Métodos para la detección y diagnóstico de fallos en motores eléctricos (Parte 2ª)

 

Detección de asimetrías rotóricas mediante el flujo axial y el par electromagnético

Como se desprende de lo expuesto en la Parte 1ª, aunque el análisis de corrientes en el dominio de la frecuencia es un método contrastado, presenta una serie de dificultades, de entre las cuales hay que destacar su escasa sensibilidad cuando el nivel de avería no afecta por completo al menos a una de las barras. Por este motivo, la búsqueda de nuevas variables de fácil aplicación y una mayor sensibilidad ha sido objetivo de los trabajos en varios proyectos de investigación.

De entre todas las variables de un motor de inducción, el flujo axial de dispersión y el par electromagnético han demostrado ser las que más información y sensibilidad presentan al estado de la máquina. En los próximos apartados se mostrará la forma de aplicación de estos nuevos parámetros al análisis de la asimetría rotórica y otros tipos de fallos.

El flujo axial de dispersión, principios, forma de medición y sensores

Se puede definir el flujo axial de dispersión de un motor de inducción como una pequeña parte del flujo total de la máquina, que se canaliza a lo largo del rotor cerrándose a través del aire. Aunque su naturaleza, y la forma de sus líneas de campo son esencialmente desconocidas, para clarificar su comprensión y diferenciarlo del flujo que atraviesa el entrehierro del motor, se puede presentar un pequeño gráfico que debe ser interpretado con muchas reservas (fig. 7).

Fig. 7. Representación gráfica del flujo axial de dispersión.

En una máquina sana e idealmente construida, el flujo debería, en su totalidad, atravesar el entrehierro en la dirección radial, siendo la cantidad de flujo axial nula. La presencia de pequeñas asimetrías e imperfecciones, tanto del material como de la construcción de la máquina, son la causa de que exista una cierta cantidad de flujo de dispersión que circula a través del motor en la dirección axial. Este origen del flujo axial es precisamente lo que va a permitir utilizarlo como parámetro de detección de fallos, ya que la presencia de averías no hará sino incrementar o modificar los niveles de flujo de estas características. Puesto que en una máquina sana, con una buena simetría en todos los devanados, aún existe una cierta cantidad de flujo axial, parece lógico que la aparición de una pequeña avería produzca importantes incrementos o modificaciones en el flujo axial ya existente. Esta idea tan simple es precisamente la base del diagnóstico de fallos mediante el análisis del flujo axial de dispersión.

Dadas las características especiales que presenta el flujo axial de dispersión se podría pensar, a priori, que su medición no es posible si no se realiza en el interior de la máquina. Sin embargo, a continuación se mostrará cómo es posible medirlo tanto desde el interior como desde el exterior. La forma más simple de medir el flujo axial desde el interior del motor consiste en construir una bobina que, concéntrica con el eje, permita el paso del flujo a través de ella. En la figura 8 se muestra este tipo de bobina aplicada a un motor utilizado en algunas pruebas de laboratorio.

Fig. 8. Bobina interna para la medición del flujo axial.

Un sensor como el de la fotografía consistente simplemente en un bobinado de hilo de cobre sin núcleo magnético alguno, es perfectamente válido para el estudio del flujo axial, ya que con un número reducido de vueltas es posible obtener una tensión de valor suficiente para el análisis en cualquier instrumento digital. El procedimiento anterior de introducir una bobina en el interior de la máquina es útil en el caso de que el motor se encuentre parado por otros motivos, o bien se pueda ubicar el sensor durante la fase de fabricación. Sin embargo, para emplear el flujo como método de diagnóstico en instalaciones industriales es necesario poder medirlo desde el exterior. Por este motivo, en estos trabajos de investigación se ensayaron diferentes diseños de bobina externa con capacidad para la medición de flujo axial.

La primera aproximación consistió en un arrollamiento de cobre, de características muy similares al descrito anteriormente. Situado en la parte posterior del motor debajo del ventilador. La figura 9 muestra una fotografía en la que el citado sensor ha sido aplicado a un motor de inducción.

 

Fig. 9. Bobina externa para la medición del flujo axial.

La bobina anterior, que tiene 200 vueltas, produce una señal de tensión perfectamente válida para su análisis directo en un analizador dinámico, o en cualquier otro instrumento de medida. La figura 10 muestra una representación en el dominio del tiempo de la señal obtenida. En ella se puede observar el elevado contenido en armónicos del flujo axial de dispersión. 

Fig. 10. Señal obtenida mediante bobina externa.

Mediante numerosas medidas en diferentes motores se pudo comprobar que el contenido en armónicos de la bobina interna y la externa son prácticamente equivalentes y, por tanto, ambas son válidas para el diagnóstico. Sin embargo, es necesario tener en cuenta algunas condiciones particulares que debe cumplir su instalación: de las diferentes posiciones en las que se puede situar la bobina se observó que las únicas que permitían una medida correcta del flujo eran aquellas en las que el eje del motor la atravesaba al situarla concéntrica con él.

Por otro lado, se obtuvieron también muy buenos resultados con bobinas de gran diámetro capaces de arrollar al motor completo. Sin embargo, este método se complica al ser aplicado a motores de gran tamaño. En definitiva las conclusiones obtenidas respecto a la geometría y ubicación de la bobina se pueden resumir diciendo que es perfectamente posible la medición del flujo de dispersión desde el exterior del motor, siempre que la bobina tenga un número de vueltas superior a 50, suficiente diámetro, y esté situada de forma concéntrica al eje, tanto por el lado del acoplamiento como por el del ventilador, tal y como aparece representado en la figura 11.

 

Fig. 11. Ubicación de las bobinas para la medición del flujo axial de dispersión desde el exterior del motor.

A la hora de aplicar el procedimiento en instalaciones industriales se encontró el problema de que en la mayoría de los casos, el funcionamiento de las máquinas no podía alterarse para introducir la bobina en su interior. Además, el hecho de que el eje deba ser pasante a través de la bobina externa complica aún más su uso, ya que la parada del motor es casi imprescindible. Por este motivo, se desarrolló un sensor desmontable apto para el uso sobre máquinas en funcionamiento. Además, dicho sensor se utiliza acompañado de un amplificador electrónico de ganancia regulable, el cual permite medir el flujo de dispersión de motores muy diferentes, aunque su rango de tensión inducida en la bobina sea también distinto.

En las figuras 12 y 13 se muestran el prototipo de bobina diseñado, construido a partir de conectores RS232, y el amplificador electrónico de ganancia regulable diseñado para adaptar los valores de tensión inducida en la bobina al rango de entrada de los equipos de medida.

 

Fig. 12. Prototipo de bobina desmontable.

Fig. 13. Amplificador de ganancia regulable.

Continuará en: Métodos para la detección y diagnóstico de fallos en motores eléctricos (y Parte 3ª).

 

FUENTES:

Grupo de investigación en el diagnóstico de Maquinas Eléctricas, Universidad de Oviedo (Manés F. Cabanas, Manuel G. Melero, Gonzalo A. Orcajo, José Manuel C. Rodriguez, Francisco R. Raya)

ABB Service Delegación de Asturias (Juan S. Sariego)