Un Estudio de Métodos de la estimación de la Eficiencia de Motores de Inducción en servicio

RESUMEN: La monitorización de los estados de los motores eléctricos evita pérdidas económicas graves resultantes de fallos inesperados del motor y mejora en gran medida la fiabilidad y facilidad de mantenimiento del sistema. La estimación de la eficiencia, que comparte muchos requisitos comunes con el monitoreo de condiciones en términos de recolección de datos, se espera que sea implementado en un producto integrado. Esto trae más consideraciones en la selección de los métodos de estimación de la eficiencia.Este trabajo presenta los resultados de una encuesta de la literatura (actualizada) sobre los métodos de estimación de la eficiencia en los motores en servicio, en particular con las consideraciones de los requisitos de las condiciones de monitoreo del motor. Más de 20 de los métodos más utilizados se describen brevemente y se divide en nueve categorías en función de sus propiedades físicas. Seis categorías de estos métodos están más relacionados con las pruebas en el servicio y se comparan en una tabla que resume las pruebas y medidas necesarias, a nivel de intrusión y de precisión media. La estimación de la velocidad del rotor y la resistencia del estator, las dos partes más difíciles de diversos métodos de estimación de eficiencia, también se estudia con cuidado; métodos comúnmente utilizados se resumen. Con base en los resultados de la encuesta, cuatro métodos de estimación de la eficiencia se sugieren como candidatos para aplicaciones de estimación de la eficiencia de motores en servicio no intrusivos y de condiciones de aplicaciones de monitorización. Otra contribución de este trabajo es que se propone un enfoque general para el desarrollo de métodos de estimación de la eficiencia en el motor no intrusiva, incorporando la velocidad del rotor, la resistencia del estator, y las pérdidas en vació.

INTRODUCCIÓN

Se estima que más de dos tercios de la energía eléctrica total generada en los Estados Unidos se consume por los sistemas accionados por motor. En promedio, los motores en plantas industriales operan a 60% de su carga nominal debido a las condiciones de sobre y sub-dimensiones en sus instalaciones y, como resultado, tienen eficiencias bastante bajas. A medida que la escasez de energía global y el efecto invernadero han empeorado, la mejora del uso de la energía del motor en la industria está atrayendo más atención. Esto podría hacerse a través de muchas maneras, tales como la sustitución de los motores sobredimensionados o la aplicación de técnicas de control más eficientes. Obviamente, todas estas formas se basan en la estimación precisa de la condición de energía de uso de los motores [1].Las condiciones de monitoreo y diagnostico son asuntos muy importantes en los sistemas accionados por motor y los sistemas de electrónica de potencia ya que pueden mejorar considerablemente la fiabilidad, disponibilidad y mantenimiento del sistema. Una industria espera que las funciones de estimación de energía de uso y condiciones de monitoreo, para ser implementadas en un producto integrado, ya que comparten muchas necesidades comunes en términos de recolección de datos. Esto introduce nuevas consideraciones en la selección de los métodos de estimación de la eficiencia del motor en estas aplicaciones. Por ejemplo, en la detección de los fallos de giro de la bobina del estator de, barras rotas del rotor, y los cojinetes gastados, se utilizan las técnicas actuales de análisis espectral basado, que requieren las formas de onda de la corriente del estator a muestrear y recolectar. Teniendo los datos de corriente registrados, tendríamos naturalmente buscará un método de estimación de la eficiencia que utiliza la corriente del estator [2].

A través de los años, se han propuesto muchos métodos de estimación de la eficiencia del motor para usos generales. Una serie de evaluaciones de laboratorio han llevado a cabo de nuevo en 1990 y forma un recurso importante de esta encuesta. En 1996, un equipo en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge (ORNL) examinó 28 de los métodos propuestos anteriormente y les evalúa de acuerdo a sus niveles de intrusión y costo del equipo patrocinado por el Departamento de Energía (DOE) de Estados Unidos [3]. Poco después del primer informe, el mismo equipo seleccionó seis métodos candidatos para una estimación más detallada [4]. Estos seis métodos dirigirán especialmente a la estimación de la eficiencia motor y la carga en condiciones de campo. Este informe, finalmente, sugirió tres mejores métodos candidatos que van de menor a mayor nivel de intrusión para las pruebas de eficiencia en condiciones de campo. Estos dos informes dieron una evaluación relativamente amplia y sugieren un importante nuevo método: “método par entrehierro," sin embargo; no consideran los requisitos de monitoreo de condiciones. Además de esto, debido al desarrollo de las técnicas avanzadas de estimación de la velocidad sin sensor [21] - [31] y la estimación de estator-resistencia en servicio [33] - [43] durante la última década, algunos de los procedimientos de prueba y mediciones descritas en estos informes son ahora obsoletos.Basados en estos informes, en 1999, el Programa Cooperativo de Energía de Extensión de la Universidad Estatal de Washington prueban 12 métodos de prueba de motor de la eficiencia [5]. A continuación, se realizó una prueba más detallada de los cuatro métodos, y los autores llaman a estos métodos como "no intrusivo". Sin embargo, estos métodos deben ser llamados "poco intrusivos" o incluso métodos "medio-intrusivos" con mayor precisión, ya sea que la medida de la velocidad con un transductor o una medición de la resistencia del estator-con una prueba sin alimentación son requeridas. Una vez más, los métodos en esta prueba se pueden simplificar en gran medida utilizando la estimación de la velocidad y de la resistencia del estator, ahora disponibles.En general, las medidas necesarias para cada método son diferentes, pero la mayoría de ellos requieren los siguientes datos comunes: tensiones de línea de entrada y corrientes de línea. Algunos métodos requieren los datos característicos de placa (tensión nominal, corriente, potencia, velocidad, etc.), resistencia del estator Rs, o la velocidad del rotor ωr. Entre ellas, las mediciones o estimaciones de la resistencia del estator y la velocidad han sido consideradas como los escollos de los distintos métodos de estimación de la eficiencia por años. Sin embargo, investigaciones recientes han hecho un gran progreso en el área de la estimación de la resistencia del estator y de la velocidad. La mayoría de estos estimadores utilizan el voltaje terminal y corriente, que ya están disponibles en los sistemas de monitoreo de condiciones.

DEFINICIÓN DE PÉRDIDAS DE MOTOR Y EFICIENCIA

Las pérdidas totales en el motor son de interés aquí, ya que la búsqueda de la eficacia es equivalente a la búsqueda de las pérdidas totales. IEEE Std-112 parte 5 define cinco tipos de pérdidas en los motores de inducción como (1) [13]; donde PInput y Poutput son las potencias de entrada y de salida del motor, respectivamente, y WLosses es la pérdida total en el motor.

La pérdida en el cobre del estator Ws es la pérdida en los devanados del estator. Es igual a 1.5I2R para un motor trifásico, donde I es la corriente medida o calculada (RMS) por terminal de línea en

cierta carga específica; y R es la resistencia promedio en corriente continua dc entre dos terminales de línea corregida a la temperatura especificada. Para un motor perfectamente equilibrado, R es el doble de Rs.

Las pérdidas en el cobre del rotor Wr es la pérdida en los bobinados del rotor, incluyendo las pérdidas las escobillas para motores de rotor bobinado. Debe determinarse a partir del porcentaje del deslizamiento utilizando (2) donde s es el deslizamiento.

Las pérdidas en el núcleo Wcore es debido a la magnetización de histéresis y corrientes parásitas en el hierro. Esto varía aproximadamente con el cuadrado de la tensión de entrada, pero para la tensión de entrada fija, permanece aproximadamente constante desde sin carga hasta plena carga. Por lo general se mide a partir de la prueba sin carga.

Las pérdidas de resistencia al viento y la fricción Wfw es la pérdida de rotación mecánica debido a la fricción y el efecto del viento. También es casi constante desde sin carga a plena carga y por lo general se mide desde la prueba en vacío.

Las pérdida de carga parásita WLL es la pérdida de un motor no representado por la suma de Ws, Wr, Wcore y Wfw. Se puede dividir en dos partes: Pérdidas dispersas de carga del estator (WLL ) y las pérdidas dispersas de la carga del rotor (WLLr).

El eficiencia η del motor se define entonces como

MÉTODOS DE ESTIMACIÓN DE EFICIENCIA

Un método de eficiencia-estimación del motor en servicio puede ser un solo algoritmo básico o una combinación de diferentes algoritmos básicos que figuran en esta sección. Los métodos se clasifican comúnmente en la literatura por sus niveles de intrusión y precisiones. El nivel de intrusión se determina por el tipo de dato requerido para cada método, el costo asociado con el proceso de instalación de los equipos y la recolección de datos, y la planificación funcionamiento del motor. La exactitud se evalúa a través de la comparación con una medición de la eficiencia directa, por ejemplo, el par del eje y la velocidad del rotor.

Esta sección enumera más de 20 de los métodos de eficiencia del motor más importantes, que se clasifican en función de sus propiedades físicas [3] - [20]. Como se ha indicado antes, algunos de estos métodos son combinaciones de varios métodos básicos y pueden clasificarse en más de una categoría. Estos métodos son finalmente clasificados en la categoría más relacionada. Por ejemplo, el método ORMEL96 se clasifica en los métodos de circuito equivalente, distintos métodos de la placa de características, métodos estadísticos, o métodos de instrumentos dedicados.

A. Métodos placa de características

El método de evaluación de campo menos intrusiva es obtener información del motor de la placa de identificación [3] - [5].

1) Método estándar Placa de características: La eficiencia se supone que es constante e igual al valor de la placa de identificación [3]. Sin embargo, este método tiene poca precisión debido a que: 1) los datos de la placa no se pueden dar según IEEE Std-112 Método B; 2) el motor puede haber sido rebobinado; y 3) el entorno de campo puede ser diferente de la que, cuando los datos característicos de placa se establecieron.

2) Volgelsang y Benning (V & B) Método I, II: El método V & B I y II son variaciones del método estándar de datos característicos de placa y utilizando un instrumento comercial dedicado: el "Motor Analizador" Opción I (± 1% de error) requiere pruebas bajo tres condiciones: sin carga, de carga normal y sin alimentación. Opción II (± 3% de error) no requiere la prueba sin carga, pero, en cambio, utiliza los datos de la placa de identificación del motor. En consecuencia, se reduce la exactitud. Los principios de este instrumento se basan en la teoría se detalla en [7]. Este método también podría ser clasificado como un método de pérdida de segregada.

B. Slip Methods

Los métodos de deslizamiento se basan en la medición de la velocidad del motor [3] - [6], [8] - [11]. La principal ventaja es su simplicidad.

1) Método Estándar de deslizamiento: El porcentaje de la carga se presume que es proporcional a la relación entre el deslizamiento medido con relación al deslizamiento a plena carga. La eficiencia del motor es, por lo tanto, una aproximación usando (4). Sin embargo, el error viene del hecho de que la relación de deslizamiento representa el porcentaje de carga, y la eficiencia no es igual al porcentaje de la carga [8].

2) Ontario Hydro Método Modificado de deslizamiento: Como dado por (5), el método de deslizamiento estándar se mejora mediante la corrección de la velocidad de la placa de identificación nominal para las variaciones de tensión, especialmente cuando la curva de eficiencia carga no es plana [9]. Sin embargo, la estimación todavía podría tener un error relativamente grande, ya que se permite que la velocidad de la placa de identificación desviarse tanto como 20% de la velocidad nominal real de acuerdo con la Asociación Nacional Fabricantes Eléctricos (NEMA) MG1 estándar [12].

3) Límite superior Método de deslizamiento: Como el método de la eficiencia en la estimación más simple, el Método de Límite superior original asume Ws sea cero (6) [10].

Se ha observado que Ws cuenta aproximadamente el 40% de las pérdidas totales en un motor típico. Por lo tanto, este método se puede mejorar mediante la inclusión de Ws, como se muestra en (7) [5]

La estimación de la eficiencia resultante es siempre mayor que la eficiencia real, ya que deja de lado Wr, Wcore, Wfw y WLL.

C. Métodos de Corriente

Al igual que los métodos de deslizamiento, los métodos actuales utilizan mediciones mínimas y los datos del fabricante para estimar la eficiencia [3] - [6], [8]. Su principal ventaja es la simplicidad.

1) Método estándar de corriente: En este caso, la eficiencia del motor se aproxima usando (8), suponiendo que el porcentaje de carga es estrechamente proporcional a la relación de la corriente medida a la corriente a plena carga. En realidad, la curva de la corriente-carga es ligeramente no lineal. Esto se considera en un método actual mejorado como (9) [8]. Se sugiere en [3] que el promedio de estos dos enfoques puede dar una estimación más precisa eficiencia.

D. Método de Circuito equivalente

La eficiencia de un motor de inducción se puede calcular a partir de su circuito eléctrico equivalente. Estos métodos pueden proporcionar una estimación de eficiencia de un motor funcionando en condiciones de carga distintas de aquellas a las que se realizan las mediciones.

1) Método Estándar de circuito equivalente (IEEE Std-112 Método F / F1): El método IEEE Std-112 F / F1 es el método estándar de circuito equivalente [12], [13]. Requiere una medición de la impedancia, sin carga, tensión variable, rotor eliminado, y las pruebas de

rotación inversa. Estas pruebas son demasiado intrusivas y poco práctico para el monitoreo en servicio, aunque el método puede ser muy precisa. Este método se menciona aquí principalmente como base para otros métodos modificados

2) Método F Modificado Ontario Hidro (HOMF): Una versión modificada de la norma IEEE-112 F1 método es propuesto por Ontario Hydro [6], [9]. Se utiliza un circuito equivalente ligeramente diferente: La impedancia de magnetización se toma para ser una combinación en serie de resistencias e inductancias en vez de la combinación en paralelo estándar. No se requiere una prueba de tensión variable, pero necesita ejecutar pruebas sin carga y las a plena carga a tensión nominal. Tensión de linea, la potencia de entrada, corriente de línea, factor de potencia y la resistencia del estator medida durante el funcionamiento en vacío y con carga completa. El deslizamiento también se mide a plena carga.

3) Método de datos de placa Circuito equivalente (ORMEL96): Este método se deriva del circuito equivalente del motor de la placa de características y el valor de la resistencia del estator [3] - [6]. Una resistencia parásita se inserta en el circuito del rotor para tener en cuenta la pérdida de carga parásita. Sólo la velocidad del rotor se mide en línea. La resistencia del estator puede estimarse a partir de datos de la placa [6], aunque la precisión de la estimación de la eficiencia podría aumentarse sustancialmente si se puede determinar con precisión [5]. El método ORMEL96 también tiene un modo avanzado, que permite al usuario ajustar ciertos "parámetros ajustables."

Es un método de baja-intrusión, sin embargo, los parámetros del circuito equivalente se resuelven desde imaginaria condición de carga nominal y rotor bloqueado, la información placa del motor puede tener hasta 20% inexactitudes según NEMA MG1 [12] .

Debido a su inherente bajo nivel de intrusión y buena precisión (dentro de ± 4% de error [3]), el método ORMEL96 se propone como uno de los cuatro métodos de candidatos para la estimación de la eficiencia del motor en servicio y condiciones de aplicaciones de monitoreo

4) Método Rockwell Motor-Eficiencia Wizard (RMEW): Otro método basado en el circuito equivalente interesante es propuesto por Rockwell Reliance y se utiliza como el estimador de la eficiencia en su producto “Motor Efficiency Wizard” (Asistente para la eficiencia del motor) [14]. Este método calcula los parámetros del circuito equivalente del motor de inducción estándar usando los datos de dos puntos de funcionamiento de carga diferentes. Se requiere mediciones de la resistencia del estator y la temperatura del estator-bobinado. Además, la solución de los parámetros del motor requiere que el valor real de la reactancia de fuga del estator, que no está disponible para las pruebas en servicio. Por otra parte, los parámetros del motor se calculan utilizando tensión del estator y fasores de corriente, y los armónicos de la fuente de alimentación no son considerados.

Los resultados experimentales en [14] muestran una alta precisión de ± 1% de errores. Aunque esta precisión parece ser demasiado optimistas de acuerdo a su naturaleza física, este método todavía se considera como un candidato para la estimación de la eficiencia del motor en servicio.

5) Método de Rotor Bloqueado: Este método utiliza un circuito equivalente con dos bucles de rotor [6], [15]. Los parámetros del circuito se obtienen a partir de pruebas de rotor bloqueado. Una prueba sin carga también se debe ejecutar. Estas pruebas hacen de este un método altamente intrusivo.

6) Método de Respuesta de Frecuencia de parada: El circuito equivalente de este método también tiene dos bucles del rotor [6], [16]. Los parámetros del circuito se derivan mediante la medición de la impedancia del motor sobre un rango de frecuencia de 0,01 Hz a 500 Hz, con su rotor fijo. La principal ventaja de este método es que la baja tensión, no se requiere ensayo en vacío. Sin embargo, todavía es inherentemente un método de alta intrusión.

TABLE IVALORES ASUMIDOS DE PÉRDIDAS POR PÉRDIDA DE CARGA EN IEEE STD

E. Métodos de pérdida segregada

Estos métodos son más directos porque simplemente estiman (segregan) cada componente de pérdida (Ws, Wr, Wcore, Wfw y WLL). Estos métodos son generalmente muy precisos (dentro de ± 2% de error [9], aunque algunos de ellos también son bastante complejos e intrusivos, mientras que otros se basan en valores empíricos para estimar algunas de las pérdidas.

1) Método Estándar de Pérdidas segregadas (IEEE Std-112 Método E1): El método IEEE Std-112 E1 es el método estándar de Pérdidas segregadas [12], [13]. Método E1 especifica un valor asumido por la pérdida de carga parásita a la carga nominal para motores de diferentes tamaños, como se muestra en la Tabla I [13]. Al igual que con IEEE Std-112 método de F1, no está destinada a las pruebas en el servicio, ya sin carga, voltaje variable, rotores eliminado, y giro invertido son pruebas que se requieren. Está aquí principalmente como base para otros métodos modificados.

2) Método E de Ontario Hydro Modificado (OHME): El IEEE Std-112 método E1 se simplifica en [9], asumiendo los efecto del viento, la fricción y pérdidas en el núcleo combinados (Wfw + Wcore) para ser 3.5% -4.2% de la potencia nominal de entrada [3] - [6], [9]. El porcentaje específico podría optimizarse mediante el análisis de muestras de motores en los diferentes niveles de potencia. La pérdida de carga parásita también se estima a partir Tabla I [13]. Este método se puede simplificar aún más mediante el uso de un valor supuesto de 0,8 para el factor de potencia nominal. La resistencia del estator se estima basándose en una aproximación simple usando la corriente del motor para estimar el aumento de la temperatura. Las únicas otras mediciones requeridas son la potencia de entrada y la velocidad del rotor. Debido a su bajo nivel de intrusión y buena precisión (± 2% -3% [3] error), el método OHME se sugiere como otro candidato para la estimación de la eficiencia en el servicio.}

F. Métodos de par

La eficiencia del motor puede ser definida en (10) en términos de la torsión Tshaft en el eje, el par de entrehierro (AGT) Tair GAP, y de la velocidad del rotor ωr.

Con PInput y ωr medido o estimado, la eficiencia se puede determinar fácilmente si se conoce Tshaft. Este es el principio básico de todos los métodos de par.

1) Método AGT: El método AGT propuesto en [18] calcula la AGT usando (11) desde la entrada instantánea de voltajes y corrientes de línea [17]. Las pérdidas WfW y WLLr se obtienen de la prueba sin carga. Por último, la eficiencia del motor se calcula utilizando (10)

Dónde polos es el número de polos, IA, IB, e IC son las tres corrientes de línea y νCA y νAB son las dos tensiones de línea. Una ventaja importante de este método es que se considera que las pérdidas asociadas a los desequilibrios en los voltajes y corrientes, lo que refleja la realidad en una planta industrial. Sin embargo, requiere una prueba sin carga. Debido a su extremadamente alta precisión (dentro de ± 0.5% de error [3]), este método es bueno para el monitoreo en línea. El alto nivel de intrusión es el principal inconveniente del método original AGT, pero esto se puede superar, según lo propuesto en la Sección VI-B.

2) Método de par en el eje: Como el más sencillo de estos enfoques, este método mide el par del eje y la velocidad del rotor (y, por lo tanto, la potencia de salida) directamente desde el eje, sin la necesidad de calcular las pérdidas [3]. Ofrece la evaluación más precisa de campo eficiencia, pero también es muy intrusivo. Además, el alto coste de los transductores de par hace que este método no es aceptable para la mayoría de aplicaciones industriales.Los detalles de las tres categorías de métodos restantes de estimación de eficiencia se omiten aquí por simplicidad, ya que son o bien combinaciones de los métodos descritos anteriormente o métodos específicos de producto que están fuera de interés aquí. Los detalles de estos métodos se encuentran en [1].

G. Métodos empíricos1) Método de Stanford Wilke [3], [19]

H. Métodos Estadísticos [3], [12]I. Métodos de instrumentos dedicados1) Método instantánea actual [5], [20]2) Motormaster + Métodos [5]

3) Vectron (ECNZ) Método [5]4) MAS-1000 Método [5]5) Esterline Método Angus [5]

ESTIMACIÓN DE LA VELOCIDAD DEL ROTOR

La medición directa de la velocidad del rotor requiere de un sensor de velocidad montado en el eje o tacómetro óptico para ser instalados. Esto reduce la fiabilidad y aumenta el costo. Durante la última década, se han propuesto numerosos esquemas de rotor y la velocidad de estimación sin sensoresUna gran familia de esquemas sin sensor velocidad de estimación se basa en una estimación de la fuerza contraelectromotriz (EMF) de voltajes y corrientes del estator, pero estos métodos dependen intrínsecamente de los parámetros del motor y fallo bajo un funcionamiento a baja velocidad debido al estator degradada medición -Voltaje [21], [22]. Técnicas de Procesamiento de señales digitales (DSP) se han utilizado eficazmente para incorporar armónicos prominentes de la máquina en los algoritmos de estimación de velocidad sin sensores [23] - [31].

Fig. 1. algoritmo de detección de velocidad usando armónicos prominentes magnéticos.

In [23]–[25], the speed information from stator-voltage measurement is derived. In [23], the rotor-slot harmonics are isolated using the analog filtering, sampling, and zero-crossing detectors. This method fails below 10-Hz operation. In [24], an external signal is injected to overcome the low-speed limit in [23]. In [25], a speed observer is developed based on a detailed motor magnetic model, which needs an extensive offline test to initialize. Again, a common problem of these methods is that the voltage is degraded at a low speed.

En [23] - [25], la información de velocidad de la medición de la tensión del estator se deriva. En [23], los armónicos por las ranuras del rotor son aisladas usando filtros analógicos, muestreo, y los detectores de cero de cruce. Este método falla por debajo de la operación de 10 Hz. En [24], se inyecta una señal externa para superar el límite de baja velocidad en [23]. En [25], un observador de la velocidad se desarrolla sobre la base de un modelo magnético del motor detallado, que necesita una extensa prueba fuera de línea para inicializar. Una vez más, un problema común de estos métodos es que el voltaje se degrada a una velocidad baja.

Para superar este problema, los esquemas de estimación de velocidad utilizando los armónicos de corriente debido a los desequilibrios del rotor y excentricidades se introducen en [26] - [30]. En [26], un esquema utilizando un filtrado analógico se describe, pero no puede proporcionar una información precisa de estos armónicos de ancho de banda baja. En [27], DSP y una transformada rápida de Fourier (FFT) se usan para extraer los armónicos de ranura en una gama mucho más amplia de inversores de que usando un filtrado analógico. En [28], los mismos autores considerados DSP métodos de estimación espectral como una alternativa a la FFT. Sin embargo, se requiere un modelo bastante complejo para localizar los armónicos deseados. Un problema común de estos métodos es que son específicos de la máquina, ya que los parámetros de máquina desconocido, por ejemplo, el número de rotor y ranura, son obligatorios.

En [29], un método de estimación de la velocidad en base a los armónicos de corriente se desarrolla requiriendo sólo el número de polos de los parámetros de la máquina. El algoritmo de detección de velocidad se muestra en la Fig. 1. Este método puede proporcionar una estimación de velocidad robusto y parámetro independiente hacia abajo para la operación 1-Hz con una precisión muy alta de dentro de 5 r/min a altas velocidades y deslizamiento de 0,005 pu a bajas velocidades. En [30], los mismos autores comparan aún más el tiempo de precisión, robustez, y el cálculo de dos clases principales de técnicas de estimación espectral: métodos FFTbased y métodos paramétricos no FFT.

Otros esquemas de estimación de velocidad requieren señales polifásicos equilibrada de alta frecuencia de los sentidos superpuestos a la tensión de comando (o corriente) o modificaciones de los diseños de máquinas [31]. Estos esquemas son demasiado intrusivos para las pruebas en el servicio y por lo general no son aceptables para los motores de la línea conectada.

V. ESTIMACIÓN DE LA RESISTENCIA DEL ESTATOR

En muchos métodos de eficiencia de estimación del motor, se requiere la resistencia Rs del estator. Tradicionalmente, la resistencia de CC del devanado del estator se mide a través de una prueba sin alimentación. El procedimiento de medición se da en IEEE Std-118 [32]. La ventaja obvia de la medición de resistencia directa es la alta precisión. Sin embargo, la medición directa no es aceptable para las pruebas de motor en servicio debido a las siguientes desventajas.

1) Se requiere que el motor sea desconectado de servicio que realice una prueba sin alimentación. Por lo tanto, el nivel de intrusión es muy alta.

2) Sólo se registra Rs a una cierta temperatura; por ejemplo, a la temperatura de carga nominal. La resistencia real, sin embargo, es lineal con la temperatura del devanado.

Para superar estos problemas, una estimación Rs en línea es necesario. Con los años, mucho trabajo se ha hecho en la estimación Rs, especialmente en lo que se refiere al control de campo [33] - [35], la estimación de la velocidad [36] - [38], y la liquidación de vigilancia y protección [39] térmica - [43 ]. En [33] - [38], se han propuesto diversos métodos de estimación Rs en el rango de baja velocidad para máquinas inverterfed utilizando los observadores-estator de flujo, de estimación de estado, de inyección de corriente continua tensión, o enfoques de adaptación. Estimación del estator resistencia también se usa ampliamente para fines de protección térmica [39] - [43]. Generalmente, existen dos familias principales de métodos de estimación en Rs, como se indica a continuación.

A. Induction-Machine Model-Based Rs Estimation Methods

Basado en modelos de Máquina inducción Métodos de estimación Rs

La estimación de la resistencia se puede obtener mediante la construcción de un modelo equivalente del motor de inducción [33] - [40]. En [33], Rs se estima a partir del error entre la corriente del estator medido y el comando-estator actual. En [34], el enlace λqds-estator de flujo se estima a partir de la estimación de rotor y de flujo de ligamiento obtenida a partir de las ecuaciones del rotor cuando el motor se hace funcionar a baja velocidad. El valor de R se estima luego desde λqds utilizando la ecuación-estator de flujo. En [36] y [39], Rs se calcula utilizando la estimación de la resistencia del rotor Rr suponiendo que Rs / Rr es constante, que sufre exactitud debido al efecto de la piel y variando la temperatura del devanado. En [37], Rs se calcula utilizando el método directo de Lyapunov basado en el error entre la corriente del estator medido y estimado. En [38], un sistema adaptativo referencia del modelo mutua aproximación (ARM) para Rs estimación y Rr es desarrollado y mejorado. El MRAS es capaz de estimar Rs en condiciones transitorias. La estructura de la MRAS se muestra en la Fig. 2.

En [40], se propone un esquema de cascada Rs y Rr estimación en el estado estacionario. La estructura general del estimador se muestra en la Fig. 3. Este método minimiza el error en Rs causadas por las incertidumbres en las mediciones y los parámetros del motor, y muestra una buena precisión en condiciones normales de carga. Este método sólo se aplica a estado estacionario. Las ecuaciones en las Figs. 2 y 3 se enumeran en el Apéndice. La principal ventaja de los métodos de estimación Rs basados en modelos es su naturaleza no intrusiva, ya que el motor no necesita ser retirado de servicio. Esto es especialmente importante en las aplicaciones de monitoreo de condiciones donde se requiere de pruebas en servicio. Sin embargo, estos métodos adolecen de los siguientes inconvenientes.

1) Rs precisos estimación generalmente no está disponible en alta velocidad () las condiciones de carga ligera.

Fig. 2. Estructura de los acuerdos de reconocimiento mutuo Rs y Rr estimador.

Fig. 3. Estructura de las Rs cascada y Rr estimador.

2) La estimación de Rs es sensible a los errores en los parámetros de la máquina, variables y mediciones, especialmente bajo condiciones de carga ligera

3) Algunos métodos requieren un esfuerzo computacional complejo, por ejemplo, la integración.

Debido a que el factor de carga promedio de motores que operan en la planta industrial es de alrededor de 60%, la estimación del estator resistencia utilizando métodos basados en modelos sigue siendo optimista.

B. Métdo de Estmación de Rs Basado en Inyeccion de señal

Métodos señal de inyección de corriente continua se han demostrado ser métodos de estimación Rs muy prácticas. En [41] - [43], se añade un circuito eléctrico adicional entre la fuente y el estator del motor para inyectar Voltaje DC Fuera de línea. Midiendo la-corriente DC fuera de línea asociada, Rs se estima. En particular, [41] es de suave miraron, y [42] es para máquinas de inducción de línea conectados utilizando la inyección de corriente continua continua. El problema de la inyección de corriente continua continua es la disipación de potencia adicional en el circuito y la pulsación par contínuo, que no son aceptados para algunas aplicaciones. En [43], un circuito simple MOSFET controlada se desarrolla para inyectar intermitentemente una polarización de corriente continua controlables en el motor. La estructura del circuito se muestra en la Fig. 4 y típicas formas de onda de tensión y νsw isa actual en el modo de inyección de corriente continua se muestran en la Fig. 5. Este método tiene muy baja disipación de potencia y distorsión de par, y es capaz de proporcionar una estimación Rs precisos bajo el arranque del motor, la variación de carga, y condiciones de enfriamiento anormales.

The main advantages of the dc injection methods are the following.Las principales ventajas de los métodos de inyección de corriente continua son los siguientes.

1) La estimación de estator-resistencia tiene una precisión muy alta.2) Pueden ser aplicados a un estado transitorio del motor.

Fig. 4. Circuito equivalente del dispositivo de origen, el motor, y la inyección de corriente continua.

Fig. 5. Waveform of νsw and ias under dc injection mode

3) El proceso de estator-resistencia-estimación puede ser considerado como no intrusiva después de que el circuito de inyección se desarrolla y incluido. Sin embargo, también tienen las siguientes desventajas. Se requiere

1) circuito adicional, y el costo se incrementa.2) La instalación del circuito de inyección es muy intrusivo.However, they also have the following

disadvantages3) La señal de corriente continua inyectada produce desequilibrio en los voltajes y corrientes del

estator y causa una disipación de potencia y par motor distorsión adicional.

VI. SUGERENCIAS PARA UNA ESTIMACIÓN DE LA EFICIENCIA DEL MOTOR NO INTRUSIVA

A. Enfoque general del desarrollo de métodos no intrusivos

Métodos no intrusivos eficiencia de estimación motor en servicio suelen utilizar técnicas para estimar el par de torsión del eje del motor sin medir realmente, o dependen de la utilización de un circuito equivalente del motor o algún otro modelo matemático del mecanismo electromecánico de transferencia de poder del motor. Además, algunas de las pérdidas, como la fricción y la resistencia aerodinámica de pérdida y pérdida perdida de carga, deben estimarse a partir de los parámetros del motor. El grado de la exactitud de estos métodos está directamente relacionada con la precisión de estas estimaciones y parámetros del motor.

El desarrollo de un circuito equivalente de alta precisión y la estimación de las pérdidas se realizan normalmente con información obtenida de la prueba sin carga y medición de la resistencia directa del motor desconectado. Desarrollo de circuito equivalente se describe en detalle en IEEE Std-112 [13]. En aplicaciones industriales típicas, sin embargo, el usuario generalmente no permite que el motor se desconecte para medir la resistencia del estator o permitir el funcionamiento desacoplado del motor para medir la potencia de entrada sin carga. Por esta razón, alternas, a menudo se utilizan métodos menos precisos, pero menos intrusivos. Un circuito equivalente puede ser desarrollada, y las pérdidas se puede estimar a partir de datos de placa del motor y datos de "Motor-Master +" o estándares IEEE. Motor-Master + es una herramienta de selección y gestión de motores desarrollados por el DOE, que incluye una base de datos de catálogo del motor

y la información de rendimiento de más de 20 000 motores de corriente alterna [44]. El problema con este enfoque es que los datos de la placa y el Motor-Master + de datos de diseño genéricos y pueden no ser exactos en que refleja parámetros tales como la velocidad y el factor de potencia cuando el motor está entregando potencia nominal.

La alta intrusión de muchos métodos tradicionales también proviene de las mediciones de velocidad y resistencia. Como se resume en las secciones IV y V, la estimación de estator-resistencia en línea y técnicas de estimación de la velocidad sin sensores pueden ser utilizados para la obtención de la resistencia del estator y la velocidad del rotor. Para reducir al mínimo los niveles de intrusión de estos métodos, la velocidad debe estimarse a partir de los armónicos de corriente como en la Sección IV; resistencia del estator debe ser estimado utilizando los métodos en la sección V. En concreto, los métodos propuestos en [29] y [43] se sugieren por su probada alta precisión y fiabilidad.

Después de la velocidad y la resistencia del estator se estiman correctamente, los métodos ORMEL96, REMW, y OHME no necesitan modificaciones adicionales. El método AGT es considerado como el mejor en términos de precisión (dentro de ± 0.5% de error) y facilidad de implementación. Además, utiliza principalmente las técnicas eje-torqueestimation y, como resultado, tiene menos dependencia de los parámetros del motor. Por lo tanto, es propenso para proporcionar una estimación más precisa eficiencia en comparación con los otros tres métodos, incluso después de las modificaciones no intrusivas. Sin embargo, requiere la prueba sin carga, que no se acepta en muchos casos. Algunas modificaciones adicionales / supuestos hay que añadir para estimar las pérdidas en vacío. Esto puede ser considerado desde las siguientes perspectivas.

1) Si está disponible la información de la placa de identificación del motor se está probando, los datos sin carga podrían estimarse a partir de los datos de la placa.

2) Las pérdidas en vacío podrían estimarse del Motor-Master + o valores empíricos. Un enfoque general de desarrollar métodos de eficiencia de estimación del motor no intrusivos en base a los métodos candidatos se ilustra en la Fig. 6. La no intrusión de este enfoque general viene del hecho de que las eficiencias de motor se estiman usando sólo las cantidades de bornes del motor y los datos de la placa de características del motor.

CONCLUSIÓNES

En este trabajo se ha presentado un estudio de la literatura actualizada sobre la estimación de la eficiencia del motor en el servicio. Más de 20 métodos de eficiencia de estimación se estudian y clasifican en nueve categorías de acuerdo a su naturaleza física. Entre ellos, los siguientes seis son de interés para las pruebas de motor en servicio: 1) LOS MÉTODOS DE LA PLACA DE CARACTERÍSTICAS2) LOS MÉTODOS DE DESLIZAMIENTO3) LOS MÉTODOS MEDIANTE CORRIENTE4) MÉTODOS DE CIRCUITOS EQUIVALENTES5) MÉTODOS SEGREGADOS DE PÉRDIDAS6) LOS MÉTODOS DE PAR Estas seis categorías de métodos son finalmente resumen y comparan en la Tabla II. En general, cuanto más intrusivo el método es, más precisa es la estimación de la eficiencia.

TABLA II

COMPARACIÓN DE LOS DIFERENTES MÉTODOS PARA ESTIMAR LA EFICIENCIA

Este documento también resume los recientes avances en las técnicas de velocidad del rotor y estator resistencia de estimación en línea. Adopción adecuada de estas técnicas puede reducir en gran medida los niveles de intrusión de los distintos métodos de estimación de la eficiencia, sobre todo los cuatro métodos candidatos sugeridos, en los que las medidas de resistencia y velocidad directas son la principal fuente de la intrusión.

Otra de las grandes aportaciones de este trabajo son: 1) Se propone un enfoque general para el desarrollo de métodos de estimación de eficiencia no intrusivos, de un motor, incorporando rotor de velocidad, estator-resistencia, y las estimaciones sin carga.2) Cuatro candidatos se sugieren de más de 20 métodos tradicionales para otras modificaciones a convertirse no intrusiva.