La presente invención tiene por objeto un equipo y un método de diagnosis de averías de motores de inducción que lleva a cabo un proceso de demodulación que suprime la componente fundamental de corriente en la señal proveniente de la captura de la corriente de fase de un motor eléctrico,

de manera que los armónicos de fallo son fácilmente detectables, incluso en el caso de máquinas completamente descargadas, seguido el proceso de demodulación de un filtrado posterior sobre el espectro, tras la aplicación de la Transformada Rápida de Fourier a la señal demodulada que incrementa la amplitud de los picos relacionados con los armónicos de fallo, facilitando su detección sobre el ruido de fondo, en especial de forma automatizada.

Equipo y método de diagnosis de averías de motores de inducción.

Objeto de la invención

La presente invención tiene por objeto un equipo y un método de diagnosis de averías de motores de inducción que lleva a cabo un proceso de demodulación que suprime la componente fundamental de corriente en la señal proveniente de la captura de la corriente de fase de un motor eléctrico, de manera que los armónicos de fallo son fácilmente detectables, incluso en el caso de máquinas completamente descargadas.

Asimismo, el equipo de diagnosis de averías de motores de inducción lleva a cabo un filtrado posterior sobre el espectro, tras la aplicación de la Transformada Rápida de Fourier a la señal demodulada. Este filtrado incrementa la amplitud de los picos relacionados con los armónicos de fallo, facilitando su detección sobre el ruido de fondo, en especial de forma automatizada.

Por otra parte, el método de diagnosis es implementable en variadores de velocidad sin más que introducir el pertinente código de programación, permitiendo su computación en paralelo con otros procesos propios del control del motor de inducción.

Antecedentes de la invención

Tradicionalmente el diagnóstico de averías en motores de inducción se ha venido realizando mediante la captura por un sensor adecuado -shunt o pinza amperimétrica- de una o más corrientes de fase de alimentación del motor, seguida de una descomposición en frecuencia de la misma mediante la transformada rápida de Fourier (FFT).

Sobre el espectro resultado de esta transformada se procedía a una identificación de componentes de fallo, gracias a su frecuencia, y de ahí se deducía el defecto.

Este procedimiento presenta desventajas, entre las que se encuentran las siguientes:

• Imposibilidad de detectar ciertos componentes de fallo cuyas frecuencias se encuentran muy próximas a la componente principal de la corriente de alimentación del motor.

• Aparición de estos armónicos de fallo alrededor del componente principal y no en sus frecuencias verdaderas.

• Elevada complejidad de los cálculos que dificultan su programación en equipos no diseñados exprofeso para el diagnóstico de máquinas.

• Dificultad de detección sobre el ruido de fondo de los picos que indican las componentes de fallo en el espectro.

Algunas de las anomalías que presentan los motores de inducción son las asimetrías rotóricas, entre las que se encuentran la rotura de una barra de la jaula de ardilla. Con los métodos de diagnóstico arriba descritos el armónico característico se identifica ya que se encuentra separado de la componente fundamental de la corriente una frecuencia igual a dos veces la frecuencia de deslizamiento.

Sin embargo esta detección mediante este método no es sencilla debido a que la gran amplitud de la componente principal de la corriente dificulta la apreciación del pequeño armónico de fallo.

La presente invención solventa todos los inconvenientes anteriores mediante el empleo de un método de diagnosis de motores de inducción que permite obtener unos espectros de corriente donde se pueden observar con claridad los armónicos relacionados con las anomalías propias de los motores de inducción.

Descripción de la invención

La presente invención se refiere a un equipo de diagnosis de motores de inducción que presenta un conjunto de sensores que capturan la señal de corriente de fase de un motor de inducción.

El método de diagnosis de motores de inducción comprende dos etapas llevadas a cabo sobre la señal de corriente de fase del motor mediante un procesador digital de la señal DSP:

- Un primera etapa de demodulación suprime la componente fundamental de corriente en la señal proveniente de la captura de la corriente de fase de un motor eléctrico, de manera que los armónicos de fallo son fácilmente detectables, incluso en el caso de máquinas completamente descargadas.

- Una segunda etapa de filtrado posterior sobre el espectro, tras la aplicación de la Transformada Rápida de Fourier (FFT) a la señal demodulada obtenida en la primera etapa. Este filtrado incrementa la amplitud de los picos relacionados con los armónicos de fallo conservando su posición en el espectro, facilitando su detección sobre el ruido de fondo, en especial de forma automatizada.

Sin perdida de generalidad, el procesador digital de la señal DSP se encuentra adaptado al control de máquinas eléctricas, para lo que cuenta además de del módulo de conversión analógico-digital donde es conducida la señal que contiene la forma de onda de la corriente de fase de alimentación del motor, con un detector de pulsos QEP (siglas en inglés de "Quadrature Encoder Pulse").

El DSP ejecuta de manera continua todos los bloques, comenzando por la lectura de los registros del conversor analógico-digital tras lo cual la componente DC introducida por el circuito acondicionador de la señal es eliminada. Después se procede a demodular la señal así obtenida, eliminando la componente principal de la corriente, y a efectuar la Transformada Rápida de Fourier sobre el resultado. Un filtrado posterior mejora la identificación de los componentes de interés, cuya variación activará las alarmas correspondientes, capaces de ser gestionadas por los equipos comerciales presentes en la industria, como PLCs (15), normalmente encargados del control de los motores eléctricos.

Estos PLCs, conectados a la red, están programados para controlar diferentes variadores de velocidad que actúan sobre los motores de una determinada maquinaria. El variador de velocidad tiene un pequeño microcontrolador capaz de traducir las órdenes operativas programadas en el PLC, que a su vez informa al PC que supervisa el funcionamiento de toda la instalación mediante un SCADA - Supervisory Control and Data Acquisition (Supervisión, Control y Adquisición de Datos).

La invención propuesta permite implementar el método de diagnosis en el microcontrolador de los variadores de velocidad, que además dispone de entradas correspondientes a las señales que se van a procesar. El microcontrolador del variador de velocidad informa al PLC del que depende y la información se refleja en el SCADA.

Descripción de los dibujos

Se complementa la presente memoria descriptiva, con un juego de planos, ilustrativos del ejemplo preferente y nunca limitativo de la invención.

La Figura 1 muestra el espectro de una anomalía por rotura de una barra de la jaula de ardilla según unos de los métodos de diagnosis del estado de la técnica, donde se lleva a cabo la transformada rápida de Fourier (FFT) de la señal de corriente en una de las fases de alimentación del motor, y se identifica el armónico característico, separado de la componente fundamental de la corriente una frecuencia igual a dos veces la frecuencia de deslizamiento, donde la gran amplitud de la componente principal de la corriente dificulta la apreciación del pequeño armónico de fallo.

La Figura 2 muestra un diagrama de bloques del equipo de diagnosis de averías en motores de inducción aplicado en un variador de velocidad que es controlado a su vez por un PLC integrado en una red de PLCs conectados a un PC que es controlado por un SCADA.

La Figura 3 muestra un diagrama de bloques de los módulos que ejecuta el procesador digital de la señal.

La Figura 4 muestra el espectro de la anomalía por rotura de una barra de la jaula de ardilla de la Figura 1 al que se le ha aplicado el método de diagnosis de la presente invención.

Explicación detallada de la invención

El equipo de diagnosis de motores de inducción presenta en este ejemplo de realización preferente una pinza amperimétrica o un shunt que actúa como sensor de captura de la señal de corriente (13.1) de fase y un encoder que actúa como sensor que captura la velocidad de rotación (13.2) del motor (10).

El tren de pulsos proveniente del encoder y la forma de onda de la corriente capturada desde una de las fases de alimentación del motor (10) son conducidas a un acondicionador (12) de la señal que lleva a cabo dos cometidos:

1. Método de diagnosis de motores de inducción caracterizado porque comprende dos etapas llevadas a cabo sobre la señal de corriente (13.1) de fase del motor (10):

- Una etapa de demodulación (13.4) que suprime la componente fundamental de corriente en la señal proveniente de la captura de la corriente de fase del motor (10) eléctrico para detectar los armónicos de fallo, y

- Una etapa de filtrado (13.6) posterior sobre el espectro, tras la aplicación de la Transformada Rápida de Fourier (FFT) (13.5) a la señal demodulada obtenida en la primera etapa, incrementando la amplitud de los picos relacionados con los armónicos de fallo.

2. Método de diagnosis de motores de inducción según reivindicación 1 caracterizado porque la etapa de demodulación se lleva a cabo mediante el algoritmo de Teager-Kaiser.

3. Método de diagnosis de motores de inducción según reivindicación 1 caracterizado porque la etapa de filtrado se lleva a cabo mediante el algoritmo de Teager-Kaiser.

4. Método de diagnosis de motores de inducción según reivindicación 1 caracterizado porque la corriente de fallo para un motor (10) adopta la siguiente expresión

en relación a la corriente de fase para una máquina sin fallos, que es puramente sinusoidal:

donde β denota la profundidad de la demodulación y el valor de f₀ (ω₀ = 2πf₀) se establece para diferentes tipos de fallo tales como

y sus múltiplos, donde s es el deslizamiento y p el número de pares de polos del motor (10), donde la corriente de fallo muestra los armónicos de fallos que aparecen como líneas espectrales laterales alrededor del armónico principal,

5. Método de diagnosis de motores de inducción según reivindicaciones 2 y 4 caracterizado porque la aplicación del operador de Teager-Kaiser a la corriente de fallo de la máquina da

6. Método de diagnosis de motores de inducción según reivindicación 5 caracterizado porque debido a que la amplitud del armónico de fallo es generalmente muy baja en comparación con el armónico de la corriente (βmen{2}1), se desprecian los términos del operador de Teager-Kaiser que contienen términos al cuadrado de β, obteniéndose una expresión de dicho operador expresándolo como valores unitarios con respecto a los términos de corriente continua tal como:

donde aparecen tres componentes

• Un término constante, que corresponde al armónico principal de alimentación.

• Un término oscilante con la frecuencia de fallo.

• Y dos términos laterales de aproximadamente dos veces la frecuencia de alimentación.

7. Método de diagnosis de motores de inducción según reivindicación 6 caracterizado porque el término dominante es el del armónico principal, que es eliminado restando el valor medio de la corriente transformada del operador de Teager-Kaiser, de manera que el valor empleado para la realización del diagnóstico de las máquinas es el siguiente:

que puede ser obtenido de la corriente medida como

8. Método de diagnosis de motores de inducción según reivindicación 6 caracterizado porque el valor empleado en la realización del diagnóstico obtenido de la corriente medida no sufre el efecto de los lóbulos laterales del armónico fundamental de la corriente, y genera una línea de espectro asociada a la frecuencia característica de fallo.

9. Método de diagnosis de motores de inducción según reivindicación 6 caracterizado porque la amplitud del valor empleado en la realización del diagnóstico obtenido de la corriente medida depende de la gravedad del fallo.

10. Método de diagnosis de motores de inducción según reivindicación 1 caracterizado porque la etapa de filtrado se lleva a cabo mediante un filtro de Hilbert que está implementado sobre una estructura FIR.

11. Método de diagnosis de motores de inducción según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque después de la etapa de filtrado se identifica la componente de interés y se activa una alarma, que es conducida a un PLC (15) encargado del control del motor (10) eléctrico.

12. Método de diagnosis de motores de inducción según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque previamente a la etapa de demodulación se convierte la señal que contiene la forma de onda de la corriente de fase de alimentación del motor de analógica a digital mediante un procesado digital.

13. Método de diagnosis de motores de inducción según reivindicación 12 caracterizado porque un tren de pulsos proveniente de la velocidad de rotación del motor (10) se procesa digitalmente.

14. Método de diagnosis de motores de inducción según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque se emplea para detectar la rotura de barras de jaula de ardilla.

15. Método de diagnosis de motores de inducción según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13 caracterizado porque se emplea para detectar excentricidades del motor (10).

16. Equipo de diagnosis de motores de inducción caracterizado porque presenta un conjunto de sensores (11) que capturan la señal de corriente de fase de un motor (10) de inducción, señal que es tratada en un procesador digital de la señal DSP (13), que lleva a cabo dos tareas principales:

1. Una demodulación que suprime la componente fundamental de corriente en la señal proveniente de la captura de la corriente de fase de un motor (10) eléctrico. 2. Un filtrado posterior sobre el espectro, tras la aplicación de la Transformada Rápida de Fourier (FFT) a la señal demodulada.

17. Equipo de diagnosis de motores de inducción según reivindicación 16 caracterizado porque el procesador digital de la señal DSP (13) cuenta con un módulo de conversión analógico-digital (13.3) donde es conducida la señal que contiene la forma de onda de la corriente de fase de alimentación del motor (10).

18. Equipo de diagnosis de motores de inducción según reivindicación 17 caracterizado porque el procesador digital de la señal DSP (13) ejecuta de manera continua todos los bloques, tanto los de demodulación, como los de filtrado y los de conversión analógico-digital, comenzando por la lectura de los registros de dicho conversor analógico-digital, donde la forma de onda muestreada es devuelta a su estado original eliminando la componente continua DC.

19. Equipo de diagnosis de motores de inducción según reivindicación 18 caracterizado porque una vez que el procesador digital de la señal DSP (13) identifica la componente de interés se activa una alarma.

20. Instalación de diagnosis de motores de inducción que comprende al menos un equipo según la reivindicación 19 caracterizada porque la componente de interés es conducida a un PLC (15) encargado del control del motor (10) eléctrico.

21. Instalación de diagnosis de motores de inducción según reivindicación 20 caracterizada porque los PLCs se encuentran conectados a un red y están programados para controlar diferentes variadores (14) de velocidad que actúan sobre los motores (10), donde cada variador (14) de velocidad tiene un microcontrolador capaz de gestionar ciertos eventos actuando sobre el motor (10).

22. Instalación de diagnosis de motores de inducción según reivindicación 21 caracterizada porque el microcontrolador suministra información al que a su vez informa a un PC (16) que controla toda la instalación mediante un SCADA (17).