Análisis de Fallas en Motores de Inducción

Boletines TécnicosBoletines TécnicosBoletines TécnicosBoletines Técnicos

Lista de Correo de Ingeniería Eléctrica http://www.elistas.net/lista/electric

Análisis de Fallas en Motores de Inducción Página 1 de 7

BT PQ 001

Análisis de Fallas en Motores de Inducción utilizan do la corriente estatórica, Diseño y construcción de prototipo basado en un Microcontr olador .

Jair aguado Quintero

[email protected]

http://

Resumen

El analizador de corriente estatórica para detectar fallos rotóricos propuesto basado en microcontroladores, realiza, por medio de la FFT (Transformada Rápida de Fourier), un análisis espectral de las ondas de intensidad. Uno de los atractivos fundamentales de este método de diagnóstico es que se realiza con el motor en servicio, dando cualquier potencia. La toma de la señal de corriente se hace por medio de un transformador de corriente. Otra de las ventajas más importante que presenta este proyecto es que los equipos que se comercializan están basados en procesadores DSP, por lo tanto los costos de estos son relativamente altos, el equipo desarrollado se basa en un microcontrolador de bajo costo.

Introducción La historia del diagnostico y protección de las maquinas rotativas eléctricas es viejo y nació prácticamente con ellas. Los usuarios y fabricantes inicialmente desarrollaron protecciones simples como: sobre-corriente, sobre-voltaje, falla a tierra, al transcurrir del tiempo y a la complejidad que en los proceso industriales hoy día participan los motores electricos, es de vital importancia poder diagnosticar en el campo o sitio estos equipos. Las mayores fallas de las maquinas eléctricas pueden ser clasificadas como[1]: a) Fallas estatóricas resultando en la apertura y

ruptura de una o más espiras del estator. b) Anormal conexión de las espiras del estator. c) Ruptura de barras del rotor. d) Irregularidades tanto dinámicas como

estáticas de la separación entre el rotor y estator (gap).

e) Problema de doblaje del eje. f) Ruptura de las bobinas de campo del rotor g) Fallas en las balineras y en cajas reductoras. Estas fallas producen uno o más problemas a saber: a) incremento de las pulsaciones del torque. b) Incremento de las perdidas y reducción en la

eficiencia c) Excesivo calentamiento. Los métodos de diagnósticos en la actualidad buscan identificar el tipo de falla aplicando nuevas

tecnologías y principios físicos como matemáticos para la detección acertada del problema. Estos métodos de muchos son [2]: a) Monitoreo del campo electromagnético. b) Medida de la Temperatura. c) Analisis por medio Infrarrojo. d) Monitoreo de las emisiones de Radio

Frecuencia (RF). e) Monitoreo del Ruido y Vibraciones producidas

por las maquinas eléctricas. f) Analisis químico. g) Mediciones del ruido Acústico. h) Analisis de las señales de Corriente

producidas por el motor (en ingles Motor Current signature analysis MCSA).

i) Modelos basados en Inteligencia Artificial y las aplicaciones de Redes Neuronales.

Tipos de Fallas y como Detectarlas.

A. Fallas en balineras o rodamientos La mayoría de las maquinas eléctricas usan las balineras o rodamientos para la transmisión de fuerza o movimiento. Las balineras consisten de dos anillos, uno interno y otro externo, en el medio de ellos se colocan unas bolas generando con esto movimiento o rotación[2]. Bajo condiciones normales de funcionamiento, los rodamientos fallan por desgaste o fatiga del material, cuando comienzan a fallar se incrementan las vibraciones de las maquinas y los niveles de ruido acústico se aumentan. Aunque más del 50% de las fallas de los motores están relacionadas con las balineras, es muy poca




la información reportada en la literatura para la detección de fallas en las balineras, otro inconveniente es que esta falla se puede confundir con asimetrías rotoricas[2], es por ello que este problema sea cobijado bajo “fallas de excentricidad”, se ha documentado[1] una categorización de los defectos más característicos que son: defectos del anillo externo de la balinera, defectos del anillo interno del rodamiento, defectos de las bolas y una serie de defectos que son reflejados en las frecuencias de vibración detectadas y pueden calcularse a partir de las siguientes ecuaciones:

[ ] ( ) [ ]pdrv dìàbâfNHzf === )cos(12

Cuando el defecto es en el anillo externo las frecuencias de falla pueden definirse como:

[ ] ( ) [ ]pdrv dìbfNHzf =+== )cos(12

Para defectos del anillo interno puede definirse como:

[ ] [ ] e

pd

e

d

rpv dìbà

b

fdHzf 2)cos(1 =

=

Para cuando el defecto es en las bolas

[ ] ( ) [ ]pdrrv dìàbffHzf === )cos(12 (1) Por definición lo anterior es la ecuación (1). Donde fr es la frecuencia rotacional, N es el numero de balines o bolas (quien no quebró las conocidas bolas chinas o canicas con un balín en la infancia?), bd y dp son el diámetro del balín y el diámetro de rotación del juego de bolas respectivamente y β es el ángulo de contacto del balín con los anillos de rozamiento. Schoen et. Al [3], muestra que las frecuencias de vibración pueden reflejarse en el espectro de corrientes estatóricas como:

jaemfjff vblia 1= (2)

Donde m = 1,2,3 y fv es una de las características de falla o frecuencia de vibración expresadas en la ecuación (1). B. Fallas en el Estator o Armadura

Estas fallas son usualmente relacionadas con problemas de aislamiento, y es común relacionar estas fallas como: fallas a tierra, fallas fase-fase, pueden categorizarse las causas más probables de estas fallas como[6] a) Alta temperatura en el nucleo del estator o en

sus bobinados. b) Laminas del núcleo flojas. c) Contaminación del aceite. d) Descargas electricas Hay varias técnicas para detectar estas fallas. Penman et. Al [7], presenta una técnica para detectar esta falla vuelta a vuelta del estator analizando la componente del flujo axial de la maquina que se concentra alrededor del eje de la bobina que presenta una falla. Para poder detectar esta falla se monta en los cuatro cuadrantes de la maquina cuatro bobinas simétricas, donde abarque el radio del motor y a media distancia del eje del central del estator. Las componentes de la frecuencia detectadas con relación a las componentes del flujo axial pueden expresarse como:

pfàskaen =)1( (3) Donde p es el numero de pares de polos, f es la frecuencia fundamental, k=1,2,3 y n=1,2,3,.....,(2p-1) y s es el deslizamiento. Toliyat and Lipo[8] han desarrollado un modelo y experimentado con el en la detección de fallas asimétricas en las maquinas, mostrando con el que cuando hay una asimetría de las impedancias de la maquinas se presentan un desbalance de las corrientes de fase, resultando con esto la presencia de secuencia de corriente negativa[9]. La presencia de corrientes de secuencia negativa causan desbalances en el voltaje y algo complejo que es que la maquina se satura para una explicación más detallada puede verse en Kliman et. Al[6], donde se presenta un modelo. C. Ruptura de las barras del Rotor y fallas en los

Anillos. Estas representan entre el 5-10% del total de las fallas que pueden presentar en una maquina de inducción (Bonnett[10], Kliman [6,11]). Las posibles causas del fallo de las barras rotoricas como sus anillos pueden concentrarse en:




a) Sobretensiones térmicas producidas por sobrecargas y desbalanceos del voltaje y la corriente.

b) Tensiones magnéticas producidas pro fuerzas electromagnéticas desbalanceadas, ruido electromagnético y vibración.

c) Tensiones mecánicas producidas por fatiga de las partes y falla de las balineras etc.

Kliman [11], Thomson [12], Filippetti [13], Elkasabgy [14], han usado el analisis espectral de la corriente de línea de la maquina (En ingles Motor Current Spectrum Analysis MCSA), para detectar la ruptura de barras, este analisis se centra en el estudio del ancho de banda de la frecuencia que se presenta alrededor de la frecuencia fundamental que pude expresarse como:

jsaefb )21(= (4)

Donde un ancho de banda bajo es relacionado a la ruptura de barras, y un ancho de banda alto es consecuencia de la oscilación de la velocidad de la maquina. De hecho[13], puede deducirse que las ruptura de barras puedan relacionarse para tener encuenta la presencia de armónicos en la red y puede reescribirse como:

jksaefb )21(= (4.a)

Donde k = 1,2,3,...... D. Fallas relacionadas a la Excentricidad La excentricidad de las maquinas es una relación directa con el gap (separación) existente entre el rotor y el estator([1]). La excentricidad resulta de unas fuerzas radiales desbalanceadas (más conocido Esfuerzos Magnéticos Desbalanceados), que causan una especie de rozamiento o fricción entre el rotor y el estator, resultando con esto un daño en la maquina. Se presentan dos tipos de excentricidad relacionadas con el gap (separación), la dinámica y la estática. La excentricidad estática es causada por la naturaleza oval del núcleo del estator o por la incorrecta posición del rotor o estator en su caja. Si el eje del rotor es ensamblado lo suficientemente rígido y nivelado respecto al estator la excentricidad estática no cambia. En caso de una excentricidad dinámica, el centro del rotor es modificado de su posición original cambiándose la mínima separación que debe existir entre rotor y estator. Este desalineamiento es causado por muchos factores, como variación

del eje del rotor, desgaste de balineras o desalineamiento de estas, vibraciones mecánicas y exceso de velocidad o superación de la velocidad critica de funcionamiento de la maquina. La excentricidad dinámica de una nueva maquina es controlada por un indicador conocido en ingles como “Total indicated reading” en siglas TIR (Thompson, [19]), en una maquina en funcionamiento la máxima excentricidad permitida es del 10% respecto a la TIR. En realidad, ambos tipos de excentricidades coexisten en una maquina. La presencia de excentricidades tanto dinámica como estática se pueden detectar a partir del espectro de frecuencias usando el método de MCSA [1,17], y la ecuación que describe este fenómeno es:

aevp

àskRaenf d

)()( (6)

La ecuación (6) describe las componentes de frecuencia de interés para analizar, donde nd=0 en caso de analizar la excentricidad estática y nd = 1,2,3,..., en caso de la excentricidad dinámica (nd se conoce como orden de excentricidad), f es la frecuencia fundamental de la fuente de alimentación, R es el numero de ranuras del rotor, s es el deslizamiento, p el numero de pares de polos, k una constante que depende de las ranuras y v es el periodo o tiempo del armónico presente en la alimentación del motor. Uno de los métodos más eficaces para detectar anomalías en las maquinas eléctricas se basa en el monitoreo del Voltaje del estator y las corrientes expresadas por el vector de Park'’ (Cardoso [23]), para detectar la excentricidad, y analizando el flujo magnético producido por la maquina podemos detectar otros problemas, este método es de Parks es presentado en las siguientes líneas.

Modelo Matemático del Motor de Inducción Las ecuaciones vectoriales que rigen el motor de inducción son:

(10)

(9)

(8) )(

(7)

smrrr

rmsss

rrerrr

sessss

iLiL

iLiL

jsiRO

jsiRU

+=+=

−++=++=

ψψ

ψθθψψωψ




Donde us son el vector de voltaje del estator, is, ir los vectores de corriente del estator y rotor. El torque electromagnético es definido por:

11 )(43

sdsdsdsde iipM ψψ −=

Donde p es el numero de polos del motor y los subíndices “d” y “q” denotan las componentes ortogonales de la corriente y el flujo del estator. La velocidad del flujo magnético del rotor esta determinada por:

=

α

βψ ψ

ψω

r

rr g

dt

darctan (12)

Y la velocidad del rotor es calculada por (11-12) como sigue:

234

r

errr p

MR

ψωω ψ −= (13)

Donde Ψr es la amplitud del flujo magnético del rotor, reorganizando la ecuación nos queda como:

22rqrdr ψψψ += (14)

Similarmente el flujo estatorico es:

22sqsds ψψψ += (15)

Medición y Proceso de las Señales de tensión

y corriente

Para realizar esto se toma dos señales de voltaje y dos señales de corriente de la alimentación del motor, la medida de las fases esta determinada por la conexión del motor (Y o ∆). Los vectores de voltaje y corriente (con índices d y q), son calculados con base en la secuencia de fases (índices a,b,c de las señales), se define como:

sqsd juuU += (16)

Donde:

( )caasd UUUU +−=31

32

(17)

)(3

1cbsq UUU += (18)

Y definiendo el vector de corriente, su ecuación es:

sqsd jiiI += (19)

Donde:

)(3

1

3

2cbasd iiii +−= (20)

)(3

1cbsq iii −= (21)

Las ecuaciones desde la (7) hasta la (21) son implementadas en un microcontrolador de la firma Microchip serie PIC 16C74. El dispositivo propuesto se esquematiza en la gráfica de la siguiente pagina, para este proceso hay que hacer un analisis espectral basado en la Transformada Rápida de Fourier, para cuantificar las magnitudes de las frecuencias de falla que resultan de la toma de datos de las corrientes.




Conclusiones Con este trabajo se pude concluir lo siguiente: a) Se aborda el estudio a profundidad de los tipos

de fallas y sus manifestaciones del orden espectral en las maquinas eléctricas de inducción.

b) Se introduce un tema de altísima actualidad tanto para la industria como desde el punto de vista académico y se entrega una numerosa bibliografía respecto al tema.

c) Se da un aporte al tema del mantenimiento predictivo en el campo para las maquinas eléctricas y sus consabidos beneficios.

d) Este trabajo es el principio para desarrollar nuevos algoritmos para la detección temprana




de fallos en los motores electricos de gran potencia.

Agradecimientos Mucha de la Bibliografía utilizada, y por utilizar fue encontrada en el gran invento de los últimos años que es el Internet, por lo tanto expresamos un inmenso agradecimiento a este y a los varios profesionales que no han ocultado su conocimiento y lo comparten con todo el mundo.

Bibliografía [1] P. Vas, Parameter Estimation, Condition Monitoring, and Diagnosis of Electrical Machines, Clarendron Press, Oxford, 1993. [2] G. B. Kliman and J. Stein, “Induction motor fault detection via passive current monitoring”, International conference in electrical Machines, Cambridge, MA, pp 13-17, August 1990. [3] R. R. Schoen, T. G. Habetler, F. Kamran, R. G. Bartheld, “ Motor bearing damage detection using stator current monitoring”, IEEE Trans. Ind. Applns., vol 31 no 6, pp 1274-79, Nov-Dec 1995. [4] R. R. Schoen, N. K. Lin, T. G. Habetler, J. H. Schlag, S. Farag, “ An unsupervised on line system for induction motor fault detection using stator current monitoring,” IEEE Trans. Ind. Applns., vol. 31, no 6, pp 1280-86, Nov-Dec 1995. [6] G. B. Kliman, W. J. Premerlani, R. A. Koegl and D. Hoeweler, “ A new approach to on line fault detection in ac motor”, IEEE-IAS Annual Meeting Conference, pp. 687-693, San Diego, CA, 1996. [7] J. Penman, H. G. Sedding, B. A. Lioyd, W. T. Fink, “Detection and location of interturn short circuits in the stator windings of operating motors”, IEEE Trans. Energy Conv., vol. 9, no 4, Dec 1994. [8] H. A. Toliyat and T. A. Lipo, “ Transient analysis of cage induction machines under stator, rotor bar and end ring faults”, IEEE Trans. Energy Conv., vol 10, no 2., June 1995. [9] S. Williamson and P. Mirzoian, “ Analysis of cage induction motor with stator winding faults”, IEEE-PES, Summer Meeting, July 1984. [10] H. Bonnett and G. C. Soukup, “ Rotor failures in squirrel Cage induction motors”, IEEE Trans. Ind

Applns., vol 1ª-22, no 6, pp 1165-1173, Nov/Dec 1986. [11] G. B. Kliman R. A Koegl, J. Stein, R. D. Endicott, M. W Madden, “Noninvasive detection of broken rotor bars in operation induction motors”, IEEE Trans. Energy Conv. Vol EC-3, no 4, pp 873-879, Dec 1988. [12] W. T. Thomson, and I. D. Stewart, “On line current monitoring for fault diagnosis in invertir fed induction motors”, IEE Third International conference on power electronics and drives, London, pp 432-435, 1988. [13] F. Filippetti, G. Franceschini, C. Tassoni, P. Vas, “ AI techniques in induction machines diagnosis including the speed ripple effect”, IEEE-IAS Annual meeting conference, San diego, pp. 655-662, Oct 6-10, 1996. [14] N. M. Elkasabgy, A. R. Eastham, G. E. Dawson, “ Detection of broken bars in the cage rotor on an induction machine”, IEEE Trans. Ind. Applns, vol. IA-22, no 6, pp 165-171, Jan/Feb. 1992. [15]B. G. Gaydon, “An instrument to detect induction motor rotor circuit defects by speed fluctuation measurement”, electric test and measuring instrumentation- Testmex ’79 conference paper, pp 5-8, 1979. [16] J. Penman, M. N. Dey, A. J Tait, W. E Bryan, "“Condition monitoring of electrical drives”, IEE Proceeding, pp. 142-148, vol 133 pt. . B, no 3, May 1986. [17] J. R. Cameron, W. T. Thomson, and A. B. Dow, “ Vibration and current monitoring for detecting airgap eccentrcity in large induction motors,” IEE Proceeding, pp 155-163, vol. 133, pt. B, no 3, May 1986. [18] D. G. Dorrel, W. T. Thomson and S. Roach, “Analysis of airgap flux, current, vibration signal as a funtion of the combination of static and dynamic airgap eccentricity in 3-phase induction motors,” IEEE Trans. Ind. Applns, vol 33, No 1, pp 24-34, 1997. [19] A. Barbour and W. T. Thomson, “ Finite element study of rotor slot desings with respect to curent monitoring for detecting static airgap eccentricity in squirrel-cage induction motor,” IEEE-




IAS annual meeting conference recording, pp. 112-119, New Orleans. Loisiana, Oct 5-8, 1997.

Jair aguado Quintero [email protected] Programa de Ingeniería Eléctrica Grupo de Maquinas Eléctricas y Calidad De La Energía (GmEcE ). Universidad Autónoma de Occidente Calle 25 # 115 - 85 Km.2 Vía Cali –Jamundi. Cali - Valle.

Análisis de Fallas en Motores de Inducción

Documents

Transcript of Análisis de Fallas en Motores de Inducción