Implementation Flow - Delay Characterization in FPGA-based Reconfigurable Systems

L

os métodos descritos se encuentran imple- mentados en un sistema de monitorización y diagnóstico desarrollado por el Grupo de Acciona- mientos Eléctricos del Departamento de Ingeniería Eléctrica de la Universidad de Oviedo, para Hidro- cantábrico Generación S.A. e instalado en la Cen- tral Térmica de Aboño. Se monitorizan un total de 37 motores, de potencias entre 500 kW y 6.2 MW, 6 kV. Para cada motor se capturan las tres corrientes de fase. Se utilizan sensores de corriente de efecto Hall instalados en el secundario de transformado- res de corriente (ya instalados). Se miden además las tensiones en las barras de alimentación a los motores (un total de 6 barras).

El sistema de adquisición está basado en orde- nadores personales, dedicados exclusivamente a esta aplicación. Dicho sistema consta de dos orde- nadores, cada ordenador incorpora dos tarjetas de adquisición de 32 canales A/D. La frecuencia de muestreo es de 8192 Hz, muestreándose 20 segundos. El software de adquisición se estructura en varios bloques.

• Bloque de adquisición. Muestrea las corrientes de fase y las tensiones de barras continuamente. El mues- treo continuo es necesario para la detección automática de transitorios (maniobras de conexión y desconexión de los motores).

• Análisis espectral. Calcula, de forma casi-continua (se actualiza cada 2 segundos), el espectro de los vecto- res de corriente y tensión de las señales capturadas. La herramienta fundamental de análisis es la FFT. Con los parámetros seleccionados del sistema de adquisición la resolución en frecuencia puede llegar a los 0.05 Hz.

• Análisis on-line. Procesa datos en tiempo real, e implementa funciones relacionadas tanto con el análisis de las condiciones de trabajo de los motores (nivel de carga, factor de potencia, magnitud de la corriente fundamental, distorsión armónica, etc.), como con su diagnóstico (corriente de secuencia negativa, impedancia de secuencia inversa, etc.).

•

Pantalla del programa: En texto, datos nominales y condiciones de tra- bajo actuales de varios motores. Gráficas mostrando la corriente de se- cuencia positiva (corriente fundamental consumida por el motor) y co- rriente de secuencia negativa (indicativa del nivel de asimetría en el estator).

de alimentación (tensiones no perfectamente senoidales y equilibra- das), a fenómenos de saturación dentro de la máquina y a desequilibrios intrínsecos al diseño (por ejemplo, ra- nurado de estator y rotor) y al proceso de fabricación. Mencionar por último que el espectro es una señal compleja, es decir, cada componente está representada por un número complejo de la forma a_(f)+jb_(f), el cual es función de la frecuencia f. La figura anterior muestra únicamente la magnitud del complejo |a_(f)+jb_(f)|. La fase del espectro (no representa- do) es el argumento del complejo,

tan-1_(b/a).

El espectro del vector de corriente de estator será la herramienta fundamental para el diagnóstico de la máquina.

Detección de fallos de aislamiento en el estator: la corriente de secuencia negativa

Una de las causas más frecuentes de fallos en el estator de los motores de inducción es un cortocircuito entre espiras de una fase. Aunque las con- secuencias de este cortocircuito sobre el funcionamiento normal de la máquina (par nominal, par máximo, pulsaciones de par) pueden no ser relevantes en un principio, las corrientes inducidas van a provocar un calentamiento anormal de las espiras cortocircuitadas. Se produce como consecuencia un deterioro progre- sivo del aislante, que puede degene- rar finalmente en fallos fase-fase o fase-tierra, los cuales obligan a la pa- rada inmediata de la máquina. De-

tectar fallos de aislamiento entre espiras en etapas incipientes es, por lo tanto, esencial para evitar daños ma- yores así como paradas intempesti- vas.

Un fallo de aislamiento entre espiras va a dar lugar a una asimetría en los devanados del estator. En este caso, cuando la máquina se alimen- ta con un sistema de tensiones equi- libradas, la trayectoria del vector de corriente ya no es una circunferen- cia, sino una elipse, como muestra la figura de la página siguiente. La ex- centricidad de la elipse es proporcional al grado de asimetría (fallo) del motor, siendo su orientación indicativa de la situación física del fallo, es decir, de la fase en que ha produci- do. La consecuencia de esta defor- mación del vector de corriente va a

Abril 2008 / n.º 395

DIAGNÓSTICO DE FALLOS

Automática e Instrumentación

• Visualización. Visualiza, de forma casi-con- tinua (se actualiza cada 2 segundos), las señales capturadas. La visualización puede ser tanto en el tiempo como en frecuencia.

• Rastreo de armónicos de rotor. Calcula la magnitud de los armónicos del vector de corriente inducidos por asimetrías en el rotor.

• Almacenamiento (periódico). Almacena los datos capturados cada un cierto tiempo prefijado. La elección de este tiempo busca un compromiso entre la cantidad de información guardada (lo que puede ser importante a la hora rastrear el históri- co de un motor en el que se ha detectado algún tipo de fallo), y el espacio de almacenamiento necesario. Una configuración típica es almacenar 20 s de señal cruda cada hora.

• Detección de arranques. Detecta automáti- camente la conexión de un motor, almacenando las señales de todos los motores así como las tensiones de barras. Esto permite por una parte implementar el análisis de los transitorios de arranques median- te wavelets, y por otra, evaluar la interferencia cau- sada por el arranque de grandes motores (caídas en

las tensiones de barras, fluctuaciones en las corrientes en otros motores conectados a la misma barra, etc.) • Detección de paradas. Detecta y almacena automáticamente la desconexión de motores. La principal utili- dad de esta función es detectar fallos en los interruptores durante la desconexión.

• Análisis off-line (históricos). Este bloque procesa datos grabados, estimando datos como la magnitud de la corriente fundamental, el nivel de carga o los armónicos más relevantes en la corriente de cada motor.

Las figuras adjuntas muestran algunas de las pantallas de interfase de usuario del programa desarrollado. La pri- mera muestra un histórico de 180 segundos de funcionamiento de varios motores. La segunda es un transitorio de arranque de una bomba (el programa lo detecta y guarda automáticamente). En él se puede apreciar el im- pacto de la conexión del motor sobre las tensiones de barras.

Pantalla del programa: Corrientes de fase y tensión en barras duran- te el transitorio de arranque de una bomba de 6.2 MW; parte inferior- izquierda: vector de corriente durante el transitorio; parte inferior de- recha: espectro de los vectores de tensión y corriente en régimen permanente.

ser la aparición de una componente a -50 Hz (-fe) en su espectro. Esta componente se denominada co-

rriente de secuencia negativa, ya

que gira en sentido contrario a la tensión de alimentación del motor. La magnitud de la corriente de secuencia negativa es proporcional al nivel de asimetría del motor, siendo por tanto un buen indicador de la pre- sencia de fallo, así como de la magnitud de éste.

A pesar de sus atractivas caracte- rísticas para la detección de fallos en el estator, el uso de la corriente de secuencia negativa presenta algunos inconvenientes:

• Asimetrías constructivas del estator del motor intrínsecas al proceso de fabricación van a dar lugar a corrientes de secuencia negativa que no tienen, por tanto, ninguna relación con fallos en el estator. Desequili- brios en los sensores y electrónica (amplificadores, filtros, etc.) utiliza-

dos para la medida de las corrientes de fase también darán lugar a falsas corrientes de secuencia (físicamen- te no existen, pero aparecen en las medidas). Sin embargo, todas estas componentes espurias son en general muy estables, por lo que es posible compensarlas mediante una ca- libración inicial.

• La magnitud de la corriente de secuencia negativa puede depender de las condiciones de trabajo del motor (por ejemplo, nivel de carga). • Desequilibrios en la tensión de alimentación (debido, por ejemplo, a la conexión de cargas monofásicas importantes) pueden dar lugar a in- yección de armónicos de secuencia negativa (componente a -fe) en la tensión, la cual generará un armóni- co a la misma frecuencia en la corriente. Evidentemente, esta componente no tiene ninguna relación con fallos en el motor, pudiendo fal- sear notablemente las medidas.

La figura muestra el espectro del vector de corriente normalizado di- vidiendo por la corriente fundamental (componente de 50 Hz) consumida por el motor. Se observa cómo la máquina sana presenta una componente de secuencia negativa, la cual se incrementa a medida que au- mentan el número de espiras cortocircuitadas.

Se puede mejorar notablemente la precisión de la medida si se utiliza no sólo la magnitud del espectro, sino también la fase. Como ya se ha indicado anteriormente, cada componente del espectro del vector de corriente es un número complejo, que consta de una parte real y una parte imaginaria. Se observa en la figura cómo el armónico de -50 Hz tiene una magnitud similar para el caso del motor sano y del motor con 2 espiras cortocircuitadas. Si en lugar de analizar la magnitud de la corriente de secuencia negativa, se representa la parte imaginaria frente a la parte real (derecha de la figura), se observa claramente el desplazamiento de esta componente a medida que el nivel de fallo va incrementándose. La compensación de efectos deri- vados de las componentes de secuencia negativa inyectadas desde la tensión de alimentación es más complicada. Una alternativa en este caso es sustituir la corriente de secuencia negativa por la impedancia de secuencia inversa. Estos méto- dos calculan las componentes de secuencia positiva y negativa tanto de las corrientes de estator como de las tensiones de alimentación, lo que permite estimar (y compensar) la corriente de secuencia negativa de- bida a la tensión de secuencia negativa inyectada. La implementación de esta solución tiene el inconve- niente de requerir la medida de la tensión de alimentación al motor.

Detección de fallos en el rotor De forma similar a los fallos en el estator, las asimetrías en el rotor van a dar lugar a armónicos específicos en el vector de corriente. Barras/anillos de rotor agrietados o rotos van a dar lugar a un desequilibrio en las corrientes que circulan por el rotor, in- duciendo armónicos adicionales en 82

Automática e Instrumentación

DIAGNÓSTICO DE FALLOS

Abril 2008 / n.º 395

■ _{Trayectoria y espectro (escala de magnitud lineal) del vector de corriente para una má-}

quina sana y una máquina con un fallo entre espiras de estator.

■ Corriente de secuencia negativa en función del número de espiras cortocircuitadas (168 espiras por polo).

Imaginaria

los devanados de estator, y como consecuencia en las corrientes de estator. La frecuencia de los armó- nicos inducidos en el estator va a depender de la velocidad a la que gira el rotor.

Una forma muy interesante para visualizar los armónicos inducidos en las corrientes de estator cuando existe una asimetría en el rotor, es analizar el vector de corriente de estator durante un transitorio de arranque. Una herramienta apropia- da para este propósito es el espectrograma. El espectrograma es una representación de la Short-Time

Fourier Transform (STFT). La

STFT es una modificación de la transformada de Fourier, adecuada para señales no estacionarias (que varían en el tiempo). Así, mientras la transformada de Fourier (espectro) ana- liza toda la señal, asumiendo implí- citamente que sus características no varían en el tiempo, el espectrograma calcula el espectro de segmentos

de la señal, los cuales se van despla- zando en el tiempo. Por tanto, el espectrograma representa la evolución del espectro de la señal a lo largo de tiempo. Va a tener tanto una dimen- sión en frecuencia y una dimensión en el tiempo.

La figura inferior muestra el espectrograma del transitorio de arranque de un motor sano (izquierda) y de un motor con una barra de rotor dañada (derecha). Al tratarse de una representación tridimensional, se puede visualizar mediante un mapa de colores. El eje vertical corresponde a la frecuencia y el eje hori- zontal al tiempo. La barra de color de la derecha indica la magnitud de las componentes del espectro. Se ha uti- lizado una escalar de colores loga- rítmica.

Se comentan algunos aspectos in- teresantes del espectrograma:

• Se observa cómo la principal componente armónica está a 50 Hz, que corresponde a la corriente fun-

damental del motor. El resto de líneas horizontales son componentes a múl- tiplos de la frecuencia eléctrica y son debidas sobre todo tanto a armóni- cos en la tensión de alimentación (no es perfectamente senoidal) y a fe- nómenos de saturación en el motor. • Las líneas que no son horizontales son componentes debidas a asi- metrías en el rotor y cuya frecuencia varía por lo tanto con la velocidad. Es interesante observar que estas lí- neas existen incluso en el caso de un motor sano (izquierda), debido a asimetrías constructivas intrínsecas al proceso de fabricación. La frecuencia de las componentes depen- dientes de la velocidad del rotor f_(fr) vienen dadas por la siguiente expre- sión, donde p es el número de pares de polos, s = (f_e-f_r)/f_ees el desliza- miento, y k/p = 1, -5, 7, -11, 13, etc.

(1-s) f_(fr)= f_e

(

k ––––– ±s

)

• En el caso del motor con una barra de rotor rota, se observa cómo componentes espectrales depen- dientes de la velocidad del rotor claramente visibles durante el transitorio de arranque, se atenúan notablemente e incluso desaparecen una vez la máquina ha alcanzado su régimen permanente. Esto es debido a las condiciones especialmente duras que soporta el motor durante el arranque. Durante este proceso, tanto las corrientes de estator como las inducidas en el rotor pueden ser de varias veces su valor nominal, lo

Abril 2008 / n.º 395

DIAGNÓSTICO DE FALLOS

Automática e Instrumentación

■ _{Espectrograma del transitorio de arranque de un motor sano y de un motor con una ba-}

rra de rotor dañada.

■ Magnitud del vector de corriente de estator y velocidad de rotor durante un transitorio de arranque.

que implica que una barra dañada o rota va a causar una distorsión mucho más importante en las corrientes que circulan por el rotor, y por tanto unos efectos inducidos en las corrientes de estator mucho más no- tables.

• La componente más relevante indicativa de una asimetría en el rotor se encuentra a una frecuencia

-f_e+2f_r. En régimen permanente

(f_e≈ f_r), la frecuencia de esta compo-

nente va a estar muy próxima a la corriente fundamental del motor (com- ponente a f_e), por lo que puede quedar enmascarada, especialmente si el motor trabaja a poca carga, o tiene un deslizamiento nominal pequeño.

Se concluye de lo anterior que los transitorios de arranque ofrecen ven- tajas importantes para la detección de asimetrías (fallos) en el rotor. Sin embargo, el procesamiento de señal necesario va a ser en general más complicado, al tratarse de señales transitorias.

Detección de fallos en el rotor con la máquina en régimen permanente

Como ya se ha indicado, el principal armónico indicativo de un fallo en el rotor se encuentra a una frecuencia

f_e+2f_r. La frecuencia de deslizamiento

nominal en motores de inducción puede ir desde 2-3 Hz en motores pequeños (del orden de kW), hasta fracciones de Hz en grandes motores. Esto implica que en régimen perma- nente f_e≈f_r, y por tanto f_e≈-f_e+2f_r, lo

que plantea problemas importantes

a la hora de medir de forma precisa esta componente, ya que puede quedar enterrada por la corriente fundamental.

Existe la posibilidad de medir otras componentes del espectro depen- dientes de la velocidad para estimar el nivel de asimetría. Estas componentes van a tener en general mag- nitudes mucho más reducidas, pero a cambio están espectralmente ale- jadas de la corriente fundamental, lo que reduce considerablemente los riesgos de interferencia en la medida. Entre las componentes que se pueden utilizar para este propósito, se ha comprobado que son especialmente adecuadas las de frecuencia -

5f_e+4(f_e-f_r) y -6f_e+4(f_e-f_r). Se ob-

serva que estas componentes tienen una magnitud muy reducida, estan- do además cercanas a una componente inducida por saturación a -250 Hz (-5f_e). Aun así, es posible aislar es-

tas componentes de forma precisa. Su medida a lo largo de la vida del motor va a permitir evaluar el estado y evolución del nivel de asimetría del rotor, y con ellos los posibles fallos en las barras.

Comentar por último que para rastrear las componentes espectrales descritas anteriormente sería necesario en principio medir la velocidad del rotor. Esto no es sin embargo ha- bitual en las máquinas conectadas a red. En este caso, se puede estimar el deslizamiento del motor (y con ello la velocidad del rotor) con una precisión aceptable a partir de la magnitud de la componente funda-

mental del vector de corriente y de los valores de corriente y deslizamiento nominales obtenidos de su placa de características.

Detección de fallos en el rotor durante los transitorios de arranque

Los transitorios de arranque ofrecen posibilidades especialmente intere- santes para la detección de barras de rotor dañadas, debido a las condiciones particulares en las que trabaja el motor: corrientes normalmente muy superiores a la nominal y desli- zamientos elevados. Los principales inconvenientes para el uso de los transitorios de arranque son dos: el diagnóstico no se efectúa de forma continua (es necesario un transitorio), y el procesamiento de señal es más complicado, al tratarse de se- ñales no estacionarias. El primer pun- to no es importante en la mayoría de las aplicaciones. Al contrario que los fallos en el estator, los fallos en el rotor siguen una evolución normalmente lenta, por lo que no es crítico detectarlos de forma inmediata.

En cuanto al segundo punto, al tratarse de señales no estacionarias, la transformada de Fourier deja de ser una herramienta adecuada. Aunque el espectrograma puede resultar vi- sualmente atractivo, su uso presenta problemas en la práctica: es necesario configurar los parámetros de la STFT (tamaño de la ventana, solapa- miento, etc.), lo cual requiere cono- cimientos tanto de procesamiento di- gital de señal como de aspectos del funcionamiento de la máquina anali- zada (por ejemplo, tiempos típicos de arranque). No es fácil además obte- ner a partir del espectrograma un ín- dice cuantitativo del estado del motor (probabilidad de que el rotor esté dañado o severidad del daño).

Una alternativa para el análisis de señales transitorias es el uso de wa-

velets. Las wavelets pueden consi-

derarse como una generalización de la transformada de Fourier. La dife- rencia esencial es que mientras que la transformada de Fourier busca componentes periódicas (senoida- les) dentro de una señal, las wave-

lets se diseñan para buscar patrones

en general no periódicos. 84

Automática e Instrumentación

DIAGNÓSTICO DE FALLOS

Abril 2008 / n.º 395

■ _{Espectro del vector de corriente en el entorno de -5f}

Se han propuesto varios métodos para el diagnóstico de motores utili- zando wavelets. Sin embargo, un análisis mínimamente detallado de

In document Delay Characterization in FPGA-based Reconfigurable Systems (Page 57-61)