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Anlisis de Fallas en Motores de Induccin Pgina 1 de 7

BT PQ 001

Anlisis de Fallas en Motores de Induccin utilizando la corriente estatrica, Diseo y construccin de prototipo basado en un Microcontrolador.

Jair aguado Quintero [email protected]

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Resumen

El analizador de corriente estatrica para detectar fallos rotricos propuesto basado en microcontroladores, realiza, por medio de la FFT (Transformada Rpida de Fourier), un anlisis espectral de las ondas de intensidad. Uno de los atractivos fundamentales de este mtodo de diagnstico es que se realiza con el motor en servicio, dando cualquier potencia. La toma de la seal de corriente se hace por medio de un transformador de corriente. Otra de las ventajas ms importante que presenta este proyecto es que los equipos que se comercializan estn 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.

Introduccin

La historia del diagnostico y proteccin de las maquinas rotativas elctricas es viejo y naci prcticamente 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 da participan los motores electricos, es de vital importancia poder diagnosticar en el campo o sitio estos equipos. Las mayores fallas de las maquinas elctricas pueden ser clasificadas como[1]: a) Fallas estatricas resultando en la apertura y

ruptura de una o ms espiras del estator. b) Anormal conexin de las espiras del estator. c) Ruptura de barras del rotor. d) Irregularidades tanto dinmicas como

estticas de la separacin 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 ms problemas a saber: a) incremento de las pulsaciones del torque. b) Incremento de las perdidas y reduccin en la

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

tecnologas y principios fsicos como matemticos para la deteccin acertada del problema. Estos mtodos de muchos son [2]: a) Monitoreo del campo electromagntico. 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 elctricas. f) Analisis qumico. g) Mediciones del ruido Acstico. h) Analisis de las seales 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 mayora de las maquinas elctricas usan las balineras o rodamientos para la transmisin 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 rotacin[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 acstico se aumentan. Aunque ms del 50% de las fallas de los motores estn relacionadas con las balineras, es muy poca



la informacin reportada en la literatura para la deteccin de fallas en las balineras, otro inconveniente es que esta falla se puede confundir con asimetras rotoricas[2], es por ello que este problema sea cobijado bajo fallas de excentricidad, se ha documentado[1] una categorizacin de los defectos ms caractersticos 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 vibracin detectadas y pueden calcularse a partir de las siguientes ecuaciones:

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

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

[ ] ( ) [ ]pdrv dbfNHzf =+== )cos(12

Para defectos del anillo interno puede definirse como:

[ ] [ ] epde

d

rpv dbb

fdHzf 2)cos(1 =

=

Para cuando el defecto es en las bolas

[ ] ( ) [ ]pdrrv dbffHzf === )cos(12 (1)

Por definicin lo anterior es la ecuacin (1). Donde fr es la frecuencia rotacional, N es el numero de balines o bolas (quien no quebr las conocidas bolas chinas o canicas con un baln en la infancia?), bd y dp son el dimetro del baln y el dimetro de rotacin del juego de bolas respectivamente y es el ngulo de contacto del baln con los anillos de rozamiento.

Schoen et. Al [3], muestra que las frecuencias de vibracin pueden reflejarse en el espectro de corrientes estatricas como:

jaemfjff vblia 1= (2)

Donde m = 1,2,3 y fv es una de las caractersticas de falla o frecuencia de vibracin expresadas en la ecuacin (1).

B. Fallas en el Estator o Armadura

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

sus bobinados. b) Laminas del ncleo flojas. c) Contaminacin del aceite. d) Descargas electricas

Hay varias tcnicas para detectar estas fallas. Penman et. Al [7], presenta una tcnica 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 simtricas, donde abarque el radio del motor y a media distancia del eje del central del estator. Las componentes de la frecuencia detectadas con relacin a las componentes del flujo axial pueden expresarse como:

pfskaen =)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 deteccin de fallas asimtricas en las maquinas, mostrando con el que cuando hay una asimetra 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 explicacin ms 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 induccin (Bonnett[10], Kliman [6,11]).

Las posibles causas del fallo de las barras rotoricas como sus anillos pueden concentrarse en:



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

b) Tensiones magnticas producidas pro fuerzas electromagnticas desbalanceadas, ruido electromagntico y vibracin.

c) Tensiones mecnicas 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 lnea 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 oscilacin de la velocidad de la maquina. De hecho[13], puede deducirse que las ruptura de barras puedan relacionarse para tener encuenta la presencia de armnicos 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 relacin directa con el gap (separacin) existente entre el rotor y el estator([1]). La excentricidad resulta de unas fuerzas radiales desbalanceadas (ms conocido Esfuerzos Magnticos Desbalanceados), que causan una especie de rozamiento o friccin entre el rotor y el estator, resultando con esto un dao en la maquina. Se presentan dos tipos de excentricidad relacionadas con el gap (separacin), la dinmica y la esttica. La excentricidad esttica es causada por la naturaleza oval del ncleo del estator o por la incorrecta posicin del rotor o estator en su caja. Si el eje del rotor es ensamblado lo suficientemente rgido y nivelado respecto al estator la excentricidad esttica no cambia. En caso de una excentricidad dinmica, el centro del rotor es modificado de su posicin original cambindose la mnima separacin que debe existir entre rotor y estator. Este desalineamiento es causado por muchos factores, como variacin

del eje del rotor, desgaste de balineras o desalineamiento de estas, vibraciones mecnicas y exceso de velocidad o superacin de la velocidad critica de funcionamiento de la maquina. La excentricidad dinmica 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 mxima excentricidad permitida es del 10% respecto a la TIR. En realidad, ambos tipos de excentricidades coexisten en una maquina.

La presencia de excentricidades tanto dinmica como esttica se pueden detectar a partir del espectro de frecuencias usando el mtodo de MCSA [1,17], y la ecuacin que describe este fenmeno es:

aevp

skRaenf d)()( (6)

La ecuacin (6) describe las componentes de frecuencia de inters para analizar, donde nd=0 en caso de analizar la excentricidad esttica y nd = 1,2,3,..., en caso de la excentricidad dinmica (nd se conoce como orden de excentricidad), f es la frecuencia fundamental de la fuente de alimentacin, 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 armnico presente en la alimentacin del motor.

Uno de los mtodos ms eficaces para detectar anomalas en las maquinas elctricas 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 magntico producido por la maquina podemos detectar otros problemas, este mtodo es de Parks es presentado en las siguientes lneas.

Modelo Matemtico del Motor de Induccin

Las ecuaciones vectoriales que rigen el motor de induccin son:

(10) (9) (8) )((7)

smrrr

rmsss

rrerrr

sessss

iLiLiLiL

jsiROjsiRU

+=

+=

++=

++=



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

11 )(43

sdsdsdsde iipM = Donde p es el numero de polos del motor y los subndices d y q denotan las componentes ortogonales de la corriente y el flujo del estator. La velocidad del flujo magntico del rotor esta determinada por:

=

r

r

r gdtd

arctan (12)

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

234

r

errr p

MR

= (13)

Donde r es la amplitud del flujo magntico del rotor, reorganizando la ecuacin nos queda como:

22rqrdr += (14)

Similarmente el flujo estatorico es: 22sqsds += (15)

Medicin y Proceso de las Seales de tensin y corriente

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

sqsd juuU += (16) Donde:

( )caasd UUUU += 31

32

(17)

)(3

1cbsq UUU += (18)

Y definiendo el vector de corriente, su ecuacin es:

sqsd jiiI += (19) Donde:

)(31

32

cbasd 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 grfica de la siguiente pagina, para este proceso hay que hacer un analisis espectral basado en la Transformada Rpida 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 elctricas de induccin.

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

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

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



de fallos en los motores electricos de gran potencia.

Agradecimientos

Mucha de la Bibliografa utilizada, y por utilizar fue encontrada en el gran invento de los ltimos aos 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.

Bibliografa

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[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.

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[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.

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[10] H. Bonnett and G. C. Soukup, Rotor failures in squirrel Cage induction motors, IEEE Trans. Ind

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[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.

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

Jair aguado Quintero [email protected]

Programa de Ingeniera Elctrica Grupo de Maquinas Elctricas y Calidad De La Energa (GmEcE). Universidad Autnoma de Occidente Calle 25 # 115 - 85 Km.2 Va Cali Jamundi. Cali - Valle.

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