Deteção de avarias no acionamento do motor com modulação de largura de impulsos através da análise da assinatura eléctrica

A utilização pela indústria de accionamentos para motores CA continua a crescer e o acionamento modulado por largura de impulso (PWM) tornou-se o padrão comum da indústria para aplicações de potência baixa a média. Tal como acontece com os outros componentes do sistema do motor, o acionamento PWM tem diferentes modos de falha e, para a resolução de problemas, um eletricista utiliza normalmente um multímetro digital (DMM), um osciloscópio digital e um analisador de qualidade de energia. Estes três instrumentos permitem ao eletricista detetar problemas relacionados com a alimentação de entrada e o acionamento do motor, mas oferecem uma capacidade limitada de deteção de falhas no próprio motor e na carga accionada pelo motor. Além disso, uma vez que estes instrumentos são separados e podem oferecer uma capacidade de comunicação limitada, pode ser difícil efetuar ensaios para fins de Manutenção Preditiva (PdM) ou Manutenção Baseada na Condição (CBM).

É aqui que a Análise de Assinatura Eléctrica (ESA) oferece vantagens distintas sobre o DMM, o osciloscópio e o analisador de qualidade de energia para fins de teste de fiabilidade. Além disso, para além de avaliar o estado da energia de entrada e do acionamento do motor, também avaliará o estado do motor e da carga accionada para muitos modos de falha comuns.

Sobre a ESA

O ESA é um método de teste em linha em que as formas de onda da tensão e da corrente são captadas enquanto o sistema do motor está a funcionar e, em seguida, através de uma Transformada Rápida de Fourier (FFT), é efectuada uma análise espetral através do software fornecido. A partir desta FFT, são detectadas falhas relacionadas com a alimentação de entrada, o circuito de controlo, o próprio motor e a carga accionada, que podem depois ser acompanhadas para fins de CBM/PdM. O nosso instrumento SCE específico é de mão, portátil e funciona a pilhas.

Todos os sistemas de análise do SCE requerem informações sobre a placa de identificação do motor, nomeadamente a tensão, a velocidade de funcionamento, a corrente a plena carga e a potência (ou kW). Além disso, podem ser introduzidas informações opcionais, como a contagem de barras do rotor e de ranhuras do estator, números de peças de rolamentos e informações sobre componentes de carga accionada, como a contagem de pás para uma ventoinha ou a contagem de dentes para uma aplicação de caixa de velocidades, para uma análise mais detalhada e precisa.

Uma vez que o SCE é novo para muitas pessoas, segue-se um quadro que ilustra as falhas gerais que o SCE detecta. Ver Figura 1.

Este artigo aborda três falhas comuns num acionamento PWM:

1) Um díodo de entrada aberto na ponte rectificadora.

2) Condensadores avariados no circuito intermédio de corrente contínua.

3) Transístor bipolar de porta isolada (IGBT) defeituoso.

Das três, a falha dos condensadores é a mais difícil de detetar precocemente, uma vez que não há sinais imediatos desta condição através da monitorização do desempenho do motor.

Sobre a unidade

A Figura 2 ilustra os blocos básicos de um acionamento de motor PWM, que incluem a alimentação CA de entrada, a ponte de díodos de onda completa que rectifica a tensão CA de entrada, o circuito CC intermédio que contém o(s) condensador(es), a ponte inversora e o motor.

Ao testar com o SCE, são efectuadas ligações de tensão e corrente ao sistema de motor que está a ser testado. Isto é normalmente feito no centro de controlo do motor e as ligações são feitas utilizando sondas de tensão portáteis fornecidas e transformadores de corrente portáteis ou através de caixas de ligação especiais previamente instaladas. A vantagem da caixa de ligação é a capacidade de recolher os dados sem abrir o painel de controlo do motor para fazer as ligações necessárias.

Com aplicações PWM, devem ser recolhidos dois conjuntos de dados, um na entrada do acionamento PWM e outro na saída do acionamento PWM. Todo o processo de recolha de dados (depois de feitas as ligações) demora cerca de 4 minutos e não é necessária qualquer informação da placa de identificação do motor nesta altura. Esta informação pode ser introduzida mais tarde, aquando da realização da análise de dados.

Os ficheiros de dados são então visualizados utilizando o software fornecido e é gerado um relatório Microsoft® Word. O software fornece ferramentas fáceis de utilizar para trabalhar com os diferentes espectros de análise. Os resultados do software podem ser vistos sem gerar o relatório completo.

O software comunica automaticamente o seguinte:

Fator de potência, desequilíbrio de corrente, desequilíbrio de tensão e tensão RMS em relação à placa de identificação, carga em relação à placa de identificação, ligação de fase, estado do rotor, estado elétrico e mecânico do estator, folga de ar rotor/estator, distorção harmónica total (tensão e corrente), indicações de desalinhamento/desequilíbrio e estado dos rolamentos.

Também informa sobre o pico de tensão e corrente e o fator de crista, a impedância de fase, a potência (aparente, real e reactiva), a velocidade de funcionamento e a frequência da linha. Para motores de indução AC e motores DC, também calcula a eficiência do motor.

Um utilizador médio especializado pode executar uma análise completa e gerar um relatório em menos de 10 minutos por motor.

Caso Um

O caso número um é um acionamento de motor que foi recebido nas instalações de assistência da EMA Inc, Cortland, NY. O acionamento e o motor foram colocados num dinamómetro para serem testados.

Foram recolhidos dois conjuntos de dados. O primeiro é uma captura apenas da forma de onda na entrada do conversor e o segundo conjunto foi tirado na saída do conversor. O segundo conjunto de dados inclui uma captura de forma de onda de tensão e corrente, mais 50 segundos de formas de onda de tensão e corrente.

A Figura 6 mostra a forma de onda da corrente de entrada para a fase C. Note-se que os picos negativos estão em falta. Isto é causado por um díodo aberto.

O relatório gerado automaticamente pelo SCE identifica tanto o desequilíbrio de corrente como a distorção harmónica excessiva, que é causada pelo díodo aberto.

Esta primeira página do relatório é apenas um resumo e existem páginas adicionais que fornecem pormenores sobre cada um dos principais temas. Um grande desequilíbrio de fase da corrente, como se vê aqui, danificará os componentes internos do conversor PWM e pode sobrecarregar o transformador de alimentação que alimenta o conversor do motor

Caso Dois

O caso número dois foi recebido pela EMA para reparação e envolve condensadores envelhecidos na bateria de condensadores. O problema é que, à medida que estes condensadores começam a envelhecer e a deteriorar-se, o desempenho do motor não fornece quaisquer indicações óbvias. Quando os condensadores começam a falhar, os condensadores bons transportam corrente adicional, o que gera um calor excessivo nos condensadores, e o calor adicional acelera a falha dos restantes condensadores. Estes condensadores têm aberturas para dissipar a pressão excessiva no interior, mas é possível que estes condensadores explodam, se não forem ventilados suficientemente depressa. Além disso, a tensão de ondulação excessiva que está a ser fornecida ao motor fará com que o motor absorva corrente harmónica. Estas correntes harmónicas criarão um binário de sequência negativo, um fraco desempenho do motor e uma acumulação adicional de calor prejudicial no interior do motor.

A Figura 9 mostra a tensão à saída do variador de velocidade e isto para um bom variador de velocidade com condensadores em bom estado.

Caso Três

O caso número três foi recebido pela EMA para reparação. A forma de onda de saída mostra que um IGBT (Transístor Bipolar de Porta Isolada) não está a ligar. Isto cria um desequilíbrio na corrente e uma distorção na forma de onda.

Conclusão

Em conclusão, o DMM, o osciloscópio e os instrumentos de qualidade de energia fornecem uma boa capacidade de resolução de problemas para accionamentos de motores PWM. No entanto, não se integram bem num programa de fiabilidade de ensaios de motores eléctricos devido a limitações na recolha de dados e na elaboração de relatórios. Além disso, fornecem poucas informações sobre problemas comuns relacionados com o motor e a carga.

A Análise da Assinatura Eléctrica permite ao técnico de fiabilidade visualizar todo o sistema do motor, desde a entrada de energia até à carga accionada. Com aplicações PWM, a recolha de dados demora menos de 4 minutos após as ligações de tensão e corrente terem sido efectuadas. A partir deste processo de teste de 4 minutos, uma análise completa pode identificar rapidamente problemas como díodos rectificadores avariados, condensadores de barramento CC deficientes e IGBT avariados, antes que a avaria do acionamento ou do motor tenha causado a avaria do sistema do motor.

É importante notar que em todos os três casos o motor pode ainda estar a funcionar, dependendo da carga e de outros factores operacionais, mas a certeza de que o sistema continuará a funcionar fica comprometida. A capacidade do SCE para identificar precocemente estas falhas, antes que ocorram danos adicionais no motor ou no acionamento PWM, ajudará a minimizar o dispendioso tempo de inatividade, a aumentar a fiabilidade do equipamento e, possivelmente, a evitar danos catastróficos no equipamento ou possíveis ferimentos no pessoal.

Sobre os autores

Richard Scott é o gerente nacional de vendas e Don Haapapuro, CMRP, é o gerente de contas-chave da ALL-TEST Pro, LLC. ALL-TEST Pro é um fabricante de equipamento de teste portátil para Análise de Circuitos de Motores (MCA), Análise de Assinatura Eléctrica (ESA) e Análise de Qualidade de Energia (PQ) utilizado para testes de Manutenção Preditiva, Controlo de Qualidade e Resolução de Problemas de motores eléctricos, geradores, transformadores, bobinas e enrolamentos. Os instrumentos ALLTEST PRO® MCA permitem a deteção precoce de falhas eléctricas, incluindo: falhas no enrolamento, desequilíbrio de fases, falhas no rotor e falhas na terra. Os instrumentos ALL-TEST PRO® ESA e PQ permitem uma análise automática desde a entrada de energia, o motor elétrico, até à carga accionada, tanto eléctrica como mecânica. Os instrumentos são portáteis, funcionam a pilhas, são fáceis de utilizar e testam praticamente qualquer tamanho ou tipo de motor elétrico, gerador ou transformador, mesmo a partir de um local remoto. O sítio Web é www.alltestpro.com.

Dean Williams é o Vice-Presidente de Serviços Técnicos da EMA, Inc. e trabalha a partir do centro de assistência de Cortland, NY. A EMA vende e presta serviços de assistência a accionamentos de motores e fornece formação para a resolução adequada de problemas em accionamentos de motores. O sítio Web é www.emainc.net.

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