Deteccin de Fallas de Motor Impulsor Modulado con Anchura de Pulso Usando Anlisis de Firma Elctrica (ESA)

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ALL-TEST Pro, LLC & EMA Inc. Cada da son ms los Motores Impulsores para los Motores AC en la industria y el Impulsor Modulado de Anchura de Pulso (PWM por sus siglas en ingls) se ha convertido en el estndar de la industria para las aplicaciones de pocos a un mediano nmero de caballos. Igual como con los otros componentes del sistema motriz, el impulsor PWM tiene diferentes modos de fallas y para fines de soluciones de problemas un electricista usa con frecuencia un Multi Medidor Digital (DMM por sus siglas en ingls), un osciloscopio digital y un analizador de calidad de potencia. Estos tres instrumentos le permiten al electricista buscar la solucin de problemas relacionados con la potencia entrante y con el motor impulsor, pero ofrecen una limitada capacidad para detectar las fallas dentro del mismo motor y de la carga del motor impulsado. Adems, ya que estos instrumentos estn separados y pudieran ofrecer una limitada capacidad de hacer reportes, las pruebas para Mantenimiento Predictivo (PdM) o para Mantenimiento Basado en la Condicin (CBM) pueden ser difciles. Aqu es donde el Anlisis de Firma Elctrica (ESA) ofrece claras ventajas sobre el DMM, el osciloscopio, y el analizador de calidad de potencia para fines de pruebas de Confiabilidad. Ms aun, adems de evaluar la condicin de la potencia entrante y el motor impulsor, tambin evaluar la condicin del motor y la carga impulsada en busca de muchos modos comunes de fallas. Acerca del ESA ESA es un mtodo de pruebas en lnea donde se capturan las formas de onda de voltaje y corriente mientras el sistema motriz est trabajando y entonces, por medio de una Transformada Rpida de Fourier (FFT), se realiza un anlisis de espectro por medio del software proporcionado. A partir de este FFT, se detectan las fallas relacionadas con la potencia entrante, el circuito de control, el mismo motor, y la carga impulsada, y entonces se pueden establecer tendencias para fines de CBM o de PdM. Nuestro instrumento ESA se lleva en una mano, es porttil y funciona con bateras. Todos los sistemas de anlisis de ESA requieren tener la informacin estipulada en la placa del motor tal como voltaje, velocidad de operacin, corriente en carga total, y caballos (o kW). Adems, informacin opcional tal como nmero de barras del rotor y ranuras en el estator, nmero de parte del rodamiento, e informacin de los componentes de la carga impulsada, tal como nmero de alabes de un ventilador o de dientes en un engrane pueden ser agregados para tener un anlisis ms detallado y ms preciso. Ya que ESA es algo nuevo para muchas personas, a continuacin mostramos una grfica que ilustra las fallas generales que puede detectar el ESA. Ver Figura 1.

Figura 1 Sistema Motriz

Calidad de

Potencia Cone -xiones Cone xiones Cables Estator

Elec Estator Meca Rotor

Entre Hierro

Aisla miento

Roda miento

Alinea cin Carga

Motor Impulsor

ESA X X L - L X X X - X X L

*Verde indica que una falla en desarrollo puede ser detectada y su tendencia trazada para fines de Mantenimiento Basado en Condicin y Mantenimiento Predictivo. Amarillo indica que se puede detectar una falla pero no en su etapa ms temprana. Este artculo analiza tres fallas comunes con un impulsor PWM:

1) Un diodo de entrada abierto en el puente rectificador. 2) Capacitores que estn fallando en el circuito DC intermedio. 3) Puerta con Aislamiento Defectuoso del Transistor Bipolar (IGBT).

De los tres, los capacitores que estn fallando son los ms difciles de detectar temprano, ya que no hay seales inmediatas de esta condicin al monitorear el desempeo del motor.

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Acerca del impulsor La Figura 2 muestra los bloques bsicos del motor impulsor PWM que incluyen la potencia AC entrante, puente diodo de onda completa que rectifica el voltaje AC entrante, el circuito DC intermedio que contiene el o los capacitores, el puente inversor y el motor.

Figura 2 Diagrama de Bloques del PWM

Entrada AC

Rectificador de Puente de Diodo

Circuito DC Puente inversor IGBT

M

Al estar haciendo las pruebas con ESA, se hacen conexiones de voltaje y corriente al sistema motriz que se est probando. Esto se hace normalmente en el centro de control del motor y las conexiones se hacen usando sensores de voltaje porttiles y transformadores de corriente porttiles o por medio de cajas especiales de conexin previamente instaladas. La ventaja de la caja de conexin es su capacidad de tomar los datos sin necesidad de abrir el panel de control de motor para hacer estas conexiones requeridas.

Figura 3 Conexiones ESA Porttiles para Voltaje y Corriente

Voltaje

Corriente

2

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Figura 4

Caja de Conexiones instalada de ALL-SAFE PROTM

Transformadores de Corriente

ALL-SAFE PRO

Conexiones de Voltaje

Con las aplicaciones PWM se deben tomar dos juegos de datos, uno en la entrada del impulsor PWM y el otro en la salida del impulsor PWM. Todo el proceso de recoleccin de datos (despus de hacer las conexiones) toma cerca de 4 minutos y no se requiere informacin de la placa en este momento. Esta informacin se puede introducir despus al hacer el anlisis de datos. Los archivos de datos son entonces analizados usando el software proporcionado y se genera un reporte en Microsoft Word. El software proporciona herramientas fciles de usar para trabajar con los diferentes anlisis de espectros. Los resultados del software pueden ser vistos sin necesidad de generar el reporte completo. El software automticamente reporta lo siguiente: Factor de Potencia, Desbalance de Corriente, Desbalance de Voltaje y voltaje RMS en la placa, Carga en la placa, Conexin de Fase, salud del Rotor, salud del Estator elctrico y mecnico, entrehierros del Rotor/Estator, Distorsin Armnica Total (Voltaje y Corriente), indicaciones de Desalineacin/Desbalance y salud del Rodamiento. Tambin reporta Picos de Voltaje y Corriente y Factor de Cresta, Impedancia de Fase, Potencia (Aparente, Real y Reactiva), Velocidad de Operacin, y Frecuencia de Lnea. Para motores de induccin AC y para motores DC tambin calcula la eficiencia del motor. Un usuario normal con habilidad puede hacer un anlisis completo y generar un reporte en menos de 10 minutos por motor.

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Banco de C

apacitores

Figura 5 Motor Impulsor

Diodo de Entrada, IGBT, Banco de Capacitores C

IGBT

Diodo de Entrada Primer Caso

El primer caso es un motor impulsor que se recibi en el departamento de servicio en EMA Inc, Cortland, NY. El impulsor y el motor se pusieron a trabajar en un dinammetro para hacer las pruebas. Se recolectaron dos juegos de datos. El primero es solo una forma de onda capturada en la entrada del impulsor y el segundo juego fue tomado en la salida del impulsor. El segundo juego de datos incluye la captura de onda de voltaje y de corriente, ms 50 segundos de formas de onda de voltaje y corriente. La Figura 6 muestra la forma de onda de corriente de entrada para la fase C. Observe que los picos negativos no estn. Esto es causado por un diodo abierto.

Figura 6 Forma de onda de Corriente

El reporte ESA generado en forma automtica identifica ambos, el desbalance de corriente y los excesos de distorsin armnica, que son causados por el diodo abierto. La primera pgina del reporte es solamente un resumen y hay pginas adicionales que proporcionan detalles para cada uno de los principales encabezados. Un desbalance grande en la fase de corriente, como se ve aqu, daar los componentes internos del impulsor PWM y puede estresar el transformador de alimentacin que alimenta el motor impulsor.

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Figura 7

Primera pgina del reporte ESA

Figura 8 Diodo con Falla

Segundo Caso El segundo caso fue recibido por EMA para su reparacin e involucra capacitores viejos en el banco de capacitores. El problema es que conforme estos capacitores envejecen y comienzan a deteriorarse, el desempeo del motor ya no proporciona indicaciones obvias. Una vez que comienzan a fallar los capacitores, los capacitores buenos pasan mayor corriente, lo cual crea excesos de calor en los capacitores, y el calor adicional acelera las fallas de los otros capacitores. Estos capacitores tienen disipadores para el exceso de temperatura y presin interior, pero es posible que estos capacitores lleguen a explotar, si no son ventilados con la rapidez necesaria. Adems, el exceso de voltaje ondulante recibido por el motor har que la corriente armnica sea atrada por el motor. Estas corrientes armnicas crean torque (par) secuencial negativa, un pobre desempeo del motor, y una mayor acumulacin daina de calor dentro del motor. La Figura 9 muestra voltaje en la salida del impulsor y esto es para un impulsor bueno con capacitores en buenas condiciones.

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Figura 9

Voltaje de Salida Forma de onda de voltaje plana mostrando bus de capacitores buenos (sin voltaje ondulante).

La Figura 10 muestra el voltaje ondulante generado por el bus de capacitores malos.

Figura 10 Voltaje de salida con el voltaje ondulante

Observe el exceso de ondulacin en la forma de onda de voltaje.

Figura 11 Capacitor con Disipadores

Tercer Caso El tercer caso fue recibido por EMA para su reparacin. La forma de onda resultante muestra un IGBT (Transistor Bipolar