Motores de indução, principalmente os trifásicos, são os tipos de motores mais comuns na indústria. Suas principais vantagens são robustez, confiabilidade e baixo custo. Até a década de 80, uma das principais desvantagens dos motores de indução era em relação ao controle de velocidade e torque. Comparando com motores CC, o controle de um motor de indução era mais difícil e não oferecia a mesma precisão. Tal dificuldade era uma consequência direta da maior complexidade de modelagem do motor de indução. De fato, o controle do motor de indução exige que se varie a frequência de alimentação do motor com o intuito de mudar o fluxo girante do estator. Com o advento da eletrônica de potência e o surgimento dos inversores de frequência, o controle do motor de indução tem se tornado uma tarefa mais simples.
O inversor de frequência possibilitou que o acionamento dos motores de indução tivesse níveis de precisão melhores do que os dos motores CC. Através da variação da frequência de alimentação dos motores de indução, foi possível controlar velocidade e torque com boa precisão utilizando técnicas como controle escalar e controle vetorial. Embora os inversores popularizaram ainda mais a utilização de motores de indução, eles possuem algumas desvantagens. Seu funcionamento é baseado em dispositivos semicondutores de potência como diodos, tiristores, MOSFETs e IGBTs. Estes dispositivos apresentam comportamentos não lineares (ex. impedância depende da amplitude da tensão aplicada) e, para a rede elétrica, são
vistos como cargas não lineares. Isto gera harmônicos1 na rede diminuindo a qualidade da energia elétrica e distorcendo o sinal elétrico.
Para ilustrar a distorção causada por harmônicos, a Figura 32 apresenta como uma forma de onda senoidal sofre modificações a cada harmônica acrescentada.
Figura 32: Influência de harmônicos em um sinal senoidal.
Além de ser um problema de qualidade de energia elétrica, os harmônicos gerados também interferem em outras situações, como na análise preditiva e detecção de defeitos por medição de sinais de corrente e tensão. A manutenção dos equipamentos de uma indústria é de vital importância para o seu funcionamento e representa um dos seus maiores desafios, envolvendo técnicos e engenheiros que necessitam identificar, prever e solucionar possíveis falhas de processos, muitas vezes complexos, no menor tempo possível. Uma gestão de manutenção mal planejada e mal executada pode levar a altos custos de produção e até mesmo à catástrofes na planta. Com o intuito de evitar tais problemas e auxiliar os operadores, técnicas analíticas para detecção de defeitos são desenvolvidas para diversos sistemas e são uma área de pesquisa constante.
O principio básico de detecção de defeitos é, através de medidas realizadas sobre o sistema, buscar inferir informações sobre comportamentos anormais e relacionar estes comportamentos com uma possível causa. Considerando que os motores de indução estão presentes em grande escala em praticamente todos os processos industriais, várias técnicas como análise de vibrações, identificação e estimação de parâmetros do motor e análise espectral do sinais foram desenvolvidas para detectar defeitos de modo a aumentar a confiabilidade dos processos industriais. Uma das técnicas mais utilizadas, abordada neste capítulo, é a análise de assinatura da corrente de alimentação do motor.
Tal técnica consiste basicamente em medir uma das correntes do estator e aplicar a 1Componentes senoidais com frequências que são múltiplas inteiras da frequência fundamental.
transformada discreta de Fourier ao sinal de corrente para realizar a análise no domínio da frequência. O sinal de corrente ideal é uma senoide com 60Hz, logo, seu espectro de frequência possui um pico em 60Hz. Quando há ocorrência de algum defeito mecânico no motor, o espectro apresenta picos em frequências diferentes de 60Hz. Mais informações sobre a análise em frequência dos diferentes tipos de falhas em motores de indução podem ser encontradas em (MILJKOVI´c, 2015).
A detecção de defeitos pelo espectro da corrente é sensível a ruídos. Embora filtros passa baixa atenuem a interferência de alta frequência, ruídos em baixa frequência não podem ser eliminados da mesma maneira, pois assim também se perderia informações do sinal. Os inversores de frequência causam interferências de baixa frequência em várias frequências diferentes, dificultando ainda mais a análise do espectro da corrente para detectar possíveis defeitos. A Figura 33 apresenta o espectro de frequência da corrente, na presença ou não do inversor na alimentação do motor, comparando a situação de um motor com falha e um sem falha. Como mencionado, a falha mecânica gera bandas laterais de frequência em torno da frequência fundamental de 60Hz. Quando o motor é alimentado diretamente pela rede elétrica, o espectro indica claramente a falha (vide Figura 33a). No entanto, quando alimentado pelo inversor, a inserção de ruído no sistema não permite distinguir o espectro do motor com falha e o do sem a falha (vide Figura 33b). Este problema foi apresentado em (SOUSA et al., 2017) e solucionado utilizando sensores de deformação por fibra ótica. No estudo de caso deste capítulo, busca-se analisar a viabilidade do uso do filtro de Kalman para melhorar a detecção do defeito na presença do inversor como uma solução alternativa.
(a) Motor alimentado diretamente pela rede. (b) Motor alimentado pelo inversor de frequência. Figura 33: Espectro de falha com alimentação pela rede elétrica e pelo inversor.
4.2.1 Quebra de Barras em Rotores de Motores de Indução do Tipo Gaiola
Motores de indução do tipo gaiola possuem barras condutoras no rotor necessárias para conduzirem as correntes induzidas pelo campo girante do estator de maneira a gerar um campo girante no rotor. O campo gerado no rotor buscará se alinhar com o campo girante do estator e isto resultará no surgimento de um torque. O alinhamento se dá devido ao torque para que os polos norte e sul do estator se alinhem com os polos sul e norte induzidos no rotor. No entanto, os polos do campo girante estão sempre mudando de lugar devido a alimentação senoidal e, deste modo, o torque manterá o rotor em movimento rotacional. Quando uma ou mais barras do rotor se quebram, um desbalanceamento das correntes é gerado dificultando a geração do torque eletromagnético. Este desbalanceamento também causa pulsações de torque, diminuindo o torque médio disponível. Além disso, quando uma barra se quebra, as barras adjacentes tendem a se deteriorar rapidamente (SOUSA et al., 2017). A Figura 34 apresenta o esquemático do núcleo do rotor de um motor de indução do tipo gaiola e a imagem real de quando as barras estão quebradas.
Figura 34: Rotor do motor em gaiola e falha de quebra da barra.
A quebra das barras do rotor, um tipo de defeito mecânico, gera frequências de banda laterais em torno da frequência fundamental de 60Hz. As frequências de ocorrência destas bandas dependem do escorregamento2 s do motor e da frequência principal de acordo com (133).
fbrb= f (1 ± 2ks), k = 1,2,3... (133)
A Figura 35 apresenta o comportamento no domínio da frequência quando há ocorrência da falha e a influência do escorregamento.
2O escorregamento é a diferença entre a velocidade n
sdo campo girante do estator (velocidade síncrona) e a velocidade nrdo rotor, normalizada pela velocidade síncrona, ou seja, s = nsn−ns r
Figura 35: Espectro com k=1 e influência do escorregamento no comportamento no espectro de falha.
Fonte: Adaptado de (SOUSA et al., 2017).
O objetivo, então, é utilizar o filtro de Kalman para estimar a forma de onda da corrente do motor com falha, diminuindo os efeitos indesejados do inversor de frequência e melhorando o espectro de frequência. Com isso, espera-se conseguir detectar a falha mesmo na presença do inversor.