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Conceitos de Motores Elétricos e Identificação de Falhas por MCA R. José P. Xavier Sobrinho, nº89 e 101 - B. Triângulo – Pedro Leopoldo, MG – CEP: 33.600-000 Tel: +55 31 3661-3374 / +55 31 8421-5534 www.mgstecnologia.com.br mgs@mgstecnologia.com.br http://www.mgstecnologia.com.br/ mailto:mgs@mgstecnologia.com.br P ág in a2 Treinamento Conceitos de Motores Elétricos e Identificação de Falhas por MCA Sumário INTRODUÇÃO ..................................................................................................................................................... 4 CONCEITOS E PRINCÍPIOS BÁSICOS DOS MOTORES ELÉTRICOS ........................................................................ 5 Conceitos da Eletricidade Básica .................................................................................................................... 5 Conceitos Básicos de Motores Elétricos ........................................................................................................ 8 1. Potência .............................................................................................................................................. 8 2. Rotação ............................................................................................................................................... 9 3. Tensão ................................................................................................................................................ 9 4. Frequência .......................................................................................................................................... 9 5. Grau de Proteção .............................................................................................................................. 10 6. Carcaça ............................................................................................................................................. 11 7. Classe de Isolamento ........................................................................................................................ 11 Tipos de Motores Elétricos........................................................................................................................... 12 Motores AC ............................................................................................................................................... 12 Motores DC .............................................................................................................................................. 16 Principais Falhas em Motores Elétricos ....................................................................................................... 21 METODOS TRADICIONAIS DE TESTES EM MOTORES ELÉTRICOS ..................................................................... 24 Teste de Resistência de Isolamento ............................................................................................................. 24 Teste de Índice de Polarização ..................................................................................................................... 26 Teste de Alta Potência (HI-POT) ................................................................................................................... 27 Teste de Surto Elétrico (Surge Test) ............................................................................................................. 28 ANÁLISE DE CIRCUITO DE MOTORES ............................................................................................................... 30 Conceito da Técnica ..................................................................................................................................... 30 Como Aplicar a Técnica de MCA .................................................................................................................. 31 Teste – Modo Manual .............................................................................................................................. 32 Teste – Modo Automático ....................................................................................................................... 33 Procedimentos de Teste de Motores ....................................................................................................... 33 Como Realizar Diagnóstico de Motores com a Técnica de MCA ................................................................. 33 Análises de enrolamentos/motor ............................................................................................................ 33 P ág in a3 Critérios de Desaprovação ....................................................................................................................... 35 Sugestões para Análise de Dados ............................................................................................................ 35 Prioridade de Desaprovação .................................................................................................................... 35 Tolerâncias e Regras Básicas para a Interpretação dos Dados .................................................................... 37 Análise de Motor Montado ...................................................................................................................... 37 Análise de Motor Desmontado ................................................................................................................ 39 Problemas com os Resultados dos Testes e Coleta de Dados ..................................................................... 40 Resultados Ruins ...................................................................................................................................... 40 Aguardando .............................................................................................................................................. 40 Leituras Incorretas ................................................................................................................................... 40 Resolução de Problemas de Motores .......................................................................................................... 42 Teste de Compensação do Rotor ............................................................................................................. 42 Teste de Reposição do Rotor ................................................................................................................... 42 Teste Detalhado do Rotor ............................................................................................................................ 43 Coleta de Dados ....................................................................................................................................... 43 Análise ...................................................................................................................................................... 44 CONSIDERAÇÕES FINAIS .................................................................................................................................. 46 Comparação de Tecnologias de Diagnósticos de Sistema de Motores Desenergizados ............................. 46 Considerações sobre Gerenciamento .......................................................................................................... 46 Considerações Adicionais ............................................................................................................................. 46 P ág in a4 INTRODUÇÃO Os motores elétricos são a força motriz primordial da indústria e de nosso conforto geral em edificações comerciais. Aproximadamente 40% de toda a energia elétrica consumida no Brasil é usada para o acionamento de motores elétricos, sendo que no setor industrial cerca de 50% da energia consumida deve-sea este tipo de máquina elétrica. Há estimativas de que exista um grande número de instalações industriais no Brasil onde mais de 80% do consumo deve-se a motores elétricos. No entanto, os motores elétricos são muitas vezes utilizados de forma indiscriminada, sem nenhum tipo de inspeção, até que a produção seja interrompida devido a uma possível queima ou uma falha catastrófica dos rolamentos. É importante compreender que o equipamento geralmente falha com o tempo, o rendimento diminui e as perdas aumentam (diminuição da eficiência), antes que ocorram a maioria das falhas catastróficas. Apesar de algumas falhas de equipamentos serem instantâneas, a grande maioria das falhas catastróficas que impactam na produção são resultantes de uma falha na implementação de um programa de manutenção. Estas falhas são principalmente devido ao fato de que a Gerência não entende completamente que a manutenção é um investimento no negócio e não uma “despesa de negócios”. Se não investir em materiais, equipamentos ou mão de obra, não haverá beneficiamento de produtos. Se não investir em práticas de manutenção preditiva (PM, TPM, RCM ou qualquer outro programa), não terá produtos para serem comercializados ou, o que é pior, terá um preço de produção geralmente mais alto. Tem sido demonstrado que uma aplicação bem sucedida de um programa de manutenção reduz o consumo de energia nas plantas de 10% a 14%, e por sua vez também reduz o tempo de paradas não planejadas. O propósito deste material é simples: Resumir os componentes do sistema de motores elétricos; discutir os modos de falha de cada componente; como cada uma das tecnologias existentes se relaciona com cada componente; como podem ser aplicadas as tecnologias, quais as falhas identificadas e os resultados obtidos. Os tipos de tecnologias que foram estudadas são tecnologias padrão, de fácil utilização, destinadas aos controles periódicos. P ág in a5 CONCEITOS E PRINCÍPIOS BÁSICOS DOS MOTORES ELÉTRICOS Conceitos da Eletricidade Básica I - Corrente. Um condutor metálico, que tem a característica de ter elétrons livres, quando é conectado a um pólo positivo, e em sua outra extremidade a um pólo negativo, esses elétrons inicialmente livres e desordenados iniciam um movimento ordenado e em um sentido. Portanto, uma corrente elétrica nada mais é que um fluxo ordenado de elétrons. Na verdade, os elétrons estão se movimentando o tempo todo, especialmente em materiais metálicos. Entretanto, esse movimento não é ordenado, conforme pode-se ver na próxima figura: Esse movimento desordenado ocorre em materiais onde os elétrons possuem mais liberdade de movimento, especialmente os metais. Entretanto, isso não é corrente elétrica. Só há corrente elétrica quando os elétrons se movem de forma ordenada, como na Figura 1: A corrente elétrica tem uma unidade de medida, chamada Ampére [A], em homenagem ao cientista francês André-Marie Ampére. O Ampére mede quantos elétrons se movimentam por segundo. Na verdade, 1 Ampére equivale à quantidade de 1 Coulomb de elétrons por segundo. Existem dois tipos de Corrente Elétrica: • Corrente Contínua que possui a característica de não inversão do sentido de circulação em função do tempo. Como fontes de corrente contínua podemos ter: Baterias, Geradores Rotativos, etc. • Corrente Alternada que sofre a inversão periódica do seu sentido de circulação em função do tempo. Como fonte, o nosso sistema de alimentação é alternado e com frequência de 60 Hz. P ág in a6 V - Tensão elétrica ou diferencial de potencial (ddp) é a diferença de potencial entre dois pontos. A tensão elétrica também pode ser explicada como a quantidade de energia gerada para movimentar uma carga elétrica. Vamos dar um exemplo de uma mangueira com água, a qual no ponto entre a entrada de água e a saída exista uma diferença na quantidade de água, essa diferença trata-se da ddp entre esses dois pontos. Já no condutor, por onde circula a carga de energia elétrica, a diferença entre o gerador (equipamento responsável por gerar energia) e o consumidor (que pode ser seu computador ou outro equipamento) é que simboliza qual é a tensão que existe nesse condutor. Sua unidade de medida é Volts. R - Resistência é a capacidade de um corpo qualquer se opor à passagem de corrente elétrica mesmo quando existe uma diferença de potencial aplicada. Seu cálculo é dado pela Primeira Lei de Ohm, e, segundo o Sistema Internacional de Unidades (SI), é medida em ohms(Ω). Z - Impedância é a oposição que um circuito elétrico faz à passagem de corrente quando é submetido a uma tensão, ou seja, quando um determinado componente cria uma resistência e gasta energia em forma de calor, tem se o Efeito Joule, isso chamamos de resistência, e se o componente não gasta energia em forma de calor temos a reatância, então quando estão presentes a resistência e reatância (indutiva ou capacitiva) chamamos de impedância. A Impedância é medida em ohms (Ω). L - Indutância é a propriedade de mudar o fluxo magnético para criar (ou induzir) tensão em um circuito. A Indutância depende da quantidade de giros e do material no núcleo do corpo do rotor ou de uma bobina. A Indutância se opõem a qualquer alteração no fluxo de corrente através de um condutor. O valor é uma medida da capacidade de uma bobina para armazenar o campo magnético. Ela é medida em Henry ou Mili-Henries (mH). Autoindutância é a propriedade de um circuito onde uma alteração de corrente em um circuito cria (induz) tensão no mesmo circuito. Indutância Mutua é o conceito segundo o qual o fluxo de corrente através de um condutor do circuito pode induzir tensão em um circuito ou condutor fechado. Fi - Ângulo de Fase é uma medição relativa que indica a diferença angular entre duas formas de onda de mesma frequência. Os resultados da diferença angular se expressam em graus (0° - 90°). Em um circuito elétrico, o ângulo de fase expressa a proporção da corrente alternada em relação à tensão aplicada. Este teste está incluso na IEEE std 1415™-2006 sec 4.3.20 como um método eficiente para identificar os curtos-circuitos do enrolamento. A teoria de eletricidade básica estabelece que: Em um circuito puramente Resistivo, a corrente e a tensão estão em fase. Por exemplo, ambos alcançam o mesmo ponto em uma forma de onda ao mesmo tempo. Em um circuito puramente Indutivo, a tensão conduz corrente a 90 graus. Por exemplo, alcança o valor máximo e mínimo a 90 graus antes da corrente. P ág in a7 Em um circuito puramente Capacitivo, a corrente conduz tesão a 90 graus. Por exemplo, alcança o valor máximo e mínimo de 90 graus antes da tensão. Se a tensão conduz a corrente, o ângulo de fase é positivo; se a tensão retarda a corrente, o ângulo de fase é negativo. C - Capacitância é a capacidade de um corpo, sistema, circuito ou dispositivo de armazenar carga elétrica. É uma medida da quantidade de carga elétrica armazenada a uma tensão aplicada. A unidade de capacitância é Farad (F). A capacitância de um circuito se opõem a qualquer alteração de tensão em um circuito. A capacitância de um circuito depende da geometria do sistema e do material dielétrico. Eletromagnetismo. Sempre que uma corrente elétrica percorre um condutor, um campo magnético é gerado ao redor do mesmo. Os princípios do magnetismo são uma parte importante da eletricidade, pois além dos motores, eletroímãs são utilizados em vários componentes elétricos. P ág in a8 Conceitos Básicos de Motores Elétricos As máquinas elétricas podem ser classificadas em dois grupos: 1. Geradores, que transformam energia mecânica oriunda de uma fonte externa (como a energia potencial de uma queda d’agua ou a energia cinética dos ventos) em energia elétrica (tensão); 2. Motores, que produzem energia mecânica (rotaçãode um eixo) quando alimentados por uma tensão (energia elétrica), como se vê na figura abaixo. Geradores e motores só se diferenciam quanto ao sentido de transformação da energia, possuindo ambos a mesma estrutura básica: um elemento fixo, chamado estator, e outro móvel, capaz de girar (o rotor). Nesses elementos são fixados enrolamentos onde a corrente circula: um desses enrolamentos é capaz de gerar os campos magnéticos necessários ao funcionamento da máquina e é chamado enrolamento de campo; o outro é chamado enrolamento de armadura (ou induzido, no caso de geradores). Ao falarmos sobre os motores, é muito importante considerarmos os termos mais utilizados para selecionar o motor elétrico mais adequado para a aplicação desejada. 1. Potência É a força que o motor gera para movimentar a carga em uma determinada velocidade. Esta força é medida em HP (horse-power), CV (cavalo vapor) ou em kW (quilowatt). Nota: HP e CV são unidades diferentes de kW. Para converter os valores das unidades de potência, você pode usar as fórmulas abaixo: De Multiplique por Para obter CV 0,736 kW HP 0,746 kW HP 1,014 CV kW 1,360 CV kW 1,341 HP Exemplo: um motor de 5 CV convertido para kW: 5 CV x 0,736 = 3,68 kW Nota: A potência especificada na placa de identificação do motor indica a potência mecânica disponível na ponta do eixo. P ág in a9 Para determinar a potência elétrica consumida pelo motor (kW.h), divide-se a sua potência mecânica por seu rendimento (η). Exemplo: 5 CV = 3,68 kW (Potência Mecânica) Η = 84,5% (Dado da placa de identificação ou catálogo) P (kW.h) = 3,68 0,845 = 4,35 kW.h 2. Rotação É o número de giros do eixo do motor por uma unidade de tempo. A rotação normalmente é expressa em rpm (rotações por minuto). Para a frequência de 60 Hz, temos: Motor Rotação Síncrona 2 pólos 3.600 rpm 4 pólos 1.800 rpm 6 pólos 1.200 rpm 8 pólos 900 rpm Os motores de 2 e 4 pólos são os mais vendidos no mercado. Velocidade ou Rotação Síncrona: Velocidade síncrona é a velocidade de rotação do campo magnético de uma máquina rotativa e que depende das frequências e número pólos da máquina. Escorregamento: O termo escorregamento é usado para descrever a diferença entre a rotação síncrona e a rotação efetiva na ponta do eixo do motor. Fatores como a carga ou até mesmo a variação da tensão da rede podem influenciar na rotação do motor. 3. Tensão Tipos de tensão: Monofásica: É a tensão medida entre fase e neutro. O motor monofásico normalmente está preparado para ser ligado a uma rede de 127 V ou 220 V. No entanto, existem lugares onde a tensão monofásica pode ser de 115 V, 230 V ou 254 V. Nestes casos deve ser aplicado um motor específico para estas tensões. Trifásica: É a tensão medida entre fases. São os motores mais utilizados, já que os motores monofásicos têm limitação de potência e, além do mais, fornecem rendimentos e torques menores, o que aumenta seu custo operacional. No Brasil as tensões trifásicas mais utilizadas são 220 V, 380 V e 440 V. 4. Frequência É o número de vezes que um determinado evento se repete dentro de um intervalo de tempo. A frequência da rede de alimentação utilizada no Brasil é de 60 Hz. Isso significa que a tensão da rede repete o seu ciclo sessenta vezes por segundo. Em países como Paraguai, Argentina e no continente europeu, utiliza-se a frequência da rede de alimentação de 50 Hz. A frequência é um fator importante pois tem influência direta sobre a rotação do motor elétrico. P ág in a1 0 5. Grau de Proteção É a proteção do motor contra a entrada de corpos estranhos (poeira, fibras, etc.), contato acidental e penetração de água. Assim, por exemplo, um equipamento a ser instalado num local sujeito a jatos d’água, deve possuir um invólucro capaz de suportar tais jatos, sob determinados valores de pressão e ângulo de incidência, sem que haja penetração de água que possa ser prejudicial ao funcionamento do motor. O grau de proteção é definido por duas letras (IP) seguido de dois números. O primeiro número indica proteção contra entrada de corpos estranhos e contato acidental, enquanto o segundo indica a proteção contra entrada de água. Motores Abertos Motores Fechados 1° Algarismo Algarismo Indicação 0 Sem proteção 1 Proteção contra a entrada de corpos estranhos de dimensões acima de 50 mm 2 Proteção contra a entrada de corpos estranhos de dimensões acima de 12 mm 3 Proteção contra a entrada de corpos estranhos de dimensões acima de 2,5 mm 4 Proteção contra a entrada de corpos estranhos de dimensões acima de 1,0 mm 5 Proteção contra acúmulos de poeiras prejudiciais ao motor 6 Totalmente protegido contra poeira 2° Algarismo Algarismo Indicação 0 Sem proteção 1 Proteção contra pingos de água na vertical 2 Proteção contra pingos de água até a inclinação de 15° com relação à vertical 3 Proteção contra pingos de água até a inclinação de 60° com relação à vertical 4 Proteção contra respingos vindos de todas as direções 5 Proteção contra jatos de água vindos de todas as direções 6 Proteção contra água de vagalhões 7 Imersão temporária 8 Imersão permanente Nota: O W(IP55W) indica proteção contra agentes climáticos, tipo: chuva, maresia, sereno, etc. • IP21 • IP23Devem trabalhar em ambientes limpos e abrigados. • IP55 • IP56 • IP65 • IP66 Podem trabalhar em ambientes desabrigados. P ág in a1 1 6. Carcaça O tipo de carcaça permite identificar grande parte de suas dimensões mecânicas. O tamanho da carcaça é definido pela potência e rotação do motor e é identificada pela letra H, que vai da base de suporte do motor até o centro do eixo, medida em mm. A altura H é exatamente igual ao modelo da carcaça do motor. 7. Classe de Isolamento A classe de isolamento é a especificação do isolamento térmico. Ou seja, ele especifica qual é a máxima temperatura que o bobinado do motor pode suportar continuamente sem que seja afetada sua vida útil. Existe cinco classes de isolamento: A 105 °C E 120 °C B 130 °C F 155 °C H 180 °C Esses valores consideram uma temperatura ambiente de até 40 °C. Condições de operação acima deste valor devem ser tratadas como especiais. P ág in a1 2 Tipos de Motores Elétricos O motor elétrico é a máquina mais usada para transformar energia elétrica em energia mecânica, pois combina as vantagens da utilização de energia elétrica (baixo custo, facilidade de transporte, limpeza e simplicidade de comando) com sua construção simples e robusta a baixos custos com grande versatilidade de adaptação aos mais variados tipos de cargas. Ao longo do tempo foram desenvolvidos vários tipos de motores elétricos para atender as necessidades. A figura abaixo apresenta de um modo geral os principais tipos de motores atualmente existentes: Motores AC São os mais utilizados, porque a distribuição de energia elétrica é feita normalmente em Corrente Alternada. Os principais tipos são: • Motor de Indução (Assíncrono): Funciona normalmente com velocidade constante, que varia ligeiramente com a carga mecânica aplicada ao eixo. Devido a sua grande simplicidade, robustez e baixo custo é o motor mais utilizado de todos, sendo adequado para quase todos os tipos de máquinas acionadas, encontradas na prática. Atualmente é possível controlarmos a velocidade dos motores de indução com o auxílio de inversores de frequência por exemplo; • Motor Síncrono: Funciona com velocidade fixa, utilizado somente para grandes potências (devido ao seu alto custo em tamanhos menores) ou quando se necessita de velocidade invariável. Motores Elétricos Corrente Alternada Monofásico Assíncrono Síncrono Trifásico Assíncrono Síncrono Corrente Contínua Imã Permanente Campo em Série Campo em Paralelo Composto Síncronos Velocidade Constante (Independete da Variaçãode Carga) Assíncrono Velocidade Variável (Em Dependência da Variação de Carga) P ág in a1 3 Motores Assíncronos Os Motores de Indução também são chamados de Motor Assíncrono porque gira a uma velocidade menor que a velocidade síncrona. Um motor de indução é sempre executado a uma velocidade menor que a velocidade síncrona, porque o campo magnético rotativo que é produzido no estator irá gerar fluxo no rotor, que fará com que o rotor gire, mas devido ao atraso do fluxo da corrente no rotor em relação ao fluxo corrente no estator, o rotor nunca irá chegar à sua velocidade de rotação do campo magnético ou seja, à velocidade síncrona. Existem basicamente dois tipos de motores de indução que dependem de uma alimentação de entrada: motor de indução Monofásicos e motor de indução Trifásico. Os motores de indução monofásicos não possuem a capacidade de partida independente, já os motores de indução trifásicos são independentes. Para esclarecer melhor, um motor independente (auto partida) começa a funcionar automaticamente, sem qualquer força externa que auxilie em sua partida. Princípios de Funcionamento dos Motores Assíncronos Podemos dizer que no sistema trifásico, existem três enrolamentos monofásicos deslocados entre si em um ângulo de 120°. Assim, o campo magnético rotativo terá a mesma diferença de fase, que fará com que o rotor se mova. Se considerarmos três fases a, b e c, quando a fase a está magnetizada, o rotor irá se mover para o enrolamento da fase a, no momento seguinte, a fase b terá magnetizado e ela irá atrair o rotor para a posição do enrolamento b, em seguida o mesmo ocorre para a fase c e assim por diante. Assim o rotor continuará girando. Como em qualquer outro motor elétrico assíncrono, também existem duas partes principais, nomeadas de rotor e estator. Estator: Como o próprio nome indica, estator é a parte estacionária do motor de indução. Uma única fase fornece corrente alternada ao estator do motor de indução monofásico. Rotor: O rotor é a parte rotativa do motor de indução. O rotor está ligado à carga mecânica através do eixo. O rotor em motor de indução monofásico é do tipo gaiola de esquilo. Em motores monofásicos, a falta de uma fase causa a extinção do campo girante e o mesmo perde a capacidade de partida; caso o campo girante esteja em movimento, o motor irá permanecer em movimento, esse é princípio de funcionamento dos motores monofásicos que necessitam de mecanismos complementares para o auxílio na partida. Os rotores dos motores monofásicos são basicamente iguais aos rotores de gaiola dos motores de indução trifásicos. A alimentação da bobina por uma corrente alternada gera um campo magnético variável no tempo, no entanto, fixo no espaço gerando um campo pulsante. O rotor não consegue gerar conjugado, pois as barras adjacentes do rotor geram conjugados em oposição entre si e por esta razão o P ág in a1 4 motor não consegue partir sem dispositivo auxiliar. Observe com atenção um desenho esquemático de um motor elementar monofásico. Motores Síncronos Um motor síncrono tem como uma de suas aplicações o controle do fator de potência, absorvendo potência reativa da rede, e tem a vantagem de simultaneamente poder acionar uma carga no eixo. Caracteriza-se por ter a mesma velocidade de rotação do campo girante da armadura em regime permanente e por não possuir conjugado de partida. Na prática, é comum realizar a partida de um motor síncrono como se fosse um motor assíncrono e posteriormente excitar o indutor, alimentando o enrolamento de campo com corrente contínua de forma a sincronizá-lo. Princípios de Funcionamento dos Motores Síncronos Esta máquina síncrona possui dois tipos de enrolamento, o enrolamento trifásico no estator e o enrolamento com corrente contínua no rotor. Para o funcionamento como motor, temos que aplicar uma tensão trifásica ao estator, responsável pela geração de um campo girante que possui velocidade de acordo com o número de pólos do enrolamento e com a frequência de alimentação. No enrolamento do rotor é aplicada uma tensão DC para que seja gerado um campo magnético constante que acompanhará o campo magnético girante, conforme você pode observar na figura a seguir. O motor síncrono é incapaz de atingir a velocidade síncrona partindo da inércia, sob carga, sem procedimentos auxiliares para a partida, pois os dois pólos formados no rotor não conseguem acompanhar a velocidade do campo magnético girante trifásico no estator. Uma forma de solucionar o problema da limitação do motor síncrono na partida é realizar o acoplamento junto ao motor auxiliar e realizar o desacoplamento a 90% da velocidade do campo girante, pois a partir desse momento o motor síncrono conseguirá buscar o “sincronismo” com o campo magnético no estator. Rotor Estator Alimentação DC Alimentação Trifásica AC P ág in a1 5 Comparação entre Motores Monofásicos e Motores Trifásicos • Motores de Indução Monofásicos são de construção simples, confiáveis e econômicos para classes de motores de baixa potência em comparação a Motores Trifásicos; • O Fator de Potência Elétrica dos Motores de Indução Monofásicos são mais baixos em relação aos Motores de Indução Trifásico; • A eficiência dos Motores Monofásicos é menor quando comparada aos Motores Trifásicos; • Quando possuem o mesmo tamanho, os Motores de Indução Monofásico produzem cerca de 50% menos que os Motores de Indução Trifásicos P ág in a1 6 Motores DC São motores de custo mais elevado e, além disso, precisam de uma fonte de corrente contínua, ou de um dispositivo que converta a corrente alternada comum em contínua. Podem funcionar com velocidade ajustável entre amplos limites e se prestam a controles de grande flexibilidade e precisão. Por isso, seu uso é restrito a casos especiais em que estas exigências compensam o custo muito mais alto da instalação. Este Motor DC ou Motor de Corrente Contínua trabalha com o princípio de que quando um condutor de corrente é colocado em um campo magnético, ele gera um torque e possui uma tendência de se mover. Isso é conhecido como uma ação motora. Se o sentido da corrente no condutor é invertido, o sentido de rotação também inverte. Quando o campo magnético e o campo elétrico se interagem, eles produzem uma força mecânica, e com base neste princípio de funcionamento é estabelecido o motor DC. Os componentes básicos dos motores elétricos DC incluem: • Armação - Se constitui da estrutura externa da máquina. É utilizada para montar a maioria dos outros componentes do motor. • Campos - São bobinas montadas em peças de pólos dos campos que geram um campo magnético estacionário (Estator). • Interpolo - São bobinas que se encontram entre as bobinas de campo e que geram um campo que é utilizado para evitar excessos de centelhas provenientes das escovas. • Tampa Protetora - Também chamadas de mancais de rolamento, são usadas para abrigar as escovas, suporte de escovas e para abrigar os rolamentos do eixo mantendo a armadura ao centro da armação do motor. • Suporte de Escovas - Armazena e posiciona as escovas acima do comutador da armadura. Geralmente, um dispositivo de mola é usado para manter uma pressão sobre as escovas. • Escovas - São usadas para fornecer DC para a armadura. As escovas são montadas e deslizam sobre o comutador. • Comutador - Consiste de muitas barras de cobre que são separadas por mica. Cada uma das barras está conectada às bobinas da armadura. • Armadura - É a porção de rotação do motor que contem bobinas. Estator Enrolamentos do Campo Pólos Núcleo da Armadura Rolamentos Eixo Comutador Escovas Enrolamentos da Armadura P ág in a1 7 O Motor DC apresenta uma série de aplicações no campo da engenharia e tecnologia atualmente,desde barbeadores elétricos a partes de automóveis, em todas as aplicações de pequeno e médio porte, os motores DC são úteis. E por causa de sua ampla gama de aplicações, diferentes tipos funcionais de motores DC estão disponíveis no mercado para necessidades específicas. As mais comuns são: Motores DC – Imã Permanente O Motor DC de Imã Permanente é constituído por um enrolamento de armadura no caso de um motor comum, mas não necessariamente possui enrolamentos de campo. A construção deste tipo de Motor DC apresenta imãs permanentes magnetizados radialmente, que são montados na extremidade interior do núcleo do estator para produzir o fluxo de campo. O Rotor, por outro lado, possui uma armadura convencional com comutador de barras e conjunto de escovas. Alimentação DC Armadura Campo Magnético Campo Magnético Imã Permanente Velocidade Constante (Predefinida conforme Projeto) Série Velocidade Variável e Alto Torque (Em Dependência da Variação da Carga) Paralelo Velocidade Constante e Baixo Torque (Independe da Variação de Carga) Composto Velocidade Constante e Alto Torque (Independe da Variação de Carga) P ág in a1 8 Estes motores são comumente utilizados como motores de arranque em automóveis, limpadores de para- brisa, máquinas de lavar, por ventiladores utilizados em aquecedores e ar condicionado e também amplamente utilizado em brinquedos. Como a intensidade do campo magnético de um imã permanente é fixa e não pode ser controlada externamente, não é possível controlar o campo deste tipo de motor de corrente contínua. Sendo assim os Motores DC de Imã Permanente são utilizados quando não há a necessidade de controlar a velocidade do motor por meio do controle do campo. Normalmente são pequenos motores como frações de kW. Motores DC – Excitação em Série No caso de Motores DC com Excitação em Série ou simplesmente Motor DC com enrolamento em Série, toda a corrente da armadura flui através do enrolamento do campo por estar conectado em série ao enrolamento da armadura. Em um Motor DC com Excitação em Série, a velocidade varia de acordo com a carga. Um motor com excitação em série possui relação linear existente entre a corrente do campo e a quantidade de torque produzido, ou seja, o torque é diretamente proporcional à corrente ao longo de todo o intervalo do da curva. Como neste caso a corrente flui relativamente mais elevada através do enrolamento do campo em série que possui um diâmetro mais espesso, o torque eletromagnético produzido é muito mais elevado do que o normal. Este alto torque eletromagnético produz velocidade ao motor, forte o suficiente para suportar cargas pesadas e superar sua inércia inicial de repouso. E por esta razão em particular, este motor torna-se extremamente essencial como motores de arranque para a maioria das aplicações industriais que lidam com carga mecânica pesada. Motores DC em Série geralmente são operados por um período muito pequeno, cerca de apenas alguns segundos. Pois se mantermos em operação durante muito tempo, como a corrente em série é muito alta, poderá queimar as bobinas do Campo em Série deixando assim o motor inútil. Alimentação DC P ág in a1 9 Motores DC – Excitação em Paralelo (Shunt) Os Motores DC com Excitação em Paralelo possuem uma excitação independente, em que enrolamentos do campo e armadura são ligados em paralelo. Por esta razão, tanto o enrolamento da armadura quanto o enrolamento do campo estão expostos à mesma tensão de alimentação, apesar de existirem ramificações separadas para o fluxo de corrente da armadura e corrente do campo, como mostrado na figura acima. Um fato muito importante e interessante sobre os Motores DC com Excitação em Paralelo, está em sua capacidade de auto regular a sua velocidade na aplicação de carga ao eixo. Isso significa basicamente que ao mudar a condição do motor de sem carga para com carga, surpreendentemente não há nenhuma mudança considerável na velocidade de operação. Devido a esta característica, se encontra uma ampla aplicação industrial onde é necessária a operação com velocidade sempre constante. Alimentação DC P ág in a2 0 Motores DC – Excitação Composta A característica de um Motor DC de Excitação Composta pode ser obtida pela combinação das características operacionais dos Motores DC com Excitação em Série e Paralelo. O Motor DC de Excitação Composta essencialmente contém enrolamentos de Campo ligados em Série e em Paralelo ao enrolamento da Armadura, como mostrado na figura acima. Ambas as bobinas de campo fornecem a quantidade necessária de fluxo magnético, que liga com à bobina da armadura e produz o torque necessário para facilitar a rotação a uma velocidade desejada. Como podemos verificar, um Motor DC de Excitação Composta é basicamente formado pela fusão de um Motor de Excitação em Série e um Motor de Excitação Paralela para obter as melhores propriedades de ambos os tipos. Portanto podemos considerar que este tipo de motor possui como característica uma extrema eficiência no controle de velocidade oriunda dos Motores de Excitação Paralela, e também possui alto torque de partida, oriunda dos Motores de Excitação em Série. Alimentação DC P ág in a2 1 Principais Falhas em Motores Elétricos Falhas Motores Elétricos AC A especificação correta do motor (tensão, frequência, polaridade, grau de proteção, entre outros) para sua aplicação é o primeiro requisito básico para que o tempo de vida útil do motor seja alto. Porém, não é apenas isto que irá garantir o correto funcionamento. A instalação, manutenção e operação corretas são imprescindíveis. Caso ocorra a queima de um motor elétrico, a primeira providência a se tomar é identificar a causa (ou possíveis causas) da queima, mediante a análise do enrolamento danificado. É fundamental que a causa da queima seja identificada e eliminada, para evitar eventuais novas queimas do motor. Para auxiliar na análise, o quadro abaixo apresenta as características de alguns tipos de queimas de enrolamentos e suas possíveis causas. Características da Queima Possíveis Causas Curto entre Espiras ou Bobinas em curto-circuito • Contaminação interna do motor; • Falha do esmalte de isolação do fio condutor; • Falha do verniz de impregnação; • Rápidas oscilações na tensão de alimentação. Curto entre Fases • Contaminação interna do motor; • Degradação do material isolante por ressecamento, ocasionada por excesso de temperatura; • Falha do material isolante. Curto nas Conexões • Contaminação interna do motor; • Falha do material isolante; • Superaquecimento da conexão devido a mau contato. Curto na saída da ranhura ou Curto no interior da ranhura • Contaminação interna do motor; • Degradação do material isolante por ressecamento, ocasionada por excesso de temperatura. • Falha do esmalte de isolação do fio condutor; • Falha do verniz de impregnação; • Falha do material isolante; • Rápidas oscilações na tensão de alimentação. Pico de Tensão • Motor acionado por inversor de frequência com alguns parâmetros incorretos (amplitude do pulso de tensão, rise time, dV/dt, distância entre pulsos, frequência de chaveamento); • Oscilação violenta na tensão de alimentação, por exemplo, descargas atmosféricas; • Surtos de manobra de banco de capacitores. Desbalanceamento de Tensão • Desequilíbrio de tensão e/ou de corrente entre as fases; • Falha em banco de capacitores; • Maus contatos em conexões, chaves, contatores, disjuntores, etc.; • Oscilações de tensão nas três fases. Rotor Travado • Excessiva dificuldade na partida do motor, devido a elevada queda de tensão, inércia e torque de carga muito elevados;• Travamento do eixo da carga. Sobreaquecimento • Cabos de alimentação muito longos e/ou muito finos; • Conexão incorreta dos cabos de ligação do motor; • Excessivo número de partidas em tempo curto; • Excesso de carga na ponta de eixo (permanente ou eventual/periódico); • Sobretensão ou subtensão na rede de alimentação (permanente ou eventual/periódico); • Ventilação deficiente (tampa defletora danificada ou obstruída, sujeira sobre a carcaça, temperatura ambiente elevada, etc.). Falta de Fase: • Estrela (Y): queima de duas fases. • Triângulo (Δ): queima de uma fase • Mau contato em chave, contator ou disjuntor; • Mau contato em conexões; • Mau contato nos terminais de uma fase do transformador; • Queima de uma fase do transformador de alimentação; • Queima de um fusível; • Rompimento de um cabo alimentador. P ág in a2 2 Falhas Motores Elétricos DC Além das falhas citadas acima, que em grande parte, podem ser aplicadas a Motores DC, existem algumas falhas elétricas comuns nos motores DC, estas falhas são o resultado de problemas específicos dos projetos dos motores de corrente contínua causados pela temperatura, atrito e contaminantes internos, tais como carbono ou grafite. Uma das causas mais comuns das falhas em enrolamentos de motores DC é a contaminação dos enrolamentos por pó de carbono ou grafite causadas pelo desgaste das escovas. O pó fino se introduz em todos os enrolamentos fixos e rotativos gerando curto entre os condutores ou entre condutores conectados a terra. Muitas vezes o carbono se prende e os problemas se agravam ainda mais após a práticas de limpeza e manutenção, onde o carbono é soprado com ar comprimido ou é realizada a limpeza da armadura e posteriormente é colocada em estufa. Em ambos os casos, o carbono pode se concentrar nos cantos, normalmente atrás do comutador. Isso irá resultar em falhas nas conexões a terra e curtos-circuitos nas espiras das conexões do comutador. P ág in a2 3 Outra falha comum, que muitas vezes é desconsiderada, é o arrefecimento das máquinas DC. Isso pode ocorrer quando as passagens de arrefecimento estão bloqueadas. A armadura se torna muito lenta caso não haja uma refrigeração adicional ou caso os filtros estejam sujos (a falha mais comum relacionada com arrefecimento). A temperatura é o maior inimigo de equipamentos elétricos, particularmente do sistema de isolamento, onde a vida útil será reduzida pela metade a cada 10° C de aumento da temperatura. A medida que o isolamento enfraquece, a sua confiabilidade diminui até passar a ocorrer falhas de curtos-circuitos entre espiras. Além da degradação do sistema de isolamento, as escovas passam a desgastar mais rapidamente, causando aumento do desgaste no comutador e consequentemente o aumento da contaminação por carbono dos enrolamentos. Outra falha relacionada à temperatura é gerada a partir de práticas onde os campos estão energizados com a armadura em repouso (desenergizada). Este é um modo comum de operação que requer uma ventoinha separada para proporcionar arrefecimento ao motor, normalmente possuem filtros que devem ser mantidos sempre limpos. Esse tipo de falha normalmente resulta em bobinas paralelas em curto-circuito, reduzindo a capacidade do motor de produzir torque, e pode acabar entrando em uma condição perigosa de excesso de velocidade da armadura se não for realizada uma manutenção adequada. O comutador também pode provocar oportunidades para falhas, bem como um indicador de mau funcionamento do motor e da condição. Um motor DC funcionando corretamente terá um bom esmalte de carbono no comutador com barras uniformes. Barras do comutador queimadas, com listras no esmalte, excesso de carbono ou um comutador superaquecido indicam possíveis falhas que devem ser resolvidas imediatamente. P ág in a2 4 METODOS TRADICIONAIS DE TESTES EM MOTORES ELÉTRICOS Teste de Resistência de Isolamento A resistência de isolamento é a medida da dificuldade oferecida à passagem de corrente pelos materiais isolantes. Seus valores se alteram com a umidade e com a sujeira. Podem ocorrer alterações na capacitância do isolamento, na resistência total, nas perdas superficiais e na temperatura do material, constituindo-se em uma boa indicação da deterioração dos equipamentos elétricos provocada por estas causas. O ensaio consiste em aplicar no isolamento uma tensão em corrente contínua, com valores entre 500 V e 10.000 V. Isso provocará a circulação de um fluxo pequeno de corrente. Tensões de Teste conforme a Tensão nominal do equipamento: Tensão do Equipamento (V) Tensão de Teste (V) < 1.000 500 1.000 a 2.500 500 a 1.000 2.501 a 5.000 1.000 a 2.500 5.001 a 12.000 2.500 a 5.000 > 12.000 10.000 Deve-se observar, entretanto, que as várias normas sobre este assunto estabelecem que este ensaio não se constitui em critério para aprovação ou rejeição do equipamento. Pelas suas características, constata-se que é bastante útil para a verificação de curtos-circuitos em estágio avançado, ficando a identificação dos defeitos menos pronunciados a cargo dos ensaios com tensão alternada, de tensão aplicada e tensão induzida. Para a medição da resistência de isolamento utiliza-se um instrumento denominado megôhmetro ou, popularmente, megger (o que, na realidade, é a marca de um fabricante). Os megôhmetros atuais são analógicos ou digitais (motorizados ou eletrônicos), mas, também, podem ser manuais (ou seja, com um "cambito" ou "manivela"). A resistência resultante medida neste ensaio é a soma da resistência interna do condutor (valor pequeno) mais a resistência de isolação, que é dividida em três componentes (subcorrentes) independentes: a) Corrente de deslocamento ou corrente de carga capacitiva (IC); b) Corrente de absorção (IA); e c) Corrente de dispersão ou corrente de fuga por meio do dielétrico (IL). A corrente de deslocamento ou de carga capacitiva (IC) é aquela que surge no instante inicial da energização e possui a mesma função que uma corrente de carga de um capacitor devido ao efeito capacitivo existente entre condutores ou entre condutor e a terra. Dependendo do tipo e da forma do material isolante. Note-se que ela assume o valor máximo da energização e decresce rapidamente a um valor desprezível depois que a isolação foi carregada eletricamente por completo. A corrente de absorção (IA) é aquela responsável pela polarização dos dipolos elétricos que constituem a massa do dielétrico. Em equipamentos de baixa capacitância, a corrente é alta pelos primeiros segundos e decresce vagarosamente a quase zero. Ao ensaiar equipamentos de alta capacitância ou isolação com teor de umidade elevado e contaminada, não haverá decréscimo na corrente de absorção por um longo período. Um P ág in a2 5 exemplo prático desse fenômeno é o ressurgimento de tensão nos terminais de um capacitor quando se retira o curto empregado para descarregá-lo. Em função deste aspecto, é necessário observar que ela também assume o seu valor máximo próximo à energização e decresce a valor desprezível em um intervalo variável entre dez minutos e várias horas. A corrente de dispersão ou de fuga (IL), por meio do dielétrico, flui pela superfície e pelo interior da massa do dielétrico, entre condutores ou de um condutor para a terra e é de caráter irreversível. Constitui-se no componente mais importante na medição do ensaio de isolamento em corrente contínua quando se deseja avaliar o estado em que se encontra o isolamento. Tal corrente não varia com o tempo de aplicação de tensão e, nestas condições, se houver alguma elevação de seu nível é indicativo que o isolamento pode vir a falhar. A figura a seguir mostra a corrente total com seus três componentes definidos anteriormente. A última edição da IEEE Std. 43-2000 estabelece que a resistência de isolamentodos enrolamentos deve variar entre os seguintes limites: Tipo de Isolamento Valores de Resistência de Isolamento Todos os Sistemas de Isolamento anteriores a 1974 1 MΩ + 1 MΩ/KV Motores com Enrolamentos Aleatórios > 5 MΩ Motores com enrolamentos de excitação e indutivos de DC > 100 MΩ P ág in a2 6 Teste de Índice de Polarização Quando você mede a resistência do isolamento, conforme visto nas páginas anteriores, você está verificando o estado do isolamento em um determinado momento. Pode ser que no momento em que você realizou a medição, existia umidade nos enrolamentos e os resultados mostraram essa situação. Eliminada a umidade, os valores se elevaram bastante, todavia, isso não assegura que o isolamento está em bom estado. Por isso, é necessário complementar os testes no motor para determinar o estado real e efetivo em que se encontram os materiais isolantes. Esses testes são: • Índice de Polarização; • Índice de Absorção; • Índice de envelhecimento. Índice de Polarização é o teste realizado para determinar e detectar quais os níveis de umidade, poeira e contaminação que estão presentes nos enrolamentos do motor. Quando realizados periodicamente, servem, também, para comparar a gradual deterioração do material isolante, comparando-se os resultados das diversas medições realizadas ao longo do tempo. Índice de Absorção é realizado para determinar o grau em que essa contaminação já se deu nos materiais isolantes do motor. Através dos resultados deste índice você poderá avaliar qual o nível de segurança em que se encontra o motor. O Índice de Envelhecimento não está previsto nas normas, todavia, ele é muito importante e necessário para confirmar os anteriores e proporcionar uma inteira confiabilidade ao isolamento do motor. Este teste propicia condições para saber se o material isolante do motor está ressecado e/ou com micro fissuras que podem levar a queima do motor a qualquer momento de forma inesperada. Quando o material isolante está seco e ressecado, o teste de medição da resistência do isolamento pode apresentar resultados satisfatórios, embora o motor possa sofrer uma avaria por queima a qualquer momento. Os testes de Índice de Polarização e Absorção, podem dar indícios dessa situação do material isolante, porém, não são suficientemente eficazes quanto o índice de envelhecimento. Para você ter assegurada a total confiabilidade do seu motor no que diz respeito ao estado do material isolante, será desejável efetuar os seguintes testes: • Resistência do isolamento • Índice de Polarização • Índice de Absorção • Índice de Envelhecimento • HI-POT (Tensão Aplicada) É muito importante que você obtenha esses índices, pois, eles darão uma ideia bem precisa do estado geral do material isolante do motor. P ág in a2 7 Com esses dados, você pode prever com certa acuidade o que você pode esperar desse motor em termos de durabilidade contra curtos nos enrolamentos. Os índices de Polarização e Absorção podem ser obtidos com Megger nas escalas de 500V, 1000V, 2500V e 5000V, ao passo que o índice de Envelhecimento é obtido com Megger nas escalas de 2500V e 5000V O procedimento para se obter esses índices é exatamente o mesmo que se faz quando se estava medindo a resistência do isolamento contra massa. Teste de Alta Potência (HI-POT) Vimos nas páginas anteriores alguns testes que aplicamos para verificar o estado do material isolante dos enrolamentos do motor. Medimos a resistência do isolamento e realizamos os ensaios para obter os índices de polarização, absorção e envelhecimento. Agora, para concluir, nos resta ainda, um outro teste, o qual seria “a prova dos nove” para realmente assegurar que o material isolante resiste as condições de trabalho do motor. Vamos, então, realizar o Teste de Alto Potencial ou HI-POT. Este teste deverá ser realizado, preferencialmente, depois do teste de medição da resistência dos enrolamentos. O teste de HI-POT só deverá ser aplicado quando os resultados das medições da resistência do isolamento derem valores satisfatórios. O Teste de Alto Potencial, mais conhecido como HI-POT, é um teste destrutivo e tem como objetivo assegurar que os enrolamentos têm isolamento suficiente para suportar a Sobretensão de trabalho. Define-se como a intensidade máxima de um campo elétrico a que pode estar sujeito o material isolante, sem que através dele passe uma descarga elétrica. O Teste de Alto Potencial indica que, ao tempo que o teste foi realizado, mas não necessariamente depois, os enrolamentos têm uma certa capacidade de suportar uma Sobretensão. Para assegurar que um enrolamento está em boas condições para realizar serviços contínuos, a experiência indica que um teste de HI-POT deverá ser aplicado com os seguintes valores: 2E + 1000V por 1 minuto. E = Tensão nominal Nota: Em se tratando de motores elétricos, o teste de HI-POT geralmente é mais aplicado em motores elétricos que operam em tensões de 2.200V ou acima. Todo teste de HI-POT deve ser aplicado somente durante 1 (um) minuto e deve ser realizado a temperatura ambiente e nunca em temperatura superior a 40° C. Tratando-se de um teste destrutivo, antes de aplicar um teste de alto potencial deve-se examinar cuidadosamente as condições dos enrolamentos, verificando se estão limpos e secos. É muito importante também que se verifique a condição da resistência do isolamento e se obtenha os índices de Polarização e Absorção. Se os índices indicarem valores seguros, pode-se aplicar o HI-POT. O teste de Alto Potencial ou HI-POT é um teste destrutivo, do tipo “passa ou não passa”, por isso, toda vez que for realizá-lo, considere sempre a hipótese de provocar avarias no material isolante das bobinas, acarretando curto contra massa. P ág in a2 8 Teste de Surto Elétrico (Surge Test) Um típico estator bobinado é composto pelas fases, cada fase formada por grupos, cada grupo formado por bobinas e cada bobina, por sua vez formada por espiras. A falha no isolamento do estator bobinado começa com um curto entre espiras, e consequentemente entre bobinas e finalmente entre fases. O teste de surto elétrico pode detectar os estágios iniciais de falhas no isolamento tais como: falhas entre espiras, entre bobinas, entre fases, ligações invertidas, conexões abertas e desbalanceamento de fases. Um breve surto de tensão é aplicado à bobina durante o teste que cria um gradiente de tensão (ou potencial) ao longo de todo comprimento do fio. Este gradiente produz um estres momentâneo entre as espiras. A bobina responderá, através de uma forma de onda senoidal amortecida. Cada bobina tem uma característica própria e única, que pode ser apresentada através de um discriminador de sinal (osciloscópio ou outro processador de sinal). A forma de onda apresentada está diretamente relacionada com a indutância da bobina (existe outros fatores influenciando na forma de onda mas o principal é a indutância). Um típico circuito é formado através da indutância da bobina (L) e da capacitância interna do equipamento conhecido como ”circuito tanque”. A indutância de uma bobina é basicamente determinada através do número de espiras, formato da espira, comprimento e do núcleo da mesma. Quando a indutância diminui, a frequência da forma de onda aumentará de acordo com a equação: 𝑓 = 1 2𝜋√𝐿𝑥𝐶 O Surge Test pode detectar um defeito entre espiras que é devido a uma isolação frágil. Se o potencial aplicado for maior que a resistência do dielétrico do fio a isolação será rompido, as espiras estarão em curto, variando a indutância da bobina consequentemente aumenta a frequência mudando a forma de onda original ou de referência. A tensão ou amplitude da forma de onda é também alterada ou modificada devido a variação do valor da indutância proveniente de uma falha entre espiras. Quando a isolação entre espiras éfrágil, o resultado é uma oscilação de pequena na amplitude, deformada, torna-se instável, pode-se mover-se rapidamente da direita para a esquerda, e voltar para a posição original. Alguns tipos de defeitos têm formas de ondas características conforme é mostrada abaixo: Bobinas sem problema de Isolação Enrolamento em Curto Curto entre Espiras P ág in a2 9 Curto em relação ao terra Curto entre Fases Curto entre Bobinas As variações das formas de onda são esperadas. Não podemos considerar como absolutas, cada bobina tem suas características próprias (identidade). Existem três métodos de avaliação dos resultados: Comparação com uma referência - Como critério de aceitação define-se uma curva como referência e a compara com o resultado obtido. Para motores trifásico, define-se o resultado de uma bobina e compara com as demais. Tolerância sobre a forma de onda de referência - Define-se em torno da forma de onda de referência a tolerância admissível para o produto, quando o desvio for superior a tolerância conclui-se que o mesmo apresenta problema de isolação. Análise de similaridade - O método consiste em verificar o percentual de similaridade que existe entre a curva de referência e a obtida, a determinação do percentual de desvio é realizado através de aplicação de um complexo método matemático. Nesta situação, define-se quanto por cento de desvio pode existir entre as formas de onda. P ág in a3 0 ANÁLISE DE CIRCUITO DE MOTORES Conceito da Técnica MCA é um método muito simples e seguro para testar os enrolamentos elétricos enquanto estão sem energia. A premissa básica da técnica MCA é a seguinte: Em um equipamento com enrolamentos trifásicos, todas as fases devem ser idênticas (a mesma quantidade de espiras, o mesmo tamanho dos cabos, o mesmo diâmetro das bobinas, etc.) Por consequência, todas as características dos enrolamentos também devem ser similares. Se ocorrer alguma variação em alguma destas características, nunca será considerada como uma melhora (os enrolamentos não se auto reparam), essas variações ocorrem por degradação. Analisando a amplitude e as relações destas variações é possível identificar a causa da degradação. Uma vez que se conhece a causa e a gravidade da degradação, é possível determinar o plano de ação necessário. Os testes e análises dos motores elétricos, transformadores e qualquer enrolamento não são “magia negra”. Na realidade é muito simples, se as medições são realizadas com precisão suficiente. As Experiências da ALL-TEST Pro™ tem demonstrado que o método mais preciso e completo para determinar a verdadeira condição dos enrolamentos de motores é controlar os parâmetros de teste enquanto o motor está desenergizado. O método evita erros e resultados imprecisos ou fontes desconhecidas utilizadas por outros métodos. Ao aplicar um sinal senoidal de corrente alternada de baixa tensão (não destrutivo) através dos enrolamentos do motor, não há nenhum risco das falhas ou pontos degradados evoluírem para uma falha mais grave. Em muitos casos, as falhas potencialmente destrutivas podem ser facilmente corrigidas antes mesmo que ocorra uma falha total do motor. As falhas em motores são indicadas por variações na resposta do sinal aplicado através dos enrolamentos. Estas variações causam desiquilíbrio na resposta medida do sinal aplicado. Ao aplicar a técnica de MCA, as falhas apresentam a mesma característica, independentemente do tamanho e do tipo de enrolamento. Podem ser examinados com êxito tanto motores de pequeno porte, como os de limpadores de para-brisa dos automóveis, quanto para enrolamentos de geradores de 300 Megawatts. Através de novas pesquisas e medições adicionais destas variações nos enrolamentos, as falhas podem ser identificadas com facilidade, e podem ser corrigidas antes mesmo que o motor apresente alguma falha, na qual poderia conduzir à queima total do motor. Exemplos: Em uma situação onde o isolamento para terra está deteriorado, exige atenção imediata pois esta falha pode ser muito perigosa e levar a uma falha de segurança e da máquina. Além disso, o desenvolvimento de um curto-circuito entre as espiras ou bobinas, especialmente entre motores de baixa tensão, geralmente se degrada depois de um período de utilização e oferece a possibilidade de corrigir o defeito antes que se converta em uma falha catastrófica que irá requerer uma reconstrução completa ou de um alto custo de substituição. P ág in a3 1 O Instrumento de MCA aplica um sinal de corrente alternada através dos enrolamentos e mede a resposta deste sinal para identificar qualquer assimetria nos enrolamentos a fim de identificar tanto uma falha corrente como uma falha potencial. Os instrumentos de MCA se baseiam em uma teoria de eletricidade comprovada. O sistema do motor pode ser representado pelo desenvolvimento do circuito básico do motor, que nada mais é do que um circuito básico de RCL. Este circuito representa vários componentes do sistema do motor. Cada circuito básico representa uma fase do sistema do motor trifásico. Como cada fase do sistema do motor é idêntica, cada circuito básico deve responder da mesma maneira o sinal aplicado. A partir do sinal aplicado os parâmetros citados abaixo são avaliados, onde cada um deles auxilia na análise e identificação de possíveis falhas: • Resistência (R); • Assimetria de Indutância (L) • A Impedância (Z) segue a Indutância (L) • A Impedância (Z) não segue a Indutância (L) • Ângulo de Fase (Fi) • I/F - Resposta de Frequência/Corrente • INS - Teste de Isolamento • C - Capacitância • DF - Fator de Dissipação Posteriormente estaremos detalhando cada um deles e quais os tipos de falhas identificadas. Como Aplicar a Técnica de MCA Esta técnica se aplica a equipamentos desenergizado e para exemplificar utilizaremos quatros instrumentos projetados para realizar os testes MCA. ALL-TEST PRO 31™ (AT31) é uma ferramenta de resolução de problemas para testar uma variedade de motores e alguns transformadores. Testa a maioria dos motores de AC menores que 600 V e também pode ser usado para testar motores de alta tensão, como a sua resistência, indutância e impedância. O AT31 deve ser utilizado em conjunto com um ohmímetro, pois ele não mede a resistência (mas realiza um teste de resistência de isolamento à terra). ALL-TEST POR 33 IND (AT33) é o instrumento específico para teste em motores AC de gaiola de esquilo com tensão de alimentação de até 1.000 V. O AT33 pode ser utilizado para inspeção e resolução de problemas, projetado para ser utilizado como uma unidade automatizada no campo ou oficina, ou com opcional do software com plataforma Windows para uma análise mais detalhada, emissão de relatórios, acompanhamento de tendência e banco de dados ALL-TEST IV PRO 2000™ (ATIV) é um instrumento de análise que pode ser utilizado para testar quase todos os motores, geradores, transformadores ou dispositivos com bobina. Ele é utilizado não apenas para a inspeção e resolução de problemas futuros, mas também para a manutenção preditiva (PdM) ou baseado na condição P ág in a3 2 (CBM) (Tendência dos dados e tempo estimado para a falha). O ATIV não só detecta a maioria das falhas elétricas de motores, como também ajuda o usuário a determinar quanto tempo o equipamento funcionará. ALL-TEST PRO® 5 (AT5) também é um instrumento de análise que pode ser utilizado para testar quase todos os tipos de motores, geradores, transformadores ou dispositivos com bobina. Pode ser utilizado para inspeção e resolução de problemas, manutenção preditiva ou no monitoramento baseado na condição do equipamento. Possui a função automatizada de análise imediata na tela do instrumento e também, como opcional do software para uma análise mais detalhada, emissão derelatórios, acompanhamento de tendências e armazenamento de dados. Teste – Modo Manual O teste em motores tornou-se uma tarefa de rotina em plantas que reconhecem a importância de maximizar a segurança e se tornaram obrigatórios como critérios de aceitação para controle de estoque. Se você pretende colocar os motores novos e reformados em um depósito por um longo período, antes deve-se testá-los afim de verificar as condições reais dos mesmos. Os testes manuais de motores são realizados com todos os instrumentos citados acima. Os motores podem ser testados diretamente da caixa de ligação ou a partir dos cabos de alimentação que se encontram no CCM (Painel de Alimentação). Testar o motor remotamente a partir do CCM tem a vantagem adicional de que também permite que você teste todos os cabos e conectores no sistema do motor. O teste manual requer conectar o instrumento ao enrolamento que será testado e em seguida selecionar manualmente os parâmetros e as medições que serão realizadas. Os resultados podem ser visualizados ou visualizados e registrados. Portanto, essas medições podem ser analisadas e interpretadas de acordo com as orientações fornecidas no manual de Análise. As medições que são obtidas com o AT31 podem ser incluídas no software para análises, armazenamento e geração de relatório automático. (Motores trifásicos de CA somente). O AT31 fornece capacidades adicionais de diagnóstico, porque você pode testar em frequências diferentes de teste e exibir em tempo real o valor testado. Os testes também podem ser realizados com o AT33, ATIV e AT5 no modo manual. O modo manual do ATIV proporciona uma análise melhorada sobre o modo automático para as medições de indutância ou impedância abaixo de 10, porque os valores medidos são exibidos com casas decimais em vez de apenas números inteiros. Já para os demais instrumentos, tanto no Modo Manual quanto no Modo Automático, os valores apresentam as casas decimais, fundamentais para uma análise detalhada. P ág in a3 3 Teste – Modo Automático O Modo automático se aplica aos instrumentos AT33, ATIV e AT5 onde: 1) O instrumento testa automaticamente a condição dos enrolamentos do motor verificando todos os parâmetros citados; 2) Estabelece automaticamente os parâmetros de medição e permite que se armazene os dados medidos em memória não volátil. 3) Armazena os dados que podem ser carregados no software que o acompanha para realizar análises, comparar tendência e gerar ordens de serviço e relatórios. Procedimentos de Teste de Motores É importante destacar que um motor trifásico “perfeito” é muito difícil de ser encontrado com base nas tolerâncias de fabricação, etc. Em outros casos, os motores podem ter uma diferença particular em seu projeto para satisfazer aplicações especiais. Em ambos os casos, com o rotor montado no motor, é possível que seja necessário realizar passos adicionais para separar as falhas do rotor ou do estator. Leituras Preliminares Em alguns casos, alguns motores podem exibir níveis incomuns de assimetria. Isto pode ocorrer devido a várias razões, entre elas podemos citar: 1) A posição e a relação das barras do rotor com o enrolamento e ranhuras do estator; 2) Projeto do enrolamento do estator (bobina concêntrica em oposição à ranhura); 3) Outros problemas relacionados com a tolerância, incluindo os vazios de fundição (bolhas) do rotor. Se for detectada uma série de leituras incomuns com o instrumento, existem várias maneiras de isolar a causa. Um método requer o uso de um AT31 ou um medidor de indutância (Consulte “Teste de Compensação do Rotor” na seção de resolução de problemas do motor), outro método inclui uma série rápida de testes adicionais utilizando os instrumentos AT33, ATIV ou AT5. Como Realizar Diagnóstico de Motores com a Técnica de MCA Análises de enrolamentos/motor Uma análise de enrolamento/motor foi simplificada com o desenvolvimento de ferramentas avançadas de diagnóstico, como os instrumentos da ALL-TEST Pro™, no entanto, mesmo com a excelente qualidade destas ferramentas, é possível que seja necessário testes e informações adicionais antes de avaliar com precisão a condição final da máquina. Para ajudar a maximizar os dados obtidos a partir das ferramentas da ALL-TEST PRO™, nas próximas seções serão apresentados ao analista os procedimentos, as técnicas, dicas de segurança e os métodos necessários para ajudá-lo a diagnosticar de maneira correta a maioria das falhas de enrolamento mediante a Análise de Circuito de Motores (MCA). A regra básica para o MCA é a seguinte: se os dados indicam um bom enrolamento, então o enrolamento está realmente bom. No entanto, se o MCA indica uma falha, devem ser realizados testes adicionais antes de condenar um enrolamento. P ág in a3 4 1) As pontas de prova fornecidas em conjunto com o instrumento AT31 e ATIV são úteis para a maioria das aplicações, mas não para todas. É possível utilizar outros tipos de ponta de prova, desde que o conector seja do tipo banana, blindado de 4mm. Nota: A repetitividade das leituras de resistência pode ser melhorada utilizando uma pequena escova de cerdas metálicas, para limpar a oxidação ou contaminações da superfície dos pontos de conexão e também pressionando suavemente as garras das pontas de prova enquanto se gira suavemente as abraçadeiras dos pontos de conexão para garantir que ela esteja o mais justo possível. Se requer uma alta precisão nas medições de resistência do enrolamento, é recomendado o uso de um ohmímetro de baixa resistência. 2) O ATIV utiliza o método de dois cabos para realizar a medição de resistência de CC e não é tão preciso como o ohmímetro de baixa resistência, que utiliza um método de 3 ou 4 cabos quando a medição é de resistência muito baixa. A precisão do ATIV é de ± 1% entre 1 e 999 ohms; portanto, quando a resistência medida é menor que 1 ohm, a precisão do valor de medição do aparelho será distorcida. Porém o AT33 e o AT5, por utilizarem pontas de prova tipo Kelvin, com 4 condutores, apresenta uma precisão ideal para medições de resistência menores que 1 ohm, a precisão destes instrumentos é de ± 1% entre 0,1 e 999 ohms. Nota: Para o MCA, as medições de resistência de CC são utilizadas para detectar problemas relacionados às conexões e não para detectar falhas do enrolamento (Fi e I/F são melhores indicadores de curtos no enrolamento). 3) O ATIV em modo automático mede e apresenta os valores de indutância (L) e impedância (Z) como números inteiros. Por exemplo: 2,9 Ω é convertido para 2 Ω e 2,1 Ω também é convertido para 2 Ω. Isto pode causar um erro de interpretação no software TREND/EMCAT PRO 2005™ já que impedância (Z) e indutância (L) são avaliados em conjunto. Geralmente se suspeita que existe contaminação no enrolamento quando a impedância não segue a indutância entre as fases. O algoritmo do software de análises avalia a diferença entre fases de indutância e impedância. Quando o software avalia as medições de Z e L com valores menores que 10, devido que o ATIV arredonda os decimais menores que 10, não será possível diagnosticar de maneira correta a contaminação ou o sobreaquecimento dos enrolamentos. Sempre verifique as medições de L e Z através do modo manual de medição. A medição manual do ATIV mede e mostra os decimais. Como já comentado anteriormente, para os instrumentos AT33 e AT5, não será necessário realizar este procedimento, pois os instrumentos não arredondam os valores de Impedância e Indutância, mesmo estando no modo automático. Exemplo de Resultados de Testes com AT5 Parâmetros T1-T2 T1-T3 T2-T3 Resistência (Ohm) 0,842 0,844 0,845 0,228 Impedância (Ohm) 57,7 57,7 57,7 0,014 Indutância (H) 0,046 0,046 0,046 0,014 Ângulo de Fase (°) 86,7 86,7 86,5 0,090 I/F (%) -49,9 -49,9 -49,9 0,022 Nota: Deve-se ter extremo cuidado com as conexões durante a etapa de teste deresistência no modo de medição automático, para melhorar a precisão e repetitividade das medições de resistência. P ág in a3 5 Critérios de Desaprovação As premissas originais do MCA são baseadas em que a maioria dos motores industriais são trifásicos, de indução de Corrente Alternada (CA) com rotores de gaiola. As regras e limitações apresentadas a seguir são baseadas em tais pressupostos. No entanto, isso não impede que o MCA seja aplicado com sucesso para outros tipos de motores/rotores. Na verdade, o MCA se aplica com sucesso em motores de Corrente Continua (DC), motores monofásicos, motores síncronos de imã permanente e de propulsão externa, geradores, transformadores de distribuição e transmissão. Além disso, na maioria das aplicações, o tamanho do enrolamento não é um problema. No entanto, para alguns motores de fase não-induzidas, com rotores que não estão em gaiola, requerem procedimentos e testes especiais. Muitos destes estão representados no apêndice deste manual. Sugestões para Análise de Dados Quando implementado pela primeira vez um programa de testes de motores, espera-se que entre 20 e 40% dos motores do sistema de motores testado possam apresentar algumas condições de alarme quando avaliados com pelo software (o software apresenta alarmes codificados com cores para sua fácil interpretação). Quando um motor está em estado de alarme, não necessariamente significa que o motor falhará ou que não deverá ser utilizado, mas que os valores medidos excederam os limites de tolerância estabelecidos para a maioria dos motores comuns. Alguns motores podem ter um desenho especial, o qual faz com que os valores medidos estejam normalmente fora destes limites normais. De fato, muitos motores novos têm uma assimetria na indutância e na impedância devido à relação entre o enrolamento e as barras do rotor. Portanto é praticamente impossível estabelecer os limites de todas as configurações de projetos de enrolamentos. A partir destes casos, é necessário que os analistas avaliem estas leituras de acordo com o caso. O software indica alarmes para qualquer motor que ultrapasse esses limites, afim de informar o analista que excedeu os limites normais. As sugestões a seguir fornecem um método para avaliar mais detalhadamente estas circunstâncias especiais. Seguindo as sugestões de análises, são várias hipóteses que usam leituras reais. A revisão destas hipóteses irá fornecer uma visão adicional para determinar a forma de avaliar os dados do teste. Prioridade de Desaprovação O software simplesmente gera os alarmes quando os valores medidos excedem os limites pré-determinados. No entanto, nem todas as falhas são as mesmas. As sugestões fornecidas abaixo ajudam o analista a estabelecer uma prioridade sobre os alarmes gerados pelo software. Uma das primeiras considerações a respeito das falhas de enrolamento deve ser a criticidade do motor. Obviamente os motores mais críticos devem ter maior prioridade que os motores menos críticos. A segunda consideração é o tipo e a localização da falha. As considerações adicionais incluem a disponibilidade de peças de reposição, dos programas de manutenção e operações da planta. Estas prioridades presumem que os dados de teste são válidos e que as conexões foram bem feitas. Conexões das pontas de prova mal feitas podem impactar de maneira negativa em todas as leituras. 1) Os curtos-circuitos dos enrolamentos são geralmente mais graves que a contaminação ou as falhas de um rotor, portanto motores com assimetrias de I/F e Fi apenas, devem ser avaliados em primeiro lugar para determinar a condição do enrolamento. P ág in a3 6 2) Os motores com alarmes em Fi e I/F, assim como em impedância ou indutância devem ser avaliados imediatamente. É possível que seja necessário realizar uma reposição ou um teste de compensação do rotor para separar as falhas do enrolamento. 3) Os motores que apresentam pequenas assimetrias de resistência têm prioridade mais baixa. Sugestões de Desaprovação 1) Nunca desaprove um motor quando medido a partir do Centro de Controle do Motor (CCM). As falhas no cabeamento ou nas conexões entre o ponto onde foi realizado o teste e o motor podem causar leituras assimétricas. Antes de desaprovar um motor, sempre realize um teste na caixa de ligação do motor com os cabos de alimentação desconectados para confirmar. a. Para determinar se a falha está no motor ou no cabeamento, testar novamente o motor no próximo ponto de conexão entre o motor e o CCM. b. É possível que se necessite realizar um teste de reposição do rotor para separar as falhas do enrolamento (consulte a seção Resolução de problemas desta apostila para o Teste de Reposição do Rotor). 2) Em geral nunca desaprove um motor baseado em uma assimetria de indutância e impedância somente (pode exigir um teste adicional). A relação de enrolamento/barra do rotor pode causar uma assimetria maior na indutância mútua e pequenas assimetrias nas leituras de I/F e Fi. 3) Sempre verifique a leitura antes de desaprovar um motor. A energia armazenada em um sistema de motor pode corromper o conjunto de dados medidos. Lembre-se: é muito mais fácil medir novamente que remover o motor. 4) Os curtos-circuitos dos enrolamentos são indicados primeiramente pela assimetria na resposta de Corrente/Frequência (I/F) e Ângulo de Fase (Fi). 5) Conexões soltas são indicadas por assimetrias nas medições de Resistência do enrolamento. 6) É indicado como contaminação ou superaquecimento do enrolamento quando o padrão de impedância (Z) não segue a indutância (L). 7) Nunca desaprove um motor se as leituras não se repetem. A interferência eletromagnética (IEM) ou a rotação do eixo do motor também podem resultar em leituras inconsistentes. P ág in a3 7 Tolerâncias e Regras Básicas para a Interpretação dos Dados Existem regras específicas que cobrem virtualmente todas as aplicações de testes de motores trifásicos, nos quais os motores estão montados e o rotor está instalado. O método comum para realizar o teste é a partir do CCM, ou desconectado com o rotor fixo. Análise de Motor Montado Se o rotor está instalado no estator, a indutância mútua do rotor pode causar grandes assimetrias de indutância que resultam em uma grande assimetria de impedância. A relação de enrolamento/barra do rotor pode causar também pequenas assimetrias de I/F e Fi. Segue abaixo as tolerâncias para motores, geradores e demais equipamentos montados (Estator e Rotor). Parâmetro Avaliado Tolerância Detalhes Resistência (R) < 5% Possivelmente ocorre por Falhas nas Conexões. Impedância (Z) e Indutância (L) A Impedância segue a Indutância Qualquer Assimetria Possivelmente se deve a Posição do Rotor e o Projeto do Motor. Impedância (Z) e Indutância (L) A Impedância não segue a Indutância Possível Contaminação ou Superaquecimento do Enrolamento. Ângulo de Fase (Fi) ± 1° (Grau) da Média Indica um Curto no Enrolamento. Ex.: 74, 75, 76 está OK, 74, 74, 76 Possível Falha, 73, 73, 76 Falhas. Relação Corrente/Frequência (I/F) ± 2% (Percentual) da Média Indica um Curto no Enrolamento. Ex.: -44, -45, -46 está OK, -44, -46, -46 Possível Falha, -43, -43, -46 Falhas. Resistência de Isolamento < 600 V > 5 MΩ Valores abaixo da Tolerância Indicam Baixo Isolamento para terra. Resistência de Isolamento > 600 V > 100 MΩ Valores abaixo da Tolerância Indicam Baixo Isolamento para terra. Resistência (R) - Assimetrias na resistência são indicadores de conexões soltas, conectores marcados, juntas com soldas frias, etc. Em alguns casos as assimetrias na resistência podem ser causadas pela má fixação das pontas de prova. Sempre repita a medição de resistência, quando houver uma assimetria de resistência entre as fases. As alterações nas medições de resistência com leituras repetitivas indicam problemas com as pontas de prova ou com sua
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