ES2395372B2 - Equipo de diagnóstico de fallos de desmagnetización para motores síncronos de imanes permanentes y método de utilización de este - Google Patents

Equipo de diagnóstico de fallos de desmagnetización para motores síncronos de imanes permanentes y método de utilización de este Download PDF

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Abstract

Equipo de diagnóstico de fallos de desmagnetización para motores síncronos de imanes permanentes y método de utilización de éste.#La presente invención se refiere a un sistema de detección de de fallos incipientes de desmagnetización aplicado a motores síncronos de imanes permanentes (MSIP) polifásicos de corriente alterna alimentados mediante un inversor electrónico. Concretamente la desmagnetización se genera en los imanes del rotor debida principalmente a problemas térmicos o estructurales (golpes, roturas, etc.).#La técnica utilizada para detectar desmagnetizaciones incipientes se basa en la medida de la tensión homopolar.

Description

EQUIPO DE DIAGNÓSTICO DE FALLOS DE DESMAGNETIZACIÓN PARA MOTORES SÍNCRONOS DE IMANES PERMANENTES Y MÉTODO DE UTILIZACIÓN DE ESTE
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Los motores MSIP van alimentados a través de un convertidor electrónico, también llamado inversor, que permite regular la velocidad y el par del motor de manera controlada. El inversor se alimenta directamente de la toma trifásica de potencia y genera un sistema de tensiones trifásicas de frecuencia variable. Dicho inversor incorpora sensores de corriente, de tensión y de posición/velocidad del motor así como de un microprocesador electrónico que procesa las señales de dichos sensores para así generar en cada momento un sistema trifásico de tensiones adecuado para el régimen de operación del motor. Los fallos de desmagnetización reducen significativamente el par efectivo del motor. Cuando una desmagnetización ocurre, para mantener el par de salida a un valor determinado, aumentan las corrientes del estator, aumentando las pérdidas en el cobre del bobinado y por lo tanto su temperatura. Estos cambios en el funcionamiento del motor pueden generar una desmagnetización mayor ó otros tipos de fallo, como son los cortocircuitos entre espiras, cortos entre fase etc. de modo
que
si no se detectan a tiempo acaban deteriorando
irreversiblem
ente el motor, pudiendo acabar este fuera de
servicio.
Los motores MSIP se utilizan para accionar maquinaria industrial, robots industriales, ascensores, sistemas de centrifugación y también se utilizan en el sector aeronáutico (motores para accionar alerones de los aviones, etc.) así como
en el sector automovilístico (especialmente como motor de tracción para vehículos eléctricos entre otras aplicaciones). La presente invención tiene por objeto la detección de fallos incipientes de desmagnetización, de modo que se pueda actuar antes de que el motor MSIP sufra problemas irreversibles o que se pueda llegar a una situación catastrófica. La técnica utilizada para detectar desmagnetizaciones se basa en la medida de la amplitud de la tensión homopolar.
Se conocen diferentes tipos de procedimientos, equipos y sistemas para determinar desmagnetizaciones en los imanes del rotor, varios de estos métodos se basan en el análisis del contenido armónico de las corrientes de estator, n un e a mediante el uso de la tensión homopolar, tal como se presenta en documento W. le Roux, R. G. Harley, T. G. Habetler, quot;Detecting Rotor Faults in Low Power Permanent Magnet Synchronous Machines,quot; IEEE Trans. Power Electronics. vol. 22, no. 1, pp. 322-328, Jan. 2007. Dichos procedimientos, equipos y sistemas generalmente se basan en la búsqueda de múltiplos fraccionarios de la frecuencia fundamental de las corrientes de estator. La presencia de dichos armónicos depende del tipo de máquina, la configuración del bobinado de estator y la severidad del fallo. Además, las frecuencias fraccionarias también aparecen en fallos mecánicos, como es el caso de
excentricidades
del rotor. Ello hace que con el análisis de
corrientes
no se pueda diferenciar el tipo de fallo.
Contrariamente,
el método basado en la medida de la tensión
homopolar permite realizar el diagnóstico en cualquier tipo de motor síncrono de imanes permanentes sin importar la configuración de su bobinado. Otro de los métodos existentes para la detección de la desmagnetización consiste en la inyección de señales de alta frecuencia tal como se describe en el documento US 2004/6.822.418 B2. No se conocen métodos de diagnóstico de desmagnetizaciones incipientes de los imanes
del rotor de motores MSIP mediante el uso de la amplitud de la tensión homopolar.
La presente invención tiene por objeto la monitorización y el análisis de la amplitud de la tensión homopolar para detectar desmagnetizaciones en los imanes del rotor de motores MSIP en su estado incipiente. Es decir, la
predicción
y el análisis de los defectos antes de que ocurran
de
manera catastrófica. Ello se hace de modo on-line, es
decir,
en tiempo real.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
El sistema y procedimiento de diagnóstico de motores MSIP según la presente invención se basa en la medida, monitorización y análisis de la tensión homopolar. Es una realización particularmente ventajosa ya que permite un diagnóstico en tiempo real minimizando el número de componentes necesarios adicionales. Además ofrece un diagnóstico simple y robusto de desmagnetizaciones incipientes en los imanes del rotor de dichos motores.
La presente invención integra un sensor de tensión para la medida de la tensión homopolar, un sensor de velocidad opcional, una red de tres resistencias idénticas o equilibradas para formar un neutro artificial así como de un sistema de adquisición y procesado de señal.
El sistema de diagnóstico propuesto se puede aplicar a motores que accionen maquinara industrial (por ejemplo en las máquinas de fabricación de papel), robots industriales, ascensores, sistemas de centrifugación, sector aeronáutico
(motores para accionar alerones de los aviones, etc.) así como el sector automovilístico (especialmente como motor e tracción para vehículos eléctricos entre otras aplicaciones).
Se ha desarrollado un equipo que en base a la
adquisición de dos señales del motor MSIP, la tensión homopolar y la velocidad de giro del motor, es capaz de
detectar
desmagnetizaciones incipientes en los imanes del
rotor
de dicho motor.
El
sistema propuesto consiste en medir la tensión
homopolar de un motor del modo indicado en la Figura 1. En caso de incorporar un sensor de velocidad también mide la velocidad del motor ó en caso contrario, la calcula. A partir de estas dos medidas compara la amplitud de la tensión hompolar con una amplitud de referencia obtenida con el motor sano a la misma velocidad. La reducción de dicha amplitud indica la existencia de desmagnetizaciones en los imanes del rotor del motor MSIP analizado.
Procedimiento de prueba motores comprende los siguientes pasos básicos: -Adquisición de datos de tensión homopolar. -Estimación o adquisición de la velocidad del motor. -Medida de la amplitud de la tensión homopolar.
-
Comparación de la amplitud de la tensión homopolar con la obtenida al calibrar el motor sano a la misma velocidad.
-
Cálculo de la relación entre la amplitud obtenida y la amplitud de calibración del motor sano. Esta relación numérica puede entenderse como un factor indicador del nivel o gravedad del fallo.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Para mejor comprensión de cuanto se ha expuesto se acompañan unos dibujos en los que se representa:
Figura l. Motor MSIP alimentado a través de un inversor
electrónico. Se muestra el inversor, las conexiones de los bobinados del estator y la red de tres resistencias equilibradas usadas para generar el neutro artificial.
Figura 2. Motor MSIP alimentado por el inversor electrónico con los sensores de tensión y de velocidad.
Figura 3. Formas de onda de la tensión homopolar obtenida con
un
motor MSIP sano y con un motor MSIP con dos polos
parcialmente
desmagneti zados (con una magnetiz ación
equivalente
al 75% de su estado original) funcionando a 6000
rpm.
DESCRIPCIÓN DE UNA REALIZACIÓN PREFERIDA
El desarrollo consiste en un dispositivo de detección de desmagnetizaciones incipientes aplicado a motores polifásicos de imanes permanentes de corriente alterna. Se caracteriza por el hecho de realizar la detección mediante el análisis de la tensión homopolar, la evaluación de la amplitud de la misma y finalmente la extracción de un factor de fallo. El dispositivo de diagnóstico de desmagneti zación en motores eléctricos de corriente alterna, se caracteriza por el hecho de que comprende un conjunto de tres resistencias idénticas dispuestas en estrella formando un neutro flotante, un sensor de tensión que mide la tensión homopolar y un sistema electrónico que permite realizar un procesado de las amplitudes de dicha señal teniendo en cuenta la velocidad de giro del motor. El dispositivo se desarrolla en un sistema embebido, que se caracteriza porque comprende:
•
una red de tres resistencias idénticas o equilibradas para formar un neutro artificial donde se mide la tensión homopolar. El conjunto de tres resistencias idénticas son
de valores 28 kOhms y 4 vatios.
•
un sensor de tensión para la medida de la tensión homopolar. En concreto se utiliza un sensor AV 100-50 del fabricante LEM, con un rango de tensiones de medida de ± 75 V alimentado mediante una fuente de alimentación de ± 12 V.
•
un sistema de procesado de señal en base a DSP, en concreto un DSP de 32 bits coma flotante, como ADSP-21369 Analog Devices.
•
sobre el sistema DSP se aplica el método de detección de defectos.
•
la frecuencia de adquisición es de por lo menos 10 khz.
El método de detección de desmagnetizaciones comprende los siguientes pasos:
a) Calibración de la amplitud de la tensión homopolar con motor sano.
-
Para ello se realiza una adquisición de la tensión homopolar realizando un barrido de velocidad (600 rpm a 6000rpm) con pasos de 500 rpm.
Si no se tiene la información de velocidad, se calcula el espectro de Fourier de la tensión homopolar, se encuentra el armónico de mayor amplitud (corresponde al tercer armónico de la tensión de alimentación) y a partir de la frecuencia del tercer armónico se determina la velocidad del motor.
-Determinar por interpolación la amplitud de la tensión homopolar entre los pasos de la prueba para tener una referencia a cualquier velocidad.
b) el sistema de adquisición y test implementado realiza las siguientes operaciones: -Adquisición de datos de tensión homopolar.
Si no se tiene la información de velocidad, se calcula el espectro de Fourier y se encuentra el armónico de mayor amplitud (es el tercero) y a partir de la frecuencia del tercer armónico se determina la velocidad del motor.
Se comparan los datos de amplitud de tensión homopolar con los resultados de calibración de motor sano a la misma velocidad.
-
El motor se encuentra desmagnetizado si existe una reducción entre la amplitud obtenida y la de motor sano. La extracción de factor de fallo para el diagnóstico se basa por tanto en la evaluación de la reducción de la relación entre las amplitudes de la tensión homopolar del motor bajo análisis y la del motor sano para la misma velocidad de prueba. Valores menores que uno indican la desmagnetización de los imanes del rotor.
El factor de fallo que cuantifica la severidad del fallo se basa en la reducción de la relación entre amplitudes de la tensión homopolar del motor bajo análisis y motor sano. Valores menores a la unidad indican una desmagnetización parcial de los imanes del rotor.

Claims (8)

  1. REIVINDICACIONES
    l. Dispositivo de diagnóstico de desmagnetización en
    motores eléctricos de corriente alterna, caracterizado por el hecho de que comprende un conjunto de tres resistencias idénticas dispuestas en estrella formando un neutro flotante, un sensor de tensión que mide la tensión homopolar y un sistema electrónico que permite realizar un procesado de las amplitudes de dicha señal teniendo en cuenta la velocidad de giro del motor.
  2. 2.
    Dispositivo de diagnóstico según la reivindicación anterior, en el que la tensión homopolar se obtiene mediante una red de tres resistencias idénticas o equilibradas para formar un neutro artificial.
  3. 3.
    Dispositivo de diagnóstico según la reivindicación 1, en el que la tensión homopolar se mide mediante una sonda de tensión conectada entre el centro de la red de tres resistencias idénticas y el centro del bobinado del motor.
  4. 4.
    Dispositivo de diagnóstico según la reivindicación 1, en la que se evalúa la amplitud de la tensión homopolar.
  5. 5.
    Dispositivo de diagnóstico según reivindicación en que la extracción de factor de fallo para el diagnóstico se basa en la evaluación de la reducción de la relación entre las amplitudes de la tensión homopolar del motor bajo análisis y la del motor sano para la misma velocidad de prueba. Valores menores que uno indican la desmagnetización de los imanes del rotor.
  6. 6. Dispositivo de diagnóstico según reivindicación 1
    caracterizado por comprender los siguientes elementos: -un conjunto de tres resistencias idénticas de entre 1 Ohm i 220 kOhms y entre 0.5 W y 5 kW dispuestas en estrella formando un neutro flotante.
    -
    un sensor de tensión, con un rango de tensiones de medida de entre ± 750 V y ± 0.02V.
    un sistema de procesado de señal analógica o digital.
  7. 7. Dispositivo de diagnóstico según reivindicación 6
    caracterizado por comprender los siguientes elementos: -un conjunto de tres resistencias idénticas de 28 Ohms y 4 vatios dispuestas en estrella formando un neutro flotante.
    -
    un sensor de tensión AV 100-50 del fabricante LEM, con un rango de tensiones de medida de ± 75 V y alimentado mediante una fuente de alimentación de ± 12 V.
    -
    un sistema de procesado de señal en base a DSP.
  8. 8. Procedimiento de diagnóstico según cualquiera de
    las reivindicaciones anteriores, que comprende los pasos de: -Adquisición de datos de tensión homopolar. -Estimación de la velocidad del motor. -Se determina la amplitud de la tensión homopolar. -Se comparan los datos de amplitud con los resultados
    de calibración de motor sano.
    -
    Cálculo de la relación de amplitudes entre el motor bajo prueba y motor sano como factor indicador de fallo. Valores menores a la unidad indican una desmagnetización parcial de los imanes del rotor.
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