Diagnóstico de motores: A abordagem multi-tecnológica

Introdução

Tem havido um equívoco persistente de que existe uma “bala mágica”, sob a forma de um instrumento de Monitorização Baseada na Condição (CBM), que fornecerá toda a informação de que necessita para avaliar a saúde do seu sistema de motor elétrico. Este equívoco é muitas vezes provocado pelas apresentações comerciais dos fabricantes ou das equipas de vendas destes instrumentos de CBM. É a própria A função do vendedor é centrar-se na área de força do(s) seu(s) instrumento(s) específico(s) e apresentá-lo como “a única solução de que alguma vez necessitará para resolver todos os seus problemas”.

Na realidade, não existe um instrumento que lhe forneça todas as informações de que necessita. Não existe um “Santo Graal” da gestão da confiança e da fiabilidade. No entanto, através de uma compreensão do sistema do motor elétrico e das capacidades das tecnologias CBM, pode ter uma visão completa do seu sistema, do seu estado e ter confiança na estimativa do tempo até à falha, a fim de fazer uma boa recomendação à administração.

O objetivo deste documento é simples: Delinear os componentes de um sistema de motor elétrico; Discutir os modos de falha de cada componente principal; Discutir como cada uma das principais tecnologias aborda cada componente; Discutir como as tecnologias podem ser integradas para uma visão completa do sistema; e, Discutir o impacto final da abordagem multi-tecnologia. Os tipos de equipamento de CBM a analisar são tecnologias standard prontas a usar que são utilizadas para testes periódicos.

O sistema de motor elétrico

O sistema de motor elétrico envolve muito mais do que apenas o motor elétrico. De facto, é composto por seis secções distintas, todas com os seus diferentes modos de falha. As secções são (Figura 1):

• O sistema de distribuição de energia da instalação, que inclui a cablagem e os transformadores.
• Sistemas de arranque.
• O motor elétrico – Um motor de indução trifásico para efeitos do presente documento.
• O acoplamento mecânico, que pode ser direto, uma caixa de velocidades, correias ou qualquer outro método de acoplamento. Para efeitos do presente documento, centrar-nos-emos no acoplamento direto e nas correias.
• A carga refere-se ao equipamento acionado, como uma ventoinha, uma bomba, um compressor ou outro equipamento acionado.
• O processo, como a bombagem de águas residuais, a mistura, a aeração, etc.

A maioria visualiza os componentes individuais do sistema ao solucionar problemas, criar tendências, colocar em funcionamento ou executar qualquer outra função baseada na fiabilidade relacionada com o sistema. Que componentes são focados depende de vários factores, que incluem:

• Qual é a experiência e os antecedentes do pessoal e dos gestores envolvidos. Por exemplo, é mais frequente ver um programa de vibração forte quando o pessoal de manutenção é principalmente mecânico, ou um programa de infravermelhos quando o pessoal é principalmente elétrico.
• Áreas de fracasso percebidas. Este pode ser um problema grave, dependendo da forma como o sistema motor é percepcionado, e merecerá mais atenção a seguir.
• Compreensão das várias tecnologias CBM.
• Formação. Mas desde quando é que a formação não é um problema?

A perceção das áreas de falha constitui um problema especialmente grave quando se analisa o historial do seu sistema motor. Muitas vezes, quando os registos são apresentados, o único resumo pode indicar algo como “falha da ventoinha, reparada” ou “falha da bomba, reparada”. O resultado final é que a falha sentida tem a ver com a bomba ou com o componente do ventilador do sistema do motor. Isto torna-se especialmente problemático quando se confia na memória para dar as respostas aos problemas mais graves a resolver numa fábrica, com base na história. Por exemplo, quando se procura determinar qual a parte de uma fábrica que está a causar mais problemas, a resposta pode ser “Bomba de águas residuais 1”. A perceção imediata é de que a bomba tem um problema consistente e, como uma bomba é um sistema mecânico, pode ser selecionada uma solução de monitorização mecânica para determinar as tendências do estado da bomba. Se tivesse sido registada uma causa raiz para cada falha, poderia ter sido determinado que se tratava do enrolamento do motor, dos rolamentos, do cabo, dos controlos, do processo ou de uma combinação de questões.

Numa reunião recente, enquanto se discutia a seleção de equipamento de CBM, foi pedido aos participantes que indicassem os modos de falha das suas localizações. As respostas foram ventiladores, compressores e bombas. Após uma análise mais aprofundada, verificou-se que as avarias mais comuns nos ventiladores são os rolamentos e os enrolamentos do motor, nas bombas são os vedantes e os rolamentos do motor e nos compressores são os vedantes e os enrolamentos do motor. Quando analisadas mais de perto, as falhas nos enrolamentos tinham a ver com problemas de controlo e de cabos, reparações inadequadas e qualidade da energia. Os problemas dos rolamentos estavam relacionados com práticas de lubrificação incorrectas.

Com efeito, ao determinar a melhor forma de implementar o CBM no seu sistema de motor elétrico, é necessário ter uma visão do sistema e não de um componente. O resultado é simples: Maior fiabilidade; menos dores de cabeça; e, um resultado final melhorado.

Instrumentos de teste de monitorização baseada na condição

Seguem-se algumas das tecnologias CBM mais comuns em utilização. Para mais pormenores sobre as tecnologias, consultar “Análise do circuito do motor”1 Os pormenores sobre os componentes do sistema testado e as capacidades podem ser encontrados nas Tabelas 1-4 no final deste documento:

Teste de desnergia:

1 Análise de circuitos de motores: Teoria, Aplicação e Análise de Energia, Howard W. Penrose, Ph.D., Editora SBD, ISBN: 0-9712450-0-2, 2002.

• Teste de alto potencial CC – Ao aplicar uma tensão de duas vezes a tensão nominal do motor mais 1.000 volts para CA e um adicional de 1,7 vezes esse valor para alto potencial CC (normalmente com um multiplicador para reduzir a tensão no sistema de isolamento), o sistema de isolamento entre os enrolamentos do motor e a terra (isolamento da parede de terra) é avaliado. O teste é amplamente considerado potencialmente destrutivo.
• Ensaio de comparação de sobretensões: Utilizando impulsos de tensão com valores calculados da mesma forma que o teste de potencial elevado, a impedância de cada fase de um motor é comparada graficamente. O objetivo do teste é detetar curtos-circuitos nas primeiras voltas de cada fase. O ensaio é normalmente realizado em aplicações de fabrico e rebobinagem, uma vez que é melhor realizado sem um rotor no estator. Este teste é amplamente considerado como potencialmente destrutivo e é utilizado principalmente como um teste de “vai/não vai”, sem uma verdadeira capacidade de determinar tendências.
• Testador de isolamento: Este teste coloca uma tensão CC entre os enrolamentos e a terra. A fuga de baixa corrente é medida e convertida numa medida de meg, gig ou tera-Ohms.
• Teste do Índice de Polarização: Utilizando um aparelho de teste de isolamento, os valores de 10 minutos a 1 minuto são visualizados e é produzido um rácio. De acordo com a norma IEEE 43-2000, os valores de isolamento superiores a 5.000 MegOhms não precisam de ser avaliados com PI. O teste é utilizado para detetar contaminação grave do enrolamento ou sistemas de isolamento sobreaquecidos.
• Teste de Ohm, Milli-Ohm: Utilizando um medidor de Ohm ou de Milli Ohm, os valores são medidos e comparados entre os enrolamentos de um motor elétrico. Estas medições são normalmente efectuadas para detetar ligações soltas, ligações quebradas e defeitos de enrolamento em fases muito avançadas.
• Teste de análise do circuito do motor (MCA): Os instrumentos que utilizam valores de resistência, impedância, indutância, ângulo de fase, corrente: resposta de frequência e teste de isolamento podem ser utilizados para solucionar problemas, comissionar e avaliar o controlo, a ligação, o cabo, o estator, o rotor, a folga de ar e o isolamento à terra. Utilizando uma saída de baixa tensão, as leituras são lidas através de uma série de pontes e avaliadas. Leituras não destrutivas e com tendências, muitas vezes meses antes da falha eléctrica.

2 Potencialmente destrutivo: Qualquer instrumento que possa potencialmente alterar as condições de funcionamento do equipamento através de uma aplicação incorrecta ou acabar com condições de isolamento enfraquecidas deve ser considerado potencialmente destrutivo.

Testes energizados:

Análise de vibrações: A vibração mecânica é medida através de um transdutor que fornece valores globais de vibração e análise FFT. Estes valores fornecem indicadores de avarias mecânicas e do grau de avarias, podem ser acompanhados e fornecerão informações sobre alguns problemas eléctricos e do rotor que variam com base na carga do motor. Requisitos de carga mínima para motores eléctricos para detetar avarias no rotor. Requer um conhecimento prático do sistema que está a ser testado.

A análise por infravermelhos fornece informações sobre a diferença de temperatura entre objectos. As falhas são detectadas e as tendências são baseadas no grau de falha. Excelente para detetar ligações soltas e outras falhas eléctricas com alguma capacidade para detetar falhas mecânicas. As leituras variam consoante a carga. Requer um conhecimento prático do sistema que está a ser testado.

Os instrumentos ultra-sónicos medem ruídos de baixa e alta frequência. Detectará uma variedade de problemas eléctricos e mecânicos nas fases finais da avaria. As leituras variam consoante a carga. Requer um conhecimento prático do sistema que está a ser testado.

As medições de tensão e corrente fornecerão informações limitadas sobre o estado do sistema do motor. As leituras variam consoante a carga.

A Análise da Assinatura de Corrente do Motor (MCSA) utiliza o motor elétrico como transdutor para detetar falhas eléctricas e mecânicas através de uma parte significativa do sistema do motor. Normalmente utilizado como um teste de funcionamento/desligamento, o MCSA tem algumas capacidades de análise de tendências, mas normalmente só detecta falhas de enrolamento e problemas mecânicos nas suas fases finais. Sensível a variações de carga e as leituras variam consoante a carga. Requer informações da placa de identificação e muitos sistemas requerem o número de barras do rotor, ranhuras do estator e introdução manual da velocidade de funcionamento.

Componentes principais e modos de falha

Serão analisados alguns dos principais problemas dos vários componentes do sistema motor, a fim de compreender os tipos de falhas encontradas e as tecnologias utilizadas para as detetar. Como visão geral, isto pode não englobar todos os modos de falha que podem ocorrer.

Potência de entrada

Começando pela entrada de energia na carga, a primeira área que teria de ser abordada é a sistema de entrada de energia e de distribuição. A primeira área de problema é a qualidade da energia e depois os transformadores.

Os problemas de qualidade da energia associados aos sistemas de motores eléctricos incluem:

• Harmónicos de tensão e de corrente: Com a tensão limitada a 5% THD (Distorção Harmónica Total) e a corrente limitada a 3% THD. Os harmónicos de corrente têm o maior potencial de danos para o sistema do motor elétrico.
• Condições de sobretensão e subtensão: Os motores eléctricos são concebidos para funcionar não mais do que +/- 10% da tensão da placa de identificação.
• Desequilíbrio de tensão: É a diferença entre fases. A relação entre o desequilíbrio da tensão e da corrente varia de algumas vezes a muitas vezes o desequilíbrio da corrente em relação ao desequilíbrio da tensão com base na conceção do motor (pode ser até 20 vezes).
• Fator de potência: Quanto mais baixo for o fator de potência em relação à unidade, mais corrente o sistema tem de utilizar para realizar o trabalho. Os sinais de um fraco fator de potência também incluem o escurecimento das luzes quando o equipamento pesado arranca.
• Sistema sobrecarregado: Com base nas capacidades do transformador, da cablagem e do motor. Detectado com medições de corrente, normalmente, bem como de calor.

As principais ferramentas utilizadas para detetar problemas com a energia de entrada são os medidores de qualidade de energia, MCSA e medidores de tensão e corrente. Conhecer o estado da sua qualidade de energia pode ajudar a identificar muitos problemas “fantasma”.

Os transformadores são um dos primeiros componentes críticos do sistema motor. Em geral, os transformadores têm menos problemas do que outros componentes do sistema. No entanto, cada transformador é normalmente responsável por vários sistemas, tanto no motor elétrico como noutros sistemas.

Os problemas mais comuns dos transformadores incluem (transformadores com óleo ou do tipo seco):

• Falhas de isolamento à terra.
• Enrolamentos em curto-circuito.
• Ligações soltas, e,
• Vibração eléctrica/afrouxamento mecânico

O equipamento de ensaio utilizado para monitorizar o estado dos transformadores (no âmbito da seleção de instrumentos deste documento) inclui:

• MCA para terras, ligações soltas/quebradas e curtos-circuitos
• MCSA para qualidade de energia e defeitos de fase tardia
• Análise por infravermelhos para detetar ligações soltas
• Ultra-sons para detetar folgas e defeitos graves
• Testadores de isolamento para deteção de defeitos de isolamento à terra.

CCM’s, Controlos e Desconexões

O controlo ou o seccionador do motor fornece alguns dos principais problemas com os sistemas de motores eléctricos. Os mais comuns, tanto para sistemas de baixa como de média tensão, são:

• Ligações soltas
• Contactos defeituosos, incluindo os que estão furados, danificados, queimados ou gastos
• Bobinas de arranque defeituosas no contactor
• Condensadores de correção do fator de potência em mau estado, o que normalmente resulta num desequilíbrio significativo da corrente.

Os métodos de ensaio para avaliar os controlos incluem infravermelhos, ultra-sons, voltímetros/ampères, ohmímetros e inspecções visuais. O MCA, o MCSA e os infravermelhos fornecem os sistemas mais precisos para a deteção de falhas e tendências.

Cabos – Antes e depois dos controlos

Os problemas de cablagem raramente são tidos em conta e, como resultado, dão algumas das maiores dores de cabeça. Os problemas comuns dos cabos incluem:

• Avaria térmica devido a sobrecargas ou ao envelhecimento
• Contaminação, que pode ser ainda mais grave nos cabos que passam no subsolo através de condutas
• Podem ocorrer curtos-circuitos de fase ou de terra. Estas podem ser causadas por “arborização” ou danos físicos.
• Abre devido a danos físicos ou outras causas.
• Os danos físicos são frequentemente um problema em combinação com outros problemas do cabo.

Os testes e as tendências são efectuados com MCA, infravermelhos, testes de isolamento e MCSA.

Resumo do lado da alimentação do motor

No lado da alimentação do motor, os problemas podem ser divididos da seguinte forma:

• Fraco fator de potência – 39%
• Ligações deficientes – 36%
• Condutores subdimensionados – 10%
• Desequilíbrio de tensão – 7%
• Condições de sub ou sobretensão – 8%

Os equipamentos mais comuns que cobrem estas áreas incluem o MCA, os infravermelhos e o MCSA.

Motores eléctricos

Os motores eléctricos incluem componentes mecânicos e eléctricos. De facto, um motor elétrico é um conversor de energia eléctrica em binário mecânico.

Problemas mecânicos primários:

• Rolamentos – desgaste geral, aplicação incorrecta, carga ou contaminação.
• Eixo ou caixa de rolamentos danificados ou desgastados
• Desequilíbrio mecânico geral e ressonância

A análise de vibrações é o principal método de deteção de problemas mecânicos em motores eléctricos. A MCSA detecta problemas mecânicos numa fase tardia, tal como os infravermelhos e os ultra-sons.

Problemas eléctricos primários:

• Curtos-circuitos entre condutores ou bobinas
• Contaminação por enrolamento
• Defeitos de isolamento à terra
• Defeitos do entreferro, incluindo rotores excêntricos
• Defeitos do rotor, incluindo vazios de fundição e barras de rotor partidas.

A MCA detectará todas as falhas no início do desenvolvimento. A MCSA detecta avarias do estator em fase avançada e avarias do rotor em fase inicial. A vibração detectará falhas na fase tardia, o isolamento à terra detectará apenas falhas à terra que constituem menos de 1% das falhas do sistema do motor, o teste de sobretensão detectará apenas curtos-circuitos superficiais nos enrolamentos e todos os outros testes detectarão apenas falhas na fase tardia.

Acoplamento (direto e com correia)

O acoplamento entre o motor e a carga oferece oportunidades para problemas devido ao desgaste e à aplicação.

• Desalinhamento da correia ou da transmissão direta
• Desgaste da correia ou do encaixe
• Os problemas de tensão da correia são mais comuns do que se pensa e, normalmente, resultam numa falha do rolamento
• Desgaste da roldana

O sistema mais preciso para a deteção de falhas no acoplamento é a análise de vibrações. A MCSA e a análise por infravermelhos detectam normalmente falhas graves ou em fase avançada.

Carga (ventiladores, bombas, compressores, caixas de velocidades, etc.)

A carga pode ter vários tipos de falhas, consoante o tipo de carga. As mais comuns são as peças gastas, os componentes partidos e os rolamentos.

Os instrumentos de teste capazes de detetar problemas de carga incluem MCSA, vibração, análise de infravermelhos e ultra-sons.

Abordagens comuns à multi-tecnologia

Existem várias abordagens comuns no sector, bem como várias novas abordagens (ver Quadro 3). Os melhores utilizam uma combinação de testes energizados e desenergizados. É importante notar que os testes com energia são geralmente melhores sob condições de carga constante e com tendências nas mesmas condições de funcionamento de cada vez.

Uma das abordagens mais comuns tem sido a utilização da resistência de isolamento e/ou do índice de polarização. Estes apenas identificarão falhas de isolamento à terra no motor e no cabo, o que representa menos de 1% das falhas globais do sistema do motor (~5% das falhas do motor).

Os infravermelhos e as vibrações são normalmente utilizados em conjunto com grande sucesso. No entanto, não detectam alguns problemas comuns ou só os detectam nas fases finais da falha.

Os testes de picos de tensão e os testes de elevado potencial apenas detectarão algumas falhas de enrolamento e falhas de isolamento para a terra, com o potencial de colocar o motor fora de ação se existir qualquer contaminação ou fraqueza no isolamento.

O MCA e o MCSA apoiam-se mutuamente e detectam praticamente todos os problemas do sistema motor. Esta precisão requer sistemas MCA que utilizem resistência, impedância, ângulo de fase, I/F e isolamento à terra e sistemas MCSA que incluam desmodulação de tensão e corrente.

A abordagem mais recente e mais eficaz tem sido a vibração, os infravermelhos e o MCA e/ou MCSA. A vantagem desta abordagem é que existe uma combinação de disciplinas eléctricas e mecânicas envolvidas na avaliação e resolução de problemas. Conforme constatado no Estudo de Diagnóstico Motor e Saúde Motora, 3 38% dos testes de sistemas de motores que envolvem apenas vibração e/ou infravermelhos registam um retorno significativo de 3 Diagnóstico de motores e investimento. Este número subiu para 100% nos sistemas que utilizavam uma combinação de MCA/MCSA com vibração e/ou infravermelhos.

Num caso, uma aplicação combinada de infravermelhos e vibração obteve um ROI de 30 mil dólares. Quando a empresa adicionou o MCA à sua caixa de ferramentas, o ROI aumentou para $307.000, dez vezes mais do que o original, utilizando uma combinação de instrumentos.

Oportunidades de candidatura

Existem três oportunidades comuns para o ensaio de sistemas de motores eléctricos. Estes incluem:

• Colocação em funcionamento de componentes ou do sistema completo, quando este é instalado ou reparado. Isto pode proporcionar um retorno muito imediato para as tecnologias envolvidas e ajudá-lo-á a evitar catástrofes de mortalidade infantil.
• A resolução de problemas do sistema através da aplicação de várias tecnologias ajudá-lo-á a identificar os problemas muito mais rapidamente e com maior confiança.
• Tendência dos resultados dos testes para a fiabilidade do sistema, mais uma vez utilizando a aplicação adequada de múltiplas tecnologias. Utilizando testes como o MCA, a vibração e os infravermelhos, as potenciais falhas podem ser acompanhadas a longo prazo, detectando muitas falhas com meses de antecedência.

Conclusão

Este documento apresentou uma breve panorâmica da forma como várias tecnologias funcionam em conjunto para proporcionar uma boa visão do sistema do motor elétrico. Através da compreensão e aplicação desta abordagem, obterá retornos fantásticos no seu programa de manutenção.

Sobre o Autor

O Dr. Howard W. Penrose, Ph.D. recebeu o seu Ph.D. em Engenharia Geral, centrando-se em melhorias de processos de sistemas industriais, análise de fluxos de resíduos e de energia e fiabilidade de equipamentos. Tem 15 anos de experiência na indústria de motores eléctricos e de serviços, liderando iniciativas de PdM e de análise da causa-raiz numa grande variedade de locais comerciais e industriais.

Tabela 1: Comparação de tecnologias de diagnóstico do sistema do motor

Quadro 2: Considerações de gestão

Quadro 3: Abordagens comuns

Quadro 4: Considerações adicionais