Simulación de máquina de inducción bajo condiciones de fallo mediante software comercial

Abstract

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Este Proyecto Final de Carrera tiene por objeto el desarrollo de modelos de simulación de máquinas eléctricas para que sean empleados en el desarrollo de técnicas de detección de fallos de motores de inducción para mejorar el mantenimiento predictivo. Para ello, se desarrollan las guías y bases necesarias para desarrollar modelos de simulación de máquinas eléctricas de inducción tanto en condiciones de estado “sano” como bajo condiciones de estado de “fallo”, como serían la rotura de barras (provocando una asimetría rotórica) o la excentricidad en cualquiera de sus tipos: estático, dinámico o mixto. Para implementar dichas simulaciones se emplean tres programas de software comercial basados en elementos finitos como son Ansoft Maxwell, Flux 2-D y JMag Designer y también se desarrolla un nuevo modelo basado en elementos finitos empleando la herramienta PDETool de Matlab. La validación de este nuevo modelo se realiza mediante la comparación con los modelos comerciales de software basados en elementos finitos y además se verifica mediante la comparación con los resultados analíticos. Los conocimientos adquiridos en teoría de máquinas sirven como herramienta para obtener estos resultados analíticos los cuales serán comparados con los calculados con los complejos modelos de elementos finitos. El objetivo final de esta comparación no será únicamente validar el método de análisis por elementos finitos como herramienta para simulación de motores sino comprobar si es capaz de simular maquinas defectuosas y proporcionar resultados precisos. Este Proyecto Final de Carrera se compone de cuatro documentos: memoria, pliego de condiciones, presupuesto y planos. El primer documento es la Memoria del Proyecto y se estructura en nueve capítulos: En el Capítulo 1 se presentan los antecedentes y la motivación que ha servido de fundamento para desarrollar este proyecto, y se exponen también los objetivos que se pretenden conseguir y la forma en que se pretenden abordar. Se presenta el diferente software con el cual se va a trabajar durante el proyecto. En el Capítulo 2 se desarrollan aspectos teóricos de las principales leyes que rigen el electromagnetismo y los principales conceptos de máquinas eléctricas necesarios para el desarrollo de las distintas fases del proyecto. En el Capítulo 3 se explica la importancia del motor de inducción en el ámbito industrial, se mencionan las principales causas de avería de este tipo de máquinas eléctricas y su zona de localización, así como una revisión del mantenimiento aplicado actualmente y basado en la medida de la corriente. En el Capítulo 4 se acota el estudio de las averías en motores de inducción de jaula de ardilla, focalizándose en las averías en las barras del rotor. Aquí se describirá el funcionamiento de la máquina bajo las condiciones de no fallo y bajo condiciones de fallo y se obtendrán ciertas expresiones matemáticas que serán sumamente válidas para el posterior diagnóstico. El Capítulo 5 se focaliza sobre el fallo de la excentricidad en las máquinas eléctricas de inducción, así como se revisan los diferentes tipos y sus expresiones matemáticas. En el Capítulo 6 se realiza la verificación del modelo desarrollado por el autor empleando la herramienta PDETool de Matlab. Para ello, los resultados obtenidos se comparan tanto con el modelo analítico como con un modelo desarrollado por un software comercial basado en elementos finitos. Se debe tener en cuenta que los programas comerciales no están preparados para modelizar máquinas en estado de fallo. Por lo cual, se ha tenido que adaptar el proceso de definición de la máquina y resolver toda la problemática asociada. En el Capítulo 7 se analizan los pasos necesarios para realizar una simulación por elementos finitos en los diferentes software tanto para condiciones de estado “sano” de la máquina como bajo condiciones de fallo. El capítulo 8 trata sobre una comparación de los diferentes programas empleados para la realización de una misma simulación. Se comparan valores como la velocidad de cálculo, estabilidad, simultaneidad de simulaciones, precisión, etc. Finalmente, en el Capítulo 9 se presentan las conclusiones al trabajo desarrollado, resaltando las principales ventajas de un software sobre otro y permitiendo al lector seleccionar el que más se adapte a sus necesidades. Se han incluido seis Anexos explicativos de partes concretas del Proyecto, de tal modo que la memoria resulte más liviana de leer y los cuales sirven de complemento a la memoria: En el Anexo 1 se explica detalladamente como se emplea la herramienta PDETool de Matlab para el desarrollo de modelos basados en elementos finitos. Esta herramienta, nos permite construir el modelo de una maquina eléctrica con menos restricciones que los software comerciales por el contrario el desarrollador debe de parametrizar y programar todo el modelo. En el Anexo 2 se expone el análisis del flujo y el par de una máquina por el método matemático de la convolución aplicado a un devanado real trifásico. En este mismo anexo los resultados son comparados con un programa comercial de software basado en elementos finitos como es Maxwell. En el Anexo 3, el autor ha desarrollado un manual de cómo realizar una simulación de una máquina eléctrica de inducción. Para ello, se explica en primer lugar como simular tanto una máquina “sana” y, más tarde, se describe el proceso para implementar “fallos” en la misma en un programa de software comercial para el desarrollo de simulaciones de sistemas electromagnéticos (Ansoft Maxwell) basado en elementos finitos. Este manual resulta de gran aportación para la iniciación en dicho software a futuros estudiantes o investigadores. En el Anexo 4, se desarrolla un manual de cómo realizar una simulación de una máquina eléctrica de inducción en condiciones de estado “sano” en un programa de software comercial para el desarrollo de simulaciones de sistemas electromagnéticos Flux-2D basado en elementos finitos. Asimismo, se pretende conseguir un documento de apoyo para el lector interesado en el estudio de máquinas. El Anexo 5, continua el manual desarrollado en el apartado anterior pero extendiéndolo a la simulación de una máquina eléctrica de inducción bajo condiciones de fallo. Por último, en el Anexo 6 se describe cómo realizar una simulación de una máquina eléctrica de inducción en condiciones de estado “sano”, así como bajo condiciones de fallo mediante un programa de software comercial para el desarrollo de simulaciones de sistemas electromagnéticos JMAG Designer basado en elementos finitos. Al igual que con los Anexos 3 y 5, el objetivo de este anexo es el de ofrecer un documento de referencia para aquellos interesados en el estudio de máquinas eléctricas por elementos finitos. El segundo documento del proyecto es el Pliego de Condiciones. Este documento recoge los requerimientos facultativos, económicos y legales que deben contemplarse durante la ejecución del proyecto. Así mismo, también se detallan las especificaciones que deben cumplir los equipos y materiales utilizados y ciertas pautas que deben seguirse durante el proceso de ejecución. Focalizándose y adaptándose a la complejidad del proyecto dónde se pretende comparar El tercer documento es el Presupuesto. Se ha dividido en dos partidas y en éstas se muestran todos los precios descompuestos. La cantidad final será la suma de los costes materiales donde se incluyen las licencias anuales del diferente software empleado, y en la otra partida se encuentra la mano de obra correspondiente al ingeniero tanto para la redacción como para la puesta a punto de los programas comerciales. El cuarto y último documento son los Planos. Se encuentran cuatro planos correspondientes al devanado y las ranuras del motor empleado para las simulaciones.