¿Qué es el análisis de firma eléctrica (ESA)?

En el mundo del mantenimiento industrial y la fiabilidad, anticiparse a los fallos de los equipos no es sólo un objetivo, sino una necesidad. Ahí es donde un enfoque de mantenimiento basado en la condición (también conocido como mantenimiento predictivo), apoyado por monitoreo de la condición está transformando la forma en que las empresas industriales predicen y previenen los fallos de sus equipos. En el moderno conjunto de herramientas de monitorización de la condición, hay 5 tecnologías principales: análisis de vibraciones, análisis del aceite, análisis de emisiones acústicasLa termografía infrarroja y el análisis de firmas eléctricas (ESA). Aunque muchos han oído hablar del análisis de vibraciones y aceite y lo han utilizado durante décadas, no muchos conocen el ESA. Entonces, ¿qué es el ESA y qué lugar ocupa en las herramientas de mantenimiento predictivo?

La esencia de la ESA

Mientras que otras técnicas de control de estado analizan las vibraciones, el aceite o la temperatura, ESA analiza la tensión y la corriente que se suministra al motor que acciona la válvula, la bomba u otro equipo para controlar con precisión el estado de toda la máquina. Se basa en el hecho de que los cambios sutiles en el funcionamiento de una máquina afectan al campo magnético del motor conectado, que a su vez afecta a la tensión de alimentación y a la corriente de funcionamiento. Mediante diversas técnicas analíticas, ESA puede proporcionar una imagen detallada de lo que ocurre en todo el tren de transmisión, desde el motor hasta la transmisión y la carga.

ESA frente a MCA: ¿En qué se diferencian?

En esencia, el ESA es un primo cercano del análisis de circuitos de motor (MCA). Sin embargo, hay una diferencia crucial: El ESA se realiza mientras la máquina está en funcionamiento (o "en línea"), mientras que el MCA se realiza mientras la máquina está desenergizada ("fuera de línea"). Como se desprende de esta descripción, sólo la ESA puede proporcionar una visión continua del estado de la máquina.

La evolución de MCSA a ESA

Existe una vertiginosa variedad de métodos de análisis eléctrico. Probablemente se haya encontrado con análisis de la firma de corriente del motor (MCSA), análisis de firmas eléctricas (ESA), análisis de la calidad de la energía, etc.

Pero todo empezó con MCSA.

El paso de MCSA a ESA refleja un avance significativo en tecnologías de control de estado. Comenzó a mediados de los años ochenta, cuando el Laboratorio Nacional de Oak Ridge (ORNL) se embarcó en un proyecto a instancias de la Comisión Reguladora Nuclear de Estados Unidos [1]. El objetivo del proyecto era explorar métodos para controlar el envejecimiento y el desgaste de las válvulas motorizadas de las centrales nucleares, lo que marcó el inicio de lo que hoy conocemos como MCSA.

MCSA: Los cimientos

El MCSA surgió de los esfuerzos del ORNL por aprovechar la información de la corriente de funcionamiento de los motores, un método que ofrecía la ventaja de la adquisición de datos remota y no intrusiva. Estos primeros trabajos establecieron varias técnicas bajo el paraguas del MCSA capaces de detectar daños y fallos inminentes en los motores. La capacidad de MCSA para diagnosticar problemas basándose únicamente en el análisis de la corriente fue pionera y sentó un precedente para futuras innovaciones en este campo.

Transición a la ESA

El éxito de la aplicación de MCSA sentó las bases para que ORNL desarrollara otras herramientas de acondicionamiento y análisis de señales. Además de analizar la corriente eléctrica, añadieron el control de la tensión y la potencia. Esto ha dado lugar a un potente conjunto de técnicas, agrupadas bajo el término de análisis de firmas eléctricas (ESA). Al integrar parámetros adicionales como el voltaje junto con la corriente, el ESA ofrece una visión más detallada y holística del estado de una máquina, mejorando las capacidades de mantenimiento predictivo de industrias de todo el mundo.

La técnica tiene un largo historial, como acaba de ver. En la actualidad, empresas de sectores tan diversos como el agua, las aguas residuales, el acero y el petróleo y el gas utilizan la ESA para reducir el riesgo de avería de las máquinas, mejorar la fiabilidad y la eficacia, ahorrar energía y reducir costes.

Ventajas de la ESA

A continuación se enumeran algunas de las principales ventajas de la ESA sobre otras técnicas de monitorización del estado, que la convierten en una herramienta insustituible y esencial como parte del conjunto de herramientas de mantenimiento integral.

Control de estado realmente remoto

La ESA se diferencia de todas las demás técnicas de control de estado en que los sensores eléctricos no necesitan estar cerca de la máquina. Utiliza transformadores de corriente y tomas de tensión que se instalan en el armario de control del motor, donde captan las tres fases de la corriente y la tensión a alta frecuencia las 24 horas del día. Esta es la primera gran ventaja de ESA. No importa si su bomba está sumergida en aguas residuales o si está haciendo pasar acero fundido a 2.000 grados sobre sus rodillos; los sensores ESA son fáciles y seguros de instalar, y están protegidos de los peligros operativos.

Tecnología fiable de detección de fallos

Como su nombre indica, los sistemas ESA destacan en la detección de fallos eléctricos en cuanto empiezan a producirse. Teniendo en cuenta que aproximadamente 30% de los fallos de motores industriales se deben a fallos eléctricos, esto es una gran noticia y un punto en el que ESA realmente destaca. Los sistemas ESA detectan los fallos eléctricos antes que cualquier otra tecnología de monitorización de estado. Esto incluye barras de rotor rotas, corrientes de cojinetes, fallos del estator y problemas de calidad de la energía. Esto se debe a que los cambios eléctricos afectan directamente al campo magnético del motor. Al medir la corriente y la tensión, el análisis de firmas eléctricas tiene acceso directo a la primera señal de que se está empezando a producir un daño.

Sin embargo, es un error común pensar que la ESA sólo puede detectar fallos eléctricos; también puede detectar y localizar fallos mecánicos. Por ejemplo, los fallos mecánicos como un acoplamiento desalineado provocarán vibraciones que influirán en el entrehierro entre el estator y el rotor del motor, causando perturbaciones en el campo magnético y, a su vez, afectando a la tensión de alimentación y a la corriente de funcionamiento.

Más información sobre el rendimiento de los activos y la eficiencia energética

Más allá de las capacidades de detección de fallos, los sistemas basados en ESA pueden realizar un seguimiento y ofrecer una gran cantidad de información adicional, como una curva de rendimiento de la bomba en tiempo real y métricas de eficiencia energética. Todas estas métricas requieren datos de corriente y tensión, por lo que son exclusivas de los sistemas ESA.

• Curva de rendimiento de la bomba en tiempo real: Las leyes de afinidad de las bombas permiten a la tecnología ESA transformar sus mediciones de corriente y tensión en estimaciones precisas de potencia, altura y caudal en tiempo real. Esto permite a estos sistemas trazar el funcionamiento de una bomba en relación con su punto de mayor rendimiento en tiempo real. Esta información puede ayudarle a reconducir una bomba a su punto de máximo rendimiento, reduciendo la cavitación y aumentando la vida útil de cojinetes y juntas. Con el tiempo, los datos pueden indicarle dónde el rediseño o la sustitución supondrían mayores ganancias de costes y eficiencia.
• Información sobre eficiencia energética: Los sistemas ESA pueden utilizar los datos de corriente y tensión que se extraen del sistema para hacer un seguimiento de la eficiencia real de una máquina de un momento a otro. Esta información puede utilizarse para realizar cambios a corto plazo, rápidos y de bajo coste, como cambiar el tamaño de la bomba, y también para tomar decisiones a largo plazo, como actualizar la bomba para que sea más eficiente.

Es bueno señalar aquí que, aunque sólo los sistemas ESA dispondrán de los datos necesarios para calcular todas estas perspectivas adicionales, van más allá de la supervisión de la detección de fallos. Por tanto, no todos los proveedores de ESA ofrecerán todas estas funciones.

La AEE en el siglo XXI

A medida que las industrias evolucionan hacia operaciones más inteligentes y eficientes, el papel de la ESA en las estrategias de mantenimiento proactivo nunca ha sido más crítico. Ya no se trata sólo de evitar tiempos de inactividad imprevistos; se trata de aprovechar los datos sobre el estado y el rendimiento de los activos para tomar decisiones informadas y oportunas que mejoren la fiabilidad y el rendimiento de los activos industriales críticos. Los sistemas ESA del siglo XXI encarnan este cambio, proporcionando información adicional importante a través de la cual los equipos de mantenimiento pueden prever y actuar de forma proactiva para mantener sus activos funcionando de forma más eficiente, durante más tiempo.

Referencias

[1] "Electrical Signature Analysis (ESA) for Condition Monitoring & Condition based Maintenance" del Laboratorio Nacional Oak Ridge (2001).