestra una tendencia constante desde “casi sin chispas” hasta “chispas granulares continuas” a lo largo de meses, se le está dando una advertencia temprana mucho antes de que cambien los resultados de las pruebas de aislamiento. Esa es la fase en la que el mecanizado menor, la sustitución de cepillos y las comprobaciones de la transmisión son más económicos.

Diagnósticos más allá de “está haciendo chispas”

Los técnicos experimentados rara vez confían solo en sus ojos. Combinan la evaluación visual del arco eléctrico con algunas mediciones rápidas o herramientas.

Un estroboscopio permite congelar la posición aparente de las chispas alrededor de la circunferencia y vincularlas a barras, ranuras o irregularidades geométricas específicas. Esto resulta especialmente útil para diagnosticar marcas en las barras de las ranuras o calentamientos localizados relacionados con los primeros o últimos conductores de una ranura que pasan por debajo del cepillo en un punto incorrecto del campo de conmutación.

Las comprobaciones por infrarrojos de la superficie del conmutador y del conjunto de escobillas permiten identificar las zonas en las que se produce un exceso de calor debido a la formación de arcos eléctricos, incluso cuando las chispas son difíciles de ver a través de las cubiertas. Los gráficos de tendencias de la temperatura de las escobillas o de la superficie del conmutador a lo largo del tiempo suelen mostrar el inicio de un problema antes de que aparezcan chispas evidentes.

En máquinas industriales más grandes, los sensores temporales en los brazos de las escobillas (para corriente y vibración) pueden ofrecer una visión sorprendentemente directa de la calidad de la conmutación. La corriente irregular de las escobillas, las vibraciones de alta frecuencia y los picos repentinos en posiciones específicas del eje se correlacionan bien con la clasificación visual de los arcos y con los hallazgos posteriores durante el desmontaje en estudios publicados sobre arcos eléctricos y desgaste de las escobillas.

Poniendo todo en común

El arco eléctrico en el conmutador no es un fallo aislado. Es la forma en que la alineación mecánica, el estado de la superficie, los campos magnéticos, el comportamiento del accionamiento y el entorno se manifiestan en una pequeña zona de cobre y carbono. Cuando se observan las chispas, en realidad se está observando todo eso.

Si trata cada queja relacionada con arcos eléctricos como “otra vez las escobillas”, sustituirá muchas escobillas y seguirá viendo fallos repetidos. Si, en cambio, lee el patrón del arco, lo relaciona con la carga y la velocidad, verifica la geometría y la limpieza, y solo entonces ajusta el grado o la presión de las escobillas, normalmente resolverá el problema subyacente y dejará de ver el mismo motor de vuelta en el taller.

Ese es el objetivo silencioso: no un conmutador perfectamente limpio para una fotografía, sino una máquina cuyas escobillas funcionen con chispas insignificantes y controladas durante años. Las chispas son su sistema de alerta temprana. Úselas antes de que elijan su propia fecha de apagado.