DEFEITOS EM ENROLAMENTOS POR ISOLAMENTO

Pesquisas mostram que 35% a 45% das causas das falhas nas máquinas de indução são provocadas pelo rompimento do isolamento do estator, sendo a sobrecarga térmica uma das maiores causas do processo de degradação do sistema de isolação para motores de pequeno porte [13][57].

Embora a máquina assíncrona seja bastante robusta, ela está submetida a vários tipos de estresses, que podem produzir defeitos nos

seus elementos constituintes, capazes de originar problemas ao motor como um todo [57]. Na tabela 3 estão relacionadas algumas das causas de estresse.

Tabela 3 – Tipos de estresse no motor de indução.

Tipo Causa Tipo Causa

Térmicos envelhecimento sobrecarga ciclagem ventilação espiras em curto transitórios

Mecânicos vibração de bobinas contato rotor-estator desvios de forma danos nos fios excentricidade e

alinhamento (rotor-estator) Elétricos sobretensão

dielétrico

tracking (caminhos elétricos) descargas corona

transitórios

Ambientais umidade químico abrasão

corpos estranhos (lascas) temperatura/radiação

Fonte: Adaptado de [13], [54] e [58].

Nota: Estresse é a resposta não especificada de um organismo a qualquer demanda sobre ele, agradável ou não, que resulta em certas alterações bioquímicas. Se associa o termo estresse com uma conotação prejudicial ou perigosa com respeito ao excessivo esforço ou desconforto [59], e, sobre sistemas elétricos ou mecânicos, pode-se interpretar como o fato de submeter um dispositivo a operar a ou além de seus limites especificados ou sob condições de serviço consideradas como extremas, que poderiam resultar em alterações físicas, químicas, elétricas ou mecânicas do sistema.

Os estresses relacionados podem agir sozinhos ou em conjunto provocando perfurações, desgastes, envelhecimento prematuro do isolamento, enfraquecimento dos fios, podendo originar defeitos mais sérios no estator [58], capazes de produzir falha, pane ou dano permanente do motor [1]. Os defeitos podem ocorrer tanto no pacote de lâminas quanto nos enrolamentos [57], sendo usual o curto-circuito, quando se estabelece o contato elétrico indesejado entre dois condutores, e o circuito aberto, quando a condução de corrente é interrompida (por rompimento, isolamento ou desconexão).

De todas, a falha mais comum no isolamento de motores de indução com enrolamento aleatório é o curto-circuito entre espiras [60]. Tal defeito pode comprometer permanentemente o funcionamento do MIM. Os curto-circuitos podem ocorrer entre espiras no BP, entre BP e BA, entre espiras no BA, entre enrolamentos e núcleo laminado e entre enrolamentos e rotor, acontecendo segundo o caso, dentro da ranhura,

no topo das mesmas, na cabeça de bobina, por fios fora da bandagem ou na trajetória do rotor.

A tabela 4 foi montada a partir de dados do processo de fabricação de compressores herméticos, obtidos junto à empresa parceira neste trabalho. Nela estão relacionadas as partes de maior ocorrência de curto-circuito para um determinado modelo de MIM. A alta representatividade dos problemas ligados ao BA, se deve a sua constituição – fios mais finos – e posicionamento – inserido sobre BP com camada superficial próxima ao rotor –.

Tabela 4 – Localização de curto-circuitos em um modelo de MIM.

BP BA Núcleo (pacote) Rotor BP   _{ } BA _{   } Núcleo _{ } lascas Rotor   lascas  baixa representatividade  alta representatividade

Fonte: Autor a partir de dados obtidos da empresa parceira.

Mesmo não estando relacionados incialmente com o sistema de isolação, alguns defeitos podem evoluir e danificá-lo, como: parte de enrolamento sobreaquecido (em estatores que disponibilizam dois níveis de tensão de alimentação), sobreaquecimento de enrolamento auxiliar por defeitos do mecanismo de partida, sobreaquecimento do enrolamento principal, rotor travado [61], presença de corpos estranhos no entreferro (lascas ou cavacos), defeitos em conectores e terminais, conexão incorreta dos cabos de ligação, excesso de carga e erros de especificação.

Caso ocorra a “queima” do motor, a primeira providência é identificar a causa e o local para evitar novos danos [61]. Alguns defeitos manifestados após operação – depois de ligar o motor à rede de alimentação –, provocam alterações significativas nos isolamentos do estator, visualmente detectáveis, que podem indicar sua origem provável como é apresentado na figura 20.

Figura 20 – Identificação visual de danos em enrolamentos de MIM.

curto entre espiras de BP curto entre BP e BA curto entre espiras de BP

parte de BP sobreaquecido curto dentro da ranhura curto na saída da ranhura

rotor travado sobreaquecimento em BP sobreaquecimento em BA

Quando um motor de indução é associado a inversores de frequência tipo PWM, submete-se à frequência de chaveamento do conversor [1], comumente perto de 20 kHz, com milhares de pulsos rápidos de subida por segundo. Esses pulsos repetitivos, com curtos tempos de subida dos ciclos de comutação (figura 21) das chaves semicondutores de potência, têm como consequência a redução da rigidez dielétrica da maioria dos materiais isolantes [55] facilitando a perfuração dielétrica a tensões menores. Além disso, a ação continuada desses pulsos, aliás de acarretar altas tensões nas primeiras espiras dos enrolamentos, leva a danos graduais no sistema de isolamento que podem conduzir a curto-circuito entre espiras [62].

As normas IEC 60034-17:1998 e NEMA MG1-30:1998 estabelecem como rise-time, o tempo que um sinal leva para subir de 10% a 90% do valor máximo [63][62], como apresenta a figura 21. No entanto o valor máximo para IEC é o valor pico do transitório, e para NEMA é o valor máximo após se estabilizar. Assim, o valor adotado em conversores de frequência é o NEMA, embora seu valor possa ser menor que o correspondente para IEC [62].

Figura 21 – Definição gráfica para tempo de subida (rise-time).

Fonte: Adaptado de [63].

Problemas mecânicos em mancais, excentricidade, balanceamento, desalinhamento, refrigeração do estator, ou ainda, barras abertas no rotor, entre outros [58], são defeitos que podem conduzir a falhas do isolamento, comprometendo a operação contínua e segura do MIM.

Para prevenir falhas no motor, originadas em defeitos de fabricação, se realizam ensaios desde sua etapa inicial de produção, para garantir o seu funcionamento confiável, como será visto na seção seguinte.