Patryckson Marinho_Dissertaçao

(1)

Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétri a

Modelagem de Quebra de Barras e de

Curto-Cir uit o entre Espiras em Motores de

Indução

Patry kson Marinho Santos

TrabalhodeDissertaçãosubmetidaàCoordenaçãodos ursosde

Pós-Graduação em Engenharia Elétri a da Universidade Federal

deCampinaGrande omorequisitopar ialparaobtençãodograu

de Mestreem EngenhariaElétri a.

Área de Conhe imento: Pro essamento da Energia

Orientadores:

Cursino Brandão Ja obina, Dr.Ing.

Maurí io Beltrão de Rossiter Corrêa, Dr.S .

Campina Grande

(2)

Indução

Patry kson Marinho Santos

Trabalhode Dissertação julgado omo adequado a obtenção dograu de

Mestre emEngenharia Elétri a, Áreade Con entração emPro essamento

da Energia, e aprovada emsua forma nal pelo Programa de

Pós-Graduaçãoem EngenhariaElétri ada Universidade Federal deCampina

Grande

Ban aExaminadora:

Cursino Brandão Ja obina, Dr.Ing., UFCG

Orientador

Maurí io Beltrão de R. Crrea, Dr.S , UFCG

Orientador

Fran is o de Assis Santos Neves, Dr., UFPE

Componente da Ban a

Edison Roberto C. da Silva, Dr.Ing.,UFCG

Componente da Ban a

Antonio Mar us Nogueira Lima, Dr.Ing.,UFCG

Componente da Ban a

(3)

(4)

Agradeço a Deus pelo dom da vida plena, sem o qual nada mais teria sentido e por tudo que

Ele tem permitido que se realize. Ele é o verdadeiro Mestre dos Mestres. Sou eternamente

grato às pessoas que me ensinaram os verdadeiros valores da vida, dentre todas elas duas em

espe ial: Meu pai,Ronaldson dos Santos Castroe minhamãe, Lu ileiladaSilvaMarinho

San-tos. Agradeço a minha querida irmã: Gwinity Marinho Santos, om suas diferenças omo ser

humano, omplementaa mimeeu a elaem laços de puro amor. A minha namorada,Darliane

Silva Araújo, pela parti ipação integral nos momentos de desfrute e di uldade e ainda pelo

entendimento e apoionos instantes ru iais dessa jornada. Agradeçoaos meus avósmaternos:

MãeTereza, e Pai Capitãopelaajuda ontínua ededi ada de verdadeiros pais, aavó paterna:

VóMaritite, porsuas oraçõese depósitos de onança em minhapessoa, eaoav paterno: V

Nadi o. A minha madrinha querida: Sebastiana, que sempre me ajudou om suas orações e

lições de vida e meu padrinho, Leonaldson, que sempre que ne essário esteve disponível a me

ajudar. Atodosostios, tias,primoseprimasquezerampartedessa aminhada. Agradeçoaos

professores Luíz Antnio, Edgar Roosevelt, Edison Roberto, Alexandre Cunha, Antnio

Mar- us, Talvanes de Oliveira, e em espe ial aos Professores Maurí io Corrêa e Cursino Ja obina

pela apa idade de transformaraexpressão"orientador"em sinnimode apoio,amizade,

tran-qüilidade e pa iên ia onstantes. A Ângela que sempre mostrando-se amiga. Agradeço aos

amigos do LEIAM e LIEC, em espe ial a Welen, Euzeli, Isaa , Reginaldo, Osglay,

Eisen-hawer, Alberto,Rafael,Wellington,Darlan, Clayton, Antnio e Aluísiopelaajudainestimável

emtodososmomentos,aosté ni os ealunosdeini iação ientí a: Fabrí ioeTâmisa;Glauber

eMontiê. AgradeçoaoCNPq-Conselho Na ionalde DesenvolvimentoCientí oeTe nológi o

(5)

Aamplautilizaçãodos motoresdeinduçãotrifási os omrotor gaiolade esquilotêm motivado

o res enteestudodesistemasquevisamdiminuiraspossibilidadesdeparadasabruptas destes

motores, evitando-se gastos om a reposição dos mesmos, assim omo a diminuição do tempo

de parada dos pro essos a ele a oplados. Falhas nas partes que o integram são as prin ipais

responsáveis por tais paradas. Quebra de barras rotóri as e urto- ir uito entres espiras dos

enrolamentos estatóri os são exemplos de falhas possíveis de o orrer nos motores de indução,

representando quase a metade do universo de falhas que o orrem nesses motores. Estresses

térmi os, elétri os, me âni os eos ausados peloambienteaoqual omotoré submetido são as

prin ipais ausasdaapariçãodesses tiposde falhas. Ane essidade de dete tar essas falhasem

um estágio ini ial justi a o desenvolvimento de métodos de monitoramento. Dessa forma, a

modelagemanalíti adosmotoresde induçãosobquebrade barrasrotóri asesob urto- ir uito

entre espiras estatóri as torna-se uma ferramenta base no desenvolvimento de tais sistemas.

Logo,são estudados in omodelosderepresentaçãodamáquinasobquebrade barrasedoisde

urto- ir uitoentre espiras estatóri as. A representatividadee a omplexidade desses modelos

são avaliadas.

Palavras- have: Motoresde Indução,Quebra de Barras, Curto- ir uitoentre Espiras

(6)

Thewide use ofthe three-phaseindu tion motorswith squirrel age rotorhas been motivating

the res ent study of systems that seek to redu e the possibilities of abrupt stops of these

motors,being avoided expens es with the repla ement ofthe same ones, aswell asthe de rease

plant's downtime. Flaws in the parts that build it is the main ones responsible for the stops

of the same ones. Broken rotor bars and stator inter-turn short ir uit are examples of aws

thathappens intheindu tion motors,almostformingthe halfof theuniverse of aws happens

in those motors. Thermal, ele tri , me hani s, environments stresses are the main auses of

the appearan e of those types of aws. The need for dete tion of rotor and stator faults atan

earlierstage justify the developmentof monitoringmethods. Animportantissue insu heort

is the modelling of the indu tion ma hine in luding broken rotor bar and stator inter-turn

short- ir uit faults, with a minimum of omputational omplexity. In that way, are studied

vemodels ofrepresentationof thema hineunderbroken rotorbars andtwomodelsfor stator

inter-turnshort- ir uit. Therepresentativenessandthe omplexityofthosemodelsisappraised.

(7)

Lista de Figuras x

Lista de Tabelas xv

Lista de Símbolos xvi

Glossário xxi

Capítulo 1 Introdução Geral 1

1.1 Introdução . . . 1

1.2 Contribuições doTrabalho . . . 8

1.3 Revisão Bibliográ a . . . 9

1.3.1 Modelos de Representação da Gaiolade Esquilo, aso QBR . . . 9

1.3.2 Sistemasde Dete ção e Diagnósti ode Falhas, aso QBR . . . 12

1.3.3 Modelos de Representação do Estator, aso CCE . . . 17

1.3.4 Sistemasde Dete ção e Diagnósti ode Falhas, aso CCE . . . 18

1.4 Sinopse dos Capítulos . . . 21

Capítulo 2 Modelos de Representação para Quebra de Barras 22 2.1 Introdução . . . 22

2.1.1 Hipóteses . . . 24

2.2 Estrutura eEquações Diferen iais doEstator . . . 25

(8)

2.3.1 Modelo Múltiplos Laços (MML) . . . 26

2.3.1.1 Estrutura e Equações Diferen iais doRotor . . . 26

2.3.1.2 Equações de Fluxos e Me âni a . . . 28

2.3.2 Modelo a Enrolamento Con entrado (MEC) . . . 31

2.3.2.1 Equações Diferen iais doRotor . . . 31

2.3.2.2 Equações de Fluxo e Me âni a . . . 31

2.3.2.3 Transformação 123 odq . . . 32

2.3.3 Resultados de Simulação . . . 33

2.4 Modelos daMáquina om Falha . . . 36

2.4.1 Modelo Múltiplos Laços (MML) . . . 36

2.4.1.1 Condiçõesde Contorno. . . 37

2.4.2 Modelo BobinaAuxiliar (MBA) . . . 40

2.4.3 Modelo Aumentode Resistên ia (MAR) . . . 44

2.4.4 Modelo Perda de Espiras (MPE) . . . 47

2.4.4.1 Enrolamento Virtual . . . 49

2.4.5 Modelo Híbrido dq (MHdq) . . . 53

2.4.6 Comparaçãoentre os Modelos e ValidaçãoExperimental . . . 56

2.5 Con lusões. . . 70

Capítulo 3 Representação de Curto- ir uito entre Espiras Estatóri as 72 3.1 Introdução . . . 72

3.1.1 Hipóteses . . . 73

3.2 Estrutura eEquações Diferen iais doRotor . . . 73

3.3 Modelo Matemáti o doCurto- ir uitoentre Espiras Estatóri as . . . 75

(9)

3.5 ValidaçãoExperimental . . . 87

3.6 Con lusões. . . 90

Capítulo 4 Con lusões e Sugestões para Trabalhos Futuros 91

4.1 TrabalhosFuturos. . . 92

Apêndi e A Modelo a Enrolamento Con entrado 93

A.1 Equações Diferen iais doRotor . . . 93

A.2 Equações de Fluxos e Me âni a . . . 94

A.3 Transformação 123 odq . . . 95

Apêndi e B Plataforma Experimental e Motores Utilizados 98

B.1 Ensaios de Quebrade Barras. . . 99

B.2 Ensaios de Curto- ir uitoentre Espiras . . . 101

(10)

1.1 Tipos de falhas em motoresde induçãotipo gaiolade esquilo. . . 2

1.2 Motor de indução ompletamente destruido após a o orrên ia do

sobreaque i-mento domesmo, ausado por algumtipo de falha. . . 2

1.3 Representação da gaiolade esquilo atravésdomodelomúltiplos laços. . . 6

1.4 Representação do rotor domotor de induçãoatravésde modelos aproximados a

enrolamentos on entrados. (a) Bobinaauxiliar (b) Aumento de resistên ia ( )

Perda de espiras. . . 7

1.5 Representação da CCE.(a) Conguração estrela. (b) Conguração Triângulo. . 8

2.1 Estrutura doestator para amodelagem domotor de induçãotrifási o. . . 25

2.2 Modelo de múltiplos laços domotor de indução gaiolade esquilo. . . 27

2.3 Estrutura dorotor para a modelagemdamáquina aenrolamentos on entrados. 31

2.4 Visualizaçãoda transformação

123 < − > odq

. . . 32

2.5 Evolução temporalda orrente elétri adafase

1 i

s

1

doestator damáquina. . . 34

2.6 Evolução temporalda velo idademe âni a

(ω

r

)

da máquina. . . 34

2.7 Evoluçãotemporaldo onjugadoeletromagnéti o

(C

e

)

desenvolvidopelamáquina. 35

2.8 Evolução temporal da orrente da barra

1

,

2

t = 2.5 s

(quebrade 01 barra). . . 38

2.10 (a) Evolução temporalda orrente

i

s

1

. (b) FFT da orrente estatóri a

1 i

s

1

a partir de

t = 2.5 s

(quebrade 01barra). . . 39

2.11 Comportamento temporal para quebra de

01

barra. (a) Conjugado Eletromag-néti o

(C

e

)

. (b) Velo idadeMe âni a

(ω

r

)

. . . 39

(11)

2.12 Estrutura dorotortrifási o bobinado om a rés imo dabobinaauxiliar.

Repre-sentação

R − L

. . . 40

2.13 Estrutura dorotor trifási o bobinado om a rés imo dabobina auxiliar. . . 40

2.14 Comportamento da orrente elétri a estatóri a

i

s

1

al ulada pelo Modelo da Bobina Auxiliar (equivalente 01 barra quebrada). (a) Evolução Temporal. (b)

FFT. . . 43

2.15 Evoluçãotemporalequivalente

01

barraquebrada al uladodoModelodaBobina Au-xiliar. (a) Conjugado Eletromagnéti o(b) Velo idadeMe âni a. . . 44

2.16 Estrutura dorotor trifási o bobinado om aumentoda resistên ia em uma fase.. 45

2.17 Comportamentoda orrenteelétri aestatóri a

i

s

1

al ulada peloModelode Au-mento daResistên ia (equivalente 01 barra quebrada). (a) Evolução Temporal.

(b) FFT. . . 46

2.18 Evolução temporal equivalente

01

barra quebrada al ulado do Modelo de Au-mento daResistên ia. (a) Conjugado Eletromagnéti o(b) Velo idade Me âni a. 47

2.19 Estrutura dorotor trifási o por perda de espiras. . . 48

2.20 Referen iando a máquina para oenrolamentovirtual,

r

123 < − > r

′

. (a) Carga Nominal. (b)

Metade da CargaNominal.. . . 59

2.29 Correntesestatóri as

dq

paraomotorsimétri o. (a)CargaNominal. (b)Metade da Carga Nominal. . . 60

(12)

2.30 Conjugado eletromagnéti oestimado para omotor simétri o. . . 61

2.31 FFT da orrente de fase

1 i

s

1

para o motor om duas barras quebradas. (a)

Carga Nominal. (b) Metade daCarga Nominal. . . 62

2.32 Correntes estatóri as

dq

para o motor om duas barras quebradas. (a) Carga Nominal. (b) Metade da CargaNominal. . . 63

1 i

s

1

para o motor om três barras quebradas. (a)

Carga Nominal. (b) Metade daCarga Nominal. . . 63

dq

para o motor om três barras quebradas. (a) Carga Nominal. (b) Metade da CargaNominal. . . 64

2.35 Comparaçãoentreo onjugadoeletromagnéti oestimadoparaomotorsimétri o

e om três barras quebradas. . . 64

2.36 FFT da orrentede fase

1 i

s

1

para arga nominal omduas barrasquebradas.

para arga nominal om três barras quebradas.

para o motor om arga nominal e om três barras quebradas. . . 68

2.40 Conjugado eltromagnéti o para a máquina simétri a, om duas e três barras

quebradas. . . 69

3.1 Estrutura dorotor para amodelagemdomotorde induçãotrif ási o om

urto- ir uito entre espiras estatóri as.. . . 74

3.2 Estrutura doestatorparaamodelagemdomotordeinduçãotrifási o om

(13)

3.5 Resultado de simulação para as orrentes para o motor one tado em estrela

antes e após o urto- ir uito de 5% . (a) Correntes de Linha

(i

s

sa

, i

s

sb

, i

s

sc

)

. (b) Correntede urto- ir uito

(i

f

)

. . . 81

3.6 Resultado de simulação para o omportamento do motor one tado em estrela

antes e após o urto- ir uito de 5% . (a) Conjugado Eletromagnéti o

(C

e

)

. (b) Velo idade rotóri a

(ω

r

)

. . . 81

3.7 Resultado de simulação para as orrentes para o motor one tado em estrela

(i

s

sa

, i

s

sb

, i

s

sc

)

. (b) Correntede urto- ir uito

(i

f

)

. . . 82

3.8 Resultado de simulação para o omportamento do motor one tado em estrela

antes e após o urto- ir uitode 25% . (a) Conjugado Eletromagnéti o

(C

e

)

(ω

r

)

. . . 82

3.9 Impedân ias domotor vistaspelafonte de alimentação, aso estrela. . . 83

3.10 Impedân ias domotor vistaspelafonte de alimentação, aso delta. . . 84

3.11 Resultadode simulaçãoparaas orrentespara omotor one tadoemdeltaantes

eapóso urto- ir uitode5% . (a)Correntesde Linha

(i

s

sa

, i

s

sb

, i

s

sc

)

. (b)Correntes de fase

(i

s

s1

, i

s

s2

, i

s

s3

)

. ( )Corrente de urto- ir uito

(i

f

)

. . . 85

3.12 Resultado de simulação para o omportamento do motor one tado em delta

antes e após o urto- ir uito de 5% . (a) Conjugado Eletromagnéti o

. . . 86

3.14 Resultado de simulação para o omportamento do motor one tado em delta

antes e após o urto- ir uitode 25% . (a) Conjugado Eletromagnéti o

(C

e

)

(ω

r

)

. . . 86

3.15 Máquina alimentada por um inversor. . . 87

3.16 Correntes delinha

(i

s

sb

, i

s

sc

)

e orrentede urto- ir uito

(i

f

)

para omotor one -tado em estrela antes eapóso urto- ir uitode 3.9% . (a) Ensaio Experimental.

(14)

(i

B.1 Plataformaexperimental. (a) Vista ompleta. (b) Barra quebradado rotor. ( )

Estator. . . 100

B.2 A esso às bobinas dos enrolamentos estatóri os. (a) Vista Frontal. (b) Vista

(15)

1.1 Estresses que o orrem em motoresde indução. . . 3

2.1 Erros entre as Respostas doMML e MEC . . . 34

2.2 Esforço omputa ionaldoMML e MEC. . . 35

2.3 Amplitudes das omponentes harmni as da orrente de fase (dB) e das

os- ilaçõesno plano dq(p.u.), 02 barrasquebradas. . . 69

2.4 Amplitudes das omponentes harmni as da orrente de fase (dB) e das

os- ilaçõesno plano dq(p.u.), 03 barrasquebradas. . . 70

2.5 Tempo de pro essamento de ada modelo.. . . 70

B.1 Parâmetros domotor utilizadono ensaiode quebra de barras. . . 99

B.2 Parâmetros domotor utilizado na simulação de quebra de barras e parâmetros

trifási os equivalentes. . . 101

(16)

C

e

Conjugado eletromagnéti o

C

m

r

b

Correnteda bobina auxiliar dorotor

i

f

Correntede urto- ir uito

i

s

x

Correntes da rede trifási a

x = a, b, c

i

g

so

, i

g

sd

, i

g

sq

Componentes

odq

da orrente estatóri a em um referen ialarbitrário

i

g

_sodq

Vetor orrenteestatóri a em um referen ialarbitrário

i

g

_sodq

′

Vetor orrenteestatóri aemumreferen ialarbitrárioreferen iadoaoenrolamentovirtual

i

g

ro

, i

g

rd

, i

g

rq

Componentes

odq

da orrente rotóri aem um referen ialarbitrário

i

g

_rodq

Vetor orrenterotóri a em um referen ialarbitrário

i

g

_rodq

′

Vetor orrenterotóri a em um referen ialarbitrárioreferen iado ao enrolamentovirtual

i

s

s123

Vetor de orrente doestator em 123

i

r

L

r123

Matriz de indutân ia dorotor

L

int

a

k

Indutân ia própriado

k − ´esimo

segmentodoanel internoda gaiola rotóri a

L

ext

a

k

Indutân ia própriado

k − ´esimo

segmentodoanel externoda gaiola rotóri a

L

rb

k

Indutân ia própriada

k − ´esima

barra dagaiolarotóri a

L

r123...N

r

+1

Matriz de indutân ia dorotor 123...

N

r

+ 1

M

sr123

Matriz de indutân ia mútua entre estator e rotor

M

srodq

Matriz de indutân ia mútua entre estator e rotor em

odq

M

sr123...N

rbodq

Matriz de indutân ia mútua entre rotor e bobina auxiliar dorotor em

odq

M

cs123

Matriz de indutân ia mútua entre parte urto- ir uitada do estator e os outros enrola-mentos domesmo

M

cr123

Matriz de indutân ia mútua entre parte urto- ir uitada doestator e orotor

P

_s

Matriz de transformação doestator

123 → odq

P

_r

Matriz de transformação dorotor

123 → odq

P

Númerode pares de pólo damáquina de indução

r

Raiomédio doentreferro

R

s

Resistên ia estatóri a

R

k

+1

Matriz de resistên ia do rotorem 123...

N

r

+ 1

s

Es orregamentodo motorde indução

s

Referen ialestatóri o

T

Matriz de transformação das variáveisdo modelo múltiploslaços para

odq

T

−1

Matriz de transformação das variáveisdo modelo

odq

para omodelo múltiplos laços

(19)

v

s

sj

Tensões de fase

j = 1

a

3 v

s

s123o

Vetor de tensão de fase estatóri a noreferen ialestatóri o

v

_sodq

g

Vetor de tensão em um referen ialarbitrário

v

r

r123n

Vetor de tensão rotóri anoreferen ial rotóri oem 123

v

r

r123...N

r

+1

Vetor de tensão rotóri anoreferen ial rotóri oem 123...

N

r

+ 1

Z

∆

12

Impedân iavista dafonte

12

para o estator one tado em delta

Z

∆

31

31 Z

∆

23

23 Z

Y

12

para o estator one tado em estrela

Z

Y

31

31 Z

Y

23

23 ∆

desb

Desbalan eamentono onjugadoinseridopelabobina auxiliar

σ

g

Posição angularentre oreferen ial genéri o

d

e afase

1

doestator

θ

r

Posição elétri ado rotor damáquina

θ

λ

r

(20)

λ

r

′

r123

Vetor Fluxo total do rotor em 123 referen iado aoenrolamentovirtual

λ

r

r123...N

r

+1

Vetor Fluxo total do rotor em 123...

N

r

+ 1

λ

g

_sodq

Vetor Fluxo total do estatorem

odq

λ

r

rodq

Vetor Fluxo total do rotor em

odq

λ

r

′

rodq

Vetor Fluxo total do rotor em

odq

referen iado aoenrolamentovirtual

ω

g

Frequên iade rotaçãode um referen ialgenéri o (

dq

)em

rad/s

ω

r

Frequên iade rotaçãodorotor em

rad/s

ω

s

Frequên iaelétri a de uma grandeza estatóri a em

rad/s

d

dt

Derivada em relação aotempo

(21)

FFT - Fast FourierTransform - Transformada Rápida de Fourier.

IFOC - Indire t Field Oriented Control- Controle IndiretoOrientado peloCampo.

QBR - Quebra de BarrasRotóri as.

CCE - Curto-Cir uito entre Espiras.

SDDnBM - Sistema de Dete ção e Diagnósti onão Baseado em Modelo.

SDDBM - Sistema de Dete ção e Diagnósti oBaseado em Modelo.

MML - Modelo MúltiplosLaços.

MAR - Modelo Aumento de Resistên ia.

MPE - Modelo Perda de Espiras.

MBA - Modelo BobinaAuxiliar.

MHdq - Modelo Híbrido dq.

(22)

INTRODUÇO GERAL

1.1 INTRODUÇO

As máquinas elétri as, responsáveis pelo onsumo de

55%

da energia elétri a utlizada em

fábri as( WOLFF,2004),desempenhampapeldeextremaimportân ianamaioriadasapli ações

industriais. Emparti ular,osmotoresdeinduçãorepresentammais de

90%

dosmotores

elétri- osutilizadosem apli açõesindustriais( DEVANEY;EREN , 2004). Sua grandeutilizaçãodeve-se

prin ipalmente a duas ara terísti as prin ipais: baixo usto e robustez, ou seja: manutenção

reduzida, operação em diversos tipos de ambientes, et . Sendo assim, as apli açõesque fazem

usodessetipodemotorsãobastantediversasepodemser exempli adas: sistemasde

bombea-mento, ventilação, moinhos,esteiras, elevadores, et .

Atéantesdadé adade

70

,osa ionamentosqueutilizavammotoresdeinduçãoosfaziamem

malha aberta. Somente a partir desta dé ada, om o desenvolvimentode té ni as vetoriais de

ontrole,daeletrni ade potên iaedosdispositivossemi ondutores,équeseini iaautilização

desses motores em sistemas de a ionamento de alto desempenho, ou seja, em sistemas que

utilizam estratégias de ontrole de onjugado, velo idadee/ou uxo.

No entanto, a robustez e versatilidade dos motores de indução, independente do tipo de

a ionamento(malha abertaou malhafe hada) utilizado,não garanteo fun ionamento

ininter-ruptodos mesmos. Destamaneira,paradasdevido àfalhaselétri ase/ou me âni asdas partes

queo ompõem a onte em, podendo a arretar sérios danos ao sistemade a ionamento e/ou à

argaa ionada. AFig.1.1apresentaem termosper entuaisain idên iadasfalhasqueo orrem

nas máquinas de indução( SIN;SOONG;ERTUGURUL, 2003).

(23)

Figura 1.1.Tiposde falhasem motoresde indução tipogaiola de esquilo.

estresses noestator, rolamento e rotor da máquina de indução. Se taisestresses são mantidos

dentro dos limites onstrutivosdamáquina,falhasprematurasnão deverão o orreràsmesmas.

Contudo, se quaisquer ombinações dos tipos de estresse ex eder esses limites, a vida útil da

máquina é reduzida drasti amente e falhas sérias podem o orrer. A Fig.1.2 mostra o efeito

ausado por falhas no motor de indução. De a ordo om a Tab. 1.1 pode-se rela ionar as

partes afetadas om os tiposde estresse veri ados no motor:

•

Estator

Figura 1.2. Motor de indução ompletament e destruido após a o orrên ia do sobreaque imento do

(24)

Tabela 1.1. Estressesqueo orremem motoresde indução.

Tipos de Estresse Estator Rolamento Rotor

Estresse Elétri o: deterioração do material isolante, des argas elétri as par iais

(efeito orona);

Estresse Me âni o: movimentodo enrolamento, geometria imprópriado rotor para

o estator;

Estresse doAmbiente: baixaventilação,poeira, vibração;

•

Rotor

EstresseTérmi o: sobre argatérmi a,ex es sodeperdasrotóri as,bloqueiodorotor;

Estresse Dinâmi o: vibração,perda de barras;

Estresse Me âni o: montagem imprópria, perda de laminação e/ou barras,

ex ent-ri idade;

Estresse Magnéti o: saturação da laminação, ruídoeletromagnéti o;

Estresse Residual: gaiola om geometria desigual;

Por somaremjuntos quase

50%

das falhas que o orrem em motores de indução ( CASIMIR,

2004),defeitos no rotor eno estatorserão objetivode estudodeste trabalho. Espe i amente,

(25)

O efeito da o orrên ia de quebra de barras pode gerar inúmeros danos à máquina e ao

sistemaa ionado porela, dentres eles desta am-se:

a)Ar os elétri os, uma séria preo upação em ambientes perigosos;

b)Se uma ou mais barrasquebram, oex es so de orrente ui através donú leo do rotor

até as barras adja entes elevando a temperatura do rotor e posterior rompimento das

mesmas;

) devido às altas temperaturas adquiridas pelo rotor após a quebra de barra, um

ex- essode alorui atravésdoestatordamáquina(aumentandoatemperaturadomesmo)

fazendo om que haja o omprometimentodo verniz isolantedo enrolamentoestatóri o,

podendo o asionar urto- ir uitos noestator damáquina;

d)Os ilações no onjugadoe navelo idade domotor;

e) Em motores grandes e de alta velo idade, pode o orrer o desprendimento da barra

quebrada do rotor da máquina devido à grandes forças entrífugas o que o asiona a

destruição doestator damesma;

No que se refere ao urto- ir uito entre espiras de um mesmo enrolamento estatóri o, os

prin ipais danos ausados aomotor podem ser veri ados abaixo:

a) devido às altas orrentes de urto- ir uitoentre espiras, o estresse térmi o naporção

urto- ir uitada do enrolamento é severamente aumentado, podendo ser propagado até

as demais espiras do mesmo enrolamento ou aos enrolamentos vizinhos, dessa forma,

evoluindo para urto- ir uitoentres fases e/ou entre fase-terra;

b)Os ilações no onjugadoe velo idadedo motor;

)Vibraçõesna máquina ausando a deterioraçãodo rolamentoda mesma;

(26)

devido à reposição do motor dani ado por um novo eprin ipalmentepela paradado sistema

de produção ( THOMSON;FENGER , 2000),( THOMSON; FENGER ,2001). Logo, os severos efeitos

se undários gerados ao motor de indução de orrentes da QBR e do CCE, tem in entivado a

omunidade ientí anoestudodesistemasdedete ção ediagnósti ode falhasnessesmotores.

De a ordo om ( CHANG; COCQUEMPOT; CHRISTOPHE , 2003), sistemas de dete ção,

diag-nósti oeidenti açãodefalhastêm omoprin ípiodefun ionamentoa omparaçãodo

ompor-tamento de um sistema om os modelos que os representam . O modelo simétri o representa

o sistema em operação na ausên ia de falhas. Pro edimentos baseados no modelo simétri o

podem, porex lusão,estar habilitadosadete tar afalha. Omodelo querepresenta aoperação

em falhado sistemaé utilizadoquando se deseja isolar e identi ar a falha.

Sistemasdedete ção ediagnóti opodem sersubdivididosem doisgrupos: i)Não-Baseados

em Modelo 1

: as variavéis ( orrente, tensão, uxo e et .) da máquina são medidas e então

é realizada uma análise omparativa entre esse sinal om um sinal ara terísti o do tipo de

falha(preditoporuma análiseatravés dos modelos damáquina);e ii)Baseados em Modelo:as

variáveisdamáquinasãoentradasdessesistemaeassaídasdosmesmosdependemdasgrandezas

(resistên ia rotóri a,indutân ias eet .) da máquina.

EmsetratandodeSistemasdeDete çãoeDiagnósti onão-BaseadosemModelos( SDDnBM),

até ni amaisutilizadaéaAnálisedeAssinaturadaCorrentedoMotor( AACM).Istosigni a

quea orrentedomotorde induçãoéutilizadapara diferen iarentre asdiversaspossibilidades

de falhas e a ondição normal (sem falhas) do mesmo. A análise é realizada no domínio da

freqüên ia, podendo-se utilizar diversos tipos de análise de sinais (FFT, Bi-espe tro, Análise

espe tral em alta resolução, Wavelets e et .), sendo que ada tipo de falha é responsável por

um perl de espe tro de orrente.

AindasetratandodeSDDnBM,outrasvariáveisdamáquinapodemserutilizadasnaanálise

da o orrên ia e diferen iação das falhas: potên ia instântanea, onjugado eletromagnéti o,

velo idademe âni a, uxo axial eet .

1

Aatribuiçãodadesignaçãonão-baseadoemmodelorefere-seanãone essidadedese onhe eros

(27)

Figura 1.3. Representaçãoda gaiola de esquilo atravésdo modelomúltiplos laços.

Contudo, a prin ipal desvantagem dos métodos que utilizam a interpretação das

ompo-nentes de freqüên ia de quaisquer variáveis domotor, é que essas podem ser inuên iadas por

diversos fatores externos: ondição da alimentação, ondições de arga estáti a e dinâmi a,

vibrações externas entre outras, podendo induzir o SDDnBM a um erro na identi ação do

problema. Entretanto, taissistemas não são afetados por variaçõesparamétri as da máquina.

SDDnBM tem sido utilizado prin ipalmentepara amáquina operando em malha aberta e em

tempo real.

Sistemas de Dete ção e Diagnósti o Baseado em Modelos ( SDDBM) não têm re ebido

muita atençãodevido àfaltade onhe imentodosparâmetros das falhaseprin ipalmentepela

es assez de modelossimplesosu ienteparaserem tratadospelasté ni as de dete ção eainda

representativos do ponto de vista dafalha ( H. RODRIGUEZ-CORTéS;STANKOVI¢, 2004). Sendo

assim, esforços na ontribuição de elaboração de modelos apazes de representar falhas no

motor de indução, de formasimples o su iente nasua implementação, são ne essários para o

desenvolvimentode SDDBM

.

Neste ontexto, o estudo omparativo da representatividade e da simpli idade entre os

modelos analíti os de QBR e CCE é realizadono presentetrabalho.

No que se refere à QBR , serão abordados in o modelos de representação, dos quais, um

é proposto neste trabalho, denominado modelo por perda de espira . Tomar-se-á omo base

(28)

(a) (b) ( )

Figura 1.4. Representação do rotor do motor de indução atravésde modelos aproximados a

enrola-mentos on entrado s. (a)Bobina auxiliar(b)Aumento de resistên ia( ) Perda deespiras.

sendo que o modelo base es olhido para realização da omparação é o modelo denominado

de múltiplos laços, já bem abordado na literatura e onhe ido por ser o mais omplexo e

representativo da gaiola de esquilo. A representação da falha é realizada através do aumento

daresistên iadabarradani ada. Arepresentaçãodestemodelopodeserveri adanaFig.1.3.

Os demais modelos são aproximações realizadas da gaiola de esquilo através de enrolamentos

on entrados. Estes modelos, denominados: bobina auxiliar ,aumento de resistên ia eperda de

espiras, podem ser visualizados na Fig.1.4. Um outro modelo estudado, denominado híbrido,

utiliza-se da representação do motor de indução através de enrolamentos on entrados. No

entanto,através de umamatrizde transformação,é implementadaa ondição de ontorno que

insere oefeito dafalha.

Com relação às falhas de urto- ir uito entre espiras estatóri as, serão omparados dois

modelos presentes naliteraturaque representam amesma para oestator one tado em estrela

eoutroemdelta. Aavaliaçãodasalteraçõesdedesempenho ausadaspeloCCE paraamáquina

one tada em estrelae em delta é realizada. As representações grá asdesses modelos podem

(29)

(a) (b)

Figura 1.5. Representaçãoda CCE .(a)Conguração estrela. (b) ConguraçãoTriângulo.

1.2 CONTRIBUIÇÕES DO TRABALHO

As ontruições deste trabalhode pesquisa, rela ionadas ao ampodo Estudo de Falhas em

Máquina Elétri as,são listadasabaixo:

•

Proposta deummodelode representaçãodaquebrade barrarotóri aatravésdaextensão da idéia de perda de espira apresentada em ( JACOBINA; CHAVESFL.; LIMA, 2000) para

análisede desbalan eamento estatóri o.

•

Comparaçãoe análise do omportamento em regime permanente (no domínio dotempo edafreqüên ia),em malhaaberta, dosestadosdamáquinasob quebrade barrarotóri a,

através de in o modelos de representação da gaiola de esquilo do motor de indução

trifási o.

•

Comparaçãoeanálisedo omportamentoemregimepermanente(nodomíniodotempoe dafreqüên ia),em malhaaberta,dos estadosdamáquinasob urto- ir uitoentre espiras

deumenrolamentoestatóri o,atravésdedoismodelosderepresentaçãodafalhanomotor

de induçãotrifási o one tado em estrela.

(30)

pul-trifási o one tadoem estrelae triângulo,devido ào urto- ir uitoentre espiras.

Com as análises realizadas no presente trabalho, pretende-se deixar laras as vantagens

e desvantagens de ada modelo desde a sua representatividade até sua omplexidade. Com

isto, garante-se a formação de pilares que sustentarão o estudo subseqüente de estratégias de

sistemas de diagnósti o e dete ção, assim omo, metodologias que visam a minimização do

efeito da falha para a arga a ionada pelo motor, garatindo a parada ontrolada (quando se

tratarde um sistema de a ionamentode alto desempenho)e/ou programada domesmo.

1.3 REVISO BIBLIOGRÁFICA

A revisão bibliográ a versará nades rição eevoluçãohistóri a dos sistemasde dete ção e

diagnósti odefalhasnão-baseadosebaseadosemmodelos. Bus a-senossistemasnão-baseados

em modelo, apli ados ao motor de indução a ionado em malha aberta, o omportamento em

regime permanente dos estados da máquina om o m de veri ar e validar os modelos

estu-dados. O entedimento dos sistemas de dete ção baseados em modelo se faz ne essário para

melhor ompreensão daapli abilidade dos modelosavaliados.

1.3.1 Modelos de Representação da Gaiola de Esquilo, aso QBR

Em ( DELEROI , 1984), ada segmento dorotor do motor de indução é modelado omo uma

asso iaçãoemsérie de umaresistên ia eumaindutân iaformandoassimuma malha

R − L

em

formadagaiolamostradanaFig.1.3,modelomúltiplos laços. Ademonstraçãodoapare imento

das omponentes harmni as na vizinhança da omponente fundamental de orrentes de fase

do estator através da análise da interação dos ampos magnéti os no entreferro do motor é

realizada. As respostas de onjugado eletromagnéti o, orrente elétri a nabarra rotóri ae no

enrolamento estatóri o e velo idade me âni a, onsiderandoo modelo rotóri o de malha e um

estatortrifási oaenrolamentos on entradosdistribuídossenoidalmenteeseparadosnoespaço

por

120 o

(31)

FERKOLJ,1998),( DEVANNEAUX,2001),( BO-QIANG;HE-MING;LI-LING,2002). Oefeitodafalha

é inserido onsiderando que a barra dani ada possui uma resistên ia muito maior do que as

barrassadias. São demonstradas ainuên ia donúmeroe dalo alização das barrasquebradas

em ada uma daquelas variáveis da máquina. A e á ia do modelo é veri ada através do

surgimento de omponentes de freqüên ia propor ionais ao dobro do es orregamento om o

qualamáquinaopera, no onjugadoeletromagnéti oenavelo idadedamáquina,assim omo,

freqüên ias de banda ara terísti as desta falha na orrente de fase estatóri a. Ainda através

deste modelo para o rotor, é vista em ( DIDIER, 2004) ainuên ia davariação de arga para a

realizaçãodosistemade dete çãode quebrade barrabaseadonaanáliseda orrenteestatóri a.

A não perda de generalidade do omportamento dinâmi odos estados da máquinaatravés

da simpli ação do modelo múltiplos laços para o modelo rotóri o trifási o a enrolamentos

on entradosédemonstradoem ( MUNOZ-GARCIA;LIPO , 1998),( MUNOZ;LIPO , 1999). A

repre-sentação damáquina

dq

equivalenteatravésda teoriade vetoresespa iais omplexosé obtida,

assim omo os parâmetros trifási os equivalentes em função dos parâmetros do modelo de

múltiplos laços.

A simulação do efeito da quebra de barra através do aumento da resistên ia da barra

de-feituosanomodelode malhamen ionadoanteriormenteéquestionadapor( WALLISER;LANDY ,

1993), ( WALLISER; LANDY , 1994). É demonstrado que em um aso parti ular, se a quebra

o orrer em apenas uma extremidade da gaiola, a orrente da mesma não é nula, desta forma,

não podendo onsiderar esta barra omo um ir uitoaberto dagaiola(efeito obtidoatravésdo

aumentoda resistên ia dabarra defeituosa), pois orrentes denominadasde interbarras ainda

ir ulam,di ultandoqualquer pro edimento de dete ção.

Em ( VAS, 1982) é mostrado que o rotor de gaiola pode ser representado por um rotor

bobinado trifási o om seus enrolamentos senoidalmente distribuídos e separados de

120 o

no

espaço. Dessa forma, é proposto e validado que o aumento de resistên ia de uma das fases

rotóri as produz o mesmo efeito nas omponentes de entreferro da máquina, assim omo nas

(32)

debarras,( FISER;FERKOLJ,1997)realizamoestudoanalíti odo omportamentodo onjugado

em relação à velo idade me âni a em regime permanente para diversos valores de a rés imo

de resistên ia, assim omo ( FILIPPETTI , 1992) analisaas respostas, no domínioda freqüên ia,

da urvade amplitude da omponentelateralda orrentedoenrolamentoestatóri o emfunção

do es orregamento da máquina, obtidas através dos modelos de múltiplos laços e aumento de

resistên ia de fase do rotor trifási o bobinado .

Em ( H. RODRIGUEZ-CORTéS;STANKOVI¢, 2004) é apresentada uma estratégia de dete ção

de quebra de barras para a máquina operando sob Controle Indireto Orientado pelo Campo

ou Indire t Field Oriented Control ( IFOC). O modelo da máquina em falta apresentado

or-responde à adição de uma bobina dita auxiliar no onjunto trifási o rotóri o a enrolamento

on entrado apresentado anteriormente. A estratégia de dete ção onsiste na onstrução de

um observador residual gerado para adequar os valores dos parâmetros dessa bobina auxiliar .

Na o orrên ia da falha, os parâmetros dessa bobina geram uxo magnéti o que se opõe ao

uxo total de entreferro do motor. O resíduo gerado não é sensível ao nível ou tipo de arga

adi ionada aomotor,mostrando-se e az nadete ção da falha.

A representação da máquina através de um rotor trifási o bobinado é feita em ( CUNHA;

LYRA; FILHO , 2005). Contudo, o efeito da quebra de barra é obtido através de uma ondição

de ontorno realizada nas orrentes de laço da máquina om múltiplos laços, obtidas através

de uma matrizde transformação, ouseja, os estadosdo rotor gaiola de esquilo om

N

r

barras

podem ser obtidosatravésdos estadosdo rotor trifási oa enrolamentos on entrados.

Outros modelos, esses baseados em métodos numéri os, omo por exemplo, o método de

elementos nitos, são bem abordados na literatura omo modelos de investigação do

ompor-tamento físi o do ampo magnéti o gerado na máquina. Dessa forma, é possível pro urar

ara terísti asintrínse as a ada tipo de falha, gerando suporte na proposta e investigação de

novosmétodosesistemasdedete çãoediagnósti odefalhas,parti ularmente,quebradebarras

rotóri as. Em ( KIM, 1997), ( WATSON; PATERSON , 1999), ( FU , 2004) podem ser visualizados o

(33)

1.3.2 Sistemas de Dete ção e Diagnósti o de Falhas, aso QBR

Em se tratando de a ionamentos de motores de indução om velo idade variável através

de um inversor em um sistema de alto desempenho ( Indire t Field Oriented Control, Dire t

Field Oriented Control, et . ) em que se garante o ontrole da orrente estatóri a, a

ób-vio que estratégias que utilizam o omportamentoda mesma para realizar a dete ção estarão

omprometidas, de forma que estratégias de dete ção baseadas em modelos se tornam muito

importantes nesses asos.

A estimação daresistên ia rotóri a aparente vista doestator damáquina é utilizada omo

té ni a de dete ção de QBR por ( CHO;LANG; UMANS , 1989), ( CHO;LANG; UMANS , 1992). A

estimação desse parâmetro é realizada baseada no modelo de regime permanentedo motor de

indução, representando o rotor gaiola de esquilo através de um rotor trifási o a enrolamento

on etrado equivalente. Para a implementação da estratégia, requer-se a medição de vários

estadosdamáquina: orrentede fasedoestator,tensãoestatóri a,freqüên ia dealimentaçãoe

velo idaderotóri a. Oex es sode variáveisaserem medidasea ompensação doefeitotérmi o

ausado pela variação natural da resistên ia rotóri a tornam o método omplexo, ontudo

e iente na dete ção da falha para o motor a ionado tanto em malha aberta quanto fe hada.

Nesteúltimo aso,atençãoespe ialdevesertomadanaobtençãodosestadosdamáquinadevido

àmaiorinuên ia de ruídossobre os mesmos.

Analisandoomesmomodeloderegimepermanente,( ELTABACH ,2001)apresentaummétodo

apazde rela ionar asamplitudesdas orrentes nafreqüên iaharmni a, quesurgemdevido à

falha, e na freqüên ia de alimentação. Neste sentido, a dete ção da falha é realizada baseada

na análise omparativa entre as amplitudes das duas omponentes de freqüên ia, pois omo

mostrado em ( FILIPPETTI; FRANCESCHINI; TASSONI , 1995), sendo a diferença menor que

50 dB

entrestais omponentes,a onrmaçãodaexistên iadaquebradebarrapodeserrealizada.

Em ( WIESER, 1998a), ( WIESER, 1998b), ( WIESER; KRAL; PIRKER , 1998), ( KRAL, 2000)

utiliza-seoemprego de dois modelosdistintos damáquina no ál ulodo onjugado

(34)

o onhe imento da tensão estatóri a, orrente estatóri a e velo idade me âni a da máquina.

Ambososmodelos,naausên ia de falha,respondemde maneiraigualde formaqueadiferença

de onjugadoentre elesénula. Contudo,napresença dequebradebarra,tantoparaamáquina

a ionada om arga estáti aquanto dinâmi a, adiferença entre os modelos (modelo de tensão

emodelo de orrente) seafastade zero eo omportamentodessa diferençaéasso iado àfalha.

O método de análise que utiliza a diferença entre os dois modelos é denominado: método de

Vienna. Assim omo a maioriadas estratégias não-baseadasem modelo, o método de Vienna

tambémsetornaine azquandoamáquinaopera sobredimensionada,ouseja,quando a arga

apli adaà mesma tende a zero. Testes a vazio foramrealizados e omprovações neste sentido

foram obtidas. Entretanto distorções geradas nas orrentes e tensões da máquina devido ào

a ionamento por inversores de freqüên ias, não omprometem o desempenho do método de

dete ção, alémdisso, o métodoindepende doestadode operaçãodamáquina, transitórioe/ou

regimepermanente, omo demonstradopor ( KRAL,1998).

Visando o desenvolvimento de té ni as apazes de realizar a dete ção de quebra de barras

mesmo antes da máquina ser posta em operação, ( KRAL; PIRKER; PASCOLI, 2002) propõe a

apli ação do método de Vienna ao motor operando em teste de rotor bloqueado. Este teste

torna-se e az na dete ção da falha por gerar altas orrentes rotóri as tornando evidente a

inuên ia dafalha nas omponentes de bandada orrente estatóri a.

Em( KRAL;PIRKER;PASCOLI,2003),( KRAL;PIRKER;PASCOLI,2005)épropostoumsistema

de estimação davelo idademe âni a apli adaaométodode Vienna. É demonstradoquepara

sistemas de média e altainér ia, o método de Vienna Sensorless pode ser apli ado sem perda

de generalidade. Contudo, para sistemas de baixa inér ia, é ne essário se onhe er o valor

total da inér ia do sistema para apli ação do método. Em ( KRAL, 2004) é mostrado que o

método de Vienna Sensorless não é apli ável a argas menores ou igual a metade da arga

nominal do motor, pois as amplitudes das omponentes de falha tornam-se muito pequenas e

de difí il dete ção. Contudo, omo visto a ima, isso não é um limite apenas do método de

(35)

baseados nos modelos de segunda ordem e de quarta ordem da mesma, om o m de realizar

a dete ção de quebra de barras é apresentado em ( ELTABACH , 2001). O observador utilizado

é o de Luenberger. Para a implementação do método é ne essário a medição da velo idade

me âni a, assim omo da tensão e orrentes estatóri as para o motor operando em malha

aberta om alimentação direta darede.

Em se tratando de máquinas elétri as, sistemas de dete ção e diagnósti o de falhas

não-baseado em modelo, omo expli ado anteriormente, são sistemas que analisam omparativ

a-mente o omportamento,seja notempo ounafreqüên ia, dos estados ( orrente, tensão,uxo,

et .) atuaisde operação damáquina om sinais ara terísti osde falhaobtidosempiri amente

e/ou através de modelamento matemáti o. A exemplos de sinais ara terísti os de quebra de

barras rotóri as, está o espe tro de freqüên ia da orrente estatóri a, as os ilações do

onju-gado eletromagnéti o e velo idade me âni a, om freqüên ia igual ao dobro da freqüên ia de

es orregamento, e et . Saindo do empirismo, o perl do espe tro de freqüên ia da orrente

estatóri a e do uxo de entreferro damáquina foi primeiramentedemonstrado por ( DELEROI ,

1984) para a máquina trabalhando sob ondições de falha, em parti ular, quebra de barras

rotóri as. Dessaforma, aanáliseespe tral da orrenteestatóri a paraa máquinaoperandoem

malhaaberta eperto de sua arga nominal, alimentada diretamenteda rede, éutilizada omo

estratégiadedete ção ediagnósti ode quebrade barraspor,( KLIMAN ,1988),( RANKIN , 1994).

Em( THOMSON;STEWART, 1988)é proposta aanáliseespe tralda orrentepara um motor de

induçãoalimentado em malha aberta porum inversor de freqüên ia. Este estudo é extendido

paraanálisedainuên ia geradapelopróprioinversor nossinais responsáveispeladete ção da

falha( orrentes estatóri as)em ( DIMITROV;CHOBANOV , 2004).

Sabendo-se que argas me âni as que os ilam perto do dobro da freqüên ia de

es orrega-mentodomotorqueasa ionadi ultamaimplementaçãodesistemasdedete çãodequebrade

barras, ( SCHOEN;SCHOEN; HABETLER , 1993), ( SCHOEN; HABETLER , 1995) propõem a análise

das omponentesharmni asda orrenteestatóri aparaidenti are ara terizarafalha. Dessa

(36)

tatóri a também fa ilitam a onrmação da existên ia ou não da falha, omo proposto em

( WALLISER; LANDY , 1993), ( WALLISER; LANDY , 1994). A presença dessas mesmas orrentes

levam( MCCULLY;LANDY ,1997) aproporemaanáliseespe tral de orrentejunto om o

espe -tro de vibração da máquinano sentido de fa ilitara identi açãoda falha.

As omponentesdefreqüên iaquesurgemnasformasdeondadas orrentesdefasedomotor

de indução, na presença da quebra de barras, também podem ser visualizadas no plano das

orrentes

dq

. A veri ação do omportamento dessas omponentes no plano

dq

, ou diagrama

dePark, omome anismodedete ção detalfalhaépropostapor( MARQUESCARDOSO ,1995).

Em( BENOUZZA;BENYETTOU;BENDIABDELLAH, 2004)étambém veri adoo omportamento

das omponentesde orrentenesseplanoeadi ionadooestudodoespe trodefreqüên iadessas

omponentes.

Em( KLIMAN ,1988) éproposta aanálisedouxo deentreferro. Este uxo apresenta

ara -terísti asparti ulares,no domíniodafreqüên ia, quandohá aquebra de barras. A

instrumen-tação ne essária para esta avaliação requer sensores internos eexternos de uxo magnéti o.

Visando a dete ção e alo alização dabarra defeituosa,( NAILEN , 1991) utilizao

monitora-mento do uxo de entreferro ao longo da máquina onsiderando as barras quebradas omo

ir uitos abertos. Sendo assim, as barras om defeitos geram ampos magnéti os distor idos

em torno de si mesmas e aumentam as orrentes das barras adja entes, tornando possível a

dete ção dafalha esua posição exata.

A análise espe tral do sinal de tensão induzidoem uma bobina olo ada em um dente

es-tatóri o, onguração esta primeiramente proposta em ( LIPO , 1977) para realizar ontrole de

onjugado eletromagnéti o, e outra olo ada externamente no estator da máquina, são

om-provadas omopossíveis té ni as de dete çãode QBR por( ELKASABGY;EASTHAM; DAWSON,

1988),( ELKASABGY; EASTHAM;DAWSON, 1992).

Em ( CABANAS, 2005) também se utiliza uma bobina a oplada a um dente do estator da

máquina. A tensão induzidanesta bobina é um reexo do omportamentodouxo magnéti o

(37)

através de elementos nitos, observa-se que o pólo magnéti o da máquina sofre um desvio na

presença daquebra de barra. Tal desvio éfunção somentedafalha,ouseja, independe dotipo

de a ionamento empregado, donívele da inér ia da arga submetida aomotor. Logo, o uxo

magnéti o da bobina inserida no dente rotóri o é função da tensão induzida na mesma e sua

variação no tempo depende da variação do ampo magnéti o. Sendo assim, o desvio ausado

no pólo magnéti o da máquina gera uma diferença no tempo de duração entre o primeiro e o

segundo i lo da tensão induzida na bobina inserida. Dessa forma, a utilização da diferença

entre a duração desses dois i los, torna-seum sinal apaz de realizaradete ção de quebra de

barras.

Os ilaçõesno ampomagnéti orotóri osão utilizadas omosinal de diagnósti ode quebra

de barras rotóri as por ( MIRAFZAL; DEMERDAS H, 2004b), ( MIRAFZAL; DEMERDASH, 2004a),

( MIRAFZAL; DEMERDAS H, 2005). A obtenção do sinal é realizada através de medições das

orrentes e tensões dos terminais estatóri os do motor. Veri a-se que as ondições de arga

variando entre

50%

e

100%

da nominalsão exigidas para apli açãoda té ni a e que a mesma

independe do tipode a ionamento.

A utilização do espe tro de freqüên ia da potên ia total instantânea do motor é utilizado

por ( CRUZ; CARDOSO , 1999), ( DRIF, 2002), ( DIDIER; RAZIK; REZZOUG , 2003) omo método

de dete ção de QBR . Estudos da inuên ia da inér ia da arga no sistema de dete ção são

realizados, sendo demonstradoque este método ée az na dete ção de ra haduras nabarra.

A análise do omportamento do onjugado eletromagnéti o através de medições diretas

e/ou através de té ni as de estimação é feita em ( FISER; FERKOLJ; SOLINC, 1995), ( PENMAN;

STAVROU , 1995), ( FISER; FERKOLJ, 1996) tanto em regime transitório quanto em regime

per-manente.

Visando umaanálise omparativa,em ( TRZYNADLOWSKI;RITCHIE , 1999),( BELLINI , 2000)

érealizadoum estudo entre três me anismos de dete ção: análiseespe tral de orrentede fase

estatóri a, potên iainstantânea e onjugado eletromagnéti oestimado.

(38)

aomotor(porexemploem umaparada)éutilizadaem ( MILIMONFARED , 1998)nadete ção de

quebradebarras. Variaçõesdeamplitudenas omponentesdefreqüên iasharmni asdatensão

induzidasão observadas apósa quebra de barras, sendo porisso utilizadaspara o diagnósti o

dafalha.

Para a máquina one tada em estrela, des onsiderando a variação dos termos resistivos

da máquina do ponto de vista do enrolamento estatóri o na o orrên ia da falha, ( GARCIA ,

2004) utiliza a análise do espe tro de freqüên ia da tensão de seqüên ia zero (homopolar) na

dis riminaçãodao orrên ia damesmaatravésdo apare imentode omponentes de freqüên ia

propor ionais àfreqüên ia de alimentação eà velo idadeda máquina.

1.3.3 Modelos de Representação do Estator, aso CCE

Em ( JOKSIMOVIC; PENMAN, 2000), é realizada a modelagem do estator onsiderando-o a

enrolamentos on entrados e orotor omo mostrado na Fig.1.3. O urto- ir uitoentre espiras

érepresentadoatravésdeumapequenaresistên ia olo adaem paralelo omapartedani ada

da espira. Por perder espiras, é mostrado que a fase om a falha on atena menos uxo

magnéti o perdendo força magneto motriz (FMM). A orrente de urto- ir uito que ir ula

atravésdaporçãoem falhadoenrolamento ontribui negativamente om aFMMdoentreferro

da máquina. Dessa forma, as relações entre indutân ias própria do enrolamento dani ado

assim omo as mútuas entre o mesmo e os outros enrolamentos estatóri os e rotóri os são

alteradas. Émostradoque, paraamáquinaoperando omseusenrolamentosestatóri osligados

emdelta, nao orrên iadafalha,apare e uma omponentede ter eiraharmni anas orrentes

delinhaedefasedamáquina,assim omo omponentesharmni asnas omponentesrotóri as.

Contudo, essas mesmas ara terísti assão obtidasquando a fonte de alimentaçãoda máquina

é desbalan eada. Neste sentido, é demonstrado que somente a análise espe tral da orrente

estatóri a, para essa onguração(estator one tado em delta), não é su ientepara dete ção

ediagnósti o do urto- ir uitoentre espiras estatóri as.

(39)

repre-sentação do CCE é realizada da mesma forma que em ( JOKSIMOVIC; PENMAN, 2000),

entre-tanto,a máquina é one tada em estrela e o rotor é onsiderado omo trifási o aenrolamento

on entrado, ou seja, da mesma forma do estator. A transformação de Park é apli ada e um

modelo

odq

éobtido. Um ir uitode regime permanenteéderivado. Da mesmaforma, ( CRUZ;

CARDOSO ,2004), ( BACCARINI , 2004) realizamaanálisepara a máquina one tada em delta.

Omodelamentodamáquina nas suas variáveis originais di ultaaimplementaçãode

qual-quer sistema de dete ção e diagnósti o e até mesmo a implementação de sistemas de

ont-role, prin ipalmente por suas variáveis estatóri as e rotóri as estarem em referen iais

difer-entes. Dessa forma, em ( CHANG; COCQUEMPOT;CHRISTOPHE , 2003) é proposto um modelo

em variável original, que utiliza uma matriz de transformação apli ada às variáveis rotóri as

damáquina,transformandoestasdoreferen ialrotóri opara oreferen ialestatóri o. A

onr-maçãoda diminuaçãodouxo on atenado da bobina nao orrên ia de CCE, permite utilizar

a perda de espira omo representação da falha, omo realizado por ( JACOBINA; CHAVES FL.;

LIMA, 2000)quegeraum modelo

odq

equivalenteparaa máquinaemfalhaatravésdaperdade

espiras. Análises de resultados experimentais esimulados validam omodelo.

1.3.4 Sistemas de Dete ção e Diagnósti o de Falhas, aso CCE

A amostragemdo uxo axialde dispersãoatravésda disposição assimétri a de bobinas em

tornodo motore sua monitoraçãoatravésda análisedoespe tro de freqüên ia é realizadopor

( PENMAN,1994). Neste aso, harmni osnouxo de dispersão axialsão utilizados omosinais

ara terísti osdeCCE.Contudo,talté ni anãosetornamuitoapropriadadevidoàdi uldade

dadisposição das bobinas sensoras daqueleuxo.

Em( KLIMAN ,2000),a orrentedeseqüên ianegativaées olhida omosinal ara terísti oda

falhaeadete çãode CCEérealizadabaseadanoprin ípiodequeosmotoressão originalmente

simétri os,assim omoafontedealimentaçãodetensão. Émostradoqueestesinalnãosetorna

adequado devido à desbalan eamentos naturais intrínse os à fonte de alimentação. Contudo,

(40)

Aanálisedoespe trode orrenteestatóri a omomeiodedeterminaraexistên iade CCEé

realizadaem ( THOMSON , 2001). Émostrado queasdistorçõesgeradasno ampomagnéti ode

entreferropelafalhainduzem omponentes de assinaturasdafalhanomotorem operação. Em

( THOMSON ,2002)érealizadaamesmaanáliseparaamáquinaalimentadaemmalhaabertapor

um inversor de freqüên ia. É demonstrado empiri amente que as omponentes de freqüên ia

queapare em devido àfalha não sofrem inuên ia quantoà ondição de arga.

Em se tratando de a ionamentoem malha fe hada, ( CRUZ; CARDOSO , 2003), ( CRUZ;

CAR-DOSO;TOLIYAT,2003), ( CRUZ; CARDOSO ,2004), ( CRUZ;CARDOSO , 2005) analisam o

ompor-tamentodinâmi odafalhade CCEem sistemaDTC(Dire t Torque Control) om ontrole por

histerese e propõem duas estratégias de dete ção desse tipo de falha nesse a ionamento. Os

resultados foram obtidos onsiderando a máquina alimentada em delta. É demonstrado que,

assim omo alimentada emmalha aberta, omponentes de ter eiraharmni asão introduzidas

nas orrentes de fase do estator da máquina pela falha (máquina sob DTC), sendo utilizadas

omo sinal ara terísti o da mesma. Baseado na teoria de múltiplos referen iais é deduzido

um indi ador da falha dependente das orrentes

dq

de seqüên ia positiva da máquina. Esse

indi ador varia somente om a evolução da falha e independe da arga em que o motor está

operando.

Em( JIANYUAN;ZHISHAN;WANLI , 1999),a diferençade fase entre as orrentes trifási as do

estatordamáquina éutilizada paradete tar CCE. Nas ondiçõesideaisde operação,máquina

sem falhae alimentação balan eada,a diferença de fase entre as orrentes estatóri a é de

120 o

elétri os. Nao orrên iadoCCE,asfasesentreessas orrentesdiferemdos

120 o

elétri os,devido

à assimetria gerada nos parâmetros dos enrolamentos do estator. Para determinação da fase

entre as orrentes utilizaram-se funções de orrelações ruzadas. Contudo, tal sinal também é

afetadopelodesbalan eamentodafontede alimentação,o quelimitaaapli açãodaestratégia.

O ângulo de impendân ia é utilizado em ( BOQIANG; HEMING; LILING, 2002), ( BOQIANG;

HEMING;LILING, 2003)nadeterminaçãodeCCE.Este ânguloé al uladoatravésda orrelação

(41)

Como realizado em ( MILIMONFARED , 1998) para dete ção de quebra de barras rotóri as,

( NANDI; TOLIYAT, 2000), ( NANDI; TOLIYAT, 2002), ( BELLINI , 2003) propõem um método de

análise de CCE baseado no espe tro de freqüên ia da tensão induzida nos enrolamentos

es-tatóri os após o desligamento da alimentação forne ida à máquina. A estratégia adotada é

veri ar a inuên ia da orrente que ir ula na porção urto- ir uitada nos enrolamentos da

máquina. Émostrado queamaiorvantagemdesse métodoéquenão háqualquer inuên iade

omponentes harmni as, desbalan eamento da fonte de alimentação,e nem da arga movida

pelamáquina, naestratégia de dete ção.

Arepresentaçãodas orrentes estatóri asdomotordeinduçãoatravésdos vetoresde Parké

utilizada omométododedete ção deCCEem( CARDOSO;CRUZ;FONSECA ,1997),( CARDOSO;

CRUZ; FONSECA , 1999), ( HOUDOUIN, 2003). Para isso, é analisado o padrão do diagrama dos

vetoresativos(

dq

)damáquina. Umaformaelípti aparti ularàfalhaéen ontradanodiagrama

nao orrên ia da mesma.

Em ( HENAO; DEMIAN; CAPOLINO, 2002), ( HENAO; DEMIAN; CAPOLINO, 2003) é proposta

a análise do espe tro de freqüên ia do uxo de dispersão do motor de indução através de um

sensor de uxo externo. O sensor a lo alizado na ar aça damáquina. Como o uxo é um

estado damáquina que depende das orrentes estatóri as e rotóri as, o espe tro de freqüên ia

douxodedispersão ontéminformaçõesa er adas omponentesdefalhaqueafetamoestator

e/ou o rotor, estando dessa forma habilitada a dete ção de falhas nas duas partes do motor.

No que se refere a CCE, o espe tro do uxo é analisado para o motor fun ionando de três

formas: i) rotor bloqueado; ii) girandoa vazio e iii)girando om arga nominal. O mesmo foi

alimentado poruma fontesenoidaleporum inversorde freqüên ia. Édemonstradoatravésde

análisegrá aqueométododedet ção éhábil nadete çãodafalhapara todas assituaçõesàs

quais a máquina foi submetida. O teste veri ou-se mais onável que a análise espe tral de

orrente de fase, prin ipalmentepara uma pequena por entagem de espiras dani adas.

Em( MELERO ,2003)érealizadooestudo omparativoentre diferentes métodos de

(42)

1999),impedân iadeseqüên ianegativa,propostoem( SOTTILE;KOHLER ,1993),quebaseia-se

na medição da tensão e orrente de seqüên ia negativa para sua determinação. É veri ado

que no estágio ini ial da falha, os dois últimos métodos são mais sensíveis, ou seja, variam

mais em omparação om a máquina sadia. No entanto, o uxo de dispersão axial mostra-se

mais linear na evolução da falha e apresenta uma maior diferença quando se ompara o

es-tado nal ( urto- ir uito na fase) e a máquina sadia. Em ( RASMUSSEN; TUTTLE C.B. , 1999)

a análisetérmi a, via sensores infra-vermelhos, dos enrolamentos estatóri os, é utilizada omo

ferremanta apaz de indenti ar sobre-aque imentos gerados nos mesmos. A análisedinâmi a

davariaçãodatemperaturamostra-see ientenadete ção deproblemas namáquina, ontudo

não nodiagnósti o, ouseja, naidenti açãoda falha.

1.4 SINOPSE DOS CAPÍTULOS

No apítulo2,intituladoModelosde Representação para Quebrade Barras, são analisados

os diversos modelos de representação de quebra de barras visando a ompreensão dos efeitos

ausados por este tipo de falhaao motorde induçãogaiolade esquilo. São apresentados in o

modelos,sendoumpropostonestetrabalho. Estudos omparativosquantoàrepresentatividade

da falha e a simpli idade do modelo são realizados. O omportamento do motor é analisado

quando este é alimentado poruma fontede tensãopuramente senoidale em malha aberta.

No apítulo 3, intitulado Modelos de Representação de Cuto- ir uito entre Espiras

Es-tatóri as, são dis utidos dois modelos de representação damáquina fun ionando sob este tipo

de falha. Arepresentatividadeentres osmodeloseo omportamentodomotorsão dis utidos e

umaanáliseentre osimpa tos ausados aomotor devidoà o orrên ia de CCE paraa máquina

alimentada por uma fonte de tensão senoidal one tada em estrela e em triânguloé realizada.

No apítulo 4, intitulado Con lusões e Trabalhos Futuros, são apresentadas as on lusões

naisdopresentetrabalhoa er adosmodelosderepresentaçãodefalhaestudadosnos apítulos

Patryckson Marinho_Dissertaçao

123 < − > odq

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