Diagnóstico de Fallas de Motores de Inducción con SensoresRodrigo Velázquez Castellanos, Tapachula, Chiapas.

rrycc@hotmail.com1. Introducción

1.1 Antecedentes

Los motores de inducción presentan muchos problemas. Uno de ellos es el calentamiento excesivo. Cuando estos motores tienen una temperatura elevada no funcionan adecuadamente, presentando corriente elevada, velocidad disminuida y desgastamiento en los aislantes y en los devanados, causando corto en el motor de inducción.

En las grandes empresas de producción tienen estos tipos de motores, para mover bandas que transportan la mercancía o productos que se fabriquen y si un motor falla es una gran pérdida para la empresa, por eso varios técnicos intentan mejorar estos motores para que tengan un buen desempeño en la utilización de estos equipos.

El motores eléctricos de inducción es una pieza fundamental en todo proceso industrial, su robustez, bajo costo, fácil mantenimiento y versatilidad los han hecho populares con aplicaciones que van desde artefactos caseros hasta equipos más sofisticados de tipo industrial. Sin embargo, estos motores tienen sus limitaciones y si son excedidos resultará en una falla prematura en el estator o rotor.

Una de las fallas que ocurren en el estator es el cortocircuito entre espiras, la cual empieza con pocas espiras hasta llegar a una falla más severa. Para obtener información de la falla, la tendencia es monitorear la máquina con sensores de medida de tensión y corriente por ser de bajo costo y no invasivos. Las máquinas eléctricas de inducción son piezas fundamentales en todo proceso productivo.

Por lo tanto requieren de un excelente mantenimiento y unas condiciones aceptables de operación para poder cumplir efectivamente con los objetivos globales de una planta. El efecto de una falla en el aislamiento es la eliminación de una espira o un grupo de espiras del bobinado del estator, pero las más aplicadas son las que involucran análisis de vibraciones.

1.2 Estado del arte

Brahim Elfilali Texas Estados Unidos. sus estudios como ingeniero eléctrico. Su área de interés es el control electrónico de motores de inducción, electrónica de potencia, control digital sin sensores, sistemas digitales, y él explica la forma de controlar la eficiencia del motor por medio de tarjeras electrónicas de potencia. En su modelo de motor coloca una tarjeta de potencia para sobrecalentamiento [1].

Carmona-Sanchez, J. y Electron. Ing(Syst energía), Univ. U  De Mancherster, Mancherster,Reino Unido. Artículo presenta dos nuevos modelos detallados estáticos trifásicos de motor de inducción para el flujo de energía y estudios de estabilidad de voltaje de largo plazo, que representan correctamente el comportamiento del motor en todas sus regiones operativas y que se puede implementar fácilmente en cualquier programa de simulación estática [2]. 

Dept. de Electromech. Ing. China Jiliang Univ., Hangzhou, China. Debido a estos inconvenientes de velocidad sin sensor pre-existentes de inducción del motor Sistema de transductores, una novela sin sensores de inducción del motor sistema controlador utilizando un nuevo motor sensor de bobinado. La propuesta sensor de devanado está instalado en una ranura de la inducción del motor para medir la inducción de tensión del campo magnético en el entrehierro [3].

José Antonio Aquino Edo. De México, México de la academia de mecatrónica diseña un prototipo de motor con sensor de temperatura pero en el eje del rotor para el monitoreo de la temperatura, un servidor diseña un tipo de protección de sobre calentamiento y monitoreo de los motores de inducción por red de bluetooth que ayudara a saber la temperatura de cada motor y el control de ellos [4].

Sousa, KDM Universidad Federal de Tecnología de Paraná, Paraná, Brasil, FBG sensores se utilizan para investigar la temperatura dinámica de un trifásico de inducción del motor bajo diferentes condiciones durante el inicio. La temperatura de distribución de campo se controla utilizando ocho FBGs distribuidas de manera uniforme en el estator. Las pruebas se realizaron con el motor funcionando en vacío y con perturbaciones de tensión en el motor de alimentación [5].

Lo que aquí se propone es monitorear la temperatura y la velocidad de los motores de inducción, con sensores y un micro controlador con un sistema de bluetooth que será checado con una pc para su activación y monitoreo. También con tynesine a 2 canales para apagar y encender al motor de inducción por medio de una red de bluetooth.

1.3 Justificación

El proyecto que aquí se propone es importante su implementación porque con él se resuelve las fallas de los motores de inducción, como el calentamiento, sobrecarga, pérdida de velocidad, causando daños severos en ellos. Los motores de inducción son las herramientas esenciales de toda fábrica para la movilización de los productos hacia los mercados.

En la mejoracion de estos motores de inducción se utilizara varios sensores, como el de temperatura, el de corriente y el de velocidad para tener la mayor información de funcionamiento del motor y prevenir la fallas que estos pudieran tener, conectado una red de bluetooth y a una computadora para el chequeo de estos equipos y la facilidad de control.

Sensor de temperatura

Sensor de corriente

1.4Objetivo

Diseñar e implementar un sistema de monitoreo de temperatura de un motor de inducción.

1.5 Metodología

Fig. 1.1 diagrama a bloques del hardware

Sensores de temperatura ds18b20 medirán al motor de inducción, que es temperatura, que medirá el calentamiento. Que irán a un micro controlador con un sistema de bluetooth que cuenta con dos relevadores integrados para controlar el motor y este estará monitoreado a una pc con una red de bluetooth de largo.

Sensor de efecto hall este sensor servirá para la velocidad este dispositivo tiene la capacidad de dar una velocidad por revolución y su consumo de energía es de 30mA y una con una capacidad de 5 a 30 volts en CC.

Reuter de bluetooth es un dispositivo de sistema inalámbrico que permitirá la transferencia de datos de un micro controlador hacia la pc o al ordenador donde se monitoreara los datos que den los sensores en el motor de induccion.

El tinysine es un micro controlador de 15 entradas analógicas y 12 digitales con 3 entradas para sensores, cuenta con 2 relevadores que ayudaran a cortar la energía que se desea. Este monitoreara la temperatura, la velocidad y la corriente

Motor de inducción

Sensor de velocidad

Tinysine a 2 canales

Pc

Antena bluetooth

Reuter de bluetooth

del motor y se controlara desde una pc por medio de una red de bluetooth. La falla se cortara con 2 relevadores integrados.

Entrada de datos al motor virtual

Datos de sensores de velocidad, corriente y de temperatura

Estadística de datos de medicion

Obtención de gráficas y medidas de la medicion

Enlace del motorTiempo

Control de motores de inducción

Determinación de temperaturas de entrada y/o magnéticas en el núcleo del estator y roto de la maquina eléctrica rotatoria

Modelo formal que determina el calentamiento de la maquina eléctrica

Modelo formal que determine la alarma de falla

Micro controlador

Señal de sensores

Controlador

Motor de inducción

DATOS

Tmaxima

Fig. 1.2 diagrama a bloques software

2. Fundamento teórico

2.1 Control de temperaturas generadas por las máquinas de inducción.

El control optimo, aplicando un modelo con estructura variable en elemento finito del enfriamiento de máquinas eléctricas rotatorias que se presenta en este trabajo, es un planteamiento nuevo para mantener un régimen térmico correcto de los motores eléctricos, para los cuales la temperatura máxima generada dentro del no sobre pase su valor admisible, evitando la disminución de vida útil del motor por un lado y minimizando gasto de energía para el sistema de enfriamiento.

Para explicar el funcionamiento del control de campos de temperatura en máquinas eléctricas rotatorias, es conveniente distribuir la propuesta en tres fases. A continuación veremos en la fig. 2.1 se muestra el diagrama a bloque que se tiene en cuenta a seguir, y es de suma importancia llevar paso a paso las fases para lograr lo deseado.

Tminima

Fig. 1.2 diagrama a bloque del software

Fig. 2.1 Esquema general, propuesto para el diseño del control de campos de temperaturas.

En la primera fase se distingue que el bloque, que representa a un motor eléctrico con temperaturas desconocidas generadas por perdidas eléctricas y/o magnéticas. Como en todas las partes de la maquina eléctrica se presentan fenómenos de termo transferencia, primero se deberá seleccionar la parte del motor, en la que se llevara a efecto la identificación de las temperaturas, para este trabajo se analiza el estator y rotor del motor eléctrico.

Por otro lado, la segunda fase es la sección que acopla a la primera fase, con la tercera fase. En esta fase, un motor virtual, capaz de determinar las temperaturas que se generan por perdidas eléctricas y/o magnéticas en el núcleo del estator y rotor en un límite de tiempo preestablecido. Esta fase es muy importante ya que se con esta se logra tener la una unión, y así poder determinar las temperaturas que son generadas.

Como se puede observar en la fig. 2.2, la segunda fase consta de bloques, donde el primer bloque representa el modelo conceptual. El modelo conceptual es el modelo matemático que expresa el comportamiento térmico en estado transitoria y permanente para el estator y el rotor de la maquina eléctrica rotatoria, que dará la pauta para generar un modelo formal modelo computacional, que represente las variables y parámetros de motor eléctrico.

El segundo bloque de este motor virtual, es el bloque de modelo formal que tiene la función de recabar, procesa y almacenar la información generada del modelo

conceptual, a una estructura que represente las temperaturas del motor en los instantes de tiempo t. El segundo bloque tiene la función de recabar todas los datos de las variables obtenidas.

Fig. 2.2 Proceso esencial de construcción del motor virtual, para la determinación de temperaturas.

En la tercera fase, gracias a las temperaturas generadas mediante el motor virtual, en esta etapa se recibe, procesa y transmite los datos de las temperaturas obteniendo un control de estas, para que no sobre pase su valor admisible, minimizando los gastos de energía para sistema de enfriamiento. Hasta aquí concluye el funcionamiento global del control propuesto para mantener el régimen térmico correcto de los motores, para evitar la disminución de la vida útil del motor

2.2 Control de campos de temperaturas generadas en el motor de inducción

En este trabajo, se propone una metodología útil para desarrollar y evaluar el desempeño de la propuesta, en forma computacional a través de los resultados de las simulaciones utilizando modelos matemáticos con parámetros distribuidos y datos de motores eléctricos reales, para presentar lo mejor posible los fenómenos de termo transferencia. En esta metodología se recurre al motor virtual para obtener las lecturas del de estator y rotor a través de sensores virtuales.

2.3 control de enfriamiento externo de motores eléctricos

Las distintas perdidas de potencia que se tienen en las maquinas eléctricas rotatorias como son, perdidas en los conductores en el núcleo magnético, por fricción, ventilación y las perdidas adicionales en carga, no son otra cosa que una transformación de energía mecánica o eléctrica a energía calorífica. Estas pérdidas determinaran el calentamiento de las diversas piezas de la máquina, puesto de manifiesto por su elevación de temperatura sobre la del ambiente.

Cuando se pone una maquina en marcha, su temperatura al principio aumenta con rapidez, puesto que apenas hay una pequeña cesión de calor al ambiente, lo que

servirá únicamente para calentar la máquina. A medida que aumenta la temperatura, crece la transmisión de calor al exterior por conducción y convección, y el incremento de la temperatura de la maquina se produce con más lentitud acercándose al estado de equilibrio.

Una vez alcanzado el equilibrio térmico, si se aumenta o disminuye el coeficiente total de transmisión de calor, se puede incrementar o reducir el calor disipado. Como la potencia nominal de una máquina viene limitada por la temperatura máxima de sus aislamientos, mejorando las condiciones de ventilación y refrigeración de la máquina, se puede aumentar su potencial útil.

Conforme hay un aumento en la potencia de las maquinas eléctricas, se requieren de mejores sistemas de ventilación ya que las maquinas eléctricas se vuelven más complejas al tener una mayor potencia, lo que encárese su costo, por lo que habrá que calcular una solución económica y financiera optimada para cado caso requerido.

Mediante la realización de ensayos teóricos prácticos de calentamiento y enfriamiento de las maquinas eléctricas, se pueden determinar experimentalmente los valores de temperatura-tiempo, y en consecuencia conocer las curvas exponenciales correspondiente.

Como es de esperar, los distintos materiales aislantes que se emplean en una maquina eléctrica poseen diferentes límites de temperatura, siendo por otra parte la temperatura final que alcanzan los aislantes lo que disminuyen la vida útil del motor. La relación entre la temperatura que alcanza un aislante y su vida, obtenida experimentando una larga seria de materiales, puede expresar por la fórmula:

Donde podemos ver que Va es la vida del aislante, T es la temperatura absorbida a que se le somete, a y b constantes empíricas. La vida útil de la aislación del motor se refiere al envejecimiento gradual del aislante, que se va resecando, perdiendo el poder aislante, hasta que no soporte más la tensión aplicada al motor y produzca el corto circuito.

La experiencia muestra que la aislación tiene una duración prácticamente ilimitada si su temperatura se mantiene debajo de un cierto límite de seguridad. De conformidad con este criterio se han clasificado los materiales aislantes empleados en las maquinas eléctricas según la temperatura más elevada que permanentemente puede soportar sin perdidas de sus cualidades físicas, mecánicas, eléctricas y químicas.

Estudios experimentales indican que por cada 10 grados de aumento de la temperatura de funcionamiento del motor sobre el límite de temperatura recomendada del punto más caliente, la vida de los devanados se reduce a la

mitad. Recíprocamente por cada 10 grados de reducción de la temperatura de funcionamiento del motor por debajo del límite nominal, la vida del devanado se dobla.

La importancia de conocer el valor más exacto de la eficiencia en los motores eléctricos, se justifica cuando se realizan estudios a gran escala, referentes al costo beneficio y al ahorro de energía, mediante el control de campos de temperaturas generadas por perdidas eléctricas y/o magnéticas generadas en motores eléctricos.

2.4 modelo matemático de campos de temperatura generados por perdidas eléctricas

Los diseñadores de máquinas eléctricas rotatorias realizan sus estudios térmicos, mediante la elaboración de circuitos equivalentes, usando modelos de parámetros concentrados para describir los procesos de transferencia de calor en el interior de la máquina, y de esta manera obtener las temperaturas en el estator y rotor. Los diseñadores obtiene un modelo de la maquina eléctrica en general.

Este método, es aceptable cuando la aproximación de los parámetros del circuito térmico y la geometría lo permiten; sin embargo, mediante el uso de estos circuitos eléctricos equivalentes, se da a suponer que los devanados y los circuitos magnéticos del motor son cuerpos homogéneos, representándolos mediante resistencias eléctricas, por lo que se puede hacer el análisis de temperatura en estado estable.

Otra técnica ampliamente utilizada en el campo de estudio de temperatura en las maquinas eléctricas, surge por el interés de los diseñadores de máxima la potencia de salida del motor, dando un volumen especifico de su masa activa y conocer las perdidas, para esto empíricamente lo modelan como la relación geométrica D2L del motor, contra su potencia de salida.

En este trabajo, se presenta un modelo matemático, con parámetros distribuidos basados en la determinación de los campos de temperaturas generadas por perdidas eléctricas o magnéticas en el estator y rotor de la maquina eléctrica rotatoria; ya que debido a esta, se puede apreciar en forma más detallada, la distribución de la temperatura en la geometría del estator y rotor del motor eléctrico a estudiar y de igual manera, su relación con respecto al tiempo.

Referencias

[1] Staton D, boglietti A, Solving the more difficult aspects of electric motor thermal analysis, IEEE Transactions on Industry Applications, June 2004

[2] Huai Y, Roderick, thogersen , computational analysis of temperature rise phenomena in electric induction motors, IEEE Transactions on Power Systems, pp. 779-795, mayo 2004

[3] Chang-Chou Hwans, Wu, and Y jiang, novel approach to the solution of temperature distribution in the stator of an induction motor, IEEE transaction on energy conversion, pp. 401-406, diciembre. 2000

[4] Nonaka, S, Analysis of Ventilation and Cooling System for Induction Motors, IEEE Transactions on Power Systems, pp. 4636 – 4643, febrero. 2007

[5] Cavagnino A, Thermal Model and Analysis of Wound-Rotor Induction Machine, IEEE Transactions on Industry Applications, pp. 2078 – 2085, mayo 2012