Foi desenvolvida uma técnica inovadora para a identificação da falha de barra quebrada no rotor de motores de indução através na análise da deformação dinâmica do estator da máquina. Para medir as deformações dinâmicas do estator foram utilizados sensores de deformação baseados em fibra óptica.
O monitoramento da deformação do estator foi feito através de sensores baseados em redes de Bragg em fibra óptica que possibilitam a multiplexação de vários sensores em uma única fibra. Devido às suas reduzidas dimensões e massa e sua imunidade à radiação eletromagnética os sensores podem ser instalados no interior da máquina, diretamente na superfície do estator. Devido suas reduzidas dimensões e massa os sensores apresentam rápida resposta, devido a sua imunidade à radiação eletromagnética as medidas podem ser feitas em ambientes com alto ruído eletromagnético, como o interior da máquina. Esses fatores possibilitam medidas com boa relação sinal ruído e sem a influência de outros parâmetros.
O sistema proposto possibilita a identificação da falha de barra quebrada em duas regiões do espectro de deformação do estator da máquina. A primeira região é em torno da rotação mecânica do máquina, para o caso do motor de quatro polos ensaiado neste trabalho, região próxima de 30 Hz. A segunda região é em torno de duas vezes a frequência da fonte de alimentação da máquina, 120 Hz para as situações ensaiadas no trabalho. A máquina pode ser diagnosticada através da análise de somente uma das regiões observadas.
O motor de indução de pequeno porte, 3 cv e 4 polos, utilizado nos ensaios foi instrumentado com quatro sensores de deformação baseados em redes de Bragg em fibra óptica. Os sensores foram instalados na superfície do estator, entre dentes consecutivos, e uniformemente distribuídos. Os dados de somente um dos sensores foram necessários para a identificação da falha de barra quebrada e diagnóstico da maquina, os três sensores restantes foram usados como redundância para o caso de quebra ou mal funcionamento do sensor
analisado. O uso de sensores adicionais, assim como a possibilidade de identificar a falha através de duas regiões do espectro de deformação do estator da máquina contribuíram para aumentar a confiabilidade da técnica desenvolvida.
Foram realizados três conjuntos de ensaios com tensão trifásica de 220 Vac e
frequência de 60 Hz, com o motor alimentado através de três diferentes fontes de alimentação comumente utilizadas na indústria: diretamente pela rede elétrica da concessionária, através de geradores síncronos e através de um inversor de frequência. Foram escolhidas duas condições de carga, também comuns em máquinas instaladas na indústria: 50% e 100% da carga nominal do motor. Uma exceção ocorreu para os ensaios realizados com os geradores síncronos, onde o motor foi ensaiado com aproximadamente 35% e 80% de sua carga nominal. Todos os ensaios foram realizados com um rotor saudável, sem falha de barra quebrada, e com um rotor com uma de sua barras quebradas que é a situação mais difícil de ser identificada. O novo método se mostrou efetivo para a identificação da falha de uma barra quebrada no rotor em todas as situações de carga e de alimentação ensaiadas.
A frequência dos harmônicos, provocados pela falha de barra quebrada e observados nos espectros dos três conjuntos de ensaios, apresentaram pequena diferença em relação aos valores calculados. A diferença encontrada entre os valores calculados e os observados nos espectros de deformação da máquina ocorre por que durante o funcionamento o motor apresenta pequenas variações de velocidade de rotação, que podem ser provocadas por oscilações de tensão, na corrente ou na frequência da fonte de alimentação. Através de cálculos é possível observar que pequenas variações no escorregamento da máquina causam grandes variações nos valores de frequência calculados, por exemplo, variações de escorregamento na ordem de centésimos produzem variações de décimos nas frequências calculadas.
Apesar de os sensores de deformação baseados em redes de Bragg a fibra óptica não possuírem encapsulamento o sistema se mostrou robusto. Foi possível manipular o motor, efetuar as trocas de rotores e operar a máquina durante os ensaios sem que houvesse qualquer quebra ou outro tipo de problema com os sensores.
Foi possível identificar a falha de barra quebrada no rotor mesmo em situações em que o motor foi alimentado por fontes de alimentação que naturalmente apresentam maior distorção harmônica, como no caso de geradores síncronos e inversores de frequência. Métodos para a identificação da falha de barra quebrada como o MCSA, que identifica a falha de barra quebrada no rotor através da análise da assinatura elétrica do motor, nem sempre são efetivos nestas condições. Bellini et al. (2008) e Ye et al. (2006) relatam que o método apresenta inconvenientes quando a fonte de alimentação apresenta distorção harmônica. Para
contornar esses inconvientes é utilizado auxílio computacional como, por exemplo, conceitos de inteligência artificial e redes neurais (ARABACI; BILGIN, 2012; AYHAN et al., 2006; SADEGHIAN et al., 2009; WANGNGON; RUANGSINCHAIWANICH, 2013) e lógica fuzzy (PEREIRA; GAZZANA, 2004; SAGHAFINIA et al., 2012). O método proposto neste trabalho se mostrou efetivo para identificar a falha de barra quebrada no rotor em situações onde a fonte apresenta distorção harmônica sem a necessidade de auxílio de métodos computacionais. O sistema sensor possibilitou identificar com exatidão a frequência de rotação da máquina e frequência da fonte de alimentação, parâmetros essenciais para se encontrar a localização dos harmônicos provocadas pela falha de barra quebrada no rotor.
O sistema se mostrou efetivo para a identificação da falha de barra quebrada no rotor ensaiado, as medidas apresentaram boa relação sinal ruído, o sistema sensor se mostrou robusto e com potencial para a identificação de outros tipos de falhas em máquinas elétricas girantes. Os dados resultantes deste trabalho mostram que o sistema desenvolvido possui potencial para aplicação em máquinas elétricas girantes de médio e grande porte, o que foi a motivação principal para o desenvolvimento deste trabalho.