SÍNCRONOS
Este conjunto de ensaios foi realizado alimentando o motor por dois geradores síncronos ligados em paralelo para gerar tensão trifásica de 220 Vca com frequência de 60 Hz. O motor foi ensaiado em condições de carga diferentes dos ensaios realizados com as outras fontes de alimentação (rede elétrica da concessionária e inversor de frequência), o motor foi ensaiado operando com aproximadamente 35% e 80% da sua carga nominal, montado com um rotor saudável e com um rotor com uma barra quebrada. A THD da tensão medida apresentou valores entre 5,5% e 6%.
A figura 43 mostra os espectros de deformação em torno da frequência de 30 Hz. As frequências de rotação da máquina observadas nos espectros de deformação para a máquina operando com 35% de carga foram fr = 29,66 Hz ou 1780 rpm para a máquina saudável e fr
= 29,57 Hz ou 1774 rpm para a máquina com falha. Para o motor operando com 80% de sua carga nominal os valores observados foram fr = 29,08 Hz ou 1745 rpm para o motor saudável e
fr= 28,99 Hz ou 1739 rpm para a máquina com falha. Devido ao escorregamento, a frequência de rotação da máquina é menor do que sua velocidade síncrona de rotação, 30 Hz ou 1800 rpm.
Os escorregamentos para o motor operando com o rotor avariado são calculados substituindo os valores de fr na equação 1 considerando que a frequência f da fonte de
Frequência [Hz] 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 Amplitude [dB] -120 -110 -100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 Geradores 35% de carga Rotor saudável Barra quebrada fbq= 31,59 Hz 30,58 Hz fbq= 33,61 Hz fbq= 35,78 Hz fr= 29,57 Hz fbq= 27,56 Hz fbq= 25,65 Hz fbq= 23,51 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 Geradores 80% de carga Rotor saudável Barra quebrada fbq= 32,68 Hz 30,85 Hz fbq= 36,38 Hzfbq= 39,58 Hz fr= 28,99 Hz fbq= 25,30 Hz fbq= 21,61 Hz (b)
Figura 43: Espectro de deformação do estator em torno da frequência de 30 Hz para o motor alimentado por geradores síncronos. (a) Carga de 35% e (b) carga de 80%.
Fonte: Autoria própria
para a condição de 35% de carga e s = 3,37% para a condição de 80% de sua carga nominal. As frequências do primeiro harmônico que identificam a falha de barra quebrada no rotor para o motor operando com 35% de carga para k = 1 são calculadas substituindo os valores das frequência de rotação fr e escorregamento s na equação 4. Para o motor operando com 35% de
carga nominal os valores calculados foram fbq= 27,85 Hz para a banda inferior e fbq= 31,29 Hz
para a banda superior. Para a motor operando com 80% de sua carga nominal os valores obtidos foram respectivamente fbq = 24,95 Hz e fbq = 33,03 Hz.
Os valores observados no espectro são ligeiramente diferentes dos valores calculados: fbq= 27,56 Hz e fbq= 31,59 Hz para 35% de carga e fbq= 25,30 Hz e fbq= 32,68 Hz para 80% da
carga nominal. Em ambos os espectros da máquina com falha é possível visualizar componentes de frequência intermediárias entre a frequência de rotação fr e a banda lateral superior que
caracterizam a falha, provavelmente provocadas pelo funcionamento dos geradores síncronos ou outras falhas na máquina e não interferem na identificação da falha. Como mencionado na seção 5.1, as componentes de frequência provocadas pela falha de barra quebrada no rotor se apresentam com frequência e picos bem definidos, qualquer outro componente diferente dos
esperados não tem relação com a falha de barra quebrada no rotor. A tabela 3 mostra os valores das frequências calculadas e das frequências obtidas nos espectros de deformação.
Tabela 3: Frequências de barra quebrada calculadas e encontradas no espectro de deformação do motor alimentado por geradores síncronos para a região de 30 Hz.
Carga Região do espectro Freq. calculadas Freq. encontradas 35% 30 Hz 27,85 Hz e 31,29 Hz 27,56 Hz e 31,59 Hz 80% 30 Hz 24,95 Hz e 33,03 Hz 25,30 Hz e 32,68 Hz
Fonte: Autoria própria
Nos espectros ainda é possível visualizar outros harmônicos provocados pela falha de barra quebrada no rotor. Para o motor operando com 35% de carga se observa o segundo e terceiro harmônico fazendo k = 2 e k = 3 na equação 4. Para o motor operando com 80% de sua carga nominal é possível observar o segundo harmônico e a componente superior do terceiro harmônico. Em ambos os casos os valores observados são diferentes dos valores esperados, a diferença dos valores calculados e observados nos espectros são ligeiramente superior a diferença dos valores observados para o primeiro harmônico e tem relação pequenas variações na velocidade de rotação da máquina e possíveis oscilações de frequência da tensão fornecida pelos geradores síncronos. A tabela 4 mostra os valores do segundo e terceiro harmônicos calculados e observados nos espectros.
Tabela 4: Frequências do segundo e terceiro harmônicos provocadas pela falha de barra quebrada calculadas e encontradas no espectro de deformação do motor alimentado por geradores síncronos para a região de 30 Hz.
Carga k Freq. calculadas Freq. observadas 35% 2 26,13 Hz e 33,01 Hz 25,65 Hz e 33,61 Hz
3 24,41 Hz e 34,73 Hz 23,51 e 35,78 Hz 80% 2 20,91 Hz e 37,07 Hz 21,61 Hz e 36,38 Hz
3 16,87 Hz e 41,11 Hz não identificado e 39,58 Hz
Fonte: Autoria própria
A figura 44 mostra os espectros de deformação em torno da frequência de 2f = 120 Hz. A deformação do estator causada pelas forças eletromagnéticas no entreferro da máquina dependem apenas da frequência da fonte de alimentação, por este motivo a frequência fundamental é de 120 Hz tanto para o máquina saudável quanto para a máquina com falha de barra quebrada.
As frequências do primeiro harmônico que caracterizam a falha de barra quebrada no rotor para o motor operando com 35% de carga são calculadas aplicando o valor de
Frequência [Hz] 110 112 114 116 118 120 122 124 126 128 130 Amplitude [dB] -130 -120 -110 -100 -90 -80 -70 -60 Geradores 35% de carga Rotor saudável Barra quebrada fbq= 121,20 Hz 2f = 120,40 Hz fbq= 111,20 Hz fbq= 129,40 Hz (a) Frequência [Hz] 110 112 114 116 118 120 122 124 126 128 130 Amplitude [dB] -120 -110 -100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 Geradores 80% de carga Rotor saudável Barra quebrada 2f = 119,80 Hz fbq= 116,10 Hz fbq= 112,64 Hz (b)
Figura 44: Espectro de deformação do estator em torno da frequência de 120 Hz para o motor alimentado por geradores síncronos. (a) Carga de 35% e (b) carga de 80%.
Fonte: Autoria própria
escorregamento s = 1,43% na equação 5 e fazendo k = 1, os valores calculados são fbq= 118,28
Hz para a banda inferior e fbq = 121,72 Hz para a banda superior. Para o motor operando com 80% de carga o valor de escorregamento é s = 3,37%, substituindo o valor na equação 5 os valores calculados para a banda inferior e superior são respectivamente iguais a fbq= 115,96 Hz
e fbq = 124,04 Hz.
No espectro da máquina operando com 35% de carga é possível observar somente a banda lateral superior do primeiro harmônico, cujo valor é fbq = 121,20 Hz. No espectro da máquina operando com 80% de carga é possível observar somente a banda lateral inferior do primeiro harmônico com valor fbq = 116,1 Hz. Para a condição de 35% de carga as
forças eletromagnéticas produzidas com o motor alimentado através dos geradores síncronos não foram suficientes para excitar a banda lateral esquerda, é possível observar um lóbulo se formando em aproximadamente 118 Hz, próximo ao valor calculado no parágrafo anterior.
Para a condição de 35% de carga ainda é possível observar duas componentes de frequência em 111,20 Hz e 129,40 Hz, estas frequências são referentes ao quinto harmônico
obtido para k = 5 na equação 5. Os valores diferem pouco dos valores teóricos calculados: 111,40 Hz e 128,60 Hz.
Com 80% de sua carga nominal as forças eletromagnéticas não foram suficientes para excitar a banda lateral direita mas somente a banda esquerda do primeiro harmônico em 116,10 Hz. Ainda é possível identificar no espectro a componente inferior do terceiro harmônico em 112,64 Hz e com valor calculado de 111,94 Hz.
No espectro de ambas situações ensaiadas a frequência da tensão fornecida pelos geradores foi levemente diferente de 60 Hz. Para 35% de carga a frequência fornecida apresentou o valor de 60,20 Hz tanto para o motor saudável quanto para o motor com falha. Apesar da pequena diferença observada na frequência da fonte de alimentação, foi considerado o valor de 60 Hz para os cálculos não influenciando significativamente nos valores calculados e na identificação da falha através da análise do espectro de deformação dinâmica da máquina. Para condição de 80% de sua carga nominal o valor da frequência foi de 59,95 Hz para o motor saudável e 59,90 Hz para o motor com falha. Também é possível observar uma componente de frequência se formando na região de 127 Hz, não somente no espectro do motor com falha mas também do motor saudável, possivelmente relacionada a alguma característica mecânica do sistema motor/gerador.
A tabela 5 mostra as frequências provocadas pela falha de barra quebrada no rotor, calculadas e obtidas diretamente nos espectros de deformação.
Tabela 5: Frequências de barra quebrada calculadas e encontradas no espectro de deformação do motor alimentado por geradores síncronos para a região de 120 Hz.
Carga Região do espectro Freq. calculadas Freq. encontradas 35% 120 Hz 118,28 Hz e 121,72 Hz não identificado e 121,20 Hz 80% 120 Hz 115,96 Hz e 124,04 Hz 116,10 Hz e não identificado
Fonte: Autoria própria
A amplitude das componentes laterais fbq quando o motor opera com 35% de carga
são menores do que as amplitudes das bandas laterais do motor operando com 80% de carga nominal, isto ocorre por que corrente circulante no rotor é menor para a condição de 35% de carga e é dependente da carga. A região do espectro em torno de 120 Hz é mais crítica para condição de carga de 35%, a deformação estator é fortemente dependente das forças eletromagnéticas atuantes na máquina. A região em torno de 30 Hz é mais suscetível a forças mecânicas como velocidade mecânica ou desbalanceamento de carga. Valores menores de escorregamento fazem com que as componentes de frequência provocadas pela falha de barra quebrada se aproximem das frequências fundamentais fazendo com que a identificação da falha
seja mais difícil. A falha de barra quebrada pôde ser identificada nas duas regiões analisadas do espectro em todas as condições ensaiadas.
5.3 ENSAIOS COM O MOTOR ALIMENTADO ATRAVÉS DE UM INVERSOR DE