Aplicações de Análise da Assinatura da Corrente Motora (MCSA)

As tecnologias de diagnóstico motorizado tornaram-se ainda mais predominantes ao longo dos anos 90 e até ao novo século. As tecnologias incluem tanto a Análise de Circuitos Motores (MCA) como a Análise da Assinatura da Corrente do Motor (MCSA) aplicada tanto a sistemas de motores eléctricos energizados como a sistemas de motores eléctricos desenergizados. As aplicações parecem ser quase infinitas.

Os sistemas incluídos neste documento são o analisador de circuitos de motor ALLTEST IV PRO 2000, o analisador de assinatura de corrente de motor ALL-TEST PRO OL, o software de gestão de motores EMCAT, o software Power System Manager, e o software ATPOL MCSA. O kit ALL-TEST PRO MD inclui a integração de todos estes sistemas para além do software MotorMaster Plus do Departamento de Energia dos EUA. O objectivo deste documento é dar ênfase à aplicação MCSA do sistema ALL-TEST PRO MD que mantém o seguinte:

• Leituras MCA de resistência, impedância, indutância, ângulo de fase, resposta corrente/frequência e teste de isolamento à terra (MegOhm).
• Capacidades MCSA de desmodulação de tensão e corrente, incluindo análise FFT até 5 kHz.
• Análise automatizada e capacidades de tendências tanto para MCA como para MCSA através de software.
• Registo e análise de dados de qualidade total de energia, incluindo captura instantânea de eventos trifásicos.

Os exemplos encontrados neste documento incluem muitas das potenciais aplicações disponíveis através da implementação de tecnologias de diagnóstico motorizado.

Teste de Barra de Rotor

O objectivo fundamental por detrás do desenvolvimento original da tecnologia MCSA era a detecção de falhas em barras de rotor. As barras rotativas são difíceis de avaliar utilizando métodos de teste tradicionais, incluindo a análise de vibração. Foi determinado que um método que utilizasse corrente poderia ser utilizado para avaliar o estado das barras do rotor. A regra básica é simples: As bandas laterais de frequência de passagem de postes em torno da frequência fundamental da linha, quando o motor está sob carga, indicam problemas com o rotor. A regra padrão foi determinada que os problemas de barras de rotor são graves quando os picos de banda lateral se aproximam a 35 dB do pico de frequência da linha.

Figura 1: Frequências das Barras do Rotor

O exemplo da Figura 1 mostra bandas laterais a cerca de -40 dB da frequência da linha de pico. Isto indicaria pelo menos uma barra de rotor fracturada neste motor de 500 CV, 4160 Volts, num compressor.

A figura 2 é um exemplo de um de dois possíveis
cenários:

• Vazios de fundição num rotor de alumínio.
• Dente macio (ou dentes) numa aplicação orientada.

Figura 2: Dente de engrenagem de fundição vazio ou “macio

Utilizando tensões e correntes desmoduladas de maior frequência, podem ser detectados problemas como a excentricidade dinâmica e estática, barras de rotor soltas e outras falhas relacionadas com o rotor.

Figura 3: Borracha de rotor sem carga

Os dados da Figura 3 referem-se a uma bomba submersível de 7,5 cavalos de potência, 1800 RPM, testada a seco e sem carga. O rotor estava a roçar ligeiramente contra o núcleo do estator, que foi identificado como excentricidade estática e dinâmica com picos de corrente múltiplos, como mostrado.

Teste de motores de indução

Os motores monofásicos e trifásicos podem ser avaliados usando uma combinação de tensão e corrente demodulada. Uma regra particular, e força, de um
combinação de voltagem e corrente, é que se os picos se mostrarem em voltagem e corrente, a falha é de natureza eléctrica, se o pico se mostrar em corrente, mas não em voltagem, então o problema é de natureza mecânica. Uma outra vantagem para avaliar sistemas com MCSA é que pode detectar falhas no fornecimento de energia e falhas relacionadas com a carga.

Figura 4: Falha Mecânica do Estator

Como notará na Figura 4, os picos são identificados em corrente, mas não aparecem na voltagem FFT. Isto indica que existem falhas mecânicas. Uma vez que estão relacionados com a velocidade de marcha e o número de ranhuras do estator, trata-se de uma falha mecânica relacionada com os enrolamentos. Existem vários outros picos de corrente, indicando falhas relacionadas com a carga, neste caso, muito provavelmente um problema de caixa de velocidades (note-se que estes são os dados de alta frequência relacionados com a Figura 2).

Figura 5: Desequilíbrio Mecânico

O motor mostrado na Figura 5 apresentava um desequilíbrio mecânico. A assinatura aparece como uma frequência de duas linhas (LF), quatro vezes frequência de linha e depois duas vezes padrão de frequência de linha. Neste caso, barras de rotor vezes a velocidade de marcha com bandas laterais LF, aparece então o padrão restante.

Teste de motores CC

Os motores CC são avaliados de forma semelhante à vibração. De facto, as assinaturas são as mesmas em vibração que no MCSA. A tensão e corrente DC são retiradas do circuito de armadura.

Figura 6: Falha na condução DC

No caso da Figura 6, os harmónicos múltiplos da frequência da linha mais os múltiplos harmónicos do número de harmónicos de potência electrónica (SCR) vezes a frequência da linha (360 Hz, neste caso), indicam uma falha de SCR ou uma ligação solta. Isto pode ser confirmado pela visualização da ondulação de voltagem e frequência nos dados de baixa frequência.

Teste do alternador síncrono

Os alternadores síncronos também podem ser avaliados rápida e simplesmente utilizando corrente desmodulada de tensão e corrente. No caso do exemplo seguinte, um alternador tropeçou em altas temperaturas. Tanto o MCA como o MCSA foram utilizados para avaliar o sistema.

Figura 7: Dados MCSA sobre Alternador Síncrono (Low Freq)

Figura 8: Excentricidade Dinâmica do Alternador

O alternador a ser testado mostrou um aumento da excentricidade durante um ensaio de 40 minutos, falhas de campo rotativo e algumas assinaturas de falhas eléctricas. Esta informação foi acoplada com dados MCA que indicavam um curto-circuito no enrolamento, um curto-circuito no cabo e uma queda significativa na resistência de isolamento durante o curto-circuito de carga parcial. O alternador era um alternador de 475 kW, 480 Vac que requeria três cabos paralelos por fase. Há várias opções com o sistema ATPOL para cabos maiores. No entanto, numa pitada, foi utilizado um dos três cabos de cada fase, pelo que os valores actuais foram cerca de 1/3 de cada fase.

Figura 9: Ligação de corrente para Alternador

Variadores de frequência variável

As unidades de frequência variável têm sido um desafio para uma série de sistemas MCSA. No caso da ATPOL, porém, isto não é um problema. Os sinais de tensão e corrente de saída podem ser visualizados (Figura 10).

Figura 10: Tensão VFD e formas de onda de corrente (0,05 Segunda Captura)

Figura 11: Dados de Baixa Frequência VFD

Na Figura 11, que são os dados de Baixa Frequência (<120 Hz) para o mesmo sistema da Figura 10, mostra que a frequência da linha de saída do variador de velocidade é de 43 Hz e a velocidade de operação do motor de 3600 RPM é de 2570 RPM.

Figura 12: Dados de Alta Frequência VFD

Como se pode observar na Figura 12, picos fortes de tensão e corrente indicam falhas relacionadas com o sistema motor. Parte do ruído adicional é estritamente devido às formas de onda de tensão e corrente que vêm da VFD. No entanto, o software colocará automaticamente cursores relacionados com diferentes falhas dentro das formas de onda.

Figura 13: Análise Especial em Valores de Pico

A figura 13 mostra os mesmos dados, mas com as tensões e correntes de pico mostradas. As correntes de maior frequência indicam questões relacionadas com as harmónicas de tensão, que são mostradas na forma de onda inferior. Todos os dados combinados mostram um problema relacionado com a tensão de entrada. Quando testado a 46 Hz, o problema tornou-se mais significativo e apontou para uma potencial falha no sistema de abastecimento que se torna prevalecente acima de 45 Hz.

A solução seria aliviada com a filtragem aplicada à saída da unidade VFD.

Punch Press com Motor e Eddy-Current Drive

O sistema motor completo pode ser visto, incluindo a carga acionada.

Figura 14: Ciclo de carga da prensa perfuradora

A figura 14 mostra o ciclo actual ao longo de 10 segundos. O pico A é um dos três picos deste ciclo que se relaciona com o punção (inferior) do golpe da prensa enquanto o ponto C está relacionado com o topo do golpe. O ponto B identifica algum tipo de problema de fricção ou agarramento à medida que o sistema se aproximava do pico do golpe. Os três traços de fundo ajudam a identificar que a operação está a ocorrer 18 vezes por minuto.

Figura 15: Bandas laterais de frequência da linha relacionada com o motor

A figura 15 identifica um ‘piso com elevado ‘ruído’ e muitas bandas laterais em torno do pico de frequência LF. Isto, juntamente com os dados de alta frequência, ajuda a apontar a direcção para a carga.

Figura 16: Dados de alta frequência da embraiagem de corrente parasita

A figura 16 identifica que existe uma ligação e/ou falha SCR na tensão DC de alimentação do rectificador (seis SCR’s). Os picos nas alturas
O espectro de frequências também identifica falhas na transmissão por corrente de Foucault e na própria prensa de punção, o mais provável é que haja uma folga no sistema (as assinaturas relacionadas mostram pavimentos com ruído elevado).

MCSA e Aplicações Energéticas

Os relatórios automatizados e as características de registo de dados do sistema ATPOL também incluem a capacidade de trabalhar em conjunto com o software MotorMaster Plus do Departamento de Energia dos EUA.

Características adicionais foram financiadas para inclusão no MotorMaster Plus por ALL-TEST Pro, Dreisilker Electric Motors e Pruftechnik para permitir a inclusão de informação de diagnóstico motor para análise. A utilização tanto de MCA como de MCSA permite ao utilizador avaliar o estado de um motor eléctrico e, em seguida, fazer uma reparação relacionada com a energia versus substituir a decisão por um retorno confirmável do investimento.

Por exemplo, um motor de 40 cavalos de potência, 1800 RPM testado com MCSA determinou algumas falhas mecânicas e eléctricas. Os dados foram incorporados num relatório MotorMaster Plus e a frequência de funcionamento foi determinada como 91,5% eficiente a 90% de carga. Assumindo um custo energético de $0,07/kWh e uma procura de $14/kW, com 2000 (1 turno) a funcionar por ano, foi identificado um motor eléctrico de substituição eficiente com um payback simples de 0,9 anos e 866% após o retorno do investimento fiscal.

Os dados também podem ser utilizados pelo US Department of Energy’s Pump System Assessment Tool (PSAT), AirMaster e outras ferramentas.

Potência de Diagnóstico Motor – Sistema ALL-TEST PRO MD

A potência combinada de MCA e MCSA disponível no kit ALL-TEST PRO MD, integrado através do sistema EMCAT Motor Management Software, permite a
utilizador para realizar o seguinte:

• Análise automatizada de dados MCA e MCSA.
• Cálculo de retorno através do Power System Manager e dos sistemas de software MotorMaster Plus.
• Comissionamento de máquinas eléctricas
• Resolução de problemas de máquinas eléctricas
• Tendência da maquinaria eléctrica
• Análises de Raiz-Causa-Análise de máquinas eléctricas
• Vista completa do sistema da saúde eléctrica e mecânica
• Avaliação de sistemas AC/DC, cargas através de sistemas de ‘acoplamento suave’ (ou seja: accionamentos por correntes parasitas)
• Estudos e inquéritos energéticos.
• Apoia outras tecnologias de diagnóstico, tais como vibração, infravermelhos e muito mais.

Tudo através de um simples sistema de diagnóstico motorizado. Os dados podem ser recolhidos utilizando os colectores de dados portáteis ou através da capacidade de “operação remota” através de um computador ou portátil (o sistema pode ser operado remotamente a partir de um ecrã de computador).

Conclusão

O objectivo deste livro branco ALL-TEST Pro era apresentar as capacidades MCSA do sistema de diagnóstico motorizado ALL-TEST PRO MD.
As capacidades, como demonstrado, vão muito além da simples análise de motores de indução e incluem:

• Motores e Alternadores AC
• Motores e geradores DC
• Sistemas monofásicos e trifásicos
• Accionamentos por correntes parasitas
• Variadores de frequência variável
• Qualidade de energia que entra
• Carga conduzida
• Muito mais

As capacidades foram muito além das citadas no presente documento.

Serão apresentados documentos adicionais que identificarão oportunidades utilizando a qualidade de energia, MCA, MCSA e detecção de falhas relacionadas com a carga.