Como testar completamente motores de indução CA trifásicos usando testes de motores semenergizados

As pessoas conduzem frequentemente testes de indutância motora com métodos que não avaliam com precisão o quadro completo. Testes inadequados podem levar à substituição prematura do equipamento, análises de custo deficientes e outros resultados negativos. Os testes motorizados desenergizados com os dispositivos de Análise de Circuitos Motorizados de propriedade de ALL-TEST Pro (MCA™) podem tornar os testes mais precisos, accionáveis e simples. Este artigo irá mostrar-lhe como testar um motor CA trifásico e explicar porque MCA™ métodos são mais abrangentes.

Como funcionam os métodos de ensaio tradicionais?

Antes de abordarmos a forma de testar um motor trifásico com procedimentos de teste modernos, vamos rever a razão pela qual os métodos de teste tradicionais que utilizam resistência de isolamento a contadores e multímetros de terra não são normalmente suficientes. Estas ferramentas ignoram partes específicas do motor e nem sempre o ajudarão a saber se um motor trifásico é mau.

Resistência de Isolamento aos Medidores de Terra

As provas indicam que apenas cerca de 17% das falhas eléctricas do estator ocorrem entre as bobinas e a estrutura do motor ou são directamente curtas ao solo, enquanto aproximadamente 83% acontecem no isolamento do enrolamento. Uma vez que os testes IRG ignoram o isolamento do enrolamento, este só se aplica a uma pequena percentagem de falhas. Também não avalia o estado geral do isolamento da parede do solo, apenas o seu ponto mais fraco. Os medidores IRG recomendam a utilização de um índice de polarização antiquado para determinar a capacidade da GWI de armazenar uma carga eléctrica. Estas directrizes, baseadas em tipos de isolamento mais antigos, podem ser inválidas para sistemas de isolamento mais recentes.

O objectivo das medições IRG não é determinar o estado do isolamento, mas verificar que o motor eléctrico trifásico é seguro para energizar. Medidas adicionais tais como o factor de dissipação e a capacidade de aterrar fornecem uma indicação mais completa do estado geral da GWI.

Multímetros

Os multímetros medem a resistência do circuito eléctrico entre cabos específicos do motor. Teoricamente, se o isolamento à volta dos condutores se avariar (como num curto-circuito sinuoso), a resistência da bobina curto-circuitada seria inferior à das outras bobinas, criando um desequilíbrio de resistência entre fases.

O problema da resistência como indicador da degradação do isolamento dos enrolamentos reside na lei fundamental da electricidade que afirma que a corrente toma o caminho da menor resistência. Antes de a corrente poder contornar uma volta ou curvas numa bobina, a resistência de isolamento entre as bobinas tem de ser inferior à resistência dos condutores da volta ou curvas curto-circuitadas. Estes valores podem estar nos miliohms e normalmente não são mensuráveis até o isolamento entre os enrolamentos desaparecer completamente.

Outro problema com os multímetros é que o isolamento tem um coeficiente de temperatura negativo. À medida que a sua temperatura aumenta, a resistência diminui, potencialmente para um valor suficientemente baixo para que a corrente atribua um atalho em torno da bobina. Se efectuar medições após o motor ter desligado, as temperaturas do enrolamento e do isolamento diminuíram, permitindo que a resistência do isolamento aumente o suficiente para que a corrente siga o seu caminho habitual e apresente uma medição equilibrada entre as fases.

Como é que o isolamento se decompõe?

A avaliação do estado de um motor trifásico depende da indicação precoce da avaria do isolamento. Para o fazer, MCA™ utiliza sinais CA de baixa voltagem para exercer o sistema de isolamento do enrolamento para determinar quando o isolamento do enrolamento começa a sofrer as alterações químicas que ocorrem à medida que o isolamento começa a degradar-se.

Toda a matéria é constituída por moléculas e átomos. Os átomos funcionam como tijolos LEGO®, formando moléculas usando ligações químicas. Estas ligações ocorrem na casca mais externa de um átomo (valência). Os materiais isolantes têm electrões de valência muito bem unidos. Os materiais condutores têm electrões soltos na concha da valência. O calor pode alterar a composição química do material isolante, fazendo com que o isolamento que envolve os condutores se torne mais condutivo e formando caminhos no isolamento. Estes caminhos criam curtos-circuitos entre os condutores.

De acordo com a
Equação de Arrhenius
Estas reacções químicas duplicam para cada aumento de temperatura de 10 graus Celsius. O isolamento não falha instantaneamente. Todos os materiais de isolamento eléctrico são dieléctricos e sofrem uma mudança na composição química ao longo do tempo, mas estas reacções aceleram a deterioração. O calor faz com que a taxa de reacção aumente, o que acelera de forma correspondente a taxa de deterioração.

Quando isto acontece, o isolamento começa a falhar por fases:

1. À medida que o isolamento se torna mais condutivo, menos resistivo e menos capacitivo. A temperatura começa a aumentar na zona de falha, e o isolamento forma vias de carbonização. Nas fases iniciais, não há fluxos de corrente através do isolamento.
2. A resistência continua a diminuir à medida que o isolamento se degrada. A auto-indutância e a capacidade podem diminuir, e o motor pode começar a tropeçar intermitentemente mas funcionar com sucesso após o arrefecimento do isolamento. O funcionamento contínuo permitirá que as temperaturas na zona da falha continuem a aumentar à medida que a falha se agrava.
3. Finalmente, o isolamento degrada-se até que a corrente flua através da zona de falha. Este fenómeno pode causar uma ruptura completa do isolamento do enrolamento, vaporizando o enrolamento. Nesta altura, a indutância da bobina e a sua resistência ao enrolamento alteram-se.

O que são falhas comuns do rotor?

Alguns (EPRI afirma 10%) motores de indução CA trifásicos grandes falham devido a problemas de rotor. Estes são indetectáveis nos métodos tradicionais de teste de motores ou exigem diagnósticos demorados e instrumentos de teste complexos. Aqui estão algumas falhas típicas de rotor.

Vazios de Fundição

Os vazios de fundição ocorrem quando se formam bolhas de vapor em barras de rotor ou anéis terminais na parte eléctrica dos rotores da gaiola de esquilo. Aumentam a resistência na barra ou barras. As barras do rotor criam circuitos paralelos. A teoria eléctrica básica afirma que a tensão em cada perna de circuitos paralelos é a mesma. Um vazio de fundição numa barra de rotor aumenta a resistência da barra de rotor, o que faz diminuir o fluxo de corrente (através da barra com a falha), e aumenta o fluxo de corrente através das barras adjacentes. O aumento do fluxo de corrente através destas barras de rotor adjacentes causa um aquecimento adicional destas barras de rotor. O calor adicional faz com que as barras afectadas se expandam termicamente, fazendo com que o rotor se curve e criando vibrações excessivas e falhas prematuras e frequentes nos rolamentos.

Rotor excêntrico

Um rotor excêntrico ocorre quando a linha de centro geométrica do eixo não é concêntrica com a linha de centro geométrica do núcleo do rotor. O ponto do rotor mais afastado do eixo (ponto alto) estará mais próximo do estator, enquanto que o ponto do lado oposto do rotor (ponto baixo) estará mais próximo do eixo, mas estará mais afastado do estator. A excentricidade cria um espaçamento desigual entre o núcleo do rotor e o núcleo do estator. Uma vez que um rotor excêntrico tem um ponto alto e um ponto baixo, o espaçamento desigual entre o rotor e o estator muda com a posição do rotor.

Este tipo de excentricidade é chamado excentricidade dinâmica. Esta condição cria forças eléctricas desequilibradas entre o rotor e o estator, o que leva a falhas frequentes nos rolamentos.

Lacunas de Ar Desiguais

Ocorre uma diferença de ar desigual se um rotor concêntrico não for posicionado na linha central geométrica do campo do estator. Esta circunstância pode ocorrer devido à maquinagem imprecisa e não centrada do encaixe do coelho na estrutura do motor e nos sinos finais. Mesmo os ajustes correctamente maquinados podem permitir que o GCL do rotor seja deslocado do GCL do estator. Esta questão cria folgas estreitas e forças eléctricas desequilibradas entre o estator e o rotor semelhantes a um rotor excêntrico, mas a folga estreita permanece num local fixo dentro do motor e não muda com a orientação do rotor. Este tipo de excentricidade é chamado de excentricidade estática.

Uma condição de pé macio entre o pé motor e a base é uma causa comum de excentricidade estática. Se os pés do motor não estiverem no mesmo plano que a base em que o motor se monta, o aperto dos parafusos de retenção na estrutura do motor pode causar a distorção da estrutura do motor, o que também irá distorcer o campo do estator. Estas distorções criam as mesmas condições como se o rotor estivesse descentrado no campo magnético do estator.

Estas aberturas de ar podem criar folgas estreitas e forças magnéticas desequilibradas que podem levar a falhas frequentes nos rolamentos e fissuras ou quebras nas barras do rotor.

Barras de Rotor Fendidas ou Quebradas

As barras do rotor actuam como condutores no circuito eléctrico do rotor. Se as barras do rotor estiverem rachadas ou quebradas, ocorrerão pontos mortos no rotor quando as barras afectadas estiverem debaixo de qualquer um dos pólos do estator do campo magnético que gira à volta do núcleo do estator. A corrente modula através do rotor a uma frequência igual ao número de pólos no motor e à frequência da corrente que flui através do rotor. As barras de rotor quebradas ou rachadas impedirão o rotor de atingir a velocidade normal ou criar excesso de corrente, calor e vibração da maquinaria. Se não for corrigido, o rotor pode eventualmente autodestruir-se.

O que é que o Circuito Motorizado Analysis™ detalha?

Para avaliar estas falhas do rotor e as deficiências dos testes tradicionais, podemos utilizar testes mais abrangentes Análise de circuitos motorizados™ estratégias para testar um motor CA trifásico.

Isolamento da Parede Terrestre

O isolamento do solo é qualquer isolamento que separe a energia eléctrica fornecida ao motor e à estrutura ou qualquer outra parte exposta do motor. O seu objectivo é dirigir o caminho da corrente e impedi-la de ir para qualquer lugar para além da sua localização pretendida. Lembre-se, as medições IRG confirmam que um motor é seguro para energizar, não o seu estado. As medições de DF e CTG fornecem mais informações sobre a condição global da GWI.

O sistema GWI pode ser modelado como um circuito RC em série-paralelo. O isolamento GWI forma um condensador, uma vez que é um material dieléctrico colocado entre materiais condutores. O condensador armazena uma carga eléctrica, pelo que parte da corrente alternada aplicada a um condensador regressa à fonte quando se retira a tensão. No entanto, alguns fluxos atravessam o dieléctrico. A corrente que regressa à fonte é capacitiva enquanto a corrente que flui através do material dieléctrico é resistiva. Quando se aplica a tensão CA ao condensador, a corrente capacitiva conduz a tensão em 90 graus, enquanto a corrente que flui através do dieléctrico é resistiva e em fase com a tensão CA.

Novo, o isolamento limpo tem uma corrente resistiva que é de 3 a 5% da corrente capacitiva. Se o material isolante se degradar, a corrente resistiva aumenta ou a corrente capacitiva diminui ou ambas ocorrem. Em qualquer caso, afecta a relação entre a corrente resistiva e a corrente capacitiva – o DF. Um DF crescente indica uma GWI degradante, que poderia ser de degradação ou contaminação térmica.

Os motores novos e limpos também têm um valor CTG específico. Se o valor actual do CTG aumentou a partir da linha de base, normalmente ocorre devido ao isolamento contaminado ou à ingressão de água. A degradação térmica do isolamento GWI aumenta a corrente resistiva e diminui a corrente capacitiva, pelo que o valor do CTG diminui. A combinação destas duas medições AC com medições IRG fornece mais informações para determinar o estado geral da GWI.

Testes estáticos de enrolamento do estator

Os testes de enrolamento do estator podem ser estáticos ou dinâmicos. Os testes estáticos ocorrem quando o rotor está estacionário e incluem o seguinte.

• Resistência ao enrolamento: Para medir a resistência do enrolamento, pode aplicar sequencialmente uma tensão DC a dois dos três condutores do motor para avaliar a resistência dos condutores ligados entre os condutores do instrumento. Os desequilíbrios associados à resistência do enrolamento são geralmente devidos a ligações soltas ou de alta resistência.
• Indutância (L): A indutância mede a capacidade de uma bobina ou bobina de armazenar um campo magnético. Os motores têm tanto auto-indutância como indutância mútua. A degradação do isolamento de uma bobina afecta a auto-indutância, e qualquer alteração no circuito eléctrico do rotor afecta a indutância mútua. O desequilíbrio de indutância vem frequentemente da posição do rotor. A posição do rotor não é um problema, mas é uma condição natural associada a motores de indução. Os motores de indução CA podem ser moldados como um transformador com um secundário rotativo. Os enrolamentos do estator actuam como primários e as barras de rotor são os secundários. Numa condição estática, o número de barras de rotor posicionadas directamente sob as bobinas energizadas que estão a ser testadas, estabelece a relação de rotação entre o primário e o secundário. Isto estabelece a indutância mútua entre o rotor e o estator. Se o número de barras de rotor posicionadas sob cada fase não for o mesmo devido à posição do rotor, criará uma indutância desequilibrada entre as fases.
• Impedância (Z): Impedância é a oposição total ao fluxo de corrente num circuito AC. Enquanto a resistência apenas mede a oposição DC, a indutância e a capacitância no circuito afectam a impedância. Estas quantidades mudam quando o isolamento que envolve os condutores que formam as bobinas dos enrolamentos começa a mudar. Uma vez que Z é um valor escaler, pode falhar pequenas alterações nas fases iniciais da degradação do isolamento.
• Ângulo de fase (Fi): O ângulo de fase mede o atraso temporal entre dois ou mais eventos dentro do mesmo período. Um ciclo completo é de 360 graus. Se demora um segundo a completar um ciclo (o período do ciclo), e um evento fica meio segundo atrás do outro (meio ciclo, ou 180 graus), o Fi fica 180 graus. A frequência é o inverso do tempo (1/T), pelo que todos os eventos com o mesmo período ocorrem com a mesma frequência. Se os ciclos não se iniciarem em simultâneo, um conduzirá ou atrasará. Os circuitos resistivos, indutivos e capacitivos diferem na forma como a corrente e a voltagem conduzem ou atrasam uma à outra. Assim, quando a composição química do isolamento que envolve os condutores que compõem as bobinas começar a mudar, a Fi mudará antes de Z, L, R ou C. A medida da Fi é um indicador principal da avaria do isolamento.
• Resposta de frequência actual (I/F): Os indutores armazenam campos magnéticos para se oporem a uma mudança de corrente, enquanto os condensadores armazenam cargas eléctricas para se oporem a uma mudança de voltagem. Se estas propriedades mudarem, o mesmo acontece com a capacidade da bobina ou do enrolamento de armazenar uma carga ou campo magnético. O isolamento envolve os condutores nas bobinas dos enrolamentos de fase. Se os isolamentos que rodeiam todas as bobinas tiverem todas a mesma condição, cada fase tem a mesma capacidade de armazenamento. Uma vez que o isolamento começa a degradar-se, esta capacidade muda, criando um desequilíbrio na capacidade das bobinas de fase de armazenar um campo magnético ou carga eléctrica. A resposta I/F mede a capacidade de uma bobina de armazenar um campo magnético ou uma carga eléctrica. Desequilíbrios superiores a 2% de I/F de qualquer bobina a partir da média de todas as fases indicam um defeito de desenvolvimento no enrolamento.

MCA™ é uma tecnologia comprovada no terreno que tem sido utilizada com sucesso no terreno há mais de 35 anos. MCA™ tem directrizes documentadas para identificar falhas de enrolamento e rotor em desenvolvimento. Para os praticantes ocasionais, estas directrizes podem ser um desafio para recordar e aplicar. Assim, a pedido de alguns utilizadores, os engenheiros da ALL-TEST Pro desenvolveram uma solução única e patenteada. Desenvolveram um algoritmo proprietário que combina todas as medições MCA™ que define o estado do sistema de enrolamento e rotor. Fornece um único valor, o valor de teste estático. TVS™ não avalia o isolamento ou a aptidão do sistema de rotor, mas reflecte o estado dos sistemas eléctricos de enrolamento e rotor do motor. Os motores não são auto-curativos, por isso qualquer alteração no TVS™ indica que o estado do motor está a deteriorar-se.

O valor de referência estático é geralmente o primeiro TVS™ realizado num motor e é especificado como o valor de referência ou “linha de base”. Isto permite que o instrumento compare os resultados de qualquer “teste estático” actual com o RVS armazenado para avaliar o estado do motor. O RVS é um TVS™ guardado no instrumento ou MCA™ software como referência para comparações. Se o TVS™ mudar em mais de 3% em relação ao seu valor original, é um aviso prévio. Os 5% passados indicam uma mudança severa.

Os motores novos ou reconstruídos devem ter os resultados do primeiro “teste estático” armazenados como RVS.

Quando um motor é instalado pela primeira vez num sistema, um novo teste estático é realizado a partir de um local facilmente acessível como o centro de controlo do motor ou uma desconexão local, e os resultados são armazenados como um novo RVS. Este novo RVS incorpora todos os componentes eléctricos no controlador do motor e cablagem associada. A realização de quaisquer testes estáticos subsequentes a partir desse local pode avaliar rapidamente o estado do circuito eléctrico.

Se um novo TVS™ difere do RVS em menos de 3%, o estado do motor e dos componentes associados não se alterou. Um aviso passado de 3 ou 5% indica uma falha em desenvolvimento ou uma alteração grave, respectivamente. A mudança não ocorreu necessariamente no motor, mas em algum lugar do sistema. O isolamento da falha exige um novo teste estático realizado directamente no motor. Se esse TVS™ do motor estiver dentro de 3% do RVS para o motor, a falha está no controlador ou na cablagem associada. Se for superior a 3%, a falha está nos enrolamentos do motor ou no sistema de rotor.

Para determinar se a falha está no estator ou rotor, será necessário realizar um teste dinâmico.

Testes dinâmicos

Os testes dinâmicos têm lugar enquanto o eixo do motor está a rodar manualmente de forma suave e lenta. Criam uma assinatura do estator e uma assinatura do rotor.

• Assinatura do estator: A assinatura do estator traça os valores médios de alteração da impedância à medida que as barras do rotor se movem através do campo magnético criado pelas bobinas energizadas. Em bons motores, a distribuição dos valores médios é inferior a 1,1% de outras fases. Se for superior, indica uma falha em desenvolvimento no isolamento que envolve os condutores que compõem as bobinas dentro das fases. Se os valores excederem uma variação de 3%, está a ocorrer uma degradação grave no isolamento.
• Assinatura do rotor: A assinatura do rotor indica a quantidade de cada pico que se desvia do valor médio. Em bons rotores, estes picos são simétricos. Devem variar menos de 10% em relação a outros picos na fase. Entre 10% e 15% indica um aviso prévio, e uma variação superior a 15% indica um mau rotor.

Porque é que MCA™ é tão útil?

Infelizmente, a falta de conhecimento sobre o MCA’s™, capacidades modernas e comprovadas de testes motorizados de campo, tem limitado a utilização generalizada do método. As abordagens tradicionais têm uma capacidade limitada de analisar minuciosamente motores de indução CA trifásicos. Outros métodos morosos estão disponíveis, mas ainda se concentram na GWI, que não fornece qualquer indicação sobre os problemas mais comuns de isolamento dos enrolamentos e rotor.

Há instrumentos mais caros disponíveis que requerem mais tempo para testar mas não conseguem determinar o estado do rotor do motor ou do sistema de isolamento.

MCA™ supera estas questões com um método fácil de usar e compreensível de testes motorizados desenergizados. Oferece avaliações detalhadas, comprovadas no terreno e precisas para estes motores CA trifásicos. Os nossos instrumentos MCA™, como o
ALL-TEST PRO 7
™ e o
ALL-TEST PRO 34
™, são ferramentas manuais, alimentadas por bateria que oferecem instruções passo a passo para a realização dos testes. Também fornecem uma avaliação imediata no ecrã sobre o estado do motor.

Melhores, mais fáceis e mais rápidos testes motorizados com MCA™ podem oferecer benefícios como estes.

• Maior precisão e sucesso na resolução de problemas: Muitos motores têm falhas menores, frequentemente reparáveis, mas os seus utilizadores descartam-nas devido a custos adicionais de testes. Algumas plantas substituem motores problemáticos num tamanho pré-determinado. Ao identificar com precisão a falha, estes utilizadores podem realizar melhores análises de custo/reparação para reduzir o número de substituições e minimizar os custos associados a reparações, paragens e mão-de-obra qualificada redireccionada.
• Instalações mais fiáveis: Ao inspeccionar motores novos e reconstruídos, uma instalação assegura que eles recebem aquilo por que pagam. É possível evitar instalar motores defeituosos ou desperdiçar motores que ainda estejam em bom estado e fáceis de reparar.
• Redução do tempo de paragem: Testar motores para indicações de degradação pode ajudá-lo a substituir motores suspeitos ou fracos durante uma paragem programada, em vez de permitir que falhas repentinas interrompam as operações e reduzam o seu tempo de funcionamento.

ALL-TEST Pro’s MCA™ Equipamento

Comece a usar MCA™ e os valores únicos de ALL-TEST Pro TVS™ e RVS com os nossos produtos de teste de motores trifásicos. Oferecemos uma variedade de dispositivos de teste, e a nossa equipa de especialistas tem todo o prazer em ajudá-lo a encontrar o dispositivo certo para a sua operação.
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