DETECÇÃO DE BARRAS QUEBRADAS EM MOTORES ELÉTRICOS UTILIZANDO ANÁLISE DE CORRENTE E FLUXO MAGNÉTICO

DETECÇÃO DE BARRAS QUEBRADAS EM MOTORES ELÉTRICOS

UTILIZANDO ANÁLISE DE CORRENTE E FLUXO MAGNÉTICO

FUNREI - Fundação de Ensino Superior de S. J. del Rei - Praça Frei Orlando, 170 - São João del Rei - MG 36307-352 brito@gelnet.com.br e brito@fem.unicamp.br

Lane Maria Rabelo Baccarini

FUNREI - Fundação de Ensino Superior de S. J. del Rei - Praça Frei Orlando, 170 - São João del Rei - MG 36307-352 rabelo@funrei.br

Paulo Cézar Monteiro Lamim Filho

UNICAMP - Universidade Estadual de Campinas - Caixa Postal 6051 - Campinas - SP - 13083-970 lamim@fem.unicamp.br

Robson Pederiva

UNICAMP - Universidade Estadual de Campinas - Caixa Postal 6051 - Campinas - SP - 13083-970 robson@fem.unicamp.br

Resumo. Neste trabalho apresenta-se uma contribuição ao estudo e identificação de barras trincadas ou quebradas em motores de

indução trifásicos, a partir dos sinais obtidos experimentalmente. Nesta investigação foram usadas as técnicas preditivas de análise de corrente e análise de fluxo magnético, identificando as freqüências determinísticas deste tipo de defeito. O banco de dados é composto de cinqüenta testes, para cada uma das seguintes situações: sem defeito (assinatura da máquina), duas, três, cinco e sete barras quebradas. Serão apresentadas as severidades e recomendações para as duas técnicas utilizadas, bem como o procedimento para sua análise.

Palavras Chaves:. Motores Elétricos, Barras Quebradas, Análise de Corrente, Análise de Fluxo Magnético

1. Introdução

O uso de motores elétricos na industria é extenso, sendo expostos a uma ampla variedade de ambientes e condições onde o tempo de uso os tornam sujeitos à diversas falhas incipientes. Tais defeitos, se não forem detectadas rapidamente, contribuem para a degradação, e eventual falha dos mesmos. O monitoramento, diagnóstico e detecção de falhas incipientes de motores são um importante e difícil tópico nos campos da engenharia. A importância da detecção destas falhas justifica-se pela economia gerada pela sua prevenção antes de sua ocorrência.

Brito el all (1999), utilizaram as técnicas de análise de vibração e análise de corrente para detecção de falhas de em motores de indução trifásico, com o objetivo de inclui-los num programa de Manutenção Preditivo. Foram estudados os defeitos de origem mecânica (folga mecânica, desbalanceamento e desalinhamento), de origem elétrica (Single-Phase) e a iteração entre eles.

Algumas investigações científicas têm enfocado falhas relacionadas com barras quebradas e o desenvolvimento de técnicas para realizar o seu diagnóstico: Cho e Lang (1992), Deleroi (1984), Elkasabgy e Eastham (1992), Elkasabgy et all (1986), Hargis et all (1982), Kliman (1986), Kliman et all (1989), Lowther e Silvester (1986), Milimonfared et all (1998), Penman e Stavrou (1996), Walliser e Landy (1994), Williamson e Smith (1982) e Walliser e Landy (1994).

Neste trabalho apresenta-se uma contribuição ao estudo e identificação de barras trincadas ou quebradas em motores de indução trifásicos, a partir dos sinais obtidos experimentalmente. Nesta investigação foram usadas as técnicas preditivas de análise de corrente e análise de fluxo magnético, identificando as freqüências determinísticas deste tipo de defeito. O banco de dados é composto de cinqüenta testes, para cada uma das seguintes situações: sem defeito (assinatura da máquina), duas, três, cinco e sete barras quebradas. Serão apresentadas as severidades e recomendações para as duas técnicas utilizadas, bem como o procedimento para sua análise.

2. Bancada de Teste

A partir da bancada experimental mostrada na Figura (1), montada no Laboratório de Conservação de Energia da FUNREI - Fundação de Ensino Superior de São João del Rei, estudou-se as cinco condições: operação normal; 2; 3; 5 e 7 barras quebradas.

Para aquisição dos sinais usou-se o equipamento UltraSpec 8000 [1] da CSI - Computational Systems Incorporated, ferramenta do programa de Manutenção Baseada em Confiabilidade. Este equipamento é um coletor e analisador de sinais que digitaliza e memoriza as informações nele contidas.

Essas informações podem ser analisadas diretamente no próprio equipamento, ou então transferidas para o computador [2] através do software de apoio UltraManager. Nesta opção tem-se um ambiente mais confortável de trabalho, permitindo análises detalhadas, geração de relatórios técnicos e montagem dos bancos de dados.

Para aquisição dos espectros de corrente, utilizou-se um AC Current Probe [3] da AEMC Instruments (CSI), modelo MM 185, entrada de 150 A, AC saída de 1 mA/A AC, relação de 1.000 para 0.005.

Figura 1. Bancada de Teste.

Para aquisição dos espectros de fluxo magnético, utilizou-se o sensor 343 Flux Coil [4], da CSI - Computational Systems Coorporation.

Os defeitos foram introduzidos num motor de indução trifásico [5], WEG (FH 88747), rotor gaiola, 5 CV, 1730 rpm, 220 V, 60 Hz, 4 polos, categoria N, 44 barras no rotor, 36 ranhuras no estator, rolamento SKF 6205-2Z, ID–1, carcaça 100L, classe de isolamento B, FS 1,15, Ip/In 7,5, IP 55, 13,8 A, gentilmente cedido pela WEG Motores.

Um gerador CC [6] alimentando um banco de resistência [7] é utilizado como sistema de carga e está acoplado ao motor elétrico através de um acoplamento flexível, gentilmente cedido pela Flender do Brasil Ltda.

Usou-se também uma monitoração paralela através de um voltímetro de precisão ENGRO [8], modelo 600; alicate digital DAWER [9], modelo CM-600 e tacômetro Optho Tako [10]. O objetivo dessa monitoração é garantir o funcionamento do motor em teste com carga nominal, possibilitando que os defeitos introduzidos tornem-se mais perceptíveis nos espectros.

O motor com carga nominal simula a condição real de funcionamento. Através das leituras do voltímetro tem-se a informação dos níveis de tensão nas três fases de alimentação do motor. Aplicou-se a carga no motor através do ajuste da corrente de campo do gerador CC. No painel de controle do gerador CC [11] também é possível monitorar a corrente de armadura, tensão de armadura e velocidade do dinamômetro.

Através de firmwares específicos do UltraSpec 8000, fez-se o balanceamento e alinhamento a laser da bancada de teste, verificando também possíveis folgas mecânicas (base frouxa do motor). Com isso pode-se obter os espectros para a condição considerada sem defeito, ou seja, “assinatura do motor”. Na Figura (2), tem-se os espectros de corrente e de fluxo magnético para a primeira série de testes.

45 48 51 54 57 60 63 66 69 72 75 -60 -40 -20 0 20 40 FREQUENCY IN Hz R M S A M P L IT U D E I N A M P S ( D B )

ACF - Primeira Série de Testes TESTE-1 - BT 45 48 51 54 57 60 63 66 69 72 75 -130 -120 -110 -100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 FREQUENCY IN Hz R M S A M P L IT U D E I N A M P S ( D B )

ACF - Primeira Série de Testes TESTE-1 - BT

Figura 2. Espectros de corrente (AC) e de fluxo magnético (AF) para a condição normal de funcionamento. 7 1 2 3 4 6 11 8 [10] 9 ≠ 52,63 dB ≠ 43,17 dB 2 x fs = 5,346 2 x fs = 5,337 AC AF

3. Análise de Corrente

Barras quebradas ou trincadas podem ser facilmente detectadas através da Análise de Corrente. Os espectros são coletados através do sensor alicate amperímetro, modelo CSI 341B, conectado em uma das fases de alimentação do motor.

A análise é feita nas bandas laterais espaçadas de duas vezes a freqüência de escorregamento (fs), Equação 1, em torno da freqüência de linha (“Line Frequency”- LF), também chamada de freqüência de rede (fR = 60 Hz), sendo que o espectro de corrente deve ser plotado com as freqüências em [Hz] e as amplitudes em [dB].

(

)

(

)

nn: rotação nominal [rpm] = fRR: freqüência de rotação [Hz]; ns: rotação síncrona [rpm] = fn: freqüência nominal [Hz].

Para o caso em estudo, o motor é de 4 pólos (ns = 1800 rpm) e a nn = 1730 rpm (tomada durante a medição). Substituindo estes valores na Equação 1 tem-se que a fs = 2,333 Hz e o valor de 2 x fs = 4,667 Hz.

Devido a este pequeno intervalo de freqüência, requer-se uma alta resolução. Neste sentido sugere-se configurar o coletor de dados (UltraSpec 8000) para uma freqüência máxima de 150 Hz e 3200 linhas de resolução.

A freqüência de passagem dos pólos (fp) é calculada pela Equação 2. O escorregamento em Hertz (s#_{) é calculado} pela Equação 3 e o número de pólos (p) é calculado pela Equação 4.

# s p 2f ps f = = (2) RR n # _{f f} s = − (3) s R n f 120 p = (4)

A Análise de Corrente, apresenta como limitações: necessidade de acessar painéis elétricos; a conexão a cabos energizados; a necessidade da presença de um eletricista para acompanhar as medições. Esta técnica informa somente a condição do rotor, compreendendo somente 10% de todo universo de falhas nos motores elétricos.

Na Tabela (1), tem-se a severidade e recomendações para a análise de corrente, baseado na Liberty Technologies Inc., Pensylvania e nos espectros coletados, onde fR é a freqüência de rede (Hz), p é o número de pólos e s≠ _{é o} escorregamento em Hertz.

Tabela 1 - Severidade e Recomendações: Análise de Corrente.

fR - p x s≠ _{Avaliação da Condição Ação Recomendada.}

50 dB ou mais
Excelente
Nenhuma

44 a 50 dB
Boa
Nenhuma

39 a 44 dB
Moderada
Continuar inspeção

Analisar somente a tendência 35 a 39 dB
Desenvolvendo trinca na barra do rotor

Juntas com alta resistência

Reduzir intervalo de inspeção
Observar curva de tendência 30 a 35 dB

Provavelmente duas barras trincadas ou quebradas

Provavelmente juntas de altas resistências

Fazer análise espectral de vibrações para confirmar a fonte do problema

25 a 30 dB
Muitas barras trincadas ou quebradas
Várias trincas nos anéis de curto
Falhas severas em toda gaiola

Desmontar o rotor para inspeção

Na Figura (3) tem-se os espectros de corrente para 2, 3, 5 e 7 barras quebradas, referentes ao teste1. Na medida que aumenta o número de barras quebradas a diferença em “dB” da banda lateral de 2 x fs em torno da fr = 60 Hz diminui. Quanto menor for esta diferença, maior será o número de barras quebradas ou trincadas. Isto ocorre devido à alteração da uniformidade do campo magnético.

45 48 51 54 57 60 63 66 69 72 75 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 FREQUENCY IN Hz R M S A M P L IT U D E I N A M P S ( D B )

ACF - Barras Quebradas 2BQ

ACF - Barras Quebradas 3BQ -45 48 51 54 57 60 63 66 69 72 75 -80 -60 -40 -20 0 20 40 FREQUENCY IN Hz R M S A M P L IT U D E I N A M P S ( D B )

ACF - Barras Quebradas 5BQ

ACF - Barras Quebradas 7BQ

-Figura 3. Espectros de Corrente para 2, 3, 5 e 7 barras quebradas. 4. Análise de Fluxo Magnético

A Análise de Fluxo Magnético, foi aplicada para coletar os espectros de fluxo magnético produzido pelas correntes que percorremos enrolamentos do estator do motor elétrico, utilizando um sensor espira de fluxo, modelo CSI 343P.

Ao contrário da Análise de Corrente, na Análise de Fluxo Magnético não é necessário conhecer: carga; número de barras e número de ranhuras. Os espectros são coletados de forma segura, ou seja, sem acessar os painéis elétricos; sem conectar a cabos energizados e sem requerer um eletricista para acompanhar as medições.

É recomendável que as aquisições do fluxo magnético sejam feitas axialmente e na posição central, para obter dados confiáveis e com tendência. É importante que as medições sejam tomadas na mesma posição, com o mesmo espaçamento entre o sensor e o motor e sem o movimento do sensor. Numa aplicação industrial, os dados devem ser coletados mensalmente de forma que a tendência possa ser estabelecida. Se falhas potenciais são indicadas, a coleta dos dados devem ser feitas com mais freqüência.

A análise das barras quebradas ou trincada é feita através de duas faixas espectrais: baixa freqüência e alta freqüência. Em baixa freqüência os espectros irão fornecer informações referentes a condição do rotor (barras

≠ 54,94 dB ≠ 52,83 dB 2 BQ 3 BQ 5 BQ 7 BQ ≠ 34,45 dB ≠ 32,41 dB 2 x fs = 5,030 2 x fs = 4,943 2 x fs = 5,323 2 x fs = 5,301

quebradas, motivação deste trabalho); desbalanceamento de tensão e algumas falhas do estator. Em alta freqüência os espectros apresentam uma família de freqüência da passagem de ranhura permitindo avaliar a condição do estator. A máxima freqüência para se coletar este espetro é de 15 vezes a freqüência da rede, utilizando a espira de fluxo, modelo CSI 343P.

Na Tabela (2), tem-se as freqüências determinísticas, em alta e baixa freqüência, onde: fR = freqüência de rede

(60 Hz); p = número de pólos; s≠ _{= escorregamento em Hertz; n = 1, 2, 3, ...; RPS = rotação por segundo e} fpr = freqüência de passagem de ranhuras [fpr = (fn x NR) - fR ou fpr = (fn x NB) - fR, onde NR é o número de ranhuras e

NB é o número de barras].

Tabela 2 - Severidade e Recomendações: Análise de Fluxo Magnético. Barras do Rotor Trincadas ou Quebradas

fR - (p x s≠_{) Diminui} Baixa Freqüência

fR ± (n x RPS) Não muda Alta Freqüência fpr ± (2 x fR) Não se manifesta

Na Figura (4) tem-se os espectros de fluxo para 2, 3, 5 e 7 barras quebradas, referentes ao teste1. Na medida que aumenta o número de barras quebradas a diferença em “dB” da banda lateral de 2 x fs em torno da fr = 60 Hz diminui. Quanto menor for esta diferença, maior será o número de barras quebradas ou trincadas. Isto ocorre devido à alteração da uniformidade do campo magnético.

45 48 51 54 57 60 63 66 69 72 75 -140 -130 -120 -110 -100 -90 -80 -70 -60 -50 FREQUENCY IN Hz R M S A M P L IT U D E I N A M P S ( D B )

ACF - Barras Quebradas 2BQ

ACF - Barras Quebradas 3BQ -45 48 51 54 57 60 63 66 69 72 75 -140 -130 -120 -110 -100 -90 -80 -70 -60 -50 FREQUENCY IN Hz R M S A M P L IT U D E I N A M P S ( D B )

ACF - Barras Quebradas 5BQ

ACF - Barras Quebradas 7BQ

-JOB ID: BQ/153 14-SEP-00 17:46

Figura 4. Espectros de Fluxo para 2, 3, 5 e 7 barras quebradas.

≠ 30,03 dB ≠ 29,21dB 2 BQ 3 BQ 5 BQ ≠ 24,86 dB ≠ 26,42 dB 2 x fs = 5,041 2 x fs = 4,994 2 x fs = 5,323 2 x fs = 5,699

4. Número estimativo de barras quebradas no rotor de gaiola

O cálculo estimativo do número de barras quebradas (N) no rotor de gaiola, Figura (5), é dado pela Equação 5, onde NR é o número de ranhuras do rotor, p é o número de pólos do motor e C é dado pela Equação 6, onde A é a amplitude em “dB” na freqüência de rede e B é a a amplitude em “dB” na freqüência de da banda lateral.

p 10 NR 4 N _c + = (5)

(

)

ACF - Primeira Série de Testes TESTE-1 - BT

JOB ID: TESTE-1 17-JUL-00 23:24 ORDR: FREQ: SPEC: 1.167 69.99 -50.16

Figura 5. Cálculo estimativo do número de barras quebradas no rotor de gaiola.

Quanto maior for o número barras quebradas, Figura (6), maior será a flutuação relativa da freqüência de rotação (fRR) e consequentemente o índice de modulação cresce. Na prática, isto significa um aumento do número de bandas laterais da freqüência de escorregamento (2 x fs) em torno da freqüência de rede (fR = 60 Hz) e também do aumento de suas amplitudes.

Como as bandas laterais são muito próximas (2 x fs), o analista deverá combinar baixo limite superior de freqüência, alto número de linhas e uso de zoom para poder detectar os indicativos destas modulações.

Figura 6. Cálculo estimativo do número de barras quebradas no rotor de gaiola. 2 x fs 2 x fs A B δ δδ δ

5. Conclusões

Na Tabela (3) tem-se um resumo das diferenças em dB da amplitude da fR = 60 Hz e a banda lateral espaçada em 2 x fs para a situação sem defeito (assinatura da máquina), 2, 3, 5 e 7 barras quebradas, tanto para a Análise de Corrente quanto para a Análise de Fluxo.

Tabela 3. Resumo das diferenças em dB da amplitude da fR = 60 Hz e a banda lateral espaçada em 2 x fs. Sem Defeito _Quebradas 2 Barras _Quebradas 3 Barras _Quebradas 5 Barras _Quebradas 7 Barras

AC 52,63 dB 54,94 dB 52,83 dB 34,45 dB 32,41 dB

AV 43,17 dB 30,03 dB 29,21 dB 24,86 dB 26,42 dB

Apesar das diferenças de amplitudes encontradas na medição de fluxo magnético não serem as mesmas encontradas nas medições de corrente, a diferença relativa em dB da amplitude da fR = 60 Hz e a banda lateral espaçada em 2 x fs, decresce na mesma taxa que o rotor degrada. Na Análise de Corrente estas diferenças são suficientes para diagnosticar o defeito. Na Análise de Fluxo o defeito é diagnosticado através de tendências a partir de um espectro de referência.

As medições de rotina, realizadas no campo e com os motores acoplados (com carga), detectam perfeitamente problemas de barras quebradas e/ou trincadas, com pelo menos 80% de carga. Testes realizados com motores desacoplados não detectam este tipo de problema. O ideal é realizá-lo sempre com carga e, se possível, com sobrecarga de mais ou menos 20%. Esta sobrecarga permite que as amplitudes nos espectros, principalmente as relacionadas com as bandas laterais, tenham mais energia facilitando seu diagnóstico.

A Análise de Fluxo Magnético é uma nova tecnologia não destrutiva, que detecta on-line falhas no rotor (barras quebradas), falhas no estator, desbalanceamento de voltagem, com uma grande vantagem por não necessitar acessar cabos energizados, como acontece com a Análise de Corrente.

6. Agradecimentos

Os autores agradecem à FAPEMIG - Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Minas Gerais (ProjetoTEC 1008/96), à Vitek Consultoria Ltda., à Flender do Brasil Ltda. e a Weg Motores.

7. Referência

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