Introdução
O monitoramento de condições é uma ferramenta valiosa para detectar falhas e analisar a saúde dos motores. Os motores são amplamente usados em várias aplicações industriais e podem apresentar vários problemas ao longo do tempo. Esses problemas podem levar à diminuição da eficiência, aumento dos custos de manutenção e falha do motor se não forem resolvidos prontamente. O monitoramento de condições ajuda a identificar essas falhas logo no início, permitindo manutenção oportuna e prevenindo quebras dispendiosas. O monitoramento de condições também é valioso para garantir que os motores estejam operando em um estado que impeça o desenvolvimento de falhas elétricas.
Como os motores são elétricos e mecânicos por design, ambos os tipos de falhas são comuns. Um equívoco comum é que o monitoramento de vibração só pode detectar defeitos mecânicos em um motor e que o monitoramento elétrico só pode detectar falhas elétricas em um motor. Na realidade, há uma sobreposição nessas técnicas para identificar falhas relacionadas ao motor devido aos princípios físicos de funcionamento de um motor.
O objetivo deste artigo é resumir falhas elétricas em motores, como detectá-las e métodos de prevenção.
Princípios de operação do motor
Para entender melhor as falhas elétricas do motor, há alguns princípios-chave em torno da função de um motor que precisam ser compreendidos. Isso ocorre principalmente no caso de um motor de indução, onde a velocidade de rotação do campo magnético induzido (definida pela frequência da linha elétrica e número de polos do motor) difere da velocidade de rotação mecânica do motor. Essas definições estão abaixo:
- Frequência da linha:A frequência da linha é a frequência da corrente alternada (CA) fornecida ao motor de indução pela rede elétrica. Na maioria das regiões, a frequência da linha padrão é 50 Hz ou 60 Hz. A frequência da linha determina a taxa na qual os campos magnéticos nos enrolamentos do estator alternam a polaridade, o que, por sua vez, induz correntes no rotor para produzir torque e rotação.
- Número de pólos do motor:O número de polos em um motor de indução afeta diretamente suas características operacionais e desempenho. Motores de polos mais altos têm velocidades síncronas mais baixas e capacidades de torque mais altas. Motores de 2 e 4 polos são os mais comuns.
- Velocidade síncrona do motor:A velocidade síncrona de um motor se refere à velocidade rotacional teórica do campo magnético do motor criado pelos enrolamentos do estator. Ela é determinada pela frequência da corrente alternada (CA) fornecida ao motor e pelo número de polos magnéticos no motor.
A velocidade síncrona (Ns) de um motor CA é dada pela seguinte fórmula:
Ns = (120 * f) / P
Onde:
Ns = Velocidade síncrona em revoluções por minuto (RPM)
f = Frequência da linha em Hertz (Hz)
P = Número de polos do motor
- Velocidade do rotor:A velocidade mecânica de rotação do rotor e do eixo. Isso está sempre atrasado em relação à velocidade síncrona para motores de indução. Para motores de ímã permanente, isso é igual à velocidade síncrona.
- Frequência de deslizamento:A frequência de deslizamento é a diferença entre a velocidade síncrona do campo magnético rotativo no estator e a velocidade real do rotor. O deslizamento também é frequentemente calculado como uma porcentagem (razão entre a velocidade de deslizamento e a velocidade síncrona), mas para este artigo estamos focados na frequência de deslizamento porque ela é usada para determinar a frequência de passagem do polo.
A frequência de deslizamento (F_s) pode ser calculada usando a seguinte fórmula:
F_s = (Ns - Nr)
Onde:
Ns = Velocidade síncrona (em revoluções por minuto ou RPM)
Nr = Velocidade do rotor (em RPM)
- Frequência de passagem de pólo:A frequência de passagem de polo é a frequência na qual os campos magnéticos do enrolamento do estator "passam" um pelo outro conforme o rotor gira. É uma função tanto da frequência da linha quanto do número de polos no motor.
A frequência de passagem de pólos (F_p) pode ser calculada usando a seguinte fórmula:
F_p = F_s * P
Onde:
F_s = Frequência de deslizamento
P = Número de pólos
- Frequência de passagem da barra do rotor:O frequência gerada com base no número de barras do rotor em um motor e na velocidade do rotor. Isso geralmente é difícil de obter com base na dificuldade de determinar o número de barras do rotor em um motor, mas geralmente ocorre em frequências mais altas.
A frequência de passagem da barra do rotor (F_rb) pode ser calculada usando a seguinte fórmula:
F_rb = #rb * Nr
Onde:
#rb = Número de barras do rotor do motor
Nr = Velocidade do Rotor
A capacidade de detectar falhas elétricas do motor depende da tendência confiável dos níveis de amplitude dessas frequências.
O benefício de detectar o fluxo magnético de um motor
Das definições acima, fica bem claro que calcular e fazer a tendência desses valores de frequência para cada amostra de motor pode ser bastante demorado. Isso é especialmente verdadeiro para motores de indução com velocidades e cargas variadas. Ao detectar o fluxo magnético do motor, a frequência da linha pode ser determinada. Simultaneamente, a velocidade do rotor pode ser determinada a partir dos dados do acelerômetro. Com essas 2 variáveis definidas, as frequências restantes podem ser facilmente obtidas e analisadas para desenvolvimento de falhas.
Tipos de falhas elétricas do motor
Falhas elétricas do motor são tipicamente classificadas como falhas relacionadas ao rotor ou falhas relacionadas ao estator. Isso se deve principalmente às suas assinaturas de falha e causas raiz. As falhas comuns e suas assinaturas são descritas abaixo.
As falhas do rotor são focadas em defeitos de uma ou várias barras do rotor, ou excentricidade do rotor. Ao diagnosticar a excentricidade do rotor, as frequências críticas a serem examinadas são múltiplos do RPM do rotor (1X, 2X, 3X, 4X, 5X) com bandas laterais espaçadas em 2X a frequência da linha.
Excentricidade do rotor
Para problemas de barra de rotor, as frequências críticas são múltiplos da frequência de passagem da barra de rotor (1X, 2X) com bandas laterais espaçadas em 2X a frequência de linha ou 2X a frequência de passagem do polo.
Defeitos na barra do rotor
As falhas mais comuns do estator são excentricidade do estator, laminações em curto ou conexões soltas. Excentricidade do estator e laminações em curto são encontradas com altas amplitudes em 2X a frequência da linha. Elas também são muito direcionais devido a uma folga de ar irregular.
Excentricidade do estator, laminações em curto
Conexões frouxas se apresentam como um problema de fase e têm alta vibração em 2X a frequência da linha com espaço de bandas laterais em ⅓ da frequência da linha.
Conexões soltas ou quebradas
Uma coisa importante a ser notada é que essas falhas são identificadas com vibração e captadas pelo acelerômetro. O sensor de fluxo magnético permite um valor rápido e preciso da frequência da linha para identificar essas frequências e localizar a falha. Também é importante mencionar que a carga do motor desempenha um papel importante na identificação dessas falhas. Uma carga maior do motor gera um campo magnético mais forte, o que resulta em forças desiguais para causar a vibração.
Métodos de detecção adicionais
Além do monitoramento de vibração, existem métodos adicionais para descobrir falhas elétricas em motores. O método mais conhecido é a Análise de Circuito do Motor (MCA), que é um teste feito com o motor offline usado para identificar várias falhas, como perda de isolamento. Métodos adicionais, como Análise de Assinatura Elétrica (ESA) e Análise de Assinatura de Corrente do Motor (MCSA), podem ser feitos online e usar dados da tensão, corrente ou ambos para identificar falhas.
Esses métodos são extremamente valiosos quando falhas de motor estão se desenvolvendo devido a problemas de qualidade de energia. Eles também podem detectar falhas elétricas em um estágio anterior. Um resumo desses métodos é mostrado na tabela abaixo.
| MCA | ESA | MCSA |
|---|
Objetivo principal | Teste os circuitos elétricos e o sistema de isolamento de um motor elétrico, procurando principalmente por problemas relacionados à quebra ou contaminação do isolamento. | Analisar a saúde elétrica e mecânica de equipamentos rotativos. Tem capacidade de detectar algumas falhas mecânicas na assinatura elétrica | Visa especificamente motores elétricos e falhas elétricas, analisando os padrões de assinatura atuais. |
Off-line/On-line | Requer circuito do motor offline | Requer que o motor esteja funcionando | Requer que o motor esteja funcionando |
Voltagem medida | Sim (para teste de isolamento) | Sim | Não (somente análise atual) |
Corrente Medida | Sim | Sim | Sim |
Outra ferramenta útil para monitoramento preditivo de motores é a termografia. O conceito principal aqui é determinar se o motor está funcionando em temperaturas elevadas e procurar por potenciais pontos quentes localizados. Pontos quentes localizados podem indicar curtos parciais no estator do motor. Um exemplo disso é fornecido abaixo.
O benefício oculto do monitoramento contínuo
Falhas elétricas do motor geralmente não são detectadas até que o ponto de falha seja atingido. Quando isso acontece, o motor é substituído e, devido à sua complexidade, muitas vezes não são desmontados para determinar a causa raiz da falha. Isso pode levar a falhas repetitivas e problemas crônicos.
O monitoramento de condições ajuda a evitar isso fornecendo dados contínuos para as variáveis que afetam a saúde do motor. O monitoramento das temperaturas do motor garante que a degradação do isolamento não esteja ocorrendo. Isso também é verdadeiro para o desgaste do rolamento, o que pode levar a inconsistências no entreferro e, em alguns casos, contato do rotor com o estator. Ter essas informações adicionais pode ajudar a concluir as causas raiz do desenvolvimento de falhas. Isso permite uma mudança de foco da análise de causa raiz da falha post mortem para a análise de causa raiz da falha, o que maximiza a vida útil do ativo e aumenta muito a confiabilidade e reduz os custos gerais de manutenção.
Causas comuns de falhas elétricas do motor
A detecção de falhas elétricas do motor e o trabalho corretivo em torno dessas falhas podem fornecer um rápido aumento na confiabilidade ao mover o trabalho de uma quebra não planejada para um reparo programado. Esse aumento na confiabilidade geralmente não é percebido no orçamento de manutenção. Para reduzir os gastos com manutenção, é importante entender as causas raiz do desenvolvimento de falhas e definir um plano para minimizá-las. Abaixo está uma tabela com as causas raiz típicas associadas às falhas discutidas anteriormente.
Falhas elétricas do motor | Causas comuns de raiz |
|---|
Excentricidade do rotor | - Distribuição desigual de carga no rotor. |
- Desalinhamento entre rotor e eixo. |
- Defeitos ou desgaste dos rolamentos. |
Defeitos na barra do rotor | - Sobrecarga ou partidas/paradas frequentes. |
- Temperatura excessiva levando à falha do isolamento da barra. |
- Vibração ou tensões mecânicas que causam quebra de barras. |
Excentricidade do estator | - Desalinhamento entre o estator e a carcaça. |
- Empenamento da estrutura do motor devido a um pé mole. |
- Entreferro irregular devido a problemas de fabricação ou montagem. |
Laminações em curto | - Superaquecimento causado pela alta temperatura do motor. |
- Partidas e paradas excessivas, levando a tensões térmicas. |
- Defeitos nos rolamentos que causam estresse mecânico nas laminações. |
- Contaminação do isolamento. |
Terminações quebradas ou soltas | - Vibrações ou tensões mecânicas devido a desalinhamento ou defeitos nos rolamentos. |
- Ciclagem térmica causando expansão/contração de conexões. |
- Altas correntes elétricas que levam à geração de calor e enfraquecimento das conexões. |
Nem é preciso dizer que a fabricação e o trabalho de reparo de motores também são uma causa raiz muito comum para falhas elétricas de motores. Reparar um motor é um processo complicado e intrincado que requer uma quantidade substancial de controle de qualidade. Por esse motivo, existem várias associações para ajudar a identificar oficinas de reparo respeitáveis. Uma das organizações de acreditação mais conhecidas para trabalhos de reparo de motores é a EASA. Escolher uma oficina de reparo credenciada pela EASA pode ajudar muito na obtenção de um trabalho de reparo confiável. Um benefício adicional do monitoramento contínuo é identificar trabalhos de reparo ruins e encontrar esses casos de mortalidade infantil.
Resumo
O monitoramento de condições para detectar falhas elétricas do motor pode ser útil para determinar a saúde do motor. Identificar essas falhas requer a compreensão de múltiplas frequências geradas pela física em torno do design de cada motor sendo monitorado. Saber a frequência da linha que vai para o motor e a velocidade de rotação do motor simplifica muito o processo de coleta dessas frequências críticas.
As assinaturas de vibração são bem conhecidas e documentadas para as falhas elétricas específicas discutidas. Na prática, muitas vezes as assinaturas não são claramente óbvias sobre qual falha específica existe. É sugerido usar métodos de teste adicionais para validar e especificar melhor o tipo exato de falha. A combinação desses métodos resulta em uma definição altamente precisa sobre o tipo de falha e seu nível de maturidade.
Alguns dos melhores valores do monitoramento de condições para motores são obtidos ao garantir que o motor esteja operando em um estado que previna o desenvolvimento de falhas. Isso é feito ao garantir que os motores estejam operando na temperatura correta, que os rolamentos estejam em um estado saudável e que nenhuma força externa adicional esteja sendo submetida ao motor. Valor adicional é adicionado ao fornecer dados-chave para determinar a causa provável do desenvolvimento de falhas ou falhas. Isso auxilia na prevenção de falhas recorrentes e na redução dos custos diretos de manutenção.
Recursos adicionais
-Acreditação de oficina de reparo
-Estudo sobre confiabilidade de motores elétricos
-Vídeo explicando os princípios do motor de indução e as frequências importantes
