Este conjunto de ensaios foi realizado alimentando o motor através de um inversor de frequência com chaveamento configurado em 15 kHz e saída em 220 Vca trifásico com frequência de 60 Hz. O motor foi ensaiado operando com 75% e 100% da sua carga nominal montado com um rotor saudável e com um rotor com uma barra quebrada. O valor de THD de tensão medido nos ensaios foi de 7,5%.
A figura 45 mostra os espectros de deformação em torno da frequência de 30 Hz. A frequência de rotação da máquina obtida do espectro de deformação foi de fr = 29,36 Hz ou
1762 rpm para a máquina operando com 75% de carga. Nesta condição não foi observada diferença de velocidade de rotação para a máquina saudável e máquina com falha. Para o motor operando com carga nominal os valores de frequência de rotação foram fr = 28,59 Hz ou 1715
rpm para o motor saudável e fr = 28,47 Hz ou 1708 rpm para a máquina com falha.
Nos espectros de deformação da máquina operando com o rotor avariado é possível identificar as componentes de frequência provocadas pela barra quebrada no rotor. Os escorregamentos da máquina operando com falha são calculados substituindo os valores de fr na equação 1, os valores calculados foram s = 2,13% para a condição de 75% de carga e s = 5,10% para a condição de carga nominal.
Os valores das componentes de frequência para k = 1 provocadas pela falha de barra são calculadas substituindo os valores das frequência de rotação fre escorregamento s na equação 4.
Para o motor operando com 75% de carga os valores calculados foram fbq = 26,80 Hz para a banda inferior e fbq = 31,92 Hz para a banda superior. Para a motor operando com 100% de
carga nominal os valores calculados são respectivamente fbq = 22,35 Hz e fbq = 34,59 Hz. Os
valores observados no espectro são ligeiramente diferentes dos valores teóricos calculados: fbq
= 26,98 Hz e fbq = 31,74 Hz para 75% de carga nominal e fbq = 22,58 Hz e fbq = 34,36 Hz para 100% da carga nominal. A tabela 6 mostra os valores das frequências calculadas e das frequências obtidas nos espectros de deformação.
No espectro da máquina operando com 75% de carga ainda é possível observar uma segunda componente de frequência provocada pela falha de barra quebrada no rotor com valor igual a 34,12 Hz. A frequência superior do segundo harmônico pode ser calculada fazendo k = 2
Frequência [Hz] 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 Amplitude [dB] -120 -110 -100 -90 -80 -70 -60 -50
-40 Inversor de frequência 75% de carga
Rotor saudável Barra quebrada fbq= 31,74 Hz fbq= 34,12 Hz 30,60 Hz fr= 29,36 Hz fbq= 26,98 Hz (a) Frequência [Hz] 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 Amplitude [dB] -120 -110 -100 -90 -80 -70 -60 -50
-40 Inversor de frequência 100% de carga
Rotor saudável Barra quebrada fbq= 34,36 Hz 30,60 Hz fr= 28,47 Hz fbq= 22,58 Hz (b)
Figura 45: Espectro de deformação do estator em torno da frequência de 30 Hz para o motor alimentado por um inversor de frequência. (a) Carga de 75% e (b) carga de 100%.
Fonte: Autoria própria
Tabela 6: Frequências de barra quebrada calculadas e encontradas no espectro de deformação do motor alimentado por um inversor de frequência para a região de 30 Hz.
Carga Região do espectro Freq. calculadas Freq. encontradas 75% 30 Hz 26,80 Hz e 31,92 Hz 26,98 Hz e 31,74 Hz 100% 30 Hz 22,35 Hz e 34,59 Hz 22,58 Hz e 34,36 Hz
Fonte: Autoria própria
na equação 4, o valor calculado é igual a fbq= 34,48 Hz. Em ambos os espectros do motor com
falha de barra quebrada é possível identificar uma componente de frequência intermediária entre a frequência de rotação mecânica da máquina fre as frequências provocadas pela falha de barra
quebrada no rotor fb com valor aproximado de 30,60 Hz, possivelmente relacionada a alguma
característica mecânica do conjunto ensaiado ou outra falha no motor como, por exemplo, falha em seus rolamentos. Outras componentes de frequência, possivelmente provocadas pelo funcionamento do inversor, podem ser vistas nos espectros mas não interferem na identificação da falha de barra quebrada no rotor.
A figura 46 mostra os espectros de deformação em torno da frequência de 2f = 120 Hz. A deformação do estator é causada pelas forças eletromagnéticas no entreferro da máquina e dependem apenas da frequência da fonte de alimentação, por este motivo a frequência fundamental tanto para o máquina saudável quanto para a máquina com falha de barra quebrada tem o valor de 120 Hz. Frequência [Hz] 110 112 114 116 118 120 122 124 126 128 130 Amplitude [dB] -140 -130 -120 -110 -100 -90 -80 -70 -60
-50 Inversor de frequência 75% de carga
Rotor saudável Barra quebrada fbq= 124,1 Hz fbq= 117,60 Hz (a) Frequência [Hz] 110 112 114 116 118 120 122 124 126 128 130 Amplitude [dB] -140 -130 -120 -110 -100 -90 -80 -70 -60
-50 Inversor de frequência 100% de carga
Rotor saudável Barra quebrada
fbq= 126,00 Hz
fbq= 114,00 Hz
(b)
Figura 46: Espectro de deformação do estator em torno da frequência de 120 Hz para o motor alimentado por um inversor de frequência. (a) Carga de 75% e (b) carga de 100%.
Fonte: Autoria própria
As componentes de frequência provocadas pela falha de barra quebrada no rotor para k = 1 e para o motor operando com 75% de carga são calculadas substituindo os valores de escorregamento s = 2,13% na equação 5, os valores calculados foram fbq = 117,44 Hz para
a banda inferior e fbq = 122,56 Hz para a banda superior. Para o motor operando com carga nominal os valores calculados substituindo o escorregamento de s = 5,10% na equação 5 foram iguais a fbq = 113,88 Hz a banda inferior e fbq = 126,12 Hz para a banda superior. Os valores
encontrados no espectro são ligeiramente diferentes dos calculados: fbq = 114,00 Hz e fbq =
126,00 Hz.
Para o motor operando com carga de 75% é possível observar somente a banda lateral inferior do primeiro harmônico provocada pela falha com valor igual a fbq = 117,60 Hz e a
banda superior do segundo harmônico com valor igual a fbq = 124,10 Hz. Nesta situação as
forças eletromagnéticas do motor alimentado pelo inversor de frequência não foram suficientes para excitar a banda lateral superior do primeiro harmônico e a banda inferior do segundo harmônico. É possível visualizar uma componente de frequência próxima de 113 Hz e outra próxima de 114 Hz tanto no espectro da máquina saudável quanto no espectro da máquina com defeito, as componentes possivelmente estejam relacionadas a alguma característica mecânica do sistema ensaiado. A tabela 7 mostra os valores de frequências que caracterizam a falha de barra quebrada para k = 1, calculados e visualizados nos espectros de deformação da máquina.
Tabela 7: Frequências de barra quebrada calculadas e encontradas no espectro de deformação do motor alimentado por um inversor de frequência para a região de 120 Hz.
Carga Região do espectro Freq. calculadas Freq. encontradas 75% 120 Hz 117,44 Hz e 122,80 Hz 117,60 Hz e não identificado 100% 120 Hz 113,88 Hz e 126,12 Hz 114,00 Hz e 126,00 Hz
Fonte: Autoria própria
Apesar de não ser possível identificar as duas componentes de frequência provocadas pela falha de barra quebrada na região de 120 Hz para a máquina operando com 75% de carga as duas componentes foram ser identificada na região de 30 Hz. A instrumentação usando sensores de deformação baseados em FBGs possibilita o monitoramento da falha em duas regiões distintas do espectro, 120 Hz (duas vezes a frequência de alimentação) e 30 Hz (frequência mecânica). A falha pode ser identificada usando apenas uma dessas regiões. Quando a falha não é identificada em uma das regiões do espectro um diagnóstico mais confiável pode ser obtido comparando o resultado das duas regiões.
6 CONSIDERAÇÕES FINAIS