O motor assíncrono de indução é, de facto, a máquina
actualmente preferida para a grande maioria dos
accionamentos, graças à sua fiabilidade, robustez e baixo custo. Dado que ocupa um lugar preponderante no processo
produtivo têm‐se desenvolvido diversos métodos de detecção
de avarias que permitem diagnosticar qualquer tipo de
defeito e quantificar o seu grau de severidade

Carvalho, José Beleza

Flores, António Manuel Luzano de Quadros

Neutro à Terra

O motor assíncrono de indução é, de facto, a máquina actualmente preferida para a grande maioria dos accionamentos, graças à sua fiabilidade, robustez e baixo custo. Dado que ocupa um lugar preponderante no processo produtivo têm‐se desenvolvido diversos métodos de detecção de avarias que permitem diagnosticar qualquer tipo de defeito e quantificar o seu grau de severidade.</jats:p

António Manuel Luzano de Quadros Flores

José António Beleza Carvalho

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Detecção de Avarias em Motores Assíncronos de Indução

O motor assíncrono de indução é, de facto, a máquina&nbsp;actualmente preferida para a grande maioria dos&nbsp;accionamentos, graças à sua fiabilidade, robustez e baixo&nbsp;custo. Dado que ocupa um lugar preponderante no processo&nbsp;produtivo têm‐se desenvolvido diversos métodos de detecção&nbsp;de avarias que permitem diagnosticar qualquer tipo de&nbsp;defeito e quantificar o seu grau de severidade

Carvalho, José António Beleza

PARC - Plataforma Aberta de Revistas Cientificas Instituto Politécnico do Porto

ARTIGO TÉCNICO António Manuel Luzano de Quadros Flores, José António Beleza CarvalhoInstituto Superior de Engenharia do PortoDETECÇÃO DE AVARIAS EM MOTORES ASSÍNCRONOS DE INDUÇÃORESUMOO motor assíncrono de indução é, de facto, a máquinaactualmente preferida para a grande maioria dosaccionamentos, graças à sua fiabilidade, robustez e baixo2 CASO EM QUE A AVARIA PROVOCA PARAGEM DO MOTORQuando a avaria leva à paragem do motor o diagnósticodeve atender às especificidades de acessibilidade edimensão numa primeira fase.custo. Dado que ocupa um lugar preponderante no processoprodutivo têm‐se desenvolvido diversos métodos de detecçãode avarias que permitem diagnosticar qualquer tipo dedefeito e quantificar o seu grau de severidade.1 INTRODUÇÃONão é demais lembrar, que o primeiro passo numa situaçãode paragem de um motor, deve iniciar não, pela análise domotor, como parece lógico, mas pela análise das grandezasde alimentação do mesmo e do bom estado das protecçõeseléctricas, fusíveis e relé térmico.De seguida devem ser levados a cabo testes eléctricos eQuando se aborda a temática do diagnóstico de avarias dosmotores de indução não podemos deixar de ter presenteque a forma de tratar o assunto está intimamente ligada àdimensão da máquina, à sua localização e à função quedesempenha no processo em que está inserida.mecânicos fundamentais:‐ Verificação dos valores das resistências dosenrolamentos que deverão apresentar valoressemelhantes nas três fases; medição da resistência deisolamento entre enrolamentos e entre os enrolamentosAssim, como é óbvio, os custos de paragem de um motor degrande dimensão podem justificar a existência dos meios dediagnóstico mais sofisticados, no sentido de evitar ainterrupção de serviço.Por outro lado, motores de menor dimensão podemtambém desempenhar um papel tal que a sua interrupçãoe a carcaça da máquina.Os resultados destes testes podem dar indicações úteisrelativamente à existência de curto‐circuitos entreespiras e entre espiras e a massa. Além disso, testatambém a possibilidade do circuito eléctrico de umenrolamento estar interrompido.pode ter custos elevadíssimos de reinicialização do processo,como por exemplo, no caso de linhas de produção em que oprocesso inclui accionamentos que estão relacionados com aformação e solidifição da alma condutora dos caboseléctricos. Se houver uma paragem súbita o metal solidificaao longo do processo sendo necessário desmontar todo um‐ No caso do veio do rotor estar acessível, rodá‐lo paraverificar se existe atrito anormal ou demasiada prisão,analisando‐se assim, se o rotor atrita no estator, se acarga oferece demasiado binário resistivo e se osrolamentos estão gripados.sistema complexo levando à perda de produção de váriashoras ou dias.A acessibilidade pode ser o factor determinante naestratégia de diagnóstico, como é o caso de ventiladores emcondutas, bombas submersíveis ou máquinas em ambientesperigosos.Além dos testes acima descritos, não é de desprezar averificação da existência de “cheiro a queimado” junto aomotor que pode indiciar um sobreaquecimento da máquinacom consequente deteriorização dos isolamentosnomeadamente dos vernizes utilizados.29|O método de diagnóstico a implementar depende tambémdo facto da máquina ter parado por avaria ou continuar emfuncionamento.ARTIGO TÉCNICOfigura de Lissajou em forma de circunferência dada pelascomponentes do vector de Park simplificadas:3 CASO EM QUE A AVARIA NÃO PROVOCA PARAGEM DO MOTOR(3)(4)Sendo iM o valor máximo da corrente por fase (A), ω aA avaria que não obriga à paragem do motor podemanifestar‐se de diversas formas como aumento detemperatura, perda de potência, binário ou velocidadeoscilantes, aumento de consumo, ruído, vibração, etc..Nesse caso, os métodos indirectos de diagnóstico podem serúteis na identificação do tipo de avaria podendo mesmofrequência angular (rad/s) e t a variável tempo (s).A representação XY das componentes do Vector de Parkpermite detectar a existência de espiras em curto‐circuitonos enrolamentos do estator (Fig. 1).Este método de diagnóstico “on‐line” baseia‐se noaparecimento de uma forma elíptica da representação XYconstituir um meio de acompanhamento da sua evolução,controlando o nível de severidade até ser possível umainterrupção programada para reparação.Para esse efeito, têm sido desenvolvidos vários métodos querecorrem à monitorização de diversas grandezas associadasao funcionamento do motor, como por exemplo, adas componentes do Vector de Park da corrente do motor,cujo alongamento elíptico é proporcional ao grau deseveridade da avaria e a orientação do eixo maior estáassociada à fase avariada [1].É de referir que a representação das componentes do vectorde Park da corrente de alimentação do motor sem avariaintensidade de corrente de alimentação, o fluxo magnético,as vibrações, o ruído, o binário, a velocidade e atemperatura.Seguidamente serão apresentados alguns métodos dediagnóstico mais utilizados na pesquisa de avarias eléctricasno estator e no rotor, assim como de avarias mecânicas no(Fig. 1 – esquerda), não é uma circunferência perfeita devidoà existência de harmónicos na rede.rotor, nos rolamentos e na carga mecânica acoplada.3.1 DIAGNÓSTICO DE AVARIAS ELÉCTRICAS3.1.1 AVARIAS NO ESTATORA detecção de espiras em curto‐circuito nos enrolamentosdo estator pode ser feita por análise das correntes dealimentação do motor representadas a duas dimensões apartir da mudança de referencial do sistema trifásico para osistema de coordenadas P Q através da transformada dePark.Figura  1‐ Vector de Park da corrente de alimentação de um motor: sem avaria (esquerda) e com curto‐circuito de 18 espiras do estator (direita) [1]3.1.2 AVARIAS NO ROTOR3.1.2.1 MÉTODO DAS COMPONENTES ESPECTRAIS DA CORRENTEA detecção de barras do rotor partidas ou fissuradas podeAs componentes do vector de Park iD e iQ podem ser obtidasdas correntes de alimentação i1, i2 e i3 a partir das seguintesexpressões:(1) |30ser feita através da inspecção das componentes espectraisda corrente absorvida pelo motor [2] nas seguintesfrequências:(5)(2)No caso de um sistema de alimentação ideal com cargasequilibradas, obtêm‐se a representação no plano XY de umaARTIGO TÉCNICOSendo fSB a frequência (Hz) das bandas laterais resultantes daavaria no rotor, s o deslizamento (%) e f a frequência datensão de alimentação (50 Hz).Na Figura 2 é fácil identificar o aparecimento de bandaslaterais que surgem nas frequências característicascorrespondentes à ruptura de espiras (“barras”) do circuitorotórico.3.2 DIAGNÓSTICO DE AVARIAS MECÂNICAS3.2.1 DEFEITO DE ALINHAMENTOFigura 4 – Detecção de defeito no circuito rotórico através da medição do fluxo magnético: espectro de frequências do campo magnético de fugas [3]O defeito de alinhamento do rotor traduz‐se no facto dafolga entre o rotor e o estator (“entreferro”) não serconstante ao longo de toda a periferia do rotor, originandovariações da relutância do circuito magnético com a rotaçãodo rotor e consequente formação de harmónicos na força3.1.2.2 MÉTODO DAS COMPONENTES ESPECTRAIS DO FLUXO DE FUGASA aquisição de dados do campo magnético de fugas comFigura 2 – Espectro de frequências da corrente absorvida pelo motor mostrando claramente a existência de bandas laterais que indiciam uma avaria nas barras do rotor [2]magnetomotriz.Daí resulta o aparecimento de frequências típicas destefenómeno no espectro do fluxo de fugas do motor, comoevidencia a Figura 5, que servem de meio de diagnósticodeste defeito [4].vista à análise do seu espectro pode ser feita facilmentecolocando sensores de campo magnético no exterior damáquina como mostra a Figura 3.O defeito devido a barras do rotor defeituosas também podeFigura 3 – Detecção de defeito no circuito rotórico através da medição do fluxo magnético: motor com transdutor de fluxo magnético [3]31|ser detectado por identificação de determinadas frequênciasno espectro do campo magnético de fugas medido noexterior da máquina (Figura 4) [3]Figura 5 – Detecção de defeito de alinhamento do rotor: defeito de alinhamento longitudinal (figura esquerda em cima); desalinhamento axial (figura direita em cima); espectro de frequências da corrente de alimentação revelando o defeito de alinhamento do rotor, excentricidade estática (“SE”) (figura em baixo )[4].ARTIGO TÉCNICO3.2.2 DEFEITOS NOS ROLAMENTOS conhece a sua composição em funcionamento normal [6].Sendo os rolamentos a causa referenciada que provocamaior taxa de avarias no motor de indução, têm‐sedesenvolvido diversas técnicas de detecção deste tipo dedefeito recorrendo a diferentes métodos de análise espectralda corrente de alimentação e de vibrações mecânicas.Os defeitos nos rolamentos podem ser detectados a partir daanálise do espectro de frequências da corrente do motorcomo evidencia a Figura 6.Também neste caso surgem novas frequências queevidenciam a existência de defeito nos rolamentos assimcomo o seu nível de severidade [5].Figura 7 – Utilização de acelerómetros para aquisição de dados de vibração de um ventilador [6]Figura 8 – Amplitude das componentes espectrais do binário (Nm) para o caso do mesmo ventilador  [6]A monitorização do valor eficaz da corrente de alimentaçãodo motor de um elevador pode fornecer indicações úteisrelativamente a variações de carga que indiciam a existênciade defeitos nas partes mecânicas accionadas.O caso apresentado na Figura 9 e 10 ilustra a detecção de umdefeito existente nos dentes da roda dentada de um redutorFigura 6 – Avarias nos rolamentos e sua detecção: defeito no anel interior (figura esquerda em cima); defeito no anel exterior (figura direita em cima); decomposição em frequências da corrente de3.2.3 DEFEITOS NA CARGA ACCIONADAA Figura 7 apresenta o caso da aplicação de acelarómetrosdo tipo “sem fim” [7].                 alimentação do motor mostrando o espectro no caso de um motor saudável e no caso de existir um defeito nos rolamentos  (figura em baixo) [5].|32para aquisição de dados de vibração de um ventilador.A análise das componentes espectrais de vibração e debinário (Figura 8 ) pode ser um meio complementar de apoioao diagnóstico de um sistema electromecânico do qual seFigura 9 – Detecção de defeitos nas rodas dentadas do redutor de um elevador: motor de elevador com redutor de velocidade acoplado (esquerda); roda dentada do redutor (direita) com dente defeituoso [7]ARTIGO TÉCNICOBibliografia[1] A. J. Marques Cardoso, S. M. A. Cruz, D. S. B. Fonseca,"Inter‐turn stator winding fault diagnosis in three‐phaseinduction motors, by Park's vector approach", IEEETransactions on Energy Conversion, vol. 14, pp. 595‐598,1999.[2] G G A t C J V hi E R G l "A t4 CONCLUSÕESApesar do motor de indução ser considerado uma máquinarobusta e muito fiável está sujeito a diversos tipos de avarias. . cos a, . . erucc , . . e so, currenmonitoring system for diagnosing electrical failures ininduction motors", Mechanical Systems and SignalProcessing, vol. 20, pp. 953‐965, 2006.[3] A. Yazidi, H. Henao, G. A. Capolino, "Broken rotor barsfault detection in squirrel cage induction machines", IEEEI t ti l C f El t i M hi dFigura 10 – Valor eficaz da corrente de alimentação do motor [7]causadas principalmente pelo envelhecimento, desgaste efadiga mecânica dos materiais.Dado o seu importante papel, muitos trabalhos deinvestigação têm sido feitos oferecendo metodologias paraum diagnóstico cada vez mais eficiente.A aplicação destas técnicas em ambiente fabril tem as suasn erna ona on erence on ec r c ac nes anDrives, 2005, pp. 741‐747.[4] L. Xiaodong, W. Qing, S. Nandi, "Performance analysis ofa three‐phase induction machine with inclined staticeccentricity", IEEE Transactions on Industry Applications,vol. 43, pp. 531‐541, 2007.[5] M Bl dt P G j B R i G R t i "M d l flimitações devido a diversos factores, como por exemplo, aexistência de poluição harmónica proveniente de outrasmáquinas e a falta de registos históricos das componentesespectrais.As ferramentas de diagnóstico apresentadas não sãoinvasivas e podem ser aplicadas durante o funcionamento. o , . ran on, . a son, . os a ng, o e s orbearing damage detection in induction motors usingstator current monitoring," IEEE InternationalSymposium on Industrial Electronics, 2004, pp. 383‐388vol. 1.[6] E. Wiedenbrug, D. Doan, "Comparison of duct‐mountedvibration and instantaneous airgap torque signals fornormal, contribuindo para uma manutenção preventivaeficiente através da monitorização regular do motor.Além disso, se criteriosamente utilizadas, constituem umamais‐valia, melhorando a eficiência da equipa demanutenção e minimizando os custos de indisponibilidade ede interrupção.predictive maintenance of vane axial fans", InternationalConference on Measurement and Control, 2004, pp. 209‐213.[7] A. Q. Flores, A. J. M. Cardoso, J. B. Carvalho, "Theinduction motor as a mechanical fault sensor in elevatorsystems " apresentado na conferência “11CHLIE” 11ªAssim, para além da sua função principal de fornecer energiamecânica à carga, o motor de indução pode desempenharum segundo papel, como transdutor eficaz epermanentemente ligado, ajudando a detectar avarias noseu interior e também na carga mecânica a ele acoplada., .Conferencia Hispano‐Lusa de Ingeniería Eléctrica,Saragoça, Espana, 2009.33|

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Detecção de avarias em motores assíncronos de indução

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