Metodología de monitoreo, detección y diagnóstico de fallos en motores asíncronos de inducción

Transcripción

1 Metodología de monitoeo, detección y diagnótico de allo en motoe aíncono de inducción Catelli, Macelo Univeidad de Montevideo. IEEE Membe Andade, Maco ALFEX S.A. IEEE Senio Membe Reumen Dento del pogama de deaollo tecnológico (PDT) la empea ALFEX S.A. ha imado ecientemente un contato paa el deaollo, en conjunto con la Univeidad de Montevideo, de un equipo paa detección y diagnótico de allo en motoe aíncono de inducción. Duante el año paado e ha tabajado pincipalmente en el etudio teóico de la pincipale alla que típicamente uelen ocui, tale como cotocicuito en lo bobinado del etato, odamiento dañado, excenticidad y debalanceo en el oto, otua de baa y anillo en el oto. En ete atículo e peentan lo avance obtenido en la ejecución del poyecto, la técnica de detección utilizada, lo enayo ealizado en el banco de pueba y lo eultado de lo mimo, con el in de obtene una metodología eiciente de monitoeo, detección y diagnótico de alla en motoe aíncono de gan pote. Intoducción Etudio eciente indican que el 90% de lo allo en máquina ocuen a aíz del uncionamiento anomal de lo componente inteno, como e el cao del moto pincipal [1]. En eta línea, el mantenimiento coectivo del equipo e una páctica muy cotoa, ya que implica paada no pogama y lo daño povocado po la alla de lo equipo. La actuale exigencia de calidad conidean cada vez má neceaia la utilización de itema de monitoeo y detección de alla, de modo de no inteumpi la poducción. Lo motoe eléctico de inducción on lo eponable, en mucho cao, del coecto uncionamiento del itema poductivo. Exiten hoy mucha técnica publicada y heamienta avalada comecialmente de detección de alla en motoe de inducción, que pueden gaantiza un mayo gado de coniabilidad en u uncionamiento. A pea de eto, la mayoía de la indutia aún no utilizan técnica de detección y monitoeo de máquina eléctica. La detección y diagnótico de alla exige el empleo de enoe adecuado. Enome vaiedad de enoe pueden e empleado paa ecolecta dato de paámeto de uncionamiento en motoe eléctico con el popóito de detecta y monitoea alla. Ente lo paámeto a medi po eto enoe e pueden ealta lo iguiente: tenión y coiente en el etato, denidad de lujo magnético en el entehieo, velocidad y poición del oto, pa entegado al eje, tempeatua extena e intena, vibación, etc. Cuanto ma ean lo paámeto monitoeado (cada uno con u epectiva enoización), mayo inomación puede llega a extaee con epecto al uncionamiento del moto. Sin embago, exiten alguno inconveniente elacionado con la cantidad y tipo de enoe a utiliza en el moto. Pueden detacae el coto de la enoización equeida, la diicultad en la intalación de lo enoe y allo en la enoización al poduci una paada no pogamada en la poducción. '

2 Lo itema de monitoeo de motoe eléctico uelen detecta una vaiedad de alla en el moto, tale como: cotocicuito en lo bobinado del etato, odamiento dañado, excenticidad y debalanceo en el oto, otua de baa y anillo en el oto, poblema de ventilación, etc. La enoización de tempeatua y vibación ha ido una técnica utilizada dede hace década paa el monitoeo de motoe aíncono de inducción, in embago, ecientemente lo etudio e han centado en el monitoeo de la pate eléctica del moto, haciendo énai en el análii de la coiente de etato. La mayoía de lo etudio e han abocado al análii del epecto de ecuencia de la coiente de etato, con el in de detemina alla en el moto. Toda la técnica de detección de alla equieen un conocimiento pevio de la medida ecolectada, con el in de ditingui ituacione nomale de tabajo de la condicione de opeación bajo allo. Eta exigencia, en cuanto al conocimiento del compotamiento nomal de la máquina e magniica cuando exite en ella una gan cantidad de amónico poveniente de caacteítica contuctiva o de vaiación de la caga a la que e encuenta ometido el moto. Eta caacteítica epeciale no deben e conundida con allo exitente en el moto. Mucho método de monitoeo han ido popueto paa la detección de allo en motoe aíncono de inducción. Mucha máquina eléctica e encuentan povita de ditinto enoe con el in de ecolecta dato elevante a u uncionamiento. Alguna de eta técnica emplean enoe ágile, de diícil intalación en el moto y de elevado cote. Sin embago, el monitoeo de coiente de etato puede povee la mima inomacione in neceidad de acceo a la pate intena del moto, ya que e tata de una técnica no invaiva, y pudiendo aí educi lo coto de implementación. En ete atículo e ecoge pimeo una beve decipción de lo ditinto tipo de allo uceptible de ocuencia en motoe eléctico de inducción. Poteiomente e pocedeá a la peentación de la técnica utilizada paa detección de alla, aí como también a la peentación del banco de enayo que e ha contuido con el in de enaya lo ditinto allo tipiicado. Finalmente e peentan lo enayo ealizado y lo eultado obtenido paa una poblemática en paticula, en ete cao la otua de baa. Falla en motoe eléctico de inducción: En ete apatado on abodada la pincipale alla incipiente que ocuen en motoe aíncono de inducción. Falla mecánica y de ailamiento on dicutida y analizada iendo enatizada u caua y conecuencia. La mayoía de la alla en motoe eléctico pueden e claiicada en do gupo: alla de ailamiento y alla mecánica [2]. En [2] on bevemente peentada la caua que pueden lleva a la ocuencia de alla en motoe eléctico de inducción. La alla de ailamiento on caacteizada po daña la epia del etato, conocida como cotocicuito en el enollamiento del etato. La alla mecánica, en u mayoía etán aociada a daño en el oto o componente elacionado al mimo. Dento de la pincipale alla mecánica e pueden detaca la iguiente: daño en odamiento, quiebe de baa y anillo del oto, iegulaidade en el entehieo (excenticidade etática y dinámica) y debalanceo. En [3] e peentan la pincipale caua de alla en el oto y etato del moto. Caua de alla en el etato: Solicitacione témica: En geneal lo uuaio y abicante de motoe tienen buen conocimiento de lo daño que pueden ocui debido al obecalentamiento de lo itema de ailamiento. El bloqueo del ventilado en un moto puede caua obecalentamiento, aí como también la obecaga a la! " " " #! " 66

3 que e vea aectado el moto. Ete último punto e el motivo cauante de buena pate de lo daño de la pate eléctica en motoe de inducción. Paa contola ete poblema, en máquina de medio y gan pote, pueden e intalado enoe de tempeatua en poicione etatégica del etato, y aí pode monitoea tempeatua, y de eta oma pode evita el obecalentamiento. Quieba de baa y alladua de lo anillo del oto también on eponable po el obecalentamiento de la máquina, con una conecuente educción de pa y aumento del nivel de vibacione. Ete poblema puede e detectado de vaia oma, como análii de vibación, análii de coiente, o po imple inpección viual i el oto e epaado del etato. Pocedimiento nomalizado, como po ejemplo AIEEE 510 e IEEE 275 evelan que cada 10ºC que exceda la tempeatua límite del ailamiento, la vida útil del mimo e educida a la mitad [2] [3]. A meno que la tempeatua de opeación del moto ea extemadamente elevada como paa ocaiona un daño inmediato, lo eecto nomale del envejecimiento témico conieen al itema vulneabilidad a ota olicitacione que puedan ocui poduciendo éta alguna alla. Caua de obecaga témica: Vaiación de tenión Vaiacione de tenión aectan la peomance del moto y la tempeatua de lo bobinado. A la hoa de dieña motoe, e uele utiliza un citeio que pemita la opeación atiactoia del mimo con ±10% de vaiacione de tenión. Tenión de ae debalanceada Un pequeño debalanceo de ae cauaá un aumento de tempeatua en lo bobinado del etato. Se ha contatado que cada 3.5% de debalanceo po ae, la tempeatua del bobinado aumenta en un 25% en la ae de mayo coiente. Po ello e deben mantene la 3 ae lo mejo balanceada poible, con el in de evita la ocuencia de ete poblema. Aanque cíclico Si el moto e ometido a uceivo aanque en un coto peíodo de tiempo, la tempeatua de lo bobinado aumentaá ápidamente debido a la alta coiente de aanque. Ota conecuencia de lo aanque cíclico e la contacción y expanión del ailante de la bobina, tonándolo ágil y uceptible a quebadua con el paa del tiempo. Sobecaga Mucho motoe de inducción on abicado con una cieta holgua en la caga máxima de opeación en égimen continuo, caacteizado como acto de evicio (no debe e conundido con la obecaga momentánea del moto, la cual vale paa coto peíodo de tiempo). La utilización del acto de evicio implica una vida útil del moto meno a aquella en que el moto e encuente opeando con caga nominal. Obtucción del itema de ventilación El calo geneado en el oto y etato e diipa al exteio po medio de un itema de ventilación, el cual, i po alguna cicuntancia e encontaa obtuido o dañado, cauaía un obecalentamiento en lo bobinado del etato. E impotante ecalca la neceidad de utilización de un itema de ventilación adicional i el moto opea con obecalentamiento en égimen nomal. '

4 Solicitacione eléctica: Dieléctico: Exite una elación ente la vida del ailante del bobinado y la obetenión aplicada. Cada mateial ailante poee u paticulaidade, teniendo alguno mayo capacidad de toleancia a la tenión que oto. Eta obetenión puede caua cotocicuito en el bobinado de 3 oma: Fae-ae Epia-epia Epia-tiea Eecto Coona: El eecto coona puede llega a e un poblema eio paticulamente en bobinado que opeen a tenión upeio a 5kV. El eecto Coona e una decaga localizada eultante de la ionización gaeoa en el itema de ailamiento cuando la tenión excede un valo cítico. Exiten 3 tipo báico de decaga po eecto coona: decaga intena ocuida en pequeña cavidade del dieléctico: decaga ocuida en la upeicie de la epia, decaga puntuale poveniente de un uete campo eléctico en extemidade o pequeña aita. Sobetenione de cota duación: Condicione de obetenión ocuen con cieta ecuencia duante la utilización de motoe eléctico, dando como eultado la educción de la vida útil del bobinado y pudiendo ocaiona alla pematua. Ocilacione de coiente y obetenión nomalmente dañan la ailación de la epia del etato pudiendo eto ocaiona cotocicuito ente epia. Eto poblema ocuen debido a la apetua y ciee de contacto [2]. La obetenione pueden e poducto de la iguiente condicione: Falta de ateamiento Abetua y ciee de diyuntoe Conexión de banco de capacitae Colocación de uible limitadoe de coiente. Solicitacione Mecánica: Movimiento de la epia El pao de coiente po lo bobinado del etato poduce euezo diectamente popocionale al cuadado de la coiente [3]. Eto euezo alcanzan u máximo valo en el aanque del moto, ocaionando vibacione en la epia de lo bobinado. Eta vibación povoca un movimiento elativo ente la epia, el cual e acentúa má en la cabeza de bobina, pudiendo ocaiona cotocicuito. Cualquie vibación exceiva también puede povoca daño en lo odamiento del moto. Paa diminui ete poblema e aconejable mantene iempe alineada la máquina de modo de educi la vibacione exceiva. Contacto ente etato y oto La azone má comune que conducen al contacto ente el oto y el etato on la iguiente: Falla en lo odamiento Delexión del eje Dealineamiento ente oto y etato.! " " " #! " 68

5 Solicitacione elacionada al medio exteno La peencia de mateiale extaño puede llega a povoca daño en el etato, como po ejemplo educción de la diipación de calo, con la conecuente educción de la vida útil del ailante de lo bobinado, alla pematua en el itema de ailamiento debido a euezo localizado y aveía en el ailamiento cauando cotocicuito. Oto acto muy impotante, a la hoa de conidea alla de ailamiento elacionada al entono en donde e encuenta opeando el moto, e la humedad del medio, ya que el ingeo de humedad en el ailante puede e un acto deencadenante de cotocicuito en lo bobinado. Caua de alla en el oto Solicitación témica Sobecaga témica Puede ocui duante la patida, égimen pemanente o en condicione de oto bloqueado, iendo eta última la condición eponable po lo mayoe daño en el oto. La caua má comune de alla po obecaga témica on enumeada a continuación: Gan númeo de aanque conecutivo ocaionando alta tempeatua en la baa y lo anillo del oto Roto bloqueado debido a gande caga impueta en el eje del moto Ficción ente etato y oto debido a alla en el itema de odamiento o condicione de alta vibacione Rotua de baa del oto debido a la atiga Ventilación inuiciente El obecalentamiento e un poblema batante común en motoe de inducción, con la ventaja de que puede e ácilmente detectado y coegido. Medida imple de mantenimiento pueden contibui de oma igniicativa a oluciona ete poblema. Debalance témico El debalance témico puede tene u oigen ya en el poceo de abicación del oto o puede ocui debido a condicione de opeación que tapaen lo límite de tabajo del mimo. La caua má comune de alla po debalance témico on la iguiente: Aanque ecuente del moto, pudiendo eto ocaiona dieente tempeatua en la baa del oto Taneencia de calo deigual ente el cento y la baa del oto Gadiente de tempeatua debido a la ciculación de coiente deigual geneada po otua de baa. Aí como e elativamente encilla la identiicación de poblema de vibación en máquina eléctica, también lo e la identiicación de debalance témico, no aí la identiicación de la caua del poblema. Solicitación Magnética Eecto Electomagnético La ueza electomagnética on popocionale al cuadado de la coiente, iendo unidieccionale y tienden a diloca la baa poduciendo una delexión en la mima [3]. El mayo euezo obe la baa ocue duante el aanque del moto, debido a la alta coiente geneada. '%

6 Atacción electomagnética debalanceada Idealmente el oto e encuenta centado y la ueza electomagnética balanceada en dieccione opueta, in caua delexión en el oto. En la páctica, el oto no e encuenta peectamente centado, ya que actoe como el peo popio del oto, degate en lo odamiento y alineación del moto inluyen en el centado del mimo. El debalance electomagnético e un poblema que puede lleva a la lexión del oto, pudiendo povoca que enten en contacto el oto con el núcleo del moto o incluo con lo mimo bobinado. Solicitacione dinámica La mayoía de la olicitacione dinámica ocuen po pocedimiento de opeación del moto que obligan al mimo a obepaa u límite opeativo de dieño, como po ejemplo toque exceivo en el eje o obe-velocidade. Solicitacione elacionada al medio exteno De la mima oma que paa el etato, mateiale que peneten dento del moto pueden povoca abaión, cooión o impedi el coecto uncionamiento del itema de ventilación povocando de eta oma obecalentamiento. Solicitacione mecánica Alguna de la caua má comune de alla mecánica en el oto on el dependimiento de chapa o el incoecto ajute del eje del oto. En geneal lo allo en máquina eléctica e encuentan dominado po allo en lo odamiento y en la bobina del etato. Enocado en motoe aíncono con oto en jaula de adilla, la etadítica de allo e la iguiente [4]: Fallo elacionado a otua en lo odamiento: 41% Fallo elacionado a poblema en el etato: 37% Fallo elacionado a poblema en el oto: 10% Oto allo: 12% Método de detección de allo Exiten dieente método invaivo y no invaivo paa la detección de allo utilizando técnica de análii de dato de oigen eléctico, mecánico o químico, ente lo cuale e pueden ealta lo iguiente: análii de vibacione, análii de tempeatua, etimación de paámeto electomagnético del moto, análii de patícula de aceite, análii de eñal de coiente del moto (MCSA). En el Tabla 1 e ealiza una compaación ente lo pincipale método de detección de allo, indicando la alla que lo mimo pueden detecta. Falla que puede detecta Método Coocicuito Rotua de Excenticidade Rodamiento etato baa Vibación O SI SI SI MCSA SI SI SI SI Tempeatua SI* O O SI* Patícula O O O SI * Poibilidad de indica indicio de alla Tabla 1! " " " #! " 70

7 Analizando la Tabla 1 e puede conclui que el método que e capaz de identiica el mayo númeo de allo e el MCSA. A lo lago de la ejecución de ete poyecto e ha utilizado el MCSA como técnica de detección de allo, la cual e baa en la utilización de la tanomada ápida de Fouie de la eñal de coiente del etato, con el in de detecta lo ditinto tipo de allo en unción del etudio del epecto de ecuencia de la eñal mueteada [5] A continuación e peentaá el banco de enayo utilizado paa la imulación de depeecto y lo eultado obtenido baado en el método MCSA. Banco de enayo a utiliza. Paa imula lo depeecto e ha contuido un banco de enayo acoplando do motoe de inducción tiáico a tavé de polea de dieente diámeto. El moto a enaya ha ido acoplado a la polea de mayo diámeto, actuando como geneado el moto acoplado a la polea de meno diámeto. En la Figua 1 e puede apecia una vita del banco de enayo con ambo motoe acoplado. Figua 1: imagen del banco de enayo Poteiomente e ha caacteizado el moto a enaya paa conoce la condición inicial del mimo ante de imula depeecto obe el mimo. Paa la deteminación del cicuito equivalente del moto e han ealizado do enayo, un enayo de vacío y oto enayo con el moto cagado. El cicuito equivalente con el que e ha tabajado e peenta a continuación: En donde: R 1 R 2 X 1 X 2 Z m =R m +X m Figua 2: Cicuito Equivalente Reitencia pimaio Reitencia ecundaio vita dede el etato Inductancia del pimaio Inductancia del ecundaio vita dede el etato Impedancia de magnetización

8 A continuación e peentan lo eultado obtenido de lo enayo de vacío y en caga con el moto conectado en etella: Enayo de vacío: Enayo con moto en caga: w = 1420pm w = 1500pm = P (kw) S (kva ) FP L L L Tabla 2: dato enayo de vacío Voltaje (V m ) Intenidad (A m ) L L L Tabla 3: dato enayo de vacío P (KW) S (KVA ) FP L L L Tabla 4: dato enayo en caga Voltaje (Vm) Intenidad (Am) L L L Tabla 5: dato enayo en caga A pati de eto enayo e han obtenido lo iguiente valoe de lo paámeto del cicuito equivalente del moto: Z m () j R 1 () 0.6 R 2 () X 1 +X 2 () Tabla 6: paámeto cicuito equivalente Luego de caacteizado el moto e ha paado a la caacteización de lo ditinto allo que e imulaán en el banco de enayo. En el peente atículo e enocaá el etudio a la peentación de una de lo allo má típico en motoe de inducción, la otua de baa en el oto del moto. Detección de baa ota: Paa un moto tiáico de coiente altena de P pae de polo, con una velocidad incónica, e cumple que:.p 1 = P= º pae de polo 1 =ecuencia de alimentación de la bobina del etato (Hz) =Velocidad de inconimo (ev/eg)! " " " #! " 72

9 Si la imetía del oto e peecta entonce olo exite un campo magnético giatoio incónico. Deiniendo el delizamiento del oto como: Entonce, 2 2 = = ( =.. P ). P La velocidad de otación del campo magnético poducido po la coiente de lo conductoe del oto con epecto al etato e: = + = + 2 La otua de baa del oto genea una aimetía en el dieño, lo cual poduce un campo magnético otativo de entido contaio al gio del oto: =. Si e itúa un obevado en el etato, ete apecia un campo magnético otativo (b) hacia atá y hacia adelante poducido po la baa ota. Como e un campo pulante, ete e decompone en do campo giatoio a velocidad elativa +/-b po lo tanto el que va hacia delante va a gia con una velocidad aboluta b=+.= po lo que no e apecia en el análii de ecuencia. iendo : Po lo tanto; Expeándolo en témino de: =. b = b = ( 1 ) = 2.. Fecuencia ( b ) úmeo de pae de polo b b b b = ( 1 1 = ( 2.. ). P P P = Con: =Velocidad del oto Siendo: 2 = ecuencia de la coiente del oto = (1 2. ) b e la ecuencia a la cual el campo magnético otativo cota la bobina del etato induciendo aí, una coiente de ecuencia b. Eto igniica que b e la doble ecuencia de delizamiento que e maniieta a una ditancia po debajo de la ecuencia de alimentación del moto 1. La ocilacione en velocidad y toque que ocuen a la ecuencia inducen la banda upeio a una ditancia de la ecuencia de alimentación [6]. ). P $

10 b = 1 (1 ± 2. ) Enayo ealizado: Con el in de cooboa la deduccione peentada anteiomente, e han ozado la uptua de 1, 2 y 3 baa del oto. En pimea intancia e ha enado la coiente conumida po el moto en una cieta condición de delizamiento (la mima que e ha mantenido duante todo lo enayo iguiente) y ealizada la FFT (ae Fouie tanom) con el in de detemina la condición del moto pevia a la impoición de lo depeecto obe el mimo. Paa la enoización de coiente e ha elegido una ecuencia de mueteo de 2kHz, pudiendo de eta oma obtene un epecto de ecuencia en un ango de 0 a 1kHz, con un tiempo total de mueteo de 8 egundo con el in de conegui una eolución en el epecto de ecuencia de 0.125Hz. Una vez deteminada la condición inicial del moto e ha paado a oza depeecto en el mimo, peoando una baa po vez y midiendo luego de eto la eñale de coiente obtenida. Teniendo en cuenta que paa todo lo enayo e ha utilizado un delizamiento de =0.0473, la banda lateale de ecuencia coepondiente a la baa ota deben coeponde a: = 45.25Hz b+ = 54.75Hz A continuación e peentan lo eultado obtenido de eto enayo: b Figua 3: FFT-condición inicial! " " " #! " 74

11 Figua 4: FFT-1 baa patida Figua 5: 2 baa patida Figua 6: 3 baa patida Como e puede obeva en la Figua 3 a 6, la banda lateale debida a la otua de baa apaecen eectivamente a lo lado de la ecuencia pincipal, egún lo elejado en la

12 ecuencia b- y b+ y la amplitude de eto amónico aumentan a medida que cece el númeo de baa ota en el moto. Concluione: A pati de lo enayo ealizado en el banco de pueba, e poible conclui que e actible la ealización de mantenimiento pedictivo de motoe aíncono en cuanto a otua de baa e eiee ya que e han coneguido eultado muy alentadoe a tavé de la ejecución del poyecto. E neceaio ecalca que paa la coecta implementación de la MCSA como heamienta de mantenimiento pedictivo, e condición neceaia el pevio conocimiento del etado de uncionamiento del moto y u evolución en el tiempo. Po lo cual e aconejable ealiza enayo obe el moto de oma peiódica con el in de detemina la evolución del moto y la poible apaición de depeecto. Bibliogaía: [1] Chow, M. Y. Methodologie o Uing eual etwok and Fuzzy Logia Technologie o Moto Incipient Fault Detection. Singapoe, Wold Scientiic Publihing, [2] Botha, M. M. Electical Machine Failue, Caue and Cue, Electical Machine and Dive. 8va coneencia anual de IEEE, º 444, pp , 1-3 de Septiembe de 1997 [3] Bonnet, A. H. et al. Caue and Analyi o Stato and Roto Failue in Thee-Phae Squiel-cage Induction Moto. IEEE Tan. On Ind. Applic. Volumen 28, pp , Julio-Agoto [4] Thomon, W.T.; Fenge, M. Cae Hitoie o Cuent Signatua Analyi to Detect Fault in Induction Moto Dive. Electica Machine and Dive, IEMDC IEEE, Volumen 3; pp , Junio [5] Catelli, M. Andade, M. Potillo, A. Daoudian,. Fainella, D. Caa,. Deaollo de un equipo paa ealización de mantenimiento pedictivo en motoe aíncono de gan pote. URUMA Agoto 2006, Montevideo Uuguay. [6] Thomon, W.T.; Gilmoe, R. J. Moto Cuent Signatue Analyi to Detect Fault in Induction Moto Dive- Fundamental, Data Intepetation, and Indutial Cae Hitoie. Pocceding o 32d Tubomachiney Sympoium, 2003.! " " " #! " 76