PROCEDIMIENTO Y DISPOSITIVO PARA DETERMINAR LA VELOCIDAD DE ROTACIÓN DEL ROTOR DE UN MOTOR DE INDUCCIÓN ELÉCTRICA.

Procedimiento para determinar la velocidad de rotación de rotores en motores de inducción eléctrica asíncronos,

frm, en el que los siguientes datos del motor son conocidos: • Número de polos p, • Velocidad mecánica nominal ωn del motor, • Rendimiento nominal ηn, • Factor de potencia cosθ, • Potencia mecánica nominal Pn, • Constante de linealidad Km que relaciona el voltaje de alimentación Ul con la frecuencia de la red f1 según Ul=Kmf1. que comprende el siguiente conjunto de fases: &bull: primera fase I que a su vez comprende las siguientes sub-fases: a) la medición de intensidad Il=Il(t) de cualquiera de las fases de cableado de la bobina del estator del motor, b) la transformación de la señal definida en el dominio del tiempo Il(t) en el dominio de la frecuencia Iw(t), para determinar la frecuencia con la mayor densidad de energía, f1, que corresponde a la frecuencia principal de alimentación del motor, • segunda fase II consta del establecimiento de frecuencias fmin y fmax que fijan un intervalo en el que es posible localizar el armónico causado por la excentricidad fecc; es decir, fecc
[fmin,fmax], se calcula a su vez, usando las siguientes sub-fases: a) cálculo de la velocidad síncrona del motor ωs según el número de pares de polos p del motor y la frecuencia principal de alimentación f1 por medio de la fórmula b) cálculo del voltaje de alimentación del motor, Ul, según la siguiente ecuación c) estimación de la velocidad ωrm como el valor que especifica ω**Fórmula** con ω1, ω2 siendo las raíces reales de la ecuación de segundo grado. d) estimación del deslizamiento s- usando **Fórmula** e) estimación de la frecuencia de excentricidad f-ecc usando la ecuación f) determinación del valor de fmin, como **Fórmula** en la que d1 y d2 son parámetros preestablecidos que determinan la anchura del intervalo de búsqueda [fmin, fmax] del valor real fecc. • tercera fase III, que a su vez consta de las siguientes sub-fases: b) el valor de la frecuencia del único armónico presente se determina en la señal Iw(f) en el intervalo [fmin, fmax], es decir, el valor de fecc, c) el valor para la velocidad de rotación fm del rotor se obtiene usando la ecuación frm=f1-fecc

Objeto de la invención

Esta invención está constituida por un procedimiento y dispositivo para determinar la velocidad de rotación del rotor de un motor de inducción eléctrica asíncrono que hace innecesario el uso de sensores costosos.

El dispositivo usado en esta invención no requiere el desmontaje del motor, la instalación de sensores u otras etapas para medir la velocidad, y por lo tanto el rendimiento real del motor.

Antecedentes de la invención

En los motores de inducción eléctrica asíncronos de gran tamaño es importante conocer la velocidad real de rotación y, por extensión, el rendimiento real proporcionado. En estos casos, la variación respecto a los parámetros proporcionados por el fabricante en las placas de especificación puede mostrar si el motor está funcionando según el diseño o si se han producido problemas que requieren atención y reparación.

Aunque esto no es una alta prioridad en los motores pequeños, es en los motores a escala grande donde, así como la importancia del rendimiento real obtenido, las reparaciones y el mantenimiento son más frecuentes. Estas reparaciones sólo deberían llevarse a cabo cuando sea necesario y no a efectos meramente experimentales.

Los siguientes parámetros se consideran como especificaciones del fabricante:

º Velocidad nominal fn,

º Frecuencia principal de alimentación f1,

º Número de pares de polos p, º Velocidad mecánica nominal n del motor, º Rendimiento nominal n, º Factor de potencia cos,

º Potencia mecánica nominal Pn,

º Constante de linealidad Km que relaciona el voltaje de alimentación U1 con la frecuencia de la red f1 según Ul=Kmf1 .

En cualquier caso, la relación entre la velocidad expresada en hercios f1 [Hz], en radianes por segundo s [rad/s] o en revoluciones por minuto ns [rev/min] es de uno a uno, según las siguientes ecuaciones de dependencia:

2ºf 60f

ºº 1;n º 1 .

sp sp

Hasta ahora, los cálculos de parámetros como la velocidad real de rotación o el rendimiento real del motor han requerido el uso de sensores conectados al motor. Un sensor de velocidad para calcular la velocidad y un sensor de par de torsión para medir la fuerza mecánica entregada por el motor a la velocidad de rotación mientras funciona.

Estos dispositivos son caros, ocupan espacio y a menudo deben ser insertados en lugares reservados para dispositivos que son movidos por el motor. Esto es incluso más problemático cuando un motor debe ser abierto para llevar a cabo cualquier clase de reparación.

Esta invención evita el uso de estos dispositivos auxiliares y sólo lee la corriente de alimentación suministrada a cualquiera de los cableados del motor. En la práctica, los datos para la corriente se leen y obtienen en uno de los conductores principales de alimentación del motor, y son estos conductores principales los que alimentan al cableado del motor. Por lo tanto, en esta descripción, los términos conductor o conductores principales de alimentación y cableado del motor se usan de manera intercambiable. En ambos casos, como el cableado del motor es alimentado a través de los conductores principales de alimentación, las variables medidas tienen los mismos valores.

Una vez que se conoce la velocidad de rotación real del rotor del motor, es posible determinar el rendimiento a través de la relación que expresa el cociente entre la energía mecánica entregada al eje y la energía eléctrica en la que Ul es el voltaje de alimentación, Il es la intensidad de alimentación, Uf e If son el voltaje y la corriente de fase, respectivamente, T el par de torsión del eje, cos es el factor de potencia y rm es la velocidad de rotación del rotor medida en radianes por segundo. Aunque ambas variables, Ul e Il, son conocidas; el par de torsión T debería determinarse a través de experimentos o curvas de trabajo T- una vez que se conoce la velocidad de rotación.

Ha habido resultados variados obtenidos a partir de estudios sobre daño a motores eléctricos. Estos estudios analizan el efecto de la excentricidad sobre la corriente del cableado, puesto que se generan armónicos que únicamente están asociados con la excentricidad, cuya amplitud es proporcional al fallo mecánico que causa el dicho armónico.

Aunque la excentricidad es un defecto que está presente en mayor medida cuando, por ejemplo, los cojinetes del motor están dañados, el mecanizado de las piezas no es perfecto y siembre existe un grado de desalineación que causa variaciones en las separaciones del entrehierro, o anisotropía, heterogeneidad del material; todas estas siempre están presentes en mayor o menor medida.

En los estudios mencionados anteriormente, la presencia de estos armónicos sólo tiene importancia cuando se produce daño, así que el problema puede ser cuantificado; mientras que en el caso de esta invención, su existencia es importante aunque no estén causados por daño que deba ser rectificado. Por otra parte, los estudios sobre daño del motor hacen uso de dispositivos que miden la velocidad real del rotor, ya que es esta velocidad la que nos conduce a la localización exacta del armónico que ha de ser cuantificado en amplitud, fecc, asociado con la excentricidad del rotor.

Esta localización se lleva a cabo usando la relación

ºº1º s ºº

f eccº f1º1º k

**(Ver fórmula)**

**(Ver fórmula)**

p

en la que f1 es la frecuencia principal de alimentación del motor, k es un número entero, s es el deslizamiento, p el número de pares de polos.

Una vez que se obtienen todas las variables usando los dispositivos de lectura, se establece la ecuación y nos permite fijar la frecuencia con la que pueden localizarse los armónicos fecc que están asociados con la excentricidad.

Cuando es la velocidad real fm la que se requiere y la frecuencia asociada con la excentricidad fecc también es desconocida, la relación previa no nos permite resolver el problema porque existen más cantidades desconocidas que ecuaciones que vinculen las variables implicadas, y por lo tanto, hasta ahora, el uso de sensores ha sido esencial.

La solicitud de patente WO2006131878 desvela un dispositivo y un procedimiento para medir sin sensores una frecuencia mecánica del rotor de un rotor de una máquina asíncrona, en la que el rotor tiene un defecto predeterminado y la máquina asíncrona tiene un número fijo de pares de polos. La máquina asíncrona comprende una unidad de determinación de corriente para determinar una corriente del estator del estator, en el que la corriente del estator tiene una frecuencia del estator. Una unidad de procesamiento forma un espectro de corriente del estator de la corriente del estator. Una unidad analizadora analiza el espectro de corriente de estator y determina un pico inverso y una frecuencia inversa correspondiente en el espectro de corriente del estator, en el que el pico inverso es el pico que tiene la segunda amplitud más alta en el espectro de corriente del estator en el intervalo de frecuencia de la frecuencia del estator. Una unidad de cálculo calcula una frecuencia mecánica del rotor del rotor a partir de la suma de la frecuencia de estator dividida por el número de pares de polos y la frecuencia inversa, si el deslizamiento de la máquina asíncrona es inferior al 50%, o a partir de la diferencia de la frecuencia de estator dividida por el número de pares de polos y la frecuencia inversa, si el deslizamiento es superior al 50%.

La patente US5742522 desvela una invención en la que durante una fase de aprendizaje se monitoriza una señal de corriente del motor, y se usa el par de torsión estimado del motor para transformar la señal de corriente en unos espectros de tiempo-frecuencia que incluyen una pluralidad de segmentos representativos de buenos modos de funcionamiento. Se estima un parámetro representativo y un límite respectivo de cada segmento. La señal de corriente es monitorizada durante una fase de prueba para obtener datos de prueba, y los datos de prueba se comparan con el parámetro representativo y el límite respectivo de cada segmento respectivo para detectar la presencia de una avería en un motor. Las frecuencias a las que es probable que ocurran averías de barras rotas en un motor pueden estimarse usando el par de torsión estimado del motor, y una función de ponderación... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento para determinar la velocidad de rotación de rotores en motores de inducción eléctrica asíncronos, frm, en el que los siguientes datos del motor son conocidos:

º Número de polos p, º Velocidad mecánica nominal n del motor, º Rendimiento nominal n, º Factor de potencia cos,

º Potencia mecánica nominal Pn,

º Constante de linealidad Km que relaciona el voltaje de alimentación Ul con la frecuencia de la red f1 según Ul=Kmf1.

que comprende el siguiente conjunto de fases:

º primera fase I que a su vez comprende las siguientes sub-fases: a) la medición de intensidad Il=Il(t) de cualquiera de las fases de cableado de la bobina del estator del motor, b) la transformación de la señal definida en el dominio del tiempo Il(t) en el dominio de la frecuencia Iw(t), para determinar la frecuencia con la mayor densidad de energía, f1, que corresponde a la frecuencia principal de alimentación del motor,

º segunda fase II consta del establecimiento de frecuencias fmin y fmax que fijan un intervalo en el que es posible localizar el armónico causado por la excentricidad fecc; es decir, fecc [fmin,fmax], se calcula a su vez, usando las siguientes sub-fases: a) cálculo de la velocidad síncrona del motor s según el número de pares de polos p del motor y la frecuencia principal de alimentación f1 por medio de la fórmula

2ºf

ºs º 1

p

b) cálculo del voltaje de alimentación del motor, Ul, según la siguiente ecuación

Ul º Km º f1

c) estimación de la velocidad ºˆ rm como el valor que especifica ºˆrm º minºººs ºº1ºº, ºs ºº2 ºº

con 1, 2 siendo las raíces reales de la ecuación de segundo grado

º Pn Pn º

ºn ºn

ºn

**(Ver fórmula)**

ll rm srm

ºººº ººº º

sn sn

d) estimación del deslizamiento sˆusando sˆ º (ºs ººˆ rm )/ºs

e) estimación de la frecuencia de excentricidad fˆ usando la ecuación

ecc

ºº1º sˆºº

ˆ

fº f 1º

ecc 1º

**(Ver fórmula)**

**(Ver fórmula)**

p

f) determinación del valor de fmin, como

ˆˆ

f º f º df

min ecc 1 ecc

y el valor de fmax como

ˆˆ

fmax º fecc º d2 fecc

en la que d1 y d2 son parámetros preestablecidos que determinan la anchura del intervalo de búsqueda [fmin, fmax] del valor real fecc.

º tercera fase III, que a su vez consta de las siguientes sub-fases: b) el valor de la frecuencia del único armónico presente se determina en la señal Iw(f) en el intervalo [fmin, fmax], es decir, el valor de fecc,

5 c) el valor para la velocidad de rotación fm del rotor se obtiene usando la ecuación frm=f1-fecc.

2. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque d1 y d2 son iguales, es decir, d1=d2=d.

10 3. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizado porque d=0,1.

4. Procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones previas, caracterizado porque no importa que las velocidades calculadas o medidas en las diferentes expresiones se tomen en hercios f1[Hz], en radianes por segundo s[rad/s] o en revoluciones por minuto ns[rev/min] siempre que se tengan en cuenta las

15 siguientes relaciones dependientes

2ºf1 60f1

ºº ; nº .sp sp

5. Procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones previas, caracterizado porque el rendimiento real del motor, rm, se determina para cada punto de funcionamiento del motor como:

º Pn Pn º

ºn ºn

ºº ºº ººº

rm srm

ººº ººº

º sn sn º ºrm º

3UlIl cos(º )

**(Ver fórmula)**

6. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque la evaluación de la señal de intensidad Iw(f) en el dominio de la frecuencia se lleva a cabo numéricamente, preferentemente usando la transformada rápida de Fourier.

7. Dispositivo para determinar la velocidad de rotación del rotor de un motor eléctrico que comprende:

º medios para leer la señal de intensidad Il=Il(t) para el cableado del motor,

º medios para transformar la señal del dominio del tiempo Il=Il(t) al dominio de la frecuencia Iw(t),

º una unidad de cálculo para calcular 3 etapas:

30 primera etapa I que determina la frecuencia de la señal de Iw(t) con la mayor densidad de energía f1, que corresponde a la frecuencia principal de alimentación del motor, segunda etapa II que consta del establecimiento de frecuencias fmin y fmax que fijan un intervalo en el que es posible localizar el armónico causado por la excentricidad fecc del motor; es decir, fecc [fmin,fmax], se calcula a su vez, usando las siguientes sub-etapas: º cálculo de la velocidad síncrona del motor s según el número de pares de polos p del motor y la frecuencia principal de alimentación f1, por medio de la fórmula

2ºf1

sp

º cálculo del voltaje de alimentación del motor, Ul, según la siguiente ecuación Ul º Km º f1

40 º estimación de la velocidad ºˆ rm como el valor que especifica

ºˆrmº minºººs ºº1ºº , ºs ºº2 ºº con 1, 2 siendo las raíces reales de la ecuación de segundo grado

º Pn Pn º

ºn ºn

ºn

**(Ver fórmula)**

º estimación del deslizamiento sˆusando

sˆ º (ºs ººˆrm )/ºs

º estimación de la frecuencia de excentricidad fˆ usando la ecuación

ecc

ºº1º sˆºº

ˆfº f 1º

ecc 1º

**(Ver fórmula)**

**(Ver fórmula)**

p

º determinación del valor de fmin como

ˆ ˆ

fmin º fecc º d1 fecc

y el valor de fmax como

ˆ ˆ

f º f º df

max ecc 2 ecc en la que d1 y d2 son parámetros preestablecidos que determinan la anchura del intervalo de búsqueda [fmin, fmax] del valor real fecc. tercera fase III, que a su vez consta de las siguientes sub-fases:

º el valor de la frecuencia del único armónico presente se determina en la señal Iw(f) en el intervalo [fmin, fmax], es decir, el valor de fecc, º el valor para la velocidad de rotación fm del motor se obtiene usando la ecuación frm=f1fecc.

º medios para generación del valor numérico de la velocidad frm.

8. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 7, caracterizado porque los medios de transformación de

20 la señal del dominio del tiempo al dominio de la frecuencia usan un convertidor analógico-digital así como una unidad de cálculo de transformada.

9. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 8, caracterizado porque la implementación de la transformada es Fourier, basada en ondículas o DFT.

10. Dispositivo de acuerdo con las reivindicaciones 7 y 8, caracterizado porque la unidad de cálculo está equipada con una entrada para la señal de intensidad en el dominio de la frecuencia y una salida con el valor que representa la velocidad.

30 11. Dispositivo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 7 a 10, caracterizado porque la unidad de cálculo es programable.

12. Dispositivo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 7 a 10, caracterizado porque cualquiera de los componentes del convertidor analógico-digital, la unidad de cálculo que calcula la señal en el

35 dominio de la frecuencia o la unidad que determina la velocidad están constituidos por dispositivos que usan lógica cableada.

13. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 12, caracterizado porque la integración conduce a un dispositivo ASIC.

40

14. Producto que está constituido por un programa informático para determinar la velocidad de rotación del rotor de un motor eléctrico, en el que el dicho producto que está constituido por el programa informático contiene un recurso que puede usarse como ordenador que está equipado con medios para leer un código ejecutable para:

º la lectura de un vector de valores que corresponden a una muestra digitalizada de la señal de 45 intensidad,

º la aplicación de la transformada al dominio de la frecuencia según un desarrollo en serie de Fourier

truncada.

º el cálculo de la frecuencia principal de alimentación f1 usando análisis del armónico asociado con la densidad de energía máxima,

º el cálculo de los valores fmin, fmax 5 º la evaluación del máximo de la función transformada en el intervalo [fmin, fmax]

º el cálculo de la velocidad usando la fórmula frm=f1-fecc[Hz] o sus equivalentes a la escala apropiada de acuerdo con la reivindicación 5.

15. El producto que está constituido por un programa informático de acuerdo con la reivindicación 3, en el

10 que la transformada al dominio de la frecuencia se lleva a cabo usando un algoritmo de transformada rápida de Fourier, DFT, o basado en ondículas.