analisis de firma de corriente

8/18/2019 Analisis de Firma de Corriente

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Mantenimiento Predictivo - Análisis de Firma de Corriente de Motores Eléctricos (MCSA)

Introducción

Las Industrias siempre tratan de aumentar la fiabilidad de su proceso productivo. En este contexto, el

mantenimiento predictivo desempeña un papel fundamental con el fin de alcanzar una alta disponibilidad

y fiabilidad relativa de las piezas de sus equipos.

El mantenimiento predictivo se puede entender como la acción previa al dano que tiene por objetivo

conocer por medio de parámetros determinado, el estado, condicion o rendimiento de los equipos u

operaciones.

Dado que los motores de inducción son el centro de la gran mayoría de los procesos industriales, se da

énfasis total al análisis de fallas en este tipo de máquinas eléctricas.

Como todas las máquinas rotativas, los motores de inducción están expuestos a diferentes adversidades,

tales como tensiones térmicas, ambientales y daños mecánicos, que exigen una atención máxima. Por lo

general, en las industrias, la atención debe ser aún mayor ya que los costes de inactividad son muy altos.

Motores de inducción de tensión alta y media, son muy utilizados en procesos industriales. Muchos de

ellos son estratégicos en el proceso productivo y, por eso, en busca de soluciones que minimicen las

estadísticas de fracaso son obligatorias. En la mayoría de los casos, estos motores son muy fiables y

extremadamente caros, lo que obliga a la compañía a operar sin un stand-by.

Muchas técnicas predictivas se aplican a estos motores para reducir el número de interrupciones no

planificadas.

Las técnicas más comunes aplicadas a la detección de fallos en los motores de inducción son: análisis de

vibraciones, análisis acústico, las oscilaciones de velocidad, descargas parciales, análisis de circuitos, etc.

Los análisis se basan en conceptos mecánicos, pero las técnicas en análisis firma eléctrica se están

introduciendo recien ahora.

Las industrias actualmente buscan productos y servicios externos para el mantenimiento predictivo. En

este aumento de la demanda de tecnología de predicción, una técnica específica que se refiere

como Analisis de Firma Electrica (ESA) está llamando cada vez más la atención de las industrias.

Teniendo en cuenta este contexto, la intención es difundir conceptos importantes para guiar las empresas

que tienen su propio grupo predictivo o quieren contratar consultores o servicio especializado para obtener

buenos resultados a través de las prácticas generales de mantenimiento predictivo y, especialmente a

través de análisis de la firma eléctrica.

La figura 1 representa el comparativo entre el análisis de vibraciones y la ESA, mostrando qué técnica es

más recomendada a un tipo específico de problema en una parte determinada del tren de transmisión de

rotación.

Se puede decir que esas técnicas son complementarias.


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El objetivo principal de este capítulo es presentar un procedimiento para adquirir y analizar máquinas

eléctricas a través del Analisis de Firma Electrica con el fin de obtener los mejores resultados posibles en

un entorno industrial.

Consideraciones sobre Mantenimiento

El objetivo principal de este articulo es presentar un procedimiento para adquirir y analizar señales paramonitoreo de condición de máquinas eléctricas a través de la ESA, con el fin de obtener los mejores

resultados posibles en un entorno industrial.

1. Clasificación de las actividades de mantenimiento

"Mantenimiento" puede ser entendido como la acción para reparar o para ejecutar servicios en equipos y

sistemas. Sus actividades pueden ser clasificadas en cuatro grupos principales:

• 490 Motores de Inducción - Modelización y Control

-Mantenimiento correctivo: se trata de la forma primaria de mantenimiento. Ocurre después de que un fallose llevó a cabo. Son claras lasdesventajas de este tipo de mantenimiento, como por ejemplo, paradas no

programadas, menor tiempo de vida útil de la máquina y mayor consumo de energía.

-Mantenimiento preventivo: conjunto de acciones desarrolladas con la intención de prevenir la aparición de

condiciones insatisfactorias, y en consecuencia, reducir el número de acciones correctivas. El plan de

mantenimiento preventivo incluye un conjunto de medidas técnicas que deben ser creadas con el fin de

aumentar la fiabilidad de la máquina y disminuir el coste total de mantenimiento. Los tres tipos de

actividades son: continuo monitoreo, mediciones periódicas o técnicas predictivas.

-Mantenimiento predictivo: puede estar incluido en el mantenimiento preventivo. Sin embargo, algunas

características propias son: apoyo en técnicas no invasivas, es decir, no es necesario detener el

funcionamiento de la máquina para su aplicación; eliminación de mantenimiento correctivo; on-line u off-

line.


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-Mantenimiento sistemático: se caracteriza por la sustitución de componentes del equipo o para la

sustitución del equipo en su conjunto.

2.Estado de mantenimiento predictivo

Por lo general, las industrias tienen la gran mayoría de sus programas de vigilancia de condición basada

en el análisis de parámetros mecánicos.Los métodos más comunes aplicados son: Análisis devibraciones, Análisis acústico, Pulso de choque y fluctuaciones de velocidad. Otras técnicas que

implican conceptos mecánicos también se aplican, tales como el monitoreo de temperatura, análisis de

aceite y gases, etc.

Cuando participan conceptos eléctricos, los métodos más comunes utilizados en las industrias

son: prueba de onda, índice de polarización, prueba hipot, análisis de circuitos de motor (MCA),

etc. Estas técnicas se clasifican más correctamente como mantenimiento preventivo, que se realiza

en interrupciones planificadas.

Un programa más fiable para detectar problemas eléctricos y mecánicos debe considerar la introducción

de nuevas herramientas de monitorización de estado, sobre todo relacionadas con la firma eléctrica que

se ha descuidado hasta ahora.

3.Fallas comunes en los motores de inducción trifásicos

Las fallas más comunes que se pueden evitar mediante la adopción de métodos de monitoreo de

condiciones son:

-Fallos de Rodamientos: puede ser causada por una lubricación incorrecta, tensiones mecánicas,

incorrecto montaje, alineación, etc.. Puede afectar a todas las partes de soporte, tales como interior

y pistas exteriores, jaula y bolas o rodillos.

-Devanado del estator: normalmente como consecuencia de sobrecalentamiento, contaminación, errores

de proyecto, etc., lo que podría producir espiras en cortocircuito, bobinas en corto (misma fase), fase a

fase, fase o bobina a tierra y una sola fase. Tales fallas causan desequilibrio electrico en el estator, así

como variaciones en el contenido armónico actual.

-Fallos de rotor: generalmente causados por barras rotas o anillos extremos rotos, desalineación del rotor

y desequilibrio. Los fallos en el acoplamiento (polea, cinta y malla de marcha) y en la carga adjunta

también pueden ser diagnosticados.

3.1. Las anomalías en los motores de inducción trifásicos

Los principales problemas en los motores de inducción trifásicos están en el estator y el apoyo. Las

principales causas son: sobrecalentamiento, imperfecciones en el aislamiento, cojinetes mecánicos y

fallos eléctricos.

La Figura 2a presenta una división de los fallos en motores de inducción trifásicos con jaula de ardilla y

potencia de 100 CV o superior.

En un lado, la principal fuente de problemas eléctricos en el motor de inducción es del estator, que totaliza

37% del total de fallos. Figura 2B detalles de diferentes tipos de problemas en estatores.

En el otro lado, los problemas en el rotor del motor totalizan 10% del total de fallos, y se muestran en la

Figura 2c.

3.2. Relación entre la especificación del motor y mecanismo de falla


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Muchos fallos pueden derivar de especificaciones incorrectas. La especificación de un motor

debe considerar las condiciones mecánicas y eléctricas, y el medio ambiente en el que la máquina va a

trabajar. Los parámetros monitoreados se ven afectados por estas condiciones operativas.

En términos decondiciones mecánicas, los fallos aparecen como resultado del comportamiento de

la carga. Entre los principales problemas se distinguen:

• sobrecargas sucesivas que pueden causar sobrecalentamiento y/o daños al cojinete;

• carga pulsante que puede causar daños en el rodamiento;

• salidas repetidas que pueden dañar el cojinete de la máquina;

• vibración que puede ser transmitida a la máquina causando daños al cojinete.

En términos decondiciones eléctricas, entre los principales problemas se encuentran:

• fluctuaciones de tensión lentas, pudiendo causar pérdidas de potencia y paradas de la máquina.

• fluctuaciones de voltaje, pudiendo causar fallos en el aislamiento.

En cuanto a lascondiciones ambientales, las fallas pueden resultar de las características del proceso en

el cual se está utilizando la máquina. Entre los principales problemas se distinguen:

• Las altas temperaturas, que pueden causar el deterioro del aislamiento.

• La humedad y la contaminación que, respectivamente, pueden causar imperfecciones y la

contaminación del aislamiento.

Por lo tanto, es evidente que los fallos que se producen en máquinas eléctricas dependen del tipo

de máquina y el entorno en el que está trabajando. Lo que es realmente importante para observarlo es

que el mecanismo de fallo sucede en forma gradual, a partir de un defecto inicial hasta el real fallo.

4.Visión general de análisis

ESA es el término general para un conjunto de tecnicas de monitoreo de condición de una máquina

eléctrica a través del análisis de señales como corriente y voltaje. Estas técnicas son: Firma actual

Análisis (CSA), Firma Voltaje Análisis (VSA), Extended Vector Enfoque del Parque (EPVA), Mantenimiento

Predictivo por Análisis Firma a motores de inducción 493 (IPSA), entre otros.

El sistema de rotación bajo análisis del motor eléctrico es analizado para fines de diagnóstico de fallos y

actúa como un transductor en este proceso. Variaciones en las señales de tensión y corriente se analizan

en relación con algunos patrones de falla.

La aplicación industrial de las técnicas de la ESA tiene como objetivo mejorar la fiabilidad de los equipos.

Los resultados esperados son: reducción del tiempo de inactividad, aumento de la disponibilidad de la

máquina, reducción de los costos de mantenimiento, mejor gestión y planificación de mantenimiento, etc.

Los beneficios inherentes a la ESA son: no intrusiva; no exige sensores instalados en el tren de rotacion;

alta capacidad de monitoreo remoto; reducción de la exposición humana a los riesgos; aplicable

a cualquier motor de inducción sin restricción de potencia; sensibilidad para detectar fallos mecanicos en

el motor y la carga; fallas eléctricas en el estator y problemas en la red, etc.

Entre las técnicas de la ESA, se encuentran MCSA y EPVA.

La primera es conocida como Análisis de Firma de Corriente del Motor (MCSA) y la señal de corriente

puede ser fácilmente adquirida de una fase de la alimentación del motor sin interrupción de la operación


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de la máquina. En MCSA la corriente señal es procesada con el fin de obtener el espectro de frecuencia

que normalmente se conoce como actual firma. Por medio de la firma motor, se puede identificar la

magnitud y frecuencia de cada componente individual que constituye la señal del motor. Esta

característica permite la identificación de los patrones en la firma con el fin de diferenciar los motores

sanos de los fallados y el punto donde ocurren los fallos.

4.1. Análisis actual y la firma de tensión

Se utilizan técnicas de análisis de tensión de la firma - CSA - Análisis Firma actual o VSA para generar

análisis y evolución de las máquinas eléctricas de forma dinámica. Su objetivo es detectar problemas de

predicción en una máquina eléctrica rotativa, tales como: problemas en el devanado del

estator, problemas de rotor, problemas en la contratación, problemas en cota de carga, eficiencia y carga

del sistema; problemas en el rodamiento, entre otros. Esta firma se compone de magnitudes de

frecuencias de cada componente individual extraídos de sus señales de corriente o de tensión. Este hecho

en sí aislado es una ventaja, ya que permite el seguimiento de la evolución de las magnitudes de las

frecuencias, que puede denotar algún tipo de evolución de las condiciones de funcionamiento de la

maquinaria. La respuesta que el usuario de un sistema de este tipo necesita saber es si su máquina es

"saludable" o no.Este análisis (diagnóstico) no es algo fácil de hacer, porque se trata de un conjunto de comparaciones con

patrones almacenados previamente y la "historia" propia de la máquina bajo análisis.

4.2. Firma del motor actual Análisis (MCSA)

MCSA es la técnica utilizada para analizar y monitorear la tendencia dinámica de los sistemas.

El análisis apropiado de los resultados de la aplicación técnica predictivo ayuda a identificar problemas en

el estator bobinado, problemas de rotor, problemas en el acoplamiento, problemas en la carga, la

eficiencia y en el rodamiento, entre otros.

Esta técnica utiliza el motor de inducción como un transductor, lo que permite al usuario evaluar

la condición eléctrica y mecánica del panel y consiste principalmente en el monitoreo de una de las tres

fases de la corriente de alimentación del motor.

4.3. Firma Voltaje Análisis (VSA)

La técnica de Análisis de la Firma Voltaje sigue la misma estrategia de análisis de la la firma actual; sin

embargo, la señal se analiza desde la alimentación de tensión del motor. Esta técnica es la más utilizada

en el análisis de las unidades generadoras. En el caso de los motores, se pueden emplear de forma útil en

casos de problemas de potencia del motor y el análisis de desequilibrio del estator en conjunción con el

análisis de la firma actual. Puede ser utilizado también para conocer el origen de ciertos componentes en

el espectro de potencia, es decir, puede ser utilizado para inferir si la fuente del componente proviene de

la red eléctrica o tiene su origen en el

propia matriz.

4.4. Instantánea Firma Poder Análisis (IPSA)El análisis de la potencia instantánea es otra técnica de análisis de fallos basado en el análisis espectral.

La gran diferencia entre esta técnica y MCSA y VSA es que considera la información presente en tensión y

señales de corriente de una fase del motor.

5. Los patrones de fallas

Un fallo en cualquier parte de la máquina es una disminución en esta parte rendimiento cuando se

compara con los requisitos mínimos. Así, los resultados de fallas debido al desgaste natural, errores de

proyecto, instalación incorrecta, mal uso, o una combinación de todos ellos. Si el fallo no es identificado en

el tiempo y aumenta, puede sobrevenir insuficiencia. Por lo tanto, el fallo es la razón por la cual la máquina

se rompe. De esta manera, se trata de identificar la falla antes de que sea una rotura total, incluso cuando

es incipiente.


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5.1. Patrones de fallas de rotor

Esta sección muestra los patrones de fracaso para los problemas del rotor.

1. Barra Rota: es el rotor problema más común y el patrón más conocido. La figura 11 presenta este

patrón de fracaso, donde f es la frecuencia fundamental de suministro y S es el deslizamiento del motor.

2. Espacio de aire por Excentricidad: es la condición en la que el espacio de aire no presenta una

distancia uniforme entre el rotor y el estator, lo que resulta en una región del espacio de separación de aire

máxima y otra región del espacio de aire mínimo. Hay dos tipos de espacio de aire: estatico y dinámico.

La Figura 12 muestra los patrones para ambos tipos, donde f1 es el suministro frecuencia fundamental, R

es el número de barras del rotor, y CF es la frecuencia central.

5.2. Patrones de fallas del estator

La mayoría de las fallas del estator del motor de inducción están relacionadas con los bobinados. La

ocurrencia de fallos en el núcleo del estator es menos frecuente. A pesar de ser poco frecuente, este

último problema puede causar daños considerables en la máquina.


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5.3. Patrones de fallas

El seguimiento de daños de cojinete es muy importante en el programa de mantenimiento predictivo ya

que estos problemas representan el 40% del total de las fallas en un motor de inducción. Hay varias

causas de daños de rodamiento. Dado que este no es el objetivo de este articulo, se presentan sólo los

componentes característicos de la insuficiencia en las pistas exteriores e interiores y los elementos

rodantes. El patrón está dado por la Figura 15.

6.Elementos de un sistema de vigilancia para el mantenimiento predictivo

Un sofisticado sistema de monitoreo puede leer las entradas de cientos de sensores y ejecutar

operaciones matemáticas y procesar un diagnóstico. Un sistema de monitoreo se puede dividir en cuatro

etapas principales: (a) la transducción de las señales de interés; (b) la adquisición de los datos; (c) el

tratamiento de los datos adquiridos; y (d) el diagnóstico. La figura 22 presenta una forma pictórica de esteproceso.

• Transducción: un transductor es una pieza del equipo que tiene en su entrada un valor a ser

monitoreado (corriente, tensión, aceleración, temperatura, etc), mientras que en su salida tiene una

señal que es acondicionada y enviado al sistema de adquisición y procesamiento.6.2. adquisición de

datos


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• Adquisición de datos: escenario con una importancia fundamental; porque tiene que garantizar la

integridad y precisión de los datos recogidos. La precisión de los datos de la demandada adquirida

está determinada por las futuras manipulaciones matemáticas que se aplican al conjunto de datos.

• Tratamiento: la tarea de la transformación debe ser para tomar los datos recogidos y

manipularlos y / o para transformarlos, con miras a la aprobación de estos para el sistema de

diagnóstico en una forma más rápida y fácil. El tratamiento puede realizarse en línea o fuera de línea.

La elección depende del proceso que se está supervisando.

• Diagnóstico: es la parte más crítica del sistema, porque se trata de decisiones y en

consecuencia, dinero

9.Conclusiones

Las industrias actualmente buscan productos y servicios externos para el mantenimiento predictivo. En

muchos casos, la compañía de servicio exterior o incluso el grupo predictivo puede cometer errores que

ponen en peligro toda la monitorización de estado y diagnóstico de fallos. Este aumento de la demanda de

tecnología de predicción, una técnica específica que se refiere como Firma de Analisis Eléctrico (ESA)

está llamando cada vez más la atención de las industrias.Teniendo en cuenta este contexto, el articulo tiene la intención de difundir conceptos importantes para

guiar a las empresas que tienen su propio grupo predictivo o quieren contratar consultores o servicio

especializado para obtener buenos resultados, a través de las prácticas generales de mantenimiento,

ysobre todo a través del análisis de la firma eléctrica.

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