Aportaciones al diagnóstico de averías en motores eléctricos basados en el análisis avanzado de corrientes

Abstract

Según diversos estudios, los fallos más comunes en motores de inducción se dan en rodamientos, en el aislamiento del devanado estatórico y, en menor medida, en el rotor. Este último tipo de fallo incluye la rotura, agrietamiento o deformación de las barras o de los anillos de cortocircuito de la jaula rotórica. A pesar de que el porcentaje de fallos relacionados con el rotor pueda parecer no demasiado elevado (algunos autores lo sitúan en torno al 15-20% del total de averías), se han reportado casos en los que la avería sí ha conducido a fallos catastróficos inmediatos, como situaciones de protrusión de barras o de desprendimiento de fragmentos de barras rotas que han acabado dañando el aislamiento del estator. Estas averías han provocado pérdidas millonarias para las compañías involucradas. Finalmente, este tipo de fallo es más frecuente en motores de gran potencia. Son estos motores los más caros, los más costosos de reparar y, usualmente, los más críticos en las aplicaciones en las que operan.

Uno de los retos que se ha abordado en la presente tesis consiste en la aplicación y validación generalizada de la metodología basada en el análisis de la corriente de arranque para el caso de motores arrancados mediante arrancadores estáticos. A este respecto, se ha constatado el uso creciente de arrancadores estáticos en multitud de aplicaciones industriales.

La presente tesis aborda por primera vez esta problemática de forma rigurosa. La tesis se centra en la validación de una variante concreta de diagnóstico transitorio, la cual se basa en el análisis de la señal de corriente de arranque mediante la transformada wavelet discreta (Discrete Wavelet Transform, DWT). Se trata ésta de una transformada tiempo-frecuencia que cuenta con importantes ventajas a la hora de emplear la metodología de diagnóstico transitorio, dado que esta transformada resulta rápida de aplicar, la interpretación de sus resultados es simple y está disponible en paquetes comerciales convencionales como Matlab, con lo que cualquier usuario con un mínimo entrenamiento podría hacer uso de ella. Adicionalmente, esta transformada permite la introducción sencilla de indicadores para determinar el grado de severidad de la posible avería en el rotor, cuestión ésta que no resulta trivial con otras alternativas.

Se han obtenido más de 900 señales de corriente de arranque en motores de laboratorio, utilizando hasta cinco modelos diferentes de arrancadores de distintos fabricantes y con variadas topologías y características. Para cada arrancador se han obtenido múltiples señales correspondientes a diferentes niveles de fallo en el rotor (motor sano, motor con una barra rota y motor con dos barras rotas). Para cada nivel de fallo, se han obtenido una variedad de señales mediante la variación de los parámetros de arranque (tensión inicial, duración de rampa), así como de otras características operativas del motor (nivel de carga, tensión de suministro).

Adicionalmente, se han obtenido múltiples señales en motores industriales accionados mediante arrancador, que operaban en industrias (alimentación, plantas de depuración), con el fin de ratificar la validez de los resultados obtenidos con los de laboratorio.

Asimismo, se ha incluido un epígrafe final que ahonda en la automatización a la hora de aplicar la metodología propuesta, de forma que se evite, en la medida de lo posible, la necesidad de intervención de usuarios expertos para su aplicación. Este epígrafe se ha basado en una investigación conjunta con otros grupos internacionales.

Los resultados son prometedores, por cuanto prueban la validez de la metodología para detectar, no solamente la presencia de la avería, sino también para determinar la severidad del fallo en el rotor. Especialmente interesante es el hecho de que los resultados son más concluyentes si cabe en el caso de motores con arrancadores con control en las tres fases, que no

According to various studies, the most common failures in induction motors are bearing failures, failures of the isolation of the winding stator and, to a lesser extent, rotor failure. The latter failure includes the breaking, cracking or deformation of the bars or the rings of the shortcircuit of the rotor cage. Although the percentage of failures related to the rotor may not seem high (some authors place it around 15-20% of breakdowns), there have been reported cases in which the breakdown has resulted in immediate catastrophe, situations in which the protrusion of the bars or the detachment of fragments of broken bars that have ended up damaging the isolation of the stator. These breakdowns have caused the loss of millions of euros for the companies involved. Finally, this type of failure is more frequent in motors with high horsepower. It is these motors, the most costly to repair, and usually the most critical to the applications in which they operate.

One of the challenges that has been addressed in this thesis consists of the application and generalized validation of the methodology based on the analysis of the starting current for the case of engines started by static starters (also called electronic starters or soft starters). In this regard, the increasing use of static starters in a multitude of industrial applications has been verified.

This thesis deals with this problem in a rigorous way for the first time. The thesis focuses on the validation of a specific variant of transient diagnosis, which is based on the analysis of the start current signal by the discrete transformed wavelet (DWT). It is a time-frequency transformation that has important advantages when using the methodology of transient diagnosis. Given that this transformation is quick to apply, the interpretation of its results is simple and available in conventional commercial packages like Matlab, which any user with a minimum training could utilize. Additionally, this transformer allows the simple introduction of indicators to determine the degree of severity of the possible breakdown in the rotor, a question that is not trivial with other alternatives.

More than 900 signals have been obtained of starting current in laboratory motors, using up to five models of different starters from different manufacturers and with varied topologies and characteristics. Multiple corresponding signals have been obtained for each starter at different levels of rotor failure (healthy motor, motor with a broken bar and motor with two broken bars). For each level of failure, a variety of signals have been obtained by varying the starting parameters (initial tension, duration of ramp ...), as well as other operating characteristics of the motor (load level, voltage of supply).

Additionally, multiple signals have been obtained in industrial engines powered by a starter, which operated in industries of very diverse sectors (food, depuration plants), in order to ratify the validity of the results obtained with the laboratory engines.

Likewise, a final section has been included that delves into automation when applying the proposed methodology, so that, as far as possible, the need for expert user intervention for their application can be avoided. This section has been based on joint research with other international groups.

The results are promising, as they prove the validity of the methodology to detect, not only the presence of the breakdown, but also to determine the severity of the failure in the rotor. Especially interesting is the fact that the results are more conclusive in the case of engines with starters with control in all three phases, which are what are normally used for more powerful motors.

Segons diversos estudis, les fallades més comunes en motors d'inducció són les fallades en rodaments, les fallades en l'aïllament del debanament estatòric i, en menor mesura, les fallades en el rotor. Aquest últim tipus de fallada inclou el trencament, clavillament o deformació de les barres o dels anells de curtcircuit de la gàbia rotòrica. Tot i que el percentatge de fallades relacionades amb el rotor puga semblar no massa elevat (alguns autors ho situen al voltant del 15-20% del total d'avaries), s'han reportat casos en els quals l'avaria sí ha conduït a fallades catastròfiques immediates, com a situacions de protrusió de barres o de despreniment de fragments de barres trencades que han acabat danyant l'aïllament de l'estator. Aquestes avaries han provocat pèrdues milionàries per a les companyies involucrades. Finalment, aquest tipus de fallada és més freqüent en motors de gran potència. Són aquests motors els més cars, els més costosos de reparar i, usualment, els més crítics en les aplicacions en les quals operen.

Un dels reptes que s'ha abordat en la present tesi consisteix en l'aplicació i validació generalitzada de la metodologia basada en l'anàlisi del corrent d'arrancada per al cas de motors arrancats mitjançant arrancadors estàtics. Referent a açò, s'ha constatat l'ús creixent de arrancadors estàtics en multitud d'aplicacions industrials.

La present tesi aborda per primera vegada aquesta problemàtica de forma rigorosa. La tesi se centra en la validació d'una variant concreta de diagnòstic transitori, la qual es basa en l'anàlisi del senyal de corrent d'arrancada mitjançant la transformada wavelet discreta (Discrete Wavelet Transform, DWT). Es tracta aquesta d'una transformada temps-freqüència que compta amb importants avantatges a l'hora d'emprar la metodologia de diagnòstic transitori, atès que aquesta transformada resulta ràpida d'aplicar, la interpretació dels seus resultats és simple i està disponible en paquets comercials convencionals com Matlab, amb el què qualsevol usuari amb un mínim entrenament podria fer-ne ús. Addicionalment, aquesta transformada permet la introducció senzilla d'indicadors per a determinar el grau de severitat de la possible avaria en el rotor, qüestió aquesta que no resulta trivial amb altres alternatives.

S'han obtingut més de 900 senyals de corrent d'arrancada en motors de laboratori, utilitzant fins a cinc models diferents de arrancadors de diferents fabricants i amb variades topologies i característiques. Per a cada arrancador s'han obtingut múltiples senyals corresponents a diferents nivells de fallada en el rotor (motor sa, motor amb una barra trencada i motor amb dues barres trencades). Per a cada nivell de fallada, s'han obtingut una varietat de senyals mitjançant la variació dels paràmetres d'arrancada (tensió inicial, durada de rampa), així com d'altres característiques operatives del motor (nivell de càrrega, tensió de subministrament).

Addicionalment, s'han obtingut múltiples senyals en motors industrials accionats mitjançant arrancador, que operaven en indústries (alimentació, plantes de depuració), amb la finalitat de ratificar la validesa dels resultats obtinguts amb els motors de laboratori.

Així mateix, s'ha inclòs un epígraf final que aprofundeix en l'automatització a l'hora d'aplicar la metodologia proposada, de manera que s'evite, en la mesura del possible, la necessitat d'intervenció d'usuaris experts per a la seua aplicació. Aquest epígraf s'ha basat en una recerca conjunta amb altres grups internacionals.

Alhora, els resultats són prometedors, puix que proven la validesa de la metodologia per a detectar, no sols la presència de l'avaria, sinó també per a determinar la severitat de la fallada en el rotor. Especialment interessant és el fet que els resultats són més concloents, si açó és possible, en el cas de motors amb arrancadors amb control en les tres fases, que són