WO2012093190A2 - Equipo de diagnóstico de fallos de corto circuito para motores síncronos de imanes permanentes y método de utilización de este - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a system for detecting incipient short circuits between turns of the stator applied to multiphase motors of alternating current.
- MSIP permanent magnet synchronous motors
- these short circuits are generated in the turns of the stator windings.
- the technique used to detect incipient short circuits is based on the measurement of homopolar voltage.
- the MSIP motors are powered by an electronic converter, also called an inverter, which allows the speed and torque of the motor to be regulated in a controlled manner.
- the inverter feeds directly from the three-phase power outlet and generates a three-phase system of variable frequency voltages.
- Said inverter incorporates sensors of current, voltage and position / speed of the motor as well as of an electronic microprocessor that processes the signals of said sensors in order to generate at each moment a three-phase voltage system suitable for the operating regime of the motor.
- MSIP engines are used to drive industrial machinery, industrial robots, elevators, centrifugation systems and are also used in the aeronautical sector (engines to drive aircraft spoilers, etc.) as well as in the automobile sector (especially as a traction motor for electric vehicles among other applications).
- the present invention aims at detecting short circuits at the time of its formation, so that it can be operated before the MSIP engine suffers irreversible problems or that a catastrophic situation can be reached.
- the technique used to detect incipient short circuits is based on the measurement of homopolar voltage.
- the present invention aims at monitoring and analyzing the harmonic content of the homopolar voltage to detect the short circuits between turns of the MSIP motor stator in its incipient state. That is, the prediction and analysis of defects before they occur catastrophically. This is done online, that is, in real time.
- the SIP motor diagnostic system and procedure according to the present invention is based on the measurement, monitoring and analysis of the homopolar voltage. It is a particularly advantageous embodiment since it allows a real-time diagnosis minimizing the number of additional necessary components. It also offers a simple and robust diagnosis of the incipient short circuits in the stator coils of said motors.
- the present invention integrates a voltage sensor for the measurement of homopolar voltage, an optional speed sensor, a network of three identical or balanced resistors to form an artificial neutral as well as a signal acquisition and processing system.
- the proposed diagnostic system can be applied to engines that operate industrial machinery (for example in papermaking machines), industrial robots, elevators, centrifugation systems, aeronautical sector (engines to drive ailerons of aircraft, etc.) as well as the automobile sector (especially as motor and traction for electric vehicles among other applications).
- a device has been developed that, based on the acquisition of two MSIP motor signals, the homopolar voltage and the motor rotation speed, is capable of detecting incipient short circuits in the stator coils of said motor.
- the proposed system consists in measuring the homopolar voltage of a healthy motor in the manner indicated in Figure 1. If it incorporates a speed sensor, it also measures the motor speed or, if not, calculates it. From these two measurements calculate the spectrum of frequencies of the homopolar voltage and locates the harmonics that provide information relative to the fault. The process is repeated in real time while the engine is running and the maximum values of amplitudes of I or, 5th and 7th harmonics ° with reference values obtained for the healthy motor are compared. Increases in the amplitudes of these three harmonics indicate the existence of short circuits in the stator coils of the analyzed MSIP motor.
- FIG. 1 MSIP motor powered through an electronic inverter.
- the inverter, the stator winding connections, the short-circuited turns and the network of three balanced resistors used to generate the artificial neutral are shown.
- Figure 2. MSIP motor powered by the electronic inverter with the position and speed sensors.
- Figure 3. Complete spectrum of the homopolar voltage obtained in an MSIP motor that has 4 turns in short circuit and in a healthy one with a speed of 6000 rpm.
- Figure 4. Spectrum of the homopolar voltage obtained in an MSIP motor that has 4 turns in short circuit and in a healthy one with a speed of 6000 rpm. Detail of the first harmonic.
- Figure 5. Homopolar voltage spectrum obtained in an MSIP motor that has 4 turns in short circuit and in a healthy one with a speed of 6000 rpm. Detail of the fifth harmonic.
- the development consists of a device for detecting incipient short circuits between turns of the stator applied to multiphase motors of alternating current. It is characterized by the fact that it performs the detection through the analysis of the homopolar voltage, the evaluation of the harmonic content of the same and finally the extraction of a fault parameter.
- the device is developed in an embedded system, characterized in that it comprises:
- a voltage sensor for measuring homopolar voltage • a voltage sensor for measuring homopolar voltage.
- an AV 100-50 sensor from the LEM manufacturer is used, with a measuring voltage range of ⁇ 75 V powered by a ⁇ 12 V power supply.
- a signal processing system based on DSP in specifically a 32-bit floating point DSP, such as ADSP-21369 Analog Devices.
- the acquisition frequency is at least 10 kHz.
- the short circuit detection method comprises the following steps: a) Calibration of harmonic levels with sound motor.
- an acquisition of the homopolar voltage is carried out by performing a speed sweep (600 rpm at 6000rpm) with 500 rpm steps.
- the number of samples per acquisition must be at least 8196.
- the harmonic of greater amplitude is found (it is the third) and the motor speed is determined from the frequency of the third harmonic.
- the harmonic of greater amplitude is found (it is the third) and the motor speed is determined from the frequency of the third harmonic.
- the normalized amplitude of harmonics I o , 5 ° and 7 ° is determined.
- the fault indicator that quantifies the differences between sound motor and motor with fault is based on the weighted distance between the amplitudes of the harmonics of the sound motor and the motor under analysis.
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Abstract
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.
Description
EQUIPO DE DIAGNOSTICO 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 Al y P. García, F.
Briz, M.W. Degner, A.B. Diez, "Diagnostics of induction machines using the zero sequence voltage, " IEEE Industry 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 Al) 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 SIP según la presente invención se basa en la medida, monitorizacion 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 asi 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.) asi 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 Io, 5° y 7° 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 para la medida de la tensión homopolar. En concreto se utiliza un sensor AV 100-50 del fabricante LEM, con un rango de tensiones de medida de ± 75 V alimentado mediante una fuente de alimentación de ± 12 V.
• un sistema de procesado de señal en base a DSP, en
concreto un DSP de 32 bits coma flotante, como ADSP- 21369 Analog Devices.
• sobre el sistema DSP se aplica el método de detección de defectos.
• la frecuencia de adquisición es de por lo menos 10 khz .
• se trabaja con un mínimo de 8196 muestras.
El método de detección de cortocircuitos comprende los siguientes pasos: a) Calibración de los niveles de armónicos con motor sano.
Para ello se realiza una adquisición de la tensión homopolar realizando un barrido de velocidad (600 rpm a 6000rpm) con pasos de 500 rpm. El número de muestras por adquisición debe ser como mínimo de 8196.
- Calcular el espectro de frecuencias para cada una de las adquisiciones a diferentes velocidades mediante la aplicación de la transformada de Fourier.
- Si no se tiene la información de velocidad, se encuentra el armónico de mayor amplitud (es el tercero) y a partir de la frecuencia del tercer armónico se determina la velocidad del motor. Determinar la amplitud de los armónicos impares para las velocidades adquiridas (1°, 5° y 7° armónicos) normalizándolas tomando como referencia la amplitud del 3r armónico.
-Determinar por interpolación las amplitudes de los armónicos impares entre los pasos de velocidad para tener una referencia a cualquier velocidad. b) el sistema de adquisición y test implementado realiza las siguientes operaciones:
Adquisición de datos de tensión homopolar, tomando un mínimo de 8196 muestras.
- Se calcula el espectro de la tensión homopolar.
- Si no se tiene la información de velocidad, se encuentra el armónico de mayor amplitud (es el tercero) y a partir de la frecuencia del tercer armónico se determina la velocidad del motor. Se determina la amplitud normalizada de los armónicos Io, 5° y 7°.
- Se comparan los datos de amplitud normalizada de los armónicos impares (1°, 5° y 7°) con los resultados de calibración de motor sano.
Si existen diferencias apreciables entre las amplitudes de los armónicos 1°, 5° y 7o de motor sano respecto al motor analizado indica que el motor tiene fallo. El indicador de fallo que cuantifica las diferencias entre motor sano y motor con fallo se basa en la distancia ponderada entre las amplitudes de los armónicos del motor sano y del motor bajo análisis.
Claims
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, el que la tensión homopolar se obtiene mediante una red tres resistencias idénticas o equilibradas para formar 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 Io, 5° y 7° del motor sano y del motor bajo análisis.
6. Dispositivo de diagnóstico según reivindicación caracterizado por comprender los siguientes elementos: - un conjunto de tres resistencias idénticas de 28 kQ y 4 vatios dispuestas en estrella formando un neutro flotante .
- un sensor de tensión AV 100-50 del fabricante LE , 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 según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, 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 1°, 3°, 5° y 7°.
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