Aplicación de técnicas avanzadas de análisis de corrientes para la detección de fallos en el devanado amortiguador de máquinas síncronas

Abstract

[ES] En el presente proyecto se aplican diferentes técnicas, principalmente basadas en el análisis de corrientes, para la detección de fallos en el devanado amortiguador de motores síncronos. Pese a no ser las máquinas eléctricas más utilizadas en la industria, debido a los inconvenientes que presentan respecto a otras alternativas, las máquinas síncronas poseen interesantes ventajas para grandes potencias, lo que hace que su uso sea relativamente frecuente en este rango de aplicaciones. Son, por tanto, máquinas de gran importancia en la industria, de naturaleza habitualmente crítica en aquellos procesos en los que participan y de elevado coste. Debido a la imposibilidad de arrancar por sí mismas, muchas de estas máquinas disponen de un devanado amortiguador, el cual permite el arranque de la máquina de manera asíncrona, actuando de manera análoga a la jaula de ardilla de motor de inducción. Un fallo en este elemento puede tener consecuencias nefastas, como la imposibilidad de arrancar la máquina o daños catastróficos sobre otros elementos de la misma. Resulta, por tanto, crucial idear técnicas que permitan determinar en cada momento del estado de este elemento, y que permitan tener información sobre su condición de manera fiable para, en caso de daño, adoptar acciones de mantenimiento adecuadas. El análisis de corrientes se sitúa como una técnica a tener en cuenta para la detección de daños en el devanado amortiguador, debido a que se trata de una técnica no invasiva y sencilla, permitiendo el diagnóstico sin necesidad de desmontar la máquina, únicamente registrando las señales de corriente que demanda el estator. En el caso del devanado amortiguador, dado que solamente funciona durante el arranque de la máquina, el análisis de la corriente de arranque resulta de gran interés para el diagnóstico, ya que el análisis de la corriente en régimen permanente (método clásico) no resulta útil, al no conducir corriente relevante este elemento durante tal régimen de funcionamiento. En el presente proyecto se aplica la técnica basada en el análisis de la corriente de arranque para determinar a condición de diferentes máquinas síncronas: tres de ellas son máquinas síncronas disponibles en el Departamento de Ingeniería Eléctrica de la UPV y una cuarta es un prototipo de motor síncrono de polos salientes construido en la Korea University (Corea del Sur) y ensayado en un taller de reparación de motores de aquel país, a el fin de obtener señales de corrientes para distintos niveles de fallo en el devanado amortiguador, desde la máquina sana hasta máquina con tres barras rotas. Para el análisis de las señales de corriente, se ha hecho uso de la técnica de análisis transitorio basada en la aplicación de la Discrete Wavelet Transform (DWT), debido a su sencillez y fácil visualización de los resultados, así como su idoneidad para introducir indicadores de severidad del fallo. De forma adicional, y a modo de complemento de la técnica de análisis de corrientes, se procede a aplicar una segunda técnica basada en el análisis de datos de flujo de dispersión durante el arranque. Se trata ésta de una técnica muy reciente que consiste en monitorizar durante el arranque la fuerza electromotriz inducida por el flujo de dispersión en un sensor externo que se ubica en diferentes posiciones de la carcasa del motor. A este respecto, se realizan ensayos adicionales para la captura de estas señales considerando diversas posiciones del sensor. Se analizan posteriormente estas señales mediante la DWT, comentando los resultados y comparándolos con los de análisis de corrientes. Los resultados obtenidos en el presente proyecto han permitido comprobar la validez de las diferentes metodologías propuestas para la detección de fallos en el devanado amortiguador, cuestión ésta que resulta de gran interés para compañías que cuenten con grandes motores síncronos en sus procesos.

[EN] In the present project different techniques are applied, mainly based on the analysis of currents, for the detection of failures in the damper winding of synchronous motors. Despite not being the most used electric machines in the industry, due to the inconveniences they present with respect to other alternatives, synchronous machines have interesting advantages for large powers, which makes their use relatively frequent in this range of applications. They are, therefore, machines of great importance in the industry, usually critical in those processes in which they participate and of high cost. Due to the impossibility of starting by themselves, many of these machines have a damper winding, which allows the machine to start asynchronously, acting analogously to the squirrel cage of induction motor. A failure in this element can have dire consequences, such as the inability to start the machine or catastrophic damage to other elements of it. It is therefore crucial to devise techniques that allow to determine at any time the state of this element, and that allow to have information on its condition in a reliable way to, in case of damage, take appropriate maintenance actions. The current analysis is positioned as a technique to be taken into account for the detection of damages in the damper winding, because it is a non-invasive and simple technique, allowing diagnosis without the need to disassemble the machine, only recording the signals of current demanded by the stator. In the case of the damper winding, since it only works during the start of the machine, the analysis of the starting current is of great interest for the diagnosis, since the analysis of the current in permanent regime (classical method) is not useful, as this element does not conduct a relevant current during such an operating regime. In this project, the technique based on the analysis of the starting current is applied to determine the condition of different synchronous machines: three of them are synchronous machines available in the Department of Electrical Engineering of the UPV and a fourth is a motor prototype synchronous of salient poles built in Korea University (South Korea) and tested in an engine repair shop in that country, in order to obtain signals of currents for different levels of failure in the damper winding, from the healthy machine to machine with three broken bars. For the analysis of the current signals, the technique of transient analysis based on the application of the Discrete Wavelet Transform (DWT) has been used, due to its simplicity and easy visualization of the results, as well as its suitability to introduce indicators of severity of the failure. Additionally, and as a complement to the current analysis technique, a second technique is applied based on the analysis of dispersion flow data during startup. This is a very recent technique that consists in monitoring during start-up the electromotive force induced by the dispersion flow in an external sensor that is located in different positions of the motor housing. In this regard, additional tests are performed to capture these signals considering various sensor positions. These signals are subsequently analyzed using the DWT, commenting on the results and comparing them with the current analysis. The results obtained in this project have allowed us to verify the validity of the different methodologies proposed for the detection of failures in the damping winding, an issue that is of great interest for companies that have large synchronous motors in their processes.