Revisão dos métodos de ensaio para elevação de temperatura em máquinas elétricas girantes

Walter Evaldo Kuchenbecker¹; Júlio Carlos Teixeira²

¹Pesquisador Doutor Colaborador do Programa de Pós-Graduação em ENERGIA – UFABC, walterk@weg.net;

²Professor do Programa de Pós-Graduação em ENERGIA, UFABC, juliocarlos.teixeira@ufabc.edu.br

RESUMO

A necessidade de medição da elevação de temperatura é de comum interesse entre as empresas que fornecem máquinas elétricas ou realizam serviço e principalmente ao usuário. A fabricação ou um reparo devem atender os limites térmicos da isolação da máquina elétrica, pois isso compromete a vida útil. Além da elevação de temperatura, o ensaio pode identificar possíveis falhas de projeto, fabricação e nos circuitos de refrigeração. Estas condições são possíveis de avaliar somente com testes a plena carga. Se isto não for possível, pelo menos, o mais próximo das condições nominais, mesmo que para isso, tenha que utilizar metodologias equivalentes e extrapolações. O estudo tem como objetivo apresentar uma revisão nos métodos e técnicas para os ensaios de elevação de temperatura em máquinas elétricas girantes, demonstrando a importância e necessidade de realização para a garantia, tanto para reparos quanto para as máquinas elétricas novas.

INTRODUÇÃO

O calor é uma forma de energia que, no caso das máquinas elétricas, não é aproveitada para a realização do trabalho. Trata-se de uma energia perdida. Quanto maiores forem as perdas, menor será a eficiência da máquina elétrica. O calor gerado internamente acaba promovendo uma elevação de temperatura interna. Devido à diferença de temperatura estabelecida entre o interior da máquina elétrica e o meio exterior, ocorrerá um processo de transferência de calor [1].

A conversão eletromecânica de energia nas máquinas elétricas é composta por uma parte de perdas que se transformam em calor. Essas perdas são compostas pelo efeito Joule da corrente que circula nos enrolamentos, tanto do estator quanto do rotor. A interação entre o estator e a parte girante, o rotor, é feita pelo fluxo magnético induzido entre os componentes. Este fluxo circula pelos núcleos do estator e rotor, induzindo as indesejáveis correntes parasitas ou correntes de Foucault, que também geram calor pelas perdas no ferro. Estas perdas no ferro são minimizadas por causa dos pacotes construídos por lâminas isoladas entre si de chapa siliciosa. O pacote de chapas laminadas é influenciado pelas falhas nos enrolamentos ou na retirada das bobinas no reparo, pois estas lâminas isoladas podem entrar em curto e gerarem pontos quentes. Ainda na composição das principais perdas, somam-se as perdas mecânicas por atrito do eixo e os rolamentos e a ventilação [1]; [6] e [9].

A elevação de temperatura é um fator determinante para as avaliações das condições e características das máquinas elétricas, pois é normalmente limitada pelas propriedades térmicas dos materiais. O teste em carga é fundamental, pois este aproxima as condições de testes em fábrica com a aplicação final em campo e serve, principalmente, para avaliar a temperatura em regime. Quanto maior as estruturas dos laboratórios, melhor os resultados. Porém, mesmo que estas características nominais não sejam atendidas, metodologias equivalentes normalizadas possibilitam estas avaliações. O mesmo interesse é do cliente que busca revitalizar a máquina, para retornar as condições similares de uma máquina nova e que tenha garantia de operação por mais alguns anos.

Máquinas que trabalham com uma elevação de temperatura acima do especificado terão seu tempo de vida útil reduzido. Construir novos laboratórios com potência maior e equipamentos de simulação de carga também maiores geram grandes investimentos, tanto em máquinas como em circuitos de potência robustos, painéis eletrônicos, programas de informática e outros. Laboratórios com capacidade em torno de 10MW atendem uma grande quantidade máquinas. Porém, métodos simulando carga equivalente são empregados para determinação da elevação de temperatura dos motores que excedem a potência nominal instalada nos laboratórios.

As vantagens em se realizar ensaios em condições nominais são inúmeras, dentre elas, pode-se destacar a avaliação da vibração após estabilização térmica. Essa verificação é importante para identificarmos se há algum desbalanceamento por deslocamento de massa e possíveis barras do rotor com trincas ou interrompidas. Para máquinas com tensões inferiores a 1000V, o teste se torna indispensável para avaliar temperaturas de cabos do estator e rotor. Isso, porque, as correntes para essas máquinas elétricas são elevadas e para atender esta densidade de corrente, vários cabos são necessários. O teste com a capacidade nominal garante estas especialidades destes projetos. Os laboratórios que possuem capacidade em torno de 2500A, atendem a maioria dos ensaios, quando se trata de motores de indução.

O ensaio em carga nominal também irá mostrar que a troca de algum componente do sistema de refrigeração como, ventilador, trocador, radiador, foi eficaz. Em máquinas com escovas fixas, pode-se comprovar que a troca ou adequação da escova está atendendo aos critérios de norma ou do fabricante da escova, quando houver informação. Para máquinas de corrente continua, além dos itens já citados como temperatura de cabos, escovas e enrolamentos, também pode verificar qual é o nível de faíscamento nas escovas e realizar o ajuste, caso seja necessário, garantindo que o motor irá operar sem a necessidade de novos ajustes.

A figura 1 apresenta um modelo térmico de uma máquina elétrica. Com base nesta figura, pode-se verificar a complexidade e componentes envolvidos numa análise térmica. Todos estes componentes devem ser garantidos em operação para não comprometer a vida útil do equipamento [6].

Figura 1: Circuito térmico de uma máquina elétrica.

MÉTODOS NORMALIZADOS DE ENSAIOS

2.1. Método de ensaio para elevação de temperatura em motores de indução

Existem vários métodos para elevação de temperatura. O método de aplicação direta de carga, pode ser talvez o mais convencional, porém demanda grandes estruturas e altos custos envolvidos. Outro, que também é muito conhecido é o Forward Short Circuit, que consiste em acoplar a máquina a ser ensaiada em outra com características similares, como carga. Este método também possui limitações e dificuldades, pois se precisa de máquinas similares para a carga e toda a estrutura para acoplar uma contra a outra. A maioria dos métodos que necessitam de acoplamento, possuem custo elevado e requerem máquinas extras para a aplicação de carga. A condição de acoplar é complexa, principalmente em caso de máquinas verticais.

O método mais dinâmico e viável para os ensaios de elevação de temperatura em motores elétricos de grande porte é a dupla frequência. Este método não requer máquinas extras ou cargas mecânicas. A elevação de temperatura pela dupla frequência requer apenas duas fontes de tensão e frequência variáveis. O teste pode ser aplicado em qualquer tipo de motor de indução com a vantagem da agilidade e custo menor, além de consumir em torno de 40% da potência da máquina a ser ensaiada.

O ensaio de elevação de temperatura por dupla frequência já foi proposto por Ytterberg em 1921.O motor não é acoplado mecanicamente, o mesmo roda livremente. A fonte principal fornece tensão e frequência nominais ao motor em teste. A fonte auxiliar tem uma frequência menor, em torno de 60 a 95% da frequência e a tensão entre 5 a 25%, ambas referentes à fonte principal. A tensão e frequência da fonte auxiliar são ajustadas até que a corrente nominal do motor em teste é atingida. O rotor oscilará em torno à velocidade síncrona, operando entre motor e gerador [4].

Existem duas possibilidades para aplicar o método de dupla frequência. O método apresentado na figura 2 consite em duas fontes com um transfomador. A fonte principal é interligada em série com um dos enrolamentos do transfomador. A entrada é ligada ao gerador de fonte e a saída do enrolamento do transformador é ligada ao motor em teste. A segunda fonte que é auxiliar, serve como controle da corrente do motor em teste. Esta fonte auxiliar é conectada a entrada ao outro enrolamento do transformador e a saída deste enrolamento é fechado em estrela [3].

Figura 2: Interligações do circuito de dupla frequência com transformador.

A segunda possibilidade é a a interligação em série do circuito da fonte principal ligada ao motor em teste, passar pelo enrolamento do gerador da fonte auxiliar. Os ajustes e controles são os mesmos da primeira metodologia. As interligações são apresentadas na figura 3.