AMBIENTE MULTIMÍDIA DE SUPORTE À DISCIPLINA DE PÓS-GRADUAÇÃO

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FERRAMENTAS DE DIAGNÓSTICO DE MÁQUINAS

Mauro Hugo Mathias Faculdade de Engenharia de Guaratinguetá

Programa de Pós-graduação em Mecânica Área de Projetos

Conteúdo do capítuloConteúdo do capítulo

Neste capítulo efetuaremos o estudo de:

4.1 – Diagnóstico de máquinas;

4.2 – Desbalanceamento de eixos;

4.3 – Desalinhamento de eixos;

4.4 – Desalinhamento de correias;

4.5 – Componentes soltos;

4.6 – Falhas em engrenagens;

4.7 – Roçamento;

4.8 – Falhas em motores elétricos.

4 – Métodos de Diagnósticos de Máquinas4 – Métodos de Diagnósticos de Máquinas

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FERRAMENTAS DE DIAGNÓSTICO DE MÁQUINAS

Capítulo 4.8 – Falhas em motores elétricos

Rotor

Falhas em motores elétricosFalhas em motores elétricos

Motor de Indução trifásico Motor de Indução trifásico

Estator

Ventilador

Um motor de indução possui freqüências características mesmo que não tenha nenhuma falha, são as chamadas assinaturas de vibração do motor. Estas freqüências são(em parêntesis a notação que iremos utilizar neste curso):

• Freqüência de alimentação – (Fal)

• Freqüência de rotação – (Frt)

• Freqüência do campo magnético (Fcm)

• Freqüência de escorregamento (Fes)

• Freqüência de ranhura – (Fran)


Freqüências básicas de um motor elétrico Freqüências básicas de um motor elétrico

• Freqüência de alimentação – (Fal) – É a freqüência elétrica – 60 Hz

• Freqüência de rotação – (Frt) – É a freqüência real com que o motor está girando, depende da carga que está aplicada.

• Freqüência do campo magnético (Fcm) – É a freqüência de alimentação dividida pelo numero de pólos do motor



polosn

FalFcm

º

• Freqüência de escorregamento (Fes) – O rotor do motor não gira com velocidade síncrona, mas escorrega para trás no campo girante. A freqüência de escorregamento é a diferença entre velocidade síncrona e a velocidade do rotor.

A Fes é calculada multiplicando a freqüência de alimentação pelo escorregamento do motor, que é calculado por:

Onde: Nm = Freqüência de rotação do motor (medida no motor)

Ns = Rotação síncrona (do campo)



Ns

NmNsS

pólosn

FalNs

º*60

*120

• Freqüência de ranhura (Fran) – As ranhuras do entreferro tanto no estator quanto no rotor geram vibração, pois criam desbalanceamento de forças magnéticas de atração, conseqüência da variação da relutância do circuito, em função da taxa de passagem pelas ranhuras do estator e do rotor.



A freqüência de ranhura é calculada por:

Fal = Freqüência da redeRs = Numero de ranhuras do rotorS = escorregamento unitárioP = numero de pares de pólosK = zero ou nº par (2,4,6,8,…)

KP

SRsFalFram

1**

• Maquinas com conjunto rotativo leve e estruturas robustas e pesadas tem a maioria das forças geradas pelo rotor, como movimento relativo entre o eixo e o mancal.

A estrutura da máquina funciona como amortecimento, assim deve-se medir a vibração no rotor, através de sensores sem contato.

• Máquinas com conjunto rotativo pesado, apoiado em mancais rígidos e com estrutura leve, tem as forças gerada pelo rotor dissipadas através dos mancais da estrutura, assim o melhor ponto para medição está localizado na estrutura da máquina, próximo a mancais de rolamentos ou chapas grossas.


Como medir a vibração em motores elétricosComo medir a vibração em motores elétricos

Em um motor de indução os defeitos de origem elétrica podem ser resultado de:

• Degradação do isolamento da bobina do estator

• Desequilíbrio da alimentação

• Quebra das barras do rotor

• Quebra do anel curto-circuito

Os defeitos de origem mecânica podem ser identificados como:

• Rotor excêntrico ou desbalanceado

• Ventoinha quebrada


Defeitos de origem elétrica e mecânicaDefeitos de origem elétrica e mecânica

As falhas:

• Degradação do isolamento da bobina do estator

• Desequilíbrio da alimentação

• Enrolamentos em curto e folgas no entreferro do motor

Caracterizam-se por uma freqüência no espectro de vibração igual a duas vezes a freqüência de alimentação. A amplitude é determinada pela carga do motor.

2*Fal (Freqüência de alimentação)


Defeitos elétricosDefeitos elétricos

As falhas:

• Quebra das barras do rotor

• Quebra do anel curto-circuito

Caracterizam-se pelo surgimento de bandas laterais ao redor da freqüência de rotação do motor (Nm) igual ao valor da freqüência de pólos que por sua vez é igual a 2x o valor da freqüência de escorregamento (Fes)


Defeitos elétricosDefeitos elétricos

Nm

2*Fes 2*Fes

Um rotor excêntrico ou um rotor desbalanceado provocam variações no campo magnético entre os pólos do estator e o rotor (altera o chamado air gap – distância entre o rotor e o estator), causando uma freqüência de 1X rpm no sinal medido no motor:


Rotor excêntrico ou desbalanceadoRotor excêntrico ou desbalanceado

Nm

2*Fs 2*Fs

Como saber se o defeito é mecânico (Desbalanceamento) ou elétrico (Excêntrico)?

• Deve-se medir a vibração no momento em que a corrente de alimentação do motor é cortada, duas situações podem ocorrer:

• 1º - Amplitude de vibração decai bruscamente: Problema é elétrico e pode ser causado por excentricidade do rotor no estator

• 2º - Amplitude decai lentamente: Problema mecânico possivelmente devido a desbalanceamento do rotor.


Rotor excêntrico ou desbalanceadoRotor excêntrico ou desbalanceado

Método da análise de corrente

• Utiliza medidores não-invasivos ao motor para obter o sinal elétrico de entrada das fases do motor, assim é possível efetuar a análise do espetro da freqüência de alimentação do motor.

• É indicada para identificação de barras quebradas no rotor e desbalanceamento de tensão.


Métodos de análise de falhas em motores elétricosMétodos de análise de falhas em motores elétricos

Método do fluxo magnético

• Utiliza uma bobina imersa no campo magnético girante produzido pelas correntes do estator. Qualquer pequeno desbalanceamento no fluxo magnético é perceptível pela bobina.

• Este método é indicado para identificação de barras quebradas no rotor, desequilíbrio de fases e problemas nos enrolamentos do motor.

• Possui a vantagem de não precisar saber o numero de barras e a carga do motor para identificar anomalias nas espiras.


Métodos de análise de falhas em motores elétricosMétodos de análise de falhas em motores elétricos

Utilizando um motor de indução trifásico de 1cv, 4 pólos e 220 de alimentação (ligação em triângulo).

Com o auxilio de um reostato com entrada 220V e saída variável entre 0 e 250V foi induzido um desbalanceamento de corrente no motor.

Diagnóstico de falhas através de análise de vibraçõesDiagnóstico de falhas através de análise de vibrações

Falhas em motores elétricos – exemploFalhas em motores elétricos – exemplo

Bancada de testes

As freqüências básicas observadas na assinatura de vibração de um motor sem defeito são:

• Freqüência de alimentação – (Fal) = 60 Hz e

Múltiplos da freqüência de alimentação: : 2xFal = 120 Hz

• Freqüência de rotação – (Frt) = 1750 rpm = 29,17 Hz

Múltiplos da freqüência de rotação: 2x Frt = 58,38 Hz, 3xFrt = 87,50 Hz

• Freqüência de ranhura – (Fran) = 875 Hz e múltiplos: 2x Fran = 1750 Hz



Inicialmente foi efetuada uma coleta sem desbalanceamento. A corrente em cada uma das fases foi de 1 Ampere.



Espectro normal

No gráfico do osciloscópio podemos distinguir dois picos:

28 Hz – Freqüência de rotação (Frt)

360 Hz – Múltiplo da freqüência de alimentação (Fal)

Uma segunda medição foi efetuada induzindo-se um desequilíbrio em uma das fases. A corrente da fase com o reostato é de 1,8A enquanto as demais estão com 3,0A.



Espectro com desequilíbrio de fase

No gráfico do osciloscópio podemos distinguir dois picos:

28 Hz – Freqüência de rotação (Frt)

120 Hz –Freqüência de alimentação (Fal)

240Hz - Múltiplo da freqüência de alimentação (Fal)

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