Análise da Corrente de Alimentação

A análise da corrente de alimentação de motores de corrente alterna, é uma das técnicas utilizadas para o diagnóstico de anomalias, associadas a barras partidas ou fissuradas ou pontos de alta resistência no rotor, entre outras.

Análise de corrente de alimentação pinças amperimetricas

Motores elétricos e sua importância

O acionamento de máquinas e equipamentos mecânicos por motores elétricos é um assunto de extraordinária importância económica. No campo de acionamentos industriais, avalia-se que de 70 a 80% da energia elétrica consumida, pelo conjunto de todas as indústrias seja transformada em energia mecânica através de motores elétricos.

O motor elétrico de indução trifásico é o acionamento mais comum e uma avaria imprevista neste tipo de máquinas pode ter consequências económicas muito graves. Este facto leva a que hoje em dia, seja frequente a utilização da manutenção preventiva com base no tempo como aproximação à conservação destas máquinas. Sendo o MTBF deste tipo de máquina de oito anos (para um funcionamento de 8760 horas/por ano), é comum utilizarem-se intervalos bastante mais curtos. Todavia, também já são comuns as instalações onde a manutenção preventiva só é efetuada com base no conhecimento da condição de funcionamento da máquina. Esta última aproximação, decorrente de necessidades económicas e inserida também nas modernas filosofias de manutenção, resulta do facto dos gestores de manutenção das instalações, onde esta abordagem se pratica, se sentirem à vontade com as técnicas de controlo de condição mais comuns.

A maioria dos motores elétricos utilizados na indústria são de motores de indução gaiola de esquilo.

Avarias em motores elétricos

Existem inúmeros estudos sobre a distribuição estatística de anomalias em motores elétricos de indução. A seguir apresentam-se os resultados de um efetuado pela General Eletric em 1985.

  • Anomalias no rotor – 10%
  • Anomalias no estator – 35%
  • Chumaceiras – 42%
  • Outros problemas – 13 %

É experiência geral que a maioria dos problemas que ocorrem nestas máquinas são de índole mecânica.

Daqui vê-se a importância de identificar as avarias no rotor dos motores elétricos com a análise da corrente de alimentação

Frequências produzidas pelos Motores Elétricos

Frequência

Designação

Expressão

Frequência da Rede

Fr

50 Hz

Número de Pólos

P

Frequência de Passagem das Barras

Fb

Nº de barras do rotor X rpm/60

Frequência de Deslizamento

Fd

Frequência de Passagem dos Pólos

Fp

Fd X P

Algumas destas frequências surgem na Análise da Corrente de Alimentação.

Fatores que geram avarias no rotor

  • Arranques diretos, provocam correntes no rotor de elevada amplitude (umas 10 vezes maiores que a plena carga) que provocarão grandes esforços mecânicos, vibrações, um aumento significativo da temperatura provocando gradientes térmicos nas barras;
  • O trabalho em sobrecarga, provocado por grandes oscilações de carga ou arranques consecutivos, podem provocar o mesmo efeito;
  • Uma barra partida gera calor, devido a aumento de resistência, e expansão térmica;
  • As barras adjacentes suportam corrente adicional;
  • Estas tensões, especialmente quando agravadas por arranques frequentes, podem causar a quebra de barras adjacentes, empeno de origem térmica ou desaperto da barra partida;
  • Se a barra partida se soltar, pode causar uma avaria catastrófica;
  • Uma barra partida não conduz corrente;
  • Quando passa numa zona de elevado fluxo magnético, as forças estão desequilibradas;
  • Sintomas, portanto, semelhantes à excentricidade no rotor;
  • O aquecimento local devido ao mau contacto provoca empeno no rotor;
  • À medida que o motor aquece, manifesta-se um desequilíbrio;
  • Podem surgir vibrações à frequência de passagem de barras do rotor (FPBR).

Outras anomalias no rotor a provocarem os mesmos sintomas:

  • Fendas nas barras.
  • Mau contacto entre barra e anel de fecho.
  • Barras soltas no rotor.
  • Fendas no anel de fecho.
  • Juntas de alta resistência em rotores bobinados.
  • Porosidades de fundição em rotores de alumínio fundidos.
  • ….qualquer ponto de elevada resistência.

Avarias Típicas no Rotor

A existência de assimetrias na gaiola de esquilo origina uma distribuição não uniforme de fluxo magnético no entreferro, provocando um desequilíbrio de forças radiais, sendo a altura mais crítica o momento do arranque.

A excentricidade, correspondendo a um problema significativo nos motores de indução, provocado por um entreferro não uniforme.

  • Excentricidade Estática
  • Excentricidade Dinâmica

As possíveis causas podem ser devidas a:

  • Tolerâncias inadequadas dos componentes,
  • Posicionamento incorreto do rotor relativamente ao estator,
  • Deformações do veio,
  • Avarias relativas a rolamentos, desalinhamentos, desequilíbrios do rotor, ressonâncias…
motmon2

Figura 1 – Análise de corrente de alimentação – danos no rotor

Análise de corrente de alimentação de um motor elétrico com Pinça Amperimétrica

A análise da corrente de alimentação recorre à análise do espectro de frequência da corrente de alimentação, recolhido através da instalação de um transformador de corrente (pinça amperimétrica) no circuito de alimentação do motor.

Em virtude das amplitudes vibrométricas poderem ser baixas, quando em presença de uma destas anomalias, a característica do espectro de frequência poderá não evidenciar de uma forma significativa a anomalia presente. De facto, frequentemente, os indicadores da presença de uma anomalia no rotor de um motor AC, podem apresentar-se “mascarados” no espectro de frequência das vibrações, devido à presença de outras possíveis anomalias.

Na análise do espectro da corrente de alimentação, as frequências de interesse para o diagnóstico de avarias no rotor de um motor AC são as designadas bandas laterais à “frequência de passagem dos pólos (FPP)”, presentes à frequência da rede (50Hz).

FPP = Escorregamento Motor x Nº Pólos Motor

Um indicador muito utilizado para avaliar a severidade das anomalias associadas às barras do rotor é a diferença de amplitude (em dB) entre a banda lateral FPP à esquerda da frequência da rede e a amplitude da própria frequência da rede (50Hz).

Como regra, se a diferença de amplitude entre a frequência da rede e a banda lateral esquerda da FPP for superior a 55 dB, então a condição do rotor do motor é considerada boa. Quanto menor for esta diferença de amplitudes, maior é a estimativa de barras partidas.

Análise de corrente de alimentação bandas laterais

Figura 2 – A análise da corrente de alimentação – o Espectro da Corrente de Alimentação

No exemplo apresentado na Figura 2, a diferença de amplitude entre a frequência da rede e a banda lateral esquerda da FPP é de cerca de 46 dB. Neste caso, existe a indicação da presença de pontos de alta resistência no rotor.

Porque razão isto acontece

Em termos simples, a corrente que flui no bobines do estator não depende apenas da fonte de alimentação e da impedância das bobines do estator, mas também inclui a corrente induzida no bobines do estator pelo campo magnético do rotor. Ou seja, as bobines do estator são uma sonda ou “transdutor” para problemas no rotor. A questão-chave é separar as correntes que fluem através do estator para accionar rotor das correntes que o rotor induz de volta para o estator se existir um problema. Essa separação é realizada medindo as componentes de corrente a outras frequências além da frequência da rede, usando um analisador de espectro de frequência de alta resolução.

As componentes adicionais de frequência, devido a defeitos de rotor, são vistas como bandas laterais em redor da componente à frequência da rede em frequências dadas pela fórmula:
f =(1±2ks) f1
onde
s é o deslizamento de rotor por unidade;
f1 é a frequência de alimentação;
k é 1, 2, 3, etc.

As correntes nos enrolamentos da gaiola no rotor produzem um campo magnético trifásico, que tem o mesmo número de pólos que o campo do estator, mas roda à frequência de deslizamento em relação ao rotor mecânico. Se ocorrer uma assimetria na corrente do rotor, isto resulta num campo rotativo para trás (isto é mais lento), à frequência do deslizamento relativamente ao rotor magnético do estator que roda para a frente. A assimetria surge se uma ou mais das barras do rotor estão quebradas/fendidas ou há umas ruptura num anel de curto do circuito que impede que a corrente flua através delas. Pode-se mostrar que este campo rotativo para trás, está a rodar na realidade para a frente (1 − 2s) vezes a frequência da rede, relativamente aos estator. Isso induz correntes no bobines do estator numa frequência de f1(1 − 2s), que é referida como a banda lateral inferior a duas vezes a frequência de deslizamento a barras quebradas/fendidas no rotor. Esta corrente provoca uma variação cíclica da corrente que causa uma oscilação no binário a duas vezes a frequência de deslizamento e uma oscilação de velocidade correspondente que é uma função da inércia do motor. Esta oscilação de velocidade do rotor cria uma banda lateral superior a uma frequência de f1(1 + 2s). As barras quebradas e fendidas ( e em geral pontos de alta resistência) do rotor, consequentemente, resultam em componentes de corrente induzidas nas bobines do estator nas frequências dadas pela fórmula (2):
fsb = f1 (1±2s)

Porque a corrente do estator resultante dos pontos de alta resistência no rotor é modulada a duas vezes a frequência do deslizamento, o sf1 é frequentemente é aproximadamente de 1 Hz. Isso cria um som “rum” nesta baixa frequência que é facilmente reconhecido por técnicos experientes.

Caso prático de análise da corrente de alimentação – motor elétrico de um crivo

Um crivo rotativo com uma configuração idêntica à ilustrada na Figura 3, é acionado por um motor elétrico AC com uma potência de 250 kW e 1488 RPM. Esta máquina está incluída num plano de manutenção preditiva através da medição e análise de vibrações. Dada a criticidade da máquina dentro do processo produtivo, foi definida uma periodicidade de inspeção quinzenal.

Figura 3 – Análise da corrente de alimentação – Esquema da máquina com indicação dos pontos de medição de vibrações

Situação inicial

No âmbito do plano de inspeções definido, a máquina foi inspecionada no dia 11 de setembro e, como se pode observar pelo gráfico de tendência do nível global de vibrações (Figura 4), a condição do motor era considerada aceitável e não apresentava qualquer alteração considerada significativa.

Análise de corrente de alimentação situação inicial

Figura 4 – Análise da corrente de alimentação – gráfico de tendência do nível global de vibrações registado no ponto 2

Inspeção no dia 14 de setembro

No dia 14 de setembro (3 dias após a última inspeção de rotina) os serviços técnicos da DMC foram chamados durante a noite pela Produção, em virtude de os operadores terem identificado ruído e níveis de vibração não característicos do normal funcionamento da máquina. Na inspeção vibrométrica efetuada no dia 14 de setembro, foi identificado um agravamento dos níveis vibrométricos em presença no motor, como se pode verificar no gráfico de Tendência do Nível Global de Vibrações apresentado na Figura 5.

Análise de corrente de alimentação situação inicial

Figura 5 – Análise da corrente de alimentação – Gráfico de Tendência do Nível Global de Vibrações registado no ponto 2 no dia 14 de setembro

A análise dos espectros de frequência definidos revelou que o agravamento da severidade vibratória era, sobretudo, influenciado pela amplitude da frequência de funcionamento e respetivas harmónicas (Figura 6). Na mesma análise, chamou também a atenção o facto do ruído espectral (“relva”), na gama de frequências compreendida entre a frequência de funcionamento e as primeiras harmónicas, se encontrar elevado. Em virtude do referido, foram registados espectros de frequência de elevada resolução.

Análise de corrente de alimentação espetro

Figura 6 – análise da corrente de alimentação – Espectro de frequência registado no ponto 2 no dia 14 de setembro

A análise dos espectros de frequência de elevada resolução, revelou que a frequência de funcionamento do motor e respetivas harmónicas, surgem acompanhadas de bandas laterais (Figura 7).

Figura 7 – Análise da corrente de alimentação – Espectro de frequência de elevada resolução

Essa mesma análise também revelou que as bandas laterais surgem à frequência de 0,76 Hz (Figura 8), que coincide com a frequência de passagem dos pólos do motor. Face à análise efetuada, a presença da frequência de funcionamento e respetivas harmónicas, acompanhadas por bandas laterais à frequência de passagem dos pólos, é uma condição característica do desenvolvimento de anomalias no rotor, nomeadamente: pontos de elevada resistência; barras partidas/fissuradas; defeitos de fundição no caso de rotores em alumínio. Como nota, é de salientar o facto da frequência de passagem de barras do rotor (38 barras no motor em análise — 943 Hz), não se encontrar presente nos espectros de frequência registados (ver Figura 4)

Análise de corrente de alimentação espetro 2

Figura 8– Análise da corrente de alimentação Zoom do Espectro de Frequência de elevada resolução revelando a presença de bandas laterais a 0,76 Hz, ao redor da frequência de funcionamento do motor

Recomendação efetuada

Em virtude do diagnóstico efetuado, foi recomendado ao cliente que, logo que possível, procedesse à substituição do motor. Tendo a situação ocorrido durante a noite e em fim de semana, o cliente questionou se a intervenção teria de ser imediata ou se podiam aguardar pelo início da semana para assim poderem programar uma paragem da instalação. Sabendo-se que são os arranques do motor (corrente máxima), o fator que mais contribui para acelerar o desenvolvimento desta anomalia, foi comunicado ao cliente que se o motor não fosse sujeito a muitos arranques e se fosse objeto de acompanhamento vibrométrico, seria expectável que a intervenção se pudesse realizar na altura pretendida.

Análise da corrente de alimentação

Como o motor se encontrava em vigilância, no dia 18 de setembro, foram efetuadas medições do espectro da corrente de alimentação para, com outra tecnologia de inspeção, efetuar também a avaliação do estado do rotor. Na Figura 9, é apresentado o espectro da corrente de alimentação, no qual se pode observar a presença da frequência da rede elétrica acompanhada por uma banda lateral à frequência de passagem dos polos. A diferença de amplitude entre as referidas frequências indicava já a presença de pelo menos uma barra partida/fissurada.

Figura 9 – Análise da corrente de alimentação – Espectro de frequência da corrente de alimentação do motor

Situação após a substituição do motor

O motor foi substituído no dia 19 de setembro e na inspeção vibrométrica efetuada após a intervenção, constatou-se uma diminuição da severidade vibrométrica em presença na máquina. Tal como se pode observar na Figura 10, os níveis vibrométricos registados baixaram para os valores característicos da máquina em análise.

Figura 10 – Análise da corrente de alimentação – Gráfico de Tendência do Nível Global de Vibração registado no ponto 2 no dia 19 de setembro

A análise dos espectros de frequência registados revelou o desaparecimento das bandas laterais associadas à frequência de passagem de polos do motor, tal como se pode observar na Figura 11.

Figura 11 – Análise da corrente de alimentação – Espectros de Frequência registados antes e após a substituição do motor

Também o espectro da corrente de alimentação revelou o desaparecimento da referida banda lateral (Figura 12).

Figura 12 – Análise da corrente de alimentação – Espectro de frequência da corrente de alimentação do motor registado após a sua substituição

Fotografias do rotor avariado

Na Figura 13, apresenta-se um conjunto de fotografias onde se pode observar o estado do rotor do motor substituído.

Figura 13– Análise da corrente de alimentação – Fotografias do rotor do motor substituído

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