Diagnosticando falhas: análise de Assinatura Elétrica ESA

A Análise da Assinatura Elétrica, ou ESA – Energy Signature Analysis, é um conjunto de técnicas que analisam a condição e geram prognósticos de falhas em equipamentos, por meio da avaliação de sinais elétricos de tensão e corrente.

A técnica se desenvolveu nos últimos anos e é utilizada em diversos tipos de indústria como nuclear, óleo e gás, bens de consumo, mineradora e siderúrgicas, sobretudo em conjunto com outras técnicas de manutenção preditiva.

A aplicação industrial de técnicas ESA visam melhorar a confiabilidade do equipamento, porque geram maior robustez para o diagnóstico da condição de ativos como motores, geradores, transformadores e outros bens de produção.

 Os resultados esperados são:

• Aumento da vida útil dos equipamentos;
• Mais disponibilidade de máquinas;
• Menores custos de manutenção;
• Redução do consumo de energia.

Como funcionam as análises?

A rede elétrica está sujeita a fenômenos que distorcem os sinais de tensão e corrente, afetando a qualidade de energia.

As distorções provocam vários problemas nas instalações elétricas e ativos, como: sobreaquecimento, que pode ocasionar redução da vida útil, perda de eficiência, queda do fator de potência e vibrações mecânicas nas máquinas.

A assinatura elétrica deve ser feita para identificar e monitorar o estado dos valores de correntes e tensões dos sistemas de energia, toleráveis dentro de um quadro de qualidade de energia saudável.

Vamos ver 4 técnicas de análise utilizadas pela ESA que avaliam a qualidade de energia e identificam falhas elétricas nos ativos.

1. Análise espectral de energia

A análise espectral de energia é uma técnica utilizada para avaliar profundamente os sinais de tensão e corrente.

É a decomposição do sinal em suas componentes de frequência, permitindo identificar características específicas do sinal, como a presença de ruído ou componentes indesejados, as famosas harmônicas.

Um sinal harmônico pode ser definido como um sinal cuja frequência é múltiplo inteiro da frequência fundamental do sinal de alimentação, causando distorções na forma de onda e impactando a rede elétrica.

No gráfico acima vemos a distorção causada pelas harmônicas em um sinal de corrente, com picos destacados até o 19º grau.

As harmônicas são causadas por cargas não lineares, equipamentos de eletrônica de potência como inversores de frequência, máquinas de solda e retificadores carregadores, que geram correntes e tensões não senoidais.

Os principais efeitos observados em instalações e componentes submetidos à presença de harmônicas são:

1 .1 Aquecimento Excessivo

Uma das principais consequências das correntes harmônicas, pode afetar componentes elétricos como fios, cabos, enrolamentos de transformadores, motores e geradores.

1.2 Disparos de Dispositivos de Proteção

Os sinais harmônicos podem causar correntes com valores pequenos, mas com picos elevados, o que pode fazer com que alguns dispositivos de proteção termomagnéticos e diferenciais disparem indevidamente.

1.3 Ressonância

Ocorre quando uma capacitância está em paralelo com uma indutância, formando um circuito que elevam sinais de uma determinada frequência. Com isso, certas harmônicas podem ser amplificadas, provocando danos principalmente nos próprios capacitores, levando-os à queima ou explosão.

1.4 Vibrações e Acoplamentos

Altas frequências harmônicas também podem causar vibrações e interferências eletromagnéticas, prejudicando a qualidade de comunicação ou da troca de dados e sinais.

 1.5 Aumento da Queda de Tensão e Redução do Fator de Potência

A presença de harmônicas também pode causar aumento na queda de tensão e redução do fator de potência devido a distorções nos sinais e o mal aproveitamento da energia.

Para avaliar a intensidade da distorção causada pelas harmônicas em relação à fundamental, existe o indicador de Distorção Harmônica Total de Tensão (DDT).

O DDT deve ser monitorado para avaliar se permanece dentro dos limites toleráveis de distorção harmônica. Na tabela abaixo temos os valores de referência estabelecidos pela ANEEL para o DDT em função da tensão nominal do sistema elétrico:

2. Análise de forma de onda

Outro tipo de deformação na forma de onda de tensão ocorre quando são produzidas variações de tensão como afundamentos, interrupção, sobretensão e flutuação.

Segundo a IEEE, o afundamento é uma queda abrupta na tensão elétrica, seguida de uma recuperação rápida. Já a interrupção da energia é quando a tensão cai abaixo de um limite específico, geralmente 1% da tensão nominal.

Essas variações são geralmente causadas por aumentos repentinos na corrente, como curtos-circuitos, ligações ou desligamentos de cargas de alta potência.

A sobretensão é uma tensão elétrica acima do valor normal (geralmente 10%) e pode ser de curta ou longa duração, sendo as de curta duração mais intensas.

A flutuação de tensão é caracterizada por variações na amplitude do sinal elétrico, periódicas ou aleatórias, com uma margem de 10% em relação ao valor nominal. 

Flutuações aleatórias são causadas por fornos a arco elétrico em dependência do estado de fusão em que o material se encontra, as repetitivas são causadas por máquinas de solda, elevadores de minas e laminadores, enquanto as esporádicas por partida direta de motores de grande potência.

Por que o monitoramento de energia elétrica é importante?

As variações de tensão causam diferentes efeitos dependendo da carga, equipamentos com circuitos eletrônicos como CLP’s e VFD’s, são sensíveis a todos os tipos de oscilações e podem apresentar problemas operacionais, assim afetando os processos.

Já outros equipamentos como relés e máquinas automatizadas apresentam problemas de funcionamento relacionados à alteração da amplitude de tensão.

3. Análise de Equilíbrio de Fases

Em sistemas trifásicos o balanceamento entre cada uma das fases é fundamental. Caso as fases apresentem diferentes valores de tensão ou defasagem angular diferentes de 120°C, o sistema é considerado em desequilíbrio.

Para calcular o desequilíbrio de corrente ou tensão utiliza-se a fórmula abaixo:

O desequilíbrio de tensão pode ocorrer devido a problemas estruturais da rede ou por problemas funcionais da instalação.

Problemas estruturais estão relacionados a problemas em transformadores, linhas de transmissão e bancos de capacitores, enquanto problemas funcionais ocorrem pela má distribuição de cargas monofásicas ou pela variação nos ciclos de demanda de cada fase.

Uma operação desequilibrada em um sistema elétrico de potência resulta em perdas adicionais de energia, aquecimento adicional de equipamentos e, principalmente, afeta a operação de motores de indução. Desequilíbrios de 3,5% na tensão aumentam as perdas do motor em até 20% e desequilíbrios acima de 5% causam problemas operacionais imediatos.

Valores na faixa de 1 a 2% também são prejudiciais, pois causam um consumo de energia excessivo de até 10% e se não forem monitorados podem passar longos períodos sem serem detectados.

4. Análise de Fator de Potência

O fator de potência mostra o aproveitamento da potência ativa e reativa em relação à potência total do sistema. Pode ser utilizado para avaliar a eficácia com que a energia está sendo transferida para as cargas do sistema.

A potência reativa é relacionada com cargas indutivas e capacitivas, sendo utilizada para produzir os campos eletromagnéticos. Já a potência ativa é associada com cargas resistivas, sendo responsável por produzir o trabalho útil realizado pelas máquinas.

Quanto mais próximo de 1, mais bem utilizada e eficiente é a energia. Porém, equipamentos com cargas indutivas como motores e transformadores precisam de energia reativa, portanto esse número acaba sendo reduzido.

Um baixo fator de potência pode fazer com que as perdas no sistema aumentem e mais energia é necessária para realizar a mesma atividade. Isso significa maiores custos com a conta de energia.

Outro aspecto importante são as multas relacionadas ao baixo fator de potência.

A resolução 456 da ANEEL estabelece o valor de 0,92 como fator de potência mínimo para instalações com alimentação em alta e média tensão, e deixa a critério da concessionária cobrar ou não de clientes em baixa tensão.

As normas também determinam o controle e monitoramento permanente do fator de potência para unidades consumidoras de alta e média tensão.

A correção do fator de potência é realizada usando bancos de capacitores que reduzem as perdas e situações inerentes ao baixo fator de potência.

Como realizar a ESA nos equipamentos?

A ESA fornece informações sobre qualidade da energia utilizada o tempo todo pelos equipamentos. Por isso é essencial monitorar as instalações, identificar falhas elétricas de forma automática e agir rapidamente.

Uma alternativa para isso é o Energy Trac, sensor de monitoramento de tensão e corrente da TRACTIAN. Com ele, é possível monitorar motores, compressores, bancos de capacitores, painéis elétricos ou outros ativos, realizando continuamente a ESA e fazendo a gestão de energia completa.

O sensor tem instalação não invasiva com garras de corrente (TC’s) e cabos de tensão (TP’s) podendo medir ativos com até 5.000 A e 500 V fase-neutro.

O Energy Trac coleta dados de tensão, corrente, potência e consumo de energia e usa conexão 3G/4G para enviar os dados à plataforma da TRACTIAN para entender o comportamento das máquinas e elaborar estratégias de manutenção.

Mas o sensor não apenas detecta quando algo está errado. Ao identificar um problema, envia alertas automáticos e prescritivos sobre cada modo de falha e fornece soluções práticas e rotas de ação para solucioná-lo.

A tecnologia de detecção de falhas TRACTIAN recebeu uma patente da principal instituição patenteadora do mundo

O sistema de monitoramento online da TRACTIAN por si só aprende o comportamento dos ativos, antecipa falhas, previne quebras, tempo de inatividade e aumenta a eficiência energética.

Monitorar a energia é uma ótima estratégia para reduzir custos e aumentar a eficiência da sua empresa! Entre em contato com um especialista da TRACTIAN e agende uma demonstração. 

Referências bibliográficas

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