Detecção de faltas em motores de indução por meio de campo magnético externo auxiliado por conversor sigma-delta: estudo em rotor com barras rompidas

Abstract

Os motores de indução são amplamente utilizados em diversas aplicações industriais. Embora sejam robustos, versáteis e confiáveis, ainda estão suscetíveis a faltas. Por isso, sistemas de monitoramento têm se tornado os dispositivos mais apropriados para o supervisionamento de motores elétricos. O campo magnético externo ao motor pode revelar, em seu conteúdo harmônico, informações sobre a presença de faltas, que podem evoluir e se transformar em potenciais falhas elétricas e/ou mecânicas. Este trabalho visa desenvolver um sensor não invasivo para o monitoramento contínuo do campo magnético externo ao motor, permitindo identificar faltas em motores de indução trifásicos de baixa tensão. Inicialmente, é feita uma revisão sobre indicadores de faltas e métodos de monitoramento das condições de máquinas elétricas rotativas. São apresentados os princípios do campo magnético para identificar as melhores regiões para posicionamento da bobina, discutidos os métodos de amostragem, a qual optou-se pelo sigma-delta, e é realizada a análise do sinal. Uma configuração foi implementada para a realização dos ensaios experimentais, incluindo um freio de prony para aplicar carga ao eixo do motor. Por fim, foram realizados furos em algumas barras do rotor para simular uma falta e realizar os ensaios de detecção de barras rompidas. Nos ensaios com diferentes níveis de tensão de alimentação e carga aplicados ao eixo, o sensor mostrou-se promissor. Foi possível identificar alterações no espectro do campo magnético e detectar a falta por meio da Distorção Harmônica Total (THD), calculando-a e comparando-a nos casos de um motor íntegro e com a presença de faltas.

Abstract: Induction motors are widely used in various industrial applications. Although they are robust, versatile, and reliable, they are still susceptible to faults. Therefore, monitoring systems have become the most appropriate devices for the supervision of electric motors. The external magnetic field of the motor can reveal, through its harmonic content, information about the presence of faults that can evolve into potential electrical and/or mechanical failures. This work aims to develop a non-invasive sensor for continuous monitoring of the external magnetic field of the motor, enabling the identification of faults in low-voltage three- phase induction motors. Initially, a review is conducted on fault indicators and condition monitoring methods for rotating electric machines. The principles of the magnetic field are presented to identify the best regions for coil placement, sampling methods are discussed, with sigma-delta being chosen, and signal analysis is performed. A configuration was implemented to carry out experimental tests, including a Prony brake to apply load to the motor shaft. Finally, holes were drilled in some rotor bars to simulate a fault and conduct the broken bar detection tests. In the tests with different levels of supply voltage and load applied to the shaft, the sensor proved to be promising. It was possible to identify changes in the magnetic field spectrum and detect the fault through the Total Harmonic Distortion (THD), calculating and comparing it in cases of a healthy motor and one with faults.