4.1 Diagnóstico de fallas en el motor de inducción trifásico

224 Pages·2007·4.09 MB·Spanish

S.E.P. S.E.I.T. D.G.I.T.

CENTRO NACIONAL DE INVESTIGACIÓN
Y DESARROLLO TECNOLÓGICO

cenidet

DIAGNÓSTICO DE FALLAS EN EL

CONJUNTO INVERSOR-MOTOR DE

INDUCCIÓN UTILIZANDO EL MÉTODO
DEL BOND-GRAPH

T E S I S

PARA OBTENER EL GRADO DE

DOCTOR EN CIENCIAS EN

INGENIERÍA ELECTRÓNICA

P R E S E N T A:

MARVING OMAR AGUILAR JUSTO

DIRECTORES DE TESIS

DR. GERARDO VICENTE GUERRERO RAMÍREZ

DR. LUIS GERARDO VELA VALDÉS

CUERNAVACA, MORELOS DICIEMBRE 2006
S.E.P. S.E.I.T. D.G.I.T.

CENTRO NACIONAL DE INVESTIGACIÓN
Y DESARROLLO TECNOLÓGICO

cenidet

DIAGNÓSTICO DE FALLAS EN EL CONJUNTO
INVERSOR-MOTOR DE INDUCCIÓN UTILIZANDO

EL MÉTODO DEL BOND-GRAPH

T E S I S

PARA OBTENER EL GRADO DE

DOCTOR EN CIENCIAS EN

INGENIERÍA ELECTRÓNICA

P R E S E N T A:

MARVING OMAR AGUILAR JUSTO

DIRECTORES DE TESIS

DR. GERARDO VICENTE GUERRERO RAMÍREZ

DR. LUIS GERARDO VELA VALDÉS

CUERNAVACA, MORELOS DICIEMBRE 2006
Dedicatoria

Dedico el presente trabajo

Al ser que me dio la vida y la oportunidad de culminar esta
etapa de mi vida, Dios.

A Ericka, por compartir su amor y su compañía, y por
darme su todo su apoyo.

A mi hija Citlalli, que me origina la ilusión de triunfar en la
vida.

A mis padres Santiago y Luz María, por educarme y
forjarme para llevar a cabo mis metas. Por apoyarme y darme
ánimo en todo momento. Por ser mis guías en mi camino.

A mi hermano Oscar, por su confianza y apoyo en todo
momento. Por ser un gran amigo. Por ser mi ejemplo a seguir.
Agradecimientos

Agradezco de todo corazón a

Al Dr. Gerardo Guerrero, por sus enseñanzas, su tiempo, su
dedicación, su confianza y su gran interés por este trabajo.

Al Dr. Gerardo Vela, por compartir sus conocimientos
conmigo y por sus consejos.

A mis revisores, lo doctores Alejandro Palacios, Jaime Arau,
Víctor Alvarado, Gerardo Espinosa y Rubén Garrido, por su
dedicación e interés.

A mis compañeros y amigos en Cenidet, Rogalva, Chivo,
Neto, Nancy, Sinué, Horacio, Marco, Botas, Renesex, Jalapo, Vic,
Leobardo, Chan, Jose Armando, Alex, Efrén, Héctor, Montaño,
Tano y Anita, por sus compañías y ayudas en todo momento.

A mis tíos José Manuel, Julisa, Jaime y Gloricel, por sus
consejos, su cariño y ánimo en todo momento.

Al CONACYT y a la SEP, por su apoyo económico durante
parte de mi estancia en el doctorado.
Resumen

El trabajo central de esta tesis es diagnosticar fallas en el motor de inducción trifásico con rotor
jaula de ardilla, y a su vez, en el inversor de potencia que le suministra energía. El método de
diagnóstico que se utiliza es el de enlaces energéticos, el cual se encuentra dentro de la rama de
la inteligencia artificial; el método analiza cambios cualitativos con árboles de fallas que se
desprenden de un modelo estructural del sistema bajo estudio. Las fallas que se diagnostican
son por el corto-circuito o circuito-abierto de dispositivos semiconductores en el inversor, y
fallas por el corto-circuito de espiras, circuito-abierto de las fases del estator, ruptura de las
barras del rotor y aumento de la fricción viscosa en los cojinetes del motor.
Las aportaciones de relevancia de la tesis son las siguientes: El diagnóstico se ejecuta tanto
en el motor como en el inversor (convencionalmente se aplican métodos distintos para distintas
clases de fallas); la duración del tiempo de diagnóstico es menor que en los esquemas basados
en señales (que son los dominantes en el estado del arte); las fallas se pueden diagnosticar aún
cuando el par de carga varía (muchos de los esquemas solo funcionan con par de carga
constante); se desarrolló un modelo con enlaces energéticos para el inversor de potencia; se
agregó una etapa de acondicionamiento de señales y se modificó el algoritmo de árboles de
fallas en el método de diagnóstico con enlaces energéticos, con lo que puede funcionar para
sistemas con señales variantes en el tiempo con un gran número de enlaces (como lo es el
conjunto inversor-motor).

moaj cenidet
cenidet moaj
Abstract

The central point in this thesis is to diagnose faults in the three-phase squirrel cage induction
motor along with its conventional energy supply, i.e., the power inverter. Here, the Bond Graph
diagnostic method is used, and it is based on the analysis of qualitative changes with fault trees
obtained from the structure of the system under study, so the method lies on the artificial
intelligence area. The kinds of faults to be diagnosed are the short-circuit or open-circuit of
semiconductor devices in the inverter, inter-turn, open-circuit windings, broken bars or the
friction increasing in the bearing of the motor.
The contributions of this thesis are the following: The diagnosis can be executed in the
induction motor, as well as in the power inverter (the diagnostic methods are different for every
kind of fault, conventionally); in this thesis the diagnostic time interval is shorter than the ones
obtained in signal based methods (that are the dominant kinds); the faults can be diagnosed
even if the load torque varies (a lot of diagnostic methods only function with a constant varying
load); the development of a bond graph model for the power inverter; the improvement of the
bond graph diagnostic method adding a signal conditioning stage and modifying the fault tree
algorithm, in order to apply it to systems with time-varying signals and with a lot of bonds (like
the inverter-motor system).

moaj cenidet
cenidet moaj
Tabla de contenido

Lista de símbolos y acrónimos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . V
Lista de figuras y tablas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XIII
1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 Fallas en el conjunto inversor-motor de inducción trifásico . . . . . . . . . . . 2
1.1.1 Fallas en el motor de inducción trifásico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.1.2 Fallas en el inversor de potencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2 Estado del arte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2.1 Descargas parciales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2.2 Observadores de entrada desconocida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.2.3 Estimación de parámetros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2.4 Vectores de Park . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.2.5 Análisis espectral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.2.6 Sistemas expertos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.2.7 Redes neuronales adaptables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.2.8 Lógica difusa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.2.9 Ondoletas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.2.10 FDI con BG en un sistema de recuperación de agua . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.2.11 FDI con BG en un sistema de llenado de tres tanques . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.2.12 FDI con BG en el sistema motor-bomba . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.2.13 FDI con BG en el sistema inversor-motor de CD . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.3 Planteamiento del problema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.4 Hipótesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.5 Objetivos, alcances y limitaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.6 Estructura del documento de tesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2. El conjunto inversor-motor de inducción trifásico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.1 El motor de inducción trifásico con rotor jaula de ardilla . . . . . . . . . . . 20
2.1.1 Conceptos básicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.1.2 Modelo dinámico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.1.3 Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.2 El inversor de potencia trifásico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
moaj I cenidet
2.2.1 Conceptos básicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.2.2 Modelado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.2.3 Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.3 El conjunto inversor-motor de inducción trifásico . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.4 Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3. Diagnóstico de fallas con enlaces energéticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.1 Generalidades del diagnóstico de fallas en sistemas dinámicos . . . . . 52
3.1.1 Conceptos básicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.2 Los enlaces energéticos para modelar sistemas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.2.1 Conceptos básicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.2.2 Ejemplo: modelado con enlaces energéticos de un circuito eléctrico . . . 61
3.3 Los enlaces energéticos para diagnosticar fallas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.3.1 Conceptos básicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.3.2 Ejemplo: Diagnóstico con enlaces energéticos de un circuito eléctrico . . 69
3.4 Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4. Diagnóstico de fallas con enlaces energéticos en el conjunto
inversor-motor de inducción trifásico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
4.1 Diagnóstico de fallas en el motor de inducción trifásico . . . . . . . . . . . . . 80
4.1.1 Modelado con enlaces energéticos del motor de inducción trifásico . . . 80
4.1.2 Diseño del diagnóstico de fallas con enlaces energéticos
para el motor de inducción trifásico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
4.1.3 Resultados del diagnóstico de fallas con enlaces energéticos
en el motor de inducción trifásico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
4.2 Diagnóstico de fallas en el inversor trifásico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
4.2.1 Modelado con enlaces energéticos del inversor trifásico . . . . . . . . . . . . . 101
4.2.2 Diseño del diagnóstico de fallas con enlaces energéticos
para el inversor trifásico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
4.2.3 Resultados del diagnóstico de fallas con enlaces energéticos
en el inversor trifásico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
4.3 Diagnóstico de fallas en el conjunto inversor-motor de
inducción trifásico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
4.3.1 Modelado con enlaces energéticos del conjunto inversor-
motor de inducción trifásico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
4.3.2 Diseño del diagnóstico de fallas con enlaces energéticos
para el conjunto inversor-motor de inducción trifásico . . . . . . . . . . . . . . . 112
4.3.3 Resultados del diagnóstico de fallas con enlaces energéticos
en el conjunto inversor-motor de inducción trifásico . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
cenidet I I moaj