Sistema de diagnóstico de fallos en motores eléctricos

Estado de Ia técnica

El motor eléctrico de inducción, o también llamado asincrono, es un tipo de motor eléctrico de corriente alterna y en Ia actualidad es Ia máquina eléctrica más utilizada: alrededor del 70% de las aplicaciones industriales utilizan motores de inducción, y más del 50% de Ia energía consumida en los países industrializados es debida a este tipo de motores.

Un buen mantenimiento preventivo para detectar fallos en un motor a tiempo es de especial importancia en el sector industrial. Para ello en Ia actualidad se emplean diferentes técnicas, entre las que destacan: el análisis espectral de las vibraciones y del ruido acústico, Ia monitorización del campo electromagnético y medición del flujo axial, Ia medición de temperatura, el reconocimiento infrarrojo, y el análisis espectral de Ia corriente del motor (como por ejemplo, el análisis conocido como MCSA).

En particular referencia a Ia última técnica, MCSA es el más utilizado hoy en día y se basa en el análisis espectral de las corrientes de estator del motor eléctrico que requiere de al menos un sensor de corriente por máquina. Se utiliza para el diagnóstico de fallos mecánicos en motores, tales como las barras rotas, excentricidad, espiras cortocircuitadas, daños en cojinetes; y también de fallos eléctricos, tales como fase abierta y conexiones anormales. Sin embargo, si bien Ia técnica MCSA funciona adecuadamente para un régimen de alimentación de frecuencia fija, no se puede utilizar en condiciones no estacionarias de los motores eléctricos.

Además, para realizar el método para diagnóstico de fallos conocido como MCSA, es necesario Ia medida de Ia corriente que circula por el estator del motor. Para ello existen diferentes alternativas. Entre los métodos que destacan están los siguientes:

- Resistencia shunt

- Sensores de efecto Hall

- Transformadores de corriente

Otra alternativa como sensor de medida de corriente, tanto para MCSA como para otros métodos de diagnóstico de fallos en motores eléctricos, es el uso de bobinas Rogowski, que consiste en un toroide con núcleo de aire o de material no magnético. La simplicidad del diseño y Ia ausencia de núcleo magnético hacen que el coste de Ia bobina Rogowski sea inferior ál de los otros tipos de sensores para Ia medida de corriente.

Para Ia medida de corrientes, ésta se coloca alrededor de un cable conductor. Cuando por este conductor circula una corriente variable, se produce un campo magnético que induce una fuerza electromotriz en Ia bobina proporcional a Ia derivada de Ia corriente.

Para obtener una señal proporcional a Ia corriente que circula por el motor se utilizan circuitos integradores. La tensión final de salida de Ia sonda, depende del núcleo y de Ia ganancia del circuito integrador.

Sin embargo, los circuitos integradores presentan problemas de saturación debido a Ia no idealidad de los componentes y debido al tipo de corrientes con sobrepicos asimétricos que circulan por los motores.

' Generalmente los motores son alimentados mediante circuitos inversores de , potencia, estos generan pulsos de tensión superpuestos al harmónico fundamental con una cierta asimetría, es decir, Ia parte positiva de Ia onda puede tener área diferente de Ia negativa. Esto provoca que el condensador de retroalimentación del circuito integrador se cargue hasta que el circuito se satura, especialmente en las medidas de baja frecuencia donde es difícil filtrar esta componente previamente al proceso de integración. En general los circuitos integradores son difíciles de ajustar para evitar estos problemas.

Por otra parte, de entre todos los fallos ocurridos en, concretamente, los motores eléctricos trifásicos de inducción, las averías en localizadas en los cojinetes son las más habituales, además de ser las primeras en aparecer debido al uso continuo del motor durante largos periodos de tiempo. Las principales causas del deterioro de los cojinetes pueden clasificarse en un primer grupo de causas de origen mecánico, donde se englobarían todas las que proceden de Ia fricción entre los cojinetes y su raíl, como por ejemplo excentricidad, golpes en el eje, etc., y, por otro lado, un segundo grupo de causas de origen eléctrico.

En su gran mayoría, éstas últimas son debidas al fenómeno conocido como descargas de corriente en modo común. Las corrientes en modo común se generan, en gran medida,, debido al uso de variadores para el control de motores que crean tensiones en modo común. Esta corriente se propaga por el motor por diferentes caminos para volver de nuevo al variador. Uno de los caminos más perjudiciales a través de los que pasa dicha corriente son los cojinetes del motor, pues esta corriente acaba por desgastar físicamente los componentes del cojinete. Esta corriente de alta frecuencia se manifiesta como una descarga a través del cojinete, el raíl y el lubricante, ya que estos tres elementos forman un efecto condensador que almacena energía hasta sobrepasar el nivel de potencial necesario para producir un descarga de corriente. Este fenómeno se conoce como EDM (Electric Discharge Machining). Las descargas se producen a alta frecuencia y con un alto período de repetición, Io que provoca una aceleración en el desgaste de los cojinetes.

Actualmente, el modo de diagnóstico más utilizado para Ia detección de fallos en rodamientos es el uso de acelerómetros, que nos indican mediante Ia detección de vibraciones en el motor, que los cojinetes se encuentran desgastados. Pero en éste caso, los sistemas detectores de vibraciones son complejos y deben de situarse en ciertos puntos concretos del motor, siendo poco prácticos para ser utilizados puntualmente, y además, Ia detección de los fallos se realiza en un momento en que se tiene muy poco tiempo de respuesta

para aliviar el problema.

Por otra parte, es conocido en el estado de Ia técnica un sistema de diagnóstico de fallos en rodamientos, descrito en Ia solicitud de patente JP2001289738, en el cual se realizan mediciones de las descargas dé corriente en modo común a través de los cojinetes del motor, mediante un cepillo situado en un punto del eje, estando dicho cepillo en contacto directo con el eje en todo momento.

Sin embargo, aunque se detecten las descargas de corriente en modo común a través de los cojinetes del motor, dicho sistema requiere el contacto directo del cepillo con el eje, además de una instalación costosa en un lugar inaccesible como puede ser Ia parte ¹ del eje cercana al motor, sin posibilidad, debido al contacto entre sistema y eje, de disponer él sistema en ningún otro lugar más fácilmente instalable.

Descripción de Ia Invención

A partir de estos métodos de diagnóstico conocidos, Ia presente invención tiene el objetivo de proporcionar un sistema y procedimiento de diagnóstico de fallos para motores eléctricos, que sea eficaz y no intrusivo.

De acuerdo con un primer aspecto, Ia presente invención se refiere a un dispositivo para diagnóstico de cojinetes en motores trifásicos que comprende al menos una sonda de efecto inductivo para Ia adquisición de corrientes en modo común y medios para procesado de corrientes, que comprenden unos medios de cpntaje de número de descargas por unidad de tiempo.

Mediante este dispositivo, es posible detectar fallos en un motor trifásico de cualquier tipo, como puede ser un motor de inducción trifásico, y diagnosticar con antelación Ia evolución en el desgaste del motor. Debido a lá utilización de una sonda de efecto inductivo, es posible realizar Ia adquisición de corrientes y

por consiguiente, el posterior diagnóstico de los cojinetes del motor, de manera no-invasiva, simplificando el proceso sin modificar el motor, y pudiendo realizar el diagnóstico durante el funcionamiento del motor, sin necesidad de parar, por ejemplo, Ia producción de una planta en que el motor esté instalado.

Además, el dispositivo para diagnóstico de cojinetes de Ia presente invención servirá preferentemente para detectar fallos en un motor de inducción, pero también es posible una utilización del mismo para cualquier tipo de motor trifásico de corriente alterna, tal como, por ejemplo, los motores de imanes permanentes. '

De acuerdo con una realización de Ia invención, Ia sonda de efecto inductivo comprende un núcleo ferromagnético, el núcleo ferromagnético fuerza Ia circulación del campo a través suyo mejorando en algunos casos Ia resolución en Ia adquisición de corrientes.

De acuerdo con una realización alternativa de Ia invención, Ia sonda de efecto inductivo es una sonda del tipo Rogowski.

El hecho de utilizar una bobina de Rogowski proporciona ventajas frente a otros tipos de transformadores de corriente, dado que por su diseño puede ser abierta y flexible, Io cual permite medir un cable conductor o un dispositivo eléctrico tal como un motor trifásico, dadas sus amplias posibilidades de formas y diseños. Además, dado que Ia bobina de Rogowski no tiene núcleo de hierro, sino de aire, esta tiene una baja inductancia y respuesta a corrientes de rápida variación, y aporta una alta linealidad, aún midiendo grandes corrientes, tales como las corrientes de alimentación de un motor trifásico, debido a Ia ausencia de hierro en el núcleo.

Según otra realización de Ia invención, los medios para procesado de corrientes comprenden un circuito de contaje de descargas de corrientes que comprende almenos una etapa analógica.

De acuerdo con otra realización de Ia invención, el circuito de contaje de descargas es un circuito de contaje de descargas de corriente en modo común.

El modo común es un método de mesura de corrientes que consiste en Ia instrumentación simultanea de todas las fases de alimentación con una única sonda. Al hacer pasar todos los conductores de alimentación por Ia misma sonda provoca que los campos magnéticos debidos a las corrientes se sumen. Dicho modo de instrumentación es Io que se conoce como modo común.

De acuerdo con una realización de Ia invención, Ia etapa analógica comprende una etapa de preacondicionamiento de Ia señal y una etapa comparadora.

De acuerdo con otra realización de Ia presente invención, Ia etapa comparadora comprende al menos un comparador analógico.

Según una realización preferida, los medios para procesado de corrientes comprenden un circuito de contaje de descargas que comprende una etapa digital. Así, los cálculos de contaje realizados por el dispositivo son más rápidos y contienen menos imprecisiones en sus etapas intermedias.

De acuerdo con una realización específica de Ia invención, Ia etapa digital comprende un PLD para el contaje de pulsos.

Según una realización de Ia invención, Ia etapa digital está comprendida en un microcontrolador.

Más concretamente, de acuerdo con una realización de Ia invención, el microcontrolador está empotrado dentro de una FPGA.

Según una realización alternativa de Ia invención, Ia etapa digital está comprendida en un DSP.

De acuerdo con otro aspecto de Ia invención se proporciona un procedimiento

para diagnosticar cojinetes en motores trifásicos que comprende las etapas de:

- Obtener una señal referente a Ia corriente en modo común del motor;

- Realizar un contaje del número de picos que sobrepasan un valor predeterminado de corriente durante un periodo de tiempo predeterminado.

De está manera, observando el número de descargas que superan un nivel predeterminado dé corriente, se nota que un número menor de descargas que sobrepasan el nivel predeterminado es indicativo de un estado de desgaste en los cojinetes del motor, y por Io tanto, este número nos sirve para diagnosticar un estado de fallo de los cojinetes.

La elección del nivel de corriente predeterminado a configurar para contar así los picos que sobrepasan de este nivel y llegar al diagnóstico se debe realizar con el motor instalado y en funcionamiento, y se escogerá un nivel por debajo de los niveles máximos que se observan de corriente de descarga en modo común para el motor recién instalado, o considerado como "sano" en ese momento.

De acuerdo con una realización preferida, en Ia etapa de realizar un contaje, el valor predeterminado de corriente está comprendido entre 0,5 y 1 ,5 veces Ia corriente en modo común de Ia señal obtenida.

De acuerdo con otro aspecto de Ia invención, se proporciona un dispositivo para Ia medida de comentes que comprende medios para Ia captación de corriente por métodos inductivos y una electrónica de acondicionamiento que comprende al menos una etapa de amplificación y al menos una etapa de filtrado, estando dicho dispositivo desprovisto de un circuito integrador.

En una realización preferida de Ia invención, los medios para Ia captación de corriente son una sonda Rogowski.

Dicha sonda, al poder tener distintas formas y tamaños, es muy versátil para

captar corriente desde, por ejemplo, el exterior de un motor, o de un cable instalado en un sitio poco accesible, dado que tansolo aproximando Ia sonda a una zona cercana al dispositivo o cable cuyo corriente se quiere medir, se obtiene una medida óptima para obtener información sobre dicha corriente.

Un ejemplo de sonda Rogowski con medidas óptimas para Ia buena captación de corrientes puede ser una que esté desarrollada sobre un núcleo de polietileno con 500 espiras de cobre, un área sobre los 56.25 mm2, y un radio sobre 3,75 mm. , .

De acuerdo con otra realización preferida, los medios para Ia captación de corriente son una sonda con núcleo ferromagnético.

De acuerdo con una , realización preferida de Ia invención, Ia etapa de amplificación comprende una etapa no inversora y un filtro RC paso-bajos.

De acuerdo con una realización de Ia invención, el dispositivo se puede utilizar para el diagnóstico de equipos eléctricos. Más concretamente, aquellos métodos en que sea necesario captar corrientes de ciertos puntos del equipo para, por ejemplo, analizar el comportamiento del espectro de dicha señal de corriente captadas.

Más concretamente, según otra realización, los equipos eléctricos son máquinas eléctricas.

De acuerdo con otra realización, las máquinas eléctricas son de corriente alterna.

Más concretamente, según otra realización, las máquinas de corriente alterna son motores de inducción. Además, dentro de los motores de inducción, pueden ser motores PMSM o un motor SRM

De acuerdo con otra realización preferida de Ia invención, el dispositivo es apto

para su uso en Ia prognosis de máquinas eléctricas. Más concretamente, de máquinas eléctricas de comente alterna, tales como un motor de inducción, o motores de tipo PMSM o de tipo SRM.

De acuerdo con un otro aspecto de Ia invención, se proporciona un procedimiento de detección de fallos en motores eléctricos para diagnosticar fallos durante el funcionamiento del motor, mediante métodos no invasivos, que comprende Ia aplicación de filtros autosintonizables basados en Ia convolución de Ia función Wavelet Agnesi con las corrientes de alimentación del motor eléctrico.

De acuerdo con una realización preferida de Ia invención, el procedimiento de detección de fallos en motores eléctricos de corriente alterna comprende las etapas de: a) Obtener Ia señal referente a las corrientes del estator de un motor eléctrico; b) Obtener Ia evolución de Ia. velocidad y el deslizamiento del motor eléctrico; c) Localizar almenos una frecuencia de fallo de Ia señal obtenida; d) Calcular al menos un filtro referente a Ia frecuencia de fallo localizada, mediante Ia función Wavelet Agnesi; e) Convplucionar Ia señal obtenida con el filtro calculado; f) Obtener un factor de fallo mediante Ia integral del cuadrado del resultado de Ia convolución.

Mediante éste procedimiento es posible realizar una detección preventiva de fallos en motores eléctricos de corriente alterna fiable que sirva para realizar el diagnóstico de fallos on-line (es decir, durante el funcionamiento normal del motor) en motores síncronos, y a Ia vez sirva para realizar el diagnóstico de fallos on-line y off-line en motores asincronos.

El factor de fallo obtenido en Ia etapa g) se define como Ia energía sociada a cada una de las bandas de Ia señal convolucionada. Ello permite saber qué

magnitud de energía se encuentra en cada frecuencia o conjunto de frecuencias de fallo referentes a un fallo en concreto, y así poder diagnosticar qué relevancia tiene dicho fallo tiene.

De acuerdo con una realización específica, Ia etapa b) de obtención de Ia evolución de Ia velocidad y el deslizamiento se realiza utilizando las propias corrientes del estator.

Es posible que un fallo del motor tenga más de una frecuencia de fallo, con Io cual, en Ia etapa c) se localizarán varias frecuencias distintas tipificadas como que corresponden a el mismo tipo de fallo. Consecuentemente, el filtro a calcular en Ia etapa d) será más complejo, para poder filtrar así las distintas frecuencias de fallo correspondientes al mismo fallo, o también pueden calcularse una pluralidad de filtros para cada frecuencia de fallo o que abarquen una parte de las frecuencias cada uno, para así, al convolucionar Ia señal con cada uno de ellos en Ia etapa e) y sumar los resultados se obtenga el mismo resultado, pero de forma más óptima.

De. acuerdo con otro aspecto de Ia invención, se proporciona un dispositivo de detección de fallos en motores eléctricos de corriente alterna, caracterizado por el hecho de que comprende unos medios para obtener Ia señal referente a las corrientes del estator de un motor eléctrico; medios para obtener Ia evolución de Ia velocidad y el deslizamiento del motor eléctrico; medios para localizar almenos una frecuencia de fallo de Ia señal obtenida; medios para calcular al menos un filtro referente a Ia frecuencia de fallo localizada, mediante Ia función Wavelet Agnesi; medios para convolucionar Ia señal obtenida con los bancos filtro sintonizado; y medios para obtener un factor de fallo mediante Ia integral del cuadrado del resultado de Ia convolución.

De acuerdo con una realización preferida, los medios para obtener Ia señal referente a las comentes del estator de un motor eléctrico son una sonda con un rango de adquisición entre 2 y 5 kHz.

De acuerdo con una realización preferida, el dispositivo es apto para su uso en motores eléctricos del tipo motor síncrono de imanes permanentes.

Alternativamente, de acuerdo con una realización preferida, el dispositivo es apto para su uso en motores eléctricos del tipo motor asincrono.

Como podrá observarse, una posible realización de Ia invención pudiera ser también el dispositivo para diagnóstico de cojinetes en motores trifásicos referente a las reivindicaciones 1 a 14, cuya sonda de efecto inductivo comprendiera el dispositivo para Ia medida de corrientes de Ia reivindicación 15, o más particularmente una sonda Rogowski. De ésta manera, el dispositivo para diagnóstico de cojinetes sería más resistente a posibles saturaciones si, por ejemplo, el dispositivo para Ia medida de corrientes comprendiera una sonda Rogowski, siendo mucho más versátil para Ia medida de corrientes en el entorno en que se halla un motor eléctrico. Además, el dispositivo para Ia medida de corrientes permite realizar diagnósticos de cojinetes aproximando el dispositivo para Ia medida de corrientes a los cables de alimentación del motor en cualquier punto de su recorrido desde su origen hasta Ia carcasa del mismo motor.

Otra posible realización de Ia invención pudiera ser el procedimiento referente a las reivindicaciones 30 a 36 en el cual se haga uso de un dispositivo para Ia medida de corrientes de acuerdo con Ia reivindicación 15 o alguna de sus dependientes, para obtener Ia señal referente a las corrientes del estator de un motor eléctrico.

Breve Descripción de los dibujos

A continuación se describirá, a título de ejemplo no limitativo, una realización de Ia invención, haciendo referencia a los dibujos adjuntos, en los cuales:

La figura 1 muestra un diagrama de bloques referente a una realización de Ia presente invención;

La figura 2 muestra una sonda de captación de corriente de acuerdo con una realización de Ia presente invención;

La figura 3 muestra un esquema eléctrico de una realización de Ia presente invención; La figura 4 muestra unas descargas captadas por una sonda de captación de corriente de acuerdo con una realización de Ia presente invención;

La figura 5 muestra un dispositivo para diagnóstico de cojinetes de acuerdo con una realización de Ia presente invención;

Las figuras 6 a 9 muestran diagramas referentes a descargas para cada motor que han superado un valor específico de umbral a diferentes velocidades;

La figura 10 muestra un diagrama de bloques de acuerdo con el dispositivo de medida de corrientes de acuerdo con una realización de Ia presente invención;

La figura 11 muestra un esquema eléctrico del dispositivo de medida de corrientes de acuerdo con una realización de Ia presente invención; La figura 12 muestra un espectro obtenido al aplicar el dispositivo de medida de corrientes de acuerdo con una realización de Ia presente invención a un motor;

La figura 13 muestra un segundo espectro obtenido al aplicar el dispositivo de medida de corrientes de acuerdo con una realización de Ia presente invención a un segundo motor; La figura 14 es una vista esquemática de un cojinete de un motor de inducción, en Ia que se muestran los parámetros del cojinete necesarios para el cálculo de los harmónicos de fallo.

La figura 15 muestra Ia forma de onda de Ia función Wavelet de Agnesi.

La figura 16 muestra Ia respuesta en frecuencia de dicha función Wavelet Agnesi.

La figura 17 muestra un ejemplo de bancos de filtros para el análisis de rotura de barras o anillos rotóricos.

La figura 18 muestra el resultado de Ia convolución de dichos filtros con un motor con rotura de barras operado en condiciones no estacionarias de par creciente.

La figura 19 muestra Ia relación entre Ia velocidad de giro real del motor respecto de Ia nominal y el nivel de potencia consumida, en relación a Ia nominal.

La figura 20 muestra el espectro de comentes del estator de un motor de inducción con las barras rotas y con una frecuencia base de 50 Hz. La figura 21 muestra un gráfico de Ia magnitud de Ia comente del estator del motor, en el experimento.

Descripción de una realización preferida

De acuerdo con un primer aspecto, una realización de Ia invención comprende un dispositivo que permite Ia lectura de estas señales de corriente en modo común, su adecuación, su procesamiento, y Ia indicación del diagnóstico de manera visual.

Las etapas para llevar a cabo el procedimiento de Ia presente realización, se resumen en los tres bloques que podemos ver en Ia figura n°1 , que son: captación de Ia señal de corriente en modo común, transformación de Ia señal a un pulso si supera Ia amplitud configurada, y lectura por parte del sistema procesador de los pulsos en un tiempo fijado para mostrar un diagnóstico de los motores.

A continuación, se expone el diseño de Ia sonda de captación de las descargas de corriente y el circuito de acondicionamiento para convertir estos pulsos en señales cuadradas capaces de ser captadas por un sistema procesador digital.

TABLA I Cuadro de características físicas de Ia sonda

A. Sonda de captación Los tres cables correspondientes a las fases pasan juntos a través del sensor de corriente. Es importante retirar Ia pantalla metálica protectora de estos en caso de que Ia lleven.

Esta sonda de corriente de alta frecuencia con núcleo magnético tiene que ser calibrada y validada.

Finalmente, las características eléctricas y físicas de Ia sonda propuesta se resumen en Ia tabla II.

TABLA Il CUADRO DE CARACTERíSTICAS GENERALES DE LA SONDA

B. Circuito de acondicionamiento

El circuito de acondicionamiento de Ia señal propuesto, que se situaría a continuación de Ia sonda de captación, se compone de dos partes. La primera consiste en una adaptación de tensiones y pre-acondicionamiento de Ia señal recibida figura n° 3, Ia segunda se basa en una comparación entre Ia salida de Ia primera etapa y Ia tensión analógica de referencia que puede provenir de una CPU o DSP externa que deberá ser también Ia que cuente los pulsos durante un tiempo fijado que se generarán en esta última etapa para detectar el estado de los cojinetes. De esta manera, nuestro circuito únicamente debe recibir Ia señal captada por Ia sonda, Ia alimentación necesaria (+3,3Vdc y GND en este diseño), y el valor en tensión correspondiente al umbral de amplitud que queremos detectar.

Finalmente, como podemos observar en Ia figura n° 4, las descargas captadas por Ia sonda, acaban transformándose en pulsos de una amplitud fija y un ancho considerable para Ia detección posterior por un equipo digital figura n° 5. En función del umbral de tensión que fijemos en Ia etapa de comparación del circuito electrónico, obtendremos un número mayor o menor de pulsos que nos diagnosticará el estado de los cojinetes del motor.

El objetivo de las pruebas realizadas sobre motores con Ia sonda anteriormente explicada, es determinar el desgaste de los cojinetes mediante el análisis de las corrientes en modo común.

Este análisis se realiza mediante las adquisiciones de corrientes de descarga mediante Ia sonda encargada de adquirir y procesar Ia señal colocada en Ia salida del inversor que gestiona el motor. El objetivo, es monitorizar el número de descargas que superan un umbral. Esta información nos ayudará a determinar el estado de los cojinetes y el lubricante.

Se han utilizado 18 motores de inducción de 1 ,1 KW y 13 de 4KW para ser testeados, incluyendo motores sanos y dañados. Las características de estos motores se pueden ver en las tablas III y IV respectivamente. El objetivo es determinar Ia influencia del fallo de cojinetes en las descargas de corriente en modo común.

C. Procedimiento de test

1) Montaje del motor sin carga. 2) Montaje del correspondiente inversor (diferentes modelos apropiados para motores de 1 ,1KW y 4KW). Unión de Ia masa procedente del inversor a Ia carcasa del motor.

3) Medidas con Ia sonda, midiendo simultáneamente las tres fases procedentes del inversor al motor. 4) Configuración y puesta en marcha del inversor haciendo uso del software del fabricante.

Los motores utilizados, los cuales se han testeado a tres velocidades diferentes (15Hz, 25Hz y 50Hz), tienen las siguientes características:

TABLA III CUADRO DE CARACTERíSTICAS MOTORES 1 ,1 KW

TABLA IV CUADRO DE CARACTERíSTICAS MOTORES 4KW

D. Datos obtenidos y análisis

Para cada una de las diferentes velocidades, se han capturado 20 adquisiciones de 3,2mseg aproximadamente para contar el número de descargas ocurridas. Las figuras de Ia 6 a Ia 9, muestran el número de descargas para cada motor que han superado un valor específico de umbral a diferentes velocidades. La selección del umbral, corresponde a un criterio basado en Ia experiencia con motores en el cual, después de analizar el número de descargas que superan valores de umbral en un rango de 1,5 veces a 0,5 veces Ia corriente nominal, se escoge aquel valor que proporciona un número de pulsos que nos permita más adelante detectar el fallo en cojinetes.

1) Motores de 1, 1KW.

Para motores con una potencia nominal de 1,1KW, el umbral que deben superar los picos de las descargas de corriente es de aproximadamente 3,5A, el cual es 1,3 veces Ia corriente nominal. La figura n° 6 muestra Ia cantidad de descargas mayores a 3,5A, para cada motor a 15Hz. Se puede observar que los motores 17, 18 y 19 son los motores sanos. De esta manera podríamos determinar el umbral en 15 descargas para detectar así el motor sano del dañado.

Las figuras n° 7 y n° 8, muestran Ia misma información pero a 25Hz y 50Hz respectivamente.

2) Motores de 4KW

Para motores de 4KW de potencia nominal, Ia amplitud de las descargas de

corriente debe superar un umbral de 5A, el cual corresponde a 0,6 veces Ia corriente nominal. La figura n° 9, muestra Ia cantidad de descargas superiores a 5A para cada motor a una frecuencia fijada de 15Hz. Se puede observar que los motores 10 a 13 son motores sanos, por Io que podríamos fijar el umbral de diagnóstico en 15 descargas.

De acuerdo con otra realización preferida de Ia presente invención, se proporciona un dispositivo para Ia medida de corrientes que comprende medios para Ia captación de corriente por métodos inductivos del tipo sonda Rogowski.

La sonda Rogowski nos da un valor de tensión relacionado con los cambios de las corrientes en modo común que capta al aproximarla a un motor. Dichas corrientes en modo común pueden medirse aproximando Ia sonda a, por ejemplo, Ia carcasa o el eje del motor, pero es mucho más cómodo y se obtiene igual resultado al aproximar Ia sonda al cable de alimentación del motor.

Así, Ia tensión que proporciona Ia sonda Rogowski está relacionada con los cambios di/dt en Ia corriente en modo común que circula por el motor, y responde a Ia siguiente ecuación: y _r μ _o nA di di V _n =- = M — ° , 2πr dt dt

Debido a ésta relación, las sondas Rogowski siempre se utilizan en combinación con una etapa integradora, Ia cual permite obtener una señal directamente proporcional a Ia intensidad (en éste caso, proporcional mediante el parámetro M), pero Ia utilización de Ia etapa integradora introduce errores debidos a una posible saturación de Ia señal al pasar por el integrador.

En el caso del diagnóstico de motores mediante el método MCSA, el resultado del diagnóstico se basa en el análisis espectral de Ia corriente de estator de un motor (es decir, Ia corriente en modo común del motor), y, por Io tanto, no es necesario obtener una señal directamente proporcional a Ia corriente del motor: con Ia derivada es suficiente. Por ello, podemos evitar utilizar Ia etapa

integradora, y por Io tanto desaparece el problema de Ia saturación que introduce, y en consecuencia desaparece también el problema del ajuste, Io que permite utilizar Ia sonda Rogowski en producción en serie.

La corriente que circula por el estator de un motor eléctrico de alterna con avería se puede modelar por Ia siguiente expresión. x(t) = ∑ {Apenco f)

1=0

Donde 2πf¡ se corresponde con las frecuencias de los harmónicos y A¡ con Ia amplitud de éstos.

La señal que obtenemos mediante Ia sonda Rogowski sin integrador es Ia derivada. dx(t) vv . A ai _/=0

Se obtiene una señal con Ia misma cantidad de harmónicos y situados en las mismas frecuencias, únicamente cambia Ia amplitud con un factor conocido a priori.

Sorprendentemente los harmónicos que obtenemos tienen mayor amplitud, ya que están multiplicados por su respectiva ω, esto ayuda a su posterior tratamiento ya que se discriminan mejor entre el ruido.

En resumen, las ventajas de utilizar el dispositivo propuesto son:

- Menor coste. - No presenta problemas de ajuste debido a Ia saturación del integrador.

- Facilita el diagnóstico por el incremento de amplitud de los harmónicos.

Debido a que haciendo el análisis espectral de Ia señal obtenida, Ia amplitud de cada harmónico queda multiplicada por su respectiva frecuencia, a alta

frecuencia los harmónicos presentan mayor amplitud que en el caso de usar etapa integradora. Esto se traduce en un mejor aprovechamiento del margen dinámico del convertidor AD (Analógico-Digital) utilizado para el posterior tratamiento de Ia señal. Esto es especialmente útil para diagnóstico de motores mediante MCSA en caso de baja carga mecánica en el eje del motor, cuando las amplitudes de los harmónicos por encima de Ia fundamental resultan ser muy pequeñas. Usando el presente dispositivo con sonda Rogowski sin integrador, Ia amplitud de éstos harmónicos queda multiplicada por su respectiva frecuencia y resultan más fácilmente detectables.

Más concretamente, un ejemplo de sonda Rogowski cuyas medidas sean óptimas para Ia captación de corriente estándar puede ser una cuya etapa de amplificación tenga un filtro RC con una frecuencia de corte de aproximadamente 1 ,5 kHz, y con unos valores de resistencia de 1 k Ohm y capacidad de 10OnF, tal como se muestra en Ia figura 11.

Para el propósito de diagnóstico de motores de tamaño 90, de acuerdo con Ia presente realización de Ia invención, se ha diseñado una bobina Rogowski en un núcleo de polietileno con n=500, A= 56.25 mm2, and r= 3,75 mm. Con estos valores Ia inductancia mutua es de M= 500 nH.

El equipo de medida y diagnóstico c)e máquinas comprende una bobina Rogowski sin el circuito de integración (figura 10).

La electrónica analógica está detallada en Ia figura 11 y comprende una etapa de amplificación de Ia señal igual a 1k, en una configuración de amplificación no inversora, más una segunda etapa de filtrado, formando un filtro RC para evitar el efecto de aliasing con una frecuencia de corte de aproximadamente 1 ,5 kHz, con unos valores de resistencia de 1 k Ohm y capacidad de 10OnF. '

La figura 12 muestra el espectro obtenido de un motor con 8 barras rotas y alimentado a 53 Hz, el espectro superior muestra Ia medida con una sonda Rogowski sin integrador, el inferior, con integrador.

La figura 13muestra Ia misma información que Ia figura 12 pero en un intervalo de frecuencia hasta los 350 Hz.

En las figuras 12 y 13 se muestra Ia eficacia del equipo de medida propuesto.

De acuerdo con otro aspecto de Ia invención, otra realización preferida se refiere a un procedimiento de detección de fallos en motores eléctricos de corriente alterna que comprende las etapas de: a) Obtener Ia señal referente a las corrientes del estator de un motor eléctrico; b) Obtener Ia evolución de Ia velocidad y el deslizamiento del motor eléctrico a partir de Ia señal referente a las corrientes del estator' obtenida; c) Localizar una pluralidad de frecuencias de falló de Ia señal obtenida, referentes a un fallo del motor; d) Calcular un banco de filtros referente a las frecuencia de fallo localizada, mediante Ia función Wavelet Agnesi; e) Convolucionar Ia señal obtenida con los bancos filtros; g) Obtener un factor de fallo mediante Ia integral del cuadrado del resultado de Ia convolución.

En referencia a Ia etapa b), es decir para poder hallar Ia velocidad y el deslizamiento, que son parámetros fundamentales para el correcto posicionamiento de los diferentes filtros y por tanto para Ia optimización del diagnóstico, preferentemente se utilizará el siguiente procedimiento a partir de las corrientes del estator del motor:

i) A través del paso por cero de Ia corriente de estator y como inversa al tiempo en que pasa por cero se dispone de Ia frecuencia principal de alimentación (f _s ): f ₌ _L

^Js 2 - é

, dos veces porqué el paso por cero corresponde a media onda.

ii) A partir de Ia frecuencia principal de Ia corriente del estator (f _s ), y conocidos los parámetros de construcción del motor (pares de polos), con Ia siguiente fórmula se consigue Ia velocidad de sincronismo (n _s ):

60 /

" ⁱ -f iii) El deslizamiento (s) se consigue a partir de Ia velocidad de sincronismo mediante Ia siguiente ecuación:

s=- n _s ^{~ n}

iv) Para poder disponer del valor del deslizamiento es fundamental conocer Ia velocidad de giro, Ia cual es función de Ia potencia consumida por el motor, y Ia cual se muestra en Ia figura 19. v) El cálculo de Ia, potencia consumida se realizará a partir de las corrientes del motor, siendo Ia potencia (P):

P = U - I

En referencia a Ia etapa "d", a continuación se detalla el proceso de cálculo de los diferentes bancos de filtros a sintonizar por cada valor diferente de Ia frecuencia de fallo a Io largo del tiempo.

Las tres fases de Ia intensidad de alimentación (¡R, is, ¡T) del motor tendrán Ia siguiente descomposición matemática siendo V Ia frecuencia de los harmónicos correspondientes a cada uno de los fallos presentes en el motor eléctrico:

i _τ (thSl _τ eos fcπf, eos l¿π f _n t-φ _Tn -^)

donde IR = Is = IT = 1 son los valores RMS de Ia componente fundamental de Ia corriente de fase; l _Rn , Is _n , lτn son los valores RMS de las componentes de fallo; y ψR _π , ψsn, φm son los desfases de cada una de estas componentes.

A Ia vista de Ia anterior descomposición matemática de las comentes, un método de diagnóstico podría ser Ia observación del valor de Ia intensidad o de Ia energía asociada a cada una de las frecuencias características de fallo. No obstante, para realizar este cometido y garantizando que no aparecen

1 problemas debido al análisis durante condiciones de operación no estacionarias Ia presente realización utiliza Ia convolución de Ia función Wavelet Agnesi de Ia muestra de corriente de alimentación del estator del motor medida mediante los diferentes bancos de filtros.

La Función Wavelet Agnesi, Ia cual se basa en Ia función de Agnesi, cumple dos propiedades: tiene un longitud finita en el dominio temporal y su valor medio es cero, con Io cual cada función Wavelet podría considerarse como un filtro en el dominio frecuencial. Ello permite definir bancos de filtros fácilmente sintonizables, Io que posibilita el estudio tennporal de las diferentes frecuencias características de fallo. La función Wavelet es Ia siguiente:

Tal y como se muestra en Ia figura n° 2, Ia función Wavelet Agnesi presenta una forma de onda, y una respuesta en frecuencia correspondiente a un filtro pasa- banda mostrado en Ia figura n° 3, el cual se puede sintonizar de manera sencilla mediante Ia variación de 'f _c ' (que corresponde a Ia frecuencia central del mismo).. Mediante el parámetro V se controla el ancho de banda del mismo. La constante C es una constante de normalización de Ia función, que permite ajustar Ia ganancia deseada.

Con el objeto de mejorar Ia efectividad de Ia detección de fallos se implementan

distintos filtros de convolución, de modo que el conjunto de banco de filtros aplicado para cada tipo de fallos tendrá Ia siguiente notación matemática:

donde el valor de cada una de las frecuencias f-i, f ₂ , f ₃ ,.--fn corresponde a las frecuencias características de cada fallo.

En referencia a Ia etapa e) antes referida, relativa a Ia etapa de convolución de Ia señal obtenida, se realizará a partir de convolucionar el vector de corriente de alimentación con los diferentes bancos de filtros correspondientes a cada condición de fallo.

Posteriormente, en Ia etapa f), se evaluará Ia energía asociada a dichos harmónicos mediante Ia integración del vector resultante ál cuadrado, obteniendo así el factor de fallo (F).

Las operaciones de, convolución+integración del vector al cuadrado, correspondientes a las etapas f) y g), se pueden hacer en una o varias fases a Ia vez, obteniéndose idénticos resultados.

Para poder realizar correctamente el diagnóstico de fallos de un motor eléctrico de corriente alterna se deberá evaluar el valor de los siguientes harmónicos según el tipo de fallo:

a) Excentricidades:

Donde 'f _s ' corresponde a Ia frecuencia de corriente de alimentación, 'm'=1,2,3... es un número harmónico, 's' corresponde al deslizamiento de Ia máquina, y 'p' al número de pares de polos.

b) Rotura de Barras y Anillos rotóricos: donde I debe cumplir que Ia relación con 'p' debe ser 'l/p'=1 ,2,3.

c) Rotura de Cojinetes:

siendo W el número de bolas del cojinete, 'f _r ' Ia frecuencia de giro del rotor, 'bd ¹ es el diámetro de Ia bola del cojinete, 'pd' el diámetro de Ia pista del cojinete y finalmente 'β' corresponde al ángulo de ataque de Ia bola sobre Ia pista, corrió se muestra en Ia figura n° 14.

d) Cortocircuitos:

Medias frecuencias

Bajas frecuencias

donde k=1 ,2,3... y 'Z ₂ ' es el número de ranuras o barras que tiene el rotor.

Aunque podría ser posible el diagnóstico a partir de Ia evaluación de un único

harmónico de fallo, para garantizar Ia máxima precisión el sistema de diagnóstico de Ia invención se usará un conjunto de 4 harmónicos característicos para garantizar el correcto diagnóstico.

El procedimiento de, detección de fallos en los motores eléctricos de corriente alterna objeto de Ia invención se utilizará preferentemente para motores asincronos (también llamados de inducción) cuando se desee diagnosticar fallos tanto on-line como off-line, es decir durante el funcionamiento normal del motor o bien cuando estén desconectados.

No obstante, el procedimiento preconizado también se utilizará con óptimos resultados para motores síncronos de imanes permanentes cuando se desee diagnosticar fallos on-line, es decir durante el funcionamiento normal del motor. i El presente procedimiento podrá ser igualmente aplicable al análisis de vibraciones o emisión acústica, según las frecuencias características en cada momento.

La presente realización del procedimiento de diagnóstico de fallos objeto de Ia invención presenta numerosas ventajas frente a otros métodos alternativos utilizados hasta el momento para el diagnóstico de fallos on-line en motores eléctricos de alterna, las cuales se resumen a continuación:

- Permite el diagnóstico de manera automática y en tiempo real.

- Magnifica Ia condición de fallo, mediante el uso de Ia constante ¹ C se pueden detectar pequeñas variaciones de amplitud.

- Es independiente de Ia condición de operación (régimen permanente o transitorio).

- Es independiente de Ia velocidad de giro o de Ia frecuencia de alimentación del motor.

En segundo lugar, se propone un equipo para llevar a cabo el método de diagnóstico de fallos anteriormente descrito en motores eléctricos de corriente alterna. Dicho equipo comprende unos medios de medida de las corrientes del

estator del motor, unos medios de cálculo de Ia evolución de Ia velocidad y el deslizamiento del motor, unos medios de cálculo de los diferentes bancos de filtros correspondientes a cada condición de fallo, y unos medios de cálculo de los diferentes factores de fallo.

Preferentemente dichos medios de medida de las corrientes del estator del motor serán una sonda conectada al motor eléctrico, que permita un rango de adquisición entre 2 y 5 kHz.

Los medios de cálculo de los diferentes factores de fallo realizarán Ia convolución del vector de corriente de alimentación con los diferentes bancos de filtros correspondientes a cada condición de fallo y Ia posterior integración del vector resultante al cuadrado.

A continuación se describe y muestran los resultados de un experimento realizado con el objetivo de verificar los resultados obtenidos por Ia aplicación de un análisis de Wavelet, junto con el Densidad Espectral de Energía.

El experimento se basa en el análisis de un motor bajo un par de carga constante y no constante. El motor utilizado presenta un rotor defectuoso con cuatro barras del rotor rotas, y en donde el harmónico causado por dicho fallo presenta una amplitud del 15% del corriente nominal, véase figura 20. Para llevar a cabo el experimento se ha escogido una muestra de frecuencias de f _s =6000 Hz, un número de muestras de N=65536, y unos resultados ¿n un ancho de banda frecuencial de 3000 Hz y una resolución de 92 mHz en un análisis de Transformada rápida de Fourier (FFT), Io que es suficiente para cubrir Ia banda significativa del motor (0-400 Hz) y poder distinguir los harmónicos debidos al fallo y los harmónicos debidos al inversor de alimentación. Las especificaciones del tipo de motor de inducción se acompañan a continuación en Ia tabla n° 1.

Tabla n° 1

El motor se alimenta con un voltaje sinusoidal a 50 Hz de frecuencia principal, y funciona con cuatro barras rotóricas rotas. La figura 21 muestra Ia variación del comente a Io largo del tiempo,, y el incremento de Ia carga es evidente a t=5s.

Los resultados obtenidos de varios pruebas bajo pares de carga no-constantes se exponen en Ia figura 18.

Al cambiar el error con Ia variación de carga, las frecuencias de fallo cambian sobre el espectro.

A pesar de que Ia frecuencia del harmónico va cambiando continuamente durante Ia aplicación del par variable, el pico instantáneo hasta el valor de pico del detalle prácticamente recubre Ia amplitud del harmónico instantáneo debido al fallo. Esto es evidente -mediante Ia comparación del harmónico de fallo en Ia figura 20 (par constante) y Ia evolución de Ia amplitud del harmónico en Ia figura 18 (par variable).

Finalmente, Ia tabla n° 2 muestra claramente el incremento de energía por una condición de fallo de Ia aproximación y las descomposiciones detalladas del nivel 7. Esta energía se ha calculado por adición de los coeficientes encuadrados.

Tabla n° 2

La tabla n° 2 ilustra claramente el ¡ncremento de energía de Ia convolución seleccionada. Por Io tanto, los dos coeficientes de Ia descomposición de

Wavelet mostrados en Ia citada tabla n° 3 puede ser utilizados para detectar los fallos en los motores, puesto que Ia condición de fallo se diferencia claramente sobre los recuadros de los coeficientes de Wavelet y el incremento es más de

100 veces en el caso de los motores defectuosos.

Las conclusiones del experimento descrito son: - que Ia convolución de Wavelet es una técnica adecuada para las componentes de tiempo de aislamiento de señales no-estacionarias; - que Ia energía de alguna convolución de Wavelet es fácil de computarizar, obteniendo de ese modo buenos resultados para Ia evaluación de señales frecuenciales; y - que Ia energía de alguna convolución de Wavelet puede servir para Ia detección de fallos en el rotor de un motor eléctrico de par de carga no- constante.

A pesar de que se han descrito y representado realizaciones concretas de Ia presente invención, es evidente que el experto en Ia materia podrá introducir variantes y modificaciones, o sustituir los detalles por otros técnicamente equivalentes, sin apartarse del ámbito de protección definido por las reivindicaciones adjuntas.