Detección de fallas en el funcionamiento mecánico por medio de mediciones de corriente en el estator

Texto completo

(1)DETECCIÓN DE FALLAS EN EL FUNCIONAMIENTO MECÁNICO POR MEDIO DE MEDICIONES DE CORRIENTE EN EL ESTATOR. MANUEL ERNESTO SASTRE ZULUAGA. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERIA DEPARTAMENTO DE INGENIERIA MECANICA BOGOTÁ 2006.

(2) DETECCIÓN DE FALLAS EN EL FUNCIONAMIENTO MECÁNICO POR MEDIO DE MEDICIONES DE CORRIENTE EN EL ESTATOR. MANUEL ERNESTO SASTRE ZULUAGA. Proyecto de grado para optar al título de Ingeniero Mecánico. Asesor CARLOS FRANCISCO RODRÍGUEZ H. Ingeniero Mecánico, D. Ing.. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERIA DEPARTAMENTO DE INGENIERIA MECANICA BOGOTÁ 2006.

(3) Bogotá, junio 29 de 2006. Doctor LUIS MARIO MATEUS Director del Departamento de Ingeniería Mecánica UNIVERSIDAD DE LOS ANDES Ciudad. Estimado Doctor:. Cordialmente someto a su consideración el proyecto de grado titulado DETECCIÓN DE FALLAS EN EL FUNCIONAMIENTO MECÁNICO POR MEDIO DE MEDICIONES DE CORRIENTE EN EL ESTATOR, cuyo principal objetivo es analizar la viabilidad de métodos alternativos para el monitoreo de condición de maquinaria.. Presento a usted este documento como requisito final para optar al título de Ingeniero Mecánico.. Atentamente,. _________________________ MANUEL ERNESTO SASTRE ZULUAGA.

(4) IM-2006-I-33. AGRADECIMIENTOS. El autor expresa sus agradecimientos a:. CARLOS FRANCISCO RODRÍGUEZ H. Ingeniero Mecánico, Dr. Ing. y Profesor del Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad de los Andes, por su valiosa asesoría y orientación a lo largo de esta investigación.. DAVID DELGADO C., Estudiante de Ingeniería Mecánica de la Universidad de los Andes, por su colaboración y apoyo durante todo el proceso.. DAVID BONILLA K., Estudiante de Ingeniería Mecánica de la Universidad de los Andes, por su colaboración y apoyo durante la fase de medición.. vii.

(5) IM-2006-I-33. CONTENIDO. LISTA DE FIGURAS. ix. LISTA DE TABLAS. xi. RESUMEN. xii. RESUMEN. xii. 1. INTRODUCCIÓN. 15. 2. OBJETIVO GENERAL. 17. 2.1 OBJETIVOS ESPECÍFICOS. 17. 3. MARCO CONCEPTUAL. 18. 4. DESCRIPCIÓN DEL BANCO DE PRUEBAS. 22. 4.1 COMPONENTES. 22. 4.1.1 MOTOR. 22. 4.1.2 SISTEMA. 23. 4.2 DISPOSITIVOS DE MEDICIÓN. 25. 4.2.1 TORQUÍMETRO. 25. 4.2.2 PINZA AMPERIMÉTRICA. 25. 4.3 SISTEMA DE ADQUISICIÓN DE DATOS. 26. 4.4 SISTEMA DE AMPLIFICACIÓN. 26. 4.5 MONTAJE. 28. 5. DESCRIPCIÓN DEL EXPERIMENTO. 30. 6. RESULTADOS EXPERIMENTALES Y ANÁLISIS. 31. 7. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES. 45. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS. 49. ANEXO 1: RESULTADOS ADICIONALES DE MEDICIONES. 50. ANEXO 2: ESPECIFICACIONES TÉCNICAS DE LA PINZA AMPERIMÉTRICA AEMC AC/DC CURRENT PROBE SL261. viii. 82.

(6) IM-2006-I-33. LISTA DE FIGURAS. Figura 1. Esquema de bobinado del estator de un motor trifásico[7]. 19. Figura 2. Caja reductora con placa de seguridad. 23. Figura 3. Engrane de 2.36 cm de diámetro. 24. Figura 4. Engrane de cm de diámetro 6.69 cm de diámetro. 24. Figura 5. Conexiones del cable del torquímetro. 25. Figura 6. Disposición de pines para el amplificador AD620AN. 27. Figura 7. Montaje final. 28. Figura 8. Gráfica de corriente contra tiempo sin reductor (1). 32. Figura 9. Gráfica de torque contra tiempo sin reductor (1). 32. Figura 10. Gráfica de corriente contra tiempo con reductor en vacío (1). 33. Figura 11. Gráfica de torque contra tiempo con reductor en vacío (1). 33. Figura 12. Gráfica de corriente contra tiempo con reductor bajo carga moderada (1). 34. Figura 13. Gráfica de torque contra tiempo con reductor bajo carga moderada (1). 34. Figura 14. Gráfica de corriente contra tiempo con reductor bajo carga máxima (1). 35. Figura 15. Gráfica de torque contra tiempo con reductor bajo carga máxima (1) 35 Figura 16. Gráfica de Amplitud de Corriente contra Promedio de Torque. 37. Figura 17. Gráfica de Amplitud de Corriente contra Amplitud de Torque. 37. Figura 18. Espectro de frecuencia para corriente sin reductor (1). 39. Figura 19. Espectro de frecuencia para torque sin reductor (1). 39. Figura 20. Espectro de frecuencia para corriente con reductor en vacío (1). 40. Figura 21. Espectro de frecuencia para torque con reductor en vacío (1). 40. Figura 22. Espectro de frecuencia para corriente con reductor bajo carga moderada (1). 41. ix.

(7) IM-2006-I-33. Figura 23. Espectro de frecuencia para torque con reductor bajo carga moderada (1). 41. Figura 24. Espectro de frecuencia para corriente con reductor bajo carga máxima (1). 42. Figura 25. Espectro de frecuencia para torque con reductor bajo carga máxima (1). 42. x.

(8) IM-2006-I-33. LISTA DE TABLAS. Tabla 1. Características del motor de inducción Siemens. 22. Tabla 2. Especificaciones del amplificador de instrumentación AD620AN. 27. Tabla 3. Valores de corriente y torque. 36. Tabla 4. Amplitudes de la frecuencia fundamental de corriente. 43. xi.

(9) IM-2006-I-33. RESUMEN. TÍTULO:. Detección de Fallas en el Funcionamiento Mecánico por Medio de Mediciones de Corriente en el Estator. AUTOR:. Manuel Ernesto Sastre Zuluaga. ASESOR:. Carlos Francisco Rodríguez H.. El objetivo de la presente investigación es determinar la factibilidad de detectar daños en un sistema mecánico por medio de mediciones de corriente en el estator del motor que lo impulsa, como un método alternativo a los ya presentes en la industria. La motivación principal fue facilitar el trabajo de mantenimiento de maquinaria, por medio de mediciones relativamente sencillas, como es la medición de corriente en el estator, comparado con los métodos actualmente utilizados. Le medición de corriente puede llevarse a cabo mientras la máquina está en funcionamiento normal, eliminando la necesidad de realizar paradas forzosas de los procesos, y permitiendo que el arreglo de las posibles fallas se efectúe únicamente en el momento de una parada programada. Es evidente que de ser exitoso, este procedimiento podría ahorrar una considerable cantidad de trabajo y dinero. Originalmente se planeó complementar este estudio con mediciones de ruido por medio de un sonómetro, para encontrar la relación existente entre las dos mediciones y así poder encontrar cómo podrían complementarse y bajo qué condiciones podría usarse una o la otra. Debido a algunos inconvenientes con los equipos del Laboratorio de Ingeniería Mecánica, únicamente fue posible realizar mediciones de corriente.. xii.

(10) IM-2006-I-33. Con este propósito se preparó un banco de pruebas en las instalaciones del Laboratorio de Ingeniería Mecánica de la Universidad de los Andes, utilizando una caja de reducción de una moto de bajo cilindraje como sistema de prueba con fallas reales. Un motor de inducción trifásico fue acoplado a un torquímetro y éste a su vez a la caja de reducción. En la fase experimental se tomaron datos tanto de corriente en el estator del motor como de torque, bajo diferentes niveles de carga. Se obtuvieron gráficas de corriente contra tiempo, así como las respectivas gráficas de torque contra tiempo. De igual manera se obtuvieron los espectros de frecuencia para cada señal medida y posteriormente se analizaron los datos haciendo uso de software especializado. Se encontró que la amplitud de la corriente aumenta a medida que se incrementa el nivel de carga. Este mismo comportamiento se presenta en la amplitud y el promedio de la señal de torque. La relación que existe entre la amplitud de la corriente y la amplitud y el promedio del torque es totalmente proporcional, describiendo una línea recta en ambos casos. Los espectros de frecuencia de la corriente contienen las mismas componentes en todos los casos, sin importar el nivel de carga de la prueba. La componente de mayor importancia corresponde a una frecuencia de 60 Hz, que opaca a las demás componentes, dificultando su análisis. Se encontró que a medida que aumenta el nivel de carga, también incrementa la amplitud de esta componente frecuencia. En cuanto los espectros de frecuencia del torque, se encontró que las componentes varían drásticamente entre pruebas bajo el mismo nivel de carga, al igual que lo hacen las respectivas amplitudes. No se encontró ninguna relación entre las componentes del espectro de frecuencia del torque y las componentes del espectro de frecuencia de la corriente. Dentro de estas componentes no se encuentra ninguna que corresponda a la frecuencia de golpes esperados debidos a los daños en los engranes, lo que indica que es posible que este daño no sea el de de mayor importancia en el reductor.. xiii.

(11) IM-2006-I-33. Teniendo en cuenta las frecuencias de ruidos cíclicos detectados por el oído cuando el sistema está en funcionamiento, es posible que la ventana de muestreo utilizada en las mediciones sea muy pequeña para detectar los daños que los ocasionan. Esto lleva a pensar que el diseño de la fase de toma de datos no haya sido del todo adecuado. Dentro de las condiciones bajo las cuales se llevó a cabo esta investigación, se encontró que no existe evidencia suficiente para afirmar que puede detectarse algún daño específico en el sistema impulsado por el motor por medio de mediciones de corriente en el estator. Sin embargo, se evidenció parte de la relación que existe entre los incrementos de torque y los incrementos de corriente en el estator, lo que indica que la base hipotética de este trabajo es perfectamente válida, y podría ser comprobada desarrollando un nuevo procedimiento de medición, teniendo en cuenta los resultados obtenidos en esta investigación. Este trabajo puede ser un punto de partida para posteriores investigaciones en el tema de mantenimiento predictivo y monitoreo de condición de maquinaria, sirviendo como base para estudios innovadores que permitan facilitar los procesos en esta rama de la ingeniería mecánica.. xiv.

(12) IM-2006-I-33. 1. INTRODUCCIÓN. El mantenimiento de maquinaria es parte fundamental del funcionamiento de la industria, razón por la cual las empresas invierten gran porcentaje de su presupuesto en este tema. A través de los años la experiencia ha demostrado que resulta mucho más económico y sencillo realizar las reparaciones antes de que el daño se haga evidente, objeto del cual se ocupa la rama de mantenimiento preventivo, que busca evitar interrupciones forzosas o imprevistas en los procesos. Más allá del mantenimiento preventivo existe el mantenimiento predictivo, que tiene como objeto identificar anticipadamente las necesidades de mantenimiento. Para esto se realizan operaciones de monitoreo de condición de maquinaria, que consisten en detectar el estado de funcionamiento de la misma por medio de mediciones pertinentes. Uno de los métodos actualmente más importantes y confiables para el análisis de funcionamiento de maquinaria es el análisis de vibración, en el que se mide el espectro de vibración de los componentes de la máquina. Por medio de análisis de Fourier es posible utilizar esta información para hacer inferencias acerca del estado de funcionamiento del conjunto y de las piezas que lo conforman, lo que permite tomar decisiones preventivas y predictivas de reparación. En trabajos y estudios anteriores se ha encontrado que además de la vibración, pueden utilizarse otros criterios más económicos para establecer las posibles fuentes de falla en el funcionamiento de maquinaria, como son la medición de ruido y el análisis espectral de las corrientes del motor. Estos trabajos se han basado principalmente en la detección de fallas directamente del motor, más no del sistema al cual éste se encuentra acoplado.. 15.

(13) IM-2006-I-33. La principal motivación de esta investigación radica en encontrar si estos daños en el sistema también pueden ser detectados, al igual que en el motor, mediante mediciones de corriente en el estator. La razón por la que se escogió este método en particular radica en la relativa facilidad y bajo costo de tomar esta medición en cualquier lugar. Se sabe que la corriente consumida por el motor es una función del torque del mismo. Las fallas en el mecanismo inducen cambios en las solicitudes de torque en el motor y por lo tanto esto debería manifestarse en la corriente consumida. De esta manera se busca establecer una relación entre los cambios en la corriente y los posibles daños o fallas presentes en el sistema.. 16.

(14) IM-2006-I-33. 2. OBJETIVO GENERAL. Estudiar un método alternativo de análisis de funcionamiento de maquinaria, a saber, las mediciones de corriente eléctrica en el motor, para detección temprana de fallas.. 2.1 OBJETIVOS ESPECÍFICOS o Montaje de un banco de pruebas para la realización de experimentos. o Realizar pruebas experimentales sobre un mecanismo en mal estado, tomando mediciones de torque y corriente en el estator. o Verificar si es posible detectar fallas en el sistema que se encuentra acoplado a un motor eléctrico por medio de estas mediciones.. 17.

(15) IM-2006-I-33. 3. MARCO CONCEPTUAL. Un motor eléctrico es un dispositivo que transforma energía eléctrica en energía mecánica. Los motores AC se caracterizan, como su nombre lo indica, por utilizar corriente alterna para su funcionamiento. Existen dos clasificaciones generales de motores AC: los motores síncronos y los motores de inducción. Debido a su robustez, facilidad de diseño, bajo costo y poca necesidad de mantenimiento, el motor AC de inducción es el más numeroso y común en industria y hogar. Este motor hace uso del principio físico de inducción electromagnética para su funcionamiento. Las dos partes básicas del motor de inducción son el estator y el rotor, que gira dentro del estator. La naturaleza sinusoidal de la corriente alterna aplicada al estator hace que se genere un campo magnético también variante (a la misma frecuencia de la corriente), que a su vez genera un voltaje en el rotor. Este voltaje produce una corriente en el rotor, que también genera un campo magnético dentro del mismo, el cual interactúa con el campo del estator, oponiéndose a él, generando torque y así el movimiento mecánico deseado. El campo magnético inducido en el rotor gira en dirección contraria al movimiento del mismo.. 18.

(16) IM-2006-I-33. Los devanados del estator de un motor trifásico se encuentran como se muestra esquemáticamente en la siguiente figura.. [7]. Figura 1. Esquema de bobinado del estator de un motor trifásico. Las letras A, B y C corresponden cada una a un cable dispuesto de la forma en que se muestra, enrollado a lados opuestos del estator para crear polos magnéticos inducidos. Cada bobina funciona como un electroimán, que cambia de polaridad dependiendo de la dirección de la corriente. En el caso de un motor trifásico cada una se encuentra desplazada 120 grados de la otra. De esta manera se crea un campo magnético giratorio, cuya velocidad de giro se denomina velocidad de sincronía ( N S ) en RPM, y se define como: NS =. 120 F P. Donde F es la frecuencia en Hz de la corriente y P es el número de polos del estator. En cuanto a rotores, el rotor de jaula de ardilla es el más común de todos. Se compone básicamente de dos anillos unidos por barras conductoras, generalmente de cobre y algunas veces de aluminio en el caso de motores. 19.

(17) IM-2006-I-33. pequeños, formando un circuito en corto. El campo magnético inducido por el estator en la jaula hace que ésta se comporte como un electroimán. La velocidad de giro del rotor es diferente de la del campo magnético del estator. Esta diferencia de velocidades se denomina slip o deslizamiento y se presenta en forma porcentual de la siguiente manera:. % Deslizamiento =. NS − NR × 100 NS. Donde N R es la velocidad del rotor en RPM. De no existir esta diferencia de velocidades de giro, no habría movimiento relativo entre el rotor y el estator, por lo que no se cortarían líneas de campo magnético y de esta manera nunca se generaría el torque necesario. Por esta razón, y por la presencia de fricción en los rodamientos del rotor, éste nunca girará a la velocidad de sincronía. Para ilustrar esto, basta con suponer el caso de que el rotor girara a la velocidad de sincronía, como fue dicho anteriormente. El torque sería igual a cero. La velocidad de giro del rotor disminuiría a causa de la fricción, y las líneas de flujo magnético serían cortadas nuevamente, induciéndose de nuevo corriente en el rotor, generando así una vez más las fuerzas de repulsión. En el momento en que se aplica una carga externa al motor, su velocidad disminuye como resultado de este torque contrario. Al mismo tiempo la velocidad de deslizamiento aumenta y se genera mayor voltaje y mayor corriente en el estator. Este proceso continúa hasta el punto en que el torque generado por inducción iguale al torque necesario para mover la carga. Como lo dice Lloyd[1], la corriente del estator debe ser lo suficientemente alta como para neutralizar la fuerza magnética del rotor (que se le opone) y al mismo tiempo suministrar el flujo necesario para darle al estator la fuerza electromotriz que lo impulsa. En el caso de cero carga, la corriente de entrada corresponde únicamente a aquella necesitada para magnetizar el. 20.

(18) IM-2006-I-33. acero del estator y el rotor y transmitir el flujo a través del espacio de aire entre estos dos. El eje del motor se encuentra montado dentro del rotor, que a su vez tiene un rodamiento en cada extremo para permitir el movimiento rotativo. Otro tipo de construcción de rotor consiste en un núcleo de láminas metálicas bobinadas con cable aislado. En este caso las bobinas están conectadas a resistencias externas por medio de anillos y escobillas. Al igual que en el caso de la jaula de ardilla, el campo magnético variable del estator induce un voltaje en estas bobinas y por lo tanto un flujo de carga, que puede ser ajustado por medio de las resistencias variables. De esta manera es posible controlar la velocidad de giro del rotor, aumentando o disminuyendo el valor de las resistencias. Entre el estator y el rotor existe un espacio muy pequeño de aire llamado entrehierro, sin contacto físico ni eléctrico entre los dos, por lo que toda la transferencia de energía se lleva a cabo netamente por inducción. La corriente eléctrica requerida por el motor varía proporcionalmente con la solicitud de torque. De esta manera, en las mediciones se espera obtener una onda superpuesta a la onda de la alimentación.. 21.

(19) IM-2006-I-33. 4. DESCRIPCIÓN DEL BANCO DE PRUEBAS. 4.1 COMPONENTES. 4.1.1 MOTOR El sistema es movido por un motor de jaula de ardilla facilitado por el Laboratorio de Ingeniería Mecánica, cuyas características principales se muestran en la siguiente tabla.. Siemens. Marca Potencia Nominal. 1.8 HP. Velocidad Nominal. 1700 RPM. Corriente Nominal. 2.8 A. Voltaje. 220 Y. Frecuencia. 60 Hz. Factor de Potencia. 0.81. Tabla 1. Características del motor de inducción Siemens. 22.

(20) IM-2006-I-33. 4.1.2 SISTEMA El sistema seleccionado fue la caja de reducción de una moto de bajo cilindraje, conseguida en el mercado como chatarra. Este sistema presenta numerosas fallas en diversas piezas, siendo la más importante la falta de varios dientes en los engranes. La carcasa de aluminio fue perforada y modificada para ser montada sobre el banco de pruebas. Adicionalmente se diseñó una placa utilizada para aislar las piezas móviles y prevenir accidentes, teniendo en cuenta que la velocidad nominal del motor es de 1700 RPM. La horquilla fue manipulada de tal manera que la relación de reducción se mantuviera fija. Ésta corresponde a un engrane impulsor de 2.36 cm de diámetro y uno de 6.69 cm de diámetro.. Figura 2. Caja reductora con placa de seguridad. 23.

(21) IM-2006-I-33. Los engranes se muestran en las siguientes figuras.. Figura 3. Engrane de 2.36 cm de diámetro. Figura 4. Engrane de cm de diámetro 6.69 cm de diámetro. En la Figura 3 se aprecian los daños en los dientes del engrane de 2.36 cm de diámetro. Los dientes faltantes son cuatro en total y se encuentran a lo largo de la mitad de la circunferencia, un diente de por medio. Por el contrario, el engrane de 6.69 cm de diámetro se encuentra en perfecto estado.. 24.

(22) IM-2006-I-33. 4.2 DISPOSITIVOS DE MEDICIÓN. 4.2.1 TORQUÍMETRO El OMEGA TQ501-200 Rotary Torque Sensor es un dispositivo que permite medir torque dinámico entre 0 y 200 in-lb por medio de galgas de deformación montadas sobre su eje. Esto es posible gracias a un sistema de anillos deslizantes que admiten la rotación libre del eje, transmitiendo la señal al cable de salida. Esta señal es de tan solo unos milivoltios, por lo que debe ser amplificada para su lectura. El voltaje de excitación del torquímetro es de ± 10V, y fue suministrado por medio de una fuente dual de potencia Tektronix.. La disposición de las conexiones del cable del torquímetro se presenta en el siguiente esquema.. A A: 10V. E. B. B: OUT+. C: OUT-. C. D: GND. D. Figura 5. Conexiones del cable del torquímetro. 4.2.2 PINZA AMPERIMÉTRICA La corriente en el estator fue medida por medio de la Pinza de Corriente AEMC AC/DC Current Probe SL261, con una entrada permisible de 0 a 70 A RMS / 100 A pico AC o DC. Ésta es dispuesta de tal manera que la línea de corriente. 25.

(23) IM-2006-I-33. trifásica que se desee medir atraviese su núcleo de hierro. Esta corriente induce un campo magnético en la pinza, que a su vez induce un voltaje proporcional a la corriente sensada, el cual es enviado al sistema de medición por medio de un cable coaxial. En este caso se utilizó una salida de 100mV/A. Las especificaciones técnicas se encuentran en el Anexo 2.. 4.3 SISTEMA DE ADQUISICIÓN DE DATOS El instrumento utilizado para la adquisición de datos fue el osciloscopio Fluke 99. Este osciloscopio tiene la capacidad de tomar datos por dos canales diferentes e independientes y almacenarlos en su memoria. Además cuenta con el software FlukeView Scopemeter, que permite transferir los datos almacenados a un computador por medio de un cable de fibra óptica para su posterior manipulación.. 4.4 SISTEMA DE AMPLIFICACIÓN Como fue dicho anteriormente, la señal de salida del torquímetro es de tan solo unos milivoltios y por esta razón debe ser amplificada antes de ser enviada al osciloscopio, en aras de tener una mejor resolución. Para esto se implementó un sistema de amplificación por medio de un amplificador de instrumentación AD620AN de Analog Devices, cuyas especificaciones y características muestran a continuación.. 26. se.

(24) IM-2006-I-33. Figura 6. Disposición de pines para el amplificador AD620AN1. Tabla 2. Especificaciones del amplificador de instrumentación AD620AN2. Entre los puntos RG se conecta la resistencia para la amplificación deseada. En este caso se escogió una resistencia de 500 Ω para una amplificación correspondiente de 100x. El voltaje de excitación entre los pines VS y − VS es de ± 10 y fue suministrado por la fuente dual Tektronix.. 1. Imagen tomada de: 37793330023930AD620_e, Data sheet para amplificador de instrumentación AD620AN de Analog Devices. 2 Imagen tomada de: 37793330023930AD620_e, Data sheet para amplificador de instrumentación AD620AN de Analog Devices.. 27.

(25) IM-2006-I-33. 4.5 MONTAJE Los acoples entre el motor, el torquímetro y la caja de reducción se hicieron por medio de arañas. Estos acoples cuentan con una sello de caucho que permite una unión justa entre las dos piezas que los componen, absorbiendo además cualquier desalineación leve que se presente entre los ejes. Cada pieza tiene un agujero pasante que tuvo que ser ajustado al tamaño del eje al cual fue montado. Las piezas se fijan a los ejes por medio de tornillos prisioneros. Posteriormente se diseñó una base para montar la caja de reducción, y el torquímetro se instaló en el lugar donde antes estuviera la caja, utilizando platinas diseñadas para levantarlo y lograr la alineación entre los ejes. De esta manera, el eje del motor fue acoplado con el eje del torquímetro, el cual a su vez fue acoplado al eje de entrada de la caja de reducción.. Reductor. Torquímetro. Figura 7. Montaje final. 28. Motor.

(26) IM-2006-I-33. El cable del torquímetro fue conectado al protoboard con el sistema de amplificación, y ambos fueron excitados por medio de la fuente dual Tektronix con ± 10V. La pinza de corriente fue conectada a la línea blanca de corriente trifásica y dispuesta en medición de 100mv/A. El cable de señal de salida de la pinza amperimétrica fue conectado directamente al Canal A del osciloscopio, por tener conector coaxial, mientras que los cables de señal amplificada del torquímetro fueron conectados al Canal B por medio de una sonda.. 29.

(27) IM-2006-I-33. 5. DESCRIPCIÓN DEL EXPERIMENTO. El modo de toma de datos en el osciloscopio Fluke 99 fue dispuesto en Autoset, que permite identificar automáticamente las características de medición más apropiadas para la señal de entrada. Ambos canales fueron habilitados para verse en pantalla. La primera fase consistió en remover la caja reductora y tomar mediciones en vació, únicamente con el torquímetro conectado al motor. Esto permitió tener una base de comparación para las mediciones de la segunda fase. La segunda fase consistió en acoplar de nuevo la caja y tomar varias mediciones a tres niveles de carga distintos: o Sin carga o Carga moderada o Carga máxima La carga fue aplicada al eje de salida de la caja reductora. También se utilizó un multímetro Tektronix conectado a la salida del sistema de amplificación, es decir, tomando mediciones de la misma señal amplificada proveniente del torquímetro que entra al Canal B del osciloscopio, para verificar que el proceso de amplificación fuera llevado a cabo correctamente.. 30.

(28) IM-2006-I-33. 6. RESULTADOS EXPERIMENTALES Y ANÁLISIS. Los datos almacenados en la memoria del Osciloscopio fueron transferidos a un computador por medio de un cable de fibra óptica y procesados con ayuda del programa FlukeView. Este programa permite obtener un espectro de frecuencias directo para cada medición por medio de la Transformada Rápida de Fourier, (FFT). Los resultados obtenidos fueron los siguientes. Se tomaron cinco mediciones para cada nivel de carga. A continuación se presenta una gráfica típica de corriente contra tiempo con su respectiva gráfica de torque contra tiempo para cada condición. Las demás mediciones se encuentran en el Anexo 1.. 31.

(29) IM-2006-I-33. Figura 8. Gráfica de corriente contra tiempo sin reductor (1). Figura 9. Gráfica de torque contra tiempo sin reductor (1). 32.

(30) IM-2006-I-33. Figura 10. Gráfica de corriente contra tiempo con reductor en vacío (1). Figura 11. Gráfica de torque contra tiempo con reductor en vacío (1). 33.

(31) IM-2006-I-33. Figura 12. Gráfica de corriente contra tiempo con reductor bajo carga moderada (1). Figura 13. Gráfica de torque contra tiempo con reductor bajo carga moderada (1). 34.

(32) IM-2006-I-33. Figura 14. Gráfica de corriente contra tiempo con reductor bajo carga máxima (1). Figura 15. Gráfica de torque contra tiempo con reductor bajo carga máxima (1). 35.

(33) IM-2006-I-33. En la señal de corriente se aprecia la naturaleza sinusoidal de la onda. A medida que aumenta el nivel de carga, las crestas y los valles de la onda se hacen más pronunciados, lo que da cuenta del aumento en la amplitud de la onda. En la señal de torque se aprecia un gran número de picos al igual que un comportamiento aparentemente sinusoidal, al menos en lo que respecta a la onda base. El número de picos da cuenta de la gran cantidad de cambios en el torque debidos a los daños presentes en el reductor. Los picos presentes en la señal de corriente son demasiado pequeños comparados con la onda base de 60 Hz. Esto hace que no se puedan identificar los picos de corriente coincidentes con los picos de torque. A partir de las gráficas de corriente contra tiempo y de torque contra tiempo, se obtuvo la siguiente tabla.. Tabla 3. Valores de corriente y torque. Se observa claramente que el valor promedio del torque aumenta a medida que lo hace la carga. Este mismo comportamiento se presenta en el voltaje pico a pico y en la amplitud de la corriente.. 36.

(34) IM-2006-I-33. De la Tabla 3 se obtienen las siguientes gráficas.. Gráfica de Amplitud de Corriente contra Promedio de Torque. Amplitud de Corriente (V). 5,20 y = 1,4737x + 0,7974 R2 = 0,9825. 5,10 5,00 4,90 4,80 4,70 4,60 4,50 4,40 2,45. 2,50. 2,55. 2,60. 2,65. 2,70. 2,75. 2,80. 2,85. 2,90. 2,95. Promedio de Torque (V). Figura 16. Gráfica de Amplitud de Corriente contra Promedio de Torque. Gráfica de Amplitud de Corriente contra Amplitud de Torque 5,20. y = 4,5918x + 3,8398 R2 = 0,984. Amplitud de Corriente (V). 5,10 5,00 4,90 4,80 4,70 4,60 4,50 4,40 0,00. 0,05. 0,10. 0,15. 0,20. 0,25. Amplitud de Torque (V). Figura 17. Gráfica de Amplitud de Corriente contra Amplitud de Torque. 37. 0,30.

(35) IM-2006-I-33. Ambas gráficas presentan una relación de proporcionalidad entre los parámetros, describiendo lo que se aproxima bastante a una línea recta. La linealidad de ambas curvas se evidencia con el respectivo valor de R2, que se aproxima a 1 en ambos casos. A continuación se encuentra un espectro de frecuencia típico de la señal de corriente, con su respectivo espectro de frecuencia del torque, para cada condición de carga. Los demás espectros se presentan en el Anexo 1.. 38.

(36) IM-2006-I-33. Figura 18. Espectro de frecuencia para corriente sin reductor (1). Figura 19. Espectro de frecuencia para torque sin reductor (1). 39.

(37) IM-2006-I-33. Figura 20. Espectro de frecuencia para corriente con reductor en vacío (1). Figura 21. Espectro de frecuencia para torque con reductor en vacío (1). 40.

(38) IM-2006-I-33. Figura 22. Espectro de frecuencia para corriente con reductor bajo carga moderada (1). Figura 23. Espectro de frecuencia para torque con reductor bajo carga moderada (1). 41.

(39) IM-2006-I-33. Figura 24. Espectro de frecuencia para corriente con reductor bajo carga máxima (1). Figura 25. Espectro de frecuencia para torque con reductor bajo carga máxima (1). 42.

(40) IM-2006-I-33. En cuanto a la corriente, se observa que las componentes de frecuencias presentes en los espectros no varían entre las pruebas, y son las mismas tanto para el caso sin reductor como para los tres niveles de carga con reductor. Esto indica que el espectro de corriente no se ve afectado por la presencia de la caja reductora. La componente más importante (la de mayor amplitud) es la frecuencia fundamental, y en todos los casos es de alrededor de 60 Hz, que corresponde a la frecuencia de la corriente de la toma trifásica. La siguiente tabla muestra los valores de la amplitud de esta componente para cada uno de los niveles de carga.. Prueba. Amplitud (V). Sin reductor. 4,5. Reductor en vacío. 4,6. Carga moderada. 4,7. Carga máxima. 4,8. Tabla 4. Amplitudes de la frecuencia fundamental de corriente. Se encuentra que a medida que incrementa la carga, también lo hace la amplitud de esta componente de frecuencia. La siguiente componente en importancia es cercana a 300 Hz, el quinto armónico, aunque su amplitud es considerablemente menor que la de la frecuencia fundamental (alrededor del 5% del valor de la frecuencia fundamental). Esta frecuencia se encuentra presente en todas las pruebas, lo que indica que es propia de la corriente en el motor u ocasionada por ruido en la línea de corriente, y no está relacionada con el reductor. Se observan también otras componentes con amplitudes mucho menores (menos del 1% del valor de la frecuencia fundamental). Sin embargo, no se evidencia ningún. 43.

(41) IM-2006-I-33. comportamiento o patrón en las variaciones de sus amplitudes que indique que estas componentes de frecuencia dependan del nivel de la carga aplicada. En cuanto al torque, se observan espectros totalmente distintos entre cada medición. Las frecuencias de las componentes varían entre mediciones dentro del mismo nivel de carga, al igual que lo hacen las amplitudes. En general, no se observan picos coincidentes para componentes del espectro similares entre torque y corriente. No se encuentra ninguna relación aparente entre los niveles de carga y los espectros de frecuencia del torque.. 44.

(42) IM-2006-I-33. 7. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES. Es indiscutible que desarrollar métodos de mantenimiento predictivo que puedan ser utilizados mientras la maquinaria está en funcionamiento normal, sería de gran ayuda para la industria, en todos los aspectos, tanto económicos como funcionales y prácticos. Trabajos recientes han demostrado que es posible detectar fallas en motores de inducción por medio de mediciones de parámetros como el ruido y la corriente en el estator, bajo ciertas condiciones. Asumiendo que el daño más importante presente en el reductor corresponde a los dientes faltantes en el engrane impulsor, debería esperarse una variación en el torque por cada diente ausente. El número de dientes faltantes es 4. De esta manera, se esperan 4 golpes o variaciones en el torque por cada vuelta del motor. Con el motor girando a 1700 RPM, esto equivale a 6800 variaciones por minuto en el torque debidas a esta falla, lo que a su vez equivale a 113 variaciones por segundo, o un golpe cada 9 ms. La ventana de observación del osciloscopio dispuesto en Autoset es de 100 ms, que representa un tiempo de muestreo bastante amplio para el periodo de esta falla en particular. Esto quiere decir que por cada ventana que almacene la memoria, debería haber información presente para aproximadamente 2.8 vueltas del motor, es decir, alrededor de 11 golpes. En el caso de detección de fallas en el sistema detrás del motor, de acuerdo con las pruebas realizadas en esta investigación, puede concluirse lo siguiente: Observando todos los espectros de frecuencia del torque, en ningún caso se encuentra una frecuencia de 113 Hz como la componente de mayor importancia. Esto lleva a pensar que el daño más importante en el reductor probablemente no sea causado por los engranes. Las componentes de frecuencia presentes en el torque presentan comportamientos totalmente aleatorios. Es posible que las fallas más importantes se localizaran en partes. 45.

(43) IM-2006-I-33. como la horquilla o el sistema de posicionamiento, que son más difíciles de detectar que las correspondientes a engranes. De esta manera, pudo presentarse un conjunto de fallas distinto cada vez que se puso en funcionamiento el sistema, lo que introduce un alto nivel de aleatoriedad a los resultados. No se encontró ninguna relación aparente entre los daños presentes en la caja de transmisión y las mediciones de corriente en el estator. Bajo las condiciones de experimentación de este trabajo en particular, no existe evidencia suficiente para afirmar que es posible detectar el tipo de falla en un sistema mecánico impulsado por un motor de inducción, por medio de mediciones de corriente en el estator. Vale la pena anotar que al no tener disponible un sistema similar en buen estado, es imposible tener un punto de comparación para las mediciones de las pruebas realizadas. Adicionalmente, se encontró que los daños presentes en la caja reductora eran demasiados e imposibles de aislar o controlar, razón por la cual cada vez que era puesta en funcionamiento, se comportaba de una manera distinta, lo que dificultó el proceso de análisis. Al comparar los espectros de frecuencia de la corriente del motor para cada nivel de carga, no existe ninguna diferencia sustancial que permita afirmar que la corriente tuvo alguna variación, aparte del incremento en la amplitud de la frecuencia fundamental y del voltaje pico a pico, variaciones que eran predecibles. Este incremento en la corriente es proporcional al incremento en la potencia requerida por el motor para generar el torque suficiente para un nivel de carga mayor. Este hecho indica que la base hipotética de este trabajo efectivamente se cumple. Si la corriente aumenta para niveles de carga cada vez mayores, debería estar presente en el espectro una componente relacionada con los incrementos en las solicitudes de torque producto de los golpes debidos a los daños. Esto lleva a pensar que el diseño del experimento y las condiciones de experimentación no fueron del todo adecuados.. 46.

(44) IM-2006-I-33. Se encontró que la corriente presenta bajo todas las condiciones, el espectro de frecuencia esperado, que corresponde al de la corriente proveniente de una toma trifásica común. El propósito principal de este trabajo fue encontrar indicios de alguna relación que existente entre la corriente en el estator y los daños presentes en el sistema. Es claro que las condiciones bajo las cuales se desarrolló esta investigación no fueron óptimas, lo cual pudo contribuir a los resultados negativos. Teniendo en cuenta el tipo de ruido sonoro apreciado durante el funcionamiento del sistema, que presentaba golpes cíclicos identificables por el oído con frecuencias de alrededor de 2 segundos, es posible que los tiempos de muestreo hayan sido demasiado cortos para evidenciar alguna falla cíclica presente en el reductor que coincidiera con las percibidas por el oído. Se descarta la posibilidad de que la pinza de corriente no haya tenido la precisión suficiente para captar los cambios en la señal de corriente, pues es capaz de detectar cambios de tan solo 50 mA. Adicionalmente, la función Autoset identifica la señal de corriente a partir de la frecuencia fundamental y de mayor importancia, es decir, la componente de 60 Hz, lo cual hace que de alguna manera las componentes más pequeñas del espectro se vean enmascaradas y opacadas, lo que no permite identificarlas. Valdría la pena desarrollar nuevos procedimientos de medición para los mismos experimentos tomando en cuenta los resultados obtenidos en este trabajo, utilizando un sistema en buen estado para inducir fallas controladas y progresivas, y analizar los cambios presentes en las señales medidas. Considerando las fallas percibidas por el oído con una frecuencia de 0.5 Hz, El tiempo de muestreo debería almacenar por lo menos una onda completa, es decir, la ventana de observación debería ser de al menos 2 segundos, valor que debería ser preferiblemente mayor en aras de obtener información más detallada. Sería conveniente también tomar mediciones de ruido, y comparar estos dos métodos alternativos para saber cómo se complementan y bajo qué condiciones es posible emplearlos. De igual manera podrían combinarse estas. 47.

(45) IM-2006-I-33. mediciones con mediciones de vibración, para tener una base de comparación confiable.. 48.

(46) IM-2006-I-33. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS. [1]. LLOYD, T. C., Electric Motors and Their Applications. 1a ed., John Wiley & Sons Inc., 1969.. [2]. CHAPMAN, S. J., Electric Machinery and Power System Fundamentals. 1a ed., McGraw-Hill., 2002.. [3]. BEATY, H. W., KIRTLEY, J. L., Manual del Motor Eléctrico. 1a ed., McGraw-Hill., 2000.. [4]. Ballestas, C.A. (1999). Relación entre el ruido emitido por maquinaria y el mal funcionamiento mecánico. Tesis de maestría. Universidad de los Andes, Bogotá, Colombia.. [5]. Caballero, H. (2000)). Diseño y desarrollo de un sistema de monitoreo de condición para motores de inducción A.C. Tesis de maestría. Universidad de los Andes, Bogotá, Colombia.. [6]. MARTELO, A. L. (2000). Detección de fallas en rodamientos de bolas de motores eléctricos mediante análisis espectral de vibraciones, ruido y corriente de estator. Tesis de maestría. Universidad de los Andes, Bogotá, Colombia.. [7]. SIEMENS. AC. Motor. Basics. tutorial.. 2002. Página. http://www.sea.siemens.com/step/templates/lesson.mason?motors.. 49. web,.

(47) IM-2006-I-33. ANEXO 1: RESULTADOS ADICIONALES DE MEDICIONES. Figura 26. Gráfica de corriente contra tiempo sin reductor (2). Figura 27. Gráfica de torque contra tiempo sin reductor (2). 50.










(57) IM-2006-I-33. Figura 46. Gráfica de corriente contra tiempo con reductor bajo carga moderada (4). Figura 47 Gráfica de torque contra tiempo con reductor bajo carga moderada (4). 60.









(66) IM-2006-I-33. Figura 64. Espectro de frecuencia para corriente sin reductor (5). Figura 65. . Espectro de frecuencia para torque sin reductor (5). 69.













(79) IM-2006-I-33. ANEXO 2: ESPECIFICACIONES TÉCNICAS DE LA PINZA AMPERIMÉTRICA AEMC AC/DC CURRENT PROBE SL261. 3. 3. Tomado de http://www.aemc.com/products/pdf/1201.51.pdf. 82.

(80)