Equipo de diagnóstico de fallos de corto circuito para motores síncronos de imanes permanentes y método de utilización de este.

Dispositivo y procedimiento de diagnóstico de cortocircuitos en motores eléctricos de corriente alterna, compuesto por un conjunto de tres resistencias idénticas dispuestas en estrella formando un neutro flotante, un sensor de tensión que mide la tensión homopolar y un sistema electrónico que permite realizar un procesado en frecuencia de la señal de tensión teniendo en cuenta la velocidad de giro del motor.

Equipo de diagnóstico de fallos de corto circuito para motores síncronos de imanes permanentes y método de utilización de este

La presente invención se refiere a un sistema de detección de cortocircuitos incipientes entre espiras del estator aplicado a motores polifásicos de corriente alterna. Preferentemente motores síncronos de imanes permanente (MSIP) alimentados mediante un inversor electrónico. Concretamente estos cortocircuitos se generan en las espiras de los bobinados de estator.

La técnica utilizada para detectar cortocircuitos incipientes se basa en la medida de la tensión homopolar.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Los motores MSIP van alimentados a través de un convertidor electrónico, también llamado inversor, que permite regular la velocidad y el par del motor de manera controlada. El inversor se alimenta directamente de la toma trifásica de potencia y genera un sistema de tensiones trifásicas de frecuencia variable. Dicho inversor incorpora sensores de corriente, de tensión y de posición/velocidad del motor así como de un microprocesador electrónico que procesa las señales de dichos sensores para así generar en cada momento un sistema trifásico de tensiones adecuado para el régimen de operación del motor.

Los fallos de corto circuito en espiras del estator son muy destructivos, de modo que si no se detectan a tiempo acaban deteriorando irreversiblemente el motor, acabando este fuera de servicio.

Los motores MSIP se utilizan para accionar maquinaria industrial, robots industriales, ascensores, sistemas de centrifugación y también se utilizan en el sector aeronáutico (motores para accionar alerones de los aviones, etc.) así como en el sector automovilístico (especialmente como motor de tracción para vehículos eléctricos entre otras aplicaciones) .

La presente invención tiene por objeto la detección de cortocircuitos en el momento de su formación, de modo que se pueda actuar antes de que el motor MSIP sufra problemas irreversibles o que se pueda llegar a una situación catastrófica. La técnica utilizada para detectar cortocircuitos incipientes se basa en la medida de la tensión homopolar.

Se conocen otros procedimientos, equipos y sistemas para determinar cortocircuitos entre espiras mediante la tensión homopolar, pero aplicados a otros tipos de motores, nunca para motores síncronos de imanes permanentes. Además dichos procedimientos, equipos y sistemas generalmente se basan en el cambio de la amplitud de la tensión homopolar o de la amplitud de las impedancias de secuencia negativa, mientras que la presente invención se basa en analizar el espectro en frecuencia de la tensión homopolar.

Los documentos US 2008/0043383 A1 y P. Garcia, F. Briz, M.W. Degner, A.B. Diez, "Diagnostics of induction machines using the zero sequence voltage, " IEEE Industr y Applications Conference, 2004. 39th IAS Annual Meeting 2004, vol.2, pp. 735-742, Oct. 2004 presentan métodos y sistemas para la detección de defectos utilizando técnicas muy concretas relacionadas con protecciones contra sobrecargas y cortocircuitos aplicadas a generadores síncronos de imanes permanentes (caso de la patente US 2008/0043383 A1) o bien el análisis de la tensión homopolar en motores trifásicos de inducción (caso del documento “Diagnostics of induction machines using the zero sequence voltage”) .

La presente invención tiene por objeto la monitorización y el análisis del contenido armónico de la tensión homopolar para detectar los cortocircuitos entre espiras del estator de motores MSIP en su estado incipiente. Es decir, la predicción y el análisis de los defectos antes de que ocurran de manera catastrófica. Ello se hace de modo on-line, es decir, en tiempo real.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

El sistema y procedimiento de diagnóstico de motores MSIP según la presente invención se basa en la medida, monitorización y análisis de la tensión homopolar. Es una realización particularmente ventajosa ya que permite un diagnóstico en tiempo real minimizando el número de componentes necesarios adicionales. Además ofrece un diagnóstico simple y robusto de los cortocircuitos incipientes en las bobinas del estator de dichos motores.

La presente invención integra un sensor de tensión para la medida de la tensión homopolar, un sensor de velocidad opcional, una red de tres resistencias idénticas o equilibradas para formar un neutro artificial así como de un sistema de adquisición y procesado de señal.

El sistema de diagnóstico propuesto se puede aplicar a motores que accionen maquinara industrial (por ejemplo en las máquinas de fabricación de papel) , robots industriales, ascensores, sistemas de centrifugación, sector aeronáutico (motores para accionar alerones de los aviones, etc.) así como el sector automovilístico (especialmente como motor e tracción para vehículos eléctricos entre otras aplicaciones) .

Se ha desarrollado un equipo que en base a la adquisición de dos señales del motor MSIP, la tensión homopolar y la velocidad de giro del motor, es capaz de detectar cortocircuitos incipientes en las bobinas del estator de dicho motor.

El sistema propuesto consiste en medir la tensión homopolar de un motor sano del modo indicado en la Figura 1. En caso de incorporar sensor de velocidad también mide la velocidad del motor o, en caso de no tenerlo, la calcula. A partir de estas dos medidas calcula el espectro de frecuencias de la tensión homopolar y localiza los armónicos que proporcionan información relativa al fallo. Se repite el proceso en tiempo real, mientras el motor está en funcionamiento y se comparan los valores máximos de las amplitudes del 1º, 5º y 7º armónicos con los valores de referencia obtenidos para el motor sano. Aumentos de las amplitudes de estos tres armónicos indican la existencia de espiras en cortocircuito en las bobinas del estator del motor MSIP analizado.

Procedimiento de prueba motores comprende los siguientes pasos básicos:

- Adquisición de datos de tensión homopolar.

- Se calcula el espectro de la tensión homopolar.

- Estimación de la velocidad del motor.

- Se determina la amplitud normalizada de los armónicos.

- Se comparan los datos de amplitud normalizada de los armónicos con los resultados de calibración de motor sano.

- Cálculo de la distancia ponderada entre la amplitud de armónico como factor indicador de fallo.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

Para mejor comprensión de cuanto se ha expuesto se acompañan unos dibujos en los que se representa:

Figura 1. Motor MSIP alimentado a través de un inversor electrónico. Se muestra el inversor, las conexiones de los bobinados del estator, las espiras en cortocircuito y la red de tres resistencias equilibradas usadas para generar el neutro artificial.

Figura 2. Motor MSIP alimentado por el inversor electrónico con los sensores de posición y de velocidad.

Figura 3. Espectro completo de la tensión homopolar obtenida en un motor MSIP que tiene 4 espiras en cortocircuito y en uno sano con velocidad de 6000 rpm.

Figura 4. Espectro de la tensión homopolar obtenida en un motor MSIP que tiene 4 espiras en cortocircuito y en uno sano con velocidad de 6000 rpm. Detalle del primer armónico.

Figura 5. Espectro de la tensión homopolar obtenida en un motor MSIP que tiene 4 espiras en cortocircuito y en uno sano con velocidad de 6000 rpm. Detalle del quinto armónico.

DESCRIPCIÓN DE UNA REALIZACIÓN PREFERIDA

El desarrollo consiste en un dispositivo de detección de cortocircuitos incipientes entre espiras del estator aplicado a motores polifásicos de corriente alterna. Se caracteriza caracterizado por el hecho de que realiza la detección mediante el análisis de la tensión homopolar, la evaluación del contenido harmónico de la misma y finalmente la extracción de un parámetro de fallo.

El dispositivo se desarrolla en un sistema embebido, que se caracteriza porque comprende:

• una red de tres resistencias idénticas o equilibradas para formar un neutro artificial donde se mide la tensión homopolar.

• un sensor de tensión...

1. Dispositivo de diagnóstico de cortocircuitos en motores eléctricos de corriente alterna,

caracterizado por el hecho de que comprende un conjunto de tres resistencias idénticas dispuestas en estrella formando un neutro flotante, un sensor de tensión que mide la tensión homopolar y un sistema electrónico que permite realizar un procesado en frecuencia de la señal de tensión teniendo en cuenta la velocidad de giro del motor.

2. Dispositivo de diagnóstico según la reivindicación anterior, en el que la tensión homopolar se obtiene mediante una red de tres resistencias idénticas o equilibradas para formar un neutro artificial.

3. Dispositivo de diagnóstico según la reivindicación 1, en el que la tensión homopolar se mide mediante una sonda de tensión conectada entre el centro de la red de tres resistencias idénticas y el centro del bobinado del motor.

4. Dispositivo de diagnóstico según la reivindicación 1, en el que la evaluación del contenido harmónico de la tensión homopolar se hace aplicando la transformada de Fourier.

5. Dispositivo de diagnóstico según reivindicación 4 en que la extracción de factor de fallo para el diagnóstico se basa en la evaluación de la distancia ponderada entre las amplitudes de los armónicos 1º, 5º y 7º del motor sano y del motor bajo análisis.

6. Dispositivo de diagnóstico según reivindicación 1 caracterizado por comprender los siguientes elementos:

- un conjunto de tres resistencias idénticas de 28 k

m I 4 vatios dispuestas en estrella formando un neutro

flotante.

- un sensor de tensión A.

10. 50 del fabricante LEM, con un rango de tensiones de medida de ± 75 V y alimentado mediante una fuente de alimentación de ± 12 V. -un sistema de procesado de señal en base a DSP.

7. Procedimiento de diagnóstico que comprende los pasos de: -Adquisición de datos de tensión homopolar. -Se calcula el espectro de la tensión homopolar. -Estimación de la velocidad del motor. -Se determina la amplitud normalizada de los armónicos. -Se comparan los datos de amplitud normalizada de los armónicos con los resultados de calibración

de motor sano. -Cálculo de la distancia ponderada entre la amplitud de armónico como factor indicador de fallo.

8. Procedimiento de diagnóstico según la reivindicación 7 caracterizado por qué: -La frecuencia de adquisición es de por lo menos 10 kHz. -El mínimo número de muestras es de 8196.

9. Procedimiento de diagnóstico según la reivindicación 7 caracterizado por qué: -Los armónicos que se analizan son los impares, preferentemente 1º, 3º, 5º y 7º.

Figura 1

Espiras cortocircuitadas if

ia

Figura 2

Tensión homopolar (dB)

Figura 4

0.90 0.95 1.00 1.05 1.10 Orden del armónico

Figura 5

4.95 5.00 Orden del armónico