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Analisis vibracional 2

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Analisis vibracional 2

  1. 1. <ul><li>ÍNDICE
  2. 2. Introduccion
  3. 3. Objetivos
  4. 4. Alcance del proyecto
  5. 5. Limitaciones del proyecto
  6. 6. Marco teorico
  7. 7. Contenido del trabajo
  8. 8. Ensayo de rotura de barra
  9. 9. Ensayo Cortocircuito
  10. 10. Ensayo de Rodamientos
  11. 11. Resultados
  12. 12. Conclusiones
  13. 13. Bibliografia
  14. 14. Anexos
  15. 15. INTRODUCCIÓN</li></ul>Durante mucho tiempo las máquinas eléctricas rotativas, en particular los motores de inducción, son elementos principales en los procesos productivos de las industrias es ahí donde entra a tallar el análisis vibracional de motores de inducción para poder darle un mantenimiento predictivo, para su buen funcionamiento de estos motores es indispensable poder asegurar y garantizar la seguridad de quienes los operan. <br />Loa análisis realizados indican que en un gran porcentaje los fallos en máquinas ocurren a raíz del funcionamiento anormal de los componentes internos, como es el caso del motor principal. En este caso, el mantenimiento correctivo del equipo es una práctica muy costosa, ya que implica paradas no programas y los daños provocados por las fallas de los equipos son costosos.<br />Existen hoy muchas técnicas publicadas y herramientas avaladas comercialmente de detección de fallas en motores de inducción, que pueden garantizar un mayor grado de confiabilidad en su funcionamiento. A pesar de esto, la mayoría de las industrias aún no utilizan técnicas de detección y monitoreo de máquinas eléctricas.<br />Debido a que los motores de inducción se encuentran por lo general en puntos críticos de cualquier proceso, y son en muchos casos el principal instrumento en un sistema productivo, y supongamos una avería inesperada puede provocar un problema grande en una fábrica, además de un costo económico elevado que provoca esto.<br />Esto provoca un aumento de competencia a nivel internacional, y las exigencias de calidad, han motivado que las empresas destinen cada vez mayores recursos humanos como de material a sus planes de mantenimiento de equipos e instalaciones, donde los motores de inducción son pieza clave.<br /><ul><li>OBJETIVOS
  16. 16. Comprender la importancia del análisis vibracional en motores de inducción y el mantenimiento predictivo a través del método “Motor Current Signature Analysis”
  17. 17. Ver los daños de un motor ante situaciones simuladas.
  18. 18. ALCANCE DEL PROYECTO</li></ul>De los posibles enfoques, he optado por utilizar el método MCSA (Motor Current Signature Analysis) una técnica consiste en el análisis del espectro de frecuencia de la señal de corriente estatorica, con vistas de detectar los armónicos característicos de cada clase de defecto.<br /><ul><li>LIMITACIONES DEL PROYECTO
  19. 19. El trabajo de investigación en el tiempo dado se limita a aspectos, como análisis de motores a inducción y su mantenimiento predictivo, además de para el desarrollo de este trabajo me he basado en el MCSA (Motor Current Signature Analysis).
  20. 20. MARCO TEÓRICO</li></ul>Mantenimiento predictivo <br />Es un rastreo continuo de algunos momentos que determinan el estado de una maquina, y se comparan con estándares preestablecidos con el fin de determinar el instante óptimo en el que se ha de realizar una reparación.<br />En otras palabras, se supervisa la máquina y se repara justo en el momento en que empieza a fallar.<br />Esta estrategia, es la de más difícil implementación ya que se necesita una fuerte inversión en equipos de medida, y formación de técnicos. Además es la que proporciona mejores resultados en la industria, ya que se maximiza el tiempo de vida de los equipos, garantizando una máxima calidad y seguridad del proceso productivo.<br />Como ventaja adicional, del análisis de las medidas realizadas se puede inferir cual fue la causa de la avería. Esto permite no solo sustituir la pieza defectuosa, además que dentro de lo posible, se pueden modificar las condiciones de trabajo de la máquina para evitar la aparición de nuevas averías.<br />Mantenimiento predictivo de motores de inducción<br />Las decisiones más importantes que se ha de tomar en el momento de implementar un sistema de mantenimiento predictivo de motores de inducción, son los instantes en el que se realiza un seguimiento y que permitirán realizar el diagnostico de la máquina.<br />En un comienzo, son muchos los momentos o variables que se pueden tomar en cuenta para poder emitir un diagnostico teórico, pero necesitan cumplir con requisitos que permitan hacer un seguimiento a la maquina en funcionamiento y que esta no altere nada cuando se están tomando las medidas respectivas. Esto permite reducir una revisión en conjunto para un análisis vibracional o tal vez el análisis de las corrientes de alimentación.<br />Diagnóstico por análisis de vibraciones<br />Uno de los métodos usados de diagnóstico, es el análisis de vibraciones de la máquina. En condiciones ideales, en una máquina rotativa no debería existir ningún tipo de vibración, pero las imperfecciones en la construcción de las máquinas, lugares donde desarrollan sus procesos y la existencia de averías provocan un incremento global de las vibraciones, o la aparición de frecuencias de vibración nuevas.<br />El análisis frecuencial de las vibraciones se ha mostrado eficaz para el diagnóstico de averías de tipo mecánico: desequilibrios, desalineaciones, degradación de los cojinetes.<br />Aunque a veces es difícil a partir de un análisis de vibraciones el poder determinar la presencia de averías de tipo eléctrico como la rotura de barras del rotor, o el cortocircuito de espiras de las bobinas del estator.<br />Otro inconveniente del diagnóstico por análisis de vibraciones, radica en la necesidad de incorporar en la máquina los acelerómetros necesarios para poder obtener la señal a monitorizar.<br />MCSA (Motor Current Signature Analysis) <br />Es uno de los métodos más utilizados, se basa en la monitorización de la corriente de estator del motor y su posterior análisis espectral; consiste en evaluar la amplitud relativa los diferentes harmónicos que aparecen en la corriente debido al fallo además es un método no invasivo.<br />Métodos de detección de fallos<br />Existen diferentes métodos invasivos y no invasivos para la detección de fallos utilizando técnicas de análisis de datos de origen eléctrico, mecánico o químico, entre los cuales se pueden resaltar los siguientes: análisis de vibraciones, análisis de temperatura, estimación de parámetros electromagnéticos del motor, análisis de partículas de aceite, análisis de señal de corriente del motor (MCSA) <br />Falla que puede detectarMétodoCortocircuito estatorRoturade barrasExcentricidadesRodamientosVibraciónNOSISISIMCSASISISISITemperaturaSI*NONOSI*PartículasNONONOSI* Posibilidad de indicar indicio de falla<br />Analizando la Tabla se puede concluir que el método que es capaz de identificar el mayor número de fallos es el MCSA. A lo largo de la ejecución de este proyecto se ha utilizado el MCSA como técnica de detección de fallos, la cual se basa en la utilización de la transformada rápida de Fourier de la señal de corriente del estator, con el fin de detectar los distintos tipos de fallos en función del estudio del espectro de frecuencia de la señal muestreada. Cada tipo de falla introduce en el espectro de corriente un armónico a una frecuencia determinada la cual depende del deslizamiento del motor. Es por lo tanto necesario medir las revoluciones del mismo cada vez que se realiza un ensayo.<br /><ul><li>CONTENIDO DEL TRABAJO</li></ul>Equipo a utilizar<br />Para simular los desperfectos se ha construido un banco de ensayos acoplando dos motores de inducción trifásicos a través de poleas de diferentes diámetros. El motor a ensayar ha sido acoplado a la polea de mayor diámetro, actuando como generador el motor acoplado a la polea de menor diámetro. En la imagen se puede apreciar una vista del banco de ensayos con ambos motores acoplados.<br />Ensayos de barras rotas<br />Con el fin de simular la rotura de barras se procedió a perforar las mismas con un taladro.<br />Rotor perforadoRotor perforado<br />En las imágenes se puede apreciar el rotor del motor, podemos ver varias perforaciones en el centro de la jaula de ardilla. Sobre los bordes de esta se pueden distinguir claramente las barras. Una vez ensayado el motor sin ningún desperfecto se procede a sacar el rotor hacer la o las perforaciones necesarias y luego se vuelve a armar. Este proceso se repite hasta culminar con los ensayos.<br />El motor ensayado cuenta con un total de 43 barras. Para hacer referencia a la barra número X. A continuación se enumeran y describen los ensayos realizados.<br />Ensayo 1: se ensayó el motor sin ninguna barra rota, 1429 rpm <br />Ensayo 2: se perforó una barra pero no de forma total. (2), 1429 rpm <br />Ensayo 3: se perforó de forma total 2, total de barras rotas: 1, 1429 rpm <br />Ensayo 4: se perforó de forma total 5, total de barras rotas: 2, 1429 rpm <br />Ensayo 5: se perforó de forma total 8, total de barras rotas: 3, 1429 rpm<br /><ul><li> Ninguna barra rota Una barra rota</li></ul>Dos barras rotas Tres barras rotas<br />Las imagenes corresponden respectivamente a una, dos y tres barras rotas. En todos los casos se normalizo la amplitud de los armónicos con respecto al armónico principal. Todos los ensayos fueron realizados manteniendo la carga constante (1429 rpm). Veamos ahora cuales son las frecuencias características en donde tendrían que aparecer las componentes del defecto.<br />Revoluciones: 1429 rpm<br />En todos los casos se puede verificar la presencia de los armónicos correspondientes a las frecuencias características de la roturas de barras. Si bien esto es significativo, lo que se busca es poder determinar la existencia de una tendencia a medida que aumenta el número de barras rotas. La tabla muestra la amplitud relativa de los armónicos asociados al defecto en función del número de barras. En la figura se grafican dichos resultados. Es evidente que existe una relación directa entre el número de barras rotas y la amplitud relativa de los armónicos.<br />Frec (Hz)Amp (%)NroBarrasRotas45.250,2937045.251,028145.251,83245.251,9623<br />Ensayos de corto circuitos<br />De los tres tipos de fallas simuladas, las de cortocircuito son las que presentan mayor dificultad técnica debido a la rápida evolución del defecto en el tiempo. De todos los tipos de cortocircuitos que se pueden dar en el motor, los que ocurren en una misma fase son los mas difíciles de detectar (las protecciones no se activan). Es por esto que nos concentraremos en este tipo de fallas.<br />Diferentes tipos de cortocircuitos.<br />En la se pueden ver los diferentes tipos de cortocircuitos posibles. En azul, naranja, amarillo y rojo se puede ver cortocircuitos entre dos fases de diferentes magnitudes. En gris se representa una falla a tierra y en verde dos cortocircuitos de una misma fase de diferente magnitud (estos son los defectos que se van a simular).<br />Como primer paso se procedió a identificar las diferentes fases del bobinado del estator.<br />Luego dentro de una misma fase se limó el barniz en diferentes niveles. Para evaluar la magnitud de los posibles cortocircuitos se conectó la fase a una fuente y luego se midió la diferencia de potencial entre los diferentes puntos. Estas medidas se expresaron como un porcentaje del voltaje de la fuente. Luego se colocaron conductores en los diferentes puntos limados y se sacaron hacia afuera por medio de un orificio en el estator. Para asegurarse de no haber producido algún cortocircuito no deseado se protegió el bobinado con una capa de barniz.<br />Estator del motorFases cortocircuitadas<br />1234567120.511.580.645.811.9331.95%1.150.116.341.3946.05%4.41%1.027.510.2252.45%0.42%3.91%6.471.27622.26%24.29%28.77%24.79%7.7577.40%5.33%.84%4.87%29.69%<br />Magnitudes de los cortocircuitos.<br />En la muestra una vez conectada la fuente se procedió a medir la diferencia de potencial entre los diferentes puntos para determinar la magnitud del cortocircuito. El resultado de esto dio origen a esta tabla en donde se expresa la diferencia de potencial y el nivel de cortocircuito que esta representa. Si bien se hicieron las conexiones con el fin de realizar varias pruebas solo se pudieron llevar a cabo unas pocas ya que el motor quedó dañado a causa de los cortocircuitos. En las fallas de mayor magnitud el motor se sobrecalienta y los conductores conectados a los diferentes puntos terminan por sobrecalentarse. Otro problema que se debió afrontar es el hecho que la frecuencia de falla para los cortocircuitos coincide con la de excentricidad por lo que para que los ensayos tengan sentido se mantuvieron la condiciones de carga. A continuación presentaremos los resultados obtenidos. Los ensayos fueron realizados a 1477 rpm (s=0.015). Para estas condiciones de funcionamiento la frecuencia de la falla es 25.38 Hz.<br /> <br /> Sin cortocircuito Cortocircuito de 1.5 %<br /> Cortocircuito de 2.45 % Cortocircuito de 4.41%<br /> Evolución del defecto.<br />En la tabla se pueden ver los cortocircuitos que fueron ensayados. Como se puede apreciar en las imágenes encontramos la presencia de un armónico para una frecuencia de 25.37 Hz. lo que coincide con lo predicho por la teoría (25.38Hz).Luego se graficó la magnitud de la componente a 25.36 Hz en función de la magnitud del defecto para ver si se puede observar una tendencia.<br />Además se puede observar que existe una marcada tendencia a medida que aumenta la magnitud de el defecto por encima del 1.5%. Si bien no se han hecho una cantidad suficiente de ensayos, se podría decir que es posible predecir la existencia de un cortocircuito que por su magnitud no haya producido que se activen las protecciones, pero que mas adelante podría dejar el motor fuera de servicio.<br />En motores de alto voltaje es muy escaso el tiempo que transcurre entre un cortocircuito dentro de una misma fase y un cortocircuito entre fases (segundos o minutos) por lo que una metodología de este tipo sería difícil de aplicar. En el caso de motores de bajo voltaje se podrían detectar cortocircuitos pero se requiere realizar los ensayos con una gran frecuencia debido al rápido desenlace que tienen este tipo de defectos en el tiempo.<br />Ensayos de rodamientos<br />Para simular fallas en los rodamientos se produjeron pequeños defectos en las bolas de los mismos. Al igual que en los casos anteriores se realizaron medidas con el motor funcionando en condiciones normales para luego ensayar diferentes condiciones de falla. Es importante tener en cuenta el número de bolas ya que de esto depende la frecuencia introducida en la corriente estatorica.<br />Resultados obtenidos y análisis<br /> Motor sano Motor dañado<br />Evolución del defecto.<br />Comparando los gráfico (motor sano y dañado respectivamente) podemos ver que es posible detectar la presencia de defectos en los rodamientos. En la grafica se puede ver una clara tendencia entre la magnitud del defecto y la amplitud del armónico relacionado a la falla. Es posible concluir entonces que la metodología es valida para el diagnostico de fallas de rodamientos.<br /><ul><li>RESULTADOS</li></ul>De este trabajo podemos decir que los resultados obtenidos, en las distintos tipos de ensayos realizados el método aplicado para poder desarrollar el Motor Current Signature Analysis es eficiente ya que nos detecta las fallas que pueden haber en los motores de inducción. <br />Diferencia de amplitud entre frecuencia fundamental y banda lateral (dB)DiagnosticoEstado del Motor = 49Motor Sano46 – 49Bueno44 – 46Probablemente tenga barras rotas39 – 44El motor tiene barras rotas35 – 39Motor con barras rotas y probablemente con otra fuente 35Varias barras rotas daño severo<br /><ul><li>CONCLUSIONES
  21. 21. Se vio los tipos de ensayos realizados y se pudo comprender la importancia de este tipo de mecanismo de predicción y en el cual se uso un método Motor Current Signature Analysis para poder determinar tipos de fallas en motores de inducción.
  22. 22. Conforme se ensayaron los diversos tipos de fallas, se pudo observar la eficacia de la metodología de diagnostico. Es importante destacar la eficacia del método, ya que puede implementarse para la detección de diversos tipos de fallas. A diferencia de otras técnicas de mantenimiento predictivo el MCSA probó ser de fácil implementación así como de alta confiabilidad a la hora de diagnosticar diversos tipos de fallas.
  23. 23. BIBLIOGRAFÍA
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  30. 30. http://books.google.com.pe/books?id=X3p4bZfoqgEC&pg=PA16&dq=analisis+vibracional+en+mantenimiento+predictivo&hl=es&ei=QuwoTNH0JYG88gaTgLHCCA&sa=X&oi=book_result&ct=result&resnum=6&ved=0CEQQ6AEwBQ#v=onepage&q&f=false
  31. 31. http://upcommons.upc.edu/pfc/handle/2099.1/6108
  32. 32. http://www.scribd.com/doc/8203474/Analisis-de-Fallas-en-Motores-de-Induccion
  33. 33. ANEXOS</li></ul>Diagnósticoporanálisisde vibraciones<br />Unodelosmétodosclásicos de diagnóstico utilizados, es el análisis de vibracionesde la máquina. En condiciones ideales, en una máquina rotativa no debería existir ningún tipo de vibración. Las imperfecciones en la construcción delasmáquinas,los procesos en los que están implicados y la existencia de averías provocan un incremento global de las vibraciones, o la aparición de frecuencias de vibración nuevas.<br />No obstante es difícil a partir de un análisis de vibraciones el poder determinar la presencia de averías de tipo eléctrico como la rotura de barras del rotor, o el cortocircuito de espiras de las bobinas del estator.<br />Otro inconveniente del diagnóstico por análisis de vibraciones, radica en la necesidad de incorporar en la máquina los acelerómetros necesarios para poder obtener la señal a monitorizar.<br />Motor Current Signature Analisis<br />Comoalternativa al análisis de vibraciones, tenemosla técnica denominada Motor Current Signature Analysis (MCSA), esta se centra en el análisis espectral de las corrientesde estator. Mediante el análisis de las corrientes se pueden diagnosticar averías mecánicas y eléctricas, pero se aplica fundamentalmente en la detección de la rotura de barras de la jaula del rotor.<br />Análisis espectral de la corriente (Motor Current Signature Analysis) en motores de inducción.<br />El Motor Current Signature Analysis usa al motor como un transductor, permitiendo evaluar la condición eléctrica y mecánica del motor. A través del análisis de la corriente del motor se pueden detectar variaciones en la carga o en el propio motor, cada una de estas variaciones tiene una frecuencia característica propia que queda marcada en la corriente de alimentación del motor. Para dar un diagnostico exacto, el sistema Motor Current Signature Analysis utiliza la transformada rápida de Fourier al igual que en el análisis de vibración. Los motores monofásicos y trifásicos pueden ser analizados combinando la desmodulación de corriente y voltaje. Una de las reglas principales en del sistema Motor Current Signature Analysis, “es que si los picos que se muestran en la señal de corriente, también muestran en la señal de voltaje, la falla es de naturaleza eléctrica y si los picos que se muestran en la señal de corriente, no se muestran en la señal de voltaje, la falla es de naturaleza mecánica’’<br />Pasos básicos para el análisis espectral de la corriente (Motor Current Signature Analysis). <br />Los pasos para el análisis Motor Current Signature Analysis son los siguientes:<br />1. Exponga una apreciación global del sistema a ser analizado.<br />2. Determinar si este sistema nos servirá para resolver nuestro problema, debido al mal funcionamiento de la maquina. <br />3. Toma de datos. <br />4. Revisión y análisis de datos. <br />4.1. Tomar la señal de corriente durante 10 segundos, para analizar la maquina durante ese periodo de tiempo.<br />4.2. Revisión a baja frecuencia de la desmodulación de la corriente, para ver la condición del rotor e identificar problemas relacionados con la carga. <br />4.3. Revisión a alta frecuencia de la desmodulación de la corriente y voltaje para determinar fallas eléctricas o mecánicas. <br />Características del motor para realizar el análisis utilizando la técnica Motor Current Signature Analysis. <br />Para que el análisis por MCSA sea aplicable el motor debe cumplir las siguientes características:<br /><ul><li>El motor de inducción monofásico o trifásico debe tener el rotor tipo jaula de ardilla.
  34. 34. El motor no bebe tener ningún tipo de control de velocidad, debe operar a velocidad constante.
  35. 35. El motor debe operar a carga constante.
  36. 36. El motor debe operar por lo menos con el 75% de la carga nominal.
  37. 37. Se debe tener acceso a la línea de alimentación del motor aun cuando este se encuentre ubicado en una zona inaccesible.
  38. 38. La técnica de MCSA puede ser aplicable a motores de cualquier potencia siempre que se elija el sensor de corriente de acuerdo a los niveles de corriente del motor. </li></ul>DETECCIÓN DE FALLA USANDO MCSA<br />Para dar un diagnóstico de un motor de inducción analizando el espectro de la corriente se debe verificar la presencia de bandas laterales alrededor da la frecuencia fundamental, en nuestro caso esta frecuencia es la de la línea de alimentación del 5motor 60(Hz). Las bandas laterales pueden existir debido al desbalance de las impedancias de los devanados, sin que esto sea un indicativo de una falla. Para establecer cuando realmente existe una falla y dar un diagnóstico correcto el MCSA se basa en el criterio de la diferencia de amplitudes que hay entre el pico de la frecuencia fundamental y el pico de la frecuencia de banda lateral.<br />

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