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

 

Detección de asimetrías rotóricas mediante el estudio del flujo axial de dispersión en el dominio de la frecuencia

Tal y como se indicó anteriormente, cuando una barra del rotor de un motor de inducción rompe se produce una importante distorsión del campo magnético en torno a la avería. Este proceso modifica tanto el nivel como el contenido en armónicos del flujo axial de dispersión. Vas Peter presentó una serie de expresiones matemáticas en las que se recogen las frecuencias del flujo axial que deben ser sometidas a examen para determinar la presencia de asimetrías rotóricas (tabla II).

Tabla II. Frecuencias del flujo axial relacionadas con los fallos del rotor

Con el fin de mostrar la aplicación práctica del procedimiento a continuación se presentan una serie de resultados obtenidos en laboratorio, sobre motores de BT. Los rotores de los motores sometidos a examen fueron extraídos del motor y las barras rotóricas seccionadas intencionadamente hasta llegar a un total de 6 barras rotas. En la figura 14 se puede observar el estado final del rotor de uno de los motores. 

Fig. 14. Rotor de un motor sometido a una prueba experimental.

A continuación se pueden ver varios espectros de flujo axial, medidos en diferentes rangos de frecuencia y para distintos niveles de avería. En ellos se observa como un buen número de armónicos incrementan sus amplitudes con el nivel de fallo.

Las pruebas experimentales realizadas demostraron que el flujo de dispersión es más sensible que la corriente al agrietamiento o rotura de barras, ya que para el mismo nivel de fallo: media sección de barra rota, el incremento de amplitud que experimentaron los armónicos del flujo fue superior al de la corriente.

Por otro lado, la presencia de cargas con pares pulsantes afecta de forma menos acusada al flujo ya que el origen de éste no está tan directamente relacionado con la evolución del par del motor como ocurre con los armónicos laterales de la corriente (figs. 15, 16 y 17).

Fig. 15. Espectro de flujo axial entre 53 y 103 Hz con el motor trabajando a plena carga.

Fig. 16. Espectro de flujo axial entre 103 y 153 Hz con el motor trabajando a plena carga.

 

Fig. 17. Espectro de flujo axial entre 153 y 203 Hz con motor trabajando a plena carga.

Detección de asimetrías rotóricas mediante el estudio del par eléctromagnético en el dominio de la frecuencia

El par electromagnético de un motor eléctrico es una de las variables que más información contiene sobre el estado interno de la máquina, ya que está generado directamente por su campo magnético y por la corriente. Por este motivo, es lógico pensar que la influencia de las averías sobre este parámetro sea más acusada que sobre las corrientes de alimentación u otras variables.

En un estudio realizado en la Universidad de Oviedo se determinaron las componentes frecuenciales existentes en el par motor de una máquina sana las cuales respondían a la siguiente expresión: 

Expresión que debidamente analizada lleva a la conclusión de que las componentes de frecuencia que deben aparecer en una máquina sana son las siguientes: múltiplos de la velocidad de giro del motor, doble de la frecuencia de alimentación y combinaciones de las dos anteriores.

Conocidas estas frecuencias, es fácil aplicar el procedimiento de diagnóstico, ya que la aparición de nuevos armónicos de frecuencias distintas de las anteriores debe estar directamente relacionada con la existencia de alguna avería.

El principal inconveniente que presenta el empleo del par electromagnético o el par mecánico en la detección de fallos es la dificultad que parece entrañar su medida. Sin embargo, si se utilizan las transformaciones de Park es posible llegar a calcular por integración de las tensiones y corrientes de alimentación del motor su par interno:

 

Dónde

i_d, i_q son las corrientes según los ejes d y q del molor

Ψ_d, Ψ_q  son los enlaces de flujo totales según los ejes d y q

P es el número de pares de polos.

Por otro lado, los enlaces de flujo pueden calcularse según las siguientes ecuaciones:

 

En las cuales U_d y U_q son las tensiones según los ejes d y q.

Todos los cálculos anteriores, conducentes a la determinación del par interno de la máquina, se pueden realizar mediante equipos comerciales: las unidades de visualización de vectores incorporan habitualmente una opción de cálculo del par electromagnético. Además, existen circuitos integrados comerciales capaces de realizar la transformación de Park. Por tanto, la medición de este nuevo parámetro es no invasiva y relativamente sencilla, ya que se puede llevar a cabo con el motor en funcionamiento a partir de sus tensiones y corrientes de alimentación.

Una vez que se han visto los principios básicos sobre el par electromagnético se pasará a mostrar una serie de resultados experimentales que demuestran su validez para la detección de asimetrías rotóricas. En la siguientes figuras se presentan los espectros de un motor con tres niveles de avería diferentes: motor sano, media barra rota y una barra rota. En ellas se puede observar como el par presenta una excelente sensibilidad a la presencia de asimetrías rotóricas, produciéndose incrementos importantes en los armónicos de frecuencias (1±2S)f, donde fr es la velocidad de rotación del motor expresada en Hz. De hecho, existe una importante similitud con la corriente en el comportamiento del par ante averías en el rotor, siendo su única diferencia una mayor sensibilidad (fig. 18).

Fig. 18. Espectro de par de un motor de inducción sometido a diferentes grados de asimetría rotórica.

 

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)