WO2006048470A1 - Motor asincrono de jaula de ardilla y metodo de deteccion de averias para dicho motor - Google Patents

Motor asincrono de jaula de ardilla y metodo de deteccion de averias para dicho motor Download PDF

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WO2006048470A1
WO2006048470A1 PCT/ES2004/000467 ES2004000467W WO2006048470A1 WO 2006048470 A1 WO2006048470 A1 WO 2006048470A1 ES 2004000467 W ES2004000467 W ES 2004000467W WO 2006048470 A1 WO2006048470 A1 WO 2006048470A1
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motor
auxiliary winding
bars
signal
cage
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PCT/ES2004/000467
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Francisco Pedrayes Gonzalez
Miriam Ruiz Gonzalez
Manes Fernandez Cabanas
Manuel Garcia Melero
Carlos Rojas Garcia
Gonzalo Alonso Orcajo
Jose Manuel Cano Rodriguez
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Tsk Electronica Y Electricidad, S.A.
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    • H02K7/16—Structural association with mechanical loads, e.g. with hand-held machine tools or fans for operation above the critical speed of vibration of the rotating parts

Definitions

  • the present invention is related to the detection of failures in electrical machines.
  • the object of the invention is also an asynchronous squirrel cage motor, which incorporates means that allow the detection of damage caused to the bars and / or to the short-circuiting rings of the rotary cage under any type of load.
  • Asynchronous machines also called induction machines, are characterized in that the rotor rotation speed does not coincide with the synchronization speed determined by the grid frequency.
  • these machines are classified into two types: squirrel cage or short circuit rotor and winding rotor or with friction rings.
  • the rotor is constituted by a set of stacked plates forming a cylinder with a series of grooves in its outer perimeter where the induced winding is arranged.
  • the squirrel cage rotor is formed by a series of copper or aluminum conductors short-circuited by two end rings, and it is due to this particular configuration that the name of these motors is taken.
  • the stator has a series of radial teeth in its internal perimeter, which define among themselves a series of grooves in which the inductor winding is placed.
  • Asynchronous squirrel cage motors have among their most common failures the breakage or cracking of bars and / or short-circuit rings. This breakdown is especially serious when there is the possibility that a fragment of the bar or ring can be projected towards the air gap of the machine causing damage, usually very serious, in the static winding. For this reason, since the beginning of the 80's, attempts have been made to develop multiple techniques capable of detecting the failure in an incipient way in order to prevent a subsequent breakdown of greater magnitude and the service exit of the affected machine during a long period of weather.
  • the industrially used methods are fundamentally based on the search for certain harmonic components of the supply current or other variables such as the motor dispersion flow.
  • these methods based on the measurement of external variables of the machine are effective, they have an important limitation: they cannot be applied in the event that the machine operates a device whose resistant torque is of oscillatory type, since in these working conditions the effect produced by the breakage of a bar and the oscillation of the load torque are confused.
  • the most widespread method for detecting this fault which is based on the analysis in the domain of the frequency of the motor supply current, is totally affected by this phenomenon, being inapplicable in the event that the motor drives a pulse torque load (reduction gear, mill, etc.).
  • Figure 1 shows two spectra of the supply current corresponding to a new and healthy motor in which an oscillating component has been introduced in the frequency pair (2sf), being (s) the slip with which the machine works .
  • Figure 1a it can be seen how the harmonics (10) of frequencies (1 + 2s) f and (1-2s) f used in a conventional way for the detection of the breakage of bars experience a strong growth, peaks (11) in Ia Figure 1 b, with the oscillation of the pair leading to an incorrect diagnosis in which several broken rotary bars would be assumed.
  • the other variables used in the other diagnostic methods currently available are also affected by the presence of pulsing torque loads.
  • the present invention solves the technical problem posed, by means of the inventive matter included in the attached independent claims. More specifically, the method of the invention allows detecting the presence of damaged or broken bars in the rotary cage of asynchronous squirrel cage motors under any load condition, including that corresponding to the operation of machines whose mechanical resistant torque has oscillatory components , such as those presented for example with loads such as: mills, crushers, crushers, motors coupled to multiple gear reducers, pumps, fans etc.
  • the diagnostic method is based on the assessment of the alterations that occur in the positions of the axes of the magnetic poles of the machine when a rotational asymmetry takes place, that is, breakage of bars and / or short-circuit rings. It has been found that when an asynchronous machine has a broken rotary bar, there is a variation in the position of the axes of the magnetic poles of the motor, which, in turn, results in an alteration of the angle covered by each pole.
  • the breakage of the bars produces a displacement of the magnetic axes of each magnetic pole, and this displacement of the magnetic axes produces in turn an important alteration in the length covered by each pole over the air gap of the machine, and this alteration is the parameter that is taken as an indicator for the detection of the fault.
  • These variations in the length of the magnetic poles can be detected by measuring the flow concatenated by one of the stator teeth, and the fault can thus be diagnosed.
  • a first aspect of the invention refers to a method of detecting failures in asynchronous squirrel cage motors, intended to detect damage to the bars of the rotary cage and / or in the short-circuit rings of said motors, in any load condition, which is based on measuring the concatenated magnetic flux in one of the teeth of the motor stator and taking said measurement as an indicator of the presence of damage in said bars and / or short-circuit rings.
  • the measurement or analysis of said magnetic flux is carried out by
  • E is the electromotive force
  • N the number of turns of the auxiliary winding
  • ⁇ the flow concatenated by the tooth of the machine.
  • Another aspect of the invention relates to an asynchronous squirrel cage motor, which incorporates means that allow it to detect the presence of damaged or broken bars in the rotary cage under any load condition including pulsating loads.
  • asynchronous squirrel cage motor which incorporates means that allow it to detect the presence of damaged or broken bars in the rotary cage under any load condition including pulsating loads.
  • inside the motor there is at least one auxiliary winding formed by one or several turns of insulated conductor around one of the stator teeth, said winding being conveniently located and calculated for the correct measurement of the magnetic flux created by The static tooth.
  • the two ends or terminals of that winding are taken to the outside of the machine where they can end up in the motor junction box or in the entrance of the diagnostic system or in the measuring instrument used by a maintenance staff to apply the method of detection object of the invention.
  • One of the advantages of the invention is that it is easily integrated into an electronic real-time diagnostic device. In this case, it would be enough to design an electronic circuit that made the measurement of the period of the signal from the additional winding introduced in the machine and define a threshold for the oscillations of this variable above which the existence of a fault was considered.
  • the electronic system could be based on a low-cost microcontroller and could include among its functions the historical evaluation of the machine, the handling of protections and alarms, etc.
  • the diagnosis is made in real time and the detection device can be integrated into the machine itself so that it acts as a warning, alarm or protection element, interrupting the engine service when the start of the fault is detected.
  • the benefits that the new diagnostic method can offer, both in its direct application and integrated in an electronic real-time fault detection device, are the following: i.- Direct detection of breakage or cracking in bars and / or short-circuiting rings of asynchronous squirrel cage motors of any power range, number of poles, manufacturing technology and geometric dimensions.
  • Figure 1 shows two graphs representative of the spectrum of currents before and after introducing an oscillating component of frequency 2sf into the resistant torque of a healthy 11 kW motor.
  • Graph 1a corresponds to the current spectrum without pulsating torque
  • graph 1b represents the spectrum after introducing a pulsating torque.
  • the horizontal axis corresponds to frequencies in Hz (Hz) and the vertical axis to current value.
  • Figure 2. Simplifiedly shows both front sections of the rotor and stator a squirrel cage motor, with which the displacement effect of the axis of the magnetic poles of the machine is illustrated when the breakage of a rotating bar occurs.
  • Figure 2a corresponds to a healthy motor
  • Figure 2b corresponds to a motor with a broken bar.
  • Figure 3. It consists of a representation similar to that of the previous figure, obtained by means of a simulation by the method of finite elements in a motor of 11kW, 400 Volts of 4 poles.
  • Figure 3a corresponds to a healthy motor
  • Figure 3b corresponds to a motor with a broken bar.
  • Figure 4.- shows a schematic representation, in perspective. and partially sectioned, of the rotor and stator of a squirrel cage motor.
  • Figure 5.- shows an enlarged detail taken from the previous figure.
  • Figure 6 shows a detail similar to that of Figure 5 with a greater degree of enlargement.
  • Figure 7 shows a block diagram describing the method object of the invention for the detection of rotational asymmetries.
  • Figure 8 shows a series of graphs corresponding to the experimental results of the application of the method of the invention to a healthy motor and a motor with a broken bar working in conditions of constant and oscillatory torque.
  • the duration of the T / 2 half-period of the signal of the electromotive force induced in a static tooth has been represented as a function of the number of half-cycles of the captured signal.
  • the horizontal axis of the graphs corresponds to the number of semiperiods, and the vertical axis to the duration of the semiperiod in milliseconds (ms).
  • Figure 8a corresponds to a healthy motor working in constant torque conditions
  • Figure 8b to a healthy motor working under an oscillating torque
  • Figure 8c to a motor with a broken bar working with a constant torque
  • Figure 8d to a engine with a broken bar working with a swinging torque.
  • the diagnostic method is based on the assessment of the alterations that occur in the positions of the axes of the magnetic poles of the machine when a rotational asymmetry takes place, this is breakage of bars and / or short-circuit rings.
  • figure 2 it is represented in a way simplified the stator (1) and the rotor (2) of an asynchronous squirrel cage motor, and in which the field lines (3) corresponding to a 4-pole motor have also been represented.
  • Figure 2a corresponds to a healthy motor and Figure 2b to an engine with a breakage of a bar of the rotary cage.
  • the breakage of the bars (not shown) produces a displacement of the magnetic axes (8.8 ' ) of each pole. This displacement of the magnetic axes (8.8 ' ) produces an alteration in the length of each of the poles, which is the parameter that will be taken as a tool for detecting the fault.
  • the displacement of the axes of the magnetic poles in turn causes an important alteration in the length covered by each pole on the air gap of the machine.
  • These variations in the length of the magnetic poles can be detected by measuring the flow concatenated by one of the stator teeth (4) of the stator (1), and the fault can thus be diagnosed even when the motor drives a machine whose resistant torque has a oscillatory component since the measurement that is carried out is not altered by the type of load.
  • the invention is based on the measurement of the magnetic flux in one of the teeth (4) of the stator (1) of the machine. To do this, they are introduced in the Inside the motor several turns of insulated conductor around one of the stator teeth (4) forming an auxiliary winding (5).
  • the way to make this small winding (5) is extremely simple and economical, since it is enough to roll the desired number of turns, either in the upper or lower part of the tooth (5), carrying its two ends or terminals (7 , 7 ' ) towards the outside of the machine where they can end up in the junction box (not shown), of the motor or in the entrance of the diagnostic system or in the measuring instrument used by the maintenance personnel to apply the new method of detection.
  • Figure 7 illustrates the main operational phases of the method of the invention.
  • the implementation of the procedure described in Figure 7 can be developed in very different ways: it is possible to perform all the data processing described in a deferred manner on the digitally sampled electromotive force signal.
  • a capture of the electromotive force signal would be made by means of a digital measuring instrument.
  • the measurement of the period of the signal would be made in deferred and from the result obtained the diagnosis would be issued.
  • Figure 8 shows 4 graphs corresponding to the application of the procedure on a three-phase asynchronous motor of 11 kW and 4 poles. In them, the duration of the T / 2 half-period of the electromotive force signal induced in a tooth as a function of the number of Semi-cycles of captured signal.
  • two graphics of the healthy motor are included, working with a constant torque and with an oscillating torque of 2sf frequency.
  • the two graphics of the lower part correspond to the same engine working in the same load conditions but after the breakage of a rotating bar.
  • the capacity of the method for the detection of the breakage of bars can be determined even in the most adverse conditions of pulsing torque, since as can be seen from the similarity of the two pairs of graphs the effect of the oscillation in the pair is practically negligible.

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Abstract

La invención se refiere a un método de detección de daños producidos en las barras y/o en los anillos de cortocircuito de la jaula rotórica de motores asíncronos de jaula de ardilla, independientemente del tipo de carga con la que estén trabajando, pudiéndose detectar ese tipo de averías incluso cuando el motor está trabando con cargas cuyo par resistente presenta una componente oscilatoria o pulsante. La rotura de las barras produce una importante alteración en la longitud abarcada por cada polo sobre el entrehierro de la máquina, y esta alteración es el parámetro que se toma como indicador para la detección del fallo. Estas variaciones en la longitud de los polos magnéticos se detectan mediante la medición del flujo concatenado por uno de los dientes estatóricos (4), gracias a un bobinado auxiliar (5) dispuesto en dicho diente estatórico (4). La invención también se refiere a un motor asíncrono de jaula de ardilla, que incorpora un bobinado auxiliar (5) que permite detectar daños producidos en las barras y/o en los anillos de cortocircuito de la jaula retórica bajo cualquier tipo de carga.

Description

MOTOR ASINCRONO DE JAULA DE ARPILLA Y MÉTODO DE DETECCIÓN DE AVERIAS PARA DICHO MOTOR
D E S C R I P C I Ó N
OBJETO DE LA INVENCIÓN
La presente invención está relacionada con Ia detección de averías en máquinas eléctricas.
De manera más concreta es objeto de Ia invención detectar de manera fiable daños producidos en las barras y/o en los anillos de cortocircuito de Ia jaula rotórica de motores asincronos de jaula de ardilla, independientemente del tipo de carga con Ia que estén trabajando, siendo especialmente deseable detectar ese tipo de averías incluso cuando el motor está trabando con cargas cuyo par resistente presenta una componente oscilatoria o pulsante.
Es también objeto de Ia invención un motor asincrono de jaula de ardilla, que incorpora medios que permiten detectar daños producidos en las barras y/o en los anillos de cortocircuito de Ia jaula rotórica bajo cualquier tipo de carga.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
El motor asincrono trifásico fue inventado por Dolivo Dobrowolsky en 1890, el cual disponía de un rotor en forma de jaula de ardilla y empleaba un devanado distribuido en el estator. Este motor presentaba una construcción simple y robusta que ofrecía magníficas prestaciones con un reducido mantenimiento. Las máquinas asincronas, también denominadas máquinas de inducción, se caracterizan porque Ia velocidad de giro del rotor no coincide con Ia velocidad de sincronismo determinada por Ia frecuencia de red. En función del tipo de rotor, estas máquinas se clasifican en dos tipos: rotor en jaula de ardilla o cortocircuito y rotor devanado o con anillos rozantes. El rotor está constituido por un conjunto de chapas apiladas formando un cilindro con una serie de ranuras en su perímetro exterior donde se dispone el devanado inducido. El rotor de jaula de ardilla está formado por una serie de conductores de cobre o aluminio puestos en cortocircuito por dos anillos extremos, y es debido a esta configuración particular de Ia que se toma el nombre de estos motores. Por su parte el estator dispone de una serie de dientes radiales en su perímetro interno, los cuales definen entre sí una serie de ranuras en las que se coloca el devanado inductor.
Los motores asincronos de jaula de ardilla presentan entre sus averías más comunes Ia rotura o agrietamiento de barras y/o anillos de cortocircuito. Esta avería es especialmente grave cuando existe Ia posibilidad de que un fragmento de Ia barra o anillo pueda salir proyectado hacia el entrehierro de Ia máquina provocando daños, habitualmente muy graves, en el devanado estatórico. Por este motivo, desde principio de los años 80 se han tratado de desarrollar múltiples técnicas capaces de detectar el fallo de forma incipiente con el fin de impedir una avería posterior de mayor magnitud y Ia salida de servicio de Ia máquina afectada durante un largo periodo de tiempo.
Los métodos utilizados industrialmente se basan fundamentalmente en Ia búsqueda de determinadas componentes armónicas de Ia corriente de alimentación o de otras variables como el flujo de dispersión del motor. Si bien estos métodos basados en Ia medición de variables externas de Ia máquina son eficaces presentan una importante limitación: no pueden ser aplicados en el caso de que Ia máquina accione un dispositivo cuyo par resistente sea de tipo oscilatorio, ya que en esas condiciones de trabajo el efecto producido por Ia rotura de una barra y Ia oscilación del par de carga se confunden. De hecho, el método más extendido para Ia detección de esta avería, que se basa en el análisis en el dominio de Ia frecuencia de Ia corriente de alimentación del motor, se ve totalmente afectado por este fenómeno, siendo inaplicable en el caso de que el motor accione una carga de par pulsante (engranaje reductor, molino, etc.).
En Ia figura 1 se muestran dos espectros de Ia corriente de alimentación correspondientes a un motor nuevo y sano en el que se ha introducido una componente oscilatoria en el par de frecuencia (2sf), siendo (s) el deslizamiento con el que trabaja Ia máquina. En Ia figura 1a se puede observar como los armónicos (10) de frecuencias (1+2s)f y (1-2s)f utilizados de forma convencional para Ia detección de Ia rotura de barras experimentan un fuerte crecimiento, picos (11 ) en Ia figura 1 b, con Ia oscilación del par que lleva a un diagnóstico incorrecto en el que se supondrían varias barras rotóricas rotas. Del mismo modo que sucede con las corrientes, las demás variables utilizadas en los otros métodos de diagnóstico disponibles en Ia actualidad se ven igualmente afectadas por Ia presencia de cargas de par pulsante.
No se conoce en el estado de Ia técnica ningún método capaz de detectar este tipo de averías en presencia de cargas de par pulsante.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
La presente invención resuelve el problema técnico planteado, mediante Ia materia inventiva comprendida en las adjuntas reivindicaciones independientes. De manera más concreta, el método de Ia invención permite detectar Ia presencia de barras dañadas o rotas en Ia jaula rotórica de motores asincronos de jaula de ardilla bajo cualquier condición de carga, incluyendo Ia correspondiente al accionamiento de máquinas cuyo par resistente mecánico tenga componentes oscilatorias, como los que se presentan por ejemplo con cargas como: molinos, trituradoras, machacadoras, motores acoplados a múltiples engranajes reductores, bombas, ventiladores etc.
El método de diagnóstico se basa en Ia valoración de las alteraciones que se producen en las posiciones de los ejes de los polos magnéticos de Ia máquina cuando tiene lugar una asimetría rotórica, esto es, rotura de barras y/o anillos de cortocircuito. Se ha encontrado que cuando una máquina asincrona presenta una barra rotórica rota se produce una variación en Ia posición de los ejes de los polos magnéticos del motor que da lugar, a su vez, a una alteración del ángulo abarcado por cada polo.
La rotura de las barras produce un desplazamiento de los ejes magnéticos de cada polo magnético, y este desplazamiento de los ejes magnéticos produce a su vez una importante alteración en Ia longitud abarcada por cada polo sobre el entrehierro de Ia máquina, y esta alteración es el parámetro que se toma como indicador para Ia detección del fallo. Estas variaciones en Ia longitud de los polos magnéticos pueden detectarse mediante Ia medición del flujo concatenado por uno de los dientes estatóricos, pudiendo ser así diagnosticada Ia avería.
Sin embargo, cuando el motor acciona una máquina cuyo par resistente tiene una componente oscilatoria no se produce ninguna variación en Ia ubicación de los ejes de los polos magnéticos ni en su longitud. La oscilación del par de carga sí puede producir variaciones apreciables en los valores máximos del flujo de Ia máquina, pero no dará lugar a variaciones en
Ia longitud de los polos magnéticos. De este modo, los dos fenómenos: rotura de barras rotóricas y oscilación del par de carga quedarán claramente diferenciados pudiendo realizarse el diagnóstico de una forma sencilla y fiable.
Por Io tanto un primer aspecto de Ia invención se refiere a un método de detección de averías en motores asincronos de jaula de ardilla, destinado a detectar daños en las barras de Ia jaula rotórica y/o en los anillos de cortocircuito de dichos motores, en cualquier condición de carga, el cual se basa en medir el flujo magnético concatenado en uno de los dientes del estator del motor y tomar dicha medida como indicador de Ia presencia de daño en dichas barras y/o anillos de cortocircuito.
La medición o análisis de dicho flujo magnético se efectúa mediante
Ia determinación del valor de Ia fuerza electromotriz inducida por dicho flujo, en bornes de un bobinado auxiliar situado alrededor de un diente del estator.
De acuerdo a ley de Lenz, Ia fuerza electromotriz inducida en bornes del bobinado auxiliar será proporcional al número de espiras que éste presente y a Ia variación instantánea del flujo concatenado por él:
E = N dΦ/dt;
donde E es Ia fuerza electromotriz, N el número de espiras del devanado auxiliar y Φ el flujo concatenado por el diente de Ia máquina.
Por tanto, todas las alteraciones sufridas por el flujo del motor como consecuencia de Ia presencia del fallo de aislamiento quedarán reflejadas en Ia fuerza electromotriz inducida en el bobinado auxiliar. De hecho, se ha podido comprobar que Ia variación en Ia longitud de los polos magnéticos causada por Ia rotura de las barras se puede detectar en Ia señal de Ia fuerza electromotriz inducida en el devanado auxiliar. La forma de detectar Ia alteración magnética causada por Ia avería en Ia fuerza electromotriz inducida es extremadamente simple: tal y como se expuso anteriormente Ia rotura de Ia barra produce una modificación en Ia posición del eje magnético de los polos que a su vez altera Ia longitud de los mismos en el entrehierrro de Ia máquina. Para cualquier máquina asincrona sana, alimentada con una corriente de frecuencia f Hz Ia onda de flujo y, por tanto, de fuerza electromotriz inducida en el bobinado auxiliar será una onda de carácter esencialmente senoidal y de periodo T=1/f. Sin embargo, se ha podido comprobar experimentalmente cómo Ia rotura de una barra modifica esta forma de onda haciendo que el periodo de Ia señal fluctúe en tomo al valor T correspondiente a Ia máquina simétrica con polos de longitudes idénticas. Por tanto, Ia detección de Ia avería se puede llevar a cabo de una forma extremadamente simple con sólo medir el tiempo transcurrido entre los sucesivos pasos por cero de Ia señal de fuerza electromotriz inducida en bornes del devanado auxiliar instalado en uno de los dientes de Ia máquina.
Otro aspecto de Ia invención se refiere a un motor asincrono de jaula de ardilla, que incorpora de medios que Ie permiten detectar Ia presencia de barras dañadas o rotas en Ia jaula rotórica bajo cualquier condición de carga incluso cargas pulsantes. Para ello, en el interior del motor se dispone de al menos un bobinado auxiliar formado por una o varias espiras de conductor aislado en torno a uno de los dientes estatóricos, estando dicho bobinado convenientemente ubicado y calculado para Ia correcta medición del flujo magnético creado por el diente estatórico.
Los dos extremos o terminales de ese bobinado se llevan hacia el exterior de Ia máquina donde pueden finalizar en Ia caja de conexiones del motor o en Ia entrada del sistema diagnóstico o en el instrumento de medida que utilice un el personal de mantenimiento para aplicar ei método de detección objeto de Ia invención. Una de las ventajas de Ia invención es que es fácilmente integrable en un dispositivo electrónico de diagnóstico en tiempo real. En este caso, bastaría con diseñar un circuito electrónico que realizase Ia medición del periodo de Ia señal proveniente del bobinado adicional introducido en Ia máquina y definir un umbral para las oscilaciones de esta variable por encima del cual se considerase Ia existencia de avería. El sistema electrónico podría estar basado en un microcontrolador de bajo coste y podría incluir entre sus funciones Ia evaluación histórica de Ia máquina, el manejo de protecciones y alarmas, etc.
El método objeto de Ia invención presenta varias ventajas respecto de los procedimientos convencionales utilizados para Ia detección de asimetrías en Ia jaula rotórica de los motores asincronos de jaula de ardilla:
L- Permite Ia detección del fallo en condiciones de carga mecánica pulsante en las que no es posible aplicar ningún otro método de diagnóstico que no se vea influenciado por el efecto de Ia carga accionada por el motor.
¡i.- No requiere Ia realización de transformaciones matemáticas en el dominio de Ia frecuencia Io cual revierte en una mayor simplicidad y mucho menor coste económico del sistema de detección de fallos.
iii.- El diagnóstico se realiza en tiempo real pudiendo el dispositivo de detección ser integrado en Ia propia máquina de forma que actúe como aviso, alarma o elemento de protección interrumpiendo el servicio del motor cuando se detecta el inicio de Ia avería.
Las prestaciones que puede ofrecer el nuevo método de diagnóstico, tanto en su aplicación directa como integrado en un dispositivo electrónico de detección de fallos en tiempo real, son las siguientes: i.- Detección directa de Ia rotura o agrietamiento en barras y/o anillos de cortocircuito de motores asincronos de jaula de ardilla de cualquier rango de potencia, número de polos, tecnología de fabricación y dimensiones geométricas.
ii.- Discriminación entre Ia rotura de barras y el efecto producido por las oscilaciones del par resistente de Ia máquina accionada por el motor. Se permite por tanto el diagnóstico en cualquier condición de carga incluso en máquinas con pares resistentes de características muy variables: molinos, trituradoras, machacadoras, motores acoplados a mútiples engranajes reductores, bombas, ventiladores, etc.
iii.- Diagnóstico directo sin necesidad de procesamiento de Ia señal por parte del usuario del sistema en el caso de integrar el procedimiento en un dispositivo electrónico de detección de fallos en tiempo real.
iv.- Posibilidad de inclusión del dispositivo de detección en tiempo real dentro de los sistemas convencionales de protección de Ia máquina.
v.- Posibilidad de aplicación "manual" del método a partir únicamente de Ia espira de medición de flujo sin necesidad de ningún sistema electrónico adicional.
vi.- Posibilidad de integración del método y el sistema de detección en tiempo real en Ia máquina durante su fase de diseño y fabricación, adaptando los umbrales de sensibilidad de forma específica a cada motor.
vii.- Posibilidad de implantación del método en máquinas ya en servicio de una forma simple y a un coste económico muy bajo.
viii.- Posibilidad de transmisión a distancia de Ia señal de salida del sistema de Ia invención: centralización del diagnóstico en plantas industriales.
DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Para complementar Ia descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características del invento, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica del mismo, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado Io siguiente:
La figura 1.- muestra, dos gráficas representativas del espectro de corrientes antes y después de introducir en el par resistente de un motor sano de 11 kW una componente oscilatoria de frecuencia 2sf. La gráfica 1a corresponde al espectro de corriente sin par pulsante, y Ia gráfica 1b representa el espectro después de introducir un par pulsante. El eje horizontal corresponde a frecuencias en Herzios (Hz) y el eje vertical a valor de corriente.
La figura 2.- muestra simplificadamente sendas secciones frontales del rotor y estator un motor de jaula de ardilla, con las que se ilustra el efecto de desplazamiento del eje de los polos magnéticos de la máquina cuando se produce Ia rotura de una barra rotórica. La figura 2a corresponde a un motor sano, y Ia figura 2b corresponde a un motor con una barra rota.
La figura 3.- consiste en una representación similar a Ia de Ia figura anterior, obtenida mediante una simulación por el método de los elementos finitos en un motor de 11kW, 400 Voltios de 4 polos. La figura 3a corresponde a un motor sano, y Ia figura 3b corresponde a un motor con una barra rota.
La figura 4.- muestra una representación esquemática, en perspectiva y parcialmente seccionada, del rotor y estator de un motor de jaula de ardilla.
La figura 5.- muestra un detalle ampliado tomado de Ia figura anterior.
La figura 6.- muestra un detalle similar al de Ia figura 5 con mayor grado de ampliación.
La figura 7.- muestra un diagrama de bloques descriptivo del método objeto de Ia invención para Ia detección de asimetrías rotóricas.
La figura 8.- muestra una serie de gráficas correspondientes a los resultados experimentales de Ia aplicación del método de Ia invención a un motor sano y a un motor con una barra rota trabajando en condiciones de par constante y oscilatorio. En estas gráficas se ha representado Ia duración del semiperiodo T/2 de Ia señal de Ia fuerza electromotriz inducida en un diente estatórico en función del número de semiciclos de Ia señal capturada. El eje horizontal de las gráficas corresponde al número de semiperiodos, y el eje vertical a Ia duración del semiperiodo en milisegundos (ms).
La gráfica 8a corresponde a un motor sano trabajando en condiciones de par constante, Ia figura 8b a un motor sano trabajando bajo un par oscilante, Ia figura 8c a un motor con una barra rota trabajando con un par constante, y Ia figura 8d a un motor con una barra rota trabajando con un par oscilante.
REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN
El método de diagnóstico se basa en Ia valoración de las alteraciones que se producen en las posiciones de los ejes de los polos magnéticos de Ia máquina cuando tiene lugar una asimetría rotórica, esto es rotura de barras y/o anillos de cortocircuito. En Ia figura 2 se representa de forma simplificada el estator (1) y el rotor (2) de un motor asincrono de jaula de ardilla, y en Ia que también se ha representado las líneas de campo (3) correspondientes a un motor de 4 polos. La figura 2a corresponde a un motor sano y Ia figura 2b a un motor con una rotura de una barra de Ia jaula rotórica. En dicha figura se observa como Ia rotura de las barras (no representadas) produce un desplazamiento de los ejes magnéticos (8,8') de cada polo. Este desplazamiento de los ejes magnéticos (8,8') produce una alteración en Ia longitud de cada uno de los polos que es el parámetro que se tomará como herramienta para Ia detección del fallo.
Con el fin de observar con más detalle el fenómeno descrito en el apartado anterior, en Ia figura 3 se ha representado dos gráficos obtenidos mediante una simulación de un motor de 11 kW y 4 polos por el método de los elementos finitos. En Ia figura 3a se puede observar Ia distribución de las líneas de campo magnético (3) correspondientes a Ia máquina sin ningún tipo de avería, y en Ia figura 3b se muestra el campo magnético (3) resultante tras introducir Ia rotura de dos barras rotóricas. En este gráfico se puede observar cómo Ia rotura de las barras rotóricas ha provocado un significativo desplazamiento (d) de los ejes (8,8') de los polos magnéticos.
El desplazamiento de los ejes de los polos magnéticos provoca a su vez una importante alteración en Ia longitud abarcada por cada polo sobre el entrehierro de Ia máquina. Estas variaciones en Ia longitud de los polos magnéticos pueden detectarse mediante Ia medición del flujo concatenado por uno de los dientes estatóricos (4) del estator (1), pudiendo ser así diagnosticada Ia avería incluso cuando el motor acciona una máquina cuyo par resistente tiene una componente oscilatoria ya que Ia medida que se realiza, no se ve alterada por el tipo de carga.
La invención se basa en Ia medición del flujo magnético en uno de los dientes (4) del estator (1) de Ia máquina. Para ello, se introducen en el interior del motor varias espiras de conductor aislado en torno a uno de los dientes estatóricos (4) formando un bobinado auxiliar (5). La forma de realizar este pequeño bobinado (5) es extremadamente simple y económica, ya que basta con arrollar el número deseado de espiras, bien en Ia parte superior o en Ia inferior del diente (5), llevando sus dos extremos o terminales (7,7') hacia el exterior de Ia máquina donde pueden finalizar en Ia caja de conexiones (no representada), del motor o en Ia entrada del sistema diagnóstico o en el instrumento de medida que utilice el personal de mantenimiento para aplicar el nuevo método de detección.
En el caso de Ia figura 6, el bobinado auxiliar (5) se ha colocado en el extremo interno del diente estatórico (4), justo por debajo de Ia cuña de fijación (6) del devanado estatórico (9).
Tal y como se deduce de Ia vista de las figuras 4, 5 y 6, el coste de Ia instalación y del devanado adicional son prácticamente despreciables.
La figura 7 ilustra las principales fases operativas del método de Ia invención. La puesta en práctica del procedimiento descrito en Ia figura 7 puede desarrollarse de formas muy diferentes: es posible realizar todo el procesamiento de datos descrito de forma diferida sobre Ia señal de fuerza electromotriz muestreada digitalmente. En este caso se efectuaría una captura de Ia señal de fuerza electromotriz mediante un instrumento digital de medida. Sobre los datos capturados se realizaría, en diferido, Ia medida del periodo de Ia señal y a partir del resultado obtenido se emitiría el diagnóstico.
En Ia figura 8 se muestran 4 gráficas correspondientes a Ia aplicación del procedimiento sobre un motor asincrono trifásico de 11 kW y 4 polos. En ellas se ha representado Ia duración del semiperiodo T/2 de Ia señal de fuerza electromotriz inducida en un diente en función del número de semiciclos de señal capturada. En Ia parte superior se incluyen dos gráficos del motor sano trabajando con un par constante y con un par oscilatorio de frecuencia 2sf. Los dos gráficos de Ia parte inferior corresponden al mismo motor trabajando en las mismas condiciones de carga pero tras haberse producido Ia rotura de una barra rotórica.
A Ia vista de las cuatro gráficas se puede determinar Ia capacidad del método para Ia detección de Ia rotura de barras incluso en las condiciones más adversas de carga de par pulsante, ya que como se desprende de Ia similitud de las dos parejas de gráficas el efecto de Ia oscilación en el par es prácticamente inapreciable.
Diversas posibilidades de realizaciones prácticas de Ia invención, se describen en las adjuntas reivindicaciones dependientes.
A Ia vista de esta descripción y juego de figuras, el experto en Ia materia podrá entender que las realizaciones de Ia invención que se han descrito pueden ser combinadas de múltiples maneras dentro del objeto de Ia invención. La invención ha sido descrita según algunas realizaciones preferentes de Ia misma, pero para el experto en Ia materia resultará evidente que múltiples variaciones pueden ser introducidas en dichas realizaciones preferentes sin exceder el objeto de Ia invención reivindicada.

Claims

R E I V I N D I C A C I O N E S
1.- Método de detección de averías en motores asincronos de jaula de ardilla, destinado a detectar daños en las barras de Ia jaula rotórica y/o en los anillos de cortocircuito de dichos motores, en cualquier condición de carga, estando dicho motor alimentado con al menos una señal de frecuencia (f), caracterizado porque comprende medir el flujo magnético concatenado en uno de los dientes del estator del motor y tomar dicha medida como indicador de Ia presencia de daño en dichas barras y/o anillos de cortocircuito.
2.- Método según Ia reivindicación 1 caracterizado porque dicho flujo magnético se mide mediante Ia determinación del valor de Ia fuerza electromotriz inducida por dicho flujo en bornes de un bobinado auxiliar situado alrededor de dicho diente del estator.
3.- Método según Ia reivindicación 2 caracterizado porque se determina el periodo de Ia señal de dicha fuerza electromotriz midiendo el tiempo transcurrido entre los sucesivos pasos por cero de dicha señal.
4.- Método según reivindicaciones 2 o 3 caracterizado porque se compara el periodo de Ia señal de dicha fuerza electromotriz con el periodo correspondiente a Ia frecuencia (f) de Ia señal de alimentación del motor, interpretando como indicador de Ia presencia de un daño en las barras de Ia jaula rotórica y/o en los aniilos de cortocircuito de dichos motores, cuando el valor del periodo medido de Ia señal de dicha fuerza electromotriz no coincide o no es próximo al periodo correspondiente a dicha frecuencia (f).
5.- Método según Ia reivindicación 4 caracterizado porque para efectuar dicha comparación se define un valor umbral por encima del cual el resultado de Ia comparación se considera como indicativo de Ia presencia de una avería.
6.- Método según cualquiera de las reivindicaciones 2 a 4, caracterizado porque Ia señal de Ia fuerza electromotriz se mide mediante un instrumento de medida.
7.- Método según Ia reivindicación 6 caracterizado porque el instrumento de medida es digital y porque Ia medida obtenida por el mismo es transmitida a un equipo computerizado de diagnóstico de dicha medida.
8.- Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque el motor está trabajando en condiciones de carga pulsante u oscilante.
9.- Motor asincrono de jaula de ardilla, que comprende un rotor alojado en el seno de un estator que dispone de múltiples dientes estatóricos en disposición radial, con objeto de detectar daños en las barras de Ia jaula rotórica y/o en los anillos de cortocircuito de dicho motor, en cualquier condición de carga incluyendo cargas pulsantes, caracterizado porque comprende al menos un bobinado auxiliar dispuesto alrededor de uno de los dientes estatóricos, estando dicho bobinado auxiliar adaptado para medir el flujo magnético concatenado en dicho diente estatórico.
10.- Motor según Ia reivindicación 9 caracterizado porque dicho bobinado auxiliar se compone de al menos una espira de conductor aislado.
11.- Motor según reivindicaciones 9 o 10 caracterizado porque el bobinado auxiliar se dispone en el extremo interno de dicho diente estatórico, en el extremo exterior de dicho diente estatórico o en cualquier posición intermedia entre dichos extremos.
12.- Motor según reivindicaciones 9 o 10 caracterizado porque el bobinado auxiliar se dispone de forma paralela al eje del motor.
13.- Motor según cualquiera de las reivindicaciones 9 a 12 caracterizado porque el bobinado auxiliar dispone de dos terminales, y porque estos terminales son accesibles en el exterior del motor con objeto de permitir a un equipo externo de medida su conexión eléctrica a estos terminales.
14.- Motor según cualquiera de las reivindicaciones 9 a 13 caracterizado porque dispone en su exterior de medios electrónicos programables capacitados para analizar Ia señal presente en los terminales del bobinado auxiliar.
15.- Motor según Ia reivindicación 14 caracterizado porque dichos medios electrónicos están capacitados para transmitir a distancia el resultado de su análisis o Ia señal presente en los terminales del bobinado auxiliar.
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