Transferência de Calor em Motores Elétricos

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Área de Inovação e Tecnologia - Artigo
	
	
	
	
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	TRANSFERÊNCIA DE CALOR EM MOTORES ELÉTRICOS DE INDUÇÃO TRIFÁSICOS
	Renato Pagel a
	a Graduando em Engenharia Mecânica no Centro Universitário da Serra Gaúcha (FSG). renatopagel@bol.com.br 
	Jeferson Diehl de Oliveira
Mestre em engenharia mecânica e professor do curso de engenharia mecânica na Faculdade da Serra Gaúcha 
	
	Resumo
O presente trabalho visa tem como objetivo explanar a transferência de calor em motores elétricos de indução. Para tal apresenta como introdução os conceitos de transferência de calor conhecidos e os modelos matemáticos desenvolvidos, além evidenciando os fatores externos que podem contribuir para o aumento da temperatura, e como pode ser monitorado a temperatura através do uso da termografia como técnica de manutenção preditiva.
	Palavras-chave: 
Motor elétrico, transferência de calor 
	
	
1 INTRODUÇÃO
Onde quer que haja progresso, a presença do motor elétrico é imprescindível, desempenhando um importante papel para a sociedade, os motores são o coração das máquinas modernas, por essa razão é necessário conhecer seus princípios fundamentais de funcionamento, desde a construção até as aplicações. 
Os motores elétricos são dispositivos que transformam energia elétrica em mecânica, sendo bastante utilizado este modelo em função de sua diversidade pois combina diversos atributos vantajosos como baixo custo, facilidade de transportes, limpeza, condução e transporte, além da fácil adaptação de montagem as diversas cargas que acionaram.
Os motores elétricos são partes importantíssimas do processo produtivo industrial, não só no Brasil como no mundo. Baseando-se pelo número de equipamentos e facilidades como gerador de força motriz, o parque de motores elétricos é responsável pelo consumo de um terço de toda a energia ofertada no país (Garcia, 2003).
Bonnett e Soukup (1992), num estudo sobre falhas em motores elétricos de indução, definem que as falhas ocorrem devido às seguintes razões: térmica, elétrica, mecânica e ambiental. De acordo com Cezário (2007), a elevação de temperatura é considerada um dos principais fatores prejudiciais ao desempenho e ao funcionamento de qualquer máquina elétrica girante, pelo fato de alterar as propriedades mecânicas e elétricas dos materiais.
Em um motor de indução, uma máquina robusta e de construção simples, a vida útil depende quase exclusivamente da vida útil do isolamento elétrico. Este isolamento é afetado por muitos fatores, como a temperatura de operação, umidade, ambientes corrosivos e outros.
Portanto é de extrema importância um sistema de resfriamento presente nos motores que possam desempenhar a função. A utilização de aletas potencializa a eficiência na troca de energia auxiliando nesta diminuição da elevação da temperatura, sendo um procedimento comum utilizado a várias décadas na fabricação de motores.
Porém todo corpo pode aquecer em função de diversos fatores que influenciam neste aumento de temperatura que serão abortados mais abaixo, sendo importante um acompanhamento da alteração na condição do equipamento. A medição e análise da temperatura é realizada através do uso da técnica de termografia, que utilizado equipamentos e métodos.
2 OBJETIVO
O objetivo do presente trabalho é fazer uma análise comparativa dos fatores de influencia na transferência de calor em motores elétricos de indução trifásicos, que pode ser aplicado a diversos ambientes, com temperaturas diferentes, compreendo assim o que pode influenciar no aumento de temperatura dos motores e consequentemente a falhas para determinação das soluções mais viáveis que auxiliem na diminuição da queima de motores.
3 FUNDAMENTAÇÃO TEORICA
Utilizando de modelos que exploram os conceitos físicos e matemáticos da resistência térmica para modelar a transferência de calor, fornecendo valores de coeficientes para indução e convecção dos materiais. Assim a transferência de calor por condução é o processo em que o calor fui através de um solido. No modo de condução, o calor é transferido por mecanismo complexo, no qual os átomos interagem em colisões elásticas e inelásticas, a fim de propagar a energia das regiões de temperatura mais alta para as de temperatura mais baixa (KREITH; BOHN, 2003).
A condutividade térmica do material é classificada como uma propriedade de transporte e indica a taxa pela qual a energia é transferida pelo processo de difusão. Ela depende da estrutura física da matéria, atômica e molecular, que, por sua vez, está relacionada ao seu estado da matéria. O fluxo de calor por condução aumenta com o aumento da condutividade térmica (INCROPERA; DEWITT, 2003).
Sendo que este processo é regido pela lei de Fourier que denomina que se for mantida uma diferença de temperatura através de um meio estacionário, haverá um aparecimento de um fluxo de energia, na forma de propagação de calor, no meio.
QCOND = - k A dT/ dx		(1)	 
Sendo que:
QCOND = taxa de calor por condução;
A = área de troca térmica (transversal ao fluxo de calor);
dT/dx = gradiente de temperatura na direção x;
k= condutividade térmica do material.
	A transferência de calor por convecção ocorre entre um fluido em movimento e uma superfície quando os dois se encontram a diferentes temperaturas (INCROPERA; DEWITT, 2003). Diante da dependência de tantas variáveis, Moreira (2012) afirma que a determinação do coeficiente de convecção se torna complexa e exige solucionar equações diferenciais da condução de calor. A taxa de transferência de calor é calculada seguindo a lei de resfriamento de Newton com seguinte formula:
QCONV = h . A . ΔT = h . A . (TS - T1)	(2)
Sendo que:
QCONV = taxa de calor por convecção;
h = coeficiente de película ou coeficiente de transferência de calor;
A = área de troca térmica;
ΔT = diferença de temperatura entre a superfície sólida e a temperatura do fluido;
TS = temperatura da superfície;
T1 = temperatura do fluido.
Para realizar esta transferência de calor do motor a necessidade que exista uma superfície estendida ou aleta, é comumente utilizada para aumentar a transferência de calor entre os processos de condução no interior de um solido e convecção na superfície do solido. Segundo HUANG e SHAH (1992) aletas são essencialmente usadas para aumentar a área da superfície e consequentemente, aumentar a taxa de transferência de calor.
Para dimensionamento das aletas existe a necessidade de conhecimentos de alguns parâmetros como efetividade, sendo o parâmetro definido como a razão entre a taxa de transferência de calor pela aleta e a taxa de transferência de calor que existiria sem a aleta. 
Ɛf = qf / h Ac,b ϴb	(3)
Sendo que:
qf = taxa de calor transferida pela aleta;
h = coeficiente de transferência de calor;
Ac,b = área da seção reta da aleta na sua base;
ϴb = (tb – Too)
Além da eficiência que está relacionada com o desempenho da aleta, sendo a relação entre a taxa de calor transferida pela aleta e a máxima taxa de transferência de calor possível (Imaginária) de ser transmitida. Este calor flui da superfície para aleta por condução e da aleta para o meio por convecção. Esta eficiência global da superfície, ηo, que caracteriza o conjunto de aletas e a superfície da base sobre a qual está montada, é função da área da superfície aletada Af, da área total da superfície At e da eficiência de uma aleta ηf. (INCROPERA; DEWITT, 1992).
				(4)
Nas aplicações em que motores de indução autoventilados controlador por conversor de frequência estática apresentam uma elevação de temperatura quando controlados em baixa rotação, essa elevação de temperatura é proveniente do aumento das perdas do motor em função das formas de controle que o inversor de frequência realiza, aliada a reduzida transferência de calor em função da variação de velocidade.
As distorções que acontecem na tensão enviada ao motor alimentado por inversor contribuem para o incremento das perdas, uma vez que criam no aço laços menores de histerese, aumentandoa saturação efetiva do núcleo, além de gerarem correntes harmônicas de alta frequência, que acarretam aumento das perdas Joule nos condutores. No entanto, essas componentes de alta frequência não contribuem para a produção de torque do motor em regime, uma vez que não aumentam o fluxo fundamental no entreferro, que gira a velocidade síncrona (WEG, 2016).
	As temperaturas ambientes nos quais os motores elétricos são empregados é de extrema importância para o correto funcionamento do equipamento. Em casos de temperaturas negativas pode haver a formação de gelo impedindo a transferência do calor, gerando acúmulos de condensados, endurecimento de lubrificantes. A também os casos de temperatura bastante elevada atingindo basicamente a isolação do enrolamento do motor que possuir classes especificas de acordo com a aplicação do local. A norma NBR7094, cita algumas condições usuais para utilização dos fatores de temperatura ambiente.
Gráfico 01 – Potência do motor versus temperatura ambiente
Fonte: Guia de aplicação de inversores WEG
	 A altitude traz influencia na temperatura dos motores em função da rarefação do ar, ou seja, em altitudes superiores a 1000 metros possuímos menos ar e consequente diminuição no arrefecimento do motor, esta insuficiência na transferência de calor entre o motor e o ambiente leva a exigência da redução de perdas, o que leva também a perda de potência do motor. Sendo para os dois casos de altitude e temperatura do ambiente a norma que rege estes fatores se encontra na NBR-7094, que determina as condições usuais de operação.
Gráfico 01 – Potência do motor versus altitude
Fonte: Guia de aplicação de inversores WEG
	Outro fator de influência na temperatura de operação dos motores de indução é a regularidade da carga em que o motor é submetido denominando-se regime de serviço, ou seja, determinado motor deve acionar um tipo de carga especifica para a qual foi dimensionado. A utilização de outro regime de partida diferente daquela a qual foi dimensionada pode ocasionar o aumento da temperatura do motor e consequente danos ao mesmo.
Figura 01 – Regimes de trabalho para diferentes cargas
Fonte: Artigo técnico WEG (2015)
	Algumas das causas do aumento de temperatura de motores também possuem relação com a falta de manutenção dos equipamentos. Dentre as principais causas podemos citar a vibração da máquina, pois em caso de vibrações anormais provenientes de má alinhamento, má fixação da base, balanceamento inadequado causam redução do rendimento do motor e consequentemente aumento na temperatura. Veratti (1997) verificou que o aquecimento nos acoplamentos pode ser devido ao desalinhamento ou à falta de lubrificação (no caso de acoplamentos autocompensados). Em ambos os casos se adota um aquecimento de 20°C em relação ao ambiente como limite crítico. Acima desse valor recomenda-se um procedimento de verificação e manutenção, se necessário.
Figura 02 – Câmera termográfica
Fonte: Fluke 2017
	A termografia é a técnica utilizada para detecção e/ou mapeamento em determinada região afim de distinguir diferentes temperaturas, podendo ser também tratada como a ciência que trata da reprodução de imagens a partir da emissão da radiação infravermelha. É baseada na medida da radiação eletromagnética emitida por um corpo a uma temperatura acima do zero absoluto (PELLIAZARI, 2006). 
	A radiação infravermelha é emitida por qualquer objeto de acordo com a lei de corpo negro. A radiação emitida por um corpo é proporcional a sua temperatura, se o corpo está irradiando em uma temperatura mais alta que os que cercam, a transferência de calor se dará obedecendo a lei da termodinâmica.
		Uma técnica de inspeção proativa, sem contato e não invasiva que costuma ser muito bem adequada como parte de um programa de manutenção preditiva, sendo um método mais fácil, mais rápido e mais seguro de detecção precoce de condições de falha. Inspeção, com o tempo, de equipamentos sob condições de funcionamento idênticas, permitindo que anomalias térmicas sejam detectadas precocemente. Inspeção de equipamentos em funcionamento sob carga total, minimizando interferências na produção Inspeção de equipamentos elétricos energizados de difícil acesso. Redução das perdas de produção decorrentes de paradas não planejadas, aumentando a produtividade e a lucratividade. Redução do tempo necessário para um desligamento planejado.
4 DISCUSSÃO
 	Para realizações de medições de temperatura de motores foram utilizados para realizar as medições em campo os seguintes equipamentos devidamente calibrados: paquímetro digital com capacidade de 250 milímetros da marca Mitutoyo, câmera infravermelha modelo VT02 da marca Fluke, termômetro modelo AK28 da marca AKSO. 
As câmeras são classificadas de acordo com o comprimento de onda do componente onde se deseja realizar a inspeção, os metais são enquadrados entre 0,8 a 1,0 microns, vidros podem variar de 1,0 até 14,0 microns (VERATTI, 1992).
A câmera utilizada possui capacidade de temperatura entre -10°C e 250°C, atuando na faixa espectral de 6,5 a 14um, com frequência de captura de 8Hz, conforme figura abaixo.
Figura 03 – Câmera infravermelha FLUKE 
Fonte: FLUKE (2017)
Podemos perceber que existe aquecimento na tampa dianteira do motor de indução e próximo a caixa de ligação em função das dificuldades de as aletas conseguirem realizar o correto resfriamento neste local, além de ser possível visualizar que existe uma diferença de mais de 20°C entre a temperatura ambiente e o ponto mais quente do motor, evidenciando a falta de manutenção preventiva, conforme figura abaixo.
Figura 04 – Imagem de Termograma do motor elétrico
Fonte: Autor
Além disto em análises termográficas é possível visualizar os problemas de sistema dinâmicos que influenciam na performance do motor elétrico, abaixo o exemplo de desalinhamento do acoplamento afetando o aquecimento do rolamento da tampa dianteira do motor elétrico, possui um delta de mais de 50°C de diferença de temperatura para o ambiente.
Figura 05 – Imagem de termograma com diferenciação infravermelha
Fonte: Revista Electro Industria
	Contudo o uso da termografia é possível verificar que o motor elétrico dimensionado e devidamente instalado pode operar de forma correta, sendo a sua concepção de ventoinha e aletas realizando a refrigeração da carcaça, na figura abaixo é possível verificar que o motor elétrico operando próximo a corrente nominal de placa de identificação, mantendo a temperatura de trabalho dentro do satisfatório.
Figura 05 – Corre
 
5 CONCLUSÃO
A vida útil de um motor elétrico está diretamente relacionada às propriedades térmicas e dielétricas dos seus materiais isolantes, cujo envelhecimento é proporcional ao aumento da temperatura de operação do motor. A termografia complementa de forma simples e econômica os trabalhos preditivos, pois para sua execução não há necessidade de paradas, permissões especiais e é realizada de forma oportunista, possibilitando um diagnóstico criterioso e atuando em partes monitoradas do equipamento.
6 REFERÊNCIAS
MINISTÉRIO DAS MINAS E ENERGIA. Secretaria de Energia. Departamento Nacional de Desenvolvimento Energético. Eficiência Energética. Brasília, dez.2001. Disponível em: http://www.mme.gov.br/desenvenergetico/Documentos. Acesso em: 05 mai. 2017.
CEZÁRIO, Cassiano A.; Análise do Escoamento de Ar em Motores de Indução Totalmente Fechados. Florianópolis, outubro de 2007.
VERATTI, Bruno A. Termografia: princípios aplicações e qualidade. São Paulo: ICON Tecnologia e Serviços LTDA, 1992.
ITC, Infrared Training Center: Manual do curso de termografista nível I, rev. 1 Danderyd, Suécia, 2007.
Termômetro IR Visual VT02.Disponível em: 
<http:// www.fluke.com/fluke/brpt/termometros/termometros-por-infrarrojos/VT02-Visual-IR-Thermometer.htm?PID=75051>. Acesso em: 20 mai. 2017.
MOREIRA, José R.; Processos de Transferência de Calor. USP, setembro de 2012.
PELLIZARI, E.; Martins C.O. D.; MENEZES, A. F. S.; REGULY A. Aplicações da termografia como ferramenta de manutenção preditiva em conectores elétricos. CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIAS DE MATERIAIS.
Disponível em: <http://www.metallum.com.br/17cbecimat/resumos/17Cbecimat-307-001.pdf>.
SANTOS, C. H. A. Termografia: Ferramenta de Manutenção, 2008. Disponível em:< http://www.mar.mil.br/caaml/Revista/2008/Portugues/19-Pag60.pdf> Acesso em: 18 mai. 2017.
S.S. Jocélio, Contribuição à Análise do Comportamento Térmico de Motores de Indução Trifásicos com Rotor Tipo Gaiola, Tese de Doutorado Unicamp, Campinas, abril de 1989.