Los sensores de inducción y los piezoeléctricos tienen ventajas y desventajas. La mayor desventaja de ambos, es que como miden el movimiento absoluto, tales como las primeras etapas de falla en los elementos rodantes de los rodamientos, cavitación dentro de la cavidad de la bomba ó fuerzas hidráulicas en bombas de pozo profundo, no son suficientes para mover el pedestal ó el alojamiento del rodamiento.

Otra desventaja es la respuesta a la frecuencia de los sensores. Los sensores de inducción están severamente limitados en altas y bajas frecuencias, mientras que los sensores piezoeléctricos amplificarán las señales a altas frecuencias. Ambos también están sujetos a cambios debidos a las técnicas de montaje del sensor, así como la dirección ó ubicación del sensor.

Las fuerzas que miden estos sensores son una mezcla de todas las fuerzas mecánicas combinadas en el punto de medición. Ya que muchas máquinas rotatorias tienen diferentes componentes y cada uno de estos componentes puede contribuir a repetir cualquier cantidad de fuerzas a la máquina, la señal de vibración medida será una señal compleja, la cual consta de muchas señales.

Análisis de Vibración de Máquinas (AVM):

El proceso de análisis de vibración de máquinas identifica las frecuencias que están presentes en la vibración de la máquina y entonces la correlaciona con las frecuencias de las fuerzas que son creadas por fallas mecánicas y eléctricas.

Para determinar las frecuencias que están presentes en las señales medidas, el analizador desarrolla una transformada rápida de Fourier (FFT) en la señal. Este proceso matemático convierte la señal compleja recolectada en función del tiempo, del dominio del tiempo al dominio de la frecuencia. La FFT identifica las amplitudes y frecuencias que se combinan para componer esta señal compleja.

Fallas Mecánicas:

Hay muchas gráficas, tablas y documentos que describen las frecuencias que cada una de estas fallas mecánicas generan, cuando estas fallas están presentes. Algunas de estas fallas generan las mismas frecuencias de falla; Fallas tales como desbalance, desalineación, flecha doblada, flecha rota y rotor excéntrico, todas son creadas por fallas en el rotor y generarán fuerzas que están relacionadas con la velocidad rotacional de la flecha. En muchos casos, es necesario hacer mediciones adicionales ó usar tecnologías adicionales para definir problemas similares.

Otros problemas como los defectos en elementos rodantes de los rodamientos es que tienen frecuencias que dependen de la etapa de falla, así como de la geometría del rodamiento. Uno de los problemas de los defectos de estos elementos, es que en las primeras etapas de falla generan señales de muy baja amplitud y son difíciles de identificar cuando la falla se está desarrollando.

Fallas Eléctricas:

Los motores eléctricos operan por la interacción de campos magnéticos en el rotor y el estator. Si el campo magnético en ambos se desbalancea ó distorsiona, esto creará fuerzas eléctricas desbalanceadas dentro del motor. Éstas causarán que el rotor se mueva dentro del motor mientras el campo magnético de rotación pasa estos campos desbalanceados y distorsionados.

Fallas Eléctricas en el Estator:

La forma de la bobina es determinada por el campo magnético. Tanto la bobina del estator y como la del rotor normalmente están diseñadas para ser perfectamente circulares.

Excentricidad (entrehierro desigual):

Centrando un rotor circular perfecto dentro de un estator circular perfecto todas las fuerzas magnéticas serán iguales y opuestas. Sin embargo, si el rotor se posiciona cerca del estator en algún área, entonces cuando el campo magnético pase por el espacio más pequeño habrá una atracción mayor, jalando el rotor hacia el estator y habrá una atracción más débil en el otro lado del rotor, en donde hay un espacio más grande. Esto creará un desbalance eléctrico y se le conoce como excentricidad.

La posición del rotor dentro del estator se determina por la posición de los rodamientos (ver fig. 2) El rodamiento es posicionado por la máquina que se ajusta al alojamiento del rodamiento, las tapas y la carcasa. Ya que las distancias pequeñas se determinan por la posición del rotor, las distancias desiguales estarán siempre en el mismo lugar dentro del entrehierro, a esto se le conoce comúnmente como excentricidad estática.

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Se ha determinado que en un motor de 2000 HP, dos polos, en donde el entrehierro del rotor está desplazado un 10% dentro del estator, las fuerzas eléctricas creadas serán 10 veces más grandes que la fuerza centrífuga creada, esto si el rotor está balanceado de acuerdo a la especificación de balance de ISO G 2.5 El cumplimiento de la especificación G2.5 se considera un buen balance.

El pie suave (Pata coja) está normalmente asociado a la desalineación, sin embargo, si el motor tuvo un ajuste incorrecto, apretando los tornillos de la base, esto no solo reposicionará a los rodamientos creando una posible desalineación, sino también ocasionará distorsión en la carcasa del motor (ver fig. 3).

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    Perno Flojo          Perno Apretado

Fig. 3. Pie Suave

La carcasa distorsionada deformará el hierro del estator, lo que alterará el campo magnético del estator y creará una condición similar a la excentricidad (desigualdad de entrehierro).

Devanados sueltos/Hierro del Estator:

Si el hierro del estator esta suelto en la carcasa del motor ó los devanados están sueltos en las ranuras del estator, la rotación del campo magnético del estator causará que los componentes sueltos se muevan cada vez que el campo magnético pase por el componente suelto. Estas tres fallas son normalmente la causa de los problemas de vibración que se clasifican como “problemas eléctricos del estator”. Las frecuencias de estas fallas ocurren en dos veces la frecuencia de línea. En un controlador directo, será 7200 RPM para 60 Hz y 6000 RPM a 50 Hz.

Fallas Eléctricas del Rotor:

El motor industrial más común es el de CA con rotor de inducción jaula de ardilla. Estos rotores usan barras como conductoras para crear el campo magnético en el rotor. La forma del hierro del rotor ó núcleo es determinada por el campo magnético.

Rotor Excéntrico:

Si el núcleo de acero del rotor ó el final de los anillos son excéntricos, esto distorsionará el campo magnético del rotor y esto tomará la forma del núcleo. Cuando el rotor excéntrico está colocado dentro del estator concéntrico, esto creará espacios desiguales entre el campo magnético del rotor y el campo magnético del estator. Sin embargo, ya que el campo magnético distorsionado está en el rotor, el espacio pequeño girará con la flecha. Cuando el espacio pequeño está posicionado debajo de un polo magnético, entonces se creará un desbalance eléctrico. Ya que el desbalance eléctrico cambia con la posición del rotor, esta falla es a menudo referida como una excentricidad dinámica.

Barras Rotas del Rotor:

El propósito de las barras del rotor en la jaula de ardilla es para dar paso al flujo de corriente de un extremo del rotor al otro. El flujo de corriente creará un campo magnético en el rotor. Cuando la corriente fluye en una dirección creará un campo magnético de una polaridad, tanto norte como sur. Estos polos opuestos estarán atravesando directamente de un polo a otro y crearán un campo magnético balanceado.

Si una o más barras del rotor están rotas, la corriente no fluirá en esa porción del rotor, cuando esté posicionado debajo de uno de los campos magnéticos. Sin embargo si estas barras en ambos lados de la ruptura están conectadas, la corriente fluirá a través de estas barras creando un camino completo para el flujo de corriente. Esto crea un punto muerto en el rotor en donde se localiza la barra ó barras rotas. Cuando este punto muerto está posicionado debajo de uno de los campos magnéticos creará desbalance eléctrico. Este desbalance eléctrico combinará cualquier fuerza mecánica actuando en el sistema del rotor y causará el cambio de las fuerzas totales en el rotor.

Tanto las barras rotas como rotor excéntrico son fallas mecánicas en el rotor y girarán con el rotor. En un motor de inducción, el rotor gira a cierta velocidad que es menor que la rotación del campo magnético, entonces las fallas mecánicas se moverán dentro y fuera por debajo de los campos magnéticos. Conforme el motor gire con estas fallas, las fuerzas eléctricas que actúan en el rotor incrementarán y disminuirán dependiendo de la posición de las barras rotas en relación con el campo magnético. Esto causa la modulación de las fuerzas eléctricas y mecánicas combinadas. La frecuencia de la modulación será igual al número de polos multiplicado por la velocidad de deslizamiento del rotor. Esta frecuencia es normalmente referida a la frecuencia de paso de polos (PPF).

Rotor Térmicamente Sensible:

Algunos rotores de motores de inducción AC aparentan que las fuerzas de entrada del rotor cambian con la carga. Esto usualmente ocurre porque los rotores se arquean con el paso de los flujos de corriente y se incrementan. La razón de que esto ocurra es el resultado de corto en los laminados, espesor no uniforme de las laminaciones del rotor, huecos de fundición en moldes de rotores. En cualquiera de los casos anteriores, un lado del rotor se calienta más que el lado contrario, por lo tanto la parte del rotor más caliente se encoje o expande causando el arqueo del rotor. El rotor arqueado causará que éste opere excéntricamente y aparezca la excentricidad dinámica.

Cuando la falla afecta el campo magnético del rotor, las fuerzas desbalanceadas causarán la combinación de fuerzas a modular en el rotor. Esto causará que la amplitud de las vibraciones en la maquinaria a la velocidad de rotación también se module. La FFT de una señal modulada en amplitud causa bandas laterales alrededor de la frecuencia fundamental, que es en este caso una vez la velocidad de giro. La presencia de estas bandas laterales indica que está presente la modulación en amplitud y el espacio de estas bandas indica la frecuencia de modulación. Si la falla viene del rotor, las bandas laterales estarán separadas a la frecuencia de paso de polos. Ya que cada una de las tres fallas más comunes de rotor descritas anteriormente causan fuerzas a modular en el rotor, la FFT de cada falla se mostrará como un pico en el espectro a la frecuencia rotatoria con bandas laterales PPF.

Fallas mecánicas:

Otras fallas mecánicas en el motor parecerán iguales como en cualquier otra máquina. La falla se identificará en la FFT, basada en la frecuencia o en algunos casos en el patrón de la FFT. Estas frecuencias pueden obtenerse de un buen número de gráficos o tablas.

Análisis de la Firma Eléctrica (ESA):

El Análisis de la Firma Eléctrica mide las tres fases de corriente y voltaje en el controlador del motor, mientras la máquina opera. Midiendo las tres fases de voltaje y corriente, se realiza un análisis completo de la energía suministrada al motor cada vez que se toman estos datos. Adicionalmente, se realiza el análisis FFT en las formas de onda de voltaje y corriente.

Pruebas e investigaciones han mostrado que muchas fallas eléctricas y mecánicas en el sistema de motor causarán que la corriente del motor se module a la frecuencia de la falla.

Análisis de energía:

El análisis de energía no solo identificará problemas relacionados con el motor, sino que también identificará problemas en la energía de entrada como excesivo contenido de armónicas, desbalance de voltaje, desequilibrio de voltaje, desbalance de corriente, factor de potencia del sistema de motor y su eficiencia. También, ya que ESA miden simultáneamente las tres fases de voltaje y corriente, es muy preciso determinar la carga en el motor. Esto permite al software del ESA determinar precisamente la velocidad actual del rotor; típicamente la velocidad de giro es medida dentro de 1 RPM.

Análisis FFT:

El FFT en la corriente identifica fallas en el sistema de motor, similar al MVA u otras técnicas de análisis de la firma. Sin embargo, realizando la FFT en ambas señales del motor, voltaje y corriente, se proporcionan capacidades adicionales de diagnóstico, cuando se comparan el MVA y el MCSA. Ambos, MVA y MCSA miden únicamente la respuesta del sistema del motor. Si hay picos grandes en uno o en otro espectro de corriente o vibración, que sean el resultado de la frecuencia de acarreo en la señal de entrada, estos son indetectables con cualquiera de estas técnicas. Sin embargo, realizando la FFT en voltaje y corriente, cualquier pico presente en el espectro proviene de la energía entrante. Ahora, si no existen picos en el espectro de voltaje que estén presentes en el espectro de corriente, entonces la falla proviene del motor o del controlador de la máquina.

Fallas en el Estator:

Las fallas clasificadas como fallas mecánicas en el estator son creadas cuando el núcleo del estator se afloja en la carcasa del motor, o si los devanados están flojos en las ranuras del estator. Cualquiera de las dos fallas causará campos magnéticos creados por las discontinuidades en el hierro del estator donde las bobinas se colocan para modular. Estas frecuencias son conocidas como frecuencias de paso de ranuras del estator. Las cuales son calculadas al multiplicar del número de ranuras del estator por la velocidad de giro.

Aunque no es inmediatamente catastrófico, si se permite cualquier soltura continúe, ésta resultará en una falla de aislamiento o también asilamiento del devanado (la soltura causa el desgaste del aislamiento de los devanados) o causará que el aislamiento de las paredes se vaya a tierra y genere una falla a tierra. Cualquiera de estas fallas eventualmente resultará en una falla completa de las bobinas, en el mejor de los casos el motor es rebobinado o en el peor el motor se destruye completamente. Si se daña el hierro del estator durante la falla, se requerirá el reemplazo total del motor. La interrupción de las frecuencias de paso de ranuras del estator es normalmente tan ligera que un MVA no captará estas fallas hasta que la falla esté en una etapa avanzada. Estas fallas causarán componentes sueltos, hierro del estator o bobinas en movimiento, conforme el campo magnético gira alrededor del estator, el cual estará indicado por las bandas laterales a la línea de frecuencia, alrededor de la frecuencia de paso de ranuras del estator.

Estator eléctrico:

Si el aislamiento entre las bobinas del estator y tierra falla, ocurrirá una falla en devanados o falla a tierra. Estas fallas dan lugar a sobrecalentamiento localizado y posteriormente degradación del aislamiento hasta que el devanado eventualmente se quema y completamente destruye los embobinados y en un caso severo se deforma o quema el aislamiento interno del laminado.

Cuando ocurren estas fallas, la debilidad de los devanados causa que la frecuencia de paso de las ranuras del estator se module a la frecuencia de línea, ya que el campo magnético rota alrededor del estator. Esta será posteriormente modulada conforme la flecha gire, la cual creará bandas laterales a la velocidad de giro alrededor de las bandas laterales de la frecuencia de línea.

ESA puede identificar fallas que son clasificadas como fallas eléctricas en el estator, pero para confirmar el tipo de falla se recomienda realizar el MCA con el motor desenergizado.

Una vez más estas modulaciones en las frecuencias de paso de ranuras del estator son tan leves y las fuerzas creadas muy pequeñas, que son usualmente indetectables con un MVA.

Fallas en rotor:

Las fallas comunes en rotor detectadas usando ESA son Excentricidad Estática (entrehierro desigual), Excentricidad Dinámica (rotor excéntrico) y barras del rotor rotas.

Excentricidad estática:

Cuando el núcleo del roto está concéntrico y centrado en el campo magnético, la corriente que fluye a través de las barras del rotor será igual y de polos opuestos en cada lado del rotor. Pero si el rotor no está centrado en el campo magnético entonces la fuerza del campo magnético en las barras del rotor que se encuentran cerca del estator será más fuerte que el lado opuesto. Además, como los polos magnéticos giran alrededor del estator, esto ocasiona que el campo magnético alrededor de las barras del rotor se module cada vez que uno de los polos pasa por el espacio más estrecho. Esto creará picos espectrales en dos veces la frecuencia de línea alrededor de la frecuencia de pasos de barras del rotor. La frecuencia de paso de barras del rotor es igual al número de barras del rotor por la velocidad de giro.

Excentricidad dinámica:

Si el rotor está centrado, pero el núcleo del rotor está excéntrico esto ocasionará que el entrehierro que gira alrededor sea angosto. Este tipo de entrehierro crea bandas laterales en dos veces la frecuencia de línea (2xLF) alrededor de las frecuencias de paso de las barras de rotor, pero debido a que el espacio más estrecho rota alrededor del entrehierro, a la velocidad del rotor, esto causará las bandas a 2xLF moduladas a la velocidad del rotor. Esto crea bandas laterales a la velocidad de giro alrededor de las bandas en 2LxF.

Barras de rotor rotas:

Cuando un punto muerto en el rotor pasa por debajo del campo magnético no habrá inductancia entre el campo magnético del estator y el rotor. Esto ocasionará que la corriente del motor se module a PPF, esto crea bandas laterales de frecuencia PPF alrededor de la línea de frecuencia en el espectro de corriente.

Las investigaciones han probado que la severidad de las fallas en rotor está basada en la relación de modulación; se han identificado siete niveles de severidad, ver tabla 1.

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Fallas mecánicas:

Cualquier falla mecánica que cause vibración en el equipo rotativo actúa como una carga en el motor. Incluso una respuesta de impacto pequeña, como la frecuencia natural del sistema de los rodamientos, es muy fácil identificarla con ESA. En el espectro mecánico del ESA las fallas aparecen como frecuencias centrales de las bandas laterales de la frecuencia de línea.

Espectro demodulado:

ESA también genera un espectro demodulado de baja frecuencia, Fmax 120Hz. La demodulación del espectro es una técnica de procesamiento de señal que elimina la frecuencia de línea de la forma de onda capturada. Todo lo que queda en la señal procesada son frecuencias que están causando la modulación de la corriente en el motor. La FFT de esta señal procesada, despliega muy claramente las frecuencias de falla, como una falla que viene del rotor incluyendo desbalance, desalineación (no solo en el motor, sino en muchos casos en la máquina que impulsa). Los picos en PPF y la velocidad de giro (RS), los cuales normalmente aparecen como bandas alrededor de la línea de frecuencia, en el espectro normal de corriente aparecerán como picos individuales en el espectro demodulado. Esto ayuda al software a determinar con precisión la RS del sistema de motor cuando la lectura fue tomada, usualmente con 1RPM de precisión. Otras frecuencias de falla que son menores a 120Hz aparecerán como picos individuales en el espectro demodulado y los defectos en las bandas son muy fáciles de detectar usando el espectro demodulado.

Otras fallas mecánicas:

Cuestiones de engranaje, paso de álabes y otras fuerzas mecánicas que estén presentes en cualquier parte del sistema del motor aparecerán en el espectro de alta frecuencia como frecuencias centrales entre las bandas laterales a la línea de frecuencia.

Defectos de los elementos rodantes de baleros:

Antes de la segunda etapa, los defectos de rodamientos aparecerán muy claramente en el espectro de corriente de alta frecuencia como  bandas laterales en frecuencia de línea como un múltiplo no integral de la velocidad de giro.

Cuál es el futuro del ESA?

Pruebas preliminares han indicado que el ESA es una de las herramientas disponibles más poderosas para la detección en maquinaria impulsada. En la mayoría de los casos las fallas aparecen antes en los datos del ESA que en un MVA cuando la fuerza de la falla no es suficiente para mover la estructura completa de la máquina, como lo son las vibraciones mecánicas. Incluso, ESA es capaz de determinar la condición de la energía suministrada al sistema del motor, así como también su eficiencia, y lo más importante es extraer la velocidad de giro del motor al momento de la toma de lecturas. Esta medición es crítica cuando se usa ESA o MVA, ya que muchas de las fallas del sistema de motor dependen de la velocidad y una determinación aproximada de la velocidad de giro es crucial para el análisis del espectro.

Respuesta de Frecuencia:

Ya que el ESA utiliza los cambios en la corriente del motor como identificador de fallas, incluso se pueden detectar frecuencias muy bajas o muy altas. MVA tiene limitantes basadas en el tipo de mediciones (relativas o absolutas) y en la respuesta de frecuencia del sensor.

Bombas Verticales de pozo profundo:

La experiencia con las bombas verticales ha mostrado que las fallas en la bomba no son transmitidas al motor. Para determinar que sucede en la bomba es necesario colocar transductores directamente en la bomba. Una falla en la bomba normalmente no es detectada en el motor normalmente hasta que la bomba está totalmente destruida. Pruebas preliminares han mostrado que cantidades pequeñas de cavitación e incluso el paso de las frecuencias de las paletas pueden ser fácilmente detectadas utilizando ESA. Tomando al mismo tiempo el espectro de un MVA no se muestra evidencia de una u otra falla.

Controladores de Frecuencia Variable:

Cuando se utiliza ESA para probar controladores de motores por VDF´s, no solo pueden ser detectadas las fallas en el sistema de motor, sino en capacitores viejos y además otros problemas eléctricos en el controlador aparecerán en seguida.

Para mayor información acerca de Análisis de la Firma Eléctrica o cómo implementar un sistema de confiabilidad en motores en su plata visite nuestra página www.alltest.pro o envíenos un mail a info@alltestpro.com.

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