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LABORATORIO VIRTUAL PARA EL ANÁLISIS PREDICTIVO DE FALLAS EN MOTORES DE INDUCCIÓN DE BAJA POTENCIA - PDF
LABORATORIO VIRTUAL PARA EL ANÁLISIS PREDICTIVO DE FALLAS EN MOTORES DE INDUCCIÓN DE BAJA POTENCIA
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Ana María Vázquez Escobar
1 LABORATORIO VIRTUAL PARA EL ANÁLISIS PREDICTIVO DE FALLAS EN MOTORES DE INDUCCIÓN DE BAJA POTENCIA CESAR AUGUSTO JEREZ MAYORGA UNIVERSIDAD DE LA SALLE FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRICA BOGOTA
2 LABORATORIO VIRTUAL PARA EL ANÁLISIS PREDICTIVO DE FALLAS EN MOTORES DE INDUCCIÓN DE BAJA POTENCIA CESAR AUGUSTO JEREZ MAYORGA Trabajo de tesis Director Luís Hernando Correa Salazar UNIVERSIDAD DE LA SALLE FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRICA BOGOTA
3 Nota de Aceptación Firma del presidente del jurado Firma del jurado Firma del jurado Bogotá, 2
4 Este trabajo esta dedicado a mi familia, que gracias a su apoyo y su colaboración vienen siendo los grandes formadores de mi vida, igualmente a todas las personas que de una u otra forma me apoyaron en el desarrollo de mi etapa profesional. 3
5 AGRADECIMIENTOS Agradezco al Ing. Luís Hernando Correa que gracias a su gran apon en el transcurso de este trabajo de grado, junto a las demás personas que mostraron interés en que este trabajo se llevara a cabo culminándolo satisfactoriamente. 4
6 Tabla de Contenido INTRODUCCIÓN...11 ANTESEDENTES DELIMITACIÓN DEL PROBLEMA POR QUÉ LA REALIZACIÓN DE MANTENIMIENTO PREDICTIVO? Objetivo del mantenimiento preventivo Criterios de la gestión del mantenimiento APLICACIONES INDUSTRIALES DE LOS MOTORES PRINCIPIOS DE OPERACIÓN DEL MOTOR DE INDUCCIÓN CARACTERÍSTICAS DE FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR DE INDUCCIÓN CLASIFICACIÓN DE LOS MOTORES DE INDUCCIÓN EFICIENCIA DE LOS MOTORES ELÉCTRICOS NATURALEZA DE LAS PÉRDIDAS EN MOTORES ELÉCTRICOS ANÁLISIS DE LOS MOTORES EFECTOS DE LOS ARMÓNICOS Aumento de temperatura Pérdida de la vida útil del motor FALLAS EN LOS MOTORES DE INDUCCIÓN Tipos de fallas FALLAS POR DESBALANCES DE TENSIÓN CALENTAMIENTO EN EL ESTATOR FALLAS EN EL ESTATOR ROTURA EN LAS BARRAS ANÁLISIS ESPECTRAL DE CORRIENTES
7 4. SISTEMA DE ADQUISICIÓN DE DATOS DIAGRAMA DE ADQUISICIÓN DE DATOS ESQUEMA DE BLOQUES DEL DIAGNÓSTICO DE LA APLICACIÓN APLICACIÓN DESARROLLADA PRUEBAS DE LABORATORIO RESULTADOS COMPARACIÓN DEL ESTADO DEL MOTOR ADQUIRIDO EN LA INDUSTRIA Y UN MOTOR EN BUEN ESTADO ANÁLISIS TÉRMICO DE LOS MOTORES CONCLUSIONES RECOMENDACIONES BIBLIOGRAFIA ANEXOS
8 LISTA DE TABLAS Tabla 1. Clasificación NEMA de los motores...23 Tabla 2. Valores de eficiencia nominal a plana carga...24 Tabla 3. Diagnóstico de daños en barras del rotor...61 Tabla 4. Clasificación térmica según tipo de aislamiento
9 LISTA DE FIGURAS Figura 1. Sistema integral de mantenimiento...15 Figura 2. Curva característica de un motor de inducción...22 Figura 3. Incremento de temperatura en el motor...34 Figura 4. Envejecimiento térmico de un motor de 100 hp...35 Figura 5. Sistema de transformación de tensión...42 Figura 6. Pinzas amperimetricas AEMC MC...43 Figura 7. Módulos SCC -AI...43 Figura 8. Módulo Dalander DL Figura 9. Modulo Dalander DL Figura 10. Sensor térmico de platino RTD...45 Figura 11. Modulo SCCRTD Figura 12. Diagrama de bloques de adquisición de datos...46 Figura 13. Diagrama de diagnóstico para motores de inducción de baja potencia...47 Figura 14. Diseño de la aplicación desarrollada...49 Figura 15. Configuración de la FFT de la aplicación...51 Figura 16. Montaje para la elaboración de las pruebas de laboratorio...54 Figura 17. Espectro de corriente bajo una carga de 300 W...55 Figura 18. Espectro de corriente bajo una carga de 700 W...55 Figura 19. Espectro de corriente para el motor DL Figura 20. Rotor perforado simulando rotura de una barra...58 Figura 21. Espectro de corriente para un motor sano...59 Figura 22. Espectro de corriente para un motor con daños en el rotor...60 Figura 23. Espectro de corriente para el motor adquirido de la industria...62 Figura 24. Espectro de corriente para un motor en perfecto estado...62 Figura 25. Representación gráfica para el análisis térmico para el motor de 1 Hp adquirido en la industria...64 Figura 26. Termografía del motor Baldor...66 Figura 27. Termografía de un motor en buen estado
10 LISTA DE FÓRMULAS 1.Ley de inducción de Faraday Velocidad Sincrónica Eficiencia Pérdidas por corrientes de Eddy Distorsión armónica total de tensión Distorsión armónica individual en tensión Componentes espectrales por daños en los cojinetes Componentes espectrales por presencia de barras rotas Bandas laterales superior e inferior
11 LISTA DE ANEXOS 1.Sistemas de medida. 2.Medición del espectro de frecuencia. 3.Equipos utilizados. 4.Manual del usuario. 10
12 INTRODUCCIÓN La operación de motores de inducción de baja y mediana potencia en sus diferentes aplicaciones, exige un alto nivel de calidad, confiabilidad y productividad. En este trabajo se pretende desarrollar una aplicación diseñada en LabView, la cual en la ejecución de pruebas dinámicas, se analizaran las señales eléctricas permitiendo la detección de algunos parámetros que darán a conocer rupturas de barras y excentricidad del rotor. Este proyecto está centrado en el desarrollo de una investigación fundamentada en el análisis espectral de las señales de tensión y corriente para los motores de inducción, el cual tiene como objetivo principal diseñar una herramienta de diagnóstico de fallas de tipo mecánico de los motores de inducción trifásicos de baja potencia. Mediante esta aplicación el usuario podrá integrar algunos elementos de medida y adquisición de datos con los que cuenta el laboratorio de la facultad, para realizar un diagnóstico del estado del motor en el momento de la medición. La línea de investigación en la cual está enmarcado el presente proyecto es la segunda línea de la de la Universidad de La Salle, que hace referencia a la electricidad y control para el desarrollo industrial, junto con la sublínea número dos que enfatiza el control industrial, instrumentación, sistemas expertos y automatización de procesos. Esta aplicación busca ser utilizada en otro tipo de prácticas de laboratorio, para lograr una integración entre los cursos y darle un mejor uso a este programa por parte de los miembros de la facultad. 11
13 ANTECEDENTES Actualmente en la Facultad de ingeniería Eléctrica de la Universidad de La Salle no existe un trabajo de grado que use el programa LabView para la realización de un diagnóstico de fallas de tipo mecánico en motores de inducción. Sin embargo existen dos trabajos de grado los cuales fueron desarrollados en la plataforma LabView, Prácticas reales y virtuales por medio de LabView para laboratorios de ingeniería eléctrica 1 [1], el cual desarrolló un sistema didáctico con guías específicas para simular las diversas contingencias, cambios y situaciones que se presentan en un laboratorio y que de manera remota se pueden monitorear. Igualmente trata sobre la elaboración de unas prácticas virtuales para el laboratorio, enfocadas a máquinas de inducción, mediciones eléctricas y circuitos básicos modificando y analizando parámetros desde LabView. En el segundo trabajo de grado Diseño de sistema scada para laboratorio de máquinas eléctricas de inducción mediante LabView [2], por medio de una herramienta de programación gráfica se realizó un sistema SCADA buscando dar a conocer la construcción y aplicaciones de los sistemas SCADA, desarrollando un módulo de prácticas de laboratorio a través de la captura de parámetros de las máquinas de inducción y el monitoreo de éstas, permitiendo así la validación y observación de los conceptos que se tienen en teoría. Existen algunos estudios realizados internacionalmente como el Diagnóstico de fallas en los motores de inducción mediante una estrategia de estimación de posición [3]. Este trabajo fue realizado en la Universidad Nacional de Río, Argentina, el objetivo principal de este análisis fue establecer la posición del uso de dicha estrategia para resolver tareas de diagnóstico de fallas en accionamientos eléctricos, y se basaba en analizar el efecto que producen las variaciones de inductancia, entre los bobinados del estator y las barras del rotor sobre la tensión de secuencia cero del motor, cuando éste es excitado mediante una secuencia de pulsos, aplicada por el 1 RIVEROS, S. y TORRES, C. Prácticas reales y virtuales por medio de LabView para laboratorios de ingeniería eléctrica. Bogotá D.C. Ingeniería eléctrica la Salle, 2003, p. Resumen 12
14 inversor del accionamiento. Igualmente en San José de Costa Rica fue realizado un estudio llamado Análisis de las zonas de falla de motores Eléctricos [4]. En este estudio se realiza un análisis de las zonas posibles a presentarse una falla, analizando el circuito de potencia, aislamiento, rotor, estator entrehierro y calidad de la energía, enfocándose en la utilización de tecnologías dinámicas y estáticas, y así dando un indicio de qué tan aptos están los motores para su funcionamiento. Finalmente el estudio La importancia de la correlación de las tecnologías preventivas en el diagnóstico de motores eléctricos [5]. En este estudio se realiza un análisis de termografía a un motor que se le ha detectado una falla, utilizando tecnologías dinámicas y estáticas para la detección de fallas en los motores y en gran parte resaltando los beneficios de la termografía infrarroja. 13
15 1. DELIMITACIÓN DEL PROBLEMA La elaboración del presente proyecto de grado se enfoca en la investigación en estudios y análisis espectrales de las señales adquiridas por medio de los sistemas de adquisición de datos integrados en la aplicación desarrollada en la plataforma LabView. En la parte inicial se presenta una fundamentación teórica con respecto a los motores de inducción, análisis espectral de las señales eléctricas y a los sistemas de interfaz que utiliza la plataforma LabView. El trabajo prosigue desarrollando una interfaz gráfica con la instrumentación asociada para la realización de un sistema de monitoreo de los motores de inducción, seguido de pruebas de laboratorio en las cuales se analizarán las señales adquiridas por medio de la interfaz y finalmente se dará a conocer una alternativa en la detección de daños mecánicos en los motores de inducción de baja potencia. 1.1 POR QUÉ LA REALIZACIÓN DE MANTENIMIENTO PREDICTIVO? Desde hace varias décadas y basándose fundamentalmente en el objetivo de optimizar la disponibilidad de los equipos participantes en un proceso, se ha visto la urgencia de organizar adecuadamente el servicio de mantenimiento, con la introducción de programas preventivos y la implementación de mantenimientos correctivos. Nace así la necesidad de minimizar los costos en el mantenimiento implantando controles de costos. En la actualidad las empresas en sus procesos industriales utilizan en su gran mayoría máquinas rotativas. Los motores eléctricos de inducción en la industria representan alrededor de un 85% de los motores utilizados[8], por lo cual una parada imprevista de un motor producto de una falla inesperada, ocasiona en general la detención de una cadena productiva, originando pérdidas de carácter material y económico. Por consiguiente, es imprescindible desarrollar un plan de mantenimiento integral de estas máquinas, el cual asegure una producción continua con calidad, garantizando seguridad y rentabilidad de los procesos. 14
16 Los motores de inducción por general se encuentran en los puntos críticos de los procesos y una avería inesperada puede provocar la detención total de los procesos. El aumento de la competitividad a nivel nacional e internacional ha incrementado las exigencias de la calidad, incentivando a las empresas a invertir en el recurso humano, los materiales y crear planes rigurosos de mantenimiento a la maquinaria que se utiliza en el desarrollo de sus procesos Objetivo del mantenimiento preventivo El diseño e implementación de cualquier sistema organizado y su posterior automatización debe siempre tener presente que está al servicio de unos determinados objetivos. Cualquier modernización del sistema debe ser contemplado con gran prudencia para evitar, precisamente, que se enmascaren dichos objetivos o se dificulte su consecución. En el caso del mantenimiento su organización e información debe estar encaminada a la permanente consecución de los siguientes objetivos: Optimización de la disponibilidad del equipo productivo Disminución de los costos de mantenimiento Optimización de los recursos humanos. Maximización de la vida útil de las máquinas Criterios de la gestión del mantenimiento Figura 1: Sistema integral de mantenimiento [13]. Sistema Integral de Gestión de Mantenimiento Información técnica del mantenimiento Información del sistema de mantenimiento correctivo Información del sistema preventivo predictivo Información del sistema de parada programada Información del seguimiento y control de la gestión del mantenimiento Otras aplicaciones informáticas 15
17 En la figura 1. se presentan los pilares fundamentales de un sistema integral de mantenimiento los cuales son: Información técnica del mantenimiento: esta sección es parte fundamental del sistema integral del mantenimiento, puesto que aquí es donde se realiza una base de datos con la información técnica de cada motor que es utilizado en los diferentes procesos los cuales se identifican para el seguimiento periódico. Sistema de mantenimiento correctivo: el mantenimiento correctivo es la actividad que se realiza con el fin de reparar una falla en un equipo. Este se puede clasificar de las siguientes formas: Planificado: en este mantenimiento se sabe con anticipación qué es lo que debe hacerse, de modo que cuando se detenga el proceso para realizar las reparaciones se tenga disponibilidad del personal y los materiales o repuestos necesarios para la realización. No planificado: este tipo de mantenimiento, también llamado correctivo de emergencia, deberá actuar lo más rápido posible con el objetivo de evitar costos y gastos extras en el proceso. Sistema preventivo predictivo: se conoce también como mantenimiento preventivo directo o periódico por cuanto sus actividades están controladas por el tiempo, éste se basa en la confiabilidad de los equipos sin considerar las peculiaridades de la instalación en que se encuentran. Este tipo de mantenimiento se anticipa a la aparición de fallas, puede ser también programado por el seguimiento del desgaste de una o varias piezas de los equipos, a través del análisis de sus partes o estimaciones realizadas mediante evaluaciones estadísticas tratando de extrapolar el comportamiento de las piezas del equipo. Paradas programadas: estas paradas están relacionadas con los mantenimientos predictivos que son realizados en la industria, y son ejecutadas para la realización de 16
18 mantenimientos. En estas paradas se programan los tiempos que estará detenido el proceso, con anterioridad se ha estimado el tipo de mantenimiento a realizar y qué insumos o partes de un equipo deben cambiarse. Información de seguimiento y control: esta se lleva a cabo con el fin de realizar bitácoras en las cuales se detectan algunos tipos de fallas y su nivel de peligrosidad. En este proceso se detectan a qué equipos se les debe realizar mantenimientos mas próximos. El análisis de esta información ayuda a la programación de las paradas. Aplicaciones informáticas: son de gran ayuda en el mantenimiento pues por medio de éstas se almacena el seguimiento realizado a los equipos de una planta y mediante estos datos y algunos cálculos, se pueden proyectar paradas programadas mas eficientes y reducir al máximo los costos que se derivan en una parada de un proceso. Teniendo en cuenta los criterios de mantenimiento planteados anteriormente, este trabajo establecerá un diagnóstico de fallas y con su utilización frecuente podrá determinar el porcentaje de decrecimiento de la vida útil de los motores de inducción de baja potencia. 17
19 2. APLICACIONES INDUSTRIALES DE LOS MOTORES El motor de inducción, en particular el de tipo de jaula de ardilla, es frecuentemente más usado que el motor de corriente continua para trabajos a velocidades constantes, [14] puesto que el costo inicial es menor y la ausencia de conmutador reduce el mantenimiento. En la industria la selección de un motor se viene dando por diferentes parámetros como la velocidad a plena carga, el aumento de temperatura, la eficiencia y el factor de potencia. Otras consideraciones son el aumento máximo del par y el par de arranque, las cuales vienen siendo desde hace mucho tiempo los parámetros de interés en la aplicación y compra de motores; igualmente el factor de servicio de un motor de corriente alterna es un multiplicador aplicable a la potencia nominal en caballos de fuerza. Cuando se aplica en esa forma, el resultado es una carga permisible en caballos de fuerza en las condiciones específicas para el factor de servicio. [6] 2.1 PRINCIPIOS DE OPERACIÓN DEL MOTOR DE INDUCCIÓN. El motor de inducción es un transformador eléctrico cuyo circuito magnético se encuentra separado por un entrehierro en dos segmentos móviles, uno es el devanado primario y el otro el secundario. Si se induce en el devanado primario una corriente, se origina un campo magnético giratorio que gira a velocidad w/p (Teorema de Ferraris), el campo magnético giratorio origina un flujo que induce corrientes en el rotor que interactúan con el campo magnético del estator. La característica esencial que distingue al motor de inducción de otros tipos de motores eléctricos es que las corrientes del secundario son creadas únicamente por inducción, como en un trasformador. En 18
20 lugar de ser suministradas mediante una excitación en DC u otra fuente de energía externa. Los motores de inducción se clasifican como motores de jaula de ardilla y motores de rotor devanado. Los devanados secundarios de los rotores de los motores de jaula de ardilla están ensamblados a partir de barras conductoras cortocircuitadas por anillos frontales o éstas están encapsuladas en una aleación conductiva. Los devanados secundarios de los motores de rotor devanado se encuentran bobinados con conductores discretos con el mismo número de polos que el devanado primario del estator. Los devanados del rotor se encuentran terminados en los anillos colectores en la flecha o eje del motor 2 El motor asíncrono trifásico está formado por un rotor y un estator en el que se encuentran las bobinas inductoras. Estas bobinas son trifásicas y están desfasadas entre sí 120º. Cuando por estas bobinas circula un sistema de corrientes trifásicas, se induce un campo magnético giratorio que envuelve al rotor. Este campo magnético variable va a inducir una tensión en el rotor según la Ley de inducción de Faraday: Se presenta el efecto Laplace o efecto motor: todo conductor por el que circula una corriente eléctrica, inmerso en un campo magnético experimenta una fuerza que lo tiende a poner en movimiento. Simultáneamente se da el efecto Faraday o efecto generador: en todo conductor que se mueva en el seno de un campo magnético se induce una tensión. El campo magnético giratorio gira a una velocidad de sincronismo. Sin embargo el rotor gira algo más despacio, a una velocidad cercana a la de sincronismo. El hecho de que el rotor gire más despacio que el campo magnético originado por el estator, se debe a que si el rotor gira a la velocidad de sincronismo el campo magnético dejaría de ser variable con respecto al rotor, lo que conllevaría la no aparición de corrientes inducidas en el rotor y por consiguiente no existirían las fuerzas que impulsan a mover el rotor. (1) 2 Wayne Beaty H., Kirtley Jr James l., Manual del Motor Eléctrico, McGraw-Hill,
21 Entre el estator y el rotor se tiene un entrehierro, cuya longitud se trata que sea lo más pequeña posible, logrando mejorar el acople magnético entre los devanados. Cuando se coloca el rotor dentro del estator y al devanado del estator se le aplica una tensión para que circule una corriente, el rotor gira a una velocidad la cual es llamada velocidad sincrónica. Esta velocidad es calculada mediante la siguiente ecuación: n = 60 f p (2) suponiendo que un motor de inducción se haga arrancar con el voltaje nominal en las terminales de línea de su estator (arranque a través de la línea) desarrollará un par de arranques que hará que aumente su velocidad. Al aumentar su velocidad desde el reposo (100% de deslizamiento), disminuye su deslizamiento y su par disminuye hasta el valor en el que se desarrolle el par máximo (Rr = s XLr). Esto hace que la velocidad aumente todavía más, reduciéndose en forma simultánea el deslizamiento y el par que desarrolla el motor de inducción 3 Si el rotor está en reposo o su velocidad (n) sincrónica es cero, entonces el campo magnético giratorio traspasa los conductores del devanado rotórico e induce en ellos una f.e.m. La polaridad de la f.e.m. inducida en los conductores del rotor cuando el flujo magnético gira en sentido contrario se obtiene aplicando la ley de la mano derecha. La componente activa de la corriente Irot se encuentra en fase con la f.e.m. inducida. El rotor de jaula de ardilla está construido normalmente por chapa apilada. De esta manera, se consigue un sistema n-fásico de conductores (siendo n el número de conductores) situados en el interior del campo magnético giratorio creado por el estator, con lo cual se tiene un sistema físico muy eficaz, simple, y muy robusto (básicamente, no requiere mantenimiento). El motor de rotor bobinado tiene un rotor constituido por una serie de conductores bobinados sobre él, en una serie de ranuras situadas sobre su superficie. Se permite el acceso al mismo desde el exterior 3 Irving L. Kosow. Máquinas Eléctricas y transformadores. Pag
22 a través de unos anillos que son los que cortocircuitan los bobinados, lo que tiene muchas ventajas, como permitir la utilización de un reóstato de arranque que permite modificar velocidad y par en los arranques. En cualquiera de los dos casos, el campo magnético giratorio producido por las bobinas inductoras del estator genera una corriente inducida generando el movimiento. 2.2 CARACTERÍSTICAS DE FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR DE INDUCCIÓN. El funcionamiento de un motor, en general, se basa en las propiedades electromagnéticas de la corriente eléctrica y la posibilidad de crear, a partir de ellas, unas determinadas fuerzas de atracción y repulsión encargadas de actuar sobre un eje y generar un movimiento de rotación. Los pares desarrollados al arranque y el valor del deslizamiento que produce el par máximo, ambos exceden (en el caso normal) al par aplicado a la carga. Por lo tanto la velocidad del motor aumentará, hasta que el valor del deslizamiento sea tan pequeño que el par que desarrolla se reduzca a un valor igual al par aplicado por la carga. El motor continuará trabajando a esta velocidad y valor de equilibrio del deslizamiento hasta que aumente o disminuya el par aplicado. La relación entre los pares de arranque máximo y nominal a plena carga que desarrolla un motor de inducción, como función de la velocidad de éste y del deslizamiento. La figura 2 presenta la corriente y el par desarrollado en el rotor del motor como funciones del deslizamiento desde el instante del arranque (punto a) hasta la condición de funcionamiento en estado estable (en general entre marcha en vacío y marcha a plena carga - puntos c y d) cuando los pares desarrollados y aplicados son iguales. 21
23 Figura 2 : Curva característica de un motor de Inducción Fuent e: Máquinas Eléctric as, Stephen J. Chapm an ( Segunda Edición) 2.3 CLASIFICACIÓN DE LOS MOTORES DE INDUCCIÓN. Debido a las necesidades de la industria para la realización de procesos, se optó por tener gran variedad de curvas par-velocidad, modificando de esta manera los parámetros del rotor de los motores de inducción, los cuales se nombran a continuación: Según el diseño de jaula (Nema) DISENO CLASE A : los motores de diseño clase A son de diseño estándar: con un par de arranque normal, corriente de arranque normal y bajo deslizamiento. DISEÑO CLASE B : los motores de diseño clase B tienen un par de arranque normal, baja corriente de arranque y bajo deslizamiento. Este motor produce casi el mismo par de arranque que el motor de clase A con cerca de 25 % menos de corriente. DISENO CLASE C : estos motores tienen un alto par de arranque con bajas corrientes de arranque y bajo deslizamiento (menos del 5% ) a plena carga. El par máximo es un poco menor que el de los motores clase A. 22
24 DISENO CLASE D : los motores de diseño clase D tienen alto par de arranque (275 % o mas del par nominal) y una baja corriente de arranque, pero también tienen alto deslizamiento a plena carga. 4 MOTORES DE INDUCCIÓN DE JAULA DE ARDILLA CLASE F: a esta clase de motores se le conoce como motores de doble jaula y bajo par. Están diseñados principalmente como motores de baja corriente de arranque, porque necesitan la menor corriente de arranque de todas las clases. 5 A continuación se presentan las características de los motores comerciales de inducción de jaula de ardilla de acuerdo con la clasificación en letras NEMA. Tabla 1. Clasificación NEMA de los motores Par de Arranque (# Corriente Clase de veces el par de NEMA nominal) Arranque Regulación de velocidad Nombre de clase del motor A Normal B De propósito general C Doble jaula, alto par D , 8-13 F Mayor de 5 Fuente: Máquinas eléctricas, Fraile Mora Jesús, De alto par, alta resistencia De doble jaula, bajo par y baja corriente de arranque 2.4 EFICIENCIA DE LOS MOTORES ELÉCTRICOS. Puede decirse que la eficiencia de un motor eléctrico es la medida de la capacidad que tiene el motor de convertir la energía eléctrica en energía mecánica útil. Esta se obtiene con la relación entre la potencia útil en la flecha del motor y la potencia recibida. La potencia eléctrica correspondiente medida en watts (W) entra por los terminales del motor y la potencia mecánica medida en watts o HP que sale por el eje. La eficiencia (EF) del motor se obtiene de la siguiente relación: 4 5 Máquinas Eléctricas, tercera edición.stephen J. Chapman. Pags Máquinas Eléctricas y transformadores, Segunda edición. Irving L. Kosow. Pag
25 E F= Potencia d e S alida Po tencia de E ntrada 100 [%] (3) En donde la potencia de entrada = potencia eléctrica de línea = potencia de salida + las pérdidas. Tabla 2. Valores de eficiencia nominal a plana carga Incremento de eficiencia El incremento de la eficiencia en los motores asincrónicos de jaula de ardilla se logra con la reducción de sus pérdidas. Según aumenta la potencia de salida y en consecuencia la eficiencia nominal, se incrementa también el grado de dificultad para mejorar la eficiencia y por lo tanto el costo al mejorar la eficiencia del motor. Considerando solamente las pérdidas en los conductores del estator y del rotor para 24
26 mejorar un punto en la eficiencia, se requiere un aumento creciente en la reducción de estas pérdidas. Las pérdidas en el motor pueden reducirse hasta alrededor de un 50% a través del uso de mejores materiales, optimizando la geometría, ajustando mejor el motor con la carga y mejorando el proceso de fabricación. Cuando se intenta maximizar la eficiencia de un motor, debe considerarse que ésta puede incrementarse por dos métodos diferentes. Una posibilidad es seguir el camino en el cual la mejoría se logra fundamentalmente a base de adicionar materiales y empleando tecnologías más costosas. La otra posibilidad es la optimización en el diseño del motor. La diferencia entre los dos enfoques es que en el primer caso la mejoría se alcanza modificando un diseño existente, mientras que en el segundo caso se obtienen diseños totalmente nuevos. En la primera variante, el incremento de los materiales implica fundamentalmente aumentar el volumen del material activo (acero magnético y material conductor de la corriente) y las mejoras tecnológicas significan emplear aceros magnéticos de mejor calidad, utilizar un mayor factor de llenado en las ranuras, incrementar el número de ranuras del estator y del rotor, etc. [15] Las características de diseño de la mayoría de los motores de alta eficiencia son: Las pérdidas en los conductores del estator disminuyen aumentando el área disponible para los conductores mediante la colocación en las ranuras de conductores de más sección o a través de un incremento de las dimensiones de las ranuras. Una variación en la configuración del devanado puede conducir también a una reducción de estas pérdidas, si se logra disminuir con ello la longitud de las cabezas de bobina y por lo tanto la resistencia del bobinado estatórico. Las pérdidas en los conductores del rotor pueden reducirse incrementando la cantidad del material conductor (en las barras y en los anillos), utilizando materiales de mayor conductividad, así como aumentando el flujo total que atraviesa el entrehierro. La magnitud de estos cambios está limitada por las siguientes restricciones: momento mínimo de arranque requerido, corriente máxima de arranque permisible y el factor de potencia mínimo aceptable. Las pérdidas en el núcleo magnético se reducen haciendo que el motor opere con inducciones mas bajas que las normales y para 25
27 compensar se incrementa la longitud de la estructura ferromagnética. Esto reduce las pérdidas por unidad de peso, pero debido a que el peso total aumenta, la mejoría en cuanto a pérdidas no es proporcional a la reducción unitaria de éstas. La disminución en la carga magnética también reduce la corriente de magnetización; influyendo positivamente en el factor de potencia. Las pérdidas por fricción y ventilación están asociadas a los ventiladores y a la cantidad de ventilación requerida para extraer el calor generado por otras pérdidas en el motor, tal como las pérdidas en el cobre, las del núcleo y las adicionales. Según se reducen las pérdidas que generan calor, es posible reducir el volumen de aire requerido para moverlas y de esta manera, se pueden reducir las pérdidas por ventilación. Esto resulta válido especialmente en el caso de motores cerrados con ventilación externa forzada. Otro camino es el logro de un mejor diseño aerodinámico. Uno de los subproductos importantes de la reducción de las pérdidas de ventilación, es la disminución de los niveles de ruido. Las pérdidas adicionales se pueden reducir mediante un diseño optimizado del motor y mediante un proceso cuidadoso de producción. Como estas pérdidas están asociadas al procesamiento, tal como las condiciones superficiales del rotor, se pueden minimizar a través de un control cuidadoso del proceso de fabricación. Las pérdidas adicionales son las más difíciles de controlar en el motor, debido al gran número de variables que contribuyen a las mismas. 2.5 NATURALEZA DE LAS PÉRDIDAS EN MOTORES ELÉCTRICOS. A continuación se expone el fundamento teórico de la perdidas que se presentan en el motor de inducción, no obstante en este trabajo las perdidas en los motores no fue analizado. Se tiene por pérdidas, la potencia eléctrica que se transforma y disipa en forma de calor en el proceso de conversión de la energía eléctrica en mecánica que ocurre en el motor. Las pérdidas en los Motores Eléctricos de Alta Eficiencia se pueden clasificar en 5 áreas: pérdidas en el cobre del estator, pérdidas en el cobre del rotor, pérdidas en el núcleo, pérdidas por fricción y ventilación y pérdidas adicionales. 26
28 2.5.1Pérdidas en los conductores. Las pérdidas en los conductores se dividen en dos zonas: estator ( I 2 R en las bobinas del estator). Rotor (I 2 R en los bobinados del rotor). Estas pérdidas dependen del cuadrado de la corriente Pérdidas en los conductores del estator. Estas pérdidas son una función de la corriente que fluye por el devanado del estator y la resistencia de este. Son mínimas en vacío y se incrementan al aumentar la carga. Por lo tanto si se incrementa la eficiencia, el factor de potencia tenderá a decrecer. Para que el factor de potencia permanezca constante, la corriente del estator debe reducirse en proporción al aumento de la eficiencia. Si se pretende que el factor de potencia mejore, entonces la corriente debe disminuir más que lo que la eficiencia aumente. Desde el punto de vista del diseño, esto es difícil de lograr debido a que hay que cumplir otras restricciones operacionales como el momento máximo.[6] En la expresión se hace evidente que las pérdidas en el estator ( I 2 R ) serán inversamente proporcionales al cuadrado de la eficiencia y del factor de potencia. Adicionalmente las pérdidas en los conductores del estator dependen de la resistencia del bobinado. Para un motor dado la resistencia del bobinado es inversamente proporcional al peso del bobinado del estator; es decir, a más material conductor en el estator menos pérdidas. 27
29 2.5.3 Pérdidas en los conductores del rotor. Estas pérdidas son directamente proporcionales a la resistencia del bobinado rotórico, dependen del cuadrado de la corriente que circula en el bobinado rotórico (barras y anillos) y dependen del flujo magnético que atraviesa el entrehierro. Son prácticamente cero en vacío Pérdidas en el núcleo magnético. Estas pérdidas tienen dos componentes, las pérdidas por corrientes de Eddy y las pérdidas por el fenómeno de histéresis, incluyendo las pérdidas superficiales en la estructura magnética del motor. Las pérdidas en el núcleo del rotor debido al flujo magnético principal son virtualmente cero Pérdidas por Histéresis. Son causadas debido a la propiedad de remanencia que tienen los materiales magnéticos al ser excitados por un flujo magnético en una dirección. Como el flujo de excitación está cambiando de dirección en el núcleo magnético, la remanencia hace que se forme el ciclo de histéresis, cuya área está relacionada por la energía gastada en magnetizar y desmagnetizar motores eléctricos de alta eficiencia en el núcleo continuamente. Estas pérdidas dependen del flujo máximo de excitación, de la frecuencia de variación del flujo y de la característica del material que determina el ancho del ciclo de histéresis Pérdidas por corrientes de Eddy. Estas pérdidas a frecuencia fundamental son proporcionales al cuadrado de la corriente de carga y al cuadrado de la frecuencia, razón por la cual se puede tener un aumento excesivo de éstas en los devanados que conducen corrientes de carga no senoidal (y por lo tanto también en su temperatura). 28
30 Estas pérdidas se pueden expresar como: Pe= P e,r x[ h = h m a h = 1 I h I R]2 h 2 ( 4 ) h = armónica Ih = corriente de la armónica h IR = corriente nominal Pe, R = pérdidas de Eddy a corriente y frecuencia nominal Estas son causadas por las corrientes inducidas o corrientes que circulan en las láminas magnéticas del núcleo estatórico las que son inducidas por el flujo magnético giratorio estatórico. En efecto de acuerdo a la Ley de Faraday el campo magnético variable en el tiempo crea campos eléctricos de trayectoria cerrada en el núcleo magnético y como el acero es un material conductor estos campos hacen circular corrientes (corrientes de Eddy) a través de su trayectoria cerrada. Por esta razón el núcleo magnético se hace de láminas magnéticas. Por lo tanto éstas pérdidas dependen del flujo magnético máximo, de la frecuencia de variación del flujo magnético y de la resistividad del acero magnético Pérdidas por fricción y ventilación. Las pérdidas por fricción y ventilación son debidas a la fricción en los rodamientos y a las pérdidas por resistencia del aire al giro del ventilador y de otros elementos rotativos del motor. La fricción en los rodamientos es una función de las dimensiones de éste, de la velocidad, del tipo de rodamiento, de la carga y de la lubricación usada. Estas pérdidas quedan relativamente fijadas para un tipo de diseño, y debido a que constituyen un porcentaje pequeño de las pérdidas totales del motor, los cambios que se pueden hacer en el diseño para reducirlas no afectan significativamente la eficiencia del motor. 29
31 2.5.8 Pérdidas adicionales en carga. Son pérdidas residuales difíciles de determinar por medio de mediciones directas o de cálculos. Estas pérdidas están relacionadas con la carga y generalmente se suponen que varían con el cuadrado del momento de salida. La naturaleza de estas pérdidas es muy compleja. Están en función de muchos factores de diseño y de fabricación del motor. Algunos de los elementos que influyen en estas pérdidas son: el diseño del devanado, la relación entre la magnitud del entrehierro y la abertura de las ranuras; la relación entre el número de las ranuras del estator y del rotor, la inducción en el entrehierro; las condiciones en la superficie del rotor, el tipo de contacto superficial entre las barras y las laminaciones del rotor Distribución de las pérdidas. Dentro de un intervalo limitado de eficiencia, las distintas pérdidas expuestas son independientes unas de las otras. Sin embargo, cuando se procuran mejoras sustanciales en la eficiencia, se encuentra que las mismas están fuertemente entrelazadas. El diseño final de un motor es un balance entre las eficiencias y las pérdidas, con el objetivo de obtener una eficiencia elevada y aún poder satisfacer otros requerimientos operacionales como el momento de arranque, la corriente de arranque, el momento máximo y el factor de potencia. [15] 30
32 3.ANÁLISIS DE LOS MOTORES El análisis de los motores es de gran importancia. En este se tienen en cuenta cinco áreas donde posiblemente se presenten fallas, las cuales son: Calidad de energía: en los motores que trabajan en instalaciones con la señal de tensión distorsionada, surgen armónicos generando calor en los devanados, lo cual hace que se incremente la resistencia y se reduzca la eficiencia, por lo anterior es necesario realizar el análisis del nivel de distorsiones armónicas en tensión y corriente, evaluar los niveles de distorsión armónica total THD recomendados según la norma IEEE Los altos valores de distorsiones armónicas producen efectos en los motores. Entre los efectos más significativos producidos por las armónicas en los motores tenemos: Incremento de pérdidas por calor Reducción del par efectivo en la flecha Vibración Reducción de la eficiencia Disminución de la vida útil Para realizar una medición real del valor de las distorsiones armónicas es necesario medir en las tres líneas simultáneamente, tanto la tensión como la corriente.[7] Es importante determinar el valor de la tensión de alimentación del motor, un desbalance mínimo en tensión entre las fases, produce un gran desbalance en las corrientes. Según la norma NEMA MG-1 sección 14.36, un desbalance de tensión para un motor no debe superar el 5%. En un motor el desbalance de tensión es visto como la introducción de corrientes de secuencia negativa las cuales reducen el Par del motor. Circuito de Potencia: el circuito de potencia incluye todos los conductores y dispositivos ubicados entre los dispositivos de control 31
33 del motor y los bornes del mismo. Un mal acople de una línea produce una junta de alta resistencia, provocando una caída del voltaje en la línea, por tal motivo la corriente en esta línea será menor que en las otras líneas. La presencia de problemas en esta zona puede causar eventualmente la disminución de la potencia entregada por el motor. Estator : el estator es la zona donde podremos encontrar diferentes fallas. La cantidad de vueltas de los embobinados de estator debe ser igual, para que no se presenten desbalances inductivos. Uno de los instrumentos con el cual podemos realizar un diagnóstico es el MEGGER pero este no nos dará un diagnóstico preciso, puesto que toma la medida de la resistencia a tierra, se puede presentar un valor de resistencia alto pero al mismo tiempo puede estar húmedo o contaminado. La prueba que se recomienda es la de el índice de polarización la cual consiste en determinar un aumento de la resistencia del aislamiento mediante la aplicación de una carga durante diez minutos. También se pueden incluir contactos entre vueltas o contactos entre fases. Es importante determinar que el circuito del estator no tenga fases o espiras cortocircuitadas. Rotor: dentro de las fallas que se pueden determinar en el rotor, están las fisuras en las barras del rotor o en su defecto barras rotas. Con este análisis se obtiene un patrón en función de la frecuencia para detectar bandas laterales (frecuencia de paso de polo) en cierta amplitud, detectando barras flojas, degradadas o rotas en el rotor. 3.1 EFECTOS DE LOS ARMÓNICOS. Los armónicos son corrientes o tensiones, o ambos, presentes en un sistema eléctrico, con frecuencias múltiples de la frecuencia fundamental. Los armónicos de orden 4,7,...[3k+1], con k = 1, 2,..., son de secuencia positiva; los armónicos de orden 2, 5,..., [3k+2], son de secuencia negativa; los armónicos 3, 6,..., [3k], son de secuencia cero. 32
34 Los subarmónicos se definen para frecuencias menores de la fundamental. Como por ejemplo n = 0.1, lo que equivale a 6 Hz, tomando como frecuencia fundamental 60 Hz. El contenido de la distorsión armónica de tensión total e individual, lo define la IEEE Std como: THDv = V 1 V 2 n 100 (5) THDv V = 100 n indi (6) V1 Donde: THDv es la distorsión armónica total de tensión y THDv_indi es la distorsión armónica individual de tensión. Los límites para la distorsión armónica de tensión total e individual en instalaciones industriales recomendadas por la IEEE Std 519 son de 5% y 3%, respectivamente Aumento de temperatura El contenido de los armónicos incrementa la temperatura en el motor. En la figura 3 se muestra el incremento de la temperatura en el motor de inducción monofásico y trifásico en función del orden del armónico 7. En estudios realizados por el departamento de Ingeniería Eléctrica y Computación de la Universidad de Colorado se comprobó que para una distorsión de 5 % de tensión, el segundo armónico tiene 6 IEEE recomended practices and requirements for harmonics control in electrical power sistems. ANSI/IEEE Standard Funchs, E.F. et al. aging of electrical appliances due to harmonics of the power systems voltaje. En: IEEE Trans. On Power Delivery. Nº 3 July, pp
35 mayor efecto en el incremento de la temperatura que el quinto armónico con este mismo valor 8 Figura3.Incremento de la temperatura en el motor F u en t e: R ev i s t a F ac ul t a d d e I n ge ni e r ía U ni v er s i d a d d e A n ti o qu i a, j un i o d e , N úm e r o Pérdida de la vida útil del motor En estudios realizados en la facultad de Ingeniería de la Universidad de Antioquia se demuestra la susceptibilidad de los motores a la distorsión de tensión, depende del tamaño y diseño del motor. La figura 4 muestra cómo los subarmónicos tienen efecto importante en el envejecimiento térmico en un motor de 100 hp 9. Actualmente no 8 Sen, P.K y Landa, H.A. Derating of induction motors due to waveform distortion IEEE Trans. Ind. Applicat. Vol. 26 Nº 6. Nov/Dic, De Abreu, J.P.G., Emgeles Emanuel A.E. Induction motor thermal aging caused by voltaje distortion and imbalance: loss of useful life and estimated cost Industry Applications, IEEE Transactions on Volume 38, Issue 1, Jan/Feb 2002 Policarpo G., De Abreu J., Eingeles Emanuel A. Induction motor loss of life due to voltage imbalance and harmonics: A perliminary study, Papers presented at the 2001 annual meeting 2001 IEEE. 34
36 hay una curva universal de pérdida de capacidad para los motores, ya que el tamaño y diseño afectan su pérdida de capacidad entre la distorsión armónica y desbalance. A medida que se aumenta la distorsión, se incrementa la pérdida de la vida útil del motor. Figura 4. Envejecimiento térmico de un motor de 100 hp F u en t e: R ev i s t a F ac ul t a d d e I n ge ni e r ía U ni v er s i d a d d e A n ti o qu i a, N úm e r o 0 3 1, j u ni o FALLAS EN LOS MOTORES DE INDUCCIÓN. A medida que un motor opera, con el transcurrir del tiempo se comienza a observar desgastes en sus partes internas, tanto eléctricas como mecánicas, por estos desgastes posiblemente se presenten algunos tipos de fallas, las cuales se exponen a continuación: 35
37 3.2.1 Tipos de fallas Las fallas en un motor eléctrico pueden ser clasificadas de la siguiente forma Fallas Tempranas: ocurren al inicio de la vida útil y constituyen un porcentaje pequeño del total de fallas. Pueden ser causadas por problemas de materiales, de diseño o de montaje. Fallas Adultas: son las fallas que se presentan con mayor frecuencia durante la vida útil del motor. Son derivadas de las condiciones de operación y se presentan más lentamente que las anteriores (suciedad, cambios de rodamientos de una máquina, etc.). Fallas Tardías: estas fallas representan una fracción pequeña del total de las fallas, aparecen en forma lenta y ocurren en la etapa final de la vida útil. (Envejecimiento del aislamiento del motor, etc.) 3.3 FALLAS POR DESBALANCES DE TENSIÓN. Cuando los voltajes de línea, aplicados a un motor, no son equilibrados, se desarrollan corrientes desbalanceadas en los devanados del estator. A estas se les conoce como corrientes de secuencia negativa que reducen el par del motor, produciendo dos efectos importantes: aumento de la temperatura en el devanado y aumento de su vibración. Un aumento de la temperatura por encima de su valor permitido provocará daños al aislamiento, el aumento en los niveles de vibración probablemente provocará en algún grado solturas mecánicas. Cuando se presentan desbalances de voltaje, la potencia del motor disminuye, la cual debe ser multiplicada por un factor de reducción. De acuerdo a la norma NEMA MG-1 sección ningún motor debe ser operado con desbalances de tensión superiores a un 5% 36
38 3.4 CALENTAMIENTO EN EL ESTATOR. En el estator, es importante el diagnóstico de los devanados, el aislamiento entre vueltas, juntas de soldado entre las espiras y el núcleo del estator o laminaciones. Tal vez, la falla que más se puede presentar es un corto entre espiras. Esto reduce la habilidad de producir un campo magnético balanceado. y a la vez trae otras consecuencias como el aumento en la vibración de la máquina, el aumento de la temperatura y por consiguiente la degradación del aislamiento y daños a los rodamientos del motor. Generalmente este tipo de fallas aumenta la temperatura y la falla se puede expandir a un corto entre espiras y eventualmente destruir todo el motor. Aún más grave que ésta es la falla entre fases, una falla de este tipo acelera rápidamente la destrucción del motor. 3.5 FALLAS EN EL ESTATOR. Una de las principales causas de falla que presentan los motores eléctricos, son los cortocircuitos entre los bobinados del estator. El deterioro gradual del aislamiento de los bobinados, puede producir un calentamiento excesivo, igualmente los esfuerzos producidos por sobretensiones transitorias, movimiento de las bobinas o contaminación en la maquina pueden producir esta falla. La utilización de accionamientos de velocidad variable ha incrementado este problema debido a los flancos de tensión de elevada pendiente (dv/dt) producidos por la conmutación de los interruptores del inversor. Esto ha despertado el interés de varios grupos de investigación por el desarrollo de estrategias de diagnóstico de fallas en el estator especialmente diseñadas para accionamientos de velocidad variable. 3.6 ROTURA EN LAS BARRAS. Entre las fallas mas comunes en los motores de inducción, se presentan las fallas en las barras, las cuales pueden ser causadas por barras rotas del rotor, barras cuarteadas y/o corroídas, este tipo de falla se presentan en motores que arrancan y paran frecuentemente bajo carga. 37
39 En el arranque la corriente del motor es mas alta que durante su funcionamiento normal, durante el arranque se presenta un aumento de la temperatura en las barras del rotor. Cuando en el rotor una barra presenta gran resistencia, el aumento de la temperatura será mas alto, provocando una desigualdad en la distribución de la temperatura del rotor y una expansión diferencial de las barras, lo que conlleva a roturas y grietas en las uniones de las barras con el anillo de cortocircuito del rotor. Las fallas en el rotor debido a barras o anillos rotos, representan entre el 5% y 10% del total de las fallas producidas en el motor de inducción. La rotura de una barra produce un incremento significativo en la corriente por las barras adyacentes lo que puede facilitar la propagación de la falla; por este motivo es de gran importancia su detección temprana. [9] 3.7 ANÁLISIS ESPECTRAL DE CORRIENTES. Las fallas más comunes que se presentan desde el punto de vista electromagnético se pueden dividir en dos categorías. Las que afectan la permeabilidad en el entrehierro (P ag ) y las que afectan la fuerza en el entrehierro (MMF). Las variaciones en el entrehierro de la máquina son causadas por movimiento mecánico entre el estator y el rotor. Un daño en los cojinetes del motor ocasionan componentes espectrales en las corrientes del estator a frecuencias descritas por la siguiente ecuación: f = f ± k f (7) bmg e v Donde k es el número del armónico de las componentes de las frecuencias características f v para cada tipo de defecto, como el daño en la pista interna, pista externa y bolas de los rodamientos. Las fallas en los motores de jaula de ardilla suelen estar relacionadas con las altas temperaturas alcanzadas durante su operación y con elevadas fuerzas centrífugas que soportan tanto las barras como los anillos de corto circuito, especialmente durante regímenes de funcionamiento transitorio. 38
40 La presencia de barras rotas, presenta variaciones en el campo magnético, lo que se traduce en la aparición de dos series de armónicos de campo giratorios los cuales inducen fuerzas electromotrices, dando lugar a la aparición de armónicos en la corriente de alimentación del motor. Estas corrientes se presentan como componentes espectrales en las corrientes del estator a frecuencias descritas por medio de la siguiente ecuación: f brb = 1 s fe k ± s p (8) La valoración de la magnitud de la falla, se hace teniendo en cuenta las primeras componentes armónicas (k/p = 1) las cuales forman bandas laterales de la frecuencia fundamental y están descritas por las siguientes ecuaciones para las bandas laterales superior e inferior respectivamente [16] [17]: f e ( 1± 2s) (9) Estudios realizados sobre una base de 300 motores de aplicación industrial, permitieron determinar la severidad de daños en barras( Tabla 5), teniendo en cuenta la diferencia entre la amplitud de los componentes correspondientes a la banda lateral inferior (LSB) y la amplitud de la componente fundamental f e. 10 Tabla 5. Criterio de diagnóstico de daños en barras del motor Diferencia entre la amplitud, entre la banda lateral inferior y componente fundamental (db) Diferencia < < Diferencia < < Diferencia < < Diferencia < < Diferencia < 39 Diferencia < 35 Diagnóstico Motor sano Algún punto de alta resistencia Varios puntos de alta resistencia Muchos puntos de alta resistencia Al menos una barra rota Varias barras rotas F u en t e: m é t o do s n o c o nv e nci o na l e s p a r a l a d e t ec c i ón y d i a g nó s t i c o p r ec o z d e f all os e n m ot o r es e l é c tr i c os Caballero H. C,. Diseño y desarrollo de un sistema de monitoreo de condición para motores de inducción Dpto. de Ing. Mecánica. Uniandes. Bogotá. Colombia Cabañas, M. Métodos no convencionales para la detección y diagnóstico precoz de fallos en motores eléctricos, 8a reunión de grupos de investigación en Ingeniería Eléctrica. Cadiz,
41 4.SISTEMA DE ADQUISICIÓN DE DATOS Durante la última década, el avance de la tecnología ha propiciado la aparición de nuevos sistemas de medición. Los beneficios proporcionados por los sistemas de adquisición de datos (SAD) son la obtención de datos más precisos y fiables, y el ahorro de tiempo que se traduce en un ahorro de dinero. En la industria moderna es de gran importancia el funcionamiento constante de los motores sin que se pudiesen presentar algún tipo de interrupción o falla, por este motivo las empresas se ven en la necesidad de buscar y aplicar nuevas técnicas en el mantenimiento de sus equipos. El control de los parámetros, como corriente, temperatura y tensión, puede conllevar al éxito o fracaso de una prueba de mantenimiento realizada a un proceso, por lo anterior se observa la gran importancia del uso de los SAD como herramienta de trabajo, en busca de mejoras de calidad en los procesos realizados en la industria. El sistema de adquisición de datos es una herramienta de gran uso en la supervisión y control de procesos, desde el sitio donde se encuentran los equipos o desde un cuarto de control en una estación remota, para la supervisión y control de cualquier tipo de proceso que esté en desarrollo. Una posibilidad que se encuentra en el seguimiento de los procesos en la industria, es la realización de programas de mantenimiento preventivo y correctivo, conforme al seguimiento y supervisión de las señales eléctricas. Ofreciendo así una alternativa de optimización en el desempeño de los procesos que son realizados en la industria. En este trabajo de grado se realizó un SAD basado en la plataforma LabView, en el cual se realiza el seguimiento de la temperatura de los bobinados del estator, junto con las señales de Corriente y tensión para así detectar posibles fallas en los motores de inducción analizados. 40
42 A continuación se da a conocer el diseño y elaboración del SAD (laboratorio virtual para el análisis predictivo de fallas en motores de inducción), se presenta como una implementación del estudio y análisis de las señales eléctricas en los motores de inducción, la utilización, implementación y aplicación de las herramientas con que se ha dotado al laboratorio de la facultad, en busca de un mejor desarrollo académico del estudiante de Ingeniería Eléctrica. Este trabajo esta enfocado en el análisis espectral de señales eléctricas y el estudio de los motores de inducción, tema de gran importancia en el crecimiento tanto intelectual como profesional del ingeniero de la Universidad de La Salle. Nace la necesidad de realizar un estudio en el cual se analice y se determine el estado de los equipos (motores) con que la industria cuenta, buscando un aumento de la eficiencia en los procesos donde son utilizados los motores eléctricos y así mejorar el planeamiento del mantenimiento que se realiza en la industria. El sistema diseñado parte de algunas investigaciones como New fault detection techniques for induction motor [10], Motor current signatura analysis and interpretation [11] y Diagnóstico de fallas en motores de inducción mediante una estrategia de estimación de posición [3]; las cuales se encaminan en el estudio profundo de las señales eléctricas y sus espectros, orientadas a la investigación y análisis de los armónicos que se presentan en las señales de corriente y tensión en los motores de inducción. Estas investigaciones plantean algunas alternativas para el seguimiento y control de la vida útil de los motores. Conforme lo anterior, se plantea la elaboración de una herramienta que realice un análisis de las señales eléctricas en los motores de inducción y por medio del criterio de diagnóstico, que presenta Caballero en su investigación realizada en la Universidad de los Andes en el año En busca del mejoramiento de la calidad de los procesos de mantenimiento en la industria. La aplicación realizada para el análisis de los espectros de las señales eléctricas se dividió de la siguiente forma : 41
43 Adquisición de las señales de tensión. En esta sección se utilizaron los equipos de transformación de tensión utilizado en la investigación A study of Voltaje sags in electric motor [12] la señal análoga de tensión es conectada a los módulos SCC-AI los cuales las convertían en señales a digitales para poder ser utilizadas en la aplicación realizada. Figura 5. Sistema de transformación de tensión utilizado En la aplicación se utiliza una interfaz grafica (DAQ) para la realización de los análisis a realizar en las señales de tensión, igualmente en la representación de la tensión de alimentación del motores analizados, se utiliza la señal de la interfaz gráfica, calculando el valor RMS de la señal de tensión por medio del VI predeterminado por LabView, finalmente a la señal del DAQ se le realiza la transformada rápida de Fourier (FFT) utilizando el algoritmo presentado en el anexo 2 y con la configuración del VI bajo una ventana Hanning la cual arroja resultados con una confiabilidad del 95% para las FFT, obteniendo los espectros de tensión conforme los planteamientos realizados por Castelli en su estudio Desarrollo de un equipo para la realización de mantenimiento predictivo en motores asíncronos de gran porte [20]. Adquisición de las señales de Corriente. En la adquisición de las señales de corriente, fueron utilizadas la Pinzas amperimétricas AEMC MN (Figura 6) las cuales tienen un rango nominal de 100 A y un rango de frecuencia de Hz, estas toman la medida análoga de las corrientes de las fases de alimentación para luego ser acopladas a los módulos SCC-AI (Figura 42
44 7) para realizar la trasformación de las señal análoga a digital y así utilizarla la aplicación realizada. Figura 6. Pinzas AEMC MN Figura 7. Módulos SCC-AI La señal de corriente es presentada en la aplicación por medio de una ventana gráfica, a esta señal se le realizá el cálculo del valor RMS por medio del VI RMS predeterminado por labview, finalmente le es realizada la FFT para obtener los espectros de Corriente y realizar los análisis necesarios para la determinación de fallas mecánicas en el motor. Adquisición de la señal de velocidad y potencia mecánica del motor. Para la adquisición de la señal de velocidad, es acoplado al eje del motor un transductor óptico, el cual mide la velocidad del rotor del motor, este transductor es conectado al modulo Delorenzo (DL10055, Figura 8), el cual es un transductor óptico de velocidad y medición digital de potencia. Figura 8. Modulo DL
45 Del modulo Delorenzo es extraída la señal de velocidad por medio de una señal análoga y luego esta es transformada en digital por medio de los módulos SCC-AI (Figura 7) para luego ser presentada en la aplicación por medio de un indicador de velocidad. La potencia mecánica es tomada de un control de par que se acopló al eje del motor y es adquirido mediante el modulo DL (Figura 9) y representado en la aplicación mediante un indicador. Las especificaciones técnicas de los módulos y las pinzas mencionadas se encuentran en el Anexo 3. Figura 9. Modulo DL Adquisición de la señal de temperatura de los devanados del estator. Para obtener la temperatura de los devanados del estator se utilizó un sensor térmico de platino RTD PT 3920 (Figura 10) acoplado a los embobinados del motor. Este sensor es conectado al modulo SCC- RTD (Figura 11) para luego, por medio de una ventana gráfica y un indicador, obtener la temperatura en la cual se encuentran los bobinados del motor. 44
46 Figura 10. RTD utilizada en la aplicación Figura 11. Modulo SCCRTD001 En la aplicación para determinar el porcentaje de deslizamiento del motor se toma la velocidad de sincronismo del motor que es ingresada por el usuario que utiliza la aplicación, esta velocidad depende del motor que se está analizando, a este valor le es restado la velocidad del rotor del motor para luego dividirlo por la velocidad de sincronismo. 4.1DIAGRAMA DE ADQUISICIÓN DE DATOS. Es de gran importancia la necesidad de obtener un sistema de adquisición de datos confiable. Se plantearon diferentes esquemas con el propósito de optimizar el análisis y el desarrollo de las señales que se capturarán por medio de los sistemas transductores utilizados. En el sistema planteado en la figura 12, se obtienen las señales eléctricas de alimentación: Las tensiones de línea y corrientes de las fases del motor, para luego ser analizadas mediante la aplicación realizada. Igualmente se emplean sistemas transductores de señales como las pinzas amperimétricas, transformadores de tensión, sensores de temperatura, entre otros. Paralelamente se encuentra el sistema transductor de señales de velocidad, potencia mecánica, el cual es implementado mediante el módulo transductor Dalander DL y DL Finalmente es presentado el sistema gráfico, el cual fue desarrollado en la plataforma labview, en éste sistema el 45
47 usuario puede interactuar con la información adquirida al instante en que se está realizando la prueba. Figura 12.Diagrama de bloques de adquisición de datos SISTEMA DE ADQUISICIÓN DE SEÑALES MODULO DL10055 SISTEMA DE ALIMENTACIÒN MODULO DL10065 MOTOR SISTEMA DE ADQUISICIÓN DE SENALES DE CORRIENTE. SISTEMA TRANSDUCTOR DE SEÑALES SISTEMA GRÁFICO SISTEMA DE ADQUISICIÓN DE SENALES DE TENSIÓN. 4.2 ESQUEMA DE BLOQUES DEL DIAGNÓSTICO DE LA APLICACIÓN. En el diagrama mostrado en la figura 13 se puede observar las secciones de adquisición de datos, entre las cuales se presentan: la adquisición de las señales de alimentación (tensión y corriente), junto con la adquisición de las señales de velocidad, temperatura, par, potencia eléctrica y la sección donde las señales son convertidas en digitales para así ser vistas y analizadas en el computador. Los equipos utilizados en la adquisición de señales en las pruebas realizadas se presentan en el anexo 3 46
48 Figura 13. Diagrama de diagnóstico para motores de inducción de baja potencia TRANSFORMACIÓN DE TENSIÓN MODULO ENTRADA TENSIÓN SCC-AI01 SCC-AI03 MODULO DE POTENCIA ELECTRICA (SCC AI03) BANCO DE PRUEBA / ALIMENTACIÒN MODULO (DL 10065) MOTOR PAR DE FRENO BANDEJA NI SC PC PINZAS AMPERIMETRICAS (AMEC MN 103) MODULOS DE CORRIENTE SCC-AI03 MODULO (DL 10055) MODULO DE VELOCIDAD (DL 10055) MODULO DE POTENCIA MECANICA (DL 10055) La medición de la corriente es realizada por medio de tres pinzas amperimétricas AEMC MN 103, las cuales toman la medida de la corriente de las fases de alimentación del motor. Estas señales son llevadas los módulos NI-SCC los cuales convierten las señales análogas a señales digitales para luego ser graficadas por medio de la aplicación realizada. En cuanto a la medición de las señales de tensión, estas son tomadas de las fases de alimentación del motor, por medio del sistema de transformación utilizado en el estudio A study of voltege sags in electric motors elaborado por el grupo CALPOSALLE de la de la Universidad de la Salle, para luego ser llevadas a los módulos de conversión de señales análogas en digitales y finalmente ser graficadas mediante la aplicación. La medición de la velocidad y la potencia mecánica es realizada por medio del módulo Dalander DL el cual convierte las señales de velocidad que son tomadas por un transductor óptico el cual esta acoplado al eje del motor. La señal de la potencia mecánica es tomada de un módulo de control de torque el cual esta acoplado al eje del rotor del motor analizado. Estas señales análogas son enviadas a la bandeja de módulos SC-2345 para convertir las señales análogas en señales digitales y luego graficarlas por medio de la aplicación. 47
49 La señal de potencia eléctrica es tomada por medio del módulo DL el cual utiliza el método de los dos vatímetros para el calculo de la potencia eléctrica. La medición de temperatura obtenida por medio del sensor térmico de platino (RTD PT), el cual fue acoplado en los embobinados del estator del motor, igualmente se realizo un seguimiento de la temperatura de la carcaza del motor por medio de una cámara termográfica fluke y un termómetro óptico Extech. Las especificaciones de la cámara termográfica la RTD y el termómetro óptico se encuentran en el anexo 3. 48
50 4.3 APLICACIÓN DESARROLLADA. Figura 14. Diseño de la aplicación desarrollada. En el VI o aplicación realizada para el monitoreo de los motores, se observan diferentes módulos o pestañas. Para mostrar varias gráficas se utilizó la función <tab control> ubicada en la paleta de <controls Array & cluster>, los cuales están definidos de la siguiente forma: 49
51 1.Señal de entrada de tensión: en esta pestaña se grafica la forma de onda de tensión de alimentación del motor para sus tres fases. 2.Señal de entrada de corriente: en esta pestaña se grafica la forma de onda de la corriente por cada fase del motor. 3.Velocidad: en esta pestaña se muestra una representación gráfica de la velocidad en revoluciones por minuto registrada del motor, junto con la medición de la temperatura en grados centígrados. Igualmente da a conocer el deslizamiento del motor, el cual es la relación de la velocidad del eje del motor y la de sincronismo, finalmente se presenta la eficiencia la cual es la relacione entre la potencia mecánica y la eléctrica. 50
52 4.Espectro de tensión: en esta pestaña se grafican los espectros arrojados después de realizar la FFT a la señal de alimentación. 5.Espectro de corriente: en esta pestaña se grafica el espectro después de realizada la FFT a la señal de corriente del motor. En la grafica 15 se muestra la configuración de todas las Transformadas Rápidas de Fourier (FFT) utilizadas en este trabajo de grado, se toma la medida de la onda completa para realizar la FFT bajo la ventana hanning la cual tiene una confiabilidad del 95 % en las FFT, para luego arrojar resultados en db. El algoritmo utilizado por el VI empleado para la FFT se presenta en el anexo 2. Figura 15. Configuración de la FFT 51
53 6.Temperatura: el indicador muestra la temperatura que es tomada por el sensor térmico que fue acoplado a las bobinas del estator del motor. 7.En esta sección se presentan los valores de deslizamiento y eficiencia del motor, igualmente el usuario de la aplicación deberá registrar el valor de la velocidad de sincronismo del motor que se está analizando, para poder realizarse estos cálculos. 8.Sección en la cual muestra las frecuencias superior e inferior de los de los rodamientos con el fin de determinar el desgaste de los rodamientos. Para complementar este análisis se tendrá que realizar un análisis de vibraciones con el fin de determinar de forma certera el desgaste de los rodamientos. Cabe aclarar que en este trabajo de grado no se realizo el análisis de vibraciones puesto que este equipo no fue accesible durante la realización del estudio realizado. 52
54 La aplicación desarrollada en este proyecto se realizó con el objetivo fundamental de obtener, presentar y registrar la información necesaria para la realización de un estudio que pronostique fallas mecánicas en los motores de inducción. Cabe recordar que la información recopilada durante las pruebas realizadas a los motores de inducción de baja potencia analizados es almacenada en una base de batos basada en Microsoft Access. 53
55 5. PRUEBAS DE LABORATORIO Las pruebas tienen como objetivo principal la verificación de las predicciones establecidas en la teoría sobre fallas en las barras en motores de inducción y así evaluar la confiabilidad del programa de diagnóstico para identificar las componentes de frecuencia asociadas a los problemas de las barras rotas. Las pruebas se realizaron sobre un motor de inducción BALDOR de 1 hp adquirido de la industria, los diagramas del los montajes realizados en las pruebas se presentan al final de este numeral. Las especificaciones técnicas de los instrumentos de medida junto con las del motor se encuentran en el anexo 3. En el laboratorio se realizaron diferentes pruebas en las cuales se estudió el motor en vacío y con carga, durante un tiempo de dos horas, el cual es el tiempo estimado en que un motor tarda en llegar a su estabilidad térmica, para estas pruebas se utilizó el montaje presentado en la figura 16. Figura 16. Montaje realizado para la elaboración de las pruebas de laboratorio 54
56 En las pruebas realizadas con carga, se acopló al motor un generador, colocándole una carga resistiva de aproximadamente 700 W y 300 W, como el motor es de 1 hp, lo cual corresponde a 750 W aproximadamente, se simularon una carga máxima y media carga para el motor. Igualmente también se acopló al motor el freno a polvo Dalander DL 1019 buscando sobrecargar el motor analizado. Se tomaron las mediciones de temperatura de los embobinados del estator, por medio del sensor térmico acoplado a los embobinados del estator. de igual forma fue realizado un seguimiento de la temperatura de la carcaza del motor, tomando mediciones cada 5 minutos con el termómetro óptico EXTECH durante un periodo de 2 horas. Para complementar seguimiento térmico del motor analizado, se realizó el rastreo de la temperatura del motor durante las pruebas por medio de la cámara termográfica FLUKE. Para las pruebas realizadas al motor Baldor con carga de 300 W, se observa que la corriente de las fases de alimentación del motor es aproximadamente 1.3 A por fase. Con una tensión de alimentación de 120 V por fase. Durante la prueba realizada no se varía la tensión de alimentación del motor. Durante el tiempo de la prueba se realiza el seguimiento del espectro armónico de la corriente observando que se presentan las frecuencias críticas que representan la aparición de fallas mecánicas en el rotor del motor (Figura 17). Estos espectros comprueban la presencia de picos a los valores teóricos de frecuencia predichos por la ecuación (9). Figura 17. Espectro de corriente para una carga de 300 W 55
57 Como se pudo observar en la grafica 17 la prueba con carga de 300W. Igualmente en la prueba realizada con una carga de 700 W, se presentan las frecuencias que aparecen, cuando hay barras rotas en el rotor del motor. para esta prueba la corriente por fase fue de 1.5 A aproximadamente, la tensión de alimentación fue de 120 V por fase y se mantuvo estable durante la prueba. En la figura 18 se muestra el espectro de corriente bajo una carga de 700 W. Figura 18. Espectro de corriente bajo una carga de 700 W Como punto de comparación se tomaron los espectros de corriente al motor DALANDER DL 1021, para presentar el espectro cuando un motor no presenta ningún tipo de falla (Figura 19). Figura 19. Espectro de corriente del motor DL
58 Con respecto al seguimiento térmico, durante las pruebas realizadas se realizó el rastreo de la temperatura de la carcaza del motor analizado por medio de el termómetro óptico EXTECH y la cámara termográfica FLUKE igualmente se realizó el registro d la temperatura de los bobinados del estator, por medio de sensor térmico de platino (RTD). El análisis del seguimiento térmico realizado al motor analizado se presenta en el capitulo donde se dan a conocer los resultados observados. 57
59 6. RESULTADOS Las pruebas realizadas en el transcurso de este trabajo de grado, presentan como objetivo verificar lo establecido en la teoría sobre las fallas en las barras en los motores de inducción y así mismo evaluar la capacidad de la aplicación para identificar las componentes de frecuencias que aparecen cuando se presentan dichas fallas. La realización de dichas pruebas, fue realizada a un motor de inducción de jaula de ardilla (DL 1021) del laboratorio de la facultad el cual se presume que esta en buen estado y a un motor Baldor de inducción con rotor de jaula de ardilla adquirido en la industria, al cual se le realizó perforaciones a su rotor (Figura 20), para simular una fractura o rotura una barra. Las especificaciones de los motores anteriormente mencionados se presentan en el anexo 3. Figura 20. Rotor con perforación simulando la rotura de una barra 58
60 6.1 COMPARACIÓN DEL ESTADO DEL MOTOR ADQUIRIDO EN LA INDUSTRIA Y UN MOTOR EN BUEN ESTADO. Como se planteo en los estudios anteriormente mencionados, la presencia de barras rotas en el rotor de inducción provoca la aparición de armónicos adicionales en las corrientes de fase del estator. Aunque el motor esté en perfecto estado, estos armónicos siempre están presentes en la corriente de la máquina, debido a las asimetrías del rotor inherentes al proceso de fabricación y ensamblado.[18] En la figura 9 se presenta el espectro de la señal de corriente tomado mediante la aplicación realizada, al motor DL 1021 del cual se presume que no presenta ningún tipo de avería puesto que los motores del laboratorio están en muy buen estado. Como se puede contemplar en la figura 21, se observa la presencia de frecuencias cercanas a la fundamental con magnitudes pequeñas, estas frecuencias según la teoría planteada, son debidas a algún tipo de asimetría del rotor. Bandas laterales por asimetrías en el rotor Figura 21. Espectro de corriente para un m otor sano En la figura 22 se comprueba lo planteado en la teoría, en la cual se plantea; cuando se presenta una falla por la rotura de una barra en el rotor del motor, observa la presencia frecuencias cercanas a la fundamental las cuales se plantean bajo la formula Fe(1+2s). Estas frecuencias emergen cuando en el rotor se presenta una falla. La magnitud de estas frecuencias, depende de la gravedad de la falla que se presente en el rotor. El método para detectar que tan grave es 59
61 la avería que se esta presentando en el rotor del motor, esta basado en la tabla que planteo cabañas en su estudio criterio de diagnóstico de daños en barras del rotor. Frecuencias presentadas por una barra averiada f e 1± 2 s Figura 22. Espectros de corriente para el m otor analizado De las figuras 21 y 22, se puede observar en el espectro de las corrientes del estator, que surgen frecuencias cercanas a la fundamental las cuales aparecen por algún tipo de simetría o por alguna falla que se presenta en el rotor. Observando en la figura 22, al presentarse una avería en el rotor, la magnitud de los armónicos que surgen bajo la fórmula presentada en la figura, es mayor a la magnitud que presentan estos mismos armónicos en la figura 21. Por lo tanto, se puede plantear que al presentarse una avería en el rotor de un motor de inducción, la magnitud de estos armónicos aumenta, según planteado en la teoría entre tanto la magnitud de estos armónicos sea mayor, mayor será la gravedad de la falla que se presenta en el motor. Conforme lo planteado en la teoría, es necesario realizar la detección de los armónicos a las frecuencias planteadas y realizar el cálculo de la diferencia que hay entre la magnitud de la frecuencia fundamental y la magnitud de estos armónicos, o su equivalente a tomar la magnitud que hay entre el pico de la frecuencia fundamental y el pico de los armónicos que aparecen al presentarse la falla. 60
62 Igualmente como se planteó anteriormente la diferencia que se detecte entre estos armónicos y frecuencia fundamental, da a conocer la gravedad de la falla, conforme lo expuesto en el la Tabla 3. Tabla 3. Diagnóstico de daños en las barras del rotor Diagnóstico de daños en el rotor Diferencia de la amplitud entre la banda lateral inferior y la componente fundamental (db) Diagnóstico Diferencia > 49 Motor sano 46 < Diferencia < 49 Algún punto de alta resistencia 44 < Diferencia < 46 Varios puntos de alta resistencia 39 < Diferencia < 44 Muchos puntos de alta resistencia o una barra rota 35 < Diferencia < 39 Al menos una barra rota Diferencia < 35 Varias barras rotas Fuent e: Criterio de diagnóstico de daños en barras del rotor, Cabañas et al, 1998 En las figuras 23 y 24, se presentan los espectros arrojados por la aplicación, durante las pruebas realizadas al motor adquirido de la industria, para el caso en el cual estaba acoplado un generador con una carga de aproximadamente 700 W igualmente se presenta el espectro arrojado por el motor en buen estado bajo las mismas circunstancias a las que se vio expuesto el motor de la industria. Como se puede observar se presentan cerca al armónico de frecuencia fundamental unos armónicos el cual los llamados bandas laterales superior e inferior. Estos espectros comprueban la presencia de picos a frecuencias planteadas por medio de la ecuación f e *(1-2*s) [18]. Realizando la comparación del espectro arrojado para el motor DL1021 y el espectro del motor BALDOR adquirido de la industria, se puede apreciar que la diferencia que hay entre el pico de la frecuencia fundamental con los picos de las bandas laterales de cada espectro, permite determinar que en el motor Baldor se presentan puntos calientes o una barra rota o averiada, conforme lo establecido en la tabla 3. Para el motor DL 1021 se observa que la diferencia presentada entre los picos de las frecuencias mencionadas es de 50 db, y conforme lo establecido en la Tabla 3 el motor esta en buen estado. 61
63 Figura 23. Espectro de corriente para el motor adquirido en la industria Figura 24. Espectro de corriente para un motor en perfecto estado Se puede apreciar el daño en el motor por medio de la diferencia de la magnitud del espectro de la frecuencia fundamental y los picos de las bandas laterales. Se observó que dependiendo de la carga a la que esta expuesto el motor, las bandas laterales se alejan del espectro de la frecuencia fundamental. En la tabla 3, se da a conocer los rangos de diferencia entre la amplitud de las bandas laterales y la fundamental junto con el diagnostico que plantea Cabañas en su estudio Métodos no convencionales para la detección y diagnóstico precoz de fallos en motores eléctricos [19]. 6.2 ANÁLISIS TÉRMICO DE LOS MOTORES. Durante las pruebas realizadas a los motores analizados se realizó un seguimiento térmico el cual consistía en tomar la temperatura en la cual se encontraban las bobinas del estator, junto con la 62
64 temperatura a la cual se encontraba la carcaza del motor. para un seguimiento térmico mas profundo se realizó una exploración térmica por medio de una cámara termográfica Fluke. Las especificaciones de la cámara se dan a conocer en el anexo 3. Según estudios realizados por Hidalgo [5 ] existe alrededor de 15º C a 20º C de diferencia entre la temperatura de la carcaza y del devanado y la misma depende también de la temperatura ambiente 12. Durante las pruebas efectuadas, a los motores de inducción analizados, se realizó el seguimiento de la temperatura y se constató la afirmación realizada por Hidalgo, en el campo de la termografía infrarroja aplicada a los motores de inducción, realizando el promedio de la temperatura que se presentaba en cada prueba, y el promedio aritmético de la temperatura promedio de todas las pruebas realizadas a los motores analizados, se llega a la conclusión que aproximadamente la diferencia entre la temperatura de la carcaza del motor y la temperatura de las bobinas del estator, es de 19º C. Por medio de este análisis se podría corroborar la afirmación realizada por Hidalgo puesto que el promedio de temperatura tomado durante las pruebas, está dentro del rango que se plantea en su estudio. Para el análisis térmico realizado durante cada prueba, se investigó el tiempo aproximado en el cual un motor llegaba a su estabilidad térmica el cual esta determinado un tiempo de 2 horas aproximadamente. La medición de la temperatura fue realizada con una periodicidad de 5 minutos, con el propósito de obtener una muestra no tan pequeña y así obtener los incrementos de temperatura en periodos confiables, estos tatos fueron registrados durante cada prueba para luego realizar el análisis térmico. Se llevaron a cabo diferentes pruebas al motor BALDOR adquirido de la industria para una carga aproximada de 300W, determinando que el motor llegaba a una temperatura máxima promedio de aproximadamente de 70º C, durante el tiempo estimado en el cual el motor llegaba a su estabilidad térmica, como se muestra en la siguiente gráfica: 12 Juan C. Hidalgo B. La importancia de la correlación de las tecnologías predictivas en el diagnóstico de los motores eléctricos.león, CTO. México. Octubre de
65 Figura 25. Representación gráfica del análisis térm ico para el m otor de 1 hp. adquirido de la industria :05 0:10 0:18 0:20 0:28 0:30 0:35 0:44 0:52 0:57 1:05 1:13 1:18 1:24 Grados ºC 1:30 1:36 1:42 1:48 1:54 2:01 2:08 Tiempo (min) Carcaza Devanados En las pruebas realizadas al motor BALDOR, con tipo de aislamiento clase A, su temperatura no supero las temperaturas máximas permitidas según la norma IEEE En la tabla 4 se presenta los valores máximos de temperatura que puede llegar un motor dependiendo de la clase de aislamiento en el cual fue construido. Tabla 4. Clasificación térm ica según tipo de aislam iento Tipo aislamiento Clase A Clase E Clase B Clase F Clase H Clase N de Temperatura 105º C 120º C 130º C 155º C 180º C 200º C A continuación se presenta, una termografía tomada al motor BALDOR que fue adquirido en la industria junto con una termografía del motor DL 1021 con que cuenta el laboratorio de la facultad y que fue utilizado como punto de comparación en este trabajo de grado. En la figura 26, la cual fue tomada al motor BALDOR, de 1 HP en funcionamiento con una carga aproximadamente de 300 W, se puede 64
66 plantear que la temperatura de la carcaza del motor se encuentra aproximadamente a 60º C. Se podría advertir que la temperatura que se presenta a esta carga, está en un nivel alto y posiblemente se esté presentando un calentamiento excesivo en los devanados del estator, puesto que para el tipo de aislamiento del motor y la carga en el cual se expuso el motor, y aplicando la teoría planteada por Hidalgo el rotor estaría a una temperatura aproximadamente de 80ºC, lo cual mirando el porcentaje de carga a la cual está expuesto el motor con respecto a la carga nominal del mismo, su temperatura es demasiado alta. Al detectar temperaturas altas en los motores, es recomendable la realización de un seguimiento térmico a los motores, puesto que posiblemente el aumento de la temperatura ocasionará fallas en el aislamiento de los embobinados del estator y por consiguiente detenciones inesperadas de los procesos en los cuales están asociados lo motores. En la figura 27, tomada al motor (DL 1021) el cual no presenta ningún tipo de falla, cuando está expuesto a plena carga, se puede observar un punto caliente bien definido, no obstante apenas se registró una temperatura máxima de 50.4º C este punto. Al comparar las termografías tomadas a los motores analizados se observa que el motor que está en buen estado y funcionando a una carga aproximadamente de 700 W o plena carga llega a una temperatura aproximadamente de 43ºC en su carcaza, mientras que el motor que presenta falla en el rotor, bajo una carga de 300W, presenta una temperatura promedio de 56ºC en su carcaza. Conforme lo anterior se puede concluir que al presentarse fallas en el rotor del un motor, se presenta un aumento considerable de la temperatura, lo cual conllevaría a fallas en su aislamiento provocando cortocircuitos entre espiras o cortocircuitos en los devanados. Es de gran importancia, cuando se observan puntos calientes en las termografías realizadas a los motores, iniciar la realización de un seguimiento al motor, y proceder con la implementación de una ruta de análisis térmico, puesto que estos puntos calientes pueden producir posibles averías en el Motor. 65
67 Motor de la Industria Motor en buen estado Figura 26. industria term ograf ía de m otor de la Figura 27.term ograf ía m otor en buen estado 66
68 7. CONCLUSIONES Se da a conocer una alternativa para en la detección de fallas en el motor de inducción. Los resultados obtenidos junto con los estudios realizados por otros autores indican que mediante al análisis de los espectros de las señales eléctricas de un motor, es posible realizar un diagnóstico a los motores. Las tecnologías más comunes en el análisis predictivo tienen severas limitaciones y fallan en precisar las causas de las anomalías en un motor eléctrico. Por esta razón se da a conocer una alternativa de análisis de los motores que se encuentran en funcionamiento. Se da a conocer una técnica de mantenimiento basada en el análisis del espectro de la corriente la cual es empleada y utilizada en tensiones de alimentación senoidal. Las pruebas realizadas en el motor adquirido de la industria, arrojaron resultados alentadores que permite confiar en que el desarrollo presentado será una herramienta confiable en el análisis de motores. Se pudo apreciar que la rotura de barras en el rotor genera una asimetría en el diseño, lo cual produce un campo magnético de sentido contrario al giro del rotor, produciendo un campo pulsante que corta las bobinas del estator, induciendo una frecuencia la cual es el doble de la del deslizamiento. En la aplicación realizada se muestra una aproximación de las bandas de frecuencias inferiores y superiores, con el fin de determinar desgastes en los rodamientos del motor, este análisis debe ser complementado por medio de un estudio de vibraciones, el cual no fue realizado en este trabajo de grado puesto que al no tener accesible instrumento que midiera las vibraciones del motor no se logro realizar. 67
69 Se da a conocer que la mayor parte de las fallas que se producen en el estator afectan en gran parte el sistema de aislamiento lo cual es debido a la acción de distintos esfuerzos. Se da a conocer que la gran mayoría de los problemas que surgen en la jaula de ardilla, están relacionados con las altas temperaturas que son alcanzadas en el rotor. Se presenta la termografía infrarroja como una alternativa de apoyo a las técnicas predictivas de análisis de motores, no obstante el diagnosticar con certeza la causa exacta de la falla en un motor eléctrico con solamente la termografía, es sumamente difícil. 68
70 8. RECOMENDACIONES Para desarrollos futuros en los cuales sea necesario la adquisición de las señales de tensión, es indispensable y necesario, por parte de la facultad de Ingeniería Eléctrica se realice la adquisición de un sistema trifásico de transformación de tensión con un gran ancho de banda. Es necesario por parte de la planta de docentes, incentivar al estudiantado en la utilización de los equipos y materiales adquiridos en el laboratorio de la facultad y desconocidos por los estudiantes. Dar a conocer a la comunidad estudiantil de la Facultad de Ingeniería Eléctrica en la Universidad de La Salle las diferentes herramientas adquiridas por el laboratorio y las muchas aplicaciones en que se pudiesen realizar. Motivar al estudiante de la facultad a la realización de proyectos e investigaciones enfocadas al monitoreo y control de diferentes procesos industriales, por medio herramientas multimediales, enfocándose en los sistemas de control remoto que se pudiesen presentar en la industria. Es recomendable una mayor adquisición de equipos por parte de la facultad que permitan el análisis de señales eléctricas y que tengan la flexibilidad de integración con plataformas multimediales como Labview. 69
71 BIBLIOGRAFIA [1] Riveros, S, y Torres, C. Practicas reales y virtuales por medio de LabView para laboratorios de Ingeniería Eléctrica. Bogota. Ingeniería Eléctrica Universidad de La Salle [2] Garcia, M y Rodríguez, G. Diseño de sistema Scada para laboratorio de maquinas eléctricas de inducción mediante LabView. Bogota. Ingeniería Eléctrica Universidad de La Salle [3] Bossio, G, Solsona, J. y Garcia, G. Diagnóstico de fallas en motores de inducción mediante una estrategia de estimación de posición. Río Cuarto Argentina. Universidad Nacional [4] Hidalgo, J. Análisis de las zonas de falla de motores eléctricos. San José de Costa Rica. Grupo TERMOGRAM. s.f. [5] Hidalgo, J. La importancia de la correlación de las tecnologías preventivas en el diagnóstico de motores eléctricos. México [6] Quispe, E. Y Maltilla, L. Motores de alta eficiencia. Universidad Autonoma de Occidente. Cali. s.f. [7] Termogram. Consideraciones para el análisis de motores Costa Rica. s.f. [8] DUQUE, O., Perez, M. y Morínico, D. Detección de fallos en motores de inducción alimentados por convertidor. Universidad de Valladolid. Mayorca [9] Filman, G et al. On line motor diagnostics. IEEE Computer Applications in power magazine. Denver [10] Cusido, J. Y Rosero, J. New fault detection techniques for induction motor. Electrical Power quality and utilisation. Magazine [11] Perez, J. Cortes, C. y Gomes, A A study of voltaje sags in electrical Motors. Universidad de La Salle. Octubre [13] Molima, J Mantenimiento y seguridad industrial. s.f. 70
72 [14] Wayne, B y Kirtley Jr. J. Manual del motor eléctrico McGraw-Hill [16] Stack, J, habetler, T. y Harley, R. Bearing fault detection via autoregressive atador corrent modeling. IEEE Transactions an Industry Aplications, Mayo de [17] Schoen, R., Habetler, T., Kamran, F. y Bartfiel, R. Motor bearing damage detection using stator current monitoring. Industry Application, IEEE Noviembre de [18] Piñol, A., Ortega, J. Y Romeral, J. Mantenimiento predictivo de motores de inducción s.f. [19] Cabañas, M. Métodos no convencionales para la detección y diagnóstico precoz de fallos en motores eléctricos, 8a reunión de grupos de investigación en Ingeniería Eléctrica. Cadiz, [20] Irving L. Kosow. Máquinas Eléctricas y transformadores. 2. ed. México: Prentice-Hall, p [21] Chapman, S. Máquinas Eléctricas, 4 ed. México: McGaraw-Hill. 431 p. [22] IEEE recomended practices and requirements for harmonics control in electrical power sistems. ANSI/IEEE Standard [23] Funchs, E. et al. Aging of electrical appliances due to harmonics of the power systems voltaje. IEEE Trans. On Power Delivery. Nº 3 July, pp [24] Caballero. H. Diseño y desarrollo de un sistema de monitoreo de condición para motores de inducción, Dpto. de Ing. Mecánica. Uniandes. Bogotá. Colombia [25] Bellini A, Filippetti F, Franceschini G, Tassoni C, Passaglia R, Saottini M,Tontini G, Giovannini M y Rossi A. On-field Experience with on line diagnosis of large induction motors cage failures using MCSA. IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 38, Nº 4 Juli/August
73 [26] Duque, O., Perez, M. y Morinico, D Motores de inducción. Técnicas de mantenimiento preventivo. Ed. Abecedario, [27] Hirvonen R. On-line condition monitoring of defects in squirelcage motor, IEEE Transaction on industrial electronics, Vol 47 Nº 5 octubre 2000 pp [28] Thomson W. y Chalmers S J: A New On-line Computer Based Current Monitoring System for Expert System Fault Diagnosis of Induction Motors, Proc UPEC 88, Trent Polytechnic, Nottingham, England, [29] Thomson W.T. y Fenger M.: Current Signature Analysis to Detect Induction Motor Faults, IEEE Industry Applications Magazine, July/August Issue, [30] Rojas, C. Melero, M. Cabanas, M. Orcajo, G. Cano, J. Donsión, M. Evaluación experimental de los nuevos métodos de detección de asimetrías rotóricas en motores asíncronos de jaula de ardilla. VII Jornadas Hispano Lusas de Ingeniería Eléctrica. Madrid, July
74 ANEXOS 73
75 ANEXO 1 SISTEMAS DE MEDIDA Los sistemas de adquisición de datos DAQ (Data Acquisition) se pueden clasificar como externos e internos, dependiendo del sitio donde se encuentre la tarjeta de adquisición de datos. En algunos casos es conveniente tener un módulo transportable donde la tarjeta esté segura pero pueda ser retirada con facilidad, este montaje es práctico en aplicaciones de control remoto y medidas en campo. A un montaje de este tipo se le conoce como DAQ externo (Figura 1). El sistema DAQ interno (Figura 2) es aquel donde la tarjeta está ensamblada en la CPU del computador y no se necesita transportar el equipo, este montaje es apto para lugares donde los fenómenos físicos vayan al sistema DAQ y la distancia no sea mayor a la longitud del cable conector de la tarjeta al módulo de medidas. Figura 1. Sistema DAQ Externo Figura 2. Sistema DAQ interno Señal Análoga Se conoce como señal análoga, aquella cuyo valor varía con el tiempo y en forma continua, pudiendo asumir un número infinito de valores entre sus límites mínimos y máximos. Estas señales no pueden ser capturadas por un computador y deben ser digitalizadas, pero consiguiendo una señal muy precisa que no distorsione el fenómeno cuantificado. Cuando se miden señales análogas con una tarjeta DAQ, (Data Acquisition) se deben considerar los siguientes factores que afectan 74
76 la calidad de la señal digitalizada: modo, resolución, rango, ganancia, frecuencia de muestreo y ruido. Modo. Se refiere al tipo de conexión que aceptan las terminales de la tarjeta DAQ. Las conexiones utilizadas para entradas análogas son las siguientes: Referenciada.( Figura 3) En esta conexión las entradas del terminal común están referenciadas al mismo punto de tierra; es decir, todas las señales se conectan al mismo punto de tierra. Se recomienda utilizar esta conexión cuando: Las señales tienen una amplitud alta (mayores a 1 voltio). Los cables que corren desde la fuente de la señal hacia el hardware de la entrada análoga son cortos (menos de 4.5 metros). Todas las entradas comparten una referencia de tierra común. Si las señales no cumplen con todas las condiciones se debe utilizar la conexión diferencial. Figura 3. Conexión con punto de tierra referenciada Diferencial. (Figura 4)Cada entrada tiene diferentes potenciales con respecto a tierra. En esta conexión cada señal de entrada tiene su conexión a tierra independiente. Note que ningún terminal está conectado directamente a la salida eléctrica de tierra. Se recomienda su utilización cuando: Las señales tienen magnitud muy baja (menor a 1 voltio). Se tienen termocuplas, amplificadores aislados e instrumentos que especifique una señal de salida de punto flotante. Cuando se requiera reducir o eliminar los errores causados por ruido, ya que el ruido adquirido en modo común por las señales tiende a cancelarse. 75
77 Figura 4. Conexión diferencial Resolución. Es el número de bits usados para la representación de la señal análoga estableciendo la resolución del convertidor análogo a digital (ADC). Mientras mayor sea la resolución, mayor es el número de divisiones entre las cuales se divide el rango y, por lo tanto, menor es el cambio detectable en el voltaje (Figura 5). Figura 5. Ondas utilizando dos convertidores análogos digitales diferentes. Rango. El rango se refiere a los niveles de voltaje máximo y mínimo que el ADC puede adquirir. Las tarjetas DAQ, (Data Acquisition) ofrecen rangos seleccionables (10, 5, 1, 0.1 voltios y monopolares de 0 a 10 voltios)(figura 6), por lo que se puede ajustar el rango de la señal para aprovechar al máximo la resolución disponible para medir la señal con mayor precisión 76
78 Figura 6. Dos ondas con rangos diferentes. Ganancia. La ganancia se refiere a cualquier amplificación o atenuación de la señal que pueda ocurrir antes de que la señal sea digitalizada. Al aplicar ganancia a la señal se disminuye efectivamente el rango de entrada de ADC, y por lo tanto, se permite que el ADC utilice tantas divisiones digitales como le sea posible para representar la señal El rango, la resolución y la ganancia disponibles en una tarjeta DAQ, (Data Acquisition) determinan el menor cambio detectable en la entrada de voltaje. Este cambio de voltaje representa el bit menos significativo (LSB) del valor digital y es usualmente llamado ancho de código. El cambio detectable más pequeño se calcula como: Frecuencia de muestreo. Determina que tan seguido van a ocurrir las conversiones análogo-digitales. Una frecuencia de muestreo rápida adquiere más puntos en un intervalo de tiempo determinado y por lo tanto puede ofrecer una mejor representación de la señal original que una frecuencia lenta (Figura 7). Todas las señales de entrada deben ser muestreadas a una frecuencia de muestreo lo suficientemente rápida para reproducir fielmente la señal análoga. 77
79 Figura 7. Dos ondas con diferente muestreo de onda Se observa la misma onda pero muestreada a diferente frecuencia, se produce un fenómeno que distorsiona la verdadera frecuencia de la señal. La frecuencia de muestreo debe ser por lo menos el doble del componente máximo de frecuencia contenido en la señal que se desea digitalizar. Entrada Análoga LabVIEW es un programa adecuado para la adquisición de datos, entre otros motivos, por su total compatibilidad con las tarjetas de National Instruments. La interfaz gráfica ofrece una gran potencia de visualización de señales y dispone de librerías para el tratamiento de las señales adquiridas. LabVIEW ofrece una librería de adquisición de datos que proporciona al usuario una herramienta de fácil uso y que permite disponer de una mayor flexibilidad en cuanto al manejo de las tarjetas de adquisición de datos. AI Simple Channel. (Figura 8) Los VI s de uso más común son los siguientes: Para adquirir una muestra de la señal conectada a la tarjeta DAQ se utiliza AI Simple, este VI mide la señal conectada al canal especificado y regresa el voltaje leído. 78
80 Figura 8. AI Simple Channel. Device: es el número de dispositivo de la tarjeta DAQ. Channel: es una cadena de caracteres que especifica el número de canal de la entrada análoga. High Limit y Low Limit: especifican el rango de señal de entrada. Por defecto, las entradas son ±10 V, para la tarjeta PXI Estas entradas también sirven como protección para la tarjeta ya que si en algún momento el voltaje excede este límite la tarjeta no lo aceptará y no sufrirá daños. Sample: es la salida del VI y contiene el valor de la muestra adquirida (Voltios, Grados, Ohmios, Hertz etc.) AI Sample Channels.(Figura 9) Estos VI`s son utilizados para adquirir una muestra de varios canales análogos de una tarjeta DAQ este mide las señales conectadas a múltiples canales y regresan los voltajes medidos en un arreglo unidimensional. Figura 9. AI Sample Channels. Device: es el número de dispositivo de la tarjeta DAQ. Channel: es un cadena de caracteres que especifica el número de canal de la entrada análoga. High Limit y Low Limit: especifican el rango de señal de entrada. 79
81 El adquirir un punto a la vez puede no ser lo suficientemente rápido, además es difícil obtener un intervalo de muestreo constante entre cada punto porque la adquisición depende de factores como la velocidad de ejecución del ciclo, llamadas de parámetros adicionales, etc. Algunos VI`s permiten tener una adquisición a una velocidad mayor que un AI simple Chanel. AI Acquire waveform.(figura 10) Cuando sea necesario adquirir un número específico de muestras a una determinada velocidad de muestreo se debe utilizar estos VI`s. Al utilizar este VI se debe tener en cuenta la frecuencia de muestreo de la tarjeta y la cantidad de canales a utilizar. Figura 10. AI Acquire waveform. Device: es el número de dispositivo de la tarjeta DAQ. Channel: es una cadena de caracteres que especifica el número de canal de la entrada análoga. Number of Samples: es el número de muestras a adquirir. Sample rate: es el número de muestras a adquirir por segundo. High Limit y Low Limit: especifican el rango de señal de entrada. RMS. (Figura 11) Este Vi se utiliza cuando sea necesario adquirir el valor RMS de una muestra determinada. Figura 11. Valor RMS es la secuencia de entrada. 80
82 es la raíz deliberada significan(piensan) el valor cuadrado de la secuencia de entrada X. devuelve cualquier error o advertencia de los VI. Se podrá encadenar los errores de los VIs para que en el caso de presentarse una advertencia de error sin importar su localización aparezca la indicación de error. Finalmente en la siguiente figura se presenta el diagrama de bloques de la aplicación realizada para obtener la información de los motores analizados 81
84 ANEXO 2 MEDIDA DEL ESPECTRO DE FRECUENCIA Cálculo frecuencial Se presenta como referencia para una posible profundización del estudio en que el programa calcula las funciones de transferencia que se hace alusión en este proyecto. El programa de análisis está desarrollado mediante el entorno de programación Labview, de Nacional Instruments. Éste programa tiene una formulación para el cálculo de las funciones de transferencia dada la evolución temporal de las señales. Definición de FFT en el entorno Labview La FFT (Fast Fourier Transform) es una herramienta muy útil para el análisis de señales, aplicable en muchos campos. En concreto su aplicación al análisis de espectros es de gran importancia en este proyecto. La transformada rápida de Fourier muestra en el espacio frecuencial señales previamente obtenidas en el espacio temporal, de la siguiente manera: X ( f ) = F{ x( t) } = x( t) e j2 π2π Fuente: Nacional Instruments. An line support system. Windowing Optimizing FFTs Using Window function. Donde x(t) es la señal en el espacio temporal y X(f) es su transformada de Fourier. De igual forma la transformada discreta de Fourier (DFT) muestra secuencias temporales discretas en el espacio frecuencial, de la siguiente manera: dt n 1 j2 π ik/n X k = x i e i= 0 para k= 0,1,2,...,n-1 83
85 Donde x es la secuencia de entrada, X es la DFT y n es el número de muestras que tienen la secuencia temporal y la frecuencial resultante. La implementación de la DFT, requiere aproximadamente n2 operaciones complejas. Pero algoritmos eficientes pueden requerir tan solo nlog2(n) operaciones. Estos algoritmos se llaman FFT (Fast Fourier Transforms) En Labview existe la función FRF (frequency response function) predefinida por el programa, la cual dará como resultado la ganancia (en db) y la fase (en grados) y la coherencia en el espacio frecuencial teniendo como señales de entrada las señales temporales adquiridas durante el ensayo. La función FRF se utiliza para dar los resultados comentados la función FFT. Además de la señal de entrada, otro dato importante a la hora de calcular la FFT es el tipo de ventana a utilizar para dicho cálculo. En el caso de las señales que se analizan la forma mas clara para presentarlas es el tipo Hanning, puesto que gran parte de las señales son senoidales o combinaciones de las mismas y se requiere una cierta precisión en cuanto a frecuencia se refiere. Para aplicaciones en las que se requiere mayor precisión en cuanto a magnitud, pero se puede sacrificar algo de precisión en el control de la frecuencia se puede utilizar la ventana de tipo Flat top, pero en este caso no se considera conveniente. En general la ventana Hanning da resultados satisfactorios en un 95% de los casos de FFT. Tiene buena resolución en lo que a frecuencia se refiere y una reducida pérdida de datos en el cálculo de espectros cuando se utiliza este tipo de ventana. Otros parámetros que se han de indicar para el cálculo de la FRF son el promediado a utilizar, el número de medias a calcular, así como el traslape (overlap). Todos estos parámetros hacen referencia a como se irán calculando FFTs en diferentes secciones de la secuencia temporal. Este cálculo se va ejecutando sección a sección, y el solapado hace referencia al número de datos que se analizan en una sección y que eran pertenecientes a la sección analizada en el paso anterior. Cálculos FFT y frecuencia de adquisición 84
86 El análisis basado en cálculos de FFTs requiere que la frecuencia de adquisición (Fs) para obtener las secuencias de datos en el espacio temporal sea la adecuada. Para esto se sigue el criterio de Nyquist, según el cual la frecuencia de muestreo ha de ser como mínimo dos veces la máxima componente frecuencial que contiene la señal a muestrear. Si no se sigue el criterio de Nyquist aparece el problema del aliasing, el cuál provoca que las componentes frecuenciales por encima de Fs/2 aparecen como componentes frecuenciales por debajo de Fs/2. El VI presentado es una aplicación realizada por National Instrumens en el mejoramiento de su software. Este VI facilita realizar una variedad de medidas el cual contiene las opciones siguientes: Magnitud (pico)- Mide el espectro y muestra los resultados en términos de amplitud máxima. Magnitud (RMS)- Mide el espectro y muestra los resultados en términos de RMS. Espectro de Energía- Mide el espectro y muestra los resultados en términos de la potencia. 85
87 Densidad de Energía espectral- Mide el espectro y muestra los resultados en términos de poder la densidad espectral (PSD). Resultado Este opción del VI nos muestra dos opciones de ver los resultados del análisis. El primero de ellos es de forma lineal el cual nos muestra los resultados en términos de unidades reales. La otra opción es db, ésta nos muestra los resultados en términos de db. Ventana Ninguno: no aplica una ventana para Referirse a la Ventana de Dominio de Tiempo Escalada VI para la información sobre coeficientes y parámetros de ventana para cada tipo de ventana. Modo Vector- Calcula el promedio de cantidades complejas directamente RMS- hace un promedio de la señal Asimiento o muestreo máximo- se realiza haciendo un promedio en cada línea de frecuencia por separado, conservando niveles máximos de un registro de FFT al siguiente. El cargar Linear: Especifica el hacer un promedio linear, que hace un promedio sobre el número de paquetes usted especifica adentro Número de promedios en una manera no ponderada. Exponencial- especifica exponencial haciendo un promedio, que hace un promedio sobre el número de paquetes usted especifica en el Número de Promedios en una manera ponderada. haciendo un promedio de más importancia a los paquetes más recientes en el promedio que más viejos paquetes. Número de promedios: Especifica el número de paquetes para hacer un promedio. El defecto es 10. Espectro del producto Cada iteración- reiteración del espectro después de cada iteración del VI. Solamente cuando hace un promedio completo devuelve el espectro sólo después de que el VI junta el número de paquetes usted especifica en el Número de Promedios. Unwrap phase- se devuelve la señal en radianes Convertido a grado- se devuelve la señal en grados. 86
88 Señal de entrada de Window Esta sección de la aplicación muestra la señal de entrada del VI. Dando una muestra previa de la medida de la magnitud y de la fase de la señal FFT - (RMS) : devuelve el espectro y muestra los resultados en términos RMS El espectro muestra el contenido armónico de las señales periódicas PSD: devuelve la densidad espectral de la señal y la muestra en escala de frecuencia FFT - (pico) devuelve el espectro y exhibe los resultados en términos de amplitud máxima error hacia fuera Contiene la información del error. Si aparece error adentro indica que ocurrió un error antes de que el VI o función funcionara, error hacia fuera contiene la misma información del error. Si no, describe el estado de error que este VI o función produce. 87
89 ANEXO 3 EQUIPOS UTILIZADOS En las pruebas de laboratorio realizadas se utilizaron los equipos con que cuenta el laboratorio de la Universidad de la Sallé. Se realizaron los correspondientes montajes en los cuales se integraron equipos de medida y adquisición de señales con que cuenta el laboratorio de Ingeniería Eléctrica. Los implementos utilizados se presentan a continuación: DL 1021 MOTOR ASINCRONO TRIFASICO DE JAULA Motor de inducción con devanados trifásicos en el estator trifásico y arrollamiento en jaula de ardilla en el rotor CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS Potencia: 1.1 kw Tensión : 220/380 V /Y Corriente: 4.7/2.7 A /Y Velocidad: 2800 rpm, 60 Hz MOTOR BALDOR DE 1 Hp TRIFASICO DE JAULA Potencia: 0.75/1.0 Kw/Hp Tensión : 110/120 V Corriente: 4.7/2.7 A /Y Velocidad: 1750 rpm, 60 Hz 88
90 Motor de inducción Baldor adquirido en la industria es un motor con eficiencia de 0.8 con una potencia de un caballo de fuerza. Este motor fue utilizado en las pruebas realizadas para la detección de fallas por medio del análisis de sus componentes armónicas. DL 1027 MOTOR ASINCRONO TRIFASICO DE JAULA DE DOS VELOCIDADES Motor de inducción con devanado trifásico tipo Dhlander en el estator con la opción de configuración de 2 a 4 polos y rotor de jaula de ardilla. CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS Potencia: 0.9/1.1 kw Tensión : 380 V Corriente: 2.5/3.3 A Velocidad: 1420/2830 rpm, 60 Hz DL 1019P FRENO MAGNETICO DE POLVO Tensión Máxima de alimentación: 20 Vcc Velocidad Máxima: 4000 rpm M máximo: 20 Nm Potencia: 1.1 kw Freno electromagnético adecuado para probar los motores del laboratorio. Potencia nominal 1.1 kw a 3300 r.p.m. Se suministra con 89
91 nivel de burbuja, brazos, pesos y contrapesos para la medida del par y transductor óptico Con posibilidad de conexión a la célula de carga. BANDEJA NATIONAL INSTRUMENTS SC-2345 La bandeja NI SC-2345 consiste en dos tipos de portadores, el bloque de conector SC-2345 y el SC-2345 con conectores configurables. Estos recintos para la señal de SCC que acondiciona módulos se unen directamente a dispositivos DAQ de 68 pines. Ellos incluyen conectores para módulos SCC, con terminales de tornillo para la conexión conveniente a la entrada - salida digital y el contador/temporizador (GPCTR) señales del dispositivo DAQ. Estos portadores ofrecen tres opciones de potencia para aumentar la flexibilidad de despliegue. El SC-2345 incluye 20 conectores SCC, etiquetados J1 hasta J20 (ver la Figura 1). Los conectores J1 hasta J8 acomodan módulos SCC para condicionar señales sobre los canales de entrada análogos del dispositivo DAQ. 90
92 Se pueden utilizar los conectores J9 a J16 para los módulos digitales de la entrada-salida o el condicionamiento de la entrada análoga de la etapa dual. MODULOS NI SCC-AI Serie de Entrada Aislada Análoga Los módulos NI SCC-AI son de canal dual de entrada aislada análoga de voltajes de entrada de 50 a 42 V. cada módulo NI SCC-AI incluye un amplificador, un filtro pasa bajo, y un potenciómetro para la calibración. Estos módulos son de instalación nominal para la categoría 1 y proporciona la seguridad que el aislamiento sobre los 60 VDC La aplicación realizada para el desarrollo de este trabajo de grado requirió la utilización de 4 módulos SCC-AI03 y Un modulo SCC_AI01 91
93 Transductor Óptico de Velocidad y Medición Digital de Potencia (DL10055) Este módulo es adecuado para la medición directa del par desarrollado por los motores mediante la celda de carga y de la velocidad de rotación mediante el transductor óptico o dinamo taquimétrica, con la indicación de la potencia mecánica. Este equipo tiene indicación digital de las magnitudes medidas y condicionamiento de las mismas a niveles de tensión directa compatibles con la interfase para la adquisición de datos para un trazado automático de las características electromagnéticas de las máquinas. Módulo de medición digital de la potencia eléctrica (DL 10065) Este equipo es el adecuado para la medición de los parámetros eléctricos ya sea en corriente continua o corriente alterna trifásica con cargas desequilibradas. Este equipo cuenta con Voltímetro, amperímetro digital conmutables sobre las fases y vatímetro digital para mediciones en corriente alterna. Cuenta con salidas análogas proporcionales a las magnitudes detectadas y directamente compatibles con la interfase. 92
94 Pinzas Amperimetricas AEMC MN 103 Rango Nominal : 100 A Measurement Range: 1mA to 10 A 1 A to 100ª Output signal : 1mV/mA 1mV AC /A AC Rango de Frecuencia: HZ Estas pinzas son pequeñas para el uso en áreas pequeñas de difícil acceso. Están diseñadas para tomar medidas entre 1 y 100 amperios, toma la medida de corriente y genera una señal de tensión AC con un rango de transformación (1 mv /ma, 10 mv/a o 1 mv/a) para obtener medidas mas precisas y confiables. Estas pinzas se utilizaron en la adquisición de las señales de corriente del motor analizado. Transformador variable VARIAC En el desarrollo del proyecto se utilizaron tres Variac para hacer la transformación de la señal de tensión. El ancho de banda de estos instrumentos no afectaba la toma de medidas. En el desarrollo se utilizaron los Variac Corner Electric Pristol. 93
95 Tensión : 120 V Out V : V Tensión : 220/380 V /Y Corriente: 15 Cámara termográfica FLUKE Ti30 La cámara termográfica fluke es un instrumento pensado y fabricado para hacer rutas de inspección termográfica. Buscando la optimización de los programas de mantenimiento. Cuando se realiza las inspecciones termograficas se pueden identificar problemas potenciales en los equipos antes de que se presente algún tipo de falla. Rango de Temperatura: -10º a 250º C Precisión : 2º Resolución Óptica: 90:1 Tipo de Mira: Láser sencillo Temperatura Ambiente: -50 a 50ºC Termómetro EXTECH El termómetro EXTECH es un termómetro infrarrojo de temperatura con un rango de -20 º C a 320ºC ( 0ºF a 600ºF), tiene una ayuda de indicador láser incorporada para mejorar a tomar la medida del área a analizar. Se utilizó para realizar el seguimiento de la temperatura de la carcaza de los motores analizados. 94
96 Range : -20º a 320ºC ó 0 600ºF Accuracy: 2 % Resolución : 1ºF Emissivity : 0.95 Sensores Térmicos RTD`s Los RTD son sensores de temperatura resistivos. En ellos se aprovecha el efecto que tiene la temperatura en la conducción de los electrones para que, ante un aumento de temperatura, haya un aumento de la resistencia eléctrica que presentan. Este aumento viene expresado como: Donde: R es la resistencia a una temperatura de TºC R 0 es la resistencia a 0ºC T es la temperatura Este efecto suele aproximarse a un sistema de primer o segundo orden para facilitar los cálculos. 95
97 Un tipo de RTD son las Pt100. Estos sensores deben su nombre al hecho de estar fabricados de platino (Pt) y presentar una resistencia de 100ohms a 0ºC. Son dispositivos muy lineales en un gran rango de temperaturas, por lo que suele expresarse su variación como: Donde Tª0 es una temperatura de referencia y R0 es la resistencia a esa temperatura. Otros dispositivos similares son los Pt1000, con una resistencia de 1000ohms a 0ºC. Materiales comunes de la resistencia para RTD`s: Platino (el más popular y exacto) Níquel Cobre Balco (raro) Tungsteno (raro) VENTAJAS El RTD es uno de los sensores de temperatura más exactos. No sólo proporciona buena exactitud, también proporciona estabilidad y la capacidad de repetición excelentes. el RTD`s es también relativamente inmune al ruido eléctrico y por lo tanto bien adaptado para la medida de la temperatura en ambientes industriales, especialmente alrededor de los motores, de los generadores y del otro equipo de alto voltaje. CLASIFICACION Elementos de RTD El elemento de RTD es la forma más simple de RTD. Consiste en un pedazo de alambre envuelto alrededor de una base de cerámica o de cristal. Debido a su tamaño compacto, los elementos de RTD son de uso general cuando el espacio es muy limitado. 96
98 Elementos superficiales de RTD Un elemento superficial es un tipo especial de elemento de RTD. Se diseña para estar tan delgadamente como sea posible el buen contacto así de abastecimiento para la medida de la temperatura de superficies planas. (TDF Surface Element) RTD sonda La punta de prueba de RTD es la forma más rugosa de RTD. Una punta de prueba consiste en un elemento de RTD montado dentro de un tubo del metal, también conocido como envoltura. La envoltura protege el elemento contra el ambiente. (PR-10 punta de prueba) Términos de RTD RTD (detector de la temperatura de la resistencia) Siglas para el detector o el dispositivo de la temperatura de la resistencia. Un detector de la temperatura de la resistencia funciona encendido el principio del cambio en resistencia eléctrica en alambre en función de temperatura. Elemento de RTD Detectando la porción del RTD que se puede hacer lo más comúnmente posible de platino, de níquel, o de cobre Punta de prueba de RTD Una asamblea integrada por un elemento, una envoltura, un alambre del plomo, y una terminación o una conexión. Platino RTD También conocido como pinta RTD, el platino RTD es típicamente el el más linear, estable, repetible, y exacto de todos los RTD. Película fina RTD Thinfilm RTD se compone de una capa delgada de un metal bajo encajado en un substrato de cerámica y ajustado para producir el valor deseado de la resistencia. 97
99 Clase A RTD La tolerancia y la exactitud más altas, clase A (IEC-751), alfa del elemento de RTD = Clase B RTD La mayoría de la tolerancia y de la exactitud comunes, clase B (IEC-751), alfa del elemento de RTD = La curva europea resuelve tolerancia estándar de 0.1% estruendos y se conforma con el estándar del estruendo
100 MANUAL DEL USUARIO 99
101 MANUAL DEL USUARIO Laboratorio virtual para el análisis predictivo de fallas en motores de inducción de baja potencia (LABFault) Que es LABFault? LABFault es una aplicación que diagnóstica motores eléctricos de inducción por medio de análisis espectrales de las señales eléctricas. Porqué la utilización de LABFault? LABFault fue creado para realizar diagnósticos predictivos a los motores de inducción de baja potencia con que cuenta la industria. Descripción General El LABFault es una herramienta elaborada bajo la plataforma Labview que tiene como fin el desarrollo de sistemas de control y registro. La implementación del aplicativo deberá tener como mínimo en su ordenador el sistema operativo Windows XP o Linux, procesador de 1.4 Ghz, memoria de 128 y labview 7.0. haber instalado el software El LABFault tiene como requerimientos mínimos de hardware, un modulo DL 10055, modulo DL 10065, tres pinzas amperimétricas gran de un ancho de (AEMC MN103), transformador de tensión para cada línea de alimentación con un amplio rango de frecuencia, sistema óptico de velocidad sistema de medición de par, 4 módulos SCC-AI y bandeja de interfaz SC-2345, termómetro infrarrojo y Cámara termográfica (opcional). El LABFault es un sistema de monitoreo y registro, que permite visualizar los componentes eléctricos en un motor de inducción. Mediante el monitoreo de la tensión y corriente, esta aplicación será de gran ayuda para la programación del mantenimiento correctivo y predictivo. La aplicación presenta gráficamente los espectros de los armónicos de corriente del motor de inducción, permitiendo que el usuario diagnostique el estado del motor según el análisis de los espectros arrojados por la misma. LABFault además de ser una herramienta de monitoreo crea un registro durante las pruebas realizadas, permitiendo que ésta información sea almacenada en una base de datos la cual se presenta como el seguimiento histórico de los motores, y permite obtener una base importante en la programación del mantenimiento. Es de gran importancia aclarar que esta aplicación es un sistema de monitoreo y registro y no actuará como una protección a algún tipo de falla. Manual de conexión Al tener LABFault en el ordenador, el usuario deberá conectar el transformador de tensión y las pinzas perimétricas a las fases de alimentación del motor; luego deberá percatarse de conectar el 100
102 sistema óptico de velocidad, el cual debe estar acoplado al eje del motor, este sistema se conecta a un modulo DL 10055, la alimentación del motor se conectará al modulo DL 10065, determinando la potencia eléctrica del motor. Todos estos sistemas se deben acoplar al sistema transductor análogodigital, el cual consta de los módulos SCC-AI y la bandeja SC- 2345, la cual deberá conectarse al ordenador para así obtener la información requerida para realizar los análisis. Almacenamiento De Registros De Mantenimiento las pruebas de control, los registros tomados durante la prueba quedarán inventariados con él numero de registro del motor. Objetivo Presentar los espectros de los armónicos tanto de tensión como de corriente determinando fallas mecánicas en los motores, junto con el almacenamiento de algunos parámetros del motor, para la realización y programación de mantenimientos preventivos y correctivos. En la aplicación cuando el usuario inicia las pruebas a los motores, aparece la ventana de registro en la cual es solicitado el nombre del registro que sé creará. El usuario podrá nombrar el registro y determinar la ubicación en la cual ésta va a ser almacenada. Esta aplicación crea un archivo con extensión CSV, de fácil cargue a la base de datos Access para proseguir con el seguimiento del mantenimiento. Desarrollo de la aplicación La aplicación está desarrollada bajo la plataforma Labview y la cual por medio de pestañas nos da a conocer los análisis que realiza. Cuenta con dos botones uno de ellos es de inicio de las pruebas, el cual da arranque al sistema de adquisición y registros de la información del motor. A continuación se presenta una breve explicación de la funcionalidad y utilidad de cada una de las pestañas. Señal De Entrada De Tensión Sistema de almacenamiento El sistema de almacenamiento de la aplicación es de fácil desarrollo, solo basta con el ingreso de la identificación del motor a analizar antes de iniciar En esta pestaña se representa gráficamente en función de la frecuencia, la señal de tensión de alimentación del motor. 101
103 Señal De Entrada De Corriente En esta sección se representa de forma gráfica y numérica la temperatura en que se encuentran los embobinados del estator del motor analizado. Velocidad En esta pestaña se enseña gráficamente la señal de corriente de alimentación en función de la frecuencia. Velocidad y temperatura Se presentan indicativos gráficos de velocidad, en los cuales es representada la velocidad real que el motor está desarrollando durante la prueba Deslizamiento Y Eficiencia En esta pestaña se representa de forma gráfica e indicativa la velocidad a la cual se encuentra el motor analizado. También se presenta los siguientes indicativos de la aplicación. Temperatura En esta sección se generan dos casillas indicativas, las cuales dan a conocer el deslizamiento que se presenta en el motor, junto con la eficiencia que desarrolla la máquina durante la prueba. Además de lo anterior es un requisito esencial para obtener la información del deslizamiento y la eficiencia, que el usuario registre la velocidad de sincronismo del motor analizado. 102
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