jcee 2007 1 detecciÓn de fallos en motores de inducciÓn mediante sonda rogowski sin integrador...
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JCEE 2007JCEE 2007 11
DETECCIÓN DE FALLOS EN DETECCIÓN DE FALLOS EN MOTORES DE INDUCCIÓN MOTORES DE INDUCCIÓN
MEDIANTE SONDA ROGOWSKIMEDIANTE SONDA ROGOWSKI SIN SIN INTEGRADORINTEGRADOR
Oscar PoncelasOscar Poncelas
JCEE 2007JCEE 2007 22
ÍndiceÍndice1.- El motor de inducción1.- El motor de inducción
2.- Importancia del mantenimiento2.- Importancia del mantenimiento
3.- Fallos en máquinas eléctricas3.- Fallos en máquinas eléctricas
3.1.Técnicas para la detección de fallos3.1.Técnicas para la detección de fallos
3.2. Método MCSA3.2. Método MCSA
4.- Medida de corrientes4.- Medida de corrientes
4.1. Sonda Rogowski4.1. Sonda Rogowski
4.2. Test experimental del transductor4.2. Test experimental del transductor
5. Resultados experimentales5. Resultados experimentales
5.1. Motor sano5.1. Motor sano
5.2. Barra rota5.2. Barra rota
5.3. Espira cortocircuitada5.3. Espira cortocircuitada
6. Conclusiones6. Conclusiones
JCEE 2007JCEE 2007 33
3
El motor de inducción es El motor de inducción es la máquina eléctrica más la máquina eléctrica más utilizada. Permite utilizada. Permite convertir energía eléctrica convertir energía eléctrica en mecánica.en mecánica.
El 70% de las aplicaciones El 70% de las aplicaciones industriales, utilizan industriales, utilizan motores de inducción, y motores de inducción, y éstos consumen más del éstos consumen más del 50% de la energía 50% de la energía generada en las naciones generada en las naciones industrializadas.industrializadas.
1.El motor de inducción1.El motor de inducción
http://www.abb.com (18/12/2007)
JCEE 2007JCEE 2007 44
2. Mantenimiento2. Mantenimiento El mantenimiento El mantenimiento predictivopredictivo de las de las
motores de inducción, toma un rol motores de inducción, toma un rol importante en la industria.importante en la industria.
Los fallos deben ser detectados cuando Los fallos deben ser detectados cuando todavía no afectan significativamente al todavía no afectan significativamente al funcionamiento de la máquina. De no funcionamiento de la máquina. De no ser así, la avería podría haber llegado ser así, la avería podría haber llegado dimensiones catastróficas en el dimensiones catastróficas en el momento de su identificación, reculando momento de su identificación, reculando al modelo de mantenimiento correctivo.al modelo de mantenimiento correctivo.
JCEE 2007JCEE 2007 55
3. Fallos en máquinas eléctricas:3. Fallos en máquinas eléctricas:
-Fallos eléctricos-Fallos eléctricos• Fallos en devanados debidos a una o más Fallos en devanados debidos a una o más
espiras en circuito abierto o cortocircuitadas.espiras en circuito abierto o cortocircuitadas.• Conexión anormal de las espiras del estator.Conexión anormal de las espiras del estator.
- Fallos mecánicos- Fallos mecánicos• Barras rotas o anillo de rotor roto.Barras rotas o anillo de rotor roto.• Excentricidades dinámicas y/o estáticas.Excentricidades dinámicas y/o estáticas.• Fallos en cojinetes.Fallos en cojinetes.
JCEE 2007JCEE 2007 66
3.1. Técnicas para la detección de 3.1. Técnicas para la detección de fallos en motores y máquinas fallos en motores y máquinas
eléctricas en general:eléctricas en general:- Monitorización de campo magnético y medición del flujo - Monitorización de campo magnético y medición del flujo axial.axial.
- Medición de temperatura, reconocimiento por infrarrojo.- Medición de temperatura, reconocimiento por infrarrojo.
- Análisis espectral de ruido acústico y vibraciones.- Análisis espectral de ruido acústico y vibraciones.
- - Análisis espectral de corrientes. MCSA (Motor Análisis espectral de corrientes. MCSA (Motor Current Signature Analysis)Current Signature Analysis)
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3.2. MCSA3.2. MCSA
MCSA (Motor Current Signature Analysis) es uno de los MCSA (Motor Current Signature Analysis) es uno de los métodos más utilizados.métodos más utilizados.
Se basa en la monitorización de la corriente de estator del Se basa en la monitorización de la corriente de estator del motor y su posterior análisis espectral. motor y su posterior análisis espectral.
Consiste en evaluar la amplitud relativa los diferentes Consiste en evaluar la amplitud relativa los diferentes harmónicos que aparecen en la corriente debido al fallo.harmónicos que aparecen en la corriente debido al fallo.
Es un método no invasivo.Es un método no invasivo.
JCEE 2007JCEE 2007 88
El método MCSA ha sido utilizado con éxito El método MCSA ha sido utilizado con éxito para identificar diferentes fallos.para identificar diferentes fallos.
Barra rota:Barra rota:
Espira cortocircuitada:Espira cortocircuitada:
11
2
sfrb f m s
p
m = 1,2,3,… es el número de harmónico, p = numero de pares de polos, y s = deslizamiento
2
11sth s
sf f mZ
p
1stl s
mf f s k
p
Frecuencias mediasFrecuencias medias
Frecuencias Frecuencias bajasbajas
Donde Z2 es el numero de ranuras o barras del Donde Z2 es el numero de ranuras o barras del rotor y k = 0,1,3,5,…rotor y k = 0,1,3,5,…
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4. Medida de corrientes4. Medida de corrientes
- Resistencia shunt- Resistencia shunt - Sensores de efecto Hall- Sensores de efecto Hall - Transformadores de corriente- Transformadores de corriente - - Bobina RogowskiBobina Rogowski
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4.1. Bobina Rogowski4.1. Bobina Rogowski
Toroide con núcleo Toroide con núcleo de aire o de de aire o de material no material no magnético.magnético.
Se induce una Se induce una fuerza fuerza electromotriz en la electromotriz en la bobina proporcional bobina proporcional a la derivada de la a la derivada de la corriente.corriente.
0
2
nA di difem M
r dt dt
M es la inductancia mutua de la M es la inductancia mutua de la bobina Rogowski (Henrios)bobina Rogowski (Henrios)
JCEE 2007JCEE 2007 1111
Las ventajas del uso de sonda Rogowski Las ventajas del uso de sonda Rogowski frente a otros métodos de medida:frente a otros métodos de medida:
No intrusiva.No intrusiva. Aislamiento. Aislamiento. No satura a altas corrientes y la bobina no se estropea por No satura a altas corrientes y la bobina no se estropea por
sobrecorrientes.sobrecorrientes. Gran ancho de banda permitiendo por ejemplo, la medida Gran ancho de banda permitiendo por ejemplo, la medida
de transitorios.de transitorios. Capacidad de medida de corrientes elevadas (El mismo Capacidad de medida de corrientes elevadas (El mismo
tamaño de la bobina se puede utilizar para medir corrientes tamaño de la bobina se puede utilizar para medir corrientes de 100A o 100kA).de 100A o 100kA).
Buena linealidad debido a la ausencia de materiales Buena linealidad debido a la ausencia de materiales magnéticos.magnéticos.
Es posible utilizar un núcleo flexible.Es posible utilizar un núcleo flexible. Bajo coste.Bajo coste.
JCEE 2007JCEE 2007 1212
Método tradicional de medida de Método tradicional de medida de corrientes mediante sonda Rogowski:corrientes mediante sonda Rogowski:
Nuevo método propuesto:Nuevo método propuesto:
JCEE 2007JCEE 2007 1313
4.2 Test experimental del 4.2 Test experimental del transductortransductor
Conductor por el cual circula una corriente de 0,2 A.Conductor por el cual circula una corriente de 0,2 A.
0 500 10000
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
Frequency
Out
put
volta
ge
0 500 10000
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Frequency
Out
put
volta
ge
a) Tensión de salida de un transductor comercial (+) y de un sensor Rogowski (o)
b) Tensión de salida de la sonda Rogowski sin integrador, valores teóricos (+) y medidos (o)
JCEE 2007JCEE 2007 1414
Circulando una señal de corriente cuadrada.Circulando una señal de corriente cuadrada.
1
4 1( ) sin( )o
n
Vi t n t
n
1
4( ) sin( )o o
n
di Vy t M M n t
dt
Espectro de corriente de una señal cuadrada medido con
Un sensor de corriente comercial y con la sonda Rogowski sin integrador.
0 500 10000
0.005
0.01
0.015
0.02
0.025
0.03Commercial transducer
Frequency0 500 1000
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1Rogowski transducer proposed
Frequency
Out
put
volta
ge
JCEE 2007JCEE 2007 1515
5. Resultados experimentales5. Resultados experimentalesSe ha realizado diversas pruebas con motores de corriente alterna trifásicos de 1,1 kW. Primero con un motor sano, en segundo lugar con un motor con 8 barras rotas y finalmente con un motor con 8 espiras de una fase cortocircuitadas.
La medida de corrientes ha sido realizada con tres transuctores:- Sensor comercial Tektronix TCPA300- Sensor Rogowski tradicional- Sensor Rogowski sin integrador
Los motores han sido alimentados a una frecuencia de 50 Hz.
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5.1. Motor sano5.1. Motor sano
0 50 100 150 200 250 300-100
-50
0
Commercial transducer
Frequency (Hz)
Am
plitu
de (
dB)
0 50 100 150 200 250 300-100
-50
0
Traditional Rogowski coil
Frequency (Hz)
Am
plitu
de (
A)
0 50 100 150 200 250 300-100
-50
0
Rogowski coil without integrator
Frequency (Hz)
Am
plitu
de (
A)
220 225 230 235 240 245 250 255 260-100
-80
-60
-40
-20Commercial transducer
Frequency (Hz)
Am
plitu
de (
dB)
220 225 230 235 240 245 250 255 260-100
-80
-60
-40
-20Traditional Rogowski coil
Frequency (Hz)
Am
plitu
de (
A)
220 225 230 235 240 245 250 255 260-100
-80
-60
-40
-20Rogowski coil without integrator
Frequency (Hz)
Am
plitu
de (
A)
Se ha elegido una frecuencia de muestreo de 10000Hz, y se han tomado 5000 muestras. La banda de análisis va de 0 a 2,5kHz con una resolución de 0,2Hz para la FFT.
JCEE 2007JCEE 2007 1717
Motor sanoMotor sano
0 500 1000 1500 2000 2500-100
-50
0
Commercial transducer
Frequency (Hz)
Am
plitu
de (
dB)
0 500 1000 1500 2000 2500-100
-50
0
Traditional Rogowski coil
Frequency (Hz)
Am
plitu
de (
A)
0 500 1000 1500 2000 2500-100
-50
0
Rogowski coil without integrator
Frequency (Hz)
Am
plitu
de (
A)
JCEE 2007JCEE 2007 1818
5. 2. Barra rota5. 2. Barra rota
0 50 100 150 200 250 300-100
-50
0
Commercial transducer
Frequency (Hz)
Am
plitu
de (
dB)
0 50 100 150 200 250 300-100
-50
0
Traditional Rogowski coil
Frequency (Hz)
Am
plitu
de (
A)
0 50 100 150 200 250 300-100
-50
0
Rogowski coil without integrator
Frequency (Hz)
Am
plitu
de (
A)
JCEE 2007JCEE 2007 1919
Barra rotaBarra rota
220 225 230 235 240 245 250 255 260-100
-80
-60
-40
-20Commercial transducer
Frequency (Hz)
Am
plitu
de (
dB)
220 225 230 235 240 245 250 255 260-100
-80
-60
-40
-20Traditional Rogowski coil
Frequency (Hz)A
mpl
itude
(A
)
220 225 230 235 240 245 250 255 260-100
-80
-60
-40
-20Rogowski coil without integrator
Frequency (Hz)
Am
plitu
de (
A)
11
2
sfrb f m s
p
El método MCSA clásico se centra en las frecuencias que aparecen alrededor del harmónico principal f1(1±2s).
Otros estudios proponen evaluar las frecuencias entorno al quinto harmónico f1(5-4s) y f1(5-6s)
JCEE 2007JCEE 2007 2020
5.3. Espira cortocircuitada5.3. Espira cortocircuitada
0 500 1000 1500 2000 2500-100
-50
0
Commercial transducer
Frequency (Hz)
Am
plitu
de (
dB)
0 500 1000 1500 2000 2500-100
-50
0
Traditional Rogowski coil
Frequency (Hz)
Am
plitu
de (
A)
0 500 1000 1500 2000 2500-100
-50
0
Rogowski coil without integrator
Frequency (Hz)
Am
plitu
de (
A)
2
11sth s
sf f mZ
p
JCEE 2007JCEE 2007 2121
Espira cortocircuitadaEspira cortocircuitada
1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000-100
-80
-60
-40
-20Commercial transducer
Frequency (Hz)
Am
plitu
de (
dB)
1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000-100
-80
-60
-40
-20Traditional Rogowski coil
Frequency (Hz)
Am
plitu
de (
A)
1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000-100
-80
-60
-40
-20Rogowski coil without integrator
Frequency (Hz)
Am
plitu
de (
A)
JCEE 2007JCEE 2007 2222
6.- Conclusiones6.- Conclusiones
Sensor Rogowski sin integrador mejora el Sensor Rogowski sin integrador mejora el comportamiento a altas frecuenciascomportamiento a altas frecuencias
Válido para diagnóstico de motores con Válido para diagnóstico de motores con todas las ventajas de la sonda Rogowski todas las ventajas de la sonda Rogowski tradicional.tradicional.
Elimina problemas integrador.Elimina problemas integrador.
JCEE 2007JCEE 2007 2323
Gracias por su atenciónGracias por su atención