Análise de corrente de alimentação

1 Análise da Corrente de Alimentação – Introdução

Nest artigo descreve-se análise da corrente de alimentação de motores de indução de corrente alterna com o analisador de vibrações ADASH VA5Pro

A análise da corrente de alimentação de motores de indução 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,
  • A avaliação do rotor é efetuada a partir dos valores nas bandas laterais de passagem de polos em torno da frequência da rede.
• Espiras em curto nos enrolamentos do estator
  • A avaliação do estator é efetuada a partir da diferença de 3 valores de corrente.
• Excentricidade do entreferro
  • A avaliação excentricidade é efetuada a partir de valores nas frequências características de excentricidade.
• Qualidade de energia
  • A avaliação da qualidade de energia é efetuada a partir da distorção harmónica total do sinal de corrente.

Figura 1 – Conclusões da analise da corrente de alimentação, apresentada no ecrã do VA5Pro

2 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.

3 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 estudo efetuado pela ABB.

Figura 2 – Distribuição estatística de avarias em motores elétricos

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

4 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.

5 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.

Figura 3 – Rotor de motor elétrico danificado

6 Análise de corrente de alimentação de um motor elétrico numa fase

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) numa fase do 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 das vibrações 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.

Figura 4 – A análise da corrente de alimentação – o espectro da corrente de alimentação

No exemplo apresentado na Figura 4, 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.

Os equipamentos mais recentes, como o analisador de vibrações ADASH Va5Pro, têm a capacidade de efetuar automaticamente esta análise. A seguir pode-se ver o resultado disponibilizado no ecrã, pelo analisador (rotor, qualidade de alimentação, estator, excentricidade).

Figura 5 – Conclusões da analise da corrente de alimentação, apresentada no ecrã do VA5Pro

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.

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.

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)

7 Análise de corrente de alimentação – O que é a excentricidade de entreferros

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…

Figura 6 – Tipos de excentricidade

O contacto do rotor com o estator

O processo de que leva o rotor a contactar o estator por efeito da excentricidade começa com a diminuição do entreferro de um lado e aumento no lado oposto. Num campo magnético alternado, o resultado da diminuição do entreferro é uma maior força de atração através do espaço menor. A relutância, que é a oposição à passagem do fluxo no caminho do fluxo magnético, é reduzida devido ao menor entreferro. A corrente de magnetização pode gerar mais fluxo através do entreferro menor, levando a uma maior atração e, ao mesmo tempo, o entreferro está a aumentar na direção oposta da máquina. A relutância é maior no entreferro maior, de modo que o fluxo e a tração lateral magnética são reduzidos. A maior tração na lateral do entreferro menor tende a mover o rotor nessa direção, tornando o entreferro ainda menor. Este processo pode continuar até que a folga se torne zero e o rotor entre em contato com o núcleo do estator. No entanto, se existe alguma excentricidade no entreferro, como sempre acontece, por que este contacto não ocorre com mais frequência? A resposta é que o movimento do rotor é restringido pela rigidez mecânica do rotor.

Assinatura elétrica da excentricidade

As cavas do rotor, devido a variações de relutância magnética causadas pelas aberturas das suas cavas, originam componentes de alta frequência na forma de onda do fluxo de entreferro principal de um motor de gaiola de esquilo. Este fenómeno pode induzir fluxo eletromagnético no enrolamento do estator e componentes de corrente consequentes podem fluir no estator.

Essas ondas de fluxo giram em relação ao enrolamento do estator estacionário e as suas frequências são dadas pela seguinte equação:

frs = f[(R∕p) (1 − s) ± nωs]

Onde

• frs = frequências de passagem de cavas do rotor em Hz, uma série de frequências componentes espaçados duas vezes a frequência de alimentação
• f = frequência de alimentação
• R = número de cavas do rotor
• p = pares de polos
• s = frequência de deslizamento
• nωs = inteiros para o domínio fundamental do tempo mmf (nωs = +1), e seus harmónicos ímpares, 3, 5,…

Exemplo de efeito de excentricidade nas vibraçoes

A seguir pode-se ver o efeito nas vibrações, da frequência de passagem de cavas, a oscilar em amplitude, ao longo dos ciclos de dia-noite, num motor com a carcaça exposta ao sol e, portanto, sujeita a deformações de origem térmica, com o período de 24 horas.

Figura 7 – Efeito da excentricidade nas vibrações devido a aquecimento assimétrico da carcaça de um motor por exposição à luz solar.

A importância de se saber o número de barras do rotor

Esta informações tem de estar disponível para a excentricidade podes ser avaliada.

Os equipamentos mais recentes, como o analisador de vibrações ADASH Va5Pro tem a capacidade de efetuar automaticamente esta análise. A seguir pode-se ver o resultado disponibilizado no ecrã.

Figura 8 – A avaliação da excentricidade

As frequências características de excentricidade são marcadas no espectro anterior. Isso significa frequência de passagem da barra do rotor (fRBPF) e suas bandas laterais ímpares (fRBPF +/- fL e fRBPF +/- 3fL). Os limites para identificação de excentricidade também estão marcados.

8 Análise de corrente de alimentação – Qualidade de energia

A avaliação da qualidade de energia é efetuada a partir da distorção harmónica total do sinal de corrente.

Figura 9 – Medição do conteúdo de harmónicas na corrente de alimentação

As harmónicas da frequência da rede estão assinaladas no espetro.

A conclusão da avaliação e dada imediatamente pelo analisador.

Figura 10 – Aviso! As correntes incluem harmónicos. Elas provavelmente são causadas pela alimentação ou desequilíbrio eletromagnético no motor.

9 Análise de corrente de alimentação – Deteção de curto-circuito nas bobines no estator

A avaliação do estator é efetuada a partir da diferença de 3 valores de corrente.

Todavia, em relação a este tipo de avarias é de referir que os curtos-circuitos em bobinas num enrolamento do estator, não podem ser sujeitos a analise de tendência, pois ou existem ou não existem e, se presentes, em breve se transformarão numa falha de fase para terra.

No analisador são apresentados os valores de corrente nas três fases.

Figura 11 – Resultados das medidas de corrente nas três fases em simultâneo.

Também se pode ver a diferença de fase entre fases.

Figura 12 – Diferença de fase entre as fases

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

Um crivo rotativo com uma configuração idêntica à ilustrada na Figura 13, 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 com um analisador de vibrações.

Figura 13 – Análise da corrente de alimentação – Esquema da máquina com indicação dos pontos de medição de vibrações

10.1 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 14), a condição do motor era considerada aceitável e não apresentava qualquer alteração considerada significativa.

Figura 14 – Análise da corrente de alimentação – gráfico de tendência do nível global de vibrações registado no ponto 2

10.2 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 15.

Figura 15 – 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 16). 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.

Figura 16 – 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 17).

Figura 17 – 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 18), 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)

Figura 18– 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

10.3 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.

10.4 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 19, 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 19 – Análise da corrente de alimentação – Espectro de frequência da corrente de alimentação do motor

10.5 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 20, os níveis vibrométricos registados baixaram para os valores característicos da máquina em análise.

Figura 20 – 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 21.

Figura 21 – 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 22).

Figura 22 – Análise da corrente de alimentação – Espectro de frequência da corrente de alimentação do motor registado após a sua substituição

10.6 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 23– Análise da corrente de alimentação – Fotografias do rotor do motor substituído