7.a Aula_IMFDM_Detecção de Falhas de Barras Quebradas em MIT

Ferramentas de Diagnóstico
de Máquinas
IMFDM
Prof. Dr. Cesar da Costa
7.a Aula: Detecção de Falhas de Barras Quebradas em MIT
INTRODUÇÃO ÀS MÁQUINAS ELÉTRICAS
Definições
 Máquinas elétricas são dispositivos
capazes de converter energia elétrica em
energia mecânica e vice-versa.
 Geradores: convertem energia mecânica
em elétrica.
 Motores: convertem energia elétrica em
mecânica.
INTRODUÇÃO ÀS MÁQUINAS ELÉTRICAS
 Motor Elétrico
INTRODUÇÃO ÀS MÁQUINAS ELÉTRICAS
 Gerador Elétrico
Motores Elétricos
Motor de Indução
Motor de Indução
Exemplo de Motor Elétrico
Motor de Indução
Motor de Indução trifásico
Estator
Ventilador
Rotor
Motor de Indução
 Elementos de um Motor Trifásico de Indução
Máquina Assíncrona
Motor de indução
ESTRUTURA DO ESTATOR
 É construído com chapas de material magnético e recebe o
enrolamento de campo, cujas espiras são colocadas em ranhuras,
como mostra a Figura 7.7.
 O enrolamento de campo pode ser mono ou trifásico. A maneira como
esse enrolamento é construído determina o número de pólos do
motor, entre outras características operacionais. Suas pontas
(terminais) são estendidas até uma caixa de terminais, onde pode ser
feita a conexão com a rede elétrica de alimentação.
Enrolamento de estator trifásico
Rotor tipo gaiola de esquilo
Rotor gaiola de esquilo
Rotor tipo bobinado
MONTAGEM DO MOTOR TRIFÁSICO DE INDUÇÃO
Montagem Motor Trifásico de Indução
https://www.youtube.com/watch?v=xGW3RHVGBmA
Máquina Assíncrona
A máquina de indução é, dentre as
máquinas elétricas, a mais utilizada na
indústria.
Na máquina assíncrona tanto o rotor quanto
o estator conduzem corrente alternada.
Máquina Assíncrona
A corrente que circula pelo rotor é uma
corrente induzida devido a um campo
variável devido à diferença de velocidade de
rotação do rotor e do campo girante. Por
isso a nomenclatura máquina de indução.
Campo magnético girante
Os enrolamentos trifásicos localizados no estator e
representados pelos enrolamentos aa’, bb’ e cc’ estão
deslocados de 120 graus entre si. Quando uma corrente
alternada senoidal circula por um enrolamento ela produz
uma força magneto motriz senoidal centrada no eixo do
enrolamento.
Campo magnético girante
A força magneto motriz resultante é a
composição vetorial das três componentes
de força magneto motriz.
• Devido a corrente na fase A está em um instante
de máximo, a força magneto motriz produzida
por este enrolamento é máxima.
• O vetor resultante força magneto motriz F possui
a mesma amplitude em todos os instantes de
tempo, girando em sentido anti-horário.
PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DO MOTOR TRIFÁSICO
DE INDUÇÃO
Escorregamento
ns  n
s
ns
É óbvio que a velocidade do rotor não pode ser
igual à velocidade síncrona, pois assim, nenhuma
corrente seria induzida no enrolamento do rotor e
consequentemente nenhum torque seria
produzido.
Circuito equivalente
O circuito equivalente pode ser utilizado
para estudar e antecipar o desempenho da
máquina de indução com apreciável
proximidade da realidade.
Conjugado Eletromagnético
 A interação entre a corrente do rotor e o fluxo produzido por cada
polo unitário do campo magnético girante que concatena o condutor
do rotor, resulta o conjugado motor, o qual é dado por:
Curva conjugado x rotação para
o motor assíncrono
Ensaio a vazio
Ensaio com rotor bloqueado
Classificação por categorias
Categoria N
São caracterizados por possuírem um
conjugado de partida normal, corrente de
partida normal e pequeno valor de
escorregamento em regime permanente.
Constituem a maioria dos motores
encontrados no mercado e prestam-se ao
acionamento de cargas normais, com baixo
conjugado de partida como: bombas e
máquinas operatrizes.
Categoria H
Os motores dessa categoria são
caracterizados por possuírem um conjugado
de partida elevado, corrente de partida
normal e baixo valor para o escorregamento
em regime permanente. Esta categoria de
motores é utilizada para acionamento de
cargas que exigem maior conjugado de
partida, como peneiras, transportadores
carregados, cargas com alta inércia, etc.
Categoria D
São caracterizados por conjugado de
partida elevado, corrente de partida normal
e alto escorregamento. Utilizados para
acionamento de cargas como: prensas
excêntricas e máquinas semelhantes, em
que a carga apresenta picos periódicos e
cargas que necessitam de conjugado de
partida elevado e corrente de partida
limitada.
Controle de velocidade
Um motor de indução possui velocidade
aproximadamente constante quando
conectado a uma fonte de tensão constante
com uma freqüência fixa. A velocidade em
regime permanente é muito próxima da
velocidade síncrona. Quando o torque
solicitado aumenta, a velocidade diminui.
Variação da velocidade em
função da carga
Controle de velocidade
Em muitas aplicações industriais,
velocidades variáveis ou continuamente
ajustáveis são necessárias.
• Tradicionalmente, motores de corrente
contínua sempre foram utilizados em
aplicações onde era necessário variar a
velocidade da máquina.
Controle de velocidade
• Entretanto, motores de corrente contínua
são caros, requerem manutenção das
escovas e dos comutadores e são
proibitivos em ambientes agressivos.
• Em contrapartida, motores de indução são
baratos, não requerem manutenção, estão
aptos a funcionar em ambientes
agressivos e estão disponíveis para
velocidades elevadas.
Controle de velocidade através
da variação da freqüência.
Inversor de
freqüência
Motor
De
Indução
Métodos de partida dos motores
de indução
• Uma corrente de partida de 500 a 800 %
maior que a corrente nominal pode
circular pela rede de alimentação.
Além de causar uma queda de tensão apreciável,
pode afetar outras cargas conectadas à rede de
alimentação. Além disso, se uma corrente elevada
circular no motor por um longo intervalo de tempo,
poderá aquecê-lo, danificando o isolamento do
enrolamento.
Conversor de estado sólido
Métodos de partida dos
motores de indução
• É importante ressaltar que embora
tensões menores reduzam a corrente
durante a partida dos motores, o torque de
partida decresce porque o torque é
proporcional ao quadrado da tensão
aplicada.
Influência da rede elétrica na
operação do MIT
• A operação eficiente dos motores de
indução trifásicos depende, entre outras
coisas, da qualidade da rede elétrica de
alimentação. O ideal é que esta rede seja
equilibrada e com suas tensões
apresentando amplitudes e freqüência
constantes.
Influência da rede elétrica na
operação do MIT
• A eficiência e o fator de potência dos motores
de indução trifásicos variam segundo o valor da
tensão de alimentação. Estes motores são
projetados para suportarem variações de ±10%
da tensão nominal.
•
Os motores devem suportar variações de
freqüência de -5% a até +3%. Uma variação
simultânea da amplitude e da freqüência pode
ser prejudicial para o motor.
Influência da rede elétrica na
operação do MIT
• Uma tensão de alimentação abaixo do
valor nominal do motor provoca aumento
da corrente e da temperatura e ainda
redução dos torques de partida e de
regime. Por outro lado, um valor de tensão
acima do nominal acarreta redução do
fator de potência e aumento da corrente
de partida.
Influência da carga mecânica na
operação do MIT
• As principais conseqüências do
superdimensionamento são:
• Maior custo, volume e peso do motor.
• Redução do fator de potência.
• Redução da eficiência, embora muito motores
apresentem sua eficiência máxima a,
aproximadamente, 75% da sua carga nominal.
• Maior corrente de partida, acarretando maior
custo da instalação e proteção.
Fator de serviço
•
A norma ABNT NBR 7094/1996, define
fator de serviço como um multiplicador
que, quando aplicado à potência nominal
do motor, indica a carga que pode ser
acionada continuamente sob tensão e
freqüência nominais. Entretanto, a
utilização do fator de serviço implica em
vida útil inferior àquela do motor com
carga nominal.
Influência do ambiente na
operação do MIT
•
As condições ambientais onde está instalado
um motor têm influência na sua operação.
Poeiras que se depositam na sua carcaça, ao
absorverem umidade ou partículas de óleo,
formam uma crosta que dificulta a liberação do
calor. Por causa disso, a temperatura interna do
motor se eleva. Uma das conseqüências é
aumentar o valor da resistência do enrolamento
e diminuir a eficiência do motor.
Grau de proteção - IP
•
Motores que trabalham em ambientes
desfavoráveis ou mesmo agressivos
devem ser providos de um grau de
proteção. A norma brasileira NBR 6146
define os vários graus de proteção que os
motores elétricos podem apresentar, por
meio das letras características IP, seguida
por dois algarismos. As tabelas 2.1 e 2.2
apresentam os critérios de proteção.
Tabela 2.1 – Indica grau de proteção contra penetração
de corpos sólidos estranhos e contato acidental.
1o Algarismo
Algarismo
Indicação
0
Sem proteção
1
Corpos estranhos acima de 50mm
2
Corpos estranhos acima de 12mm
3
Corpos estranhos acima de 2,5mm
4
Corpos estranhos acima de 1,0mm
5
Proteção contra acúmulo de poeiras prejudiciais ao
motor.
6
Totalmente protegido contra poeira.
Tabela 2.2 – Indica grau de proteção contra penetração
de água no interior do motor.
2o Algarismo
Algarismo
Indicação
0
Sem proteção
1
Pingos de água na vertical.
2
Pingos de água até a inclinação de 15o com a vertical.
3
Pingos de água até a inclinação de 60o com a vertical.
4
Respingos em todas as direções.
5
Jatos de água em todas as direções.
6
Água de vagalhões.
7
Imersão temporária.
8
Imersão permanente.
Classes de Isolação
• Classe A – 105 graus
• Classe E – 120 graus
• Classe B – 130 graus
• Classe F – 155 graus
• Classe H – 180 graus
Falhas em motores elétricos
Métodos de análise de falhas em motores elétricos
 Método da análise de corrente
• Utiliza medidores não-invasivos ao motor para obter o sinal
elétrico de entrada das fases do motor, assim é possível efetuar a
análise do espetro da frequência de alimentação do motor.
• É indicada para identificação de barras quebradas no rotor e
desbalanceamento de tensão.
Falhas em motores elétricos
Métodos de análise de falhas em motores elétricos
Exemplo de motor de indução trifásico com seis barras quebradas
Defeito de barras quebradas
O defeito de barras quebradas está relacionado exclusivamente à
interrupção do circuito elétrico no rotor.
Justamente o material condutor (alumínio ou cobre) que faz o
circuito elétrico dentro do rotor, pode apresentar problemas
durante o processo de injeção.
MÉTODO MCSA (MOTOR CURRENT SIGNATURE ANALYSIS)
 MCSA é uma técnica não invasiva on-line de monitoramento para o
diagnóstico de problemas em motores de indução.
 MCSA pode diagnosticar problemas, tais como barras quebradas
do rotor, espiras em curto em baixa tensão dos enrolamentos do
estator, e excentricidade do entreferro no motor de indução trifásico.
 MCSA analisa as formas de onda de corrente do motor
utilizando algoritmos de processamento de sinal e técnicas
matemáticas, como por exemplo, a FFT.
 Nesta abordagem, a detecção é realizada por meio da verificação
de ativação de algumas frequências de faixas laterais específicas
ao redor da frequência fundamental associada a esta falha
particular.
MÉTODO MCSA (MOTOR CURRENT SIGNATURE ANALYSIS)
 MCSA é uma técnica não invasiva de diagnóstico de problemas em
motores de indução trifásicos. Ela consiste da utilização da análise
espectral do sinal de corrente de uma das fases do estator.
 Quando uma falha está em desenvolvimento, o espectro de frequência
da corrente se torna diferente do espectro do motor quando em boas
condições de operação.
 A análise apropriada dos resultados da aplicação da técnica auxiliará a
manutenção preditiva da planta na identificação de:
 Problemas no enrolamento do estator;
Problemas rotóricos;
 Problemas no acoplamento e na carga acoplada;
 Eficiência e carregamento do sistema;
 Problemas no Rolamento;
 Etc.
MÉTODO MCSA (MOTOR CURRENT SIGNATURE ANALYSIS)
Frequência de defeito
lateral direita
Frequência de defeito
lateral esquerda
 As frequências laterais aumentam conforme o número de barras
rompidas.
Falhas de barras quebradas em motores elétricos
Falhas de barras quebradas em motores elétricos
 Método da análise de corrente
Falhas de barras quebradas em motores elétricos
Sensores de Corrente (Efeito hall )
1. Modelo HR30 dc/ac CURRENT PROBE
Falhas de barras quebradas em motores elétricos
Sensor de Corrente (LA-55P)
Sensor de Tensão (LV-25P)
Falhas de barras quebradas em motores elétricos
Falhas de barras quebradas em motores elétricos
Software LabVIEW – Cálculo do Espectro de Frequência
Falhas de barras quebradas em motores elétricos
IHM - Usuário
Falhas de barras quebradas em motores elétricos
Falhas de barras quebradas em motores elétricos
Falhas de barras quebradas em motores elétricos
Falhas de barras quebradas em motores elétricos
Espectro do Motor sem defeito de barra quebrada
Falhas de barras quebradas em motores elétricos
Espectro do Motor com uma barra quebrada
Falhas de barras quebradas em motores elétricos
Espectro do Motor com duas barras quebradas
Falhas de barras quebradas em motores elétricos
Espectro do Motor com três barras quebradas