CURSO DE DIAGNÓSTICO DE MOTORES ELÉTRICOS - 13

1. Diagnóstico de Motores Eléctricos 13 Introdução à ISO 20958:2013 - Análise de assinatura elétrica de motores de indução trifásicos www.DMC.pt

2. Objetivo desta apresentação • Esta apresentação constitui uma introdução ao referido na norma: • ISO 20958:2013 - Análise de assinatura elétrica de motores de indução trifásicos • Constitui um resumo muito abreviado do que consta na norma; • Aconselha-se aos mais interessados no tema, a leitura da norma.

3. Conteúdo da norma • Introdução • Análise do espetro da corrente de alimentação do estator • Análise da corrente de alimentação do estator - Vector de Park • Análise da corrente, tensão e potência • Fluxo elétrico-magnético • Descargas parciais • Interferência eletromagnética • Análise da corrente de alimentação do rotor • Análise da tensão do veio

4. Introdução • Este Norma Internacional fornece orientações para monitorização de condição on-line e diagnóstico de máquinas no campo da análise da assinatura elétrica de motores de indução trifásicos. • A fim de esclarecer a situação e atenção direta para os últimos desenvolvimentos neste campo, esta Norma Internacional apresenta: • Uma visão geral de técnicas de monitorização de condição bem estabelecidas, • Uma indicação de algumas que são ser menos conhecidas.

5. Conceitos gerais • Estudos de fiabilidade mostram que as partes mais vulneráveis de um motor de indução são os rolamentos, as bobines do estator e a bobinagem da gaiola do rotor. • Há muito material publicado sobre um grupo de técnicas de monitorização e diagnóstico, coletivamente referidas como análise de assinatura elétrica, que podem ser usadas para monitorização de condições de motores de indução. • Em geral, estas técnicas são baseadas na análise dos sinais disponíveis nos terminais do motor ou obtidos através de transdutores apropriados instalados na estrutura. • É possível obter informações sobre a saúde e integridade de um motor de indução através da análise de sua assinatura elétrica. • As variações na corrente elétrica, tensão e energia podem ser igualmente causadas pelo equipamento acionado

6. 1 - Análise da corrente de alimentação do estator (CSA) • Como a corrente do estator também é afetada por fluxos de entreferros e pela corrente do rotor, a análise corrente do estator é capaz de detetar problemas no rotor e no equipamento accionado; • O monitorização da CSA revolucionou a deteção de barras de rotor quebradas e anéis de curto-circuito fendidos em rotores motores de indução de gaiolas de esquilo (SCI). • Frequências específicas na corrente indicam a presença de enrolamentos de rotor defeituosos durante a operação normal do motor. • A deteção de barras de rotor quebradas pela CSA às vezes também pode ser confirmada por uma análise de vibração.

7. Análise espetral da corrente de alimentação do estator A análise corrente de alimentação (CSA) tem a capacidade de detectar os seguintes problemas em motores da indução da gaiola de esquilo e de rotor bobinado: • Barras de rotor com fendas ou partidas; • Gaiolas fundidas com grandes chochos internos; • Barras partidas e fendidas e ligações quebradas do anel de topo; • Anéis de curto-circuito fendidos; • Excentricidade excessiva da entreferros; • Defeitos de rolamentos; • Desalinhamento do acoplamento; • Curto circuito nos enrolamentos do estator; • Problemas no equipamento acionado.

8. Defeitos da gaiola do rotor • Durante a operação normal do motor, existem frequências específicas no espetro de corrente que indicam a presença de enrolamentos defeituosos no rotor. • A deteção de barras de rotor quebradas pela CSA às vezes também pode ser confirmada por uma análise de vibração. • Em termos simples, a corrente que flui no bobines do estator não depende apenas da fonte de alimentação e da impedância do bobines do estator, mas também inclui a corrente induzida no bobines do estator pelo campo magnético do rotor. • Ou seja, as bobines do estator são uma sonda ou "transdutor" para problemas no rotor. • A questão-chave é separar as correntes que fluem através do estator para accionar o rotor, das correntes que o rotor induz de volta para o estator, se houver um problema. • Essa separação é realizada medindo componentes de corrente a outras frequências além da frequência de rede, usando um analisador de espectro de frequência de alta resolução.

9. Interpretação do espetro de corrente • A interpretação básica requer comparação da banda lateral inferior, a duas vezes a frequência de deslizamento, com a componente à frequência da rede • A experiência mostra que, se a amplitude banda lateral se tornar maior do que cerca (≤-50 dB) da componente à frequência de rede, então são prováveis avarias no rotor • Quanto maior a amplitude da banda lateral, então mais grave é a deterioração do rotor.

10. Outras frequências no espetro de corrente • Engrenagens • As engrenagens acionadas podem criar bandas laterais simétricas em torno da corrente de frequência fundamental, que podem parecer barras no rotor com defeitos. • Excentricidade na folga de entreferros • A excentricidade da entreferros dá uma série de componentes à frequência da passagem de barras do rotor com bandas laterais à frequência de rotação do rotor. Para avaliar a excentricidade da entreferros do motor a partir deste espectro, é selecionada a componente de frequência de passagem de barras com o maior magnitude. De seguida é determinada a diferença média de magnitude entre as bandas laterais à velocidade de rotação em relação à componente à velocidade de passagem de barras do rotor, anteriormente selecionada. Quanto menor for a diferença média de magnitude, mais excêntrico está a folga de entre-ferros. • Curto circuitos nas bobines do estator em motores de baixa tensão • Rolamentos • As frequências especificas de defeitos nos rolamentos surgem no espetro de corrente • Outros problemas mecânicos • Quando influenciam a folga de ferros as respetivas frequências aparecem no espetro de corrente

11. 2- Análise de corrente – o Vector de Park • O vetor de Park é uma abordagem matemática para representar três fases como duas fases ortogonais, o que permite uma análise muito mais simples. • Isto pode ser usado para monitorar as correntes de alimentação de motores de indução. • Este aproximação, não invasiva, tem sido usado com sucesso em ambientes industriais para diagnosticar avarias motores de indução trifásicos, como sejam: • Tensões de alimentação desequilibradas, • Excentricidade do entre-ferros, • Falhas de isolamento entre fases • Desalinhamento mecânico, • Falhas de isolamento entre fases em rotores bobinados • Falhas em motores de gaiola de esquilo

12. 3 - Análise de tensão, corrente e potência • Além da corrente de alimentação do motor, a tensão também é facilmente acessível e pode dar informação adicional para a análise da condição do motor. • Nesse contexto a potência, sendo uma quantidade diretamente relacionada com a corrente e a tensão, adquire um significado particular. • Monitorar as correntes das três fases, as tensões de alimentação fase-a-fase e a entrada de energia quadro do motor, durante o seu funcionamento ou arranque podem fornecer identificação precoce de defeitos relacionados o estator ou com o rotor.

13. 3 - Análise de tensão, corrente e potência - ensaios • Em serviço • Corrente (devido a impedância desequilibrada) ou tensão desequilibrada; • Tensão desequilibrada devido a problemas na alimentação; • Monitorização da potência; • Análise de conteúdo harmónico da tensão • Arranques • Tempo de arranque; • Análise de transientes

14. Análise de tensão, corrente e potência – método de comparação com modelo (MCM) • Este sistema funciona de acordo com o esquema da Figura. • Mede a corrente e a tensão quando o motor está em funcionamento. • Cria automaticamente um modelo matemático do relacionamento entre a corrente e a tensão. • Ao aplicar este modelo à tensão medida, uma corrente modelada é calculada e este resultado é comparado (subtraído) com a corrente medida real.

15. Análise de tensão, corrente e potência – método de comparação com modelo (MCM) • Os desvios entre a corrente medida e a corrente modelada representam imperfeições no motor e máquinas acionadas, que podem ser analisados usando uma combinação de: • Vetor de Park para simplificar as correntes trifásicos em duas fases ortogonais (D & Q), • análise Fourier para dar um gráfico de densidade espectral de energia, • Avaliação algorítmica do espectro resultante para identificar falhas específicas ou modos de falha. • Estes sistemas são projetados para a instalação permanente como uma solução da monitorização da condição;

16. Análise de tensão, corrente e potência – método de comparação com modelo (MCM) O tipo de falhas que podem ser detetadas inclui uma série de problemas mecânicos elétricos tais como: • Desequilíbrio; • Desalinhamento; • Problemas nos rolamentos no motor e equipamentos acionados; • Problemas de isolamento, • Enrolamentos do estator soltos, • Problemas no rotor, • Desequilíbrio corrente ou de tensão e distorção harmônica. • Como esses sistemas medem a corrente e a tensão, também monitorizam a energia e são capazes de identificar problemas causados por condições operacionais incomuns e identificar causas de perda de eficiência.

17. Análise de tensão, corrente e potência – método de comparação com modelo (MCM) – diferença relativamente á análise do espetro de frequência da corrente • Como estes sistemas examinam apenas a diferença entre as correntes reais e as previstas, efetivamente filtram todos os sinais elétricos normais que são tão aparentes na Análise Espectral de Corrente convencional (CSA), deixando um conjunto muito mais simples de sinais a serem analisados. • Como esses sistemas são baseados na relação entre tensão e a corrente, lidam bem com sistemas accionados para variador de frequência , onde a tensão de entrada pode ser de uma frequência variável e pode haver uma forma de onda barulhenta com muitas harmónicas. • Os sistemas baseados em modelo retiram efetivamente todo o ruído do sinal de tensão do sinal corrente resultante, deixando apenas as imperfeições subjacentes.

18. Análise de tensão, corrente e potência – método de comparação com modelo (MCM) • A facilidade de utilização e baixo custo deste tipo de equipamento torna-o apropriado também para equipamentos de menor criticidade.

19. 5 - Análise de fluxo magnético • Qualquer distorção na densidade do fluxo de entreferros devido a defeitos no rotor ou no estator configura um fluxo homopolar axial no eixo que pode ser detectado por uma bobina de pesquisa instalada ao redor do eixo. • Uma escala de defeitos do estator e do rotor pode ser deduzida do espectro do fluxo axial obtido realizando uma transformação de Fourier na forma de onda da bobina da busca.

20. 6- Análise de descargas parciais (DP) • O aviso da avaria elétrica incipiente da bobine de um estator do motor pode ser obtido pela medida em linha da atividade de Descargas Parciais. • A degradação gradual do isolamento da bobine leva a um aumento da atividade de DP; • Ainda não foi comprovado com sucesso a relação quantitativa entre essa atividade e a vida restante do isolamento, que é necessária para o monitorização da condição,.

21. Descargas Parciais – o que são e quando ocorrem • As Descargas Parciais são pequenas faíscas elétricas que ocorrem em bobines convencionais de 50 ou 60 Hz classificados como 3,3 kV ou superior. • As Descargas Parciais são inexistente ou insignificante em bobines do estator bem feitas e que estão em boas condições. • No entanto, se o sistema de isolamento das bobines for mal feito, ou se deteriorou devido ao sobreaquecimento, movimento da bobina ou contaminação, então a podem ocorrer Descargas Parciais. • Um teste de DP mede diretamente as correntes de pulso resultantes das Desrcargas Parciais dentro de uma bobine.

22. 7 - Teste de interferência eletromagnética • O teste de interferência eletromagnética (EMI) é uma técnica que pode detectar e identificar a atividade de descargas parciais resultante de defeitos de isolamento, bem como condições de arco que resultam de defeitos condutores e mecânicos. • A EMI foi aplicada a motores de indução em aplicações industriais de serviços públicos, petroquímicas e pesadas. • O teste é realizado enquanto o motor está em serviço durante as condições normais de carga. • A Interferência Eletromagnética é uma medida no domínio de frequência da energia de radiofrequência que resulta de Descargas Parciais, e arco em defeitos motores, tais como correntes de veio através de rolamentos, barras de rotor quebrado, condutores do estator quebrados, conexões soltas, legação do veio à terra inadequado, e alguns tipos de problemas mecânicos, tais como desalinhamento de acoplamento.

23. 8 - Análise corrente do rotor • A corrente do rotor de um motor da indução é facilmente acessível em máquinas do rotor bobinado. • No entanto, em tais máquinas, o circuito de rotor é mal protegido na maioria das instalações. • Defeitos nas junções efetuadas por brasagem muitas vezes causaram danos graves, porque não foram detetados prontamente. • O superaquecimento do rotor também pode ser causado pelo desequilíbrio de corrente nos resistores externos ligados aos anéis de deslizamento.

24. 9 - Análise de tensão do veio • É sabido que qualquer distorção na distribuição interna de fluxo numa máquina elétrica pode produzir tensões no veio e os efeitos prejudiciais das correntes produzidas por tais tensões têm sido reconhecidos como a causa das correntes de veio que podem causar avarias. • Tais tensões do veio resultam da assimetria no circuito magnético de um motor devido às variações em propriedades magnéticas do aço do núcleo dentro dos trajetos de giro do fluxo magnético. • Isto induz uma tensão do AC do laço condutor que compreende o eixo do motor, os rolamentos, os suportes finais, e ao estrutura exterior do motor. • Se a tensão induzida é suficiente para quebrar o isolamento fornecido pelo lubrificante, a corrente flui através do anel, incluindo ambos os rolamentos. • Desenvolvimentos recentes, levaram a alguma fiabilidade e utilidade deste método.

25. Esperamos que esta apresentação tenho sido interessante