Diagnóstico de Fallas en Motores de Inducción mediante la Aplicación de Redes Neuronales Artificiales

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1 Diagnótico Infomación e Tecnológica Falla en Motoe e Inucción Vol 18(2), (27) Villaa Diagnótico e Falla en Motoe e Inucción meiante la Aplicación e Ree Neuonale Atificiale Fenano Villaa y Diego R. Caavi Faculta e Ingenieía, Depatamento Ing. Eléctica, Univeia e Antiouia, Calle 67 No , Oficina 2-15, Meellín-Colombia (fvillaa@uea.eu.co) Reumen En ete tabajo e peenta un algoitmo paa iagnotica falla ente epia el etato e motoe e inucción meiante la aplicación e ee neuonale atificiale (RNA). o patone e entenamiento e la RNA on obtenio a pati e un moelo e máuina ue pemite imula falla intena bajo ifeente conicione e caga y eeuilibio e tenión. Se mueta la implementación el métoo utilizano un analizao e ee eléctica y un poceao igital e eñale (DSP). o eultao obtenio expeimentalmente en o motoe e 2 HP y 3 HP pemiten conclui la fotaleza el algoitmo al pemiti etecta falla incipiente en motoe e inucción y la factibilia e implementación el mimo a nivel inutial. Palaba clave: ee neuonale, motoe e inucción, falla en etato, iagnótico Fault Diagnoi in Inuction Moto uing Atificial Neuonal Netwok Abtact A new algoithm to iagnoe inte-tun fault in inuction moto bae on Atificial Neual Netwok (ANN) i peente in thi wok. A machine moel able to imulate intenal fault une iffeent loa conition an voltage unbalance wa implemente an tete, in oe to geneate the taining patten of the ANN. An electical netwok analyze an a igital ignal poceo (DSP) ae ue to how the implementation of the metho. Expeimental eult in a 2 HP an 3 HP inuction moto how the obutne of the algoithm allowing etecting incipient fault an it implementation feaibility in inutial plant. Keywo: atificial neual netwok, inuction moto, tato fault, iagnoi Infomación Tecnológica Vol. 18 Nº

2 Diagnótico e Falla en Motoe e Inucción INTRODUCCIÓN o motoe eléctico e inucción on pieza funamental en too poceo inutial; u obutez, bajo coto, fácil mantenimiento y veatilia lo han hecho populae con aplicacione ue van ee atefacto caeo hata euipo má ofiticao e tipo inutial. Sin embago, eto motoe tienen u limitacione y i on exceio eultaá en una falla pematua en el etato o oto. Una e la falla ue ocuen en el etato e el cotocicuito ente epia, la cual empieza con poca epia hata llega a una falla má evea. Paa obtene infomación e la falla, la tenencia e monitoea la máuina con enoe e meia e tenión y coiente po e e bajo coto y no invaivo. Un impotante inicao e falla e la coiente e ecuencia negativa poue e mantiene apoximaamente contante paa ifeente conicione e caga, in embago, en la páctica ete no e el cao poue la inheente aimetía e la máuina, la Intumentación y el ebalance e tenión, pueen genea incemento aicionale en icha coiente. o métoo popueto en la liteatua paa obelleva eta ificulta etán baao en tabla e búuea e ato y ee neuonale atificiale (RNA). Di Stefano et al. (1997) eaolló una e neuonal paa iagnotica falla ente epia. o ato e entenamiento fueon obtenio meiante un moelo baao en la teoía e vectoe epaciale. El inicao e falla utilizao fue el pocentaje e epia fallaa. Depué e entena y valia la e, el eo fue infeio a 2.4%. Aunue el métoo e bueno, el inconveniente aica en la caacteítica el moelo po e muy complejo en implementa. Filippetti et al., (1996), peentó una auitectua e e neuonal paa etecta cotocicuito en el evanao el etato. El inicao e falla e el pocentaje e epia fallaa. a etuctua e la e fue el peceptón multicapa con nueve neuona en la capa oculta. Filippetti aunue popone la e, no peenta lo eultao e la aplicación e la mima. Tallam et al. (21), popuo una RNA utilizano la componente e ecuencia e 16 Villaa tenión y coiente paa la etección e falla ente epia en un moto e inucción. a RNA etima la coiente e ecuencia negativa, la cual e utilizaa como inicao e falla. El inconveniente el métoo e tiene en la etapa e entenamiento one e euiee un volumen alto e ato expeimentale, activia ue e ificulta en la páctica paa caa uno e lo motoe en lo ue e implemente el itema. En el iguiente tabajo e Tallam et al. (23), e peenta un avance en el métoo anteio eliminano la etapa e apenizaje y ealizano el entenamiento en línea. Sin embago, cuano la falla evoluciona lentamente u etección e hace impoible. En ete tabajo e peenta un nuevo métoo paa iagnotica falla en el etato e motoe e inucción utilizano RNA. A pea e utiliza la coiente e ecuencia negativa como inicao e falla tal como lo peentaon Tallam et al. (21, 23); e elimina la ificulta páctica e obtene lo ato expeimentale ao ue la mayo pate e lo patone e entenamiento povienen e ato e imulación. Paa tal efecto e implementa en Matlab y e veifica expeimentalmente el moelo eaollao po Akan et al. (25), conieano vaia conicione e caga y eeuilibio e tenión. Finalmente e mueta la implementación expeimental meiante un pototipo ieñao paa el monitoeo en línea el itema y e peentan lo eultao en o motoe e inucción e 2 Hp y 3 Hp. Se emueta la fotaleza el métoo al poe etecta falla incipiente aún en lo cao one eta falla evolucionen lentamente. CORRIENTE DE SECUENCIA NEGATIVA a componente e ecuencia e tenión y coiente e un moto e inucción etán aa po (Kohle et al., 1992): Vp Zpp = Vn Znp Vo Zop Zpn Znn Zon Zpo Ip Zno * In (1) Zoo Io Done el ínice p, n y o, ignifican la ecuencia poitiva, negativa y ceo e lo faoe e tenión y coiente epectivamente. Zij epeenta la impeancia e ecuencia i ebio a la ecuencia j. Infomación Tecnológica Vol. 18 Nº 2-27

3 Diagnótico e Falla en Motoe e Inucción Villaa 5 4 n = epia en coto n = Rext =. ohm Rext =.1 ohm Coiente [ ma ] n = 3 n = 2 n = 1 Coiente [ A ] Rext =.2 ohm Rext =.5 ohm,2,4,6,8 1 Caga [ pu ] Fig.1: In veu el pocentaje e caga con impeancia e falla e.3 ohm. Genealmente el moto e alimentao con te fae in neuto, po lo ue la coiente e ecuencia ceo, Io, e ceo, y la ecuación (1) e euce a: Ip Zpp Zpn = In Znp Znn 1 Vp * Vn (2) De la ecuación (2) e obeva ue In vaía con lo cambio en la fuente e potencia, la aimetía el moto y la caga. Cuano la falla ocue, la impeancia e la matiz cambian ao ue el moto llega a e aimético. Entonce, la falla, puee e etectaa compaano In (obtenia con el moto ano) con In_falla (obtenia con el moto fallao). a eviación en la coiente In,, e el inicao e falla y efinia como: Δ In = In _ falla In (3) Realizano la imulación al moto A (ve anexo), la figua 1, mueta ue In e apoximaamente contante paa ifeente conicione e caga y e incementa con el númeo e epia en coto. a figua 2 mueta cómo vaía la coiente e ecuencia negativa en función el númeo e epia en cotocicuito paa ifeente valoe e eitencia extena (limitaoa e la falla). Se obeva ue hay una elación cai lineal ente In y el pocentaje e falla; icha coiente e limitaa po la impeancia e falla. a tabla 1, iluta cómo cambia In cuano e vaía olamente la fuente e tenión e.5% a 3% e ebalance paa un moto in falla Númeo e epia en coto Fig. 2: In veu el númeo e epia en coto, moto a plena caga. Tabla 1: Vaiación e In paa ifeente ebalance e tenión Debalance tenión (%) In (A) Angulo e In (gao) o anteioe eultao muetan ue en geneal paa un etao in falla, In vaía con lo ebalance e tenión y la aimetía en el moto. MODEO DE SIMUACIÓN DE FAAS El moelo eaollao po Akan et al. (25) fue implementao en ete tabajo con el fin e obtene la componente e ecuencia e la coiente. El moelo e peenta en foma eumia en la ecuacione 5 y 6. h λ λ λ = λ λ h h h h h i i i i i h (5) Done: h hace efeencia al evanao en cotocicuito, h e la eitencia el evanao en cotocicuito, R ext e la eitencia extena ue limita la coiente e cotocicuito, Infomación Tecnológica Vol. 18 Nº

4 Diagnótico e Falla en Motoe e Inucción Coiente e ecuencia [ A ] Ip_meio Ip_imulao In_meio*1 In_imulao* Caga [ pu ] Fig. 3: Coiente e ecuencia poitiva y negativa meia y imulaa, moto e 2 Hp. Villaa implementaa e el tipo peceptón multicapa (MP) como e iluta en la figua 6. a e tiene 5 vaiable e entaa y 2 e alia. Eta e etima In paa el moto ano bajo ifeente conicione e caga y eeuilibio e tenión. El númeo e neuona e la capa oculta e etima po enayo y eo hata obtene la mejo configuación e la e. Inicio Meia e V, I Cálculo componente e ecuencia: Vp, Vn. Ip, In Con la iguiente ecuacione e flujo: λ h = λ = λ = λ = ( ( ( ( λ = v v h i v v i i w λ i ( w λ + i h 21 h h ) t 11 ) t i i ) t 22 ) t 12 ) t (6) Entene la RNA: Entaa: Vp, Vn, Ip Salia: In Detemine el nivel e aleta: Aleta > u + k* Fig. 4: Euema e iagnótico. Etapa e apenizaje. y e efieen a eje e cuaatua y iecto epectivamente, y ignifican efeio al etato y oto epectivamente, w e la velocia el moto, y λ e flujo. El moelo e veificó expeimentalmente, compaano la componente e ecuencia e la coiente paa ifeente conicione e caga y ebalance e tenión. o eultao paa un ebalance e tenión meno a 1% e ilutan en la figua 3. MÉTODO PARA DIAGNÓSTICAR FAAS Meia e V, I Cálculo componente e ecuencia: Vp, Vn. Ip, In Apliue la RNA paa etima: In_et Calcule: ΔI n = In In_et El euema e iagnótico completo e iluta en la figua 4 y figua 5, el cual etá iviio en o etapa funamentale: etapa e apenizaje y etapa e monitoeo. Etapa e apenizaje ΔI n > aleta i FAA no El objetivo e eta etapa e caacteiza lo cambio e In en función e la caga y la vaiacione e tenión. a e neuonal Fig. 5: Euema e iagnótico. Etapa e monitoeo. 18 Infomación Tecnológica Vol. 18 Nº 2-27

5 Diagnótico e Falla en Motoe e Inucción Vp Vn angvn Ip angip Fig. 6: Re neuonal implementaa. El euema paa etemina el inicao e falla () e iluta en la figua 7. El nivel e aleta e etemina calculano la meia, u, y la eviación etána,, el inicao e falla ( ); luego e calculan lo nivele e aleta: u+, u+2 y u+3. a enibilia paa etecta la falla epene e eto límite; apoximaamente el 68% e lo ato etaán bajo el límite u+; el 95% e lo ato etaán bajo el límite u+2 y el 99.7% e lo ato etaán bajo el límite u+3. Etapa e monitoeo En la etapa e monitoeo e egitan la tenione y coiente en lo teminale el moto, e calculan la componente e ecuencia y e evalúa la e neuonal. uego e calcula y e compaa con el nivel e aleta. Si e cumple ue e mayo ue el nivel e aleta, e puee afima con algún nivel e confianza ue hay falla (cotocicuito) en el itema; en cao contaio, vuelve y e toman lo egito e ato y e evalúa contantemente ete inicao. Cuano el monitoeo e hace en línea, la evolución o el contol el inicao e falla e puee hace a tavé e gáfica e contol CUSUM en línea (ege et al., 1998). En ete cao, el objetivo e etecta cuano el inicao e falla tiene un coimiento e u valo nomal o límite. APICACIÓN DE MÉTODO Aplicación meiante imulación En la imulación, e tomaon 1 ato aleatoio e la tenión en caa fae, e lo cuale: 766 e utilizaon paa el entenamiento, 19 paa la evaluación y 125 paa la In angin Villaa pueba. a caga el moto e vaió ee vacío a plena caga. El moelo popueto po Akan et al., (25) e implementó paa obtene toa la vaiable eléctica el moto in falla y con falla. Vp Vn Ip Fuente Potencia Meia e componente e ecuencia Moto In_meio In_etimao - + = In meio In etimao Fig. 7: Deteminación el inicao e falla. o algoitmo e entenamiento aplicao fueon la vaiante el métoo e etopopagación (backpopagation) el toolbox e Matlab (Demuth y Beale, 1998): evenbeg -Mauat (tainlm) y evenbeg- Mauat Optimization (tainb). En la tabla 2, e obeva el eo e entenamiento e la e neuonal, la meia y la eviación etána el inicao e falla. a topología e la e eleccionaa fue la 5-2 poue peenta el meno eo en la meia y eviación etána. o límite e alama e obevan en la figua 8. a aplicación e la RNA con falla e iluta en la figua 9, con ifeente eitencia extena limitaoa e falla. Aplicación expeimental utilizano analizao e ee El montaje expeimental utilizao paa la valiación el moelo y la veificación el euema e iagnótico e mueta en la figua 1. Duante el egito e la vaiable eléctica el moto a plena caga, e vaió la fuente e potencia con peueño eeuilibio e tenión (meno a 3%) imulano la vaiacione típica eale. Se egitaon 861 ato. Infomación Tecnológica Vol. 18 Nº

6 Diagnótico e Falla en Motoe e Inucción Villaa Tabla 2. Reultao e la imulación el entenamiento e la e neuonal paa ifeente conicione e caga entaa oculta alia Algoitmo e entenamiento eivao el métoo etopopagación Tainb Tainlm Deviación Meia Eo e Meia etána e e entenamiento e Eo e entenamiento Deviación etána e Inicao e falla [ ma ] Alama > u+3 = 1.1 m A Alama > u+2 =.63 m A Meia =.4 m A Númeo e ato e pueba Fig. 8: ímite e alama paa moto e 2Hp. uego e temina lo egito, e poceió a ealiza lo enayo e cotocicuito. Paa ello e utilizaon eitencia extena paa limita la coiente e cotocicuito. Depué e entena y evalua la e neuonal, e eleccionó la e con etuctua: a tabla 3, iluta lo eultao. El límite e alama y la aplicación e la e neuonal paa vaia epia en coto e ilutan en la figua 11 y figua 12 epectivamente. Aplicación expeimental utilizano pototipo igital Paa mei la componente e ecuencia en línea, ieñamo un pototipo utilizano un poceao e eñale igitale (DSP po u igla en ingle), cuya componente pincipale e ilutan en la figua 13. El enao e la coiente e hizo con pinza ampeimética maca fluke e 1mV/A. El enao e la tenión e hizo con un ivio e tenión eitivo y amplificaoe e ailamiento e AD22, eto ipoitivo popocionan ailamiento galvánico e 2V y una itoión máxima e.25%. Inicao e falla [ ma ] Sin falla Con falla Rext = 1.5 ohm Con falla Rext =.5 ohm Con falla Rext =.2 ohm ímite e alama >.11 A Númeo e epia en coto Fig. 9. Aplicación e la RNA con falla ente epia. Moto e 2 Hp a plena caga. Vc Va V Analizao e ee o DSP Fig. 1: Montaje expeimental. Ib Ic Ia Moto Inucción Rext El itema e aconicionamiento aecua la eñale poveniente e lo enoe e tenión y coiente paa e captuaa en foma aecuaa po el conveo análogo 11 Infomación Tecnológica Vol. 18 Nº 2-27

7 Diagnótico e Falla en Motoe e Inucción Villaa Tabla 3: Reultao expeimentale el entenamiento e la e neuonal, moto a plena caga entaa oculta alia Algoitmo e entenamiento eivao el métoo e etopopagación Eo e entenamiento Tainb Meia e Deviación etána e Eo e entenamiento Tainlm Meia e Deviación etána e E E E E Inicao e falla [ ma ] Alama > u+3 = 8 m A Meia = 2.79 m A Númeo e ato e pueba Fig. 11: Deempeño el inicao e falla () in falla. Moto e 2 Hp a plena caga. igital (ADC) en la DSP. Una e la aecuacione e el filtao e alta fecuencia paa cumpli con el teoema el mueteo e Nyuit. a DSP e encaga e configua y ejecuta la captua e la eñale e tenión y coiente, pocea lo ato captuao y ealiza la comunicación con el PC po meio e una intefaz eial RS-232. El PC hace la vece e Intefaz e uuaio con el pototipo. Po meio e una intefaz gáfica en Matlab el uuaio puee configua iveo paámeto e la captua e eñale, viualiza y alva lo eultao geneao en la DSP. En eta aplicación e utilizó un moto e 3Hp (moto B), jaula e ailla, conexión oble etella, como e iluta en el anexo. Depué e entena la RNA con ato imulao y meio e encontó ue la mejo etuctua coeponió a una e 5-2. uego e ealizaon vaio cotocicuito in limitación e eitencia extena. a impeancia e falla fue apoximaamente e.88ω. o eultao e ilutan en la figua 14. Inicao e falla [ ma ] Sin falla Con falla Rext =.275 ohm Con falla Rext =.22 ohm Con falla Rext =.95 ohm ímite e alama > 8 ma Númeo e epia en coto Fig. 12: Aplicación e la e neuonal con falla ente epia y ato expeimentale. Moto e 2 Hp a plena caga. Senoe Tenión Sitema e aconicionamiento e eñale Senoe Coiente RAM 128K x 16bit DSP 56F8357 Fig. 13: Auitectua el pototipo implementao PC o eultao anteioe muetan ue la evaluación e la e neuonal con lo ato e pueba etablece el maco e efeencia paa etemina lo límite e alama e poible falla. Eto límite epenen e la peciión e la e neuonal, pemitieno etecta e foma confiable falla a pati e o epia. 9 Infomación Tecnológica Vol. 18 Nº

8 Diagnótico e Falla en Motoe e Inucción Inicao e falla [ A ] n = epia en coto Alama = 61.7 ma n = 1 n = Tiempo [ ] n = 3 n = 4 Fig. 14: Implementación expeimental en pototipo utilizano DSP. Moto e 3Hp a 82% e caga y falla ente epia. ANEXO Paámeto e lo motoe utilizao en lo expeimento Moto A Etella imple Potencia = 2Hp V = 22 Vm f = 6 Hz P = 4 J =.3 kg.m 2 N = 256 epia po fae X = Ω X = Ω Xm = Ω R = Ω R =.947 Ω CONCUSIONES Moto B etella Doble Potencia = 3Hp V = 22 Vm f = 6 Hz P = 4 J =.4 kg.m 2 N = 12 epia po caa camino en paalelo X = Ω X = Ω Xm = Ω R =.72 Ω R =.7817 Ω En ete tabajo e peentó un nuevo métoo paa iagnotica falla en el etato e motoe e inucción utilizano RNA. Paa tal efecto, e implementó en Matlab y e veificó expeimentalmente un moelo e moto e inucción ue pemite imula el compotamiento el moto bajo ifeente conicione e caga y eeuilibio e tenión. Se motó Villaa la facilia e aplicación el itema en la inutia meiante un analizao e ee eléctica o utilizano un pototipo igital. o eultao expeimentale emuetan la fotaleza el métoo al poe etecta e foma confiable falla incipiente, aún en lo cao one icha falla evolucionen lentamente. REFERENCIAS Akan, M., D. Kotic-Peovic y P. J. Unwoth, Moelling an imulation of inuction moto with inte-tun fault fo iagnotic, Electic Powe Sytem Reeach, 75, (25). Demuth, H. y M. Beale, Ue guie fo neual netwok toolbox fo ue with MATAB. Natick, MA: The MathWok Inc., Di Stefano, R., S. Meo y M. Scaano, Inuction moto fault iagnotic via atificial neual netwok (ANN), Intenational Sympoium Inutial Electonic, ISIE 94, (1994), Santiago Chile. Filippetti, F., G. Fancechini, A. Ometto y S. Meo, A uvey of neual netwok appoach fo inuction machine on-line iagnoi, in Poc. UPEC 96, Iaklio, Geece, 1, 17 2 (1996). ege, R. P., Wm. J. Galan y W. F. S. Poehlman, Fault etection an iagnoi uing tatitical contol chat an atificial neual netwok, Atificial Intelligence in Engineeing, 12 (1998) Tallam, R.M., Habetle, T.G. y Haley, R.G., Continual On-line taining of neual netwok with application to electic machine fault iagnotic, in Poc. IEEE 32 n Powe Electonic Specialit Conf., 4, (21). Tallam, R.M., ee, S.B., Stone, G., Kliman, G.B., Yoo, J., Habetle, T.G., Haley, R.G., A uvey of metho fo etection of tato elate fault in inuction machine, 4 th IEEE Intenational Sympoium on Diagnotic fo Electic machine, Powe Electonic an Dive, SDEMPED 23, (23). 112 Infomación Tecnológica Vol. 18 Nº 2-27