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Implementando ESA como parte de su programa de mantenimiento predictivo para mejorar la Confiabilidad Eléctrica - PDF
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Adolfo Ramos Montes
1 Implementando ESA como parte de su programa de mantenimiento predictivo para mejorar la Confiabilidad Eléctrica Qué es ESA? Abstracto Este es el segundo de una serie de artículos que habla de cómo usar el ESA para mejorar la confiabilidad eléctrica de las plantas. Este artículo describe los principios básicos del ESA y algunas de las gráficas y displays (despliegues) usados en ESA. También presenta algunas técnicas básicas de análisis para empezar a usar ESA para identificar problemas en desarrollo en el sistema motriz que pudieran conducir ya sea a una pérdida de producción o a un incremento en costos de mantenimiento. Análisis de Firma Eléctrica (ESA por sus siglas en inglés) El Análisis de Firma Eléctrica es una tecnología PdM que usa el voltaje de entrada a los motores y la corriente de operación para identificar fallas existentes y en desarrollo en todo el sistema motriz. Estas mediciones actúan como transductores y cualquier alteración en el sistema motriz hará variar la entrada de corriente al motor (o que module). Al analizar estas modulaciones, es posible identificar la fuente de las alteraciones al sistema motriz. El ESA es diferente del MCSA en que en forma simultánea captura las tres fases de voltaje y corriente para medir la condición de la potencia entrante. También captura el voltaje entrante a los motores para diferenciar entre las fallas del sistema motriz y las fallas de la potencia entrante. ESA está demostrando ser una tecnología muy efectiva para detectar fallas en cualquier sitio del sistema motriz durante el proceso del PdM. El FFT creado en el ESA identifica todas las mismas fallas mecánicas que el Análisis de Vibración de Maquinaria (MVA) encuentra en el motor, la maquina impulsada, y/o el mismo proceso. Además ofrece mejor capacidad de diagnóstico para identificar y analizar fallas eléctricas en desarrollo dentro del subsistema eléctrico del motor. El análisis de potencia entrante identifica cualquier tema de potencia que pudiera conducir a fallas prematuras en el subsistema eléctrico del sistema motriz. ESA mide y captura simultáneamente todas las tres fases de la corriente y el voltaje en el control del motor, mientras la máquina este en condición normal o en cualquier condición de operación. ESA analiza la calidad de la potencia entrante, la potencia del motor, y calcula la eficiencia del motor y el factor de potencia del motor. ESA también ejecuta FFTs sobre el voltaje y la forma de onda de la corriente para identificar diversas fallas eléctricas y mecánicas en el sistema motriz. El análisis automático de las fallas eléctricas y mecánicas dentro del sistema motriz pueden ser analizadas con mayor precisión durante la fase de detección usando el ESA que el MVA. ESA mide el voltaje y la corriente del motor durante la fase de colección datos lo que permite tener una determinación muy precisa de la velocidad de operación del motor, usualmente con un rango de error de una o dos RPM. Además, ya que el ESA usa la corriente del motor como su transductor, cambios muy pequeños en cualquier parte del sistema motriz causan modulación de la corriente del motor. Esta mayor sensibilidad permite tener una detección temprana de las fallas en desarrollo
2 en cualquier parte del sistema motriz. ESA ha detectado fallas exitosamente en bombas verticales, abanicos en lo alto, y hasta las cajas sueltas de los rodamientos en máquinas impulsadas por bandas. Análisis de Maquinaria El análisis de la vibración ha sido históricamente la base para el análisis de la maquinaria de rotación para evaluar la condición del equipo de rotación y se usó con mucha efectividad durante más de 70 años. Los modernos sistemas electrónicos y micro-procesadores han madurado este proceso, desde las simples mediciones de amplitud de vibración, realizadas por TC Rathbone en la década de 1930, usando una bobina, un imán y un medidor para medir amplitudes de vibración para rápidamente evaluar la condición mecánica del equipo rotatorio. Las mediciones de Rathbone fueron usadas para establecer las tasas para asegurar los equipos rotatorios contra las fallas. Esto fue el inicio de la práctica de usar amplitudes de vibración para identificar máquinas con problemas. Muy pronto fue muy obvio que las máquinas con altos niveles de vibración generalmente estaban en malas condiciones mecánicas y esto condujo a un mayor desarrollo de diversas gráficas de severidad, todas las cuales estaban basadas exclusivamente en la experiencia del usuario. Análisis del Espectro El siguiente paso en la evolución del análisis de la maquinaria fue el uso del análisis de espectros. El análisis de espectros en el proceso de señales se define como el dispositivo o proceso que define el contenido de la frecuencia de una señal del dominio del tiempo. Una vez que se conozca el contenido de las señales medidas entonces se correlacionan con las características operacionales y de diseño de la máquina o máquinas para ayudar a identificar la fuerza que está creando el movimiento oscilatorio. El análisis de espectros de la vibración de la maquinaria empieza con el sensor (transductor) colocado encima de o cerca del componente oscilatorio, esto es usualmente en el rodamiento o en la caja del rodamiento. The transducers purpose is to convert the components mechanical motion to an electrical signal. La señal eléctrica de salida sigue el movimiento de los componentes la cual varía con el tiempo. Las señales eléctricas que están variando son conocidas como señales en el dominio del tiempo y la fuerza o la amplitud de la señal varía con la cantidad de movimiento. Los primeros analizadores de espectros usaban analizadores de filtros sintonizables para recorrer un filtro de paso de banda análogo en un rango de frecuencia predeterminado. Estos analizadores funcionaban de manera similar a la sintonización de un radio. Conforme el filtro de paso de banda escanea a través del rango de frecuencias, cualquier frecuencia o frecuencias presentes en el filtro de paso de banda produciría una señal de salida del analizador la cual sería proporcional a cualquier señal o señales dentro del filtro. La salida del filtro de paso de banda se dibujaría en una gráfica de frecuencias para identificar las frecuencias que estuvieran presentes en la salida del transductor. Los analizadores modernos de hoy aceptan estas señales eléctricas, y por medio del condicionamiento y procesamiento de las señales, determinan y muestran la frecuencia y la amplitud del movimiento
3 oscilatorio de los componentes en vibración. Las oscilaciones periódicas mecánicas que son repetitivas ocurren en frecuencias específicas. Los modernos analizadores digitales, de múltiples canales y de alta resolución crean los espectros de frecuencias usando la Transformada Rápida de Fourier (FFT). Además, permiten tener varias técnicas de procesamiento de señales tales como análisis de bandas laterales, promedios de tiempos síncronos, promedios negativos, procesamiento de la envoltura y muchas otras técnicas avanzadas para interpretar el espectro con precisión. A pesar de los avances en el procesamiento de señales, el análisis de vibraciones está todavía limitado por las leyes de la física y los límites de los transductores. Ya que la vibración es una medida de las oscilaciones mecánicas de una máquina, ya sean aleatorias o periódicas, es necesario tener suficiente fuerza de la condición de la maquinaria o de la falla del componente para sobreponerse a la masa, y a la rigidez de la máquina y la estructura, así como también a cualquier amortiguamiento proporcionado por el rodamiento o por el sistema de soporte. Limitantes adicionales son creadas por las limitantes del mismo transductor de medición. Las limitantes creadas por el transductor son el tipo de medición, relativas o absolutas, respuesta de frecuencia del transductor y las limitantes de frecuencia inherentes de las mismas mediciones, desplazamiento, velocidad o aceleración. Análisis FFT Formas de onda de tiempo Una forma de onda de tiempo es simplemente un display de una función variable en relación al tiempo. Si las variaciones ocurren a los mismos intervalos de tiempo entonces la forma de onda es periódica. Una forma de onda periódica es aquella que repite exactamente la misma forma o patrón, por todo el tiempo que dure dicha forma de onda. La forma más sencilla de una forma de onda es con frecuencia conocida como una onda senoidal y consiste de una sola frecuencia. Las formas de onda que tienen múltiples señales en diferentes frecuencias son denominadas formas de onda complejas. El display gráfico de estas formas de onda se conoce como el dominio del tiempo. El display del dominio del tiempo simplemente muestra el valor instantáneo de la variable en relación al tiempo. En el dominio del tiempo el eje horizontal indica el tiempo, mientras que el eje vertical indica la magnitude de la variable.
4 La Transformada de Fourier Jean Baptiste Joseph Fourier, un matemático y físico Francés del siglo 18 fue uno de los primeros en reconocer que las formas de onda complejas son una combinación de múltiples formas de onda senoidales e inició la investigación en este campo. La solución matemática, usada para determinar las series de frecuencias que se combinan para crear cualquier forma de onda compleja recibió su nombre, y ahora se llama la Transformada de Fourier. La Transformada de Fourier original supone una muestra ilimitada o infinita. Desde entonces se ha determinado que la Transformada de Fourier se puede aplicar a una forma de onda finita y esta ha sido llamada la Transformada Discreta de Fourier (DFT por sus siglas en inglés). Se han desarrollado algoritmos para un cálculo eficiente y de alta velocidad de los DFTs, y estos algoritmos son conocidos como la Transformada Rápida de Fourier (FFT). En términos sencillos el FFT toma una muestra finita de una forma de onda de tiempo, entonces calcula la amplitud y las frecuencias de las formas de onda individuales, que se han combinado para crear la forma de onda compleja. El display gráfico de los FFTs es presentado en el dominio de las frecuencias. Este display en el dominio de la frecuencia es con frecuencia conocido como el espectro de la frecuencia. El dominio de la frecuencia muestra las frecuencias presentes en la compleja forma de onda en el eje horizontal y la amplitud de la señal en el eje vertical. Si una señal está presente en cualquier frecuencia, entonces se dibujará una línea vertical en el eje horizontal para indicar la presencia de dicha frecuencia. Esta línea vertical es conocida como la línea del espectro o el pico. La altura del pico del espectro indica la fuerza o amplitud de la forma de onda en dicha frecuencia. Si una de las ondas senoidales presentes en la forma de onda compleja está en 60 Hz con una amplitud de 3 amperes, entonces se coloca un pico de espectro en 60 Hz y la altura representaría 3 unidades. La figura muestra una forma de onda compleja con cuatro formas de onda combinadas. Las cuatro formas de onda tienen frecuencias de 60 Hz, 120 Hz, 180 Hz, & 420 Hz. Un análisis básico FFT no requiere la capacidad de hacer matemáticas de transformadas, hay muchos programas disponibles para hacer esto, pero si requiere un entendimiento básico del mismo display gráfico. El mínimo entendimiento del display FFT son el rango de frecuencia, la resolución, y anchura de banda. Se puede realizar un análisis más avanzado con un entendimiento de bandas, armónicas, escala logarítmica y demodulación. Las siguientes discusiones intentan proporcionar un suficiente entendimiento de estos principios básicos del FFT para permitirle al lector analizar con precisión los datos ESA recolectados usando un instrumento ESA. Entendiendo el FFT Ya que el proceso del FFT es un cálculo matemático, se deben establecer dos fronteras o límites antes de que se pueda hacer el cálculo matemático. Estos dos límites son Rango de Frecuencia y Líneas de Resolución.
5 Rango de Frecuencia El rango de frecuencia determina las frecuencias que serán incluidas en el cálculo del FFT. Si el rango de frecuencia seleccionado es muy bajo, las señales de frecuencia más altas no serán detectadas. Si el rango de frecuencia seleccionado es muy alto, las series de frecuencias que están cerca podrán combinarse en un solo cubo espectral. Otra consideración para la correcta selección de la frecuencia es que el rango de frecuencia determina el tiempo de adquisición de datos. Ya que la frecuencia de una señal periódica es la inversa del tiempo, mientras más bajo sea el rango de frecuencia seleccionado más tiempo se necesitará para realizar la recolección de datos. La mayoría de los FFTs para PdM comienzan en DC (0 Hz) y continúan hasta un valor máximo que es conocido como Fmax. Para un análisis más profundo, es posible fijar el límite inferior del rango de frecuencia en un valor mayor de 0 Hz y un límite más alto. Esto es conocido como un espectro con zoom. Resolución El segundo límite predeterminado son las líneas de resolución. Cada espectro de frecuencias está dividido en un número finito de líneas de espectro. La palabra línea de espectro es en realidad un nombre incorrecto, ya que en realidad no hay líneas sino cubos espectrales. Igual como cada espectro de FFT tendrá sus límites de frecuencia altos y bajos igual también cada línea espectral. Los límites de frecuencia altos y bajos de cada cubo son determinados por el rango de frecuencia del FFT y por el número de líneas. La anchura del cubo espectral es conocido como la anchura de banda (BW). La anchura de la línea del espectro se determina al dividir el número de líneas de espectro por el Rango de Frecuencia (FR). Si el rango de frecuencia es de 100 Hz u se tienen 100 líneas de espectro entonces la anchura de cada cubo espectral es de 1 Hz. BW = # lines/fr La anchura de banda de cada cubo espectral puede ser calculada también restando el límite de frecuencia inferior (f l ) del límite de frecuencia superior (f u ) de cada cubo espectral. BW = f u -f l Cada cubo espectral está alineado junto al cubo anterior y el límite de frecuencia inferior de cada cubo es el límite de frecuencia superior del cubo anterior. El límite de frecuencia superior será el límite inferior del siguiente cubo más la anchura de banda. Por ejemplo: El primer cubo espectral en un espectro de 100 líneas con FR que va de DC a 100 Hz. El límite inferior de frecuencia es 0 y el límite superior de frecuencia es 1 HZ. La BW del cubo espectral es 1 HZ. Entonces el 2 segundo cubo sería de 1 a 2 HZ, el tercero cubo sería 2 a 3 Hz y el último cubo espectral sería de 99 a 100 Hz. Si la anchura de banda de un cubo espectral es muy ancha, entonces múltiples frecuencias puede estar en el mismo cubo espectral. Además, al estar leyendo el espectro de frecuencias la frecuencia mostrada del cubo espectral es la frecuencia central (cf) de dicho cubo espectral. La frecuencia central del cubo
6 espectral se determina al calcular el promedio del límite superior de frecuencia y el límite inferior de frecuencia. cf = (f u + f l )/2 Básicamente, lo que esto significa es que la frecuencia indicada pudiera no ser la frecuencia de la señal real. El valor de la frecuencia mostrada es normalmente la frecuencia central del cubo espectral, mientras que la frecuencia real de la o las formas de onda pudiera ser cualquier frecuencia dentro del ancho de banda del cubo espectral. Cada cubo espectral puede incluir más de una frecuencia. Mientras mayor sea el ancho de banda del cubo espectral, mayor es la probabilidad de tener más de una frecuencia presente en el cubo espectral, y menor la precisión de la frecuencia del valor mostrado del cubo espectral. Esto incrementa la probabilidad del error en el análisis. Hay dos formas de incrementar la resolución en un espectro FFT y reducir el error en el análisis, pero ambos métodos requieren incrementar el tiempo de recolección de datos. El primer método es reducir el rango de frecuencia del espectro, este método incrementa los intervalos de tiempo entre los tiempos de toma de muestras de datos. El segundo método es el de incrementar el número de cubos espectrales entre los cuales se divide el FFT. Incrementar el número de líneas de resolución requiere de tomar más muestras de la señal medida. Para doblar el número de líneas de resolución se deben obtener dos veces más datos. Esto duplica el tiempo requerido para recolectar los datos. Cambiando la Resolución El número de líneas de resolución (# líneas) de un espectro de FFT puede ser determinado fácilmente al multiplicar el periodo (P) de la muestra del tiempo por el Rango de Frecuencia (FR) in cps. (# líneas = P X FR). Ya que los instrumentos ESA digitalizan y colectan las formas de onda de tiempo y ejecutan el FFT en la computadora es posible cambiar la resolución del FFT después de la recolección de datos. Esto le ofrece al analista la capacidad de examinar segmentos muy pequeños de la forma de onda capturada. Sin embargo, es importante recordar que al reducir el periodo de captura de tiempo, el número de líneas de resolución se reduce de manera proporcional y se incrementa la probabilidad de error en el análisis. Para tener un análisis preciso, los sistemas del ESA realizan una colección de datos para dos displays separados. Una Fmax de alta frecuencia y una Fmax de baja frecuencia. El FFT de alta frecuencia contiene la información que identifica fallas eléctricas tales como excentricidad, embobinados o fallas de tierras, detección temprana de fallas en los elementos rodantes del rodamiento, problemas de alabes, problemas de engranes. El FFT de alta frecuencia (HI) puede capturar datos de hasta 1 segundo y ejecuta el FFT de 0 a 5000 Hz. El FFT bajo contiene la información que identifica fallas del rotor tales como barras rotas del rotor, desbalance/desalineación, problemas de bandas, solturas mecánicas u otras fallas que ocurren por debajo de 120 Hz. Un FFT de baja frecuencia (LO) puede capturar datos durante 50 segundos y ejecuta el FFT de 0 a 120 Hz.
7 Forma de onda de tiempo y displays espectrales de frecuencia Ya que los instrumentos de ESA usualmente digitalizan la forma de onda de tiempo del voltaje y corriente del motor, la mayoría de los sistemas ESA pueden ofrecer varios displays de frecuencia y de tiempo. Displays de Baja Resolución Un display muy práctico para el analista es poder ver unos cuantos ciclos de las formas de onda crudas de voltaje y corriente así como el espectro asociado. En las máquinas energizadas directamente, ambas formas de onda de tiempo deben ser senoidales. Las distorsiones en cualquier forma de onda indican problemas ya sea en la potencia entrante o en el sistema motriz/transmisor. Las distorsiones en la forma de onda del voltaje indican problemas que provienen de la potencia entrante, mientras que las distorsiones en la forma de onda de la corriente indican problemas ya sea en el motor o en la máquina impulsada. Ya que la resolución espectral depende de la cantidad de tiempo de recolección datos. El display espectral asociado será de baja resolución pero le proporciona al analista una búsqueda rápida de cualquier problema en el sistema motriz o en la potencia entrante. La forma de onda de tiempo y el display a continuación son de 0.05 segundos de display y su espectro asociado. Este display le permite al analista ver unos cuantos ciclos de la corriente del motor e identificar cualquier distorsión o modulación en la corriente del motor, pero el FFT calculado a partir de la forma de onda de 0.05 segundos es un espectro de baja resolución. Esto dificulta la capacidad del analista para determinar con precisión las frecuencias muy discretas, pero si proporciona una rápida mirada de los picos generales en el display espectral. Al comparar esos displays con displays similares del voltaje entrante le proporciona al analista una rápida mirada de la condición del motor. Cuando ambos la forma de onda de la corriente del motor y el espectro de corriente de baja resolución reproducen las de la forma de onda de voltaje y del espectro de baja resolución entonces no hay fallas severas presentes ni en el motor ni en la máquina impulsada. Sin embargo, cualquier distorsión en la forma de onda de la corriente y tiempo o de los picos en el espectro de corriente mayores de 60 db, que no estén presentes en los displays de voltaje son señales de fallas ya sea en el motor o en la máquina impulsada y se debe hacer un mayor análisis. El propósito de este display es proporcionar una rápida mirada de la forma de onda real, y la resolución espectral es muy pobre seg X 5000 cps resulta en 250 líneas de resolución. La anchura de banda de este display será 5000/250 = 20 Hz. Displays de Alta Resolución Se puede crear un espectro de alta resolución al calcular el FFT con el máximo tiempo de captura de datos. Por ejemplo, un tiempo de captura de datos de 1 segundo
8 incrementará la resolución del espectro de alta frecuencia a 5000 líneas. 1 seg X 5000 cps = 5000 líneas. En el espectro de alta frecuencia la anchura de cada línea espectral será de 1 Hz o 60 CPM. Este tipo de display le permitirá al analista así como al software incrementar la precisión de cualquier análisis debido al incremento de resolución espectral. Display Espectral de Baja Frecuencia (Fmax 120 Hz) Al capturar datos del tiempo a una tasa menor y con un periodo más grande tiempo, se puede desarrollar un espectro de baja frecuencia y muy alta resolución. Display del tiempo del RMS (root mean square) Un display muy importante es una señal o huella del tiempo de la corriente RMS. Este display del tiempo difiere de la forma de onda de tiempo en que no proporciona un display del valor instantáneo de la corriente en relación al tiempo sino una señal extendida de los cambios en la corriente RMS en un periodo. La señal de 50 segundos a continuación le permite al analista ver cualquier modulación en la corriente del motor, indicativa de cualquier falla de baja frecuencia en el sistema motriz. La huella del tiempo a continuación muestra que la corriente del motor está modulando a.115 segundos. Cuando hacemos un FFT de baja frecuencia (120 Hz; 7200 CPM) de 50 segundos de datos de forma de onda de tiempo nos da un espectro de muy alta resolución y de baja frecuencia. Normalmente vemos junto con esta señal de tiempo un espectro de voltaje y corriente de baja frecuencia así como voltaje y corriente desmodulados. Las típicas frecuencias bajas muestran diversas gráficas incluyendo: 1. Display de Señal de Tiempo del RMS 2. Espectro FFT de Corriente y Voltaje crudos 3. Espectro FFT de Corriente y Voltaje Desmodulados Display de Espectro de Corriente de Baja Frecuencia Los dos displays espectrales de corriente más útiles son el espectro de corriente cruda y el espectro desmodulado. La resolución de ambos displays es 50 seg X 120 cps = 6000 líneas. En el espectro de baja frecuencia la anchura de banda de cada línea espectral es 0.2 Hz o 1.2 CPM. Esto proporciona la capacidad de solucionar problemas de velocidad de motor hasta 1 RPM aproximadamente lo que ofrece un análisis muy preciso. Porciones más pequeñas de la señal del tiempo pueden ser examinadas pero la resolución será reducida. Se puede hacer un zoom o una ampliación de un display FFT alrededor de frecuencias específicas para proporcionar un mejor display visual de los picos espectrales. La ampliación del display no calcula otra vez el FFT sino que amplía el FFT de corriente con la misma resolución espectral.
9 Display de Baja Frecuencia de Espectro de Corriente Desmodulada El especto de corriente desmodulada o Desmod es una técnica de procesamiento de señal que quita la frecuencia transportadora de la señal de corriente cruda y después ejecuta el FFT en esta señal desmodulada y muestra el espectro de las fuerzas desmodulantes que están haciendo que varíe la corriente del motor. En ESA las frecuencias transportadoras son las frecuencias de la potencia entrante, (usualmente 50 o 60 Hz). Display de Amplitud El eje vertical del dominio de la frecuencia define la amplitud de señales dentro del cubo espectral. Las unidades de la escala vertical are usualmente las unidades de la variable medida y son conocidas como unidades de ingeniería. En el caso de ESA estas unidades son volts o amperes. Las amplitudes FFT pueden ser presentadas en dos displays diferentes de escalas verticales. Estos dos métodos son el lineal y el logarítmico. Estos métodos de escalas de amplitud simplemente cambian la forma en que se despliega gráficamente el espectro. No cambia la precisión ni la resolución del FFT. Los valores del display de amplitud de ESA varían dependiendo de cuál espectro FFT se está ejecutando. El display gráfico usado con más frecuencia es la escala lineal. En la escala lineal el espacio entre los marcadores es siempre igual y la distancia es la misma. Esto permite que todos los datos sean mostrados en forma práctica en una sola gráfica. Los displays en papel milimétrico funcionan bien cundo son importantes los cambios significativos y cuando los cambios muy pequeños son insignificantes. Las unidades mostradas en la escala lineal son las unidades de ingeniería de la variable medida. En ESA estas unidades son voltaje (volts) o corriente (amperes). Escala Logarítmica La escala logarítmica muestra la amplitud en órdenes de magnitud o un logaritmo de la variable en lugar de la misma variable. Una ventaja de las escalas log es la capacidad de mostrar un rango muy grande de amplitudes en una sola gráfica. Cuando cambios muy pequeños en la variable medida son significativos, el mostrar la variable en el formato lineal puede no identificar el cambio en forma adecuada. En estos casos se usa un display logarítmico (log). ESA usa la escala log para mostrar las variables medidas de voltaje o corriente de línea. Se usan los cambios muy pequeños en cualquiera de estas mediciones para identificar fallas en el sistema motriz. La frecuencia transportadora de estas variables está en la frecuencia del voltaje aplicado, usualmente 50 or 60 Hz. Tasa de Cantidad de Campo Unidad de Ingeniería Amplitud Decibel (db) Tasa : : : : : : : : : : : :1 Ya que el display logarítmico es esencialmente una tasa, es también un método muy práctico de comparar variables diferentes. Esto ha demostrado ser muy útil en ESA ya que uno de los aspectos
10 importantes de ESA es la capacidad de diferenciar entre fallas en la potencia entrante y las fallas añadidas ya sea por el motor o por la máquina impulsada. Las unidades usadas en la escala log son decibeles (db), un logaritmo con una base de diez. El db es una unidad usada para describir una tasa. Las mediciones de voltaje y corriente son cantidades de campo y las tasas db usadas en ESA son también cantidades de campo. La Tabla 1 proporciona una guía a la relación de la variable medida y es el valor de las formas de onda de corriente y voltaje y comparados con el pico más alto en el espectro. Displays de Amplitud en Espectros de Alta Frecuencia En el espectro de alta frecuencia de ESA, se recomienda que el display de ambos espectros de voltaje y corriente usen el display logarítmico. La escala completa o el máximo rango de amplitud del espectro es establecido de forma automática por el pico espectral con la más alta amplitud. En la mayoría de los casos esto normalmente será la amplitud de voltaje o corriente en frecuencia de línea. Por ejemplo, si el voltaje RMS es 480 V entonces el valor pico sería 478V y el pico espectral en frecuencia de línea sería 478V, lo que sería una escala completa y 0 db. Un pico espectral que esté en -40 db sería 4.78 Volts. (40 db = 100:1) Displays de Amplitud en Espectros de Baja Frecuencia El display de espectros de baja frecuencia presenta el espectro de corriente usando un display logarítmico. La escala completa del display es la corriente pico de los 50 segundos de señal de tiempo. La configuración de default del display espectral desmodulado es un display lineal. La escala completa de amplitud es auto clasificada al pico más alto en el display espectral. Este display es muy práctico ya que presenta muy de cerca la información espectral similar a la de los displays de espectro de vibración de maquinaria. Sin embargo, para un mayor análisis, un display logarítmico del espectro desmodulado puede ofrecer información adicional proporcionando mejor comprensión de la operación del sistema motriz. El display logarítmico del espectro desmodulado puede ser mostrado en referencia a la corriente general (absoluta) o relativa al máximo pico espectral (relativa) del espectro mostrado. Espectro Desmodulado En un espectro crudo, la modulación de amplitud crea bandas laterales alrededor de la frecuencia que se está modulando. En el caso de ESA la frecuencia transportadora es la frecuencia de línea del voltaje aplicado. Ya que ESA usa la corriente del motor como el transductor para identificar fallas, la mayoría de las fallas son identificadas por la presencia de bandas laterales alrededor del pico espectral de frecuencia de línea. La frecuencia de las modulaciones determina la fuente de la falla. El espectro desmodulado es una técnica de procesamiento de señales que ofrece una forma práctica de identificar las frecuencias que están haciendo que module la frecuencia transportadora (L f ). El espectro desmodulado separa la frecuencia de línea (L f ) de la forma de onda de tiempo cruda. Ya que la L f es separada de la señal procesada, cualquier variación de la señal procesada será el resultado de la modulación de amplitud de las señales de onda de tiempo original. Entonces se ejecuta un FFT en la
11 forma de onda desmodulada. Los picos espectrales en el pico desmodulado indican directamente las frecuencias de las fuerzas o fallas que hicieron que modulara la frecuencia transportadora. En otras palabras, si no hubiera modulación en la señal cruda, la señal de forma de onda de tiempo desmodulada sería una línea recta. Sin embargo, si la amplitud de forma de onda cruda estuviera modulando a 30 Hertz y 3 unidades, entonces la forma de onda desmodulada sería una forma de onda simétrica con un período de milisegundos. El FFT de la forma de onda desmodulada presentaría un pico en 30 Hz con una amplitud de 3 unidades. Display Desmodulado Logarítmico Absoluto El display logarítmico absolute le permite al usuario comparar la amplitud de los picos espectrales en el espectro desmodulado con la amplitud de la corriente en frecuencia de línea. Por ejemplo; si la corriente RMS en la señal de tiempo es de 200 amperes entonces la corriente pico sería aproximadamente amperes en el espectro de corriente (pk = rms X 1.414). Esto representaría 0 db en el espectro de corriente. Si el pico espectral en el espectro absoluto desmodulado está en -40 db, eso correspondería a una amplitud de 2.8 amperes. Esto le permite al usuario evaluar los picos espectrales en el espectro desmodulado relativo a ambos voltaje y corriente de línea. Frecuencia Falla Display Desmodulado Logarítmico Relativo El display logarítmico relativo le permite al usuario comparar picos espectrales en el espectro desmodulado con otros picos espectrales en el espectro desmodulado. El pico de referencia 0 db será el pico con la amplitud más alta en el display. Todos los otros picos espectrales serán medidos contra ese pico. Esto le permite al usuario evaluar los picos espectrales desmodulados unos con otros. Interpretando el FFT Las frecuencias de la mayoría de las fallas mecánicas causadas por el motor, la máquina impulsada o el proceso son las mismas que las frecuencias de fallas identificadas por el análisis de vibración de maquinaria. Estas frecuencias están relacionadas con la geometría de la máquina que está creando las fallas y con la velocidad de rotación de la máquina. Velocidad de Operación 1X Velocidad de Op. Desbalance 1X Velocidad de Op. Desalineación 1X Velocidad de Op. Flecha doblada 1X Velocidad de Op. Flecha rota 1X Velocidad de Op. Excentricidad 1X Velocidad de Op. Compon. Rotatorio suelto 1X Velocidad de Op. Exceso de tolerancia Inferior a Velocidad de Operación Múltiples 1/2X Base suelta Múltiples 1/2X Fricción Rozadura 42 43% X Remolino de aceite 1 X Vel. de Banda Banda Alta Frecuencia # Dientes X RS Acoplamiento de engranes Hz Elemento Rodante 2 etapa Múltiples Normales Múltiples 1X RS Exceso de Tolerancia # Alabes X RS Problemas paso de alabes 1 &\o 2X RS Severa Desalineación Banda ancha Alea. Cavitación
12 Uno de los métodos de campo comprobados más rápidos y más fáciles para analizar problemas de frecuencia. La tabla a la derecha tiene una lista de las frecuencias de fallas asociadas con las fuentes de las fallas mecánicas en el sistema motriz. Región de Velocidad de Operación La primera y la más importante región de fallas es la que ocurre en velocidad de operación. Estas fallas normalmente se identifican mejor usando el espectro de baja frecuencia. Estas fallas en velocidad de rotación provienen del rotor que está girando en dicha frecuencia, y son normalmente causadas por una de estas fallas. Si el motor está impulsando una máquina a una velocidad diferente por medio de una caja de engranes o por unas bandas, entonces la falla en la máquina impulsada será en velocidad de rotación en la máquina impulsada mientras que la falla en el rotor del motor estará en velocidad del motor. Se ha observado que las fallas en la máquina impulsada pueden ser fácilmente analizadas desde el motor. Por lo tanto, cuando esté considerando fallas en velocidad de operación en algún tren motriz con más de una velocidad esta tabla es aplicable a la velocidad de rotación de cada máquina. Región Inferior a Velocidad de Operación Las segundas fallas mecánicas más frecuentes ocurren debajo de la velocidad de rotación. Estas se encuentran también en el espectro de baja frecuencia. En algunos casos los picos espectrales inferiores a velocidad de operación pueden provenir del rotor en la máquina impulsada si esa máquina está operando a una velocidad inferior que la del motor. Región de Alta Frecuencia La región de alta frecuencia es generalmente considerada como siendo 16 veces la velocidad de rotación. Una notable excepción es si la máquina impulsada es una bomba centrífuga o una bomba y que tiene más de 16 alabes o aspas. Entonces la región de alta frecuencia sera más alta que el que el número de alabes por velocidad de operación. Región de Múltiples Normales La región de múltiple normal es de una vez velocidad del eje hasta 16 veces velocidad de operación. Bandas Laterales Las bandas laterales en el FFT indican que la amplitud de la señal de la forma de onda del tiempo, de donde se calcula el FFT, se está modulando. La frecuencia que las bandas laterales rodea es llamada frecuencia central e indica cual señal se está modulando. Por ejemplo, si las bandas laterales están alrededor del pico espectral en velocidad de operación, esto indica que las fuerzas que están siendo creadas por el eje se están modulando. Esta frecuencia indica cual componente está causando el problema. La frecuencia de modulación indica qué está causando la modulación. El espaciamiento de las bandas laterales indica la frecuencia de la modulación, por ejemplo, si la frecuencia central está en velocidad de operación. (rs), y las bandas laterales están espaciadas a la velocidad de rotación de la banda. Esto indica que la banda tiene un problema que está haciendo que las fuerzas del eje entren en modulación. Si el eje estuviera girando a 3540 RPM y la velocidad de rotación de la banda fuera de 537 RPM, entonces la frecuencia central sería 3540 CPM. La frecuencia de la banda del lado
13 inferior sería de ( CPM) 3003 CPM y la frecuencia de la banda del lado superior sería ( CPM) 4077 CPM. Espectro de Corriente En Análisis de Vibración de Maquinaria (MVA) el FFT se ejecuta en la salida eléctrica de un transductor que convierte el movimiento mecánico de la máquina en una señal eléctrica. Entonces el espectro de vibración muestra estas fallas como picos en la frecuencia de la falla. Sin embargo, en el espectro de corriente, las fallas mecánicas hacen que la amplitud de la frecuencia de la falla se module en frecuencia de línea. Fallas tales como problemas de engranes, primeras etapas de de la degradación de los elementos rodantes de un rodamiento y otras fallas mecánicas generalmente no tienen picos en sus frecuencias de fallas pero están indicadas por bandas laterales de frecuencia de línea alrededor de la frecuencia de la falla. Por ejemplo, un motor de 4 polos girando a 1785 RPM impulsando un engrane con 33 dientes tendrá una frecuencia de acoplamiento de engranes (GMF) de CPM ( Hz). Si los engranes tienen problemas en el acoplamiento esto creará fuerzas en esta frecuencia. ESA identificará estas fallas con bandas laterales de frecuencia de línea alrededor de la frecuencia de línea. Frecuencia de Línea Frecuencia de línea se refiere a la frecuencia del voltaje aplicado; esto será normalmente 50 o 60 Hz dependiendo de la frecuencia suministrada en cada país. En las aplicaciones que usan sistemas de frecuencias variables (VFD s) la frecuencia de línea suministrada al motor puede variar dependiendo de la salida del controlador de los sistemas de frecuencia variable. Resumen Para tener un uso efectivo del ESA como una tecnología PdM se requiere tener la capacidad de manipular, interpretar y entender las gráficas, tablas y displays desarrollados por el software de ESA. Estas gráficas, tablas y displays son entonces usados para identificar fallas en el sistema motriz. Los ingenieros y técnicos PdM que están familiarizados con el análisis de vibración encontrarán que el FFT ESA es similar al espectro de vibración y muchas de las técnicas de análisis son las mismas. Sin embargo, aún en Análisis de Vibración de Maquinaria (MVA) es importante que el analista tenga una detallada comprensión no nada más de lo que el FFT está indicando sino más importante de lo que no está indicando. Este artículo intenta describir las gráficas, tablas y displays usados en ESA para aquellos que no están familiarizados con ellos. También intenta proporcionarle al lector la información necesaria básica para usar esta tecnología para tener un análisis más preciso y más completo del sistema motriz.
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