VII CONGRESO BOLIVARIANO DE INGENIERIA MECANICA Cusco, 23 al 25 de Octubre del 2012

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1 VII CONGRESO BOLIVARIANO DE INGENIERIA MECANICA Cusco, 23 al 25 de Octubre del 2012 DETECÇÃO DE CURTO-CIRCUITO ENTRE ESPIRAS DO ENROLAMENTO DO ESTATOR DO MOTOR ELÉTRICO UTILIZANDO ANÁLISE TERMOGRÁFICA Silva, V. A. D. *, Baccarini, L. M. R.. V., Brito, J. N. * UFSJ, Praça Frei Orlando, 170, CEP , SJDR, MG, Brasil, vinicius.sjdr@gmail.com UFSJ, Praça Frei Orlando, 170, CEP , SJDR, MG, Brasil, rabelo@ufsj.edu.br UFSJ, Praça Frei Orlando, 170, CEP , SJDR, MG, Brasil, brito@ufsj.edu.br RESUMEN Motores elétricos são componentes essenciais na grande maioria dos processos industriais. As diversas falhas nas máquinas de indução podem gerar consequências drásticas para um processo industrial. Os principais problemas estão relacionados ao aumento dos custos, piora nas condições do processo e de segurança e qualidade do produto final. Muitas destas falhas mostram-se progressivas. Nesse cenário, o custo anual de manutenção representa, em média, 4,39% do faturamento bruto das empresas e, por esse motivo, uma manutenção mal conduzida pode levar à perda de faturamento e redução do lucro da organização. 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: curtocircuito 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. O objetivo é a utilização de diferentes técnicas preditivas, tais como, análise de vibração, fluxo magnético e termografia para detecção de curto-circuito entre espiras do enrolamento do estator. Desta forma é possível detectar a falha utilizando técnicas amplamente disseminadas no meio industrial avaliando a viabilidade de cada uma independente, além de validar a termografia, que é uma técnica que possui uma análise mais simplificada em comparação com as tradicionais, aumentando assim a confiabilidade e a disponibilidade das máquinas nas plantas industriais, tornando o processo de manutenção cada vez mais eficiente e eficaz. PALABRAS CLAVE: Motor Elétrico, Termografia Infravermelha, Curto Circuito, Estator. ÁREA TEMÁTICA PRINCIPAL: 12 MANTENIMIENTO

2 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, consequentemente, com menos tempo de horas paradas [Brito, 2002]. A termografia é uma técnica de inspeção, "não destrutiva", que tem como base a detecção da radiação infravermelha, que é emitida naturalmente pelos corpos com intensidade proporcional a sua temperatura, permitindo efetuar medições de temperaturas, "sem contato físico" com os equipamentos a serem inspecionados. A análise termográfica permite uma melhor programação, minimizando a mão de obra e recursos envolvidos, pois possibilita identificação de sobreaquecimento nas instalações "sem a interrupção do processo produtivo". Tais resultados são apresentados em forma de imagens térmicas, denominadas "termogramas" (Imagem Térmica Digital), que nos permite pré analisá-las no momento da medição. Um Sistema de Inspeção Termográfica é formado pelo conjunto de recursos que permitem a realização de tarefas de análise preditiva nos campos de redes elétricas, equipamentos mecânicos, redes de vapor, fornos, reatores e processos. A base para tais sistemas é dada pelo equipamento empregado. Os relatórios são partes integrantes de um programa de prevenção de perdas, onde a análise da gravidade dos problemas encontrados e as recomendações para a sua eliminação ou redução são desenvolvidas pela a área de manutenção. 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]. Neste trabalho, apresenta-se uma contribuição ao estudo e caracterização de curto circuito entre espiras em motores elétricos através da termografia. Este trabalho viabilizou a utilização da termografia para detecção de curtocircuito entre espiras do enrolamento do estator mediante as convencionais técnicas utilizadas. DETECÇÃO DE FALHAS ATRAVÉS DA 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. O ser humano é capaz de sentir essa radiação, mas não poderá vê-la. 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]. Em motores elétricos, Figura 1, geradores e transformadores, a termografia deve ser aplicada de forma correlacionada com outras técnicas, como a análise de vibração. 111,1 C 100 AR01: 112,7 C ,3 C Fig. 1: Termograma de um motor elétrico.

3 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). 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 et al., 2003]. Assim, a detecção de falhas entre espiras é especialmente importante, pois se acredita 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 et al,.2003] e [Sottile et al., 2000]. O tempo de evolução de falhas de curto-circuito entre espiras, Figura 2, para as demais falhas não pode ser estimado, pois depende das condições de operação do motor, [Baccarini, 2005]. Fig. 2: Curto-circuito entre espiras. Aplicação da Termografia para detecção de Curto Circuito Entre Espiras do Enrolamento do Estator A radiação térmica, ou infravermelha, 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. As categorias de ondas vão das ondas de rádio (comprimentos de onda maiores e baixas energias) até os raios gama (comprimentos de onda menores e altas energias), [Silva et al., 2006]. Na Figura 3, tem-se a região do espectro que é relevante, ou seja, a região infravermelha, que se estende do comprimento de onda de 1 mm até 770 nm, no limite com a luz visível. Fig. 3: Espectro Eletromagnético.

4 Na Eq. (1), tem-se que o comprimento de onda se relaciona com dois outros parâmetros das ondas eletromagnéticas: a frequência e a energia do fóton, onde ν é a frequência da onda [Hz], c a velocidade da luz no vácuo [2,998 x 108 m/s] e λ o comprimento de onda [m]. Na Eq. (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]. (1) E = h. ν (2) A Eq. (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 Eq. (2), também chamada de Equação de Einstein. Como a frequência 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 et al., 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 Eq. (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]. (3) A radiância espectral total do corpo negro, ou fórmula de Stefan-Boltzmann, Eq. (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]. W b = σ.t 4 (4) 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 et al., 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 Eq. (5) onde W o é a radiância espectral total de um objeto real e W b é a potência total de radiação emitida pelo corpo negro na mesma temperatura do objeto. Então, considerando a emissividade do material, na Eq. (6), tem-se a radiância espectral total de um objeto real. (5) W o = ε(λ,t).σ.t 4 (6) 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. 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.

5 Para superfícies extremamente polidas temos emissividades inferiores a 0,1 e, para superfícies oxidadas os valores são superiores a 0,95, [Silva et al., 2006]. Além da emissividade, outros parâmetros do objeto analisado devem ser inseridos na câmera tais como temperatura refletida, temperatura atmosférica, distância entre objeto e a câmera e a umidade relativa. A temperatura refletida é aquela admitida para todas as superfícies emissoras no meio adjacente ao objeto em estudo. Enquanto que temperatura atmosférica é a da atmosfera entre objeto e câmera. A distância entre o objeto e a câmera e a umidade relativa são parâmetros inseridos com o objetivo de se calcular a atenuação que a radiação sofre até chegar à lente do equipamento, [Silva et al., 2006]. A câmera de infravermelho ao visualizar um objeto recebe radiações emitidas não só pelo próprio objeto, mas também pelo meio adjacente, refletidas pela superfície do objeto. Ambas as radiações são, em parte, atenuadas pela atmosfera na trajetória da medição. A estas, é adicionada uma terceira contribuição de radiações emitidas pela própria atmosfera. Esse processo é ilustrado na Figura 4, [Bezerra et al., 2006]. Fig. 4: Representação da medição termográfica (a) Objeto Analisado (b) Meio Adjacente (c) Atmosfera. No entanto, a radiação medida pela câmara não depende apenas da temperatura do objeto, mas também da temperatura ambiente e da emissividade do objeto. Essa radiação resulta também do meio externo que se reflete no objeto, [Bezerra et al., 2006]. BANCADA DE TESTES A bancada experimental, Figura 5, 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. 5. Bancada de Teste.

6 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 polos, categoria N, 28 ranhuras, rolamento SKF Z, classe de isolamento B, FS 1,15, Ip/In 7,5, IP 55, 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 curto-circuito 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 Figura 6 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 CC. 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.6. Fotos do estator do motor elétrico que foi rebobinado de forma a permitir o curto-circuito entre espiras. Detecção do Curto-Circuito Inicial através de Fluxo Magnético. Segundo [Thomson, 2001], pode existir um tempo de operação do motor antes que o curto-circuito entre espiras evolua para curto-circuito entre fase-terra e fase-fase, o que justifica o desenvolvimento de sistemas de detecção de falhas. Pode-se dizer que a presença de uma anormalidade no circuito do rotor e ou no circuito do estator irá proporcionar um distúrbio na densidade de fluxo magnético que atravessa o entreferro da máquina, causando uma modificação no espectro de referência e que podem ser identificadas através da análise das componentes de frequências. Segundo [Nandi, 2000] o 21 harmônico rede (1260 Hz) está sempre presente quando há uma falha no estator. Após a comparação de vários espectros de fluxo magnético, pôde-se verificar que os harmônicos 19º e 21º da rede de alimentação foram os mais excitados pela inserção do curto circuito. Esses harmônicos serão considerados como sendo frequências características de falhas. Os espectros de fluxo magnético foram coletados utilizando o equipamento da CSI UltraSpec 8000, através da bobina de fluxo CSI A03430A. Na Figura 7 tem-se o espectro de fluxo magnético para o motor funcionando com 100 % de carga na condição sem defeito. Na Figura 8 tem-se o espectro de fluxo magnético para o motor funcionando com 100 % de carga e três espiras curto circuitadas. Na Figura 9 tem-se o espectro de fluxo magnético para o motor funcionando com 100 % de carga e seis espiras curto circuitadas.

7 1140 Hz 1260 Hz Fig. 7: Espectro de fluxo magnético para o motor funcionando com 100 % de carga na condição sem defeito Hz 1140 Hz Fig. 8: Espectro do fluxo magnético para três espiras em curto-circuito Hz 1260 Hz Fig. 9: Espectro do fluxo magnético para seis espiras em curto-circuito.

8 Visão Lateral Direita Visão Lateral Esquerda VIsão do Topo Resultados Experimentais com a Câmera Termográfica Para a realização dos experimentos a câmera termográfica foi configurada com emissividade de 0,85, após igualar-se a temperatura da câmera a um termopar, tendo assim certeza da temperatura coletada. A umidade relativa e a temperatura ambiente foram preservadas, sendo a primeira monitorada por um termômetro de bulbo úmido e estando em torno de 75%. Foi mantida uma distância, entre o motor e a câmera, de 0,40 m. Antes do inicio do processo de medição, esperouse 2 horas, para que a temperatura do motor se estabilizasse como mostrado em Figura 10. Foram coletados vários termogramas nas condições: sem falhas, curto-circuito entre 3 espiras e curto-circuito entre 6 espiras, Figura 11. Fig. 10: Curva de temperatura de um motor elétrico isolamento classe B. Ausência de Falha Três espiras em curto-circuito Seis espiras em curto-circuito Fig. 11: Termogramas do motor elétrico para os testes realizados.

9 Desta forma foi possível verificar a elevação da temperatura, comparando o motor com presença de falha com a condição sem falha. A área escura no motor representa a área onde houve um maior aquecimento. No termograma superior aparece a área de maior elevação de temperatura. Pode-se observar o aumento de 8,41% do nível de temperatura com curto-circuito de três espiras em relação ao teste sem falhas. CONCLUSÃO Os resultados mostram que a utilização da termografia na detecção do curto -circuito é uma ferramenta de grande auxilio. Juntamente com outras técnicas de manutenção preditiva, a ferramenta torna o processo de inspeção muito mais rápido, pois consegue detectar pontos ou regiões aquecidas, com temperaturas superiores da condição normal de funcionamento. Com a termografia é possível verificar uma grande quantidade de máquinas em um pequeno intervalo de tempo, e assim a análise do fluxo magnético pode ser executada apenas na máquina que apresentar uma temperatura elevada, confirmando-se o curto-circuito. Se a mesma inspeção fosse feita somente com o fluxo magnético, todo o processo seria mais oneroso, pois o tempo necessário aumentaria significativamente. No caso de curto-circuito a redução do tempo de análise torna-se ainda mais importante, pois a evolução de um curto-circuito é muito rápida. Desta forma, a manutenção preditiva dispõe de mais uma aliada, e que torna o processo cada vez mais eficiente e eficaz, aumentando assim a confiabilidade e a disponibilidade dos equipamentos de uma planta industrial, evitandose as paradas não planejadas. REFERENCIAS 1. J. N. Brito, Desenvolvimento de um Sistema Inteligente Híbrido para Diagnóstico de Falhas em Motores de Indução Trifásico. Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica, Universidade Estadual de Campinas, Tese (Doutorado). 2. L. M. R. Baccarini. Detecção e Diagnóstico de Falhas em Motores de Indução. Belo Horizonte, Faculdade de Engenharia Elétrica, Universidade Federal de Minas Gerais, Tese (Doutorado). 3. RoMiotto Instrumentos de Medição Ltda. Como Determinar a Emissividade dos Objetos S. D. A. A. Ferreira. Estudos da aplicação da termografia como ferramenta de manutenção em sistemas elétricos de potencia. Brasília, f. 5. O. Rezende Filho. Aplicações termográficas na Manutenção Onde normalmente erramos! Revista Manutenção y Qualidade, 28 p R. M. Tallam, S. B. Lee, G. Stone, G. B. Kliman, J. Yoo, T. G. Habetle and R. G. Harley. A survey of methods for detection of stator related faults in induction machines. In Diagnostics for Electric Machines, Power Electronics and Drives, SDEMPED th IEEE International Symposium on, pages 35-46, Aug X. Boqiang, L. Heming, L. and S. Liling. Apparent impedance angle based detection of stator winding interturn short circuit fault in induction motors. Industry Applications Conference, th IAS Annual Meeting Conference Record of the, 2: , Oct J. Sottile, F. C. Trutt and J. L. Kohler. Experimental investigation of on-line methods for incipient fault detection in induction motors. In Industry Applications Conference, Conference Record of the 2000 IEEE, volume 4, pages , 8-12 Oct R. N. T. Silva, F. S. Magnani, and R. C. F. Lima. Algumas Aplicações do Uso da Termografia na Detecção de Falhas. IV Congresso Nacional de Engenharia Mecânica, Recife-PE L. A. Bezerra, R. N. T. Silva, J. R. H. Guerrero and F. S. Magnani. Estudo da influência de parâmetros na medição por termografia, IV Congresso Nacional de Engenharia Mecânica, Recife-PE, W. T. Thomson. On-line MCSA to diagnose shorted turns in low voltage stator windings of 3-phase induction motors prior to failure. In Electric Machines and Drives Conference, IEMDC IEEE International, pages , S. Nandi and H. A. Toliyat. Novel Frequency Domain Based Technique To Detect Incipient Stator Inter-Turn Faults In Induction Machines, Electric Machines & Power Electronics Laboratory Dep. of Electrical Engineering, Texas A&M University, 2000.