Pérdidas en el núcleo de motores de inducción : aplicaciones al control y al diagnóstico de fallas

Abstract

En esta tesis se estudian las pérdidas en el núcleo de los Motores de Inducción (MI) con los siguientes objetivos: compensar los efectos producidos sobre el control y diagnosticar fallas en el núcleo del estator (FNE). Se incluyeron en el modelo dinámico del MI las pérdidas en el hierro (PH), representándolas por medio de una resistencia equivalente, no lineal, a bornes de la inductancia de magnetización del MI. Con el objetivo de determinar el valor de la resistencia equivalente y cuantificar las PH se propusieron una serie de ensayos en vacío (con una fuente de tensión PWM) para un MI no convencional, el que permitió separar las distintas componentes de las pérdidas totales. En base a las mediciones de las pérdidas se pudo determinar el valor de la resistencia equivalente de PH en función de la frecuencia de alimentación. A partir del modelo del MI presentado se evaluó la influencia de las PH sobre el control del MI, se obtuvieron expresiones analíticas del error de estimación del flujo en estado estable de un control orientado por el campo (COC) convencional. Con el objetivo de compensar los errores en la estimación se presentó una propuesta basada en un observador adaptivo de estados. Se comparó el comportamiento del observador con el del estimador convencional, validando la propuesta por medio de resultados de simulación. El estudio realizado evidenció que es posible utilizar el observador adaptivo de estados propuesto para tareas de diagnóstico de fallas, por medio de la supervisión de un parámetro asociado a la condición del núcleo. Con el objetivo de validar experimentalmente la propuesta de diagnóstico se desarrolló un método para la generación de FNE, permitiendo realizar fallas controladas y reversibles, consiguiéndose repetibilidad en los ensayos. Finalmente, se propuso un nuevo modelo para representar a las FNE asimétricas, representándolas como variaciones de la resistencia equivalente de PH. Se validó experimentalmente y por simulación el modelo, midiendose el incremento de la corriente de secuencia negativa y la variación de la impedancia de secuencia negativa del MI, variables que pueden ser usadas para detectar y diagnosticar diferentes grados de severidad de las FNE.

The core losses (CL) of induction motors (IM) are studied in this thesis. The main objective in studying them are: compensate CL effects on the IM control and stator core faults (SCF) diagnosis. The stator CL, represented by a non lineal equivalent resistance on the terminals of the IM magnetization inductance, were included in the induction motor dynamic model. In order to obtain the value of the equivalent resistance and quantifying losses, noload test with a PWM voltage source were carried out on a non-conventional induction motor, which facilitates separating the components of total losses. A quantitative comparison of losses measured in noload condiction was also carried out. It was concluded from this comparison that losses on the rotor cupper do not significantly contribute to the total losses. Loss measurements allowed obtaining the equivalent resistance value as a function of stator frequency. The influence of these CL on the induction motor control was evaluated from the IM model presented in this work. Analytical expressions for error estimation, in steady-state flux, in a field-oriented control (FOC) were also obtained from the model. In an attempt to compensate errors from estimation, an adaptive state observer was also presented. The behaviour of this observer was compared to that of a conventional estimator, validating in this way the proposal through simulation results. It was concluded from this study that it is possible to use the proposed adaptive state observer for SCF diagnosis, by monitoring a parameter related to the stator core. In addition, the proposal was experimentally validated through developing a method to generate SCF, producing controlled and reversible faults, which allows repeating the tests as necessary. Finally, a new model to represent unbalanced SCF as variations of the CL equivalent resistance was also presented. This model was validated experimentally and through simulation by measuring both the increase of the negative sequence current and the variation of the IM negative sequence impedance. These variables can be used to detect and to diagnose SCF.