Detector predictivo de faltas en máquinas eléctricas rotativas.

El sistema objeto de la presente invención permite conocer el estado de salud de una máquina eléctrica en tiempo real, mediante la medida de la corriente de estator y la detección de deterioros que pueden desembocar en un futuro mal funcionamiento de éste. La detección del fallo se realiza analizando patrones espectrales característicos del fallo que se presentan en la corriente de estátor mediante un banco digital de filtros sintonizables. El método seguido para la detección permite establecer la aparición del fallo antes de que éste pueda adquirir dimensiones catastróficas para el funcionamiento de la máquina eléctrica.

El sistema cuenta con un sensor de efecto Hall, acondicionamiento de señal, un banco de filtros digitales sintonizables y elementos de interfaz hombre-máquina y máquina-máquina que le permiten interactuar con operarios y/u otros sistemas

Detector predictivo de faltas en máquinas eléctricas rotativas.

Objeto de la invención

El sistema objeto de la presente invención permite conocer el estado de salud de una máquina eléctrica en tiempo real, mediante la medida de la corriente de estátor y la detección de deterioros que pueden desembocar en un futuro mal funcionamiento de éste. La detección del fallo se realiza analizando patrones espectrales característicos del fallo que se presentan en la corriente de estátor mediante un banco digital de filtros sintonizables. El método seguido para la detección permite establecer la aparición del fallo antes de que éste pueda adquirir dimensiones catastróficas para el funcionamiento de la máquina eléctrica.

El sistema cuenta con un sensor de efecto Hall, acondicionamiento de señal, un banco de filtros digitales sintonizables y elementos de interfaz hombre-máquina y máquina-máquina que le permiten interactuar con operarios y/u otros sistemas.

Estado de la técnica

La presente invención tiene antecedentes cuyo desarrollo en las siguientes áreas han contribuido a la invención propuesta:

1.- Teoría de detección de anomalías en el funcionamiento de máquinas eléctricas rotativas. La teoría de detección de anomalías viene descrita ampliamente en el libro "PARAMETER ESTIMATION, CONDITION MONITORING, AND DIAGNOSIS OF ELECTRICAL MACHINES" (editorial CLARENDON PRESS, 1993) cuyo autor es PETER VAS. Las técnicas de medida de los parámetros se basan en medidas tanto invasivas como no invasivas empleando filtrados en tiempo diferido. Una referencia más reciente se encuentra en "Condition Monitoring and Fault Diagnosis of Electrical Motors-A Review" (Energy Conversion, IEEE Transactions on Volume 20, Issue 4, Dec. 2005 Page(s): 719-729) de Nandi, S.; Toliyat, H.A.; Li, X.

2.- Técnicas de detección y análisis de armónicos. El campo de análisis de armónicos es vasto y se ramifica en función de la aplicación. En el tema de motores, se encuentra recogido en "Detection of rotor slot and other eccentricity related harmonics in a three phase induction motor with different rotor cages", (IEEE Transactions on Energy Conversion, Volume 16, Issue 3, Sept. 2001 Page(s): 253-26) de Nandi, S.; Ahmed, S.; Toliyat, H.A.

3.- Procesadores Digitales de Señal (Digital Signal Processors - DSP). El desarrollo de estas técnicas depende enormemente de la aplicación a la que se destine el DSP. En este caso se han aplicado las técnicas de análisis de señal empleando algoritmos de FFT (Fault Diagnosis as a Housekeeping Function for Motor Drives Applications using TMS320F240 DSP'' (publicado por Texas Instrument DSPS Fest'99, Aug. 4-6, 1999) T. Gopalarathnam, S. Nandi, H.A. Toliyat.

La invención propuesta se basa, en cambio, en el empleo de filtros sintonizables, dando mejores resultados en términos de coste de cálculo y de tiempo.

Breve descripción de la invención

La aparición de faltas o fallos eléctricos y/o mecánicos en una máquina eléctrica rotativa producen la parada de éstas, deteniendo la actividad que desarrolla la máquina en el momento del fallo. Esta parada puede sobrevenir en situaciones comprometidas que se traducen en la pérdida de un producto no terminado, en la parada de un vehículo en mitad de un trayecto, la interrupción de una generación de potencia y, en el caso general, la detención de la actividad que desarrolla la máquina eléctrica en el momento en el que se produce la actividad. En estas situaciones se requiere actualmente la reparación o sustitución de la máquina defectuosa en el instante del fallo y en el lugar del fallo.

Con la presente invención, la máquina es monitorizada y su comportamiento es analizado. Puesto que los síntomas de un fallo aparecen con antelación al fallo, es posible detectar esos precursores y de ese modo, preparar la reparación o sustitución de la máquina en el momento y en el lugar más conveniente. La aparición de los precursores siempre sucede con suficiente antelación al fallo catastrófico. Esto posibilita evitar situaciones críticas para el proceso en términos pérdidas de un producto, o parada del vehículo en mitad de un trayecto o parada de la central de generación eléctrica.

En la presente invención, los precursores de un fallo de la máquina de interés se presentan como patrones espectrales característicos en la corriente de estátor. Los precursores espectrales aparecen, como mínimo, decenas de minutos antes de la situación de fallo catastrófico. El procedimiento de detección consiste en el paso de un flujo de muestras digitalizadas de la señal de corriente de estátor a través de un banco de filtros digitales sintonizados para cada patrón espectral relevante. Se declara un fallo cuando el filtro específico muestra un valor de amplitud significativo.

La detección se realiza partiendo de la medida de la corriente de alimentación de la máquina. Esta corriente se lee mediante un sensor de corriente (efecto Hall,...). La lectura se filtra para evitar aliasing, se digitaliza y el flujo de muestras digitales se introduce en un banco de filtros sintonizables. Las muestras obtenidas se someten a este banco de filtros para determinar las características espectrales que establecen el estado de salud del motor. Debido a que la medida se realiza sobre la corriente de estátor, se evitan instrumentos invasivos que puedan alterar el funcionamiento del aparato y permite que la monitorización se realice sin necesidad de detener el motor.

Descripción de las figuras

Figura 1: Sistema para la determinación de la frecuencia fundamental de la corriente circulante por el motor.

Figura 2: Sistema para la determinación de los parámetros SO.

Figura 3: Sistema para la determinación de los parámetros Si.

Figura 4: Sistema para la detección predictiva de faltas en máquinas.

Descripción detallada de la invención

En las máquinas eléctricas rotativas las averías más graves están asociadas a pérdidas de la simetría de rotación del conjunto; por ejemplo, fallos eléctricos en el bobinado, fractura de barras rotóricas en máquinas de inducción o malfuncionamiento de los rodamientos del eje. Esas pérdidas de simetría producen campos magnéticos alternativos de eje fijo localizados en la zona donde se encuentra el fallo. Para el análisis de los efectos que ese campo produce sobre otras variables de la máquina como las corrientes de alimentación o el par, es necesario descomponerlos en armónicos de campo giratorio cuyas fuerzas electromotrices sobre los devanados de la máquina serán estudiadas.

Esta descomposición se puede realizar a partir del teorema de Leblanc que indica la forma de convertir un campo magnético alternativo de eje fijo en una pareja de campos magnéticos giratorios: "Cualquier armónico de un campo magnético alternativo, de eje fijo, creado por una corriente de pulsación angular se puede descomponer en dos campos giratorios, de sentidos de giro opuestos, amplitud la mitad de la amplitud del campo original y velocidad angular de giro idéntica a la pulsación de la corriente" [1].

Las consecuencias de este teorema son, además, importantes desde el punto de vista de diseño de las máquinas eléctricas rotativas. Los devanados que crean el campo en las máquinas polifásicas de corriente alterna se sitúan espaciados uniformemente a lo largo de la máquina, y las corrientes que circulan por ellos están desfasadas en el tiempo también de forma constante. El resultado de esta distribución da la suma de todos los campos de secuencia de giro inversa, correspondientes a cada bobina individual de los devanados es nula, mientras que los de secuencia positiva son los que generan el campo positivo de la máquina. Por este motivo, en una máquina sana e idealmente construida no deberían aparecer armónicos de campo de giro inverso. En una máquina con asimetrías, en cambio, aparecerán dos series infinitas de armónicos espaciales producidos por la avería: la primera gira en sentido de giro directo, y la segunda gira en sentido de giro indirecto, consecuencia esta, que puede ser detectada en el espectro de corrientes de alimentación del motor.

Los conductores averiados o en mal estado dan lugar a dos campos magnéticos rotativos de frecuencias pmsf, donde s es el deslizamiento del motor y f la frecuencia de línea. Esto da lugar al siguiente espectro en el flujo del entre-hierro:

donde