Detecção de barra quebrada em rotores de motores de indução através da análise da deformação dinâmica do estator

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM SISTEMAS DE ENERGIA

IGOR BRUTKOWSKI VIEIRA DA COSTA

DETECÇÃO DE BARRA QUEBRADA EM ROTORES DE MOTORES

DE INDUÇÃO ATRAVÉS DA ANÁLISE DA DEFORMAÇÃO

DINÂMICA DO ESTATOR

DISSERTAÇÃO

CURITIBA 2016

DETECÇÃO DE BARRA QUEBRADA EM ROTORES DE MOTORES

DE INDUÇÃO ATRAVÉS DA ANÁLISE DA DEFORMAÇÃO

DINÂMICA DO ESTATOR

Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Sistemas de Energia da Universidade Tecnológica Federal do Paraná como requisito parcial para obtenção do título de Mestre em Engenharia Elétrica – Área de Concentração: Automação e Sistemas de Energia.

Orientador: Prof. Dr. Jean Carlos Cardozo da Silva

Coorientador: Prof. Dr. Cicero Martelli

CURITIBA 2016

Costa, Igor Brutkowski Vieira da

C837d Detecção de barra quebrada em rotores de motores de indu- 2016 ção através da análise da deformação dinâmica do estator / Igor

Brutkowski Vieira da Costa.-- 2016. 100 f. : il. ; 30 cm

Texto em português, com resumo em inglês Disponível também via World Wide Web

Dissertação (Mestrado) – Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Programa de Pós-graduação em Sistemas Elétricos, Curitiba, 2016

Bibliografia: f. 91-100

1. Motores elétricos de indução – Ensaios. 2. Motores trifási-cos. 3. Transformadores elétritrifási-cos. 4. Redes de Bragg. 5. Defor-mações (Mecânica) – Ensaios. 6. Sistemas de energia elétrica – Dissertações. I. Silva, Jean Carlos Cardozo, orient. II. Martelli, Cicero, coorient. III. Universidade Tecnológica Federal do Para-ná. Programa de Pós-graduação em Sistemas de Energia, inst. IV. Título.

CDD: Ed. 22 -- 621.31 Biblioteca Central da UTFPR, Câmpus Curitiba

Câmpus Curitiba

Programa de Pós-Graduação em Sistemas de Energia

Título da Dissertação Nº. 001

Detecção de Barra Quebrada em Rotores de

Motores de Indução Através da Análise da

Deformação Dinâmica do Estator

por

Igor Brutkowski Vieira da Costa

Orientador: Prof. Dr. Jean Carlos Cardozo da Silva (UTFPR)

Coorientador: Prof. Dr. Cicero Martelli (UTFPR)

Esta dissertação foi apresentada como requisito parcial à obtenção do grau de MESTRE EM ENGENHARIA ELÉTRICA – Área de Concentração: Automação e

Sistemas de Energia do Programa de Pós-Graduação em Sistemas de Energia –

PPGSE – da Universidade Tecnológica Federal do Paraná – UTFPR, às 16h do dia 29 de setembro 2016. O trabalho foi aprovado pela Banca Examinadora, composta pelos professores doutores:

_____________________________________ Prof. Dr. Jean Carlos Cardozo da Silva

(Presidente – UTFPR)

___________________________________ Prof. Dr. Renato Carlson

(UFSC)

_____________________________________ Prof. Dr. Alceu Andre Badin

(UTFPR)

___________________________________ Prof. Dr. Joaquim Eloir Rocha

(UTFPR)

Visto da coordenação: ________________________________

Prof. Dr. Eduardo Félix Ribeiro Romaneli (Coordenador do PPGSE)

Agradeço a Deus por ter colocado pessoas abençoadas em meu caminho, sem Ele nada disso seria possível.

À minha querida esposa Ádila e aos meus pais Aloir e Rose Mary pelo incentivo e apoio.

Agradeço ao meu orientador professor Dr. Jean Carlos Cardozo da Silva por todo empenho, sabedoria, exigência, confiança depositada em mim e, principalmente, pelo compartilhamento de conhecimentos e experiências que foram fundamentais para alcançar os resultados apresentados. Ao professor Dr. Cicero Martelli, coorientador deste trabalho, pelo interesse e colaboração.

À todos os colegas do Laboratório de Engenharia de Sistemas Optoeletrônicos -LabESO pela dedicação e ajuda, em especial, ao Kleiton de Morais Sousa por todo tempo despendido no acompanhamento dos ensaios, pelo compartilhamento dos conhecimentos e auxílio na elaboração desta dissertação, fatores fundamentais para a conclusão deste trabalho.

Aos professores Msc. Ednilson Soares Maciel, Dr. Joaquim Eloir Rocha e Dr. Alceu Badin por possibilitar o desenvolvimento deste trabalho através do compartilhamento de conhecimentos e auxílio nos ensaios.

Ao laboratório de fotônica - FOTON pela gravação das redes de Bragg usadas neste trabalho.

Às agências de fomento CAPES, CNPq, FINEP, Fundação Araucária e SETI pelo suporte financeiro ao laboratório. A Universidade Tecnológica Federal do Paraná, câmpus Curitiba e ao PPGSE por disponibilizar a estrutura física e equipamentos para o desenvolvimento das atividades.

COSTA, Igor B. V. da. Detecção de Barra Quebrada em Rotores de Motores de Indução Através da Análise da Deformação Dinâmica do Estator. 100 f. Dissertação – Programa de Pós-Graduação em Sistemas de Energia, Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Curitiba, 2016.

Neste trabalho é apresentado um método para a identificação de falha causada por barras quebradas em rotores de motores de indução trifásicos através da análise de sua deformação dinâmica, utilizando redes de Bragg em fibra óptica (FBG) como elemento sensor. A análise da deformação dinâmica permite a detecção e diagnóstico de uma série de falhas mecânicas como desalinhamento, desbalanceamento, falhas em rolamentos e folga mecânica. Além de falhas mecânicas é possível identificar falhas elétricas como quebras ou trincas em anéis ou barras do rotor. Para as medidas de deformação dinâmica foram utilizados sensores baseados em redes de Bragg em fibra óptica que possuem como características principais a grande capacidade de multiplexação, imunidade à radiação eletromagnética e capacidade de operação a longas distâncias. Ensaios foram feitos em um motor de indução de pequeno porte (3 CV) afim de validar o método e futuramente aplicar em máquinas de médio e grande porte. O motor foi alimentado por três diferentes fontes de alimentação: rede elétrica da concessionária, geradores síncronos e inversor de frequência, para condições de 75% e 100% de sua carga nominal. Nos ensaios foram utilizados um rotor sem defeito de barra e, posteriormente, um rotor com uma barra interrompida. Através dos ensaios foi possível identificar a falha para as duas condições de carga ensaiadas e com as três diferentes fontes de alimentação. A falha de barra quebrada no rotor é identificada em duas regiões do espectro de frequência obtidos com os três conjuntos de ensaios realizados. A primeira região em torno da frequência mecânica de rotação do rotor e a segunda em torno do dobro da frequência elétrica da fonte de alimentação. O sistema se mostrou bastante sensível, com boa relação sinal ruído e com vantagens em relação aos principais métodos e sensores comumente utilizados para a identificação da falha de barras quebradas em motores de indução.

Palavras-chave: Deformação dinâmica. Motor de indução. Falha de barra quebrada em rotores. Redes de Bragg. Sensores a fibra óptica.

COSTA, Igor B. V. da. Broken Rotor Bar Detection in Induction Motors by Stator Dynamic Strain Analysis. 100 f. Thesis – Programa de Pós-Graduação em Sistemas de Energia, Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Curitiba, 2016.

This work presents the rotor broken bar failure identification through strain analysis using fiber Bragg gratings (FBG) as sensor. The dynamic strain analysis allow the diagnostic and detect several mechanical failures like misalignment, unbalances, bearing failures and mechanical clearance, also electrical failures like rotor broken rings and rotor broken bar. Fiber Bragg gratings sensors were used to measure the dynamic deformation, some advantages of FBG are high multiplexing capability, electromagnetic interference immunity and long distance operation capability. Tests were conducted in a small induction motor (3 HP) in order to validate the method and allow it to be applied inthe future in medium and big size machines. The motor was fed through three different sources (directly from the electrical grid, synchronous generators and by one frequency inverter) at 75% and 100% of rated load condition. Tests were conducted with one healthy rotor and then with a rotor with a broken bar. The tests allow identifying the rotor broken bar failure in both load conditions. Rotor broken bar failure could be identified in two spectrum regions for all conducted tests. The first one was the region around the motor mechanical rotational frequency and the second one was the region around twice times power supply frequency. The system have been presented a high sensibility, a god signal to noise relationship (SNR) and some advantages over the main common sensors and methods used to identify and analyze the dynamic eccentricity and rotor broken bar failures in induction motors.

Keywords: Dynamic strain. Induction motor. Rotor broken bar fault. Fiber Bragg gratings. Optical fiber sensors.

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FIGURA 1 Motor de indução com rotor tipo gaiola e seu principais componentes . . . 23 –

FIGURA 2 Fotografia do estator de um gerador síncrono de 650 MW . . . 24 –

FIGURA 3 Rotor tipo gaiola com suas barras e anéis de curto-circuito . . . 25 –

FIGURA 4 Rotores de um motor de indução produzido pela ABB com potência de 2500 kW, tensão de alimentação de 3 kVac - 400 Hz, 2 polos e rotação

nominal de 24000 rpm . . . 26 –

FIGURA 5 Distribuição percentual das principais falhas em motores de indução . . . 28 –

FIGURA 6 Principais partes e geometria de um rolamento de esferas . . . 29 –

FIGURA 7 Esfera danificada de um rolamento . . . 29 –

FIGURA 8 Representação esquemática dos três tipos de excentricidade em um motor de indução: a) estática, b) dinâmica e c) mista. OndeX representa o centro geométrico do rotor e ∗ representa centro de rotação do rotor . . . 31 –

FIGURA 9 Representação esquemática da falha de excentricidade estática em um motor de indução . . . 32 –

FIGURA 10 Representação esquemática da falha de excentricidade dinâmica em um motor de indução . . . 32 –

FIGURA 11 Falhas de quebra de barra e anel de curto-circuito em um rotor tipo gaiola 34 –

FIGURA 12 Representação esquemática da instalação das barras em um rotor do tipo gaiola de modelo fabricado . . . 34 –

FIGURA 13 Rotores tipo gaiola do modelo fundido (a) e do modelo fabricado (b) . . . . 35 –

FIGURA 14 Esquema de operação de um motor: a) saudável, b) com falha de barra quebrada no rotor . . . 38 –

FIGURA 15 Posição relativa das bandas laterais originadas no espectro de um motor de indução com falha por barra quebrada no rotor para a região em torno de sua frequência de rotação fr, para k = 1, quando: (a) o motor está operando

com carga nominal e (b) o motor está operando a vazio . . . 41 –

FIGURA 16 Posição relativa das bandas laterais originadas no espectro de um motor de indução com falha por barra quebrada no rotor para a região em torno de sua frequência de alimentação 2f, para k = 1, quando: (a) o motor está operando com carga nominal e (b) o motor está operando a vazio . . . 41 –

FIGURA 17 Deformação do estator para m = 0, 2 e 4 . . . 42 –

FIGURA 18 Modelo analítico simplificado do estator . . . 43 –

FIGURA 19 Simulação de deformação de um estator através de elementos finitos. Modo de deformação m = 2 . . . 44 –

FIGURA 20 Representação esquemática de um sensor a fibra óptica extrínseco . . . 49 –

FIGURA 21 Principais tipos de sensores extrínsecos e suas aplicações . . . 49 –

FIGURA 22 Representação esquemática de um sensor a fibra óptica intrínseco . . . 50 –

FIGURA 23 Principais tipos de sensores intrínsecos e suas aplicações . . . 50 –

FIGURA 24 Ilustração da geometria usada para dedução simplificada da condição de Bragg . . . 53 –

FIGURA 25 FBG uniforme com amplitude e índice de modulação constantes. (a) FBG uniforme, (b) FBG do tipo chirp, (c) FBG inclinada, (d) Superestrutura

de modulação do índice de refração para uma rede com índice de refração com variação apodizada-Gausiana, (g) Perfil de modulação do índice de refração para uma rede com variação de índice de refração apodizado cosseno-levantado, (h) Perfil de modulação do índice de refração para uma rede variação do índice de refração com deslocamento discreto de fase . . 54 –

FIGURA 26 Representação de uma rede de Bragg uniforme com período e índice de modulação constantes . . . 56 –

FIGURA 27 Efeitos da compressão e tração da FBG em seu comprimento de onda de Bragg. (a) Fibra em repouso, (b) fibra sofrendo tração e (c) fibra sofrendo compressão . . . 59 –

FIGURA 28 Técnica holográfica ou interferométrica onde dois feixes laser são cruzados para projetar um padrão de interferência ao longo do núcleo de uma fibra óptica e produzir uma FBG . . . 60 –

FIGURA 29 Inscrição de FBGs através da técnica de máscara de fase. O feixe UV incidente é difratado e produz um padrão de interferência que é projetado sobre o núcleo da fibra óptica . . . 62 –

FIGURA 30 Fotografia do sistema de gravação por máscara de fase instalado no laboratório FOTON da UTFPR, sede Curitiba. . . 63 –

FIGURA 31 A radiação UV é dividida pela máscara de fase e então recombinada pelos espelhos, o ângulo dos espelhos define o comprimento de onda de Bragg da FBG . . . 64 –

FIGURA 32 Fotografia do sistema de gravação interferométrico com máscara de fase instalado no laboratório LabESO na UTFPR, câmpus Curitiba . . . 65 –

FIGURA 33 (a) Representação esquemática da posição dos sensores FBGs instalados e dimensões internas do estator. (b) Fotografia do motor instrumentado com quatro sensores FBG . . . 67 –

FIGURA 34 Motor instrumentado com as quatro FBGs sensoras de deformação do estator. (a) Visão do estator com as FBGs instaladas e (b) motor instrumentado com cabos ópticos saindo pela caixa de ligação . . . 68 –

FIGURA 35 Diagrama de blocos da configuração dos experimento . . . 70 –

FIGURA 36 Configuração montada em laboratório para a execução dos ensaios . . . 71 –

FIGURA 37 Rotor tipo gaiola com uma barra interrompida . . . 72 –

FIGURA 38 Espectro de frequência de deformação de um motor de indução trifásico de quatro polos operando a vazio . . . 73 –

FIGURA 39 Forma de onda de deformação no domínio do tempo de dois sensores FBGs instalados em motor de indução de quatro polos. O ângulo entre as duas formas de onda é o mesmo da localização física no estator . . . 74 –

FIGURA 40 Espectro de deformação para o motor operando com uma barra quebrada no rotor com escorregamento s = 3% e alimentado diretamente pela rede elétrica da concessionária . . . 75 –

FIGURA 41 Espectro de deformação do estator em torno da frequência de 30 Hz para o motor alimentado pela rede elétrica. (a) Carga de 75% e (b) carga de 100% . . . 76 –

FIGURA 42 Espectro de deformação do estator em torno da frequência de 120 Hz para o motor alimentado pela rede elétrica. (a) Carga de 75% e (b) carga de 100% . . . 78

de 80% . . . 80 –

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% . . . 82 –

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% . . . 85 –

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% . . . 86

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TABELA 1 Frequências de barra quebrada calculadas e encontradas no espectro de deformação do motor alimentado pela rede elétrica para a região de 30 Hz 77 –

TABELA 2 Frequências de barra quebrada calculadas e encontradas no espectro de deformação do motor alimentado pela rede elétrica para a região de 120 Hz . . . 79 –

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 . . . 81 –

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 . . . 81 –

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 . . . 83 –

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 . . . 85 –

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 . . . 87

CA Corrente alternada

DAELT Departamento Acadêmico de Eletrotécnica

FBG Fiber Bragg Grating- Redes de Bragg em Fibra Óptica FOTON Laboratório de Fotônica

LANOE Laboratório de Nanoestruturas

LASER Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation- Amplificação da Luz por Emissão Estimulada de Radiação

LabESO Laboratório de Engenharia de Sistemas Optoeletrônicos

MCSA Motor-Current Signature Analysis- Análise da Assinatura da Corrente do Motor OSA Optical Spectrum Analyser- Analisador de Espectro Óptico

THD Total Harmonic Distortion- Distorção Harmônica Total

UMP Unbalanced Magnetic Pull- Empuxo Magnético Desbalanceado UV Ultra violeta

ωs Velocidade angular síncrona (rad/s)

s Escorregamento (%)

ωr Velocidade angular do rotor (rad/s)

ωesc Velocidade angular de escorregamento (rad/s)

f Frequência da fonte da fonte de alimentação (Hz)

p Número de polos

ωbq Velocidade angular do campo magnético contra-girante produzido por um rotor

com falha de barra quebrada no rotor (rad/s) f_bq Frequência de falha de barra quebrada (Hz) m Modo espacial de vibração do estator E Módulo de elasticidade (N/m2)

ρ Densidade do material do estator (Kg/m3) Rc Raio médio do estator (m)

∆ Fator de ajuste para levar em conta os dentes do estator no cálculo da frequência de ressonância

Fm Frequências de ressonância do estator para os modos de vibração m (Hz)

h Espessura da coroa do estator (m) pH potencial hidrogeniônico

λ Comprimento de onda do feixe incidente (m)

d Distância entre dois planos paralelos da rede cristalina (m) θ Ângulo de incidência do feixe incidente (rad)

λB Comprimento de onda de Bragg (m)

Λ Período da rede de Bragg (m)

n_{e f f} Índice de refração efetivo do núcleo da fibra

K_g Vetor de onda da rede (m−1) m Ordem do feixe difratado β Constante de propagação modal T Temperatura da rede de Bragg (K) l Comprimento da rede de Bragg (m)

pe Constante foto-elástica efetiva da rede de Bragg

εz Componente de deformação por unidade de comprimento da rede

p₁₁ Componente do tensor foto-elástico p₁₂ Componente do tensor foto-elástico v Razão de Poisson do material

αΛ Coeficiente de expansão térmica da fibra óptica (°C−1)

αn Coeficiente termo-óptico do núcleo da fibra óptica (°C−1)

m Ordem do raio incidente difratado por uma máscara de fase ArF Fluoreto de argônio

Nd:YAG Neodymium-Doped Yttium Aluminium Garnet - Neodímio Dopado com Lítio Granada de Alumínio

1 INTRODUÇÃO . . . 15 1.1 PROBLEMA . . . 16 1.2 JUSTIFICATIVA . . . 17 1.3 OBJETIVOS . . . 19 1.3.1 Objetivo Geral . . . 19 1.3.2 Objetivos Específicos . . . 19 1.4 ESTRUTURA DO TRABALHO . . . 19

2 FALHAS EM MOTORES DE INDUÇÃO . . . 21

2.1 MÁQUINAS ELÉTRICAS E SEUS PRINCIPAIS COMPONENTES . . . 21

2.1.1 Aspectos Construtivos do Estator e do Rotor . . . 24

2.1.1.1 Estator . . . 24

2.1.1.2 Rotor . . . 25

2.2 PRINCIPAIS FALHAS EM MOTORES DE INDUÇÃO . . . 26

2.2.1 Descrição das Principais Falhas em Motores de Indução . . . 28

2.2.1.1 Falhas de rolamentos . . . 28

2.2.1.2 Falhas no estator . . . 30

2.2.1.3 Falhas de excentricidade do entreferro . . . 31

2.2.1.4 Falhas de anéis de curto-circuito e barras quebradas no rotor . . . 33

2.3 IDENTIFICAÇÃO DA FALHA DE BARRAS QUEBRADAS EM ROTORES DE MOTORES DE INDUÇÃO . . . 36

2.3.1 Efeitos da Falha de Barra Quebrada no Rotor em Diferentes Sinais do Motor . . . 37

2.3.2 Deformação do Estator de Motor de Indução . . . 41

3 SENSORES A FIBRA ÓPTICA . . . 45

3.1 CLASSIFICAÇÃO DOS SENSORES A FIBRA ÓPTICA . . . 48

3.1.1 Classificação dos Sensores a Fibra Óptica Quanto à sua Região Sensora . . . 48

3.1.1.1 Sensores a fibra óptica extrínsecos . . . 49

3.1.1.2 Sensores a fibra óptica intrínsecos . . . 50

3.1.2 Classificação pelo Processo de Modulação . . . 51

3.2 REDES DE BRAGG EM FIBRA ÓPTICA . . . 52

3.2.1 Sensibilidade das Redes de Bragg à Temperatura e Deformação . . . 57

3.2.2 Gravação de Redes de Bragg em Fibras Ópticas . . . 59

3.2.3 Principais Técnicas de Gravação de Redes de Bragg em Fibra Óptica . . . 60

3.2.3.1 Máscara de fase . . . 61

3.2.3.2 Interferômetro com máscara de fase . . . 63

4 MATERIAIS E MÉTODOS . . . 66

4.1 PROCEDIMENTO DE INSTRUMENTAÇÃO DO MOTOR . . . 66

4.1.1 Instalação das Redes de Bragg no Estator do Motor . . . 66

4.2 ENSAIOS EXPERIMENTAIS . . . 68

4.2.1 Configuração Utilizada nos Ensaios . . . 69

5 RESULTADOS E DISCUSSÕES . . . 75

5.1 ENSAIOS COM O MOTOR ALIMENTADO PELA REDE ELÉTRICA . . . 75

5.2 ENSAIOS COM O MOTOR ALIMENTADO ATRAVÉS DE GERADORES SÍNCRONOS . . . 79

5.3 ENSAIOS COM O MOTOR ALIMENTADO ATRAVÉS DE UM INVERSOR DE FREQUÊNCIA . . . 84

6 CONSIDERAÇÕES FINAIS . . . 88

6.1 CONCLUSÕES . . . 88

6.2 PROPOSTAS PARA TRABALHOS FUTUROS . . . 90

1 INTRODUÇÃO

Máquinas elétricas girantes possuem um papel muito importante tanto na geração quanto no consumo de eletricidade. São poucos os processos de geração de eletricidade que não utilizam máquinas elétricas girantes, elas também são responsáveis pelo consumo de cerca de 50% de toda a eletricidade produzida no mundo através do uso de motores elétricos (PYRHONEN et al., 2013).

Motores de indução são a principal forma de transformação de energia elétrica em energia mecânica, em grande parte, isso ocorre em razão de sua robustez, seu baixo custo de aquisição e manutenção e seu bom desempenho. Esses fatores aliados com o desenvolvimento da eletrônica de potência e do controle digital possibilitaram o controle variável de sua velocidade, tornaram os motores de indução a principal máquina utilizada na indústria e uma das maiores conquistas da indústria moderna (BOLDEA; NASAR, 2009; TOLIYAT et al., 2012). Um incontável número de motores elétricos são usados em aplicações críticas na vida diária como no setor de transporte, tratamento médico, operações militares, no setor de telecomunicações, setor aeroespacial ou em plantas de energia nuclear (TOLIYAT et al., 2012). Neste contexto, Stone et al. (2014) diz que os motores de indução com rotor do tipo gaiola são os mais comuns em fabricação com milhões de unidades produzidas anualmente.

Fatores como o tempo de vida e deterioração de seus componentes, contaminação de materiais, defeitos de fabricação ou danos causados durante sua operação podem acarretar eventuais falhas (TOLIYAT et al., 2012). Uma falha inesperada em motores elétricos pode ocasionar uma série de problemas como gastos com manutenção ou troca de equipamentos, paradas de máquinas e/ou de linhas de produção acarretando grandes perdas para a indústria ou até mesmo a perda de vidas humanas no caso de falhas em motores utilizados em aplicações críticas, como por exemplo, nos setores de transporte ou médico. Esses fatores criam a necessidade de sistemas de detecção precisa de falhas e de monitoramento constante de suas condições de trabalho (TOLIYAT et al., 2012).

1.1 PROBLEMA

Segundo Isermann (2011), atualmente os sistemas de monitoramento, detecção e diagnóstico de falhas apresentam um papel importante na indústria de modo geral. A crescente demanda por processos e máquinas cada vez mais eficientes, de produtos com maior qualidade e o número crescente de processos de alto custo, que exigem alto nível de segurança, são fatores que criam a necessidade de sistemas de diagnóstico e detecção de falhas cada vez mais confiáveis e eficientes. Um bom sistema de detecção e diagnóstico precoce de falhas permite minimizar o tempo de parada de máquina por quebra ou para manutenção, também pode evitar os efeitos prejudicais e muitas vezes devastadores causados por uma falha, contribuindo para a redução de perdas (TRIGEASSOU, 2011).

Dentre os diversos tipos de falhas que uma máquina elétrica pode apresentar, entre 40% e 50% são falhas em seus rolamentos, entre 30% e 40% são falhas relacionadas ao seu estator e entre 5% e 10% são falhas de quebras ou trincas nos anéis de curto-circuito ou barras de seu rotor (NANDI et al., 2005). A constante melhoria de projeto e qualidade de construção dos enrolamentos do estator aliado e a manutenção de rotina dos rolamentos das máquinas são fatores que tem minimizado o número de falhas em seus estatores e rolamentos. Este fato tem contribuído para que as falhas nos rotores se transformem em uma das principais causas de quebra de motores elétricos de médio e grande porte (NAHA et al., 2016).

Rotores com barras quebradas causam o aumento de vibrações e ruídos da máquina, perda de rendimento e seu superaquecimento devido ao aumento da corrente circulante nas barras sem defeito. A falha de barra quebrada também provoca problemas como alterações no torque e rotação, alterações na corrente de linha e o envelhecimento precoce da máquina (NANDI et al., 2005; TOLIYAT et al., 2012).

Caso a falha de uma barra quebrada não seja identificada precocemente ela pode ser agravada com a quebra de novas barras, provocar falhas de excentricidade ou até a parada total da máquina (NAHA et al., 2016). Uma única barra quebrada não ocasiona o desligamento da máquina, no entanto a corrente elétrica distribuída para as outras barras pode ocasionar a quebra de novas barras provocando o desbalanceamento das forças eletromagnéticas, causando o superaquecimento em pontos localizados da máquina. O desbalanceamento das forças eletromagnéticas sujeitam os componentes mecânicos da máquina a grandes estresses que causam, por exemplo, o desgaste irregular e prematuro de rolamentos provocando falhas de excentricidade e, em último caso, pode acarretar no contato entre o rotor e estator, causando danos catastróficos a máquina. O superaquecimento em pontos localizados da máquina

pode causar falhas em seus enrolamentos o que pode provocar a parada total da máquina (ISERMANN, 2011; NAHA et al., 2016; STONE et al., 2014; TOLIYAT et al., 2012; TRIGEASSOU, 2011).

1.2 JUSTIFICATIVA

Existem diversas técnicas para a detecção de falhas em máquinas elétricas (NANDI; TOLIYAT, 1999), elas são baseadas nos mais diferentes campos da ciência e tecnologia. As técnicas podem ter como base o monitoramento térmico (YING, 2010), a análise da vibração e emissão de ruídos (CLIMENTE-ALARCON et al., 2013; KANOVIC et al., 2013; SADOUGHI et al., 2006; ZAREI et al., 2014), utilizar conceitos de inteligência artificial e redes neurais (ARABACI; BILGIN, 2012; AYHAN et al., 2006; SADEGHIAN et al., 2009; WANGNGON; RUANGSINCHAIWANICH, 2013), lógica fuzzy (SAGHAFINIA et al., 2012; PEREIRA; GAZZANA, 2004), análise de sinais como a tensão de alimentação (NEMEC et al., 2010), análise da potência ativa e reativa (DRIF; CARDOSO, 2012; CRUZ, 2012), análises do fluxo magnético (CABANAS et al., 2011; CEBAN et al., 2012) ou da corrente elétrica como no método de análise da assinatura da corrente elétrica do motor (MCSA)(BELLINI et al., 2001; GYFTAKIS et al., 2013; JUNG et al., 2006; KLIMAN et al., 1988; KUMAR; SINHA, 2012; VALLES-NOVO et al., 2014)

As técnicas mais utilizadas para a detecção de falhas de barras quebradas são baseadas na análise da assinatura da corrente elétrica da máquina (MCSA) e suas variantes (ANTONINO-DAVIU et al., 2006; GYFTAKIS et al., 2013; RIERA-GUASP et al., 2008). Essas técnicas possuem alguns inconvenientes que dificultam ou impedem a identificação da falha.

Um dos problemas consiste em que as componentes de frequência que surgem devido a falha e que são usadas para a sua identificação podem ser geradas por outros fatores como, por exemplo, oscilações de baixa frequência no torque, flutuações na tensão de alimentação ou falhas nos rolamentos da máquina (ANTONINO-DAVIU et al., 2006; RIERA-GUASP et al., 2008).

A confiabilidade do método MCSA é afetada negativamente quando existe a presença de barras quebradas em posições não adjacentes ou randômicas no rotor (RIERA-GUASP et al., 2011; SIZOV et al., 2009). O método também apresenta problemas quando os rotores possuem dutos axiais de ventilação, a presença dos dutos muitas vezes acusa falsas falhas (ANTONINO-DAVIU et al., 2014; LEE et al., 2013; YANG et al., 2014).

Inconvenientes ocorrem quando o espectro é corrompido por componentes de frequência de ruído produzidos, por exemplo, por inversores de frequência ou por fenômenos como oscilações na carga ou na fonte de alimentação. Esses ruídos impedem ou dificultam a identificação da falha (DLAMINI et al., 2014; MEHRJOU et al., 2011).

Neste trabalho é apresentado um método para a identificação da falha de barra quebrada no rotor, a partir da medida dinâmica da deformação do estator utilizando redes de Bragg em fibra óptica (FBG). Características como peso e tamanho reduzidos e imunidade à radiação eletromagnética possibilitam que os sensores sejam instalados em ambientes de reduzidas dimensões e com elevado campo eletromagnético sem ter seu funcionamento prejudicado. Sua alta sensibilidade propicia a medição de grandezas de pequena ordem, como as deformações sofridas pelo estator durante o funcionamento da máquina, e propicia sinais com boa relação sinal ruído. As medidas são feitas no interior do motor, diretamente na superfície do estator, sem ser afetada por parâmetros mecânicos externos. O sistema possibilita a identificação da falha em duas regiões do espectro , em torno da frequência de rotação da máquina e em torno de duas vezes a frequência da fonte de alimentação. A falha pode ser identificada através de um dos quatros sensores instalados simetricamente no estator, os sensores adicionais conferem redundância no caso de falha ou mal funcionamento do sensor utilizado na análise. O sistema é efetivo mesmo quando a fonte de alimentação apresenta distorção harmônica, situação na qual a técnica de MCSA muitas vezes apresenta inconvenientes (BELLINI et al., 2008; YE et al., 2006).

O foco principal de aplicação deste novo método de identificação de falha de barra quebrada no rotor é usa utilização em máquinas elétricas girantes de grande porte como, por exemplo, grandes motores utilizados em sistemas de fornecimento de água ou em processos industriais e geradores de usinas de produção de eletricidade. Essas máquinas possuem alto custo de aquisição e manutenção e, no caso de paradas e quebras causam grandes perdas de natureza financeira e, em alguns casos, a interrupção de serviços essenciais. Esses fatores que justificam a utilização do método proposto para identificação de falhas de barras quebradas no rotor.

O trabalho é um estudo exploratório experimental cujas etapas para sua realização compreendem: revisão bibliográfica sobre FBGs, revisão bibliográfica sobre falhas em motores de indução, revisão bibliográfica sobre deformação dinâmica em motores de indução, ensaios laboratoriais e análise dos dados.

A revisão bibliográfica teve como objetivo aprofundar o conhecimento sobre as falhas em motores de indução com especial atenção às falhas de barras quebradas no rotor, aprofundar

o conhecimento sobre deformação em motores de indução, além de fornecer base para o desenvolvimento de um sistema sensor para o monitoramento e identificação de falhas baseados em sensores à fibra óptica.

1.3 OBJETIVOS

1.3.1 Objetivo Geral

Desenvolver um sistema para a identificação de falhas de barras quebradas no rotor de motores de indução trifásicos através da análise da deformação dinâmica do estator usando sensores a fibra óptica.

1.3.2 Objetivos Específicos

• Estudar as falhas em motores de indução;

• Estudar as causas e efeitos da falha de barra quebrada no rotor de motores de indução;

• Estudar a tecnologia de sensores ópticos baseados em redes de Bragg em fibra óptica aplicados a máquinas elétricas;

• Instrumentar um motor de indução trifásico com sensores de deformação baseados em redes de Bragg em fibra óptica;

• Ensaiar em laboratório um motor de indução trifásico com um defeito de barra quebrada em seu rotor;

• Verificar a eficácia do sistema sensor para a identificação da falha de barra quebrada no rotor.

1.4 ESTRUTURA DO TRABALHO

No Capítulo 1 é apresentada uma introdução ao tema e as motivações da pesquisa, abordando de forma geral os assuntos relacionados e os assuntos do trabalho desenvolvido, também descreve o objetivo geral e os objetivos específicos.

No Capítulo 2 é feita uma breve introdução sobre máquinas elétricas girantes abordando principalmente motores de indução e suas principais falhas. É apresentada a fundamentação teórica sobre falhas de barras quebradas no rotor e deformação dinâmica em motores de indução.

No Capítulo 3 é apresentada a fundamentação teórica sobre sensores à fibra óptica abordando a tecnologia de forma geral, posteriormente os sensores baseados em FBGs e suas aplicações em máquinas elétricas.

O Capítulo 4 descreve o desenvolvimento do sistema sensor e o desenvolvimento experimental do trabalho, nele são descritos os materiais e métodos de ensaios desenvolvidos.

O Capítulo 5 apresenta os resultados e discussões dos ensaios experimentais realizados.

2 FALHAS EM MOTORES DE INDUÇÃO

No início deste capítulo é apresentada uma breve introdução sobre máquinas elétricas girantes e seus principais componentes, abordando principalmente os motores de indução. Posteriormente são apresentadas as principais falhas em motores de indução, na sequência é mostrado a fundamentação teórica sobre os efeitos causados pela falha de barra quebrada no rotor em uma máquina elétrica girante e a fundamentação teórica sobre a deformação dinâmica do estator de motores de indução.

2.1 MÁQUINAS ELÉTRICAS E SEUS PRINCIPAIS COMPONENTES

Uma máquina elétrica, de maneira simplificada, pode ser definida como um equipamento usado para converter energia elétrica em energia mecânica ou energia mecânica em energia elétrica. Uma máquina usada para converter energia elétrica em energia mecânica é chamada de motor e uma máquina usada para converter energia mecânica em energia elétrica é chamada de gerador (GONEN, 2011).

Uma máquina de indução elétrica é uma máquina polifásica onde uma de sua partes, geralmente o estator, é conectada a uma rede elétrica de corrente alternada (CA). A rede CA normalmente é trifásica, mas também pode ser monofásica. Tanto para máquinas monofásicas quanto para máquinas trifásicas, o arranjo dos enrolamentos do seu primário, geralmente o estator, é feito de maneira a produzir um campo magnético girante em seu entreferro. Esse campo girante induz tensões elétricas nos condutores do secundário da máquina, parte não conectada à rede elétrica, normalmente o rotor. Se os enrolamentos do secundário formam um circuito fechado, as tensões induzidas em seus condutores devido ao campo girante, produzem corrente elétrica alternada nos condutores do rotor (BOLDEA; NASAR, 2009).

A conversão de energia nas máquinas elétricas girantes está relacionada com a ação de um campo magnético. Em um gerador a energia mecânica fornecida ao seu eixo provoca o movimento relativo entre os condutores e o campo magnético, o que resulta na produção de

energia elétrica. Em um motor, a interação entre a energia elétrica fornecida a seus enrolamentos e o campo magnético resulta na produção de energia mecânica ou torque (GONEN, 2011).

A interação entre o campo magnético do primário (estator) e as corrente induzidas no secundário (rotor) produzem torque que provocam o movimento do eixo do rotor. A velocidade do rotor quando as correntes induzidas em suas barras é zero é chamada de velocidade ideal sem carga, ou velocidade síncrona de rotação. O enrolamento do rotor pode ser multifásico, rotores bobinados, ou formado por barras curtocircuitadas com anéis em suas extremidades, rotores tipo gaiola (BOLDEA; NASAR, 2009).

As máquinas elétricas são geralmente constituídas de uma parte não girante e por uma parte girante, dependendo da função da máquina (motor ou gerador) a parte girante (rotor) recebe ou fornece energia mecânica. O movimento da parte móvel pode ser linear, rotativo ou um movimento de vibração. Os motores possuem uma parte externa fixa chamada de estator e uma parte girante chamada de rotor. Como observado na figura 1, o rotor é centralizado no estator e a distância entre eles é chamada de entreferro (GONEN, 2011).

Os enrolamentos do primário e do secundário são montados em ranhuras uniformes estampadas em finas chapas de aço-silício chamadas de laminações (BOLDEA; NASAR, 2009).

O entreferro, espaço entre o estator e o rotor, possui dimensões entre 0,2 mm e 3 mm, os maiores valores são para máquina com grande potência com 1 MW ou mais. Os enrolamentos do secundário, no caso de máquinas com rotores bobinados, podem ser curto-circuitados, conectados a uma impedância externa ou conectados a uma fonte com tensão e corrente variáveis (BOLDEA; NASAR, 2009).

O motor de indução trifásico é composto fundamentalmente por duas partes principais: rotor e estator (WEG, 2015). A figura 1 mostra um motor trifásico com rotor tipo gaiola e seus principais componentes.

O estator é constituído basicamente pelas seguintes partes, que também podem ser vistas na figura 1:

- Carcaça (1): estrutura suporte do conjunto, possui construção robusta em ferro fundido, aço ou alumínio injetado, é resistente à corrosão e geralmente possui aletas para refrigeração; - Núcleo magnético (2): feito de chapas de aço magnético;

- Enrolamento trifásico (8): três conjuntos iguais de bobinas, uma para cada fase, formando um conjunto equilibrado ligado à rede trifásica de alimentação.

O rotor é basicamente constituído pelas partes detalhadas abaixo, que podem ser vistas na figura 1:

- Eixo (7): transmite a potência mecânica desenvolvida pelo motor;

- Núcleo magnético (3): feito com chapas de mesma características do estator, chapas de aço magnético;

- Barras e anéis de curto-circuito (12): geralmente são feitas de alumínio injetado sob pressão formando uma única peça.

Figura 1: Motor de indução com rotor tipo gaiola e seu principais componentes. Fonte: WEG (2015)

As peças abaixo também fazem parte de um motor de indução trifásico e podem ser vistas na figura 1:

- Tampa (4): feita do mesmo material da carcaça, normalmente é fixada ao corpo do estator através do uso de parafusos;

- Ventilador (5):usualmente feito de plástico, é responsável pela refrigeração forçada do motor; - Tampa defletora (6): feita de aço ou ferro, é responsável por direcionar o ar da refrigeração forçada produzida pelo ventilador (4) e sua proteção de objetos externos;

- Caixa de ligação (9): caixa metálica que abriga os terminais de conexão das bobinas do estator com as fases da rede elétrica;

- Terminais (10): terminais elétricos para ligação das fases da rede de alimentação às bobinas do estator;

- Rolamentos (11): rolamentos de esferas responsáveis pelo alinhamento do conjunto eixo/rotor e estator e por facilitar o movimento de rotação do rotor.

2.1.1 Aspectos Construtivos do Estator e do Rotor

Esta seção abordará brevemente o aspecto construtivo do rotor e do estator de um motor de indução trifásico. Seu objetivo é mostrar as características e principais partes destes componentes para facilitar o entendimento das principais falhas e da deformação dinâmica do estator de um motor de indução abordados na seção 2.2 deste capítulo.

2.1.1.1 Estator

Os estatores de máquinas de indução são feitos de chapas de aço silício com grãos desorientados afim de reduzir a histerese e perdas por correntes de Foucalt, os estatores possuem ranhuram uniformes onde os enrolamentos do primário são acomodados (BOLDEA; NASAR, 2009). Em máquinas de pequenas porte e de baixas potências as chapas de aço são cortadas apartir de uma única folha, em máquinas de alta potência ou de alta precisão as chapas são cortadas em seções. As placas normalmente são revestidas com verniz para minimizar o efeito das correntes de Foucalt. Elas são montadas uma em cima da outra e unidas por rebites ou solda, formando assim o circuito magnético do estator (TRIGEASSOU, 2011). O estator possui ranhuras onde as bobinas são acomodadas, e também possui uma caixa de ligação com terminais onde a fonte elétrica é conectada ao motor (BOLDEA; NASAR, 2009; TRIGEASSOU, 2011).

A figura 2 mostra o estator de um gerador síncrono com potência de 650 MW sendo produzido pela ABB em Zurich na Suíça.

Figura 2: Fotografia do estator de um gerador síncrono de 650 MW. Fonte: Gonen (2011)

2.1.1.2 Rotor

O circuito magnético do rotor é composto por chapas de aço, geralmente, do mesmo tipo usado na construção dos estatores. Existem dois tipos de rotores em motores de indução: o rotor bobinado e o rotor tipo gaiola. Os rotores bobinados são construídos da mesma maneira que o estator. As fases da alimentação são fornecidas aos enrolamentos do rotor usando um conjunto de escovas e anéis montados em seu eixo (TRIGEASSOU, 2011).

Nos rotores do tipo gaiola os condutores são compostos por barras feitas de cobre ou de alumínio, as barras de cobre são usadas em motores de alta potência e as barras de alumínio em motores de baixa e média potência. As barras são feitas usando uma liga de alumínio fundindo dentro da estrutura do rotor ou se acomodando barras de cobre pré-moldadas no interior da estrutura. As barras são curto-circuitadas em cada extremidades, por dois anéis de curto-circuito. Em motores de baixa e média potência os aneis também são feitos de alumínio e em motores de alta potência são feitos de cobre (BOLDEA; NASAR, 2009). Normalmente não existe isolamento entre as barras do rotor e o circuito magnético, pois a resistência da liga de alúminio é suficientemente baixa para não permitir que a corrente flua através das chapas magnéticas. A corrente das barras só fluem pelo circuito magnético quando o rotor possui barras quebradas (TRIGEASSOU, 2011).

A figura 3 mostra o esquema construtivo de um rotor do tipo gaiola. Nela é possível visualizar suas barras e em suas duas extremidades os anéis de curto-circuito.

Figura 3: Rotor tipo gaiola com suas barras e anéis de curto-circuito. Fonte: U.S. Department Of Energy (2016)

A figura 4 mostra rotores tipo gaiola e um estator de um motor de indução produzido pela ABB na Suíça com potência de 2500 kW, tensão de alimentação de 3 kVac- 400 Hz e dois

polos com rotação nominal de 24000 rpm. É possível ter noção de suas dimensões comparando as peças com o trabalhador e móveis ao fundo da fotografia.

Figura 4: Rotores de um motor de indução com potência de 2500 kW, tensão de alimentação de 3 kVac - 400 Hz, 2 polos e rotação nominal de 24000 rpm.

Fonte: Boldea e Nasar (2001)

2.2 PRINCIPAIS FALHAS EM MOTORES DE INDUÇÃO

Como descrito na seção 2.1, os motores elétricos de indução são compostos por diversos componentes mecânicos e elétricos. Esses componentes muitas vezes são expostos à condições que propiciam o surgimento de falhas inesperadas. No ambiente industrial os principais fatores causadores de falhas em máquinas elétricas são (TOLIYAT et al., 2012; TRIGEASSOU, 2011):

• Não respeitar a vida útil dos componentes;

• Problemas de fabricação dos componentes;

• Problemas térmicos devido à perdas no cobre ou falhas de refrigeração em geral ou em pontos localizados da máquina;

• Descumprir os valores nominais de corrente, tensão e potência determinados pelo fabricante;

• Alimentar a máquina através de fontes de tensão ou corrente instáveis;

• Utilizar o motor com cargas desbalanceadas ou acima do recomendado pelo fabricante;

• Estresse elétrico causado pela alta velocidade de chaveamento dos inversores de frequência;

• Estresse elétrico causado por aterramento inapropriado ou instável;

• Tensão residual em componentes mecânicos causados pelos processos de fabricação;

• Manutenção inapropriada ou erros cometidos durante a manutenção do motor;

• Utilização da máquina sob condições ambientais severas como alta presença de pó, humidade, vazamentos de água, vibrações, contaminações químicas ou alta temperatura.

Em geral as falhas em motores de indução podem ser classificadas em dois grupos principais: falhas elétricas e falhas mecânicas. As falhas mais comuns de cada grupo estão descritas abaixo (TOLIYAT et al., 2012):

1. Falhas de natureza elétrica:

• Circuito aberto ou curto-circuito nos enrolamentos do motor (principalmente devido a falhas de isolamento de seus enrolamentos);

• Ligação incorreta dos enrolamentos do estator;

• Terra instável ou inapropriado;

• Alta resistência nos terminais de conexão entre os enrolamentos e condutores de alimentação.

2. Falhas de natureza mecânica:

• Barras quebradas no rotor;

• Trincas ou quebras nos anéis de curto-circuito do rotor;

• Empenamento de eixo;

• Afrouxamento de parafusos;

• Falhas nos rolamentos;

• Irregularidades no entreferro da máquina (excentricidade).

Os rolamentos são responsáveis por cerca de 40% do total de falhas nos motores de indução, seguido pelas falhas no estator com cerca de 38%, falhas de quebras ou trincas nos

anéis de curto-circuito ou barras do rotor com cerca de 10% e outros tipos de falhas com 12% do total (NANDI et al., 2005; TOLIYAT et al., 2012). A distribuição de falhas em motores de indução pode ser vista na figura 5.

Rolamentos, 40% Estator, 38% Rotor, 10% Outras falhas, 12%

Figura 5: Distribuição percentual das principais falhas em motores de indução. Fonte: Adaptado de Toliyat et al. (2012)

2.2.1 Descrição das Principais Falhas em Motores de Indução

2.2.1.1 Falhas de rolamentos

Nos rolamentos surgem as principais causas de falhas em motores elétricos. Falhas em rolamentos são responsáveis por cerca de 40% do total de falhas (TOLIYAT et al., 2012; TRIGEASSOU, 2011). A maioria dos rolamentos dos motores instalados em ambientes industriais operam sob condições não ideais e estão sujeitos a fadiga, vibração mecânica, sobrecarga, contaminação, corrosão, lubrificação inadequada, desalinhamentos e flutuações de corrente elétrica. Essas condições de operação causam defeitos nos rolamentos que são iniciados marginalmente e se espalham por seus componentes como sua pista externa, sua pista interna e em suas esferas. Falhas em rolamentos aumentam o ruído e vibração emitidos pela máquina além de provocar variações no torque (TRIGEASSOU, 2011). A figura 6 mostra os principais componentes de um rolamento de esferas.

As falhas em rolamentos são a principal fonte de vibração em motores de indução e podem ser classificadas como falha na trilha externa, falha na trilha interna, falha nas esferas e falha na gaiola do rolamento. Falhas de rolamentos causam vibração mecânica no entreferro

Figura 6: Principais partes e geometria de um rolamento de esferas. Fonte: Adaptado de Toliyat et al. (2012)

da máquina, o rotor sofre leves deslocamentos que podem ser considerados excentricidades instantâneas (TOLIYAT et al., 2012). A figura 7 mostra uma esfera de um rolamento danificada.

Figura 7: Esfera danificada de um rolamento. Fonte: Toliyat et al. (2012)

Cada tipo de falha de um rolamento possui uma frequência de vibração específica detectável que é determinada por sua geometria e sua velocidade. Assim como nas falhas de excentricidade, as vibrações mecânicas geradas pelas falhas em rolamentos provocam alterações na simetria do entreferro e na indutância da máquina. Essas variações na indutância geram harmônicos na corrente elétrica característicos que são usados para a identificação das falhas em rolamentos (TOLIYAT et al., 2012).

2.2.1.2 Falhas no estator

Defeitos no estator são a segunda maior causa de falhas em motores de indução sendo responsáveis por cerca de 38% do total de falhas (NANDI et al., 2005; TOLIYAT et al., 2012). De forma geral, as falhas no estator podem ser descritas majoritariamente como curto-circuito entre os enrolamentos de duas fases ou como o curto-circuito entre uma fase e o circuito magnético do estator ou a carcaça da máquina. Além de falhas de curto-circuito as falhas de laminação do circuito magnético, falhas de chassi e outros defeitos nos enrolamentos também são considerados falhas no estator (TOLIYAT et al., 2012; TRIGEASSOU, 2011).

O curto-circuito entre fases distintas normalmente ocorre nas cabeças das bobinas, local onde condutores de fases distintas estão juntos. O curto-circuito de bobinas de mesma fase pode ocorrer tanto nas cabeças das bobinas quanto em outras áreas. Um curto-circuito entre bobinas de fases distintas ocasiona o desligamento da máquina. Um curto-circuito entre uma fase e o neutro ou entre bobinas de mesma fase não tem um efeito tão grave. O curto-circuito entre fase e neutro ou entre bobinas de mesma fase faz com que o número de espiras de seu enrolamento seja diminuido, o que altera a simetria da máquina e causa o desbalanceamento de fases, provocando alterações no torque (TRIGEASSOU, 2011).

A principal causa de falhas no estator é a degradação do material isolante dos enrolamentos. A degradação do material ocasiona o curto-circuito dos enrolamentos e pode ocorrer por fatores como a ação de produtos químicos, humidade do ar, ação de produtos abrasivos ou corrosivos, estresse mecânico devido as forças de interação entre os condutores e o campo magnético girante no interior da máquina, vibrações eletromagnéticas ou pode ocorrer por estresse térmico (NANDI et al., 2005; TOLIYAT et al., 2012).

O estresse térmico é a principal causa de degradação do material isolante do estator. A distribuição não uniforme de temperatura pode ocasionar a dilatação desigual do material metálico do condutor e o material isolante, provocando sua ruptura. O aumento da temperatura também pode gerar efeitos como o enfraquecimento mecânico dos materiais isolante e do condutor elétrico e elevadas temperaturas podem fundir o metal do condutor elétrico. A exposição prolongada a altas temperaturas pode provocar alterações químicas nos materiais. As principais causas o estresse térmico em máquinas elétricas são as perdas no cobre, correntes parasitas e o aquecimento provocado por perdas no núcleo magnético (TOLIYAT et al., 2012).

2.2.1.3 Falhas de excentricidade do entreferro

Falhas de excentricidade ocorrem quando a distância entre o estator e o rotor da máquina, seu entreferro, não é uniforme. Quando uma máquina possui falha de excentricidade sua simetria mecânica é alterada, isso provoca a variação de suas indutâncias e o desbalanceamento do fluxo magnético girante no seu entreferro. O desbalanceamento do fluxo magnético provoca o aparecimento de harmônicos no espectro da corrente de linha da máquina que são utilizados para identificar as falhas de excentricidade (TOLIYAT et al., 2012). As falhas de excentricidade podem ser classificadas em excentricidade estática, dinâmica ou mista.

A figura 8 mostra a representação esquemática dos três tipos possíveis de falhas de excentricidade em um motor de indução.

(a) Excentricidade estática (b) Excentricidade dinâmica (c) Excentricidade mista

Figura 8: Representação esquemática dos três tipos de excentricidade em um motor de indução: a) estática, b) dinâmica e c) mista. OndeX representa o centro geométrico do rotor e ∗ representa centro de rotação do rotor.

Fonte: Adaptado de Faiz e Moosavi (2015)

Excentricidade estática é aquela onde o centro geométrico do rotor coincide com o centro de rotação, mas este está deslocado do centro geométrico do estator. Neste tipo de excentricidade o ponto do entreferro com menor comprimento é estacionário em relação ao rotor. A falha de excentricidade estática pode ser vista esquematicamente na figura 8 letra a e na figura 9.

Na excentricidade dinâmica o centro geométrico do rotor é diferente do centro de rotação, e este é idêntico ao centro geométrico do estator. O ponto do entreferro com menor comprimento em relação ao estator acompanha o movimento do rotor. A figura 10 e a figura 8 letra b mostram esquematicamente a falha de excentricidade dinâmica.

Figura 9: Representação esquemática da falha de excentricidade estática em um motor de indução. Fonte: Adaptado de Toliyat et al. (2012)

Figura 10: Representação esquemática da falha de excentricidade dinâmica em um motor de indução.

Fonte: Adaptado de Toliyat et al. (2012)

Excentricidade mista é uma combinação entre a excentricidade estática e a excentricidade dinâmica, nela o centro geométrico do rotor, o centro de rotação e o centro geométrico do estator não coincidem. Neste tipo de excentricidade a ponto do entreferro com menor comprimento também acompanha o movimento do rotor. Este é o tipo mais comum de excentricidade pois, normalmente, a excentricidade estática e dinâmica coexistem nas máquinas (TRIGEASSOU, 2011). A excentricidade mista pode ser vista esquematicamente na figura 8 letra c.

As principais causas da excentricidade estática são deformidades no núcleo do estator, problemas de desalinhamento do rotor ou estator durante a montagem da máquina, o posicionamento incorreto das partes do motor ou desgastes nos seus rolamentos.

A excentricidade dinâmica é causada principalmente por desgastes nos rolamentos, desbalanceamento das forças eletromagnéticas (UMP - unbalanced magnetic pull) gerado por

falhas de excentricidade estática, ressonância mecânica que ocorre quando a máquina opera em sua velocidade crítica, desalinhamentos do eixo ou por desbalanceamentos no torque.

A excentricidade mista normalmente tem origem na excentricida estática, inerente a maioria das máquinas elétricas. A excentricidade estática provoca o desbalanceamento das forças internas em uma determinada direção, ocasionando desgastes nos rolamentos, e então empenamentos em seu eixo e, finalmente, a falha de excentricidade mista (FAIZ; MOOSAVI, 2015).

Falhas de excentricidade produzem na máquina vários impactos prejudiciais e indesejáveis como: vibrações, desgaste acelerado de seus rolamentos, aumento de suas perdas, reduz sua eficiência e aumento de temperatura de operação. Se uma falha de excentricidade não for corrigida o seu agravamento pode culminar em danos devastadores pra máquina como quando ocorre o contato entre o rotor e o seu estator, causando a destruição do núcleo e dos enrolamentos do estator, por exemplo (FAIZ; MOOSAVI, 2015).

2.2.1.4 Falhas de anéis de curto-circuito e barras quebradas no rotor

Motores com rotores tipo gaiola estão sujeitos a falhas de quebras de barras ou quebras de anéis de curto-circuito, responsáveis por cerca de 10% do total de falhas em motores de indução (NANDI et al., 2005). Essas falhas contribuem para a redução de eficiência da máquina e aumento de perdas por vários motivos, dentre eles, o aumento da circulação de correntes inter-barras que influencia diretamente na degradação do desempenho da máquina (CARLSON et al., 2003; RAZIK et al., 2009) A constante melhoria de projeto e qualidade de construção dos enrolamentos do estator e a manutenção de rotina dos rolamentos das máquinas tem minimizado o número de falhas em seus estatores e rolamentos. Este fato tem contribuído para que as falhas no rotor venham a se transformar uma das principais causas de quebra em motores elétricos de médio e grande porte (NAHA et al., 2016). A figura 11 mostra esquematicamente as falhas de quebra de barra e anéis de curto-circuito em um rotor tipo gaiola.

Os rotores tipo gaiola podem ser classificados conforme sua construção em: rotores fundidos e rotores fabricados. Nos rotores produzidos por processo de fundição as barras e anéis de curto-circuito são feitos de uma liga de alumínio e são fundidos diretamente no núcleo magnético do rotor. Nos rotores do modelo fabricado as barras e anéis de curto-circuito são instalados no núcleo magnético do rotor, conforme mostrado na figura 12, e são feitos de ligas de cobre ou de cobre puro.

Figura 11: Falhas de quebra de barra e anel de curto-circuito em um rotor tipo gaiola. Fonte: Adaptado de Trigeassou (2011)

Figura 12: Representação esquemática da instalação das barras em um rotor tipo gaiola de modelo fabricado.

Fonte: Wieland-Werke AG (2015)

Motores de pequeno porte e de baixa ou média potência normalmente possuem rotores de modelo fundido, já os motores de grande porte e alta potência ou motores para aplicações especiais possuem rotores de modelo fabricado (GYFTAKIS et al., 2013; NANDI et al., 2005). Rotores de modelo fundido são mais robustos do que rotores do modelo fabricado porém, como sua barras e anéis de curto-circuito são fundidos em sua estrutura, na maioria das vezes eles não podem ser consertados (NANDI et al., 2005).

A figura 13 mostra os dois modelos de rotores tipo gaiola: fundido e fabricado. Na figura 13a é possível ver um rotor do modelo fundido onde o eixo não está instalado. Na figura 13b é possível ver um rotor do modelo fabricado completo, com barras, anéis de curto-circuito e eixo instalados.

As falhas de quebra de barras e anéis de curto-circuito podem ser causadas por diversos fatores, os principais são (FAIZ; MOOSAVI, 2015; TRIGEASSOU, 2011):

• Estresse térmico causado por sobrecargas ou desbalanceamentos, perdas excessivas nos materiais ou por faíscas, principalmente em rotores de tipo fabricado;

• Estresse magnético causado por forças eletromagnéticas, desbalanceamento de forças magnéticas (UMP), ruído magnético ou por vibrações;

• Estresse residual devido a problemas de fabricação;

• Tensões dinâmicas decorrentes de torques no eixo, forças centrífugas ou por estresses cíclicos;

• Estresses ambientais como contaminação ou abrasão do material causados por produtos químicos ou por humidade;

• Problemas de fabricação como bolhas de ar no material ou soldas mal feitas que acabam produzindo uma seção de alta resistência elétrica nas barras ou anéis de curto-circuito;

• Estresse mecânico ocasionados por fadiga em suas peças, desgaste em seus rolamentos, delaminação do núcleo magnético, etc.

Figura 13: Rotores tipo gaiola do modelo fundido (a) e do modelo fabricado (b). Fonte: (a) Valco (2016), (b) The Electric Materials Company (2016)

Uma falha de barra quebrada pode ser considerada uma assimetria no rotor que causa o desbalanceamento das correntes de linha e causa alterações no torque como pulsações e a diminuição do torque médio (TOLIYAT et al., 2012). Quando a máquina opera com alta inércia (velocidade constante) são mais perceptíveis oscilações na corrente de linha e no torque eletromagnético. Quando a máquina opera com baixa inércia as oscilações são mais perceptíveis na velocidade mecânica e nas amplitudes das correntes do estator (TRIGEASSOU, 2011).

Uma barra quebrada no rotor não provoca o desligamento da máquina, pois a corrente elétrica que deveria fluir por esta barra é distribuída para as barras adjacentes. A corrente elétrica distribuída para as barras adjacentes provoca sobrecarga e aquecimento excessivo que pode provocar falhas em novas barras. Um grande número de barras quebradas pode provocar o desligamento da máquina. O estresse elétrico produzido por uma falha de barra quebrada se agrava exponencialmente à medida que novas barras são quebradas, isso pode provocar a diminuição da vida útil da máquina e, em último caso, seu desligamento (TRIGEASSOU, 2011; TOLIYAT et al., 2012).

2.3 IDENTIFICAÇÃO DA FALHA DE BARRAS QUEBRADAS EM ROTORES DE MOTORES DE INDUÇÃO

As máquinas elétricas girantes são projetadas para serem elétrica e mecanicamente simétricas. A simetria produz melhor acoplamento entre o estator e o rotor, o que resulta em aumento de sua eficiência. A presença de uma falha na máquina altera sua simetria e provoca o aparecimento de distorções no campo magnético girante no seu entreferro. As distorções no campo magnético girante provocam o aparecimento de harmônicos em sinais elétricos ou mecânicos que podem ser usados para identificação da falha. Sinais como corrente ou tensão elétrica, fluxo magnético, torque, velocidade, entre outros, podem ser usados para a identificação de falhas em máquinas elétricas girantes (TRIGEASSOU, 2011).

Cada falha causa alterações específicas no funcionamento da máquina que podem ser observadas durante sua operação. As principais alterações observadas na operação de máquina que possui falha são (TOLIYAT et al., 2012):

• Vibração mecânica;

• Aumento de temperatura de operação;

• Variações no torque;

• Variações instantâneas na potência de saída;

• Ruído acústico;

• Mudanças na tensão de linha;

• Mudanças na corrente de linha;

Barras quebradas no rotor de uma máquina de indução alteram sua simetria elétrica o que provoca o desbalanceamento das correntes de linha e alterações em seu torque. As alterações ocorrem por que o campo magnético girante no entreferro da máquina é afetado e sofre assimetrias, o que provoca alterações nas forças internas da máquina.

Neste trabalho a identificação de falhas de barras quebradas no rotor será feita através da análise da deformação dinâmica do estator da máquina. Durante seu funcionamento o estator sofre pequenas deformações devido a atuação das forças internas, a falha de barra quebrada produz o desbalanceamento das forças internas, o que por consequência se traduz em pequenas deformações no estator.

A seção 2.3.1 mostra os efeitos que uma falha por barra quebrada no rotor acarreta em um motor de indução e a seção 2.3.2 mostra a teoria usada para calcular a deformação do estator. O conteúdo mostrado em ambas as seções são utilizados neste trabalho para a identificação da falha por barra quebrada no rotor, através da análise da deformação dinâmica do estator com o uso de sensores de deformação baseados em fibra óptica.

2.3.1 Efeitos da Falha de Barra Quebrada no Rotor em Diferentes Sinais do Motor

Em um motor saudável as correntes trifásicas balanceadas produzem um campo magnético girante no entreferro com velocidade e sentido igual a sua velocidade angular síncrona ωs. Este campo magnético induz uma corrente elétrica nas barras do rotor com

frequência proporcional ao seu escorregamento s. A corrente elétrica induzida nas barras do rotor produz outro campo magnético no mesmo sentido e com velocidade angular sωs. O

escorregamento s é definido como a diferença percentual entre a velocidade angular do rotor ωr e sua velocidade angular síncrona ωs e é dada pela equação

s= ωs− ωr ωs

. (1)

O esquema de operação de um motor saudável pode ser visto na figura 14 letra (a). Na figura ωs = 2π f_p representa a velocidade angular síncrona, ωr = ωs(1 − s) representa

a velocidade angular do rotor, ωesc = ωs− ωr = sωs representa a velocidade angular de

escorregamento, f é a frequência da fonte de alimentação e p é o número de polos da máquina.

Quando a máquina possui uma falha de barra quebrada as assimetrias em seu rotor provocam um novo campo magnético girante com velocidade angular de mesmo módulo, mas

sentido oposto. Este campo contra-girante possui velocidade angular sωs quando referenciado

ao rotor e velocidade angular (1 − s) ω_s− sωs= (1 − 2s) ωs quando referenciado ao estator.

(a) (b)

Figura 14: Esquema de operação de um motor: a) saudável, b) com falha de barra quebrada no rotor.

Fonte: Adaptado de Ceban et al. (2010)

A figura 14 letra (b) mostra o esquema de operação de um motor de indução com uma falha de barra quebrada no rotor. O campo magnético contra-girante produzido pelo rotor assimétrico induz uma corrente elétrica no estator que caracteriza a falha de barra quebrada e possui velocidade angular ω_bq igual a

ωbq= ωr− sωs= ωs(1 − 2s), (2)

que resulta na frequência de falha de barra quebrada f_bqque aparece no campo magnético radial externo e na corrente de linha:

f_bq= (1 − s) f − s f = (1 − 2s) f . (3)

A interação entre os campos girantes de sentido opostos produz oscilações com frequência 2sf no torque e na velocidade da máquina. Essas oscilações agem como uma modulação em frequência na frequência de rotação da máquina, assim como em todas as componentes de frequência de outros sinais que tem relação com o escorregamento s (SADOUGHI et al., 2007).

No geral, as componentes de frequência que aparecem no espectro dos principais sinais da máquina, devido a uma falha de barra quebrada são dadas por (SADOUGHI et al., 2007):

• (2k-1)sf na corrente do rotor;

• 2ksf na velocidade e torque do motor;

• ksf no fluxo magnético axial,

onde k=1, 2, 3... representa as componentes harmônicas em torno da componente fundamental.

A amplitude das componentes harmônicas são dependentes de três fatores: carga, inércia do conjunto motor-carga e severidade da falha. As amplitudes variam linearmente com a carga que o motor está operando, cargas maiores produzem maiores amplitudes enquanto com cargas menores as amplitudes são mais baixas. O aumento da inércia do conjunto motor-carga tende a reduzir a amplitude da banda superior e aumentar a amplitude da banda inferior, a diminuição da inércia do conjunto provoca o contrário. No geral, a amplitude da banda superior é maior do a amplitude da banda inferior, este fato se inverte quando a inércia do conjunto é igual ou maior do quinze vezes a inércia do motor. A amplitude das bandas laterais variam com a severidade da falha como, fatores como o número de barras quebradas, suas localizações e se as barras estão totalmente rompidas ou somente trincadas influenciam diretamente na amplitude das bandas laterais (BOSSIO et al., 2009; DIDIER et al., 2007).

A presença de uma barra quebrada no rotor provoca oscilações com frequência 2sf na velocidade da máquina. Essas oscilações agem como uma modulação em frequência na sua frequência de rotação fr e causam aparecimento de bandas laterais no espectro ao redor de fr.

Os valores das bandas laterais são dados por fr±2ksf, sua magnitude depende da magnitude das

oscilações de velocidade e da assimetria do rotor.

A região do espectro em torno da frequência de rotação da máquina é uma região adequada para a identificação da falha de barra quebrada no rotor. É possível identificar uma falha de barra quebrada no rotor observando a presença e magnitude das componentes de frequência f_bqdadas pela equação

f_bq = fr± 2ks f . (4)

Dentre as componentes de frequências dadas pela equação 4, fr± 2s f são as que

possuem maiores magnitudes. A falha de barra quebrada no rotor pode ser melhor identificada observando essas componentes de frequência, quando k = 1.

O valor de duas vezes o valor da frequência da fonte de alimentação é um importante componente no espectro de vibração de um motor de indução. Essa frequência ocorre por que

a força de atração entre o estator e o rotor da máquina tem o maior valor quando a corrente magnetizante do rotor tem um valor máximo positivo ou negativo. Portanto a cada máximo positivo ou máximo negativo da alimentação a força de atração entre o rotor e o estator apresenta maior valor o que resulta na componente de frequência de vibração com valor de duas vezes a frequência da fonte de alimentação 2 f (FINLEY et al., 1999), (BENBOUZID, 2000).

Kostic-Perovic et al. (2000) mostra que assimetrias no rotor causam o aparecimento de bandas laterais com valor de (1 − ks) 2 f e (1 + ks) 2 f em torno da frequência 2 f e que suas amplitudes aumentam com a severidade da assimetria no rotor. Essa região do espectro também pode ser usada para a identificação da falha de barra quebrada no rotor usando a equação

f_bq= (1 ± ks) 2 f , (5)

onde fbq é a componente de frequência produzida pela falha de barra quebrada no rotor, k

é um número inteiro que representa o harmônico da frequência de barra quebrada, s é o escorregamento da máquina e f é a frequência da fonte de alimentação.

A separação das bandas laterais originadas no espectro de frequência devido a uma falha de barra quebrada depende do escorregamento s da máquina. Portanto, depende da carga com que a máquina está operando. Quando a máquina opera sob carga nominal seu escorregamento s apresenta um valor máximo e a separação entre as bandas laterais também é máxima. Quando o motor opera a vazio, sem carga, o valor do escorregamento s é praticamente nulo e as bandas laterais originadas pela falha de barra quebrada no rotor estão sobrepostas sobre as frequências fundamentais fre 2 f , impossibilitando a identificação da falha no espectro

de deformação da máquina.

As posições teóricas das bandas laterais, originadas no espectro de frequência de um motor com falha de barra quebrada no rotor, nas regiões em torno de sua frequência de rotação f_re em torno da frequência de duas vezes a frequência de alimentação 2 f estão esquematizadas nas figuras 15 e 16.

A amplitude das bandas laterais dependem da severidade da falha e do número de barras quebradas. Neste trabalho é ensaiado a condição de falha de uma barra quebrada no rotor, pior situação para identificação da falha, pois, as bandas laterais apresentam menor amplitude e, portanto, maior dificuldade de identificação.