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Optimización de la eficiencia energética de bombas mediante ESA (en español).

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SAM4 detecta los fallos en desarrollo de las bombas industriales

Índice
SAM4 es un sistema de monitorización del estado de los activos basado en el análisis de tensión y corriente impulsado por IA. En este informe, explicamos cómo SAM4 detecta fallos comunes en bombas industriales utilizando resultados reales de datos anonimizados de SAM4, para ayudar a los ingenieros a evaluar el valor de SAM4 para sus propias operaciones.

Cómo funciona SAM4

SAM4 lleva a cabo análisis de la firma eléctrica (ESA). La ESA 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, el ESA proporciona una imagen detallada de lo que ocurre en el tren de transmisión, desde el motor hasta la transmisión y la carga.

Visual sobre el funcionamiento de sam4

SAM4 utiliza las primeras cuatro semanas de mediciones de corriente y tensión para construir un modelo del comportamiento operativo normal del activo conectado. Cuando comienza a producirse un fallo, las señales de corriente y tensión cambian. Analizando este cambio, SAM4 puede determinar:

  • el presencia de una falla en desarrollo.
  • el específico tipo de culpa.
  • cuánto tiempo tiene hasta que ese fallo provoque una avería.

Una vez que SAM4 detecte un fallo en desarrollo, le avisaremos de dos formas: mediante un análisis de semáforo en el panel de control en línea y mediante un correo electrónico con detalles sobre los cambios que hemos observado. Estas alertas también recomendarán los pasos a seguir para resolver el fallo específico en cuestión.

Sistema de notificación por semáforo de SAM4

SAM4 utiliza un semáforo de cuatro colores en el cuadro de mandos del cliente para representar el estado actual del activo, con un análisis detallado.

1. Verde significa que el activo funciona con normalidad. No se contacta con el cliente.

Semáforo Sam4 funcionando con normalidad

2. Amarillo significa que se ha detectado una anomalía en fase inicial. No se requiere ninguna acción inmediata. Se contacta con el cliente por correo electrónico y se le notifica la nueva situación. Esta notificación se repetirá una vez al mes mientras el estado del activo siga siendo amarillo.

Semáforo Sam4 anomalía detectada en fase inicial

3. Naranja significa que la anomalía ha alcanzado una gravedad que requiere una acción. El mecanismo de fallo debería poder detectarse tras una inspección. Se contacta con el cliente por correo electrónico y se le aconseja que inspeccione el activo. Esta notificación se repetirá una vez a la semana mientras el estado del activo siga siendo naranja.

La anomalía del semáforo Sam4 ha alcanzado la gravedad

4. Rojo significa que la anomalía ha alcanzado una gravedad que requiere una acción inmediata. El cliente recibe un correo electrónico y una llamada telefónica avisándole de que debe reparar el activo lo antes posible. Esta notificación se repetirá diariamente mientras el estado del activo siga siendo rojo.

Sam4 semáforo acción inmediata requerida

Cuadro de mandos del rendimiento de las bombas de SAM4

Como SAM4 mide la corriente y la tensión, puede calcular la altura y el caudal instantáneos de una bomba utilizando las leyes de afinidad y la curva de referencia suministrada por el cliente. Las métricas calculadas por SAM4 incluyen una curva de rendimiento de la bomba en tiempo real, que muestra el funcionamiento real de la bomba en relación con su punto de mejor rendimiento (BEP), y una curva de potencia en tiempo real. Esta información también sirve de base para la predicción de averías y el análisis energético de SAM4.

Tablero de rendimiento de la bomba de Sam4
El panel de rendimiento de bombas de SAM4 muestra el funcionamiento real de una bomba en relación con su punto de máxima eficiencia para cualquier intervalo de tiempo deseado, lo que permite una intervención temprana (por ejemplo, para detener la cavitación), así como información a largo plazo para ayudar a ahorrar energía y prolongar la vida útil de la bomba.

Qué puede detectar SAM4

SAM4 puede detectar fallos eléctricos y mecánicos en cada etapa de la ruta de transmisión, desde la alimentación eléctrica hasta la carga.

Red eléctrica y variadores de frecuencia

SAM4 puede detectar y discriminar entre cambios relacionados con la red eléctrica y cambios relacionados con el variador de frecuencia (si está presente).

  • Desequilibrio tensión/corriente
  • Distorsión armónica de tensión/corriente
  • Caídas de tensión* / sobretensión
  • Problemas de calidad de la energía

Dado que SAM4 muestrea el flujo de datos a intervalos discretos, es posible que no siempre se detecten las caídas y subidas de tensión muy breves.

Motores de CA

SAM4 detecta fallos eléctricos y mecánicos en motores trifásicos de CA de cualquier tensión.

  • Cortocircuitos en el estator entre vueltas / entre vueltas
  • Bobinado del estator flojo
  • Desequilibrio eléctrico
  • Barras de rotor rotas / sueltas
  • Excentricidades del rotor
  • Desalineación
  • Pie blando
  • Degradación de los rodamientos
  • Desequilibrio mecánico

Transmisión

SAM4 detecta los fallos mecánicos que se producen en el dispositivo de transmisión de potencia.

  • Excentricidad de acoplamiento / desequilibrio
  • Dientes de engranaje rotos / agrietados
  • Desalineación / excentricidades de los engranajes
  • Desequilibrio de la polea
  • Desgaste de la correa/cadena

Carga

SAM4 funciona en una amplia variedad de aplicaciones, incluidos los siguientes tipos de activos comunes:

  • Bombas centrífugas y de paletas
  • Transportadores
  • Ventiladores y sopladores
  • Mezcladores y agitadores
  • Rolls

SAM4 también funciona en muchas aplicaciones específicas de la industria, como plegadoras de papel, centrifugadoras, grúas, preventores de reventones, batidoras, etc. (Consulte si no ve la suya en la lista).

SAM4 puede detectar los siguientes fallos comunes de la máquina:

  • Cavitación
  • Daños en el impulsor
  • Desequilibrio mecánico
  • Desalineación

(Tenga en cuenta que estos fallos se refieren a la propia máquina; los fallos de acoplamiento/caja de cambios/etc. se tratan en Transmisión, y los fallos eléctricos se tratan en Motores de CA).
Para muchas aplicaciones, SAM4 puede detectar modos de fallo adicionales de interés.

Lo que SAM4 no puede hacer

SAM4 está diseñado para motores de CA trifásicos síncronos* y asíncronos de cualquier tensión**. No puede utilizarse para sistemas accionados por otros medios, incluidos:

  • Motores de CC
  • Servomotores
  • Turbinas de vapor

(Los variadores de frecuencia están bien: SAM4 funciona muy bien con las señales moduladas por ancho de pulsos que producen los variadores de frecuencia para sintetizar la corriente alterna).

Para monitorizar componentes más allá del motor, SAM4 debe ser capaz de medir su impacto en las señales de corriente y tensión. Cuanto más lejos se encuentre un componente en la cadena cinemática, menos información tendrá SAM4. Los activos como bombas, cintas transportadoras, rodillos y ventiladores suelen tener transmisiones relativamente cortas con un número limitado de componentes giratorios y sistemas de accionamiento sencillos.

Los activos como compresores, prensas y máquinas de embalaje suelen tener trenes de transmisión relativamente largos con múltiples componentes giratorios y sistemas de transmisión complejos. A veces, todo lo que SAM4 necesita es más tiempo para analizar la situación; otras veces, simplemente no hay suficiente información con la que SAM4 pueda trabajar. Estaremos encantados de ayudarle a determinar la idoneidad de SAM4 para los sistemas y modos de fallo específicos que necesita supervisar.

En general, los sistemas que utilizan sensores localizados en el activo (como sensores de vibración, de emisiones acústicas y de temperatura) pueden ser una mejor opción para los componentes conectados al motor a través de un acoplamiento flexible que absorbe los golpes y los componentes que están a muchos pasos del motor.

De especial importancia para motores de alto voltaje: SAM4 no detecta actualmente las descargas parciales.

* Otros sistemas son mejores para motores síncronos bipolares, en los que los armónicos eléctricos se alinean con las frecuencias de fallo mecánicas y las superan.

** Siempre que el transformador de tensión tenga una salida de línea a neutro de baja tensión (< 400 V).

¿LO SABÍAS?

Al incorporar detalles de configuración específicos del sector y del cliente, SAM4 puede adaptar su diagnóstico y sus recomendaciones a la situación concreta en la que se encuentre el activo conectado.

Ejemplos de averías en bombas industriales

Cavitación

Aunque la cavitación no es una causa inmediata de fallo de la bomba, con el tiempo dañará impulsores, cojinetes y juntas. Esta causa de degradación de los componentes suele identificarse por un aumento del ruido de fondo del espectro de corriente, especialmente en torno a la frecuencia de alimentación. La evaluación en tiempo real del funcionamiento de la bomba en relación con su punto de máximo rendimiento (BEP) es una métrica de apoyo.

Energía espectral saludable frente a bomba cavitante
Energía espectral de una bomba sana (negro) frente a una bomba en cavitación (azul).

Mapa de calor de la bomba de cavitación del salpicadero Sam4

Para la imagen superior e inferior: Muestra de análisis del cuadro de mandos SAM4 para una bomba cavitante. El uso de caudal alto o bajo depende de la ubicación de los puntos de datos en tiempo real en la curva de rendimiento asociada de la bomba.

Suelo acústico de la corriente de la bomba de cavitación del salpicadero Sam4

Ejemplo 1: Bomba de condensados cavitante

Los cambios en la energía espectral de este motor en la frecuencia fundamental del tren (FTF, también llamada frecuencia de la jaula de cojinetes) llevaron finalmente a SAM4 a diagnosticar cavitación. La figura 2 muestra la energía de la bomba a lo largo del tiempo en dos puntos de funcionamiento: a mayor potencia (negro) y a menor potencia (azul). Las lecturas elevadas en el punto de funcionamiento inferior (azul) indican una posible cavitación y/o degradación de los cojinetes. A continuación, nuestros científicos de datos examinaron los datos de SAM4 curva de la bomba en tiempo real y el ruido de fondo en el dominio de la frecuencia para confirmar la cavitación.

La energía espectral en el ftf en dos puntos de funcionamiento

Figura 3. La energía espectral en la FTF en dos puntos de funcionamiento. El gráfico registra valores anómalos en el punto de funcionamiento azul (menor potencia), pero no en el negro (mayor potencia), lo que indica una posible cavitación en el punto de funcionamiento azul. Una comparación en el dominio de la frecuencia reveló un ruido de fondo elevado en torno a la frecuencia de alimentación, también indicativo de cavitación. (Nota: los gráficos de este informe son anónimos. Los gráficos reales de SAM4 incluyen valores en ambos ejes).

Curva de bombeo en tiempo real Sam4

Figura 4. Curva de bombeo en tiempo real de SAM4 para esta bomba. Curva de bombeo en tiempo real de SAM4 para esta bomba, con su punto de mejor rendimiento (BEP) a velocidad 100% marcado por el triángulo verde. La franja verde marca la ventana de rendimiento aceptable. Los puntos de datos cuando la bomba funciona a menor potencia caen muy a la izquierda de esta ventana, en una zona conocida por ser sensible a la cavitación.

Ejemplo 1: Bomba de producto cavitante

Un aumento temporal del ruido de fondo nos llevó a alertar al cliente. SAM4 siguió detectando periodos intermitentes de aumento de energía en el ruido de fondo, en varios puntos de funcionamiento. El cliente inspeccionó la bomba y descubrió un filtro obstruido. Una vez limpiado el filtro, la bomba dejó de cavitar.

Mapa de calor que muestra los cambios en la energía

Figura 5. Mapa de calor que muestra los cambios de energía relacionados con la cavitación en la bomba. El eje horizontal es la frecuencia; el eje vertical es el tiempo, desde la fecha más antigua en la parte superior hasta la fecha más reciente en la parte inferior. El color indica la energía, de alta en rojo a baja en azul. Las zonas borrosas revelan cavitación, que fue intermitente al principio (parte superior del gráfico) y se hizo más frecuente con el tiempo (centro del gráfico). La inspección reveló un filtro obstruido; una vez limpiado, la cavitación cesó (parte inferior del gráfico).

Ejemplo 3: Bomba sumergible cavitante para torres de refrigeración

SAM4 observó un aumento repentino de la energía en la frecuencia de rotación del motor para uno de los puntos de funcionamiento de la bomba. Durante los días siguientes, la energía siguió aumentando gradualmente en la frecuencia de rotación. Una inspección del espectro completo de frecuencias reveló que el ruido de fondo en torno a la frecuencia de alimentación también había aumentado. Alertamos al cliente de una probable cavitación. En respuesta, el cliente cerró ligeramente la válvula, lo que detuvo la cavitación. Posteriormente, los niveles de energía volvieron a la normalidad. El cliente señaló que el análisis de SAM4 fue especialmente útil para esta bomba, cuya ubicación permanentemente bajo el agua dificulta la inspección.

Energía espectral de la bomba en funcionamiento normal

Figura 6. Energía espectral de la bomba en funcionamiento normal (negro) y en cavitación (azul). Obsérvese el aumento del ruido de fondo en torno a la frecuencia de alimentación (el mayor pico del gráfico).

El comportamiento de cavitación insalubre volvió a la normalidad

Figura 7. Después de que el cliente ajustara la válvula, el comportamiento de cavitación de la bomba (azul) volvió a ser normal (negro).

Ejemplo 4: Álabes de bomba dañados por cavitación prolongada

SAM4 observó un aumento del ruido de fondo en el espectro de corriente y alertó al cliente de que la bomba estaba cavitando. El ruido de fondo siguió aumentando gradualmente. Tres meses después del primer aviso de SAM4, el cliente sustituyó los álabes de la bomba, dañados por la cavitación.

Aumento del ruido de fondo de la energía espectral de la bomba

Figura 8. Energía espectral de la bomba Energía espectral de la bomba cuando empezó a aumentar el ruido de fondo (azul), dos meses después (negro) y tres meses después (verde), justo antes de que el cliente sustituyera las paletas.

Ejemplo 5: Cierre mecánico dañado por cavitación prolongada

SAM4 empezó a detectar cavitación ocasional cinco meses antes de que un aumento sostenido del ruido de fondo del espectro de corriente y un descenso de la potencia activa indicaran que se estaba desarrollando un problema más grave. El cliente inspeccionó la bomba y descubrió que la junta mecánica empezaba a tener fugas. Se sustituyó la junta y el rendimiento de la bomba volvió a la normalidad.

Energía espectral para una bomba sana cuando la junta empezó a tener fugas

Figura 9. Energía espectral de la bomba sana (azul) y cinco meses después (negro), cuando la junta empezó a tener fugas.Mapa de calor que muestra los cambios de energía relacionados con la cavitación en la bomba

Figura 10. Mapa de calor que muestra los cambios de energía relacionados con la cavitación en la bomba. El eje horizontal es la frecuencia; el eje vertical es el tiempo, desde la fecha más antigua en la parte superior hasta la fecha más reciente en la parte inferior. El color indica la energía, de alta en rojo a baja en azul. Las zonas marcadas en rojo corresponden a la cavitación de la bomba.

Indicadores mecánicos (no relacionados con la cavitación)

Los componentes defectuosos dejan señales distintivas en las señales de corriente y tensión a frecuencias relacionadas con su geometría. Por ejemplo, los problemas de los rodamientos de rodillos pueden identificarse por los cambios de energía en las frecuencias de paso de bolas, giro de bolas y jaula del rodamiento, que dependen en parte del número de rodillos y de su tamaño.

Los picos en torno a la frecuencia de alimentación indican que se están produciendo daños en los rodamientos

Figura 11. Los picos en torno a la frecuencia de alimentación en las frecuencias características de este rodamiento indican la aparición de daños en el rodamiento (azul = sano, negro = rodamiento dañado, verde = después de la sustitución).

Análisis del salpicadero de Sam4 para dos averías mecánicas diferentes

Figura 12. Ejemplo de análisis del cuadro de mandos SAM4 para dos fallos mecánicos diferentes.

Ejemplo 6: Averías mecánicas múltiples

SAM4 observó un aumento de energía en varios armónicos de la frecuencia de rotación de la bomba, así como un aumento del ruido de fondo. Un mes después, el cliente detectó tres componentes deteriorados: un acoplamiento de araña estaba desgastado, los álabes estaban atascados y los pernos de la base estaban sueltos.

Comparación de la energía espectral de la bomba cuando está sana y cuando no lo está

Figura 13. Comparación de la energía espectral de la bomba en buen estado (azul) y en mal estado (negro). Obsérvese la naturaleza periódica de los aumentos; estos picos corresponden a la frecuencia de rotación de la bomba y a sus armónicos. Obsérvese también el aumento del ruido de fondo en todo el espectro.

Ejemplo 7: Desalineación motor-reductor en bomba de circulación

SAM4 detectó un aumento repentino de la frecuencia de rotación del eje saliente de la caja de cambios, lo que indica una desalineación. Avisamos al cliente y pusimos la bomba en alerta naranja, para que nuestro equipo de ciencia de datos realizara un seguimiento minucioso. Informamos al cliente semanalmente a medida que la energía seguía aumentando gradualmente.

Siete meses después de nuestra primera alerta, el ciclo de mantenimiento preventivo del cliente confirmó la desalineación radial y axial entre la caja de engranajes y el motor, además de bloques de acoplamiento muy degradados. No se detectaron problemas en otras bombas durante esta comprobación preventiva, que también coincidió con la evaluación de SAM4. El cliente señaló que esta precisión tanto en los verdaderos positivos (fallos) como en los verdaderos negativos (ausencia de fallos) era la prueba que necesitaban de que SAM4 podía ayudarles a abandonar las inspecciones basadas en el tiempo y la sustitución preventiva de piezas.

Un aumento repentino de la energía en la frecuencia de rotación de los ejes salientes

Figura 14. Aumento repentino de la energía en la frecuencia de rotación del eje saliente (flecha naranja), seguido de 7 meses de aumento gradual. La flecha verde indica el lugar donde el cliente realizó el mantenimiento de la bomba. Los puntos azules a la derecha de la flecha verde indican la vuelta de la bomba al funcionamiento normal.

Ejemplo 8: Falta un tornillo en el acoplamiento de la bomba

SAM4 detectó un aumento lento de la energía en la frecuencia de rotación de la bomba. Avisamos al cliente y pusimos la bomba en alerta naranja, para que nuestro equipo de ciencia de datos realizara un seguimiento minucioso. Informamos al cliente semanalmente del aumento gradual de la energía. Tres semanas después de nuestra primera alerta, la energía empezó a aumentar rápidamente y pasamos la bomba a alerta roja. Tres días después, el cliente inspeccionó la bomba en funcionamiento e informó de que las mediciones manuales de vibraciones indicaban una ligera desalineación y desequilibrio. La inspección estroboscópica reveló que al acoplamiento le faltaba uno de sus pernos. El cliente programó la reparación de la bomba en su próxima parada prevista.

El aumento de energía en los puntos marcados con un círculo corresponde a la frecuencia de rotación de las bombas

Figura 15. El aumento de energía en los puntos marcados con un círculo corresponde a la frecuencia de rotación de la bomba.

Evolución del aumento de energía en la frecuencia de rotación de las bombas a lo largo del tiempo

Figura 16. Evolución del aumento de energía en la frecuencia de rotación de la bomba a lo largo del tiempo. Alertamos al cliente en las líneas naranja y roja; ellos realizaron el mantenimiento en la línea verde.

Indicadores eléctricos

El desarrollo de problemas eléctricos afecta instantáneamente al campo magnético del motor y deja firmas distintivas en las señales de corriente y tensión. Por ejemplo, una barra de rotor rota crea una asimetría eléctrica en el rotor que produce un campo magnético contrarrotatorio, induciendo corrientes en el estator a múltiplos del doble de la frecuencia de deslizamiento en torno a la frecuencia de alimentación.

Otro indicador de barra de rotor roto

Figura 17. Otro indicador de barra de rotor rota: las deformaciones térmicas del rotor resultantes inducen picos en la frecuencia de rotación del motor (flechas) modulados en torno a armónicos de la frecuencia de alimentación (líneas verticales).

Análisis del cuadro de mandos de Sam4 para dos fallos eléctricos diferentes

Figura 18. Ejemplo de análisis del cuadro de mandos de SAM4 para dos fallos eléctricos diferentes.

Ejemplo 9: Barra(s) de rotor rota(s)

SAM4 detectó un aumento de energía en la frecuencia de rotación del motor de la bomba. No se observó un aumento del ruido de fondo en torno a la frecuencia de alimentación ni una disminución de la carga, por lo que se descartó la cavitación. Un análisis más detallado indicó la probable rotura de las barras del rotor en el interior del motor, lo que provocaba una deformación térmica del rotor. El cliente ha permitido que el motor siguiera funcionando sin mantenimiento durante cuatro meses desde nuestra primera alerta (punto naranja en la figura 10), tiempo durante el cual se ha intensificado el patrón de degradación.

La energía espectral a la frecuencia de rotación del motor

Figura 19. La energía espectral a la frecuencia de rotación del motor, que muestra un aumento claro e intensificado. El tiempo transcurrido desde la primera alerta del cliente de SAM4 (punto naranja) hasta la parte derecha del gráfico es de aproximadamente cuatro meses.

Otros análisis revelaron picos de energía

Figura 20. Un análisis más detallado reveló picos de energía a frecuencias consistentes con la presencia de barras de rotor rotas. (Motor sano en azul, motor degradado en negro).

Ejemplo 10: Desequilibrio de la corriente

SAM4 detectó un desequilibrio continuo en las fases de corriente del motor de esta bomba. Una investigación más detallada reveló que la diferencia absoluta permanecía esencialmente constante en las distintas cargas, y que otros tres motores del mismo grupo eléctrico mostraban tendencias similares. Esto sugería que el desequilibrio podía deberse a una carga monofásica en otra parte del sistema. Informamos al cliente de esta y otras posibles causas (desequilibrio de tensión en la red eléctrica, desequilibrio de la bobina del motor, una vía de fuga a tierra). El cliente midió el motor y confirmó el desequilibrio, pero sin daños. Recomendamos al cliente que investigara las posibles causas para evitar futuros daños por desequilibrio a largo plazo.

Diferencia de corriente en las fases del motor de la bomba

Figura 21. La segunda fase del motor de la bomba (negra) consumía notablemente más corriente que las otras dos fases.

El desequilibrio de la corriente aumentó a medida que disminuía la carga de los motores

Figura 22. Desequilibrio de la corriente El desequilibrio de la corriente aumenta a medida que disminuye la carga del motor. (El desequilibrio es la diferencia relativa de corriente entre las fases. La diferencia absoluta, representada en el eje vertical, es básicamente constante, pero a medida que disminuye la carga y el motor consume menos corriente, representa un porcentaje mayor de la corriente consumida).

Conclusión

Esperamos que estos ejemplos de detecciones de fallos reales de SAM4 le ayuden a evaluar si SAM4 puede ser un complemento útil para su monitoreo de la condición herramientas. Si desea ver SAM4 en acción, póngase en contacto con
para una demostración sin compromiso. También estaremos encantados de responder a cualquier pregunta que pueda tener sobre el valor de SAM4 para su situación específica.

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