Detecção de curto-circuito entre espiras do enrolamento do estator utilizando análise termográfica

Detecção de curto-circuito entre espiras do enrolamento do estator utilizando...

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DETECÇÃO DE CURTO-CIRCUITO ENTRE ESPIRAS
DO ENROLAMENTO DO ESTATOR UTILIZANDO

Relatório Final apresentado à Pró-Reitoria de Pesquisa e Pós-graduação, por exigência do término da Bolsa de Iniciação Científica, referente ao período de AGO/2008 a JUL/2009.

Curso: Engenharia MecânicaPeríodo: 10 °

Bolsista: Vinícius Augusto Diniz Silva

Orientador: Jorge Nei Brito Departamento: DEMEC

São João Del Rei, Agosto de 2009

1. Introdução

O crescimento da competitividade e os novos desafios relacionados com o aumento de produtividade entre as indústrias têm exigido sistemas cada vez mais complexas e sofisticadas, por isso, o sistema de monitoramento da condição dessas máquinas tem se tornado muito importante.

Com esse alto grau de produtividade, qualquer parada não programada (manutenção corretiva não planejada) causa grandes prejuízos. Portanto, uma melhoria no uso adequado das técnicas de manutenção torna-se imprescindível. Conhecer as técnicas existentes, aprimorá-las e desenvolver novas tecnologias significam uma manutenção de melhor qualidade e, conseqüentemente, com menos tempo de horas paradas, Brito (2002).

De uma maneira geral, as falhas num motor elétrico apresentam-se conforme ilustra a Fig. 1.

Normalmente, os programas de monitoramento de motores elétricos têm como base a análise de vibração, que detecta as falhas de mancais e desbalanceamento, desalinhamento, folgas e pé manco o que na Fig. 1, aparece como “outras” falhas, que somada com mancais cobre 53% das falhas que ocorrem em motores elétricos, Beltrame (2008).

Fig. 1. Distribuição dos locais de falha em motores elétricos.

Para alcançar a redução de índices de falha, novas metodologias, treinamentos e novos equipamentos são cada vez mais necessários. Estes aspectos apresentados constituem a motivação e justificativa do desenvolvimento deste trabalho.

Das análises dos trabalhos técnicos e científicos relacionados com detecção de assimetrias no estator encontrados na literatura, pôde-se observar que nos últimos três anos a detecção de falhas de curto-circuito entre espiras de uma mesma fase vem despertando muito interesse na comunidade científica. Entretanto, as pesquisas estão ainda começando. Nos trabalhos publicados, são apresentados poucos resultados, tanto de simulações quanto experimentais, que validem os métodos propostos, Baccarini (2005).

Os objetivos deste trabalho são apresentar as principais causas do curto-circuito entre espiras em estatores utilizados em motores de indução trifásico, realizar uma comparação entre os principais tipos de detecção e equipamentos utilizados atualmente. O estudo avalia quais os principais pontos positivos e negativos de cada tipo de método de detecção, levando em conta também as conclusões apresentadas na literatura.

2. Revisão Bibliográfica 2.1. Revisão bibliográfica sobre Termografia.

Todos os objetos que nos cercam são constantes fontes emissoras de energia térmica sob forma de energia radiante invisível, o infravermelho. Quando um objeto aquece, ele irradiará cada vez mais energia de sua superfície. No entanto a temperatura de um corpo qualquer não depende exclusivamente da radiação do mesmo, os valores de temperatura também são avaliados em função da emissividade do corpo. Segundo RoMiotto (2007), a emissividade é a medida da capacidade de um objeto em absorver, transmitir e emitir a energia infravermelha. A técnica capaz de tornar visível essa radiação é chamada termografia infravermelha, Ferreira (2002).

O acompanhamento da temperatura é muito importante em vários processos, tais como: em barramentos e equipamentos elétricos, em superfícies de equipamentos estacionários, em mancais em máquinas rotativas, Ferreira (2002).

Em motores, Figura 2, geradores e transformadores, a termografia deve ser aplicada de forma correlacionada com outras técnicas, como a análise de vibração. Para os diagnósticos de falhas potenciais elétricas, a termografia infravermelha parte do princípio de que a potência de tais máquinas que não saem na forma de serviço, de alguma maneira está se transformando em perdas e sendo dissipada no meio, através de efeito joule. Estas análises termográficas são tanto qualitativas quanto quantitativas e permitem ao usuário acompanhar o envelhecimento da máquina, bem como diagnosticar outras falhas decorrentes de curto circuito parcial entre espiras, falha parcial de isolação, refrigeração etc., Rezende Filho (2007).

Figura 2. Termograma de um motor elétrico.

2.2. Revisão bibliográfica sobre Curto Circuito Entre Espiras do Enrolamento do Estator.

A deterioração do isolamento do estator normalmente começa com curto-circuito envolvendo poucas espiras de uma mesma fase. A corrente de falta que é de aproximadamente duas vezes a corrente de rotor bloqueado, provoca aquecimento localizado que rapidamente se estende para outras seções do enrolamento, Tallam e outros (2003). Assim, a detecção de falhas entre espiras é especialmente importante, pois acredita-se que é o começo para a ocorrência das demais falhas nos enrolamentos, tais como: curto-circuito entre bobinas de uma mesma fase e entre bobinas de fases diferentes e, curto-circuito entre fase e terra, que podem resultar em perdas irreversíveis do núcleo do estator, Boqiang e outros (2003).

O tempo de evolução de falhas de curto-circuito entre espiras, Figura 3, para as demais falhas não pode ser estimado, pois depende das condições de operação do motor, Baccarini (2005).

Figura 3. Curto-circuito entre espiras.

3. Bancada Experimental

A bancada experimental, Fig. 4, montada no Laboratório de Pesquisa

Experimental, situado na Universidade Federal de São João Del Rei - UFSJ, Departamento de Engenharia Elétrica, foi utilizada para o estudo proposto.

Fig. 4. Bancada de Teste.

O curto circuito foi introduzido num motor de indução trifásico {1}, WEG (GF 12087), rotor gaiola, 3 CV, 1730 rpm, 220 V, 60 Hz, , 4 pólos, categoria N, 28 ranhuras, rolamento SKF 6205-2Z, classe de isolamento B, FS 1,15, Ip/In 7,5, IP 5, 13,8 A. Um gerador de corrente contínua {2} é utilizado como sistema de carga e está acoplado ao motor através de um acoplamento flexível {3}, é possível a variação da carga através de um painel de cargas resistivas e consegue-se controlar o curto-circuito através do quadro {4}.

Os termogramas foram coletados pela câmera termográfica FLIR Systems

InfraCAM {5}. As informações contidas na câmera termográfica FLIR Systems InfraCAM foram transferidas para o computador através do software de apoio QuickView, permitindo, desta forma, realizar análises detalhadas, em um ambiente mais amigável.

Para o teste do curto-circuito entre espiras, foram extraídas dez derivações em duas bobinas de duas fases distintas, o que permite fazer o fechamento de três espiras de uma mesma bobina, que representa o início da falha. Além disso, a corrente do curtocircuito foi controlada através de uma resistência de forma a não ultrapassar a duas vezes a corrente nominal. Assim, foram feitas, praticamente, testes de degradação do isolamento que é o começo de um problema que pode evoluir para curto-circuito. As fotos da Fig. 5 mostram a vista lateral e frontal do estator, onde os cabos brancos são as derivações e os cabos pretos são os terminais para o fechamento e alimentação das três fases. Essas derivações foram dispostas externamente em uma placa de bornes de modo a facilitar o controle da corrente de curto-circuito, alimentação do motor de indução e aplicação de carga no gerador C. Antes dos testes foi feito o balanceamento dinâmico e alinhamento a laser, verificando-se também possíveis folgas mecânicas (base frouxa do motor). Este procedimento permite que os termogramas coletados sejam representativos da falha induzida.

Fig.5. Fotos do estator do motor de indução trifásico que foi rebobinado de forma a permitir curto-circuito entre espiras alojadas na mesma ranhura.

4. Metodologia

4.1. Aplicação da Termografia para detecção de Curto Circuito Entre Espiras do Enrolamento do Estator.

A radiação térmica, ou infravermelho, é energia que se propaga no espaço na forma de ondas eletromagnéticas. Essa radiação está na faixa do infravermelho do espectro eletromagnético que é classificado em faixas de acordo com o comprimento de onda (λ) da radiação, Silva e outros (2006).

Na Figura 6, temos a região do espectro que nos interessa que é a do infravermelho, que se estende do comprimento de onda de 1 m até 770 nm, no limite com a luz visível.

Figura 6. Espectro Eletromagnético.

Na Equação 1, tem-se que o comprimento de onda se relaciona com dois outros parâmetros das ondas eletromagnéticas: a freqüência e a energia do fóton, onde é a freqüência da onda [Hz], c a velocidade da luz no vácuo [2,998x108 m/s] e λ o comprimento de onda [m].

Na Equação 2, tem-se a energia do fóton, onde E é a energia do fóton [J] e h a Constante de Planck [6,626x10-34 J.s].

A Equação 2 é a hipótese de Planck para o corpo negro, onde admitia que a energia radiante fosse emitida e absorvida em quantas de energia (h × ν), mas esta hipótese era considerada como artifício de cálculo apenas. Foi em 1905 que Einstein, investigando o efeito fotoelétrico, sugeriu a natureza quântica da luz e a quantização da energia em pequenos pacotes, os fótons, dada pela Equação 2, também chamada de Equação de Einstein. Como a freqüência permanece constante, já que é o parâmetro que caracteriza a onda, a velocidade de propagação e o comprimento de onda mudam proporcionalmente quando as ondas viajam em diferentes materiais. Todo corpo que está acima do zero absoluto emite radiação térmica e é justamente essa energia que é captada pelas câmeras de infravermelho para a obtenção de imagens térmicas de corpos, Silva e outros (2006).

Cada material emite radiação de uma forma, e um corpo negro é aquele capaz de absorver e emitir todas as radiações em todos os comprimentos de onda. Na Equação 3, tem-se a distribuição espectral da radiação emitida por um corpo negro descrita por Max

Planck onde Wλb é a radiância espectral do corpo negro no comprimento de onda λ [Watt/m².μm], k é a Constante de Boltzmann [1,381x10-23 J/K] e T a temperatura absoluta do corpo negro [K].

A radiância espectral total do corpo negro, ou fórmula de Stefan-Boltzmann,

Equação 4 é a integração de λ = 0 a λ = ∞, , onde Wb é a radiância espectral total do corpo negro [W/m²] e σ é a Constante de Stefan-Boltzmann [W/m².K4].

A importância de se estabelecer equações para a distribuição espectral do corpo negro vem do fato de que ela estabelece um limite máximo de toda emitância espectral de uma fonte. Um objeto, ou fonte, real não tem o mesmo comportamento de emissão de radiação do corpo negro, e a sua curva de emitância é limitada pela correspondente do corpo negro na mesma temperatura do objeto, Silva e outros (2006).

A emissividade é um fator que diminui a emitância espectral total de um objeto real em relação à energia emitida pelo corpo negro na mesma temperatura. A emissividade do objeto, ε(λ,T), é calculada pela Equação 5 onde Wo é a radiância espectral total de um objeto real e

Wb é a potência total de radiação emitida pelo corpo negro na mesma temperatura do objeto.

Então, considerando a emissividade do material, na Equação 6, temos a radiância espectral total de um objeto real.

A verificação contínua da temperatura de uma máquina rotativa é um dado importantíssimo na manutenção preditiva. Como é natural, uma alteração qualquer na temperatura de funcionamento da máquina rotativa é indicativo de modificação no comportamento da mesma. Por tais motivos, a temperatura é um parâmetro que deve ser levado em consideração em todo e qualquer programa de manutenção, em qualquer nível.

tradicionais, além de ser muito disseminada no meio industrial

Assim a termografia mostra-se uma técnica que pode conseguir grandes resultados no diagnóstico desta falha, pois quando um motor entra em curto circuito temos um aumento considerável da temperatura do mesmo, sem falar que a termografia é uma técnica que possui uma análise mais simplificada em comparação com as 4.1.1. Processo de Medição.

A radiação medida pela câmera depende tanto da temperatura quanto da emissividade do corpo que está sendo analisado. Portanto, a informação da emissividade da câmera é fundamental para uma estimativa precisa da temperatura do fluxo radiante medido. Normalmente os valores variam de 0,1 a 0,95. Para superfícies extremamente polidas temos emissividades inferiores a 0,1 e, para superfícies oxidadas os valores são superiores a 0,95, Silva e outros (2006).

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