Como testar um motor síncrono com tecnologia moderna

Para compreender melhor a aplicação do teste e análise do circuito do motor em motores eléctricos síncronos (máquinas síncronas), é importante ter uma breve visão geral do funcionamento de um motor síncrono, as falhas mais comuns, os métodos de teste comuns, como o ALL-TEST IV PRO™ (
Agora o AT5™
) funciona com grandes motores síncronos, passos básicos para a análise de estatores e rotores síncronos, e, resultados de testes esperados (
Editor- ALL-TEST PRO 5™ é o substituto recomendado para o ATIV™
). Neste documento, discutiremos estes vários aspectos, referindo outros materiais para detalhes adicionais.

Sobre as máquinas síncronas

Os grandes motores síncronos têm duas funções básicas:

• A primeira é melhorar o factor de potência eléctrica numa central. Em qualquer instalação com grandes cargas indutivas, tais como motores e transformadores, a corrente começa a ficar atrás da tensão (factor de potência fraco). Quando isto se torna suficientemente severo, a fábrica necessita de quantidades significativamente maiores de corrente para executar a mesma quantidade de trabalho. Isto pode causar queda de tensão e sobreaquecimento dos componentes eléctricos. Um motor síncrono pode ser usado de modo a causar pouco ou nenhum impacto no factor de potência, ou pode ser usado para fazer com que a corrente conduza a tensão para corrigir problemas de factor de potência.
• O segundo método de funcionamento consiste em absorver cargas pulsantes, tais como compressores alternativos. Quando um motor síncrono atinge a velocidade síncrona, tem bobinas que “bloqueiam” em sintonia com os campos magnéticos rotativos do estator do motor elétrico. Se ocorrer um impulso de torque (tal como no topo de um curso recíproco do compressor), o motor pode sair de sincronia com os campos rotativos. Quando isto ocorre, um enrolamento especial no rotor chamado enrolamento amortisseur (ver construção síncrona abaixo) absorve a energia do impulso de torque, mantendo o rotor em sincronia.

A construção básica de um motor síncrono é simples. Existem três conjuntos de enrolamentos, um estator, um rotor, rolamentos, e um gerador (sem escovas) ou um “excitador estático” (tipo escova).

Os enrolamentos são constituídos por:

• Um enrolamento trifásico normal, muito semelhante a um motor elétrico de indução normal
• Um conjunto de bobinas de campo, que são bobinas de corrente contínua feitas de fio redondo para máquinas pequenas e fio retangular ou de fita para máquinas maiores
• Um enrolamento amortecedor, que é semelhante a uma gaiola de esquilo do rotor de um motor de indução

Os métodos de arranque tanto para os motores síncronos do tipo brush-type como para os brushless são semelhantes. O circuito de partida será diferente para ambos. Segue-se uma descrição do modo básico de funcionamento, seguida de uma breve descrição das diferenças:

Durante a fase de arranque de um motor síncrono, actua de forma muito semelhante a um motor de indução normal. O estator recebe uma corrente eléctrica e é desenvolvido um campo magnético rotativo (a velocidade = (120 * frequência aplicada) / # de pólos). Este campo gera uma corrente no enrolamento do amortisseur, que é utilizada para desenvolver o torque de arranque através da geração do seu próprio campo magnético que interage com o campo magnético do estator no espaço aéreo e faz com que o rotor siga os campos magnéticos do estator. À medida que o rotor começa a alcançar os campos do estator, a corrente contínua é injectada nas bobinas do campo do rotor, criando pares magnéticos norte e sul (as bobinas do rotor são sempre encontradas aos pares). Estes campos magnéticos entram em sintonia com os campos magnéticos do estator e seguem à mesma velocidade que os campos do estator, ao passo que um motor de indução normal fica sempre para trás.

Numa máquina com escovas, a fonte DC para os campos de rotor vem normalmente de um arrancador (electrónico) ‘estático’, que converte uma energia AC fornecida em DC. Na maioria dos casos, o CC de saída varia ao longo do ciclo inicial. A transmissão pode também ser montada para encurtar as bobinas de campo da máquina para evitar a saturação do rotor e as correntes extremamente elevadas resultantes no estator. Uma vez que o rotor começa a girar, a corrente contínua é fornecida para ajudar o motor a desenvolver o torque. A tensão DC é fornecida através de um par de anéis deslizantes e escovas.

Numa máquina sem escovas, um gerador CC é instalado directamente sobre o eixo do motor síncrono. À medida que o motor síncrono arranca, o gerador fornece muito pouca corrente contínua através do seu comutador. À medida que a velocidade aumenta, a tensão CC também aumenta, ajudando o motor a gerar binário e, em seguida, a bloquear o passo à velocidade síncrona. Neste tipo de máquina, o gerador é ligado directamente aos campos do rotor.

Há também máquinas que têm um gerador montado no eixo do rotor que alimenta um controlo separado. Isto é utilizado para primeiro encurtar os enrolamentos e depois controlar a quantidade de corrente contínua alimentada ao rotor, tal como a máquina de escovar.

Falhas mais comuns de motores síncronos

Os grandes motores síncronos tendem a ser bem construídos e robustos. São frequentemente construídos em excesso com material para suportar as cargas severas que são aplicadas. As falhas mais comuns para máquinas industriais síncronas, por ordem, são:

• Rolamentos devido ao desgaste geral e contaminação
• Campos de rotor – devido às altas temperaturas, estes arderão frequentemente de dentro para fora
• Enrolamentos Amortisseur – principalmente em cargas recíprocas. Devido à quantidade de energia absorvida, as barras sinuosas irão muitas vezes rachar. Em particular, se os campos do rotor começarem a falhar e forem curtos, tornando mais fácil para o rotor sair de “sincronia”.
• Enrolamentos do estator – desgaste geral e contaminação. Os enrolamentos do estator em máquinas síncronas tendem a ser “enrolados em forma de ferida” e fortemente isolados.

Quase todas as falhas de enrolamento que ocorrem num arranque síncrono do motor entre condutores no rotor ou nas bobinas do estator.

Métodos de Teste Comuns, Pontos Fortes e Pontos Fracos

Seguem-se os métodos de teste tradicionais para avaliar o estado de um motor síncrono:

• Testes de resistência do isolamento: Usando tensões contínuas aplicadas, tal como especificado pelo IEEE 43-2000, é colocado um potencial entre os enrolamentos do estator e o solo. Isto mede apenas falhas directas entre os enrolamentos do estator e a armação do estator. Também é efectuada através dos anéis deslizantes numa máquina do tipo escova.
• Índice de Polarização: Trata-se de um rácio de resistência de isolamento de 10 minutos para 1 minuto. Este método tem sido tradicionalmente utilizado para avaliar o estado do isolamento entre os enrolamentos do estator e a estrutura. Tal como acontece com o teste de resistência de isolamento, este também pode ser efectuado através dos anéis deslizantes numa máquina do tipo escova. Como indicado no IEEE 43-2000, este método de ensaio só é verdadeiramente válido em sistemas de isolamento pré-1970.
• Testes de alto potencial: O mais comum em grandes máquinas é o teste de alto potencial DC que é realizado a um valor de duas vezes a tensão da placa de identificação do motor mais 1000 volts, vezes a raiz quadrada de 3. Num sistema de isolamento existente, este valor é frequentemente reduzido para 75% da tensão potencial. Este teste coloca grande tensão no sistema de isolamento e é potencialmente prejudicial (por IEEE Std’s 388 e 389). Este tipo de ensaio NUNCA deve ser aplicado aos enrolamentos de rotor de um motor síncrono.
• Testes de comparação de surtos: Avalia a condição de virada do estator apenas comparando as formas de onda de dois enrolamentos quando um impulso de tempo de subida rápida de duas vezes a tensão mais 1000 volts. Se houver problemas correctivos, tais como enrolamentos contaminados, este teste pode danificar os enrolamentos motorizados.
• Teste de descarga parcial: Este é um método de ensaio não destrutivo que mede as frequências de rádio das descargas em espaços vazios no sistema de isolamento dos enrolamentos do motor. Esta opção é eficaz para a análise de tendências em máquinas com mais de 6,6 kV e apenas fornece um breve aviso a partir de 4 kV. Não detecta qualquer falha do rotor.

• Análise da Assinatura da Corrente Motora: Foi concebido para testes de rotor de motores de indução.
• Teste de queda de tensão: Requer que o motor seja desmontado. É aplicada uma tensão de 115 AC aos enrolamentos do rotor e a queda de tensão é medida com um voltímetro ao longo de cada bobina. Se houver um curto-circuito, a queda de voltagem irá variar mais de 3%.

A lista acima não inclui equipamentos para o ensaio mecânico de motores síncronos.

Sobre o instrumento ALL-TEST Pro

O TODO TESTE IV PRO™ (
Editor- ALL-TEST PRO 5™ é o substituto recomendado para o ATIV™)
é um instrumento electrónico simples que funciona de forma muito semelhante a um multímetro, excepto que fornece uma série de leituras que cobrem os parâmetros CA do circuito do motor. É um coletor de dados e um aparelho de teste que envia um sinal CC de baixa tensão para testes de resistência simples, da mesma forma que um mili-Ohmímetro, e um sinal CA de baixa tensão e alta frequência para leituras CA. O instrumento mede e calcula os resultados dos testes em unidades de engenharia de resistência, impedância, indutância, ângulo de fase, resposta de corrente/frequência e um teste de resistência de isolamento à terra.

As principais diferenças entre os testes electrónicos de equipamentos de energia versus os métodos tradicionais de energia são:

• Uma visão mais completa do circuito do motor, incluindo influências de alterações no estado de isolamento da bobina de campo do rotor.
• Um instrumento para uma grande variedade de tamanhos de equipamento. O teste é limitado apenas à gama de resistência simples do instrumento (0,010 Ohm a 999 Ohms).
• Não destrutivo – não é aplicada qualquer tensão prejudicial.
• Interpretação de dados mais fácil – Algumas regras simples de interpretação de dados (Ver interpretação de dados abaixo).
• Equipamento portátil vs. equipamento que pode pesar de 40 lbs a mais de 100 lbs.
• Fonte de energia interna para o instrumento.

À medida que um sistema de isolamento envelhece, ou se o sistema de isolamento estiver contaminado e afetar a integridade do isolamento, o circuito elétrico do motor muda. Como o rotor é parte integrante do circuito, as alterações à integridade eléctrica do circuito do rotor e do sistema de isolamento são também directamente reflectidas através dos enrolamentos do estator. Isto permite tanto a resolução imediata de problemas como a tendência a longo prazo do motor.

A informação de teste única permite aos instrumentos ALL-TEST Pro visualizar parâmetros suficientes do sistema de isolamento para detectar e isolar:

• Enrolamentos curtos de estator
• Campos de rotor curto
• Barras de enrolar amortisseur quebradas
• Excentricidade da caixa de ar
• Contaminação do enrolamento (rotor e estator)
• Falhas de isolamento do solo

Passos Básicos para a Análise de Máquinas Síncronas com TODOS os Instrumentos Pro-TEST

Os passos para testar máquinas síncronas são semelhantes aos da avaliação do estado dos motores de indução padrão. No entanto, devido à existência de bobinas de campo no rotor do motor, estão envolvidas algumas etapas adicionais na resolução de uma avaria.

Ao testar uma máquina síncrona a partir do centro de controlo do motor ou do motor de arranque:

• Desenergizar o equipamento. Assegurar que as fontes secundárias de poder também sejam desenergizadas.
• Realizar os testes padrão ALL-TEST IV PRO™ (agora AT5™) no estator seguindo as indicações do menu no instrumento.
• Avaliar os resultados do teste (Ver Resultados Esperados do Teste)
• Se for indicada uma falha, iniciar a resolução de problemas:
• Ajustar a posição do rotor, tanto quanto possível, até 45 graus (qualquer movimento serve se o rotor for difícil de rodar, mas não menos do que 5 graus)
• Re-executar os testes e rever as leituras. Se a falha se deslocou, ou mudou por mais de um dígito, então a falha mais provável está localizada no rotor.
• Se a falha permanecer estacionária (não muda com a posição do rotor), então desligue os cabos na caixa terminal do motor e volte a testar. Se uma falha ainda for indicada, é mais provável que esteja no estator, se não, é mais provável que esteja no cabo.

O tempo médio de teste, para além da resolução de problemas, é de aproximadamente 3-5 minutos.

Ao testar uma máquina síncrona desmontada, é importante lembrar que as leituras serão muito diferentes sem o rotor no lugar:

• Realizar o teste ALL-TEST IV PRO™ Teste automático (AT5
  Z/
  
  
  modo de teste) no estator e avaliar os resultados do teste. Isto fornecerá uma indicação imediata de quaisquer falhas.
• Para o teste de rotor:

• Realizar o teste Automático e comparar com uma leitura passada; ou,

• Realizar o teste automático e comparar com um rotor ‘idêntico’; ou,
• Realizar o teste Automático em cada bobina de campo em vez de um teste de queda de tensão.
• Todos os parâmetros para os três devem cumprir os limites de avaliação.

Por causa do estilo de testes, estes resultados podem ser tendenciosos e comparados entre máquinas semelhantes.

Outras aplicações para testes de circuitos motores incluem a avaliação e aceitação, e a manutenção preditiva.

Resultados Esperados dos Testes

Tal como referido na última secção deste documento, os resultados dos ensaios são semelhantes aos encontrados nas máquinas de indução trifásicas. Os padrões de falhas são muito simples e aplicam-se independentemente do tamanho do equipamento, dentro da gama de teste dos instrumentos ALL-TEST Pro. Segue-se uma breve panorâmica das medições dos testes e dos seus resultados para a resolução de problemas básicos:

• Medições simples de resistência: São um indicador de ligações de alta resistência, ligações soltas ou condutores partidos no circuito. Este teste é importante, especialmente se o problema de resistência está num ponto, pois, com base em I2R, uma mancha resistiva irá emitir uma grande quantidade de energia térmica (em Watts). Por exemplo, uma resistência de 0,5 Ohm através de um ponto de um circuito que está a ver 100 Amps iria desprender-se: (100Amps2)(0,5 Ohms) = 5.000 Watts (5kW) de energia. Esta é mais ou menos a mesma energia utilizada para fazer girar 6 cavalos de potência de motor eléctrico.
• Medição da indutância: Este é um indicador da força magnética de uma bobina e da influência de outras bobinas numa bobina. É influenciada pelo número de voltas num circuito, pelas dimensões das bobinas e pela indutância de outras bobinas. Esta medição, por si só, é apenas um bom indicador do estado do enrolamento do amortisseur e da excentricidade do rotor. A indutância só mostrará um curto-circuito se for grave.
• Medição da impedância: Esta é a medição da resistência complexa no circuito. Pode ser utilizado, tal como a indutância, para verificar o estado de enrolamento e rotor do amortisseur. No entanto, quando utilizado juntamente com a indutância, pode ser utilizado para detectar rapidamente enrolamentos sobreaquecidos e contaminação por enrolamentos. Visualizando a relação de indutância e impedância entre cada fase: Se a indutância e a impedância forem relativamente paralelas, então qualquer desequilíbrio indutivo e de impedância está na relação entre o rotor e o estator (posição do rotor); se não forem paralelas, isto é uma indicação de um problema de isolamento, tal como avaria do isolamento ou contaminação do enrolamento.
• Ângulo de fase e I/F (Corrente/Frequência): Ambos são indicadores de falhas de isolamento entre as voltas do estator ou do rotor.
• Resistência de Isolamento: Avalia o isolamento ao solo e só indicará quando o isolamento falhou.

As recomendações relativas aos limites de ensaio, tal como descritas no “Guideline for Electronic Static Winding Circuit Analysis of Rotating Machinery and Transformers”, são as seguintes

Tabela 1: Limites de teste (valores de pico a pico)

*Pode exceder este valor se as medições forem paralelas.

Segue-se uma visão geral das regras de resolução de problemas:

• Enrolamentos curtos:

• Os enrolamentos curtos podem ser avaliados visualizando o ângulo de fase e as leituras I/F a partir do instrumento em bobinas semelhantes ou entre fases:
• Ângulo de fase (Fi) – O ângulo de fase deve estar dentro de 1 dígito da leitura média. Por exemplo, uma leitura de 77/75/76 seria boa porque a leitura média é 76. Uma leitura de 74/77/77 seria má.
• Resposta de Frequência Actual (I/F) – A resposta de frequência actual deve estar a menos de 2 dígitos da leitura média. Por exemplo, uma leitura de -44/-45/-46 seria boa. Uma leitura de -40/-44/-44 seria má. No entanto, uma leitura como -42/-44/-44 deve ser considerada suspeita.

• Contaminação do enrolamento e posição do rotor

• A posição do rotor dentro do motor eléctrico pode causar um desequilíbrio de fase natural. A contaminação por enrolamento também causará desequilíbrios de fase. A avaliação do DF pode mostrar se o desequilíbrio de fase provém do rotor ou da contaminação.

• Posição do rotor – Os desequilíbrios de posição do rotor podem ser avaliados procurando ver se os valores de indutância e impedância são bastante equilibrados. Por exemplo, se existem indutâncias de 17/18/19 e impedâncias de valores 24/26/29, então o desequilíbrio é devido à posição do rotor. Isto também pode acontecer se as indutâncias forem 5/5/5 e as impedâncias 8/9/8.
• Contaminação do enrolamento – Também pode ser encontrada em enrolamentos sobreaquecidos (queimados). Estas condições são o resultado de alterações no isolamento devido à rutura do sistema de isolamento.

Conclusão

Através de um conjunto de regras e instruções simples, o ALL-TEST IV PRO™ (agora AT5™) fornece uma excelente ferramenta para a resolução de problemas e a criação de tendências sobre o estado das máquinas síncronas. O ensaio é realizado utilizando medições de ensaio simples e não destrutivas que permitem uma visão mais completa do estator do motor e do circuito do rotor do que qualquer outro ensaio. A avaliação dos testes é simples e directa, independentemente do tamanho ou tipo de equipamento.

Bibliografia

• Guia para Análise de Circuitos Electrónicos Estáticos de Máquinas e Transformadores Rotativos, BJM Corp, Divisão ALL-TEST, 2001.
• Penrose, Howard W. Motor Circuit Analysis: Teoria, Aplicação e Análise de Energia, SUCCESS by DESIGN, 2001.