excentricidad en motores

Upload: garhet8311

Post on 09-Jul-2015

563 views

Category:

Documents


1 download

TRANSCRIPT

ANLISIS DE EXCENTRICIDAD EN UN MOTOR DE INDUCCIN DE JAULA DE ARDILLA MEDIANTE LA APLICACIN DEL MTODO DE ELEMENTOS FINITOS (MEF) Estudiantes: Jorge Ivn Marn Duque Gustavo Andrs Rojas Hincapie Directores: Martha Cecilia Amaya Enciso Ph.D. Guillermo Andrs Jaramillo Mc.S.4/22/12

Plan de la exposicin CONTENIDO1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

Planteamiento del problema Marco Terico Simulacin MEF Metodologa de Estudio Resultados Conclusiones Recomendaciones

4/22/12

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMAFallos en Rotor MOTOR DE INDUCCIN Fallos en Estator

Fallos Cojinetes Roturas de Barras Desalineamientos en los cojinetes Excentricidad Prdidas de lubricantes en los cojinetes

Vibraciones Estructurales Fallos de Tierra Daos del Aislante Cortocircuitos en el Estator Cortocircuitos entre fases del estator Desplazamientos de Conductores

4/22/12

Desbalanceos Mecnicos o Trmicos en el

Marco TericoLos motores de induccin presentan valores extremadamente pequeos para el entrehierro y estn sometidos a fenmenos como: -El desgaste de los cojinetes -Deformacin del paquete magntico rotrico. -Seccin transversal interior del estator elptica. -Desalineacin relativa del rotor y el estator en la etapa de colocacin y fijacin. -Mala colocacin de rodamientos. -Desajuste entre el eje de la carga y el eje del rotor. -Resonancia mecnica en velocidad crtica4/22/12

-Carga desequilibrada, flexin o curvatura del eje.

Excentricidad EstticaLa excentricidad esttica consiste en una distorsin en el tamao del entrehierro en la cual el valor mnimo de ste se encuentra en una posicin fija del espacio.

Causas

f = Frec. de alimentacin N = N de Ranuras del Rotor p = Pares de Polos v = Orden de armnicos K = Cte. Positiva o Cero

Ovalidad del ncleo del estator

4/22/12

Desalineamiento de la posicin de los rodamientos

Desgaste de rodamientos

En el caso

Excentricidad Dinmica de la excentricidad dinmica

el punto de

entrehierro mnimo no permanece fijo en una posicin del espacio sino que gira solidario con el rotor.

Separacin del eje del estator y de giro

4/22/12

Excentricidad MixtaCombinacin de Excentricidades anteriores

Eje del estator (A1) Eje del rotor (A2) Eje de giro (A3) f = Frec. de alimentacin fr = Frec. De Rotacin K = Cte. Positiva o Cero

Excentricidad AxialEl eje de giro del rotor no es paralelo al eje geomtrico del estator

4/22/12

Excentricidad distinta en cada seccin

Desequilibrio de atraccin magntica UMP

Incremento general de la vibracin de la mquina El aumento del par y de las variaciones de velocidad

CONSECUENCIAS DE LA EXCENTRICIDAD EN EL MOTOR

El aumento de las prdidas y la disminucin de la eficiencia Aparicin de armnicos de alta y baja frecuencia en el espectro de las corrientes del estator En casos extremos el roce entre el estator y el rotor El aumento de la temperatura

4/22/12

SIMULACIONES MEFMARCA Westinhouse TIPO Asncrono tipo jaula de ardilla NEMA B POTENCIA 1610 w VOLTAJE 220 CORRIENTE 8.4 A FASES 3 VELOCIDAD 1740 RPM FRECUENCIA 60 Hz

4/22/12

SIMULACIONES MEF10%

25%

50%

75%

4/22/12

METODOLOGA DE ESTUDIOMotor de Induccin

Sano

Excentricidad Esttica 10% 25% 50% 75%

Ensayo de Vaco

Ensayo de Rotor Bloqueado

Prueba de Carga

Parmetros Anlisis del Campo Magntico

Par V.s Deslizamiento

Carga Nominal

Parmetros

4/22/12

Anlisis Espectral de Corriente y de Campo Magntico

RESULTADOSParmetros obtenidos a partir de la prueba de vaco para el motor sin fallasR Vacio (ohm) Simulacin FLUX 2D Prueba de laboratorio Diferencia % 3,85 4,06 5,17 Z vaco (ohm) 30,60 31,35 2,48 X de magnetizacin L magnetizacin (Ohm) (H) 30,36 31,08 2,31 0,08 0,08 0,00

Parmetros obtenidos a partirel Hierro Perdidas en de la simulacin de la prueba de vaco para el motor con excentricidad RotorSano R Vacio Z vaco 10% Grado de (ohm) (ohm) Excentricidad 7,440 W 7,454 W 10% Aumento 25% 50% Sano 75% 15,740 W 3,85 30,58 0,002% 3,87 30,57 3,88 10% 30,45 3,89 15,762 30,07 W 0,001% X 25% de magnetizacin 50% L magnetizacin 75% (Ohm) (H) 7,519 W 7,718 W 7,991 W 0,08 0,936% 30,34 1,037% 1,074% 0,08 Estator30,33 0,08 25% 30,20 50% 75% 0,08 29,83 16,208 W 15,869 W 16,596 W

4/22/12

Aumento

1.74 0,851% %

1,030%

1,054%

Sano

Bmax=1.98 T

Excentricidad 75%

4/22/12

Bmax=2.35 T

Componentes de la Densidad de Flujo Magntico

Normal

Sano

75%

4/22/12

Tangencial

PRUEBA DE ROTOR BLOQUEADOParametros de la prueba de rotor bloqueado para el motor sin fallasZcc () Simulacin FLUX 2D Prueba de laboratorio Diferencia % 4,15 4,11 0,97 Rcc () 1,41 1,51 6,62 Xcc () 3,90 3,83 1,82 R2 () 0,74 0,83 10,84

Parmetros obtenidos a partir de la prueba de cortocircuito para el motor con grado de excentricidadGrado de Excentricidad 10% 25% 50% 75% Zcc () 4,15 4,17 4,24 4,41 Rcc () 1,41 1,41 1,41 1,41 Xcc () 3,90 3,92 4,00 4,17 R2 () 0,74 0,74 0,74 0,74

4/22/12

6.92%

Sano Bmax=1. 68T

Excentricidad 75% Bmax=2.1 1T

4/22/12

PRUEBA DE CARGACurvas Par V.s DeslizamientoCurvas de par obtenidas de las simulaciones con FLUX 2D

Curvas de par en la zona de arranque obtenidas de las simulaciones con FLUX 2D 4/22/12

Valores para la prueba de Carga para Velocidad NominalMotor sin fallasIa (A rms) 8,91 Ia (A rms) 8,91 Ia (A rms) 8,91 Ia (A rms) 8,92 Ia (A rms) 8,92 Ib (A rms) 9,03 Ib (A rms) 8,99 Ib (A rms) 8,99 Ib (A rms) 9,00 Ib (A rms) 9,02 Ic (A rms) 8,91 Ic (A rms) 8,88 Ic (A rms) 8,88 Ic (A rms) 8,89 Ic (A rms) 8,91 Velocidad (rpm) 1746 Velocidad (rpm) 1746 Velocidad (rpm) 1746 Velocidad (rpm) 1746 Velocidad (rpm) 1746 P absorbida P til (W) % Rendimiento Cos (W) 2730,37 2460,44 90,11 0.80 Par (N-m) 13,45 Par (N-m) 13,46 Par (N-m) 13,48 Par (N-m) 13,50 Par (N-m) 13,50

10% de ExcentricidadP absorbida P til (W) % Rendimiento Cos (W) 2731,23 2460,20 90,10 0.80

25% de ExcentricidadP absorbida P til (W) % Rendimiento Cos (W) 2739,23 2464,69 89,97 0,80

50% de ExcentricidadP absorbida P til (W) % Rendimiento Cos (W) 2743,74 2468,35 89,96 0,80

75% de ExcentricidadP absorbida P til (W) % Rendimiento Cos (W) 2744,41 2468,53 89.94 0,80

4/22/12

Sano

Bmax=2.31 T

Excentricidad 75%

4/22/12

Bmax=2.69

Componentes de la Densidad de Flujo Magntico

4/22/12

Tangencial

Normal

Presin magnticaMotor Sano Excentricidad 75%

Porcentaje de Excentricidad 0% 10% 25% 50% 75%

Fmin [N] (Fuerza Fmax [N] (Fuerza mnimo entrehierro) mximo entrehierro) 39.41239 45.31425 56.22222 82.03972 188.8889 39.41239 34.15263 27.55555 17.33831 33.10424

4/22/12

Corrientes estatricas del motor sin fallas (1740 rpm).

Corriente de la fase A para el motor con distintos casos de excentricidad (1740 rpm).

4/22/12

Frecuencias Tericas [Hz]v = 1 K=1 K=2 K=3 K=4 K=5 K=6 K=7 872 1684 2496 3308 4120 4932 5744 752 1564 2376 3188 4000 4812 5624 v =3 992 1804 2616 3428 4240 5052 5864 632 1444 2256 3068 3880 4692 5504 v =5 1112 1924 2736 3548 4360 5172 5984 512 1324 2136 2948 3760 4572 5384 v =7 1232 2044 2856 3668 4480 5292 6104 392 1204 2016 2828 3640 4452 5264 v =91352 272 V=11 1472 152 964

2164 1084 2284

2976 1896 3096 1776 3788 2708 4720 2588 4600 3520 5532 3400 5412 4332 6344 4212 6224 5144 7156 5024

Comparacin Frecuencias Tericas V.s Frecuencias obtenidas en MatlabFrecuencias Tericas [Hz] Frecuencias Modelo [Hz] Error (VteoricoVmodelo) 152 152.1 0.1 272 272.2 0.2 392 392.3 0.3 512 512.3 0.3 632 632.4 0.6 752 752.5 0.5 812 812.5 0.5 872 872.6 0.6 992 992.7 0.7

4/22/12

Espectro de Corriente del MotorMotor Sano

Con Excentricidad de 75%

4/22/12

Porcentaje de Aumento

4/22/12

Frecuencia [Hz] 152,1 272,2 392,3 512.3 632,4 752,5 812,5 872,6 992,7

10% -0,08 0,28 0,19 3,77 0,05 0,14 0,04 14,79 0,45

25% 2,91 1,21 1,83 11,89 0,65 0,76 0,28 29,82 2,29

50% 6,88 3,34 6,11 29,66 9,27 3,36 1,38 40,84 14,23

75% 21,72 11,8 12,22 39,98 28,23 8,95 5,42 45,10 34,80

ConclusionesLos parmetros obtenidos de las simulaciones de los ensayos de vaco rotor bloqueado y prueba de carga del motor con excentricidad esttica, no muestran una gran variacin, sin embargo los efectos se observan fuertemente en el mapa de densidad de flujo, saturacin de la mquina, y fuerza magntica.q

Se demostr que la excentricidad esttica afecta la amplitud de los componentes armnicos de ranura en la corriente del estator, estos fueron identificados y comparados con los que tericamente deberan aparecer obteniendo buenos resultados, dos de estos armnicos podran utilizarse como indicadores de falla.q

4/22/12

ConclusionesEl anlisis espectral de la corriente es de gran uso debido a la forma sencilla de medir la corriente del estator. Pero no todos los componentes armnicos de un tipo de mquina aparecen en el espectro de corriente. La aparicin y magnitud de estos componentes son altamente dependientes del nmero de pares de polos y nmero de barras del rotor, como para el caso de excentricidad esttica y dinamica.q

La excentricidad esttica origina fcilmente una excentricidad dinmica a causa de la fuerza de atraccin magntica, que logra separar el eje del rotor de los ejes de giro y de estator. Por lo general, estas dos excentricidades aparecen en mayor o menor medida combinadas.q

4/22/12

ConclusionesNinguno de los mtodos tradicionales da una evaluacin completamente objetiva sobre la magnitud de la falla de excentricidad esttica, debido a que es muy difcil cuantificar el nivel de descentramiento del eje del rotor.q

Los voltajes de lnea y las corrientes que circulan por el bobinado del estator no ofrecen informacin til acerca de la falla de excentricidad. Son similares a los del motor operando sin ningn tipo de fallo.q

4/22/12

RecomendacionesLa realizacin de los ensayos de campo es necesaria para la validacin de las simulaciones realizadas con el motor en falla. qAnalizar en futuros trabajos, una mayor cantidad de grados de excentricidad esttica para obtener un factor de correlacin de la amplitud de los armonicos a medida que la falla aumenta; adems los casos de la excentricidad dinmica y mixta sobre la mquina.q

Realizar simulaciones transitorias con un tiempo mayor para observar los componentes armnicos de la corriente del estator propios de la excentricidad esttica que pueden aparecer en el rango 1000Hz hasta 10000Hz.q

4/22/12

Gracias por su atencin.

Area 4/22/12 de Conversion de Energa CONVERGIA Universidad del Valle

AGRADECIMIENTOSProfesora Martha Cecilia Amaya Profesor Guillermo Andrs Jaramillo Ing. Daro Daz Snchez Ing. Alejandro Paz Ing. Oscar Andrs Almonacid Ing. Julio Cesar Urresty Ing. Harold Diaz Compaeros: Daniel Rodriguez Alonso Fernndez Area 4/22/12 de Conversion de Energa CONVERGIAUniversidad del Valle