Implementando ESA como parte de su programa de mantenimiento predictivo para mejorar la Confiabilidad Elctrica Qu es ESA?

Abstracto Este es el segundo de una serie de artculos que habla de cmo usar el ESA para mejorar la confiabilidad elctrica de las plantas. Este artculo describe los principios bsicos del ESA y algunas de las grficas y displays (despliegues) usados en ESA. Tambin presenta algunas tcnicas bsicas de anlisis para empezar a usar ESA para identificar problemas en desarrollo en el sistema motriz que pudieran conducir ya sea a una prdida de produccin o a un incremento en costos de mantenimiento.

Anlisis de Firma Elctrica (ESA por sus siglas en ingls) El Anlisis de Firma Elctrica es una tecnologa PdM que usa el voltaje de entrada a los motores y la corriente de operacin para identificar fallas existentes y en desarrollo en todo el sistema motriz. Estas mediciones actan como transductores y cualquier alteracin en el sistema motriz har 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 simultnea captura las tres fases de voltaje y corriente para medir la condicin de la potencia entrante. Tambin captura el voltaje entrante a los motores para diferenciar entre las fallas del sistema motriz y las fallas de la potencia entrante.

ESA est demostrando ser una tecnologa 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 mecnicas que el Anlisis de Vibracin de Maquinaria (MVA) encuentra en el motor, la maquina impulsada, y/o el mismo proceso. Adems ofrece mejor capacidad de diagnstico para identificar y analizar fallas elctricas en desarrollo dentro del subsistema elctrico del motor. El anlisis de potencia entrante identifica cualquier tema de potencia que pudiera conducir a fallas prematuras en el subsistema elctrico del sistema motriz.

ESA mide y captura simultneamente todas las tres fases de la corriente y el voltaje en el control del motor, mientras la mquina este en condicin normal o en cualquier condicin de operacin. 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 tambin ejecuta FFTs sobre el voltaje y la forma de onda de la corriente para identificar diversas fallas elctricas y mecnicas en el sistema motriz.

El anlisis automtico de las fallas elctricas y mecnicas dentro del sistema motriz pueden ser analizadas con mayor precisin durante la fase de deteccin usando el ESA que el MVA. ESA mide el voltaje y la corriente del motor durante la fase de coleccin datos lo que permite tener una determinacin muy precisa de la velocidad de operacin del motor, usualmente con un rango de error de una o dos RPM. Adems, ya que el ESA usa la corriente del motor como su transductor, cambios muy pequeos en cualquier parte del sistema motriz causan modulacin de la corriente del motor. Esta mayor sensibilidad permite tener una deteccin temprana de las fallas en desarrollo

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 mquinas impulsadas por bandas.

Anlisis de Maquinaria El anlisis de la vibracin ha sido histricamente la base para el anlisis de la maquinaria de rotacin para evaluar la condicin del equipo de rotacin y se us con mucha efectividad durante ms de 70 aos. Los modernos sistemas electrnicos y micro-procesadores han madurado este proceso, desde las simples mediciones de amplitud de vibracin, realizadas por TC Rathbone en la dcada de 1930, usando una bobina, un imn y un medidor para medir amplitudes de vibracin para rpidamente evaluar la condicin mecnica 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 prctica de usar amplitudes de vibracin para identificar mquinas con problemas. Muy pronto fue muy obvio que las mquinas con altos niveles de vibracin generalmente estaban en malas condiciones mecnicas y esto condujo a un mayor desarrollo de diversas grficas de severidad, todas las cuales estaban basadas exclusivamente en la experiencia del usuario.

Anlisis del Espectro El siguiente paso en la evolucin del anlisis de la maquinaria fue el uso del anlisis de espectros. El anlisis de espectros en el proceso de seales se define como el dispositivo o proceso que define el contenido de la frecuencia de una seal del dominio del tiempo. Una vez que se conozca el contenido de las seales medidas entonces se correlacionan con las caractersticas operacionales y de diseo de la mquina o mquinas para ayudar a identificar la fuerza que est creando el movimiento oscilatorio.

El anlisis de espectros de la vibracin 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 seal elctrica de salida sigue el movimiento de los componentes la cual vara con el tiempo. Las seales elctricas que estn variando son conocidas como seales en el dominio del tiempo y la fuerza o la amplitud de la seal vara con la cantidad de movimiento.

Los primeros analizadores de espectros usaban analizadores de filtros sintonizables para recorrer un filtro de paso de banda anlogo en un rango de frecuencia predeterminado. Estos analizadores funcionaban de manera similar a la sintonizacin de un radio. Conforme el filtro de paso de banda escanea a travs del rango de frecuencias, cualquier frecuencia o frecuencias presentes en el filtro de paso de banda producira una seal de salida del analizador la cual sera proporcional a cualquier seal o seales dentro del filtro. La salida del filtro de paso de banda se dibujara en una grfica de frecuencias para identificar las frecuencias que estuvieran presentes en la salida del transductor.

Los analizadores modernos de hoy aceptan estas seales elctricas, y por medio del condicionamiento y procesamiento de las seales, determinan y muestran la frecuencia y la amplitud del movimiento

oscilatorio de los componentes en vibracin. Las oscilaciones peridicas mecnicas que son repetitivas ocurren en frecuencias especficas.

Los modernos analizadores digitales, de mltiples canales y de alta resolucin crean los espectros de frecuencias usando la Transformada Rpida de Fourier (FFT). Adems, permiten tener varias tcnicas de procesamiento de seales tales como anlisis de bandas laterales, promedios de tiempos sncronos, promedios negativos, procesamiento de la envoltura y muchas otras tcnicas avanzadas para interpretar el espectro con precisin.

A pesar de los avances en el procesamiento de seales, el anlisis de vibraciones est todava limitado por las leyes de la fsica y los lmites de los transductores. Ya que la vibracin es una medida de las oscilaciones mecnicas de una mquina, ya sean aleatorias o peridicas, es necesario tener suficiente fuerza de la condicin de la maquinaria o de la falla del componente para sobreponerse a la masa, y a la rigidez de la mquina y la estructura, as como tambin a cualquier amortiguamiento proporcionado por el rodamiento o por el sistema de soporte.

Limitantes adicionales son creadas por las limitantes del mismo transductor de medicin. Las limitantes creadas por el transductor son el tipo de medicin, relativas o absolutas, respuesta de frecuencia del transductor y las limitantes de frecuencia inherentes de las mismas mediciones, desplazamiento, velocidad o aceleracin.

Anlisis FFT

Formas de onda de tiempo

Una forma de onda de tiempo es simplemente un display de una funcin variable en relacin al tiempo. Si las variaciones ocurren a los mismos intervalos de tiempo entonces la forma de onda es peridica. Una forma de onda peridica es aquella que repite exactamente la misma forma o patrn, por todo el tiempo que dure dicha forma de onda.

La forma ms 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 mltiples seales en diferentes frecuencias son denominadas formas de onda complejas.

El display grfico de estas formas de onda se conoce como el dominio del tiempo. El display del dominio del tiempo simplemente muestra el valor instantneo de la variable en relacin al tiempo. En el dominio del tiempo el eje horizontal indica el tiempo, mientras que el eje vertical indica la magnitude de la variable.

La Transformada de Fourier Jean Baptiste Joseph Fourier, un matemtico y fsico Francs del siglo 18 fue uno de los primeros en reconocer que las formas de onda complejas son una combinacin de mltiples formas de onda senoidales e inici la investigacin en este campo. La solucin matemtica, usada para determinar las series de frecuencias que se combinan para crear cualquier forma de onda compleja recibi 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 ingls). Se han desarrollado algoritmos para un clculo eficiente y de alta velocidad de los DFTs, y estos algoritmos son conocidos como la Transformada Rpida de Fourier (FFT).

En trminos 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 grfico 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 seal en el eje vertical. Si una seal est presente en cualquier frecuencia, entonces se dibujar una lnea vertical en el eje horizontal para indicar la presencia de dicha frecuencia. Esta lnea vertical es conocida como la lnea 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 est en 60 Hz con una amplitud de 3 amperes, entonces se coloca un pico de espectro en 60 Hz y la altura representara 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 anlisis bsico FFT no requiere la capacidad de hacer matemticas de transformadas, hay muchos programas disponibles para hacer esto, pero si requiere un entendimiento bsico del mismo display grfico. El mnimo entendimiento del display FFT son el rango de frecuencia, la resolucin, y anchura de banda. Se puede realizar un anlisis ms avanzado con un entendimiento de bandas, armnicas, escala logartmica y demodulacin. Las siguientes discusiones intentan proporcionar un suficiente entendimiento de estos principios bsicos del FFT para permitirle al lector analizar con precisin los datos ESA recolectados usando un instrumento ESA.

Entendiendo el FFT Ya que el proceso del FFT es un clculo matemtico, se deben establecer dos fronteras o lmites antes de que se pueda hacer el clculo matemtico. Estos dos lmites son Rango de Frecuencia y Lneas de Resolucin.

Rango de Frecuencia El rango de frecuencia determina las frecuencias que sern incluidas en el clculo del FFT. Si el rango de frecuencia seleccionado es muy bajo, las seales de frecuencia ms altas no sern detectadas. Si el rango de frecuencia seleccionado es muy alto, las series de frecuencias que estn cerca podrn combinarse en un solo cubo espectral.

Otra consideracin para la correcta seleccin de la frecuencia es que el rango de frecuencia determina el tiempo de adquisicin de datos. Ya que la frecuencia de una seal peridica es la inversa del tiempo, mientras ms bajo sea el rango de frecuencia seleccionado ms tiempo se necesitar para realizar la recoleccin de datos. La mayora de los FFTs para PdM comienzan en DC (0 Hz) y continan hasta un valor mximo que es conocido como Fmax. Para un anlisis ms profundo, es posible fijar el lmite inferior del rango de frecuencia en un valor mayor de 0 Hz y un lmite ms alto. Esto es conocido como un espectro con zoom.

Resolucin El segundo lmite predeterminado son las lneas de resolucin. Cada espectro de frecuencias est dividido en un nmero finito de lneas de espectro. La palabra lnea de espectro es en realidad un nombre incorrecto, ya que en realidad no hay lneas sino cubos espectrales. Igual como cada espectro de FFT tendr sus lmites de frecuencia altos y bajos igual tambin cada lnea espectral. Los lmites de frecuencia altos y bajos de cada cubo son determinados por el rango de frecuencia del FFT y por el nmero de lneas. La anchura del cubo espectral es conocido como la anchura de banda (BW). La anchura de la lnea del espectro se determina al dividir el nmero de lneas de espectro por el Rango de Frecuencia (FR). Si el rango de frecuencia es de 100 Hz u se tienen 100 lneas 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 tambin restando el lmite de frecuencia inferior (fl) del lmite de frecuencia superior (fu) de cada cubo espectral.

BW = fu-fl

Cada cubo espectral est alineado junto al cubo anterior y el lmite de frecuencia inferior de cada cubo es el lmite de frecuencia superior del cubo anterior. El lmite de frecuencia superior ser el lmite inferior del siguiente cubo ms la anchura de banda.

Por ejemplo: El primer cubo espectral en un espectro de 100 lneas con FR que va de DC a 100 Hz. El lmite inferior de frecuencia es 0 y el lmite superior de frecuencia es 1 HZ. La BW del cubo espectral es 1 HZ. Entonces el 2 segundo cubo sera de 1 a 2 HZ, el tercero cubo sera 2 a 3 Hz y el ltimo cubo espectral sera de 99 a 100 Hz.

Si la anchura de banda de un cubo espectral es muy ancha, entonces mltiples frecuencias puede estar en el mismo cubo espectral. Adems, 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

espectral se determina al calcular el promedio del lmite superior de frecuencia y el lmite inferior de frecuencia.

cf = (fu + fl)/2

Bsicamente, lo que esto significa es que la frecuencia indicada pudiera no ser la frecuencia de la seal 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 ms de una frecuencia. Mientras mayor sea el ancho de banda del cubo espectral, mayor es la probabilidad de tener ms de una frecuencia presente en el cubo espectral, y menor la precisin de la frecuencia del valor mostrado del cubo espectral. Esto incrementa la probabilidad del error en el anlisis.

Hay dos formas de incrementar la resolucin en un espectro FFT y reducir el error en el anlisis, pero ambos mtodos requieren incrementar el tiempo de recoleccin de datos. El primer mtodo es reducir el rango de frecuencia del espectro, este mtodo incrementa los intervalos de tiempo entre los tiempos de toma de muestras de datos. El segundo mtodo es el de incrementar el nmero de cubos espectrales entre los cuales se divide el FFT. Incrementar el nmero de lneas de resolucin requiere de tomar ms muestras de la seal medida. Para doblar el nmero de lneas de resolucin se deben obtener dos veces ms datos. Esto duplica el tiempo requerido para recolectar los datos.

Cambiando la Resolucin El nmero de lneas de resolucin (# lneas) de un espectro de FFT puede ser determinado fcilmente al

multiplicar el periodo (P) de la muestra del tiempo por el Rango de Frecuencia (FR) in cps. (# lneas = 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 resolucin del FFT despus de la recoleccin de datos. Esto le ofrece al analista la capacidad de examinar segmentos muy pequeos de la forma de onda capturada. Sin embargo, es importante recordar que al reducir el periodo de captura de tiempo, el nmero de lneas de resolucin se reduce de manera proporcional y se incrementa la probabilidad de error en el anlisis.

Para tener un anlisis preciso, los sistemas del ESA realizan una coleccin de datos para dos displays separados. Una Fmax de alta frecuencia y una Fmax de baja frecuencia. El FFT de alta frecuencia contiene la informacin que identifica fallas elctricas tales como excentricidad, embobinados o fallas de tierras, deteccin 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 informacin que identifica fallas del rotor tales como barras rotas del rotor, desbalance/desalineacin, problemas de bandas, solturas mecnicas 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.

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 mayora de los sistemas ESA pueden ofrecer varios displays de frecuencia y de tiempo.

Displays de Baja Resolucin Un display muy prctico para el analista es poder ver unos cuantos ciclos de las formas de onda crudas de voltaje y corriente as como el espectro asociado.

En las mquinas 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 mquina impulsada.

Ya que la resolucin espectral depende de la cantidad de tiempo de recoleccin datos. El display espectral asociado ser de baja resolucin pero le proporciona al analista una bsqueda rpida de cualquier problema en el sistema motriz o en la potencia entrante. La forma de onda de tiempo y el display a continuacin 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 distorsin o modulacin 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 resolucin. Esto dificulta la capacidad del analista para determinar con precisin las frecuencias muy discretas, pero si proporciona una rpida mirada de los picos generales en el display espectral. Al comparar esos displays con displays similares del voltaje entrante le proporciona al analista una rpida mirada de la condicin del motor. Cuando ambos la forma de onda de la corriente del motor y el espectro de corriente de baja resolucin reproducen las de la forma de onda de voltaje y del espectro de baja resolucin entonces no hay fallas severas presentes ni en el motor ni en la mquina impulsada. Sin embargo, cualquier distorsin 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 estn presentes en los displays de voltaje son seales de fallas ya sea en el motor o en la mquina impulsada y se debe hacer un mayor anlisis. El propsito de este display es proporcionar una rpida mirada de la forma de onda real, y la resolucin espectral es muy pobre. 0.05 seg X 5000 cps resulta en 250 lneas de resolucin. La anchura de banda de este display ser 5000/250 = 20 Hz.

Displays de Alta Resolucin Se puede crear un espectro de alta resolucin al calcular el FFT con el mximo tiempo de captura de datos. Por ejemplo, un tiempo de captura de datos de 1 segundo

incrementar la resolucin del espectro de alta frecuencia a 5000 lneas. 1 seg X 5000 cps = 5000 lneas. En el espectro de alta frecuencia la anchura de cada lnea espectral ser de 1 Hz o 60 CPM. Este tipo de display le permitir al analista as como al software incrementar la precisin de cualquier anlisis debido al incremento de resolucin espectral. Display Espectral de Baja Frecuencia (Fmax 120 Hz) Al capturar datos del tiempo a una tasa menor y con un periodo ms grande tiempo, se puede desarrollar un espectro de baja frecuencia y muy alta resolucin.

Display del tiempo del RMS (root mean square) Un display muy importante es una seal 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 instantneo de la corriente en relacin al tiempo sino una seal extendida de los cambios en la corriente RMS en un periodo. La seal de 50 segundos a continuacin le permite al analista ver cualquier modulacin en la corriente del motor, indicativa de cualquier falla de baja frecuencia en el sistema motriz. La huella del tiempo a continuacin muestra que la corriente del motor est 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 resolucin y de baja frecuencia. Normalmente vemos junto con esta seal de tiempo un espectro de voltaje y corriente de baja frecuencia as como voltaje y corriente desmodulados. Las tpicas frecuencias bajas muestran diversas grficas incluyendo:

1. Display de Seal 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 ms tiles son el espectro de corriente cruda y el espectro desmodulado. La resolucin de ambos displays es 50 seg X 120 cps = 6000 lneas. En el espectro de baja frecuencia la anchura de banda de cada lnea 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 anlisis muy preciso. Porciones ms pequeas de la seal del tiempo pueden ser examinadas pero la resolucin ser reducida.

Se puede hacer un zoom o una ampliacin de un display FFT alrededor de frecuencias especficas para proporcionar un mejor display visual de los picos espectrales. La ampliacin del display no calcula otra vez el FFT sino que ampla el FFT de corriente con la misma resolucin espectral.

Display de Baja Frecuencia de Espectro de Corriente Desmodulada El especto de corriente desmodulada o Desmod es una tcnica de procesamiento de seal que quita la frecuencia transportadora de la seal de corriente cruda y despus ejecuta el FFT en esta seal desmodulada y muestra el espectro de las fuerzas desmodulantes que estn haciendo que vare 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 seales dentro del cubo espectral. Las unidades de la escala vertical are usualmente las unidades de la variable medida y son conocidas como unidades de ingeniera. 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 mtodos son el lineal y el logartmico. Estos mtodos de escalas de amplitud simplemente cambian la forma en que se despliega grficamente el espectro. No cambia la precisin ni la resolucin del FFT. Los valores del display de amplitud de ESA varan dependiendo de cul espectro FFT se est ejecutando.

El display grfico usado con ms 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 prctica en una sola grfica. Los displays en papel milimtrico funcionan bien cundo son importantes los cambios significativos y cuando los cambios muy pequeos son insignificantes. Las unidades mostradas en la escala lineal son las unidades de ingeniera de la variable medida. En ESA estas unidades son voltaje (volts) o corriente (amperes).

Escala Logartmica La escala logartmica muestra la amplitud en rdenes 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 grfica. Cuando cambios muy pequeos 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 logartmico (log).

ESA usa la escala log para mostrar las variables medidas de voltaje o corriente de lnea. Se usan los cambios muy pequeos en cualquiera de estas mediciones para identificar fallas en el sistema motriz. La frecuencia transportadora de estas variables est en la frecuencia del voltaje aplicado, usualmente 50 or 60 Hz.

Ya que el display logartmico es esencialmente una tasa, es tambin un mtodo muy prctico de comparar variables diferentes. Esto ha demostrado ser muy til en ESA ya que uno de los aspectos

Tasa de Cantidad de Campo Unidad de Ingeniera Amplitud

Decibel (db)

Tasa

1000 0 1:1 700 -3 1.414:1 330 -10 3:1 100 -20 10:1 33 -30 30:1 10 -40 100:1 3.3 -50 300:1 1 -60 1000:1

0.33 -70 3000:1 0.1 -80 10000:1

0.03 -90 30000:1 0.01 -100 100000:1

importantes de ESA es la capacidad de diferenciar entre fallas en la potencia entrante y las fallas aadidas ya sea por el motor o por la mquina 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 tambin cantidades de campo. La Tabla 1 proporciona una gua a la relacin de la variable medida y es el valor de las formas de onda de corriente y voltaje y comparados con el pico ms 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 logartmico. La escala completa o el mximo rango de amplitud del espectro es establecido de forma automtica por el pico espectral con la ms alta amplitud. En la mayora de los casos esto normalmente ser la amplitud de voltaje o corriente en frecuencia de lnea. Por ejemplo, si el voltaje RMS es 480 V entonces el valor pico sera 478V y el pico espectral en frecuencia de lnea sera 478V, lo que sera una escala completa y 0 db. Un pico espectral que est en -40 db sera 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 logartmico. La escala completa del display es la corriente pico de los 50 segundos de seal de tiempo.

La configuracin de default del display espectral desmodulado es un display lineal. La escala completa de amplitud es auto clasificada al pico ms alto en el display espectral. Este display es muy prctico ya que presenta muy de cerca la informacin espectral similar a la de los displays de espectro de vibracin de maquinaria.

Sin embargo, para un mayor anlisis, un display logartmico del espectro desmodulado puede ofrecer informacin adicional proporcionando mejor comprensin de la operacin del sistema motriz. El display logartmico del espectro desmodulado puede ser mostrado en referencia a la corriente general (absoluta) o relativa al mximo pico espectral (relativa) del espectro mostrado. Espectro Desmodulado En un espectro crudo, la modulacin de amplitud crea bandas laterales alrededor de la frecuencia que se est modulando. En el caso de ESA la frecuencia transportadora es la frecuencia de lnea del voltaje aplicado. Ya que ESA usa la corriente del motor como el transductor para identificar fallas, la mayora de las fallas son identificadas por la presencia de bandas laterales alrededor del pico espectral de frecuencia de lnea. La frecuencia de las modulaciones determina la fuente de la falla.

El espectro desmodulado es una tcnica de procesamiento de seales que ofrece una forma prctica de identificar las frecuencias que estn haciendo que module la frecuencia transportadora (Lf). El espectro desmodulado separa la frecuencia de lnea (Lf) de la forma de onda de tiempo cruda. Ya que la Lf es separada de la seal procesada, cualquier variacin de la seal procesada ser el resultado de la modulacin de amplitud de las seales de onda de tiempo original. Entonces se ejecuta un FFT en la

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 modulacin en la seal cruda, la seal de forma de onda de tiempo desmodulada sera una lnea 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 sera una forma de onda simtrica con un perodo de 33.333 milisegundos. El FFT de la forma de onda desmodulada presentara un pico en 30 Hz con una amplitud de 3 unidades.

Display Desmodulado Logartmico Absoluto El display logartmico 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 lnea. Por ejemplo; si la corriente RMS en la seal de tiempo es de 200 amperes entonces la corriente pico sera aproximadamente 282.8 amperes en el espectro de corriente (pk = rms X 1.414). Esto representara 0 db en el espectro de corriente. Si el pico espectral en el espectro absoluto desmodulado est en -40 db, eso correspondera 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 lnea.

Display Desmodulado Logartmico Relativo El display logartmico 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 ser el pico con la amplitud ms alta en el display. Todos los otros picos espectrales sern medidos contra ese pico. Esto le permite al usuario evaluar los picos espectrales desmodulados unos con otros.

Interpretando el FFT Las frecuencias de la mayora de las fallas mecnicas causadas por el motor, la mquina impulsada o el proceso son las mismas que las frecuencias de fallas identificadas por el anlisis de vibracin de maquinaria.

Estas frecuencias estn relacionadas con la geometra de la mquina que est creando las fallas y con la velocidad de rotacin de la mquina.

Frecuencia Falla Velocidad de Operacin

1X Velocidad de Op. Desbalance 1X Velocidad de Op. Desalineacin 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 Operacin Mltiples 1/2X Base suelta Mltiples 1/2X Friccin Rozadura 42 43% X Remolino de aceite 1 X Vel. de Banda Banda

Alta Frecuencia # Dientes X RS Acoplamiento de engranes 500 5000 Hz Elemento Rodante 2 etapa

Mltiples Normales Mltiples 1X RS Exceso de Tolerancia # Alabes X RS Problemas paso de alabes 1 &\o 2X RS Severa Desalineacin Banda ancha Alea. Cavitacin

Uno de los mtodos de campo comprobados ms rpidos y ms fciles 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 mecnicas en el sistema motriz. Regin de Velocidad de Operacin La primera y la ms importante regin de fallas es la que ocurre en velocidad de operacin. Estas fallas normalmente se identifican mejor usando el espectro de baja frecuencia. Estas fallas en velocidad de rotacin provienen del rotor que est girando en dicha frecuencia, y son normalmente causadas por una de estas fallas. Si el motor est impulsando una mquina a una velocidad diferente por medio de una caja de engranes o por unas bandas, entonces la falla en la mquina impulsada ser en velocidad de rotacin en la mquina impulsada mientras que la falla en el rotor del motor estar en velocidad del motor. Se ha observado que las fallas en la mquina impulsada pueden ser fcilmente analizadas desde el motor. Por lo tanto, cuando est considerando fallas en velocidad de operacin en algn tren motriz con ms de una velocidad esta tabla es aplicable a la velocidad de rotacin de cada mquina. Regin Inferior a Velocidad de Operacin Las segundas fallas mecnicas ms frecuentes ocurren debajo de la velocidad de rotacin. Estas se encuentran tambin en el espectro de baja frecuencia. En algunos casos los picos espectrales inferiores a velocidad de operacin pueden provenir del rotor en la mquina impulsada si esa mquina est operando a una velocidad inferior que la del motor. Regin de Alta Frecuencia La regin de alta frecuencia es generalmente considerada como siendo 16 veces la velocidad de rotacin. Una notable excepcin es si la mquina impulsada es una bomba centrfuga o una bomba y que tiene ms de 16 alabes o aspas. Entonces la regin de alta frecuencia sera ms alta que el que el nmero de alabes por velocidad de operacin. Regin de Mltiples Normales La regin de mltiple normal es de una vez velocidad del eje hasta 16 veces velocidad de operacin. Bandas Laterales Las bandas laterales en el FFT indican que la amplitud de la seal de la forma de onda del tiempo, de donde se calcula el FFT, se est modulando. La frecuencia que las bandas laterales rodea es llamada frecuencia central e indica cual seal se est modulando. Por ejemplo, si las bandas laterales estn alrededor del pico espectral en velocidad de operacin, esto indica que las fuerzas que estn siendo creadas por el eje se estn modulando. Esta frecuencia indica cual componente est causando el problema. La frecuencia de modulacin indica qu est causando la modulacin. El espaciamiento de las bandas laterales indica la frecuencia de la modulacin, por ejemplo, si la frecuencia central est en velocidad de operacin. (rs), y las bandas laterales estn espaciadas a la velocidad de rotacin de la banda. Esto indica que la banda tiene un problema que est haciendo que las fuerzas del eje entren en modulacin. Si el eje estuviera girando a 3540 RPM y la velocidad de rotacin de la banda fuera de 537 RPM, entonces la frecuencia central sera 3540 CPM. La frecuencia de la banda del lado

inferior sera de (3540 537 CPM) 3003 CPM y la frecuencia de la banda del lado superior sera (3540 + 537 CPM) 4077 CPM.

Espectro de Corriente En Anlisis de Vibracin de Maquinaria (MVA) el FFT se ejecuta en la salida elctrica de un transductor que convierte el movimiento mecnico de la mquina en una seal elctrica. Entonces el espectro de vibracin muestra estas fallas como picos en la frecuencia de la falla. Sin embargo, en el espectro de corriente, las fallas mecnicas hacen que la amplitud de la frecuencia de la falla se module en frecuencia de lnea.

Fallas tales como problemas de engranes, primeras etapas de de la degradacin de los elementos rodantes de un rodamiento y otras fallas mecnicas generalmente no tienen picos en sus frecuencias de fallas pero estn indicadas por bandas laterales de frecuencia de lnea alrededor de la frecuencia de la falla. Por ejemplo, un motor de 4 polos girando a 1785 RPM impulsando un engrane con 33 dientes tendr una frecuencia de acoplamiento de engranes (GMF) de 58905 CPM (981.75 Hz). Si los engranes tienen problemas en el acoplamiento esto crear fuerzas en esta frecuencia. ESA identificar estas fallas con bandas laterales de frecuencia de lnea alrededor de la frecuencia de lnea.

Frecuencia de Lnea Frecuencia de lnea se refiere a la frecuencia del voltaje aplicado; esto ser normalmente 50 o 60 Hz dependiendo de la frecuencia suministrada en cada pas. En las aplicaciones que usan sistemas de frecuencias variables (VFDs) la frecuencia de lnea 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 tecnologa PdM se requiere tener la capacidad de manipular, interpretar y entender las grficas, tablas y displays desarrollados por el software de ESA. Estas grficas, tablas y displays son entonces usados para identificar fallas en el sistema motriz. Los ingenieros y tcnicos PdM que estn familiarizados con el anlisis de vibracin encontrarn que el FFT ESA es similar al espectro de vibracin y muchas de las tcnicas de anlisis son las mismas.

Sin embargo, an en Anlisis de Vibracin de Maquinaria (MVA) es importante que el analista tenga una detallada comprensin no nada ms de lo que el FFT est indicando sino ms importante de lo que no est indicando.

Este artculo intenta describir las grficas, tablas y displays usados en ESA para aquellos que no estn familiarizados con ellos. Tambin intenta proporcionarle al lector la informacin necesaria bsica para usar esta tecnologa para tener un anlisis ms preciso y ms completo del sistema motriz.

Qu es ESA?AbstractoAnlisis de Firma Elctrica (ESA por sus siglas en ingls)Anlisis de MaquinariaAnlisis del EspectroAnlisis FFTFormas de onda de tiempoLa Transformada de FourierEntendiendo el FFTRango de FrecuenciaResolucinCambiando la ResolucinForma de onda de tiempo y displays espectrales de frecuenciaDisplays de Baja ResolucinDisplays de Alta Resolucin

Display Espectral de Baja Frecuencia (Fmax 120 Hz)Display del tiempo del RMS (root mean square)Display de Espectro de Corriente de Baja FrecuenciaDisplay de Baja Frecuencia de Espectro de Corriente Desmodulada

Display de AmplitudEscala LogartmicaDisplays de Amplitud en Espectros de Alta FrecuenciaDisplays de Amplitud en Espectros de Baja FrecuenciaEspectro DesmoduladoDisplay Desmodulado Logartmico AbsolutoDisplay Desmodulado Logartmico Relativo

Interpretando el FFTRegin de Velocidad de OperacinRegin Inferior a Velocidad de OperacinRegin de Alta FrecuenciaRegin de Mltiples NormalesBandas LateralesEspectro de Corriente

Frecuencia de Lnea

Resumen