Friday, January 19, 2007

História do motor eléctrico

O ano de 1886 pode ser considerado, como o ano de nascimento da máquina eléctrica, pois foi nesta data que o cientista alemão Werner Von Siemens inventou o primeiro gerador de corrente contínua auto-induzido.


A primeira máquina electrostática foi construída em 1663, pelo alemão Otto von Guericke, e aperfeiçoada em 1775 pelo suíço Martin Planta.


O físico dinamarquês Hans Christian Oersted, ao fazer experiências com correntes eléctricas, verificou em 1820 que a agulha magnética de uma bússola era desviada de sua posição norte-sul quando esta passava perto de um condutor no qual circulava corrente eléctrica. Esta observação permitiu a Oersted reconhecer a ligação entre o magnetismo e a electricidade, dando assim, o primeiro passo para em direcção ao desenvolvimento do motor eléctrico.


O sapateiro inglês William Sturgeon – que paralelamente com sua profissão, estudava electricidade nas horas de folga – baseando-se na descoberta de Oersted constatou, em 1825, que um núcleo de ferro envolto por um fio condutor eléctrico transformava-se em um íman quando se aplicava uma corrente eléctrica, observando também que a força do íman cessava logo que a corrente fosse interrompida. Estava assim inventado o electroíman, que seria de fundamental importância na construção de máquinas eléctricas girantes.


Em 1832, o cientista italiano S. Dal Negro construiu a primeira máquina de corrente alternada com movimento. Já no ano de 1833, o inglês W. Ritchie inventou o comutador construindo um pequeno motor eléctrico onde o núcleo de ferro enrolado girava em torno de um íman permanente. Para dar uma volta completa, a polaridade do electroíman era alternada a cada meia volta através do comutador. A inversão da polaridade também foi demonstrada pelo mecânico parisiense H. Pixii ao construir um gerador com um íman em forma de ferradura que girava diante de duas bobinas fixas com um núcleo de ferro. A corrente alternada era transformada em corrente contínua pulsante através de um comutador.


Grande sucesso obteve o motor eléctrico desenvolvido pelo arquitecto e professor de física Moritz Hermann Von Jacobi que, em 1838, o aplicou num bote. Alimentados por células de baterias, o bote transportou 14 passageiros e navegou em uma velocidade de 4,8 quilómetros por hora.


Somente em 1886 Siemens construiu um gerador sem a utilização de íman permanente, provando que a tensão necessária para o magnetismo poderia ser retirado do próprio enrolamento do rotor, isto é, que a máquina podia se auto-excitar. O primeiro dínamo de Werner Siemens possuía uma potência de aproximadamente 30 Watts e uma rotação de 1200rpm. A máquina de Siemens não funcionava somente como um gerador de electricidade, mas também podia operar como um motor, desde que se aplicasse aos seus bornes uma corrente contínua.


Em 1879, a firma Siemens & Halske apresentou, na feira industrial de Berlim, a primeira locomotiva eléctrica, com uma potência de 2kW.

A nova máquina de corrente contínua apresentava vantagens em relação à máquina a vapor, a roda d’água e à força animal. Entretanto, o alto custo de fabricação e a sua vulnerabilidade em serviço (por causa do comutador) marcaram-na de tal modo que muitos cientistas dirigiram sua atenção para o desenvolvimento de um motor eléctrico mais barato, mais robusto e de menor custo de manutenção. Entre os pesquisadores preocupados com esta ideia, destacam-se o jugoslavo Nikola Tesla, o italiano Galileu Ferrarris e o russo Michael von Dolivo-Dobrovolski. Os esforços não se restringiram somente ao aperfeiçoamento do motor de corrente contínua, mas também se cogitou de sistemas de corrente alternada, cujas vantagens já eram conhecidas em 1881.

Em 1885, o engenheiro electricista Galileu Ferraris construiu um motor de corrente alternada de duas fases. Ferraris, apesar de ter inventado o motor de campo girante, concluiu erradamente que os motores construídos segundo este princípio poderiam, no máximo, obter um rendimento de 50% em relação a potência consumida. E Tesla apresentou, em 1887, um pequeno protótipo de motor de indução bifásico com rotor em curto-circuito. Também esse motor apresentou rendimento insatisfatório, mas impressionou

de tal modo a firma norte-americana Westinghouse, que esta lhe pagou um milhão de dólares pelo privilégio da patente, além de se comprometer ao pagamento de um dólar para cada HP que viesse a produzir no futuro. O baixo rendimento desse motor inviabilizou economicamente sua produção e três anos mais tarde as pesquisas foram abandonadas.


Em 1889 o engenheiro electricista Dobrowolsky, da firma AEG, de Berlim, apresentou um motor trifásico com rotor de gaiola com uma potência de 80 watts, um rendimento aproximado de 80% em relação a potência consumida e um excelente conjugado de partida. As vantagens do motor de corrente alternada para o motor de corrente contínua eram marcantes: construção mais simples, silenciosa, menos manutenção e alta segurança em operação. Dobrowolsky desenvolveu, em 1891, a primeira fabricação em série de motores assíncronos, nas potências de 0,4 a 7,5 kW.


Thursday, January 18, 2007

Classificação das máquinas eléctricas rotativas

O motor eléctrico converte energia eléctrica em energia mecânica. No caso contrário de ser convertida energia mecânica em energia eléctrica, a tarefa é realizada por um gerador.

A maioria dos motores eléctricos o seu funcionamento é baseado no electromagnetismo, mas existem outros motores baseados em outros fenómenos electromecânicos, tais como forças electrostáticas.

Existem vários tipos de motores eléctricos:

É fácil de perceber que a variedade de máquinas eléctricas rotativas é enorme, tendo cada uma delas a sua aplicação própria, de acordo com a função que vai desempenhar, de acordo com o tipo de alimentação (corrente continua ou corrente alternada) e de acordo ainda com o seu regime de funcionamento (velocidade constante ou variável, valor da frequência de alimentação, binário motor a fornecer, etc.).

  • Motores de corrente contínua, estes motores têm um custo elevado e, além disso, precisam de uma fonte de corrente contínua, ou de um dispositivo que converta a corrente alternada em contínua. Podem funcionar com velocidade ajustável entre amplos limites e são ideais para efectuar controlos de grande flexibilidade e precisão. Por isso seu uso é restrito a casos especiais em que estas exigências compensam o custo muito mais alto da instalação.

  • Motores de corrente alternada, estes são os mais utilizados, porque a distribuição de energia eléctrica é feita normalmente em corrente alternada. O seu princípio de funcionamento baseia-se no campo girante, que surge quando um sistema de correntes alternadas trifásico é aplicado em pólos desfasados fisicamente de 120º. Dessa forma, como as correntes estão desfasadas 120º, em cada instante, um par de pólos possui o campo de maior intensidade, causando a associação vectorial desse efeito o campo girante. Os motores de corrente alternada são divididos em dois tipos:

  • Motor síncrono: funciona com velocidade constante, é geralmente utilizado quando se necessita de velocidades estáveis sob a acção de cargas variáveis.

  • Motor assíncrono: Ao contrário do motor síncrono, a velocidade de rotação do rotor deste tipo de motores não é igual à velocidade de rotação do campo girante criado pelo estator, isto é, o movimento do rotor não é síncrono com o movimento do campo girante do estator. O termo indução utiliza-se pois o movimento de rotação do rotor é o resultado do aparecimento de forças electromotrizes induzidas no rotor. Tem actualmente uma aplicação muito grande tanto na indústria como em utilizações domésticas, dada a sua grande robustez, baixo preço, arranque fácil.
    Este será o motor que iremos estudar neste trabalho.

Constituição do motor de indução

O motor de indução é constituído basicamente pelos seguintes elementos:

Ø Um circuito magnético estático, constituído por chapas ferromagnéticas empilhadas e isoladas entre si, ao qual se dá o nome de estator.

Ø Por bobines (n. de grupos, consoante o motor) localizadas em cavas abertas no estator e alimentadas pela rede de corrente alternada;

Ø O rotor, envolvido pelo estator, constituído por um núcleo ferromagnético, também laminado, sobre o qual se encontra um enrolamento ou um conjunto de condutores paralelos, nos quais são induzidas correntes provocadas pela corrente alternada das bobinas do estator. O rotor é apoiado num veio, que por sua vez transmite à carga a energia mecânica produzida. O entreferro (pequeno espaço de ar deixado entre o rotor e o estator, para que o rotor possa rodar sem tocar no estator) é bastante reduzido, de forma a reduzir a corrente em vazio e portanto as perdas, mas também para aumentar o factor de potência em vazio.

Principio de funcionamento de um motor de indução

O motor de indução é um motor que baseia o seu princípio de funcionamento na criação de um campo magnético rotativo. A partir da aplicação de tensão alternada no estator, consegue produzir-se um campo magnético rotativo, denominado de campo girante, que atravessa os condutores do rotor. Este campo magnético variável induz no rotor forças electromotrizes, originando uma corrente induzida que tende a opor-se à causa que lhe deu origem criando assim o seu próprio campo magnético girante. Este campo magnético girante criado pelo rotor, ao tender a alinhar-se com o campo girante do estator, produz um movimento de rotação no rotor.

A velocidade de rotação do rotor é ligeiramente inferior à velocidade de rotação do campo girante do estator, não estando por isso o rotor sincronizado com esse campo girante.

Principais avarias de um motor de indução

Actualmente os motores de indução são o tipo de motor mais utilizado, este motor é bastante utilizado pelas indústrias devido à sua simples e robusta estrutura, baixos custos, entre outras vantagens. É portanto necessário assegurar que o funcionamento destes motores seja efectuado de uma forma contínua e que garanta segurança no seu funcionamento, como tal é necessário estudar as principais avarias que possam aparecer num motor de indução para que estas sejam detectadas o mais cedo possível, evitando assim que as reparações deste mesmo se tornem mais caras.

Estas são algumas das principais avarias que podem ocorrer num motor de indução:

Ø Avarias no estator resultantes da abertura ou curto-circuito de uma ou mais fases;

Ø Falhas nas ligações dos enrolamentos;

Ø Ruptura das barras do rotor;

Ø Desequilíbrios e desalinhamentos mecânicos;

Ø Irregularidades no entreferro;

Ø Curto-circuito nas espiras do estator;

Algumas destas avarias não podem ser simuladas no Laboratório a que temos acesso como tal apenas podemos ter uma descrição teórica da detecção do problema.

Avarias no rotor

Se bem que não utilize quaisquer isolamentos o rotor sofre também as consequências de um processo de envelhecimento. Cada vez que se executa um arranque, em cada barra, dão-se dilatações diferenciais entre a parte inferior e superior devido ao efeito da corrente rotórica no arranque, causando um aquecimento desigual (mais elevado na parte superior). Por outro lado poderá também aparecer dilatações diferentes de barra para barra devido a uma desigual repartição de correntes entre barras. Estas diferenças desaparecem uma vez estabelecido o funcionamento de regime e alcançado o equilíbrio térmico. Em cada arranque as barras do rotor são também submetidas a esforços mecânicos, os quais, após um grande número de ciclos, provocam fissuras e mais tarde rotura completa da barra por fadiga mecânica. É preferível reparar ou substituir o rotor de um motor importante do que esperar pela sua ruptura completa o que normalmente acarreta a destruição do estator. Deve-se assim, evitar qualquer arranque inútil em motores eléctricos.

Ø Rotor solto no veio

É uma avaria resultante da combinação de um problema mecânico e eléctrico, surge quando o rotor se encontra solto do veio. Na sua análise espectral, aparece uma banda larga de elevado nível de vibração no instante em que ocorre o fenómeno.


Ø Irregularidades no entreferro

Avaria grave pois caso a sua detecção for tardia, a máquina poderá sofrer sérios danos. Como explicamos anteriormente o entreferro é o espaço livre entre as partes fixas (estator) e girante (rotor) de um motor. Esta avaria ocorre quando o rotor não se encontra perfeitamente centrado no estator. A vibração provocada por um rotor que não está centrado no estator tem lugar a uma frequência igual a 2xFrequência de rede (100 Hz), independentemente do número de pólos do motor. A amplitude da vibração aumenta com a carga e anula-se quando a alimentação do motor é desligada.

Este facto fica-se a dever a algum apoio do motor mal apertado ou empenado o que origina a deformação do estator e uma distribuição assimétrica do entreferro.

Uma das formas de detectar a evolução desta avaria é recorrendo à análise de quatro sensores de entreferro, instalados no perímetro do núcleo do estator. Sendo o entreferro o menor passo electromecânico da máquina, os pólos servirão como referência física por todo o eixo da máquina. Ou seja os sensores irão nos conceder a distância entre o núcleo do estator e os pólos da máquina, num determinado intervalo de tempo, através de softwares próprios.

Imaginemos que nos ocorre uma irregularidade no entreferro, foi então decidido recorrer à análise dos sensores durante dois meses para confirmar essa avaria:

  • Rotor e estator perfeitos, entreferro uniforme:

No gráfico a seguir (combinado de todos os sensores), a curva obtida no 1º mês é constante, não se detectou nenhuma anomalia no entreferro.

  • Rotor irregular, não uniformidade do entreferro:

No 2º mês a curva deixou de ser constante (devido a leitura do Pólo 2), a área da forma do aro do rotor move-se para fora do círculo normal, ou seja, sinónimo de perda de espaço livre levando à irregularidade do entreferro.




Ø Excentricidade dinâmica

Surge quando o rotor não é perfeitamente uniforme, apesar de estar perfeitamente centrado no estator. Este fenómeno ocorre a 1xRPM e desaparecerá assim que a alimentação do motor é cortada. Esta frequência terá bandas laterais a 2xFd (frequência de deslizamento).


Ø Ruptura das barras do rotor

A ruptura das barras do rotor é umas mais comuns avarias dos motores de indução de gaiola de esquilo. Este tipo de avaria não provoca uma destruição imediata do motor.

As performances do motor não diminuem, mas a corrente aumenta nas barras adjacentes à barra que se verificou a ruptura, isto normalmente faz com que surge um aumento da temperatura que por sua vez vai pode levar a avarias suplementares.

Uma ou mais barras partidas no rotor causam vibrações no motor semelhantes às provocadas pela excentricidade dinâmica. A principal diferença é que a amplitude da frequência de passagem de pólos é proporcional à carga, ou seja, esta frequência desaparecerá quando o motor estiver a trabalhar em vazio. Vários estudos provam que a ruptura das barras do rotor podem ser detectadas observando o espectro da corrente do estator, onde uma linha adicional aparecerá com uma frequência (1-2s)f. Esta linha espectral não é fácil de ser detectada devido a estar bastante próximo da corrente fundamental à frequência f. Portanto uma frequência mais elevada, contendo harmónicos, é observada para detectar o efeito das rupturas das barras.

Este tipo de avaria pode resultar devido a diversos factores, tais como esforços térmicos devido a sobrecargas, uma distribuição não uniforme do calor, esforços magnéticos devido a forças electromagnéticas, vibrações electromagnéticas, deterioração de materiais devido a químicos ou humidade, etc.

Na figura 1 temos um exemplo de um motor de gaiola de esquilo com funcionamento normal, na figura 2 um motor com uma barra partida.

Ø Rotor travado

Deterioração térmica grave em todas as fases do enrolamento geralmente causada por correntes muito altas no enrolamento do estator devido à condição de travamento ou bloqueio do rotor. Esta falha também pode surgir devido ao número excessivo de partidas ou reversões, incompatíveis com o regime normal para o qual o motor foi projectado.


Avarias no estator

Os problemas do estator podem geralmente ser identificados como uma das seguintes causas: rolamentos gastos, operação monofásica, humidade, isolamento fraco, sobrecarga, óleo e detritos. Os factores que geralmente contribuem para anomalias no estator são poeiras e detritos. Alguns tipos de poeira são altamente condutores e ajudam para a falha material do isolamento. A restrição de ventilação causada por poeiras sobre a temperatura do motor é a razão principal para manter os enrolamentos limpos.

Ø Envelhecimento de isolantes

A vida útil do isolante varia proporcionalmente com o acréscimo da temperatura. Assim facilmente se conclui que qualquer sobrecarga de longa duração que provoque um aquecimento adicional, reduz a longevidade da bobinagem. É recomendável medir regularmente a corrente absorvida pelo motor, de preferência em cada fase, e compará-la com o valor inscrito na chapa de características.

Com o intuito de se evitar aumentos de temperatura indesejáveis no motor é possível montar na sua bobinagem detectores térmicos que alertam o utilizador para o facto (protecções de alarme) ou cortam mesmo a alimentação do motor (protecções de disparo). Outra possibilidade, sem ser necessário o investimento numa protecção das referidas anteriormente será começar a monitorizar a temperatura da carcaça do motor. Sendo um método simples e rápido, permite detectar antecipadamente eventuais aquecimentos. Uma vez que a temperatura do motor provém da temperatura do estator, da carga e da temperatura ambiente podemos determinar a temperatura normalizada (Tn) do motor utilizando a seguinte expressão:


Ø Folgas no estator

Provoca o aparecimento de 2xFrequência de rede (100 Hz), independentemente do número de pólos. Este fenómeno pode ainda ocorrer devido a bobinado ou laminas soltas. Esta vibração desaparecerá assim que é cortada a alimentação do motor eléctrico.

Ø Problemas de fase

A detecção de desequilíbrios, nas correntes absorvidas pelas três fases, da ordem dos dois ou três por cento poderá resultar de uma ligação defeituosa. Neste caso, teremos de verificar o aperto de todas as fêmeas da placa de terminais que apertem os cabos de alimentação e o aperto do terminal de cabo ao respectivo cabo. No espectro de frequência este problema tornará visível a frequência de 2xFrequência da rede (100 Hz).

A falha em uma única fase de um enrolamento é o resultado da interrupção de uma fase de alimentação do motor. A falta de fase é geralmente ocasionada pela interrupção de um fusível, falta de fase na linha de alimentação ou mal contacto devido a ligações danificadas.


Ø Curto-circuito entre fases

Este tipo de falha no isolamento é tipicamente causado por contaminação do enrolamento, vibração ou surtos de tensão. Pode também ter causa na fraca execução do isolamento entre fases, ou mesmo do emprego de materiais inadequados, incompatíveis com a classe térmica e de tensão do equipamento.


Ø Curto-circuito entre espiras

Este tipo de falha no isolamento é também causado, tal como o curto-circuito de fases, por contaminação do enrolamento, vibração ou surtos de tensão, podendo ser agravada por falhas ou ineficiência do processo de impregnação, incluindo a aplicação de condutores e verniz ou resina de má qualidade, incompatíveis com a classe térmica e tensão do equipamento.


Ø Curto-circuito entre laminas

Este problema tanto pode ocorrer no rotor como no estator. Um curto-circuito entre lâminas provoca uma deformação térmica no rotor e estator. A vibração aumenta após o arranque, estabilizando mais tarde ao alcançar a temperatura de funcionamento.

Mesmo com a equilibragem do rotor as lâminas em curto-circuito irão provocar um aumento de temperatura do motor reduzindo assim a sua vida útil.


Ø Falhas nas ligações dos enrolamentos

Os enrolamentos do estator de uma máquina eléctrica sujeitam-se a diversos factores que lhes podem provocar a falha, tal como sobrecargas térmicas, vibrações mecânicas e picos de tensão.

Wednesday, January 17, 2007

Simulação de avarias

Laboratório

Material utilizado:

Ø Simulador de avarias Terco MV 1048:

Motor ABB
0,75/0,9 kV
380-420/440-480V Y 2,1/2,0A
220-240/250-280V ∆ 3,6/3,5A
1410/1700 R.P.M.

Ø Multímetro Fluke 179;

Ø Pinça amperimétrica;

Ø Taquímetro.

Procedimentos:

  1. Medir a resistência de cada espira;
  2. Efectuar a medição da resistência de isolamento do motor;
  3. No caso dos valores do ponto 1 e 2 se encontrarem dentro dos limites aceitáveis, continuar para o ponto 4.
  4. Ligar o motor à alimentação e efectuar as medições da corrente em cada uma das fases. (Por motivos de segurança não foi possível ligar o motor a 380V, uma vez que se utilizou dispositivos de protecção (disjuntores), foi por isso ligado a 230V).


Medição da resistência de cada espira:

Foi aberta a caixa dos terminais de alimentação (fig.3) e de seguida foram efectuadas as medições de acordo com o esquema 1:

Fig. 3


Resultados obtidos:

Fig. 4

Como é possível verificar os valores das resistências encontra-se entre os valores limites.


Resistência de isolamento:

Seguidamente foi efectuada a medição da resistência de isolamento. Quando a resistência é medida entre uma fase e a terra este valor pode ser variável, uma vez que existe um potenciómetro que nos permite regular essa mesma resistência (Esquema 2).


Resultados obtidos


Curto-circuito de espiras:

Alimentou-se o motor a 230V e efectuou-se uma medição dos valores da tensão, corrente e velocidade do motor (de acordo com o esquema 3), com este a funcionar sem qualquer tipo de avaria. Após terem sido registados todos os valores foi provocado um curto-circuito em cada uma das fases tendo o valor inicial sido de 10 vezes o valor de uma espira. Estes curtos circuitos foram efectuados por um curto espaço de tempo de modo a não danificar o motor.

Seguidamente foram aplicados novos curto-circuitos mas com valores diferentes em cada uma das espiras.



Fig. 5

Resultados Obtidos:

Em funcionamento normal


1. Curto-circuito espira (U - 10)


2. Curto-circuito espira (V-10)



3. Curto-circuito espira (W-10)


4. Curto-circuito espira (U-10; V-20)



5. Curto-circuito espira (U-10; V-20; W-20)


Como se pode verificar na fase correspondente ao curto-circuito existe um aumento da corrente e quanto maior é a percentagem do curto-circuito maior é valor da corrente. De notar que quando se aplicou inicialmente um curto-circuito de 10% o ruído do motor aumentou, e à medida que se aplicava curto-circuitos com valores percentuais mais elevados e em mais que uma fase o ruído aumentava ainda mais.

Curto-circuito 10%


Curto-circuito 20%

Não foi possível efectuar medições de temperatura, mas com o aumento da corrente a temperatura vai também ser mais elevada o que pode levar a que o motor se danifique.


Falha de fase:

Com o motor a funcionar normalmente foi retirada uma fase e seguidamente duas fases, foram efectuadas medições das correntes, tensões e da velocidade e uma verificação do comportamento do motor.

Resultados obtidos:

Falha de uma fase:

Ao ser retirada uma das fases a corrente aumentou bastante nas restantes fases o motor também aumentou significativamente o seu ruído, mais uma vez não foi possível efectuar as medições da temperatura mas como a sua corrente foi bastante elevada a temperatura também irá ser maior.


Ao ser retirada duas das fases o motor deixou de funcionar, uma vez que deixa de estar alimentado.

Operação e manutenção prática

Pretende-se sempre ter um motor com uma boa performance das partes mecânicas e também que o seu tempo de vida de manobra seja elevado, para isso o motor terá de se submeter a uma manutenção regular.


Ø Lubrificação

É necessário uma lubrificação frequente para reduzir ao mínimo o atrito do procedimento. O atrito causa desperdício de energia, aumenta a temperatura de funcionamento, reduz a sua performance do motor e o tempo de vida do lubrificante.


Ø Verificação periódica

Uma verificação periódica à temperatura do motor, às condições eléctricas e mecânicas é essencial para uma boa eficiência do sistema.

Visualizar o uso e a erosão dos componentes é extremamente importante, já que a eficiência pode ser afectada drasticamente.

Uma boa manutenção traduz-se numa inspecção ao comportamento do motor de seis em seis meses.


Ø Limpeza e condições ambientais

É necessário uma limpeza à carcaça do motor com frequência em indústrias em que o pó abunda. Este factor é bastante importante pois a temperatura de funcionamento aumenta com o pó, o que poderá provocar possíveis danos no motor. Um aumento de 25 graus na temperatura do motor, aumenta as perdas de Joule em cerca de 10% e reduz a vida útil da máquina eléctrica para metade.