Vantagens do teste do motor CC usando a análise do circuito do motor

O teste elétrico de motores eléctricos de corrente contínua (DC) é um desafio tanto na indústria, como no fabrico e nos centros de reparação. A questão chave tem a ver com a capacidade de comparar uma bobina com a seguinte, caso não seja fornecida informação exacta. Neste artigo, será discutida a questão dos testes simples para aumentar a confiança nas conclusões dos testes e análises utilizando a Análise de Circuitos Motores (MCA).

O termo MCA deriva de um método de teste que fornece informações sobre os componentes básicos de um motor eléctrico AC ou DC. Estes componentes básicos incluem:

• Resistência, medida em Ohms
• Impedância, medida em Ohms
• Indutância, medida em Henries
• O ângulo de fase do enrolamento de indução, medido em graus
• Resistência de isolamento, medida em Meg-Ohms

O instrumento que será referido neste artigo fornece estas leituras gerando uma baixa tensão, verdadeira onda sinusoidal, corrente alternada (impedância, indutância, ângulo de fase), sinal a frequências de 100 a 800 hertz, um sinal de baixa tensão DC para resistência, e 500 ou 1.000 volts DC para o teste de resistência de isolamento.

Além disso, é efectuado um ensaio especial denominado I/F, no qual a frequência aplicada é duplicada, resultando um rácio da alteração da impedância do enrolamento. Este teste é introduzido para identificar os calções de enrolamento precoce que possam existir no enrolamento. Utilizando os dados aplicados, o estado de um enrolamento de um motor CC pode ser avaliado através de comparações de bobinas, comparações com leituras conhecidas, ou através de alterações das tendências dos enrolamentos ao longo de um período de tempo.

Os motores eléctricos CC que serão incluídos neste artigo são os motores CC em série, em derivação e compostos. Alguns dos testes básicos descritos podem ser realizados em ímanes permanentes, servos de corrente contínua, máquinas-ferramentas de corrente contínua e outros (embora os motores de corrente contínua sem escovas sejam avaliados de forma semelhante aos motores de corrente alternada). Os tipos de motores eléctricos CC podem ser descritos pelos seus enrolamentos e ligações.

Teoria do Motor DC

Os motores eléctricos de corrente contínua funcionam sob um princípio básico de electricidade: a interacção entre dois campos magnéticos posicionados num ângulo um do outro irá atrair/repelir resultando em movimento. No caso de um motor eléctrico CC, é fornecida energia a um campo estator e a uma armadura criando campos magnéticos que estão, electricamente, a cerca de 90 graus um do outro. A atracção/repulsão resultante da armadura a partir do campo gera um torque e a armadura gira.

Os componentes básicos de um motor eléctrico de corrente contínua incluem:

• Moldura – Faz a estrutura exterior da máquina. É utilizado para montar a maior parte dos outros componentes do motor
• Campos – São bobinas montadas em pólos de campo que geram um campo magnético estacionário.
• Interpolos – São bobinas colocadas entre as bobinas de campo que geram um campo que é utilizado para evitar o excesso de faíscas nas escovas.
• Escudos de extremidade – Também designados por caixas de rolamentos, são utilizados para alojar as escovas e o equipamento das escovas, e para alojar os rolamentos do veio, mantendo a armadura centrada na estrutura.
• Pincelagem – Mantém e posiciona as escovas acima do comutador de armadura. Normalmente, é utilizado um dispositivo de tensão para manter uma pressão constante sobre as escovas.
• Escovas – São utilizadas para fornecer corrente contínua à armadura. As escovas andam sobre o comutador.
• Comutador – Consiste em muitas barras de cobre que são separadas por mica. Cada barra está ligada a bobinas na armadura.
• Armadura – Esta é a parte rotativa do motor que contém bobinas.

Ao contrário da maioria dos motores CA, os motores CC requerem que seja fornecida energia separada tanto para os campos como para a armadura. A corrente contínua fornecida aos campos do estator gera um conjunto constante de campos Norte e Sul. A corrente contínua fornecida à armadura gera campos Norte e Sul que estão a 90 graus eléctricos do campo estacionário.

À medida que a armadura gera binário e se move em direção ao pólo Norte ou Sul apropriado, as escovas mudam de posição no comutador, energizando outro conjunto de bobinas a 90 graus eléctricos do campo estacionário. Na verdade, isto faz com que a armadura seja um componente de Corrente Alternada, uma vez que a corrente se desloca numa direção, com base na posição da escova, e depois noutra direção à medida que o motor funciona.

As escovas são colocadas numa posição tal que são electricamente “neutras” (sem corrente induzida dos campos do estator), a fim de reduzir as faíscas. Na maioria das ligações do motor CC, ao variar a tensão da armadura, a velocidade de funcionamento pode ser alterada. Um perigo geral inerente aos motores de corrente contínua é que, se a corrente de campo se perder enquanto a corrente de armadura se mantiver, o motor pode arrancar e a velocidade aumenta até que a armadura se autodestrua.

Os três tipos básicos de enrolamento que podem ser utilizados para identificar o tipo de motor CC incluem:

• Série: Normalmente encontrado em aplicações que necessitam de um elevado torque de arranque. Consistem num conjunto de enrolamentos de campo de fio grande e relativamente poucas voltas, marcados S1 e S2, que estão ligados em série aos interpolos e armadura, marcados A1 e A2 (Ver Figura 1). Os motores ligados em série são normalmente utilizados como motores de tração e têm uma resistência de base muito baixa.
• Shunt: Normalmente encontrado em aplicações que requerem velocidade constante. São constituídos por um conjunto de enrolamentos de campo de fio mais pequeno com muitas voltas, marcados F1 e F2 para a tensão simples e F1, F2, F3 e F4 para a tensão dupla, e A1 e A2 para os interpolos e o induzido (ver figura 2). Os motores ligados em paralelo são normalmente utilizados como motores de gruas e de máquinas-ferramentas e têm uma resistência de base relativamente elevada.
• Composto: Combinar os benefícios tanto da série como dos motores de derivação da ferida. Proporcionam um torque relativamente elevado com uma resistência básica a uma mudança na velocidade de funcionamento. As ligações combinam tanto a série como as ligações de derivação (Ver Figura 3). Os motores compostos são os mais comuns e encontram-se normalmente no fabrico industrial.

Como se pode ver, há poucas bobinas para comparar umas com as outras numa máquina DC montada. No entanto, podem ser desenvolvidos procedimentos para ensaios de enrolamento que proporcionem um elevado nível de confiança nos resultados dos ensaios.

Falhas eléctricas comuns de motores CC

Existem várias falhas eléctricas comuns de motores de corrente contínua, das quais as mais comuns serão aqui descritas. Estes resultam de problemas específicos da conceção do motor CC, em consequência da temperatura, da fricção e de contaminantes internos como o carbono ou a grafite.

Uma das causas mais comuns de avarias no enrolamento de um motor de corrente contínua é a contaminação do enrolamento por pó de carbono ou grafite (carbono) das escovas. O pó fino permeia todos os enrolamentos estacionários e rotativos e irá criar um caminho entre os condutores ou entre os condutores para o solo. O carbono fica muitas vezes preso e os problemas agravam-se ainda mais através de práticas de limpeza e manutenção quando o carbono é soprado com ar comprimido ou a armadura é limpa e cozida. Em qualquer dos casos, o carbono pode ficar bem embalado nos cantos, geralmente mesmo atrás do comutador. Isto terminará como uma falha no solo ou curvas curto-circuitadas à direita na ligação do comutador.

Outra falha comum, que muitas vezes não é considerada, é o arrefecimento da máquina CC. Isto pode ocorrer porque as passagens de refrigeração estão bloqueadas, a armadura é virada demasiado lentamente sem refrigeração adicional, ou de filtros sujos (a falha mais comum relacionada com a refrigeração). A temperatura é o maior inimigo do equipamento eléctrico, particularmente do sistema de isolamento, do qual a vida será reduzida para metade por cada 10 graus centígrados de aumento de temperatura (regra geral aceite). À medida que o isolamento enfraquece, a sua fiabilidade diminui até que ocorram falhas de enrolamento entre as voltas. Para além da degradação do sistema de isolamento, as escovas também se degradam mais rapidamente, causando um aumento do desgaste no comutador e uma contaminação adicional de carbono dos enrolamentos.

Outra falha que está relacionada com o calor é gerada a partir de práticas que têm os campos energizados com a armadura em repouso (desenergizados). Este é um modo de funcionamento comum que requer um ventilador separado para fornecer refrigeração ao motor que normalmente tem filtros que devem ser mantidos limpos. Este tipo de falha resulta normalmente em curto-circuito nas bobinas de derivação, reduzindo a capacidade do motor para produzir binário, e pode terminar com a perigosa condição de sobrevelocidade da armadura se não for mantida corretamente.

O comutador também oferece oportunidades para falhas, bem como um indicador do funcionamento e estado do motor. Um motor de corrente contínua a funcionar correctamente terá um fino esmalte de carbono no comutador com as barras com aspecto uniforme. Barras de comutador queimadas, vidros estriados, carbono pesado, ou condições de comutador sobreaquecidas indicam problemas potenciais que devem ser resolvidos.

Testes de Armadura

Os induzidos de corrente contínua são os componentes mais demorados mas mais fáceis de testar. Há três métodos básicos que serão introduzidos: tendências; montados; e, desmontados. No caso de tendências, são utilizadas todas as medições; no entanto, no caso de ensaios montados e desmontados, será utilizada uma medição de impedância barra a barra. A importação é vista porque a armadura é um componente AC e medições simples de resistência podem falhar algumas falhas, incluindo os calções e o terreno. As tendências serão revistas num procedimento global de tendências para motores de corrente contínua mais adiante neste artigo.

Ao testar uma armadura de motor CC montada, o melhor método é realizar o que é vulgarmente conhecido como um teste bar-to-bar usando as escovas do motor. No caso de um motor CC com duas escovas, nenhuma das escovas precisa de ser levantada, no caso de um motor CC com quatro ou mais conjuntos de escovas, todos, excepto dois conjuntos de 90 graus um do outro, precisam de ser levantados, o que os retira do circuito de testes. Certifique-se de que o bom contacto é mantido no comutador, assegurando que 90%+ da escova está em contacto com as barras do comutador e que as barras do comutador estão limpas. Se não estiverem limpos, polir suavemente a armadura, utilizando um método aprovado, antes de testar. Se o comutador estiver muito desgastado, terá de ser desmontado e o comutador “virado e rebaixado”, caso em que seria adequado um teste de barra a barra desmontado. Uma vez definida, marcar a posição de uma barra no comutador, depois levar a barra a uma posição em que esteja mesmo debaixo da borda dianteira de uma das escovas. No teste montado, cobrirá provavelmente pelo menos uma barra e meia com a escova. Realizar um teste de impedância, marcar a leitura, e mover a armadura de modo a que a extremidade da escova fique sobre a próxima barra de comutação. Faça a próxima leitura da impedância e continue até que cada barra tenha sido testada. Um bom resultado mostrará um padrão consistente, enquanto um padrão inconsistente identificará uma má armadura.

O teste bar-to-bar desmontado é semelhante ao teste montado, excepto que a armadura está fora da armação e o testador tem pleno acesso ao comutador. Neste caso, o testador utilizará uma fixação de armadura ou cabos de teste para ligar de barra a barra. O espaçamento entre cada leitura de impedância deve ser constante e cerca de 90 a 180 graus um do outro. A primeira barra deve ser marcada e o teste continua até que uma perna do dispositivo de teste ou do cabo de teste tenha efectuado 360 graus à volta do comutador. Marcar a impedância para cada teste bar-to-bar e depois procurar assegurar-se de que havia um padrão consistente.

Série de testes motorizados

Os motores eléctricos da série são muito desafiantes para a resolução de problemas, uma vez que não fornecem conjuntos de campos a que se possam comparar. As leituras podem ser feitas de S1 a S2 e A1 a A2 e depois ter tendência ao longo do tempo ou comparadas com outras máquinas semelhantes.

Quando as leituras são feitas ao longo do tempo, as leituras de resistência simples devem ser corrigidas em função da temperatura, normalmente relativa a ^25oC. A Impedância e a Indutância têm normalmente alterações limitadas devido à temperatura, enquanto o ângulo de fase e as leituras I/F permanecerão constantes, independentemente da temperatura. Variações na I/F e ângulo de fase indicarão curvas curtas, enquanto as alterações na Impedância e Indutância indicarão normalmente enrolamentos sujos.

A comparação como motores exigirá informação adicional. O operador terá de garantir que o motor é do mesmo fabricante e desenho, assim como a velocidade, potência, etc. O motor “modelo” deve ser novo ou reconstruído de acordo com as especificações originais do fabricante. Ao efetuar leituras comparativas, a temperatura de teste deve ser semelhante de motor para motor, no entanto, as leituras de I/F e de ângulo de fase podem ser diretamente comparadas. Estas leituras não devem mudar mais de +/- 2 pontos para I/F e +/-1 graus para o ângulo de fase. Um erro comum quando os enrolamentos de campo em série são reconstruídos, embora menos comum do que as bobinas de derivação, é uma substituição incorrecta do tamanho do fio, o que terá impacto na capacidade do motor para gerar binário.

Teste de motores de derivação

Os motores de manobra de dupla voltagem fornecem a capacidade de comparar dois conjuntos de enrolamentos enquanto os motores de voltagem simples terão o mesmo procedimento de teste que os enrolamentos de motores em série, usando F1 a F2 em oposição a S1 a S2.

Com dupla voltagem, os enrolamentos de derivação são rotulados F1 a F2 e F3 a F4, permitindo ao analista testar e comparar estes dois conjuntos de enrolamentos.

Ao testar e solucionar as leituras ao longo do tempo, as leituras de resistência simples devem ser corrigidas em função da temperatura, geralmente relativa a ^25oC. Impedância e Indutância mudarão mais do que um motor enrolado em série, devido à maior resistência simples do circuito. O ângulo de fase e I/F permanecerão constantes, dentro de 1 a 2 pontos, independentemente da temperatura. Variações na I/F e ângulo de fase indicarão curvas curtas, enquanto as alterações na Impedância e Indutância indicarão normalmente enrolamentos sujos. As comparações entre F1 e F2 e F3 e F4 devem ser inferiores a 3% em termos de resistência, indutância e impedância e não mais de 1 ponto de diferença em termos de I/F ou ângulo de fase.

Os motores deste tipo podem ser testados e comparados da mesma forma que os motores de enrolamento em série. Sempre que possível, os motores devem ser testados, ao fazer as leituras de tendência, à mesma temperatura que os testes anteriores. Por exemplo, dentro de minutos após o encerramento do equipamento operacional ou antes do arranque do equipamento, isto permite que os testes sejam realizados a temperaturas semelhantes.

Teste de Motor CC Composto

No local, os testes, a criação de tendências e a resolução de problemas são muito mais simples com um motor composto. Os motores compostos de tensão simples são normalmente identificados com A1 a A2, S1 a S2, e F1 a F2, e os motores compostos de tensão dupla são normalmente identificados com A1 a A2, S1 a S2, F1 a F2, e F3 a F4. Um ponto adicional importante para um motor de ferida composta é que o enrolamento em série é normalmente enrolado em cima do enrolamento da derivação, permitindo possíveis falhas entre estes dois enrolamentos.

Com tendência para um motor composto, os testes são normalmente realizados a partir dos terminais de condução DC. Os testes MCA padrão usando o ALL-TEST envolvem sinais de baixa tensão, de frequência mais alta que não prejudicarão a electrónica de saída do equipamento, reduzindo a necessidade de desligar os cabos da unidade durante os testes. No entanto, se o analista desejar verificar a resistência de isolamento entre a série e os enrolamentos de derivação, os cabos devem ser desligados da unidade. Quando se verifica uma tendência a partir da unidade DC, testar A1 a S2 e os dois cabos de campo e depois realizar um teste de resistência de isolamento de 500 Volts entre os cabos S2 e F1 e comparar com testes anteriores ou motores semelhantes, em ambos os casos, as leituras de resistência de isolamento devem permanecer acima dos 100 Meg-Ohms.

A unidade ALL-TEST permite ao analisador comparar imediatamente as leituras passadas com as presentes como uma verificação rápida, permitindo ao analisador tomar uma decisão rápida para testar os enrolamentos mais adiante. Como mencionado em séries e técnicas de teste de motores de derivação, as leituras de I/F e ângulo de fase não devem alterar mais de 1 ponto entre testes, ao longo do tempo, as séries e os enrolamentos de campo irão variar dramaticamente uma da outra, contudo.

A resolução de problemas de motores compostos deve ser realizada no próprio motor. Desligar todos os cabos do motor e separá-los. Testar a série e os enrolamentos de campo como descrito nas instruções de enrolamento da série e do shunt, depois realizar um teste de resistência de isolamento entre a série e os enrolamentos de shunt, a resistência de isolamento deve ser superior a 100 Meg-Ohms.

MCA DC Notas de Teste de Motores

Vários pontos-chave podem ser feitos usando testes MCA em qualquer tipo de motor CC:

1. Qualquer leitura I/F fora do intervalo de -15 a -50, por exemplo, -56, indica uma falha no enrolamento.
2. Se o teste mostrar uma resistência infinita entre condutores do mesmo circuito, indica um enrolamento aberto.
3. Um aumento da resistência simples entre testes, quando corrigida em função da temperatura, indica uma ligação solta, em particular quando as leituras de impedância e indutância mudam. Uma resistência simples reduzida, quando corrigida pela temperatura, pode indicar uma resistência curta, geralmente acompanhada de alterações na impedância, indutância, ângulo de fase e I/F.
4. Ao testar como motores, o I/F e o ângulo de fase não devem mudar mais do que 2 pontos, qualquer diferença maior do que isto deve levar a uma análise completa.
5. As alterações durante o teste através do circuito da armadura devem provocar um teste barra a barra.

Ao seguir estas instruções simples, utilizando um dispositivo MCA, permitir-lhe-á captar falhas precoces muito antes de o equipamento falhar durante o funcionamento. Se realizar testes como parte de um programa de manutenção preditiva, o intervalo deve ser, pelo menos, os indicados na Tabela 1.

Quadro 1: Frequência de teste do motor CC

Os testes de manutenção geral são aqueles que não têm tendência para ser realizados ao longo do tempo. Normalmente acompanhada de vibração, lubrificação dos rolamentos, inspeção do comutador e inspeção das escovas. Os testes de manutenção preditiva envolvem normalmente leituras de tendências ao longo do tempo, procurando detetar potenciais falhas e, em seguida, determinar a melhor altura para remover o motor para manutenção correctiva. Uma vez detectada uma potencial falha, a frequência dos testes deve aumentar até se determinar que o motor necessita de ser removido. Um teste de armadura completo deve ser realizado em conjunto com um teste de manutenção geral ou preditivo devido às elevadas tensões no comutador e à contaminação por carbono.

Conclusão

Os testes eléctricos gerais de motores eléctricos de corrente contínua são muito mais fáceis com as novas técnicas disponíveis com análise de circuitos de motores estáticos. Pela primeira vez, podem ser detectadas falhas de viragem antecipada em série, derivações e enrolamentos de armadura antes de retirarem o equipamento do funcionamento. Os testes de manutenção preditiva podem ser realizados a partir da unidade, com testes de resolução de problemas a serem realizados no motor. Em geral, os testes são relativamente rápidos, exigindo menos de cinco minutos por motor para testes de manutenção preditiva, com tempo adicional necessário para a resolução de problemas. Em geral, os testes MCA melhoram drasticamente os testes de motores CC em relação aos métodos tradicionais de testes de continuidade.

Sobre o Autor

Dr. Howard W. Penrose, Ph.D. tem mais de 15 anos na indústria de motores eléctricos e reparação de motores eléctricos. Começando como um tripulante de reparação de motores eléctricos na Marinha dos EUA para serviço de campo e avaliação de pequenos através de grandes equipamentos rotativos de todos os tipos, como o Engenheiro Chefe de uma grande oficina de reparação de motores do Midwestern. O Dr. Penrose tem estado directamente envolvido na rebobinagem, formação e resolução de problemas de AC, DC, rotor enrolado, síncrono, máquina-ferramenta e equipamento especializado. Os seus estudos posteriores envolvem a fiabilidade dos motores eléctricos e industriais, métodos de ensaio, eficiência energética e impacto da manutenção na produção. O Dr. Penrose é um ex-Presidente da Secção de Chicago do IEEE, um ex-Presidente da Dielectrics and Electrical Insulation Society of IEEE Chicago, um Membro Profissional da Electrical Manufacturing Coil and Winding Association, um MotorMaster Professional certificado pelo Departamento de Energia dos EUA, um Analista de Vibração, um Analista de Infravermelhos e um Analista de Circuitos Motorizados.