UN NUEVO ESQUEMA DE ANLISIS DE FALLAS MEDIANTE LA MEDICIN DE LA CORRIENTE DE ESTATOR EN MOTORES DE INDUCCIN
Mantenimiento Predictivo en Mquinas de InduccinIng. Guillermo Jimnez Estvez
DIEDepartamento deIngeniera ElctricaEL 67EDIEDepartamento deIngeniera Elctrica 7de Abril de 2006
Bombas de refino, 800 HP c/u, Radomiro Tomic, CodelcoDIEDepartamento deIngeniera Elctrica 7de Abril de 2006AgendaTcnicas de mantenimientoMonitoreo en lnea de mquinas de induccinCorriente de estatorPosibles fallas en mquinas de induccinAnlisis de envolventeTransformada HilbertAnlisis espectralWaveletsAnlisis estadsticoUtilidad de monitoreo en lneaTrabajo futuro
DIEDepartamento deIngeniera Elctrica 7de Abril de 2006Tcnicas de MantenimientoMantenimientoCorrectivoPreventivoPredictivoDIEDepartamento deIngeniera Elctrica 7de Abril de 2006Tcnicas de MantenimientoMantenimiento predictivoDeterminacin del estado de la mquina en operacin: La tcnica esta basada en el hecho que la mayora de las partes de la mquina darn un tipo de aviso antes de que fallen. (Diagnstico)
TermografaPruebas a la aislacin (Sobretensiones, tan d, descargas parciales)Temperatura Anlisis de vibracionesCorriente de estatorFlujo axial
Monitoreo en lneaDIEDepartamento deIngeniera Elctrica 7de Abril de 2006Tcnicas de MantenimientoMantenimiento predictivo
0.050.10.150.20.250.30.350.40.450.5-8-6-4-202468Stator current (Broken bar)Time [s] [A]DIEDepartamento deIngeniera Elctrica 7de Abril de 2006Monitoreo en LneaCorriente de estatorMediante el monitoreo en lnea de la corriente de estator de motores de induccin con rotor de jaula de ardilla en rgimen permanente se busca detectar tres tipos de fallas:
Rotura de barras en el rotorFallas en rodamientos
DIEDepartamento deIngeniera Elctrica 7de Abril de 2006Monitoreo en LneaCorriente de estatorMetodologa desarrollada:
Aplicacin de la Transformada HilbertObtencin de la envolventeAplicacin de la Transformada de Fourier y anlisis espectralReformulacin de las frecuencias tpicas de fallaAplicacin de la Transformada Wavelet y estimacin de umbrales de falla DIEDepartamento deIngeniera Elctrica 7de Abril de 2006Monitoreo en LneaMetodologa a desarrollarIdentificacin de fallasTransformada Hilbert
DIEDepartamento deIngeniera Elctrica 7de Abril de 2006Posibles fallas en mquinas de induccinFallas en rodamientosEfectos en el espectro de la corriente:
donde m = 1, 2, 3, ..... y fv es una frecuencia de vibracin caracterstica.
DIEDepartamento deIngeniera Elctrica 7de Abril de 2006Posibles fallas en mquinas de induccin Fallas en rodamientos
Corriente de estator de motor con falla en rodamientos.
Espectro terico de frecuencias de motor con falla en rodamientos SimulacionesDIEDepartamento deIngeniera Elctrica 7de Abril de 2006Posibles fallas en mquinas de induccin Rotura de barras
Corriente simulada para un motor con una barra rota. f=50 Hz, s=0.05, 4 polos y 44 barras
Espectro terico de frecuencias de la densidad de Campo B.(Obsrvese las componentes de rotura de barras) SimulacionesDIEDepartamento deIngeniera Elctrica 7de Abril de 2006Anlisis de envolventeLa Transformada HilbertAplicacin de la Transformada Hilbert a una seal real x(t) (azul) y(t)=H{x(t)}
Obtencin de la seal analtica
Clculo del mdulo de la seal analtica.
E (t) = Envolvente (rojo)
Seal original y envolvente simuladas para w=2p50, s=0.1
DIEDepartamento deIngeniera Elctrica 7de Abril de 2006Anlisis de envolvente La Transformada Hilbert
Envolvente de la Corriente de Estator de un motor de 5,5 HPDIEDepartamento deIngeniera Elctrica 7de Abril de 2006Anlisis de envolvente Interpretacin del espectro de frecuencias
A continuacin se observan las caractersticas del anlisis espectral clsico. En este caso se ejemplifica una rotura de barras que se presenta en las frecuencias 502sfFrecuencias de falla 50 2sfFrecuencia fundamental 50HzDIEDepartamento deIngeniera Elctrica 7de Abril de 2006Anlisis de envolvente Interpretacin del espectro de frecuencias
Se presenta un desplazamiento del espectro en 50 Hz, 50+2sf 2sfAhora e puede ver el espectro de frecuencias de la envolvente, la frecuencia de falla no se presenta en las frecuencias 502sf, solamente muestra la frecuencia 2sf caracterstica de la fallaFrecuencia de falla 2sfDIEDepartamento deIngeniera Elctrica 7de Abril de 2006Anlisis de envolvente Interpretacin del espectro de frecuencias
Debido al desplazamiento observado en los espectros anteriores, y aplicando esta metodologa a otro tipos de fallas y fenmenos se pudo reformular las expresiones para la identificacin de frecuencias tpicas de fallas y otros fenmenos caractersticos de los motores de induccin. Esto se ilustra en las tablas que se muestran a continuacin:Estas nuevas frecuencias se obtienen al restar de la expresin la componente fundamental fDonde,fr es la frecuencia de ranurado y se expresa como:
Con,p= nmero de polosf= frecuencia fundamentalNB= nmero de barrass= deslizamiento
DIEDepartamento deIngeniera Elctrica 7de Abril de 2006Anlisis de envolvente Interpretacin del espectro de frecuencias
A continuacin se muestra otro caso, en donde se analizan las frecuencias de saturacin y excentricidadDonde,fmec es la frecuencia mecnica y se expresa como:
Con,p= nmero de polosf= frecuencia fundamentalNB= nmero de barrass= deslizamiento
DIEDepartamento deIngeniera Elctrica 7de Abril de 2006Anlisis de envolvente Una aplicacin prctica
Correa mide aprox. 600 mts. y es accionada por dos motores de 1500 Hp a 2300 V., para el arranque se usa un variador de frecuencia el que luego del arranque queda fuera y los motores conectados directamente desde la red.
DIEDepartamento deIngeniera Elctrica 7de Abril de 2006Anlisis de envolvente Una aplicacin prctica Anlisis corriente de estator de un motor de 1500 HP, 2.3 kV, 4 polos y 1485 rpm que acciona una correa de 600 m de longitud en faena minera
Espectro de frecuencias para un motor real Espectro de frecuencias para un motor real (Envolvente)
DIEDepartamento deIngeniera Elctrica 7de Abril de 2006Anlisis de envolvente Una aplicacin prctica De acuerdo a lo observado anteriormente y a lo realizado en las tablas que se mostraron al inicio se calcula la tabla correspondiente para los fenmenos estudiadosObsrvese el desplazamiento de 50 Hz en las frecuencias calculadas
DIEDepartamento deIngeniera Elctrica 7de Abril de 2006Metodologa a desarrollar
Transformada WaveletVentana TukeyTransformada HilbertDIEDepartamento deIngeniera Elctrica 7de Abril de 2006Anlisis de envolvente La Transformada Wavelet
Anlisis Multiresolucin (MRA)
Algoritmo de descomposicin MRADependencia de las escalas y la frecuencia de las WaveletsSea s(n) una seal de tiempo discreto obtenida de un ins-trumento de medicin la cual es necesario descomponerla en sus versiones detallada y aproximada por medio del anlisis multiresolucin
DIEDepartamento deIngeniera Elctrica 7de Abril de 2006Anlisis de envolvente Wavelets y la deteccin de fallas (seal original, laboratorio)CaractersticaMotor con fallaMotor sanoMarcaWEGWEGPotencia [HP]5.55.5Velocidad nominal [rpm]14401425Tension nominal [V]D380380Y660660Corriente nominal [A]D9.38.7Y5.45.01Frecuencia nominal [Hz]5050Clase de aislamientoFFDIEDepartamento deIngeniera Elctrica 7de Abril de 2006Anlisis de envolvente Wavelets y la deteccin de fallas (seal original, laboratorio)Descomposicin de niveles MRA para Motor con Falla
NivelRango de Frecuencias [Hz]DesdeHasta150002500225001250312506254625312.55312.5156.256156.2578.12778.1239.06839.0619.53919.539.76109.764.88Fm=10 kHzDescomposicin de niveles MRA para Motor SanoNivelRango de Frecuencias [Hz]DesdeHasta125001250212506253625312.54312.5156.255156.2578.12678.1239.06739.0619.53819.539.7699.764.88104.882.44Fm=5 kHzDIEDepartamento deIngeniera Elctrica 7de Abril de 2006Anlisis de envolvente Wavelets y la deteccin de fallas (seal original)
Comparacin de detalles para motor sano y con fallaDIEDepartamento deIngeniera Elctrica 7de Abril de 2006Anlisis de envolvente Wavelets y la deteccin de fallas (envolvente de seal)
Coeficientes de detalle para un motor sano y otro con falla.
Envolventes de los coeficientes de detalle en noveno nivel para un motor sano y dcimo nivel con rotura de barrasTransitorioDIEDepartamento deIngeniera Elctrica 7de Abril de 2006Anlisis de envolvente Ventana Tukey
Coeficientes de detalleEnvolventeVentana TukeyDIEDepartamento deIngeniera Elctrica 7de Abril de 2006Metodologa a desarrollar
Distribucin WeibullDIEDepartamento deIngeniera Elctrica 7de Abril de 2006Anlisis EstadsticoFuncin Weibull, estimacin de parmetros (laboratorio)Parmetros estadsticos para un motor sano y otro con falla
ParmetroMotor SanoMotor con Fallaa0.36981.0794b1.43612.576VME0.33580.9585s0.23730.3993
DIEDepartamento deIngeniera Elctrica 7de Abril de 2006Anlisis EstadsticoEstimacin de valores medios esperados y umbrales de falla (laboratorio)
DIEDepartamento deIngeniera Elctrica 7de Abril de 2006Anlisis EstadsticoFuncin Weibull, estimacin de parmetros, faena mineraParmetros estadsticos para un motor sano y otro con falla
DIEDepartamento deIngeniera Elctrica 7de Abril de 2006Anlisis EstadsticoEstimacin de valores medios esperados y umbrales de falla, faena minera
DIEDepartamento deIngeniera Elctrica 7de Abril de 2006Verificacin de un nuevo esquema para la deteccin de fallas
DIEDepartamento deIngeniera Elctrica 7de Abril de 2006Cual es la utilidad de los sistemas de monitoreo en lnea?
Caso 1: Divisin Radomiro TomicProduccin diaria:830 toneladas
Falla de motor de factor de incidencia 0.50:12 horas
Prdidas en produccin:US$ 328.680
DIEDepartamento deIngeniera Elctrica 7de Abril de 2006Cual es la utilidad de los sistemas de monitoreo en lnea?
Caso 2: ECOPETROL-GAMProduccin diaria:10.354 BPD
Falla de motor de factor de incidencia 0.25:24 horas
Prdidas en produccin:US$ 72.500
DIEDepartamento deIngeniera Elctrica 7de Abril de 2006Cual es la utilidad de los sistemas de monitoreo en lnea?
Caso 3: Efecto de aplicacin de IGBT
DIEDepartamento deIngeniera Elctrica 7de Abril de 2006Trabajo futuroEn el campo del monitoreo en lnea y diagnstico de fallas no se ha dicho la ltima palabra. El nuevo desarrollo de modelos y simulaciones, estimacin de parmetros, diferentes mtodos de monitoreo (variables elctricas, temperatura, ruido, vibraciones) obligan a la continua investigacin y desarrollo del rea.
DIEDepartamento deIngeniera Elctrica 7de Abril de 2006Trabajo futuro
Fuente: Universidad de Manchester
DIEDepartamento deIngeniera ElctricaComponentes de frecuencia para un motor sano
Anlisis Clsico
FrecuenciaAnlisis Envolvente
FrecuenciaCausa
f0Frecuencia de la red
nfr f
nfrDiscretizacin campo magntico y ranurado del rotor.
_1111866232.unknown
Componentes de frecuencia para un motor saturado y excntrico
Anlisis Clsico
FrecuenciaAnlisis Envolvente
FrecuenciaCausa
f0Frecuencia de la red
ffmecfmecExcentricidad Dinmica.
(2n+1)f
2nfSaturacin
frffrRanurado de rotor
frfmecffrfmecRanurado de rotor y excentricidad dinmica
fr(2n+1)ffr2nfRanurado de rotor y saturacin
_1111866328.unknown
Componentes de frecuencia para un motor real.
Anlisis Clsico
Frecuencia [Hz]Anlisis Envolvente
Frecuencia [Hz]Causa
500Frecuencia de la red
150, 250100,200Saturacin
13,8737Excentricidad Dinmica
46,544Rotura de Barras
MInductoresRectificadorFiltro de continuaInversor Continua-AlternaInductoresCablesMotorInvestigacin y desarrollo en ingeniera de mantenimientoMonitoreo distribuido y sensores inteligentesFuentes de alimentacinFusin de datos y procesamiento de sealesVelocidad angular instantneaMotores DieselMotores reciprocantes y compresoresMonitoreo de equipos elctricosMonitoreo de condiciones basado en modelosMonitoreo acsticoInvestigacin y desarrollo en ingeniera de mantenimientoMonitoreo distribuido y sensores inteligentesFuentes de alimentacinFusin de datos y procesamiento de sealesVelocidad angular instantneaMotores DieselMotores reciprocantes y compresoresMonitoreo de equipos elctricosMonitoreo de condiciones basado en modelosMonitoreo acstico