Controlo de Condição de Motores Eléctricos de Indução Trifásicos (Análise de Vibrações versus Análise de Corrente Eléctrica)

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1 Controlo de Condição de Motores Eléctricos de Indução Trifásicos (Análise de Vibrações versus Análise de Corrente Eléctrica) António A. Roque*, J. M. F. Calado** e José M. Ruiz*** *DatAnálise, Serviços e Técnicas de Manutenção, Lda Rua João Teixeira Simões nº 2 1º andar Oeiras, Portugal aroque@datanalise.pt aroque@dem.isel.ipl.pt **IDMEC/ISEL - Instituto Superior de Engenharia de Lisboa Polytechnic Institute of Lisbon, Mechanical Engineering Department Rua Conselheiro Emídio Navarro, Lisboa, Portugal jcalado@dem.isel.ipl.pt *** DatAnálise España, SL Centro de Negócios Villafranca, Local Villafranca del Castillho Madrid España jruiz@datanalise.es (Versão DAweb artec02) Resumo Os motores eléctricos e sobretudo os motores eléctricos de indução trifásicos fazem hoje parte integrante, do accionamento da maioria das cadeias cinemáticas existentes na indústria. O objectivo deste trabalho é estudar os defeitos que ocorrem nestes equipamentos e sobretudo estabelecer uma metodologia que permita saber quais das técnicas de diagnóstico análise de vibrações e/ou análise de corrente eléctrica - serão as mais eficazes ou as mais sensíveis na detecção desses defeitos, facilitando o processo da análise dos dados e respectivo diagnóstico. 1. Introdução Durante os últimos anos surgiram no mercado novas ferramentas orientadas para o controlo de condição de motores eléctricos (Ilonen et al., 2005; Singh and Kazzaz, 2003), baseadas no tratamento do sinal eléctrico (medida de tensão e de corrente eléctrica). A utilização de tais ferramentas suportadas em hardware específico mas e sobretudo, apoiadas em software inovador permite hoje ao técnico de manutenção ou ao analista responsável por garantir a fiabilidade dos activos, ajuizar com alguma segurança, do estado de conservação ou de condição dos motores eléctricos (Lin et al., 2005; Newland and Ungar, 1990). Este trabalho combina a abordagem clássica da aplicação da técnica da análise de vibrações (Vibration Analysis) (Lee, 1993) com a técnica da análise de corrente em motores eléctricos (MCA - Motor Current Analysis ou MCSA Motor Current Ssignature Analysis ) (Kliman and Stein, 1992; Thomson and Fenger, 2001; Benbouzid, 2000) com o objectivo de reforçar o diagnóstico por um lado e por outro lado ao confrontar os resultados da aplicação das duas técnicas investigar e tentar apontar em que situações é que uma das técnicas prevalece ou é mais sensível, em relação a outra técnica. Como é sabido muitos problemas mecânicos que ocorrem nos motores eléctricos podem gerar problemas eléctricos ou manifestarem-se como problemas eléctricos e o inverso também ocorre (Bellini et al., 2001). Por exemplo um desalinhamento severo pode criar variação do entre-ferro e como tal, ambas as técnicas referidas devem poder evidenciar o problema. Possivelmente o resultado de uma das técnicas será eventualmente mais fácil de interpretar, eliminando as dúvidas e contribuindo para a segurança do diagnóstico. Os motores de indução trifásicos são comparativamente mais baratos, tem elevada fiabilidade, apresentam uma solução construtiva muito simples, tem rendimento elevado e funcionam de forma suave e contínua. Por todas estas razões estes motores são mais utilizados nos accionamentos das cadeias cinemáticas industriais. Com a generalização dos variadores de velocidade electrónicos, através da variação da frequência da rede eléctrica de alimentação, começou a surgir no mercado com grande aplicação a solução de motorização, que associa a variação electrónica de velocidade e o motor de indução. Esta solução encontra-se em franca expansão nomeadamente nas indústrias de processo onde a variação de velocidade surge como um parâmetro de controlo na optimização da equação do rendimento. São exemplos desta solução o controlo de grupos electrobombas onde o processo exige caudal e pressão variáveis ou o controlo da velocidade linear numa máquina de produção de papel. Foi expressamente projectado e construído para este trabalho, um modelo físico para simular os vários defeitos constituído por, um motor de indução trifásico acoplado um variador electrónico de carga, um variador electrónico de frequência e um quadro eléctrico. Este modelo físico permitirá simular, recolher dados e tipificar as avarias mais frequentes a que estão sujeitos os motores eléctricos de indução. Será pois interessante estudar a resposta dinâmica destes equipamentos em funções das várias solicitações associadas aos defeitos responsáveis pelas

2 avarias mais frequentes e encontrar metodologias eficientes ao confrontar técnicas auxiliares de diagnóstico para controlar o estado de condição dos motores eléctricos e em particular os motores eléctricos de indução. No sentido orientar o referido estudo pode-se observar no gráfico seguinte (Figura 1) a distribuição de avarias dos motores eléctricos de indução associadas á falência funcional dos seus órgãos mecânicos DatAnálise Figura 1 Quadro de distribuição de avarias nos motores eléctricos de indução Neste primeiro trabalho será abordado o problema de barras partidas 2 Técnicas de diagnóstico de avarias em motores eléctricos 2.1- Análise de vibrações A análise de vibrações é uma técnica de controlo da condição de aplicação horizontal aplica-se a todo e qualquer equipamento rotativo e como tal também é natural que seja utilizada para detectar avarias em motores eléctricos. A análise de vibrações detecta problemas de origem mecânica porque forças dinâmicas de origem mecânica surgem no interior do equipamento e o seu aparecimento ou crescimento irá determinar a severidade do problema. Se forças dinâmicas de origem electromecânica surgiram no equipamento o campo magnético gerado no interior do motor cria fluxos magnéticos que induzem forças electromagnéticas - tais forças serão também suportadas pelos apoios. Como forças dinâmicas que são as forças de origem eléctrica também serão detectadas através da análise de vibrações a semelhança das forças de origem mecânica. Figura XX Corte de um motor de indução: 1 estator 2 slots ou cavas 3 - rotor 4 - barras do rotor e 5 veio do motor Motor com 24 slots e 34 barras Alguns dos problemas que podem ser detectados num motor de indução de rotor em curto-circuito, através da análise de vibração, Figura xx,: Ao nível do estator Estator solto Estator excêntrico Curto-circuito nas chapas de ferro magnético Ao nível do rotor Rotor com barras soltas ou partidas Rotor excêntrico Excentricidade estática e dinâmica Curto-circuito nas chapas de ferro magnético Rotor empenado devido a diferencial de temperatura Análise de vibrações cálculo das frequências de interesse As frequências associadas aos motores eléctricos podem ser determinadas de forma simples tendo em conta o seu modo de funcionamento: Frequência do campo girante: Onde: Velocidade síncrona do campo magnético em Hz

3 ou ainda, Número de pólos do estator Frequência da rede em Hz Onde, Número de barras do rotor Velocidade de rotação do rotor Velocidade síncrona do campo magnético em Rpm Pode-se então escrever: Frequência das ranhuras (slots) do estator A frequência das ranhuras (slots) do estator é dada pela expressão Onde: Escorregamento Velocidade de rotação do rotor No quadro seguinte encontram-se os valores mais frequentes para a velocidade síncrona em Rpm em função do número de pólos do estator e da frequência da rede eléctrica. Figura xx Velocidade síncrona em função do nº de pólos e frequência da rede Frequência de deslizamento ou escorregamento: A frequência de deslizamento é dada pela expressão: onde Frequência de deslizamento Frequência passagem dos pólos A frequência de passagem dos pólos é dada pela expressão: onde, Número de pólos do estator Frequência passagem das barras do rotor A frequência de passagem das barras d rotor é dada pela expressão onde, Número de slots do estator Velocidade de rotação do rotor Análise de vibrações Espectros típicos Barras partidas O espectro de frequências típico, retirado do sinal no tempo recolhido num ponto físico do motor (por exemplo lado do ataque na direcção vertical) e associado ao problema de barras partidas apresenta a frequência de rotação do rotor (1xrpm) e harmónicas (2x, 3x, 4x, x Rpm) com bandas laterais à frequência de passagem dos pólos. Para ser possível visualizar as bandas laterais é necessário que o espectro seja de alta resolução (3200 linhas de resolução e frequência máxima de interesse Fmax - não superior a 10 x Rpm). Se adicionalmente for recolhido o espectro de alta frequência com Fmax superior a 2x a frequência de passagem das barras do rotor será possível observar as frequências 1x e 2x com bandas laterais a 2x - frequência da linha Outros defeitos Os espectros de frequência associados aos defeitos tais como excentricidade estática, excentricidade dinâmica e desequilíbrio de fases serão abordados em próximos trabalhos Análise da corrente eléctrica - MCA ou MCSA A análise do sinal da corrente eléctrica do motor MCA ou MCSA - é uma das técnicas auxiliares de diagnóstico mais utilizadas para detectar defeitos em motores de indução Barras partidas Esta técnica parte da análise espectral da corrente do estator para detectar barras partidas ou fissuradas no rotor. O espectro de frequências típico, retirado do sinal de corrente e associado ao problema de barras partidas apresenta a frequência da rede (frequência da linha - ) como frequência central e bandas

4 laterais espaçadas da frequência de passagem dos pólos. As frequências das bandas laterais referidas podem ser calculadas através da expressão: ou com =1,3,5 A identificação das bandas laterais poderá ser difícil ou mesmo impossível para valores de escorregamento pequeno, i.e. para o regime de carga em vazio do motor. Para regimes de funcionamento entre 50% a 80% da carga máxima as bandas laterais serão francamente visíveis como será confirmado na parte experimental deste trabalho. O procedimento para avaliar a severidade do estado de condição do rotor consiste em determinar a diferença em amplitude entre as bandas laterais e a amplitude da frequência da rede. Quanto menor for essa diferença maior será a amplitude das bandas laterais, maior será a modulação em amplitude do sinal no tempo (sinal da corrente eléctrica) e maior será o número de barras com defeito. Na Figura xx encontra-se o quadro de severidade em função da diferença das amplitudes em db e o número de barras com defeito. Figura xx - Diagrama funcional parte experimental Modelo didáctico utilizado Figura xx Severidade da condição do rotor em função do estado das barras Outros defeitos Os defeitos tais como excentricidade estática, excentricidade dinâmica e degradação mecânica ou eléctrica do estator serão abordados em próximos trabalhos. Foi construído um modelo didáctico constituído por um motor onde serão introduzidos os defeitos em estudo neste caso barras partidas - acoplado directamente a uma unidade de variação de carga electrónica. A Figura xx pode-se observar o modelo didáctico referido. 5 - Análise Experimental Problema de barras partidas No sentido de simular os vários defeitos que podem ocorrer num motor eléctrico de indução trifásico foi instalado um sistema de análise e medida associado a um modelo didáctico constituído basicamente por um motor onde será introduzido um defeito - neste caso barras partidas. Na figura seguinte encontra-se representado o diagrama funcional do sistema experimental utilizado. Figura xx - Modelo didáctico utilizado 1 - Motor de teste, 2 - unidade electrónica de carga variável

5 5.2 - Introdução do defeito Para estudar o defeito barras partidas foi utilizado um rotor, no qual após maquinação, utilizando uma fresadora, foram eliminadas corte duas e posteriormente quatro barras como se pode observar na Figura xx Iniciaram-se os ensaios com um motor sem qualquer defeito para servir de base ao estudo. Os espectros obtidos encontram-se na Figura xx Como seria de esperar os dois espectros apresentam valores muito semelhantes salvo a translação na escala das frequências devido a redução da velocidade de rotação do rotor por ter sido incrementada a carga. 2 1 Figura xx Rotor com barras partidas 1 - Motor com 4 barras partidas, 2 - Motor com 2 barras partidas 5.3- Dados experimentais - rotor com barras partidas Análise de Vibrações A - Motor sem defeito Foram efectuadas várias medidas de vibração espectros em mm/s - com elevada resolução, 3200 linhas e frequência máxima de Cpm. Foram também considerados dois regimes de funcionamento, motor em vazio e motor sujeito a carga máxima. Figura xx Motor novo - Espectros de frequência em g,s Pico Motor em vazio e em carga 1xRpm Variação da rotação do rotor com a carga Motor sem defeito em vazio Os dois espectros da Figura xx medidos em aceleração, 3200 linhas e com a frequência máxima fixada em Cpm, indicam que o efeito da carga não tem influência significativa. Alias neste caso de motor sem problemas o regime em vazio apresenta valores das amplitudes relativamente maiores que os medidos para o regime de plena carga. Tal deve-se ao facto de em vazio a unidade de controlo de carga introduzir maior ruído. B - Motor com 2 barras partidas 1xRpm Motor sem defeito em carga Figura xx Motor novo - Espectros de frequência de alta resolução em mm/s Rms motor em vazio e em carga A análise de vibrações ao motor com duas barras partidas revela no espectro em mm/s Rms o aparecimento de bandas laterais em volta da frequência de rotação quando o motor é sujeito a alguma carga. Em vazio as bandas laterais não são visíveis pois o escorregamento é quase nulo (1 ou 2 rpm) e não existe resolução suficiente no espectro para separar estas frequências tão próximas da frequência de rotação do rotor.

6 frequência de passagem das barras e bandas laterais distanciadas quando de motor se encontra em carga. O motor em vazio a análise espectral é mais difícil ou impossível dado o baixo escorregamento. C - Motor com 4 barras partidas A análise de vibrações ao motor com quatro barras partidas revela a mesma dificuldade de identificação das frequências durante o seu regime em vazio dificuldade já anteriormente referida. Em carga as frequências são mais visíveis e com amplitudes relativamente maior em relação ao caso com duas barras partidas, facto este que se pode observar na Figura xx. São visíveis mais bandas laterais da frequência de passagem dos pólos em volta da frequência de rotação (1427 Cpm) e suas harmónicas (2x, 3x, 4x, 5x Rpm) Figura xx Motor com duas barras partidas Espectros de frequência em mm/s Rms motor em vazio e em carga È possível ainda observar a frequência de passagens dos pólos Figura xx Motor com quatro barras partidas Espectros de frequência em mm/s Rms motor em vazio e em carga Os espectros em aceleração Figura xx também revelam, comparativamente com o motor com duas barras partidas, maiores amplitudes para o mesmo regime de carga. Figura xx Motor com duas barras partidas - Espectros de frequência em g,s Pico Motor em vazio e em carga Os dois espectros da Figura xx medidos em aceleração permitem observar, no caso em análise, a

7 Figura xx Quadro resumo de um motor em carga e sem problemas no rotor 1xRpm Motor com quatro barras partidas em vazio Bandas Laterais 2x FL = 6000 Cpm 1xRpm F pbarras 2x F pbarras Motor com quatro barras partidas em carga Figura xx Espectro da corrente de um motor em carga e sem problemas no rotor No entanto deve-se referir que a única situação anormal observada é a qualidade da tensão e corrente eléctrica proveniente do variador de frequência elevada distorção harmónica. Figura xx Motor com quatro barras partidas - Espectros de frequência em g,s Pico Motor em vazio e em carga Análise de Corrente Eléctrica MCA ou MSCA A - Motor sem defeito A análise de corrente eléctrica do motor em teste foi efectuada tendo em conta a carga, a frequência da rede de alimentação e naturalmente em função do defeito no rotor motor sem qualquer defeito, motor com duas barra partidas e com quatro barras partidas. Na Figura xx e xx encontra-se o quadro resumo e o espectro da corrente do motor, em carga e sem qualquer defeito no rotor. Os valores correspondentes ao motor em vazio não acrescentam qualquer informação adicional e relevante, razão pela qual não são aqui apresentados. B - Motor duas barras partidas A análise da corrente eléctrica do motor, com duas barras partidas, Figura xx, demonstra a importância do regime de carga do motor na detecção desta anomalia. Assim, em vazio, o problema não é observado e pelo contrário, no espectro de corrente, com o motor em carga máxima, as bandas laterais são bem visíveis e com amplitudes a ultrapassar o valor de alerta linha amarela -

8 Figura xx Espectro da corrente de um motor com duas barras partidas em vazio e em carga C - Motor quatro barras partidas No caso do motor com quatro barras partidas, Figura xx, a severidade da anomalia é tal que já se identifica mesmo no regime de carga em vazio. As bandas laterais encontram-se espaçadas da frequência da rede apresentando o valor de nível de alerta. Figura xx Espectro da corrente de um motor com quatro barras partidas em vazio e em carga No espectro da corrente, com o motor em carga máxima são bem visíveis as bandas laterais como amplitudes a ultrapassar o valor de alarme - a linha vermelha -. D- Análise Comparativa Os gráficos que a seguir se apresentam referemse a análise comparativa dos dois casos anteriormente estudados: duas e quatro barras partidas. A Figura xx representa o escorregamento em função da carga do motor. Constata-se que o nº de barras partidas pouca influência tem no deslizamento do motor. Figura xx Variação do escorregamento com a carga

9 Figura xx Variação da amplitude da banda lateral inferior com a carga A partir de 50% da carga a, Figura xx, a amplitude da banda inferior não varia significativamente pelo que a severidade da anomalia barras partidas - poderá ser estabelecida sem necessidade de medir o motor em regime de carga superior. A variação da amplitude da banda superior em função da carga, Figura xx, tem um comportamento ligeiramente diferente do observado para banda inferior. Neste caso o patamar só ocorre para valores da carga a partir de 75 % da carga máxima. No entanto esta banda não é a que se utiliza com referência para determinar a severidade da anomalia. A análise de vibrações realizada no motor alvo deste estudo com duas e quatro barras partidas permitiu identificar o problema embora com alguma dificuldade. No caso da análise de vibrações aplicada como ferramenta de controlo de condição, porque é necessário recolher espectros de alta resolução, os tempos de aquisição serão mais elevados e eventualmente compatíveis com a aquisição de dados em massa, isto é, em rotina Controlo de Condição. Se a resolução for mais baixa (inferior a 3200 linhas) análise será mais difícil e possivelmente não será fácil separar as frequências de interesse referidas neste trabalho. Por outro lado e talvez constituindo o argumento com mais importância, será o facto de, no campo a aquisição de dados no motor ser afectada pelo comportamento dinâmica da máquina movida. As frequências originadas pela máquina movida e as respectivas amplitudes serão visíveis nos espectros recolhidos no motor introduzindo dificuldades adicionais à análise e detecção da anomalia barras partidas - e naturalmente impedindo a elaboração de diagnóstico seguro. A análise da corrente eléctrica MCA revelouse ser, no caso deste defeito barras partidas uma ferramenta muito mais sensível e como tal permitiu a identificação mais rápida da anomalia. Como inconveniente desta técnica recorda-se a dificuldade na recolha sistemática dos dados em rotina, pois embora a aquisição seja rápida a necessidade de garantir condições físicas e de segurança para a aquisição dos sinais em corrente e tensão, impede ou torna morosa, a fase de recolha. Como conclusão e no caso de equipamento críticos críticos em termos da sua inserção no processo industrial ou/e críticos em termos económicos - onde os argumentos referidos anteriormente perdem algum peso, a utilização das duas técnicas em simultâneo será a opção mais correcta. O diagnóstico será muito mais seguro se, após a análise em paralelo dos dados recolhidos pelas duas técnicas, as conclusões forem as mesmas. Figura xx Variação da amplitude da banda lateral superior com a carga A observação dos dois últimos gráficos também permitem concluir que a amplitude das bandas laterais inferior e superior aumenta com o aumento do número de barras com defeito. Em trabalhos futuros serão estudados outros defeitos excentricidade estática excentricidade dinâmica e desequilíbrio de fases - utilizando a mesmo modelo experimental e a mesma metodologia seguida neste primeiro trabalho de forma a complementar as conclusões agora expressas. 6 Conclusões

10 Referências [1] Bellini, A., Filippetti, F., Franceschini, G., Tassoni, C., Kliman, G. B. (2001), Quantitative evaluation of induction motor broken bars by means of electrical signature analysis, IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 37, No. 5, September/October, pp [2] Benbouzid, M. H. (2000), A Review of Induction Motors Signature Analysis as Medium for Faults Detection, IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 47, No. 5, October, pp [3] Ilonen, J., Kamarainen, J.-K., Lindh, T., Ahola, J., Kalviainen, H. e Partanen, J. (2005), Diagnosis tool for motor condition monitoring, IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 41, No. 4, July/August, pp [4] Kliman, G. B. e Stein, J. (1992), Methods of Motor Current Signatures Analysis, Electric Power Components and Systems, Vol. 20, No. 5, pp [5] Lee, C.-W. (1993), Vibration Analysis of Rotors, Kluwer Academic Publishers, USA. [6] Liu, L., Logan, K. P. e Cartes, D. A. (2005), Fault detection, diagnosis, and prognostics: software agent solutions, 2005 IEEE Electric Ship Technologies Symposium, July, Philadelphia, USA, pp [7] Newland, D. E. e Ungar, E. E. (1990), Mechanical Vibration Analysis and Computation, Journal of the Acoustical Society of Amarecica, Vol. 88, No. 5, November, pp [8] Singh, G. K. e Kazzaz (2003), Induction machine drive conditioning, monitoring and diagnostic research a survey, Electric Power Systems Research, Vol. 64, No. 2, February, pp [9] Thomson, W. T. e Fenger, M. (2001), Current signature analysis to detect induction motor faults, IEEE Industry Applications Magazine, Vol. 7, No. 4, July/August, pp