Por que os motores elétricos queimam?

Os motores elétricos de indução são a base para os processos produtivos industriais porém não é incomum ouvir falar da sua queima e do rebobinamento dos enrolamentos.

É fundamental que o motivo da queima seja compreendido e corrigido para evitar outras possíveis queimas.

Neste artigo iremos sobre as causas que podem levar a sua queima.

Entenda o funcionamento do motor elétrico

O princípio de funcionamento desses maquinários é utilizar do fenômeno da indução eletromagnética em condutores para manipular os campos magnéticos e assim gerar o movimento do rotor.

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Ele é constituído basicamente de duas partes: o estator (parte estacionária) e o rotor (parte rotativa). O estator está ligado a fonte de alimentação alternada do sistema, já o rotor não está ligado eletricamente à alimentação.

Segundo a lei de Ampére, sempre que há a passagem de corrente em um condutor ocorre a indução de um campo magnético que pode ser visualizado pela regra da mão direita.

No estator o condutor é enrolado várias vezes com o intuito de intensificar o campo magnético gerado, sendo assim chamado de bobina, que são colocadas em ranhuras e são associadas de forma a constituir os conjuntos de pólos magnéticos que direcionam o fluxo magnético no estator.

A imagem abaixo ilustra como o fluxo magnético se distribui com a utilização de duas bobinas para gerar o par de pólos Norte e Sul.

No diagrama de exemplo com três fases os princípios são os mesmos, a análise pode ser realizada considerando três circuitos monofásicos.

Como utilizar os 5 porquês na manutenção

Eles são dispostos deslocados de 120° de forma que a soma total do fluxo magnético ao longo do tempo, seja um campo girando em torno do rotor que se movimenta em função da frequência de alimentação.

O rotor é constituído de um núcleo de lâminas de aço com os condutores curto circuitados dispostos paralelamente ao eixo e entranhados nas fendas em volta do perímetro do núcleo.

Como há a passagem de um campo magnético girante em um condutor é induzida uma corrente que percorre o núcleo do rotor e pela lei de lorentz é induzida uma força em função do campo e da corrente que gera o movimento rotativo de todo o sistema.

Entenda as partes que compõem o motor elétrico.

A queima dos enrolamentos 

Como vimos, o motor depende dos enrolamentos em um bom estado e de uma alimentação adequada para que a indução eletromagnética ocorra como projetado e possa gerar a rotação do eixo.

A queima ocorre quando alguma condição de operação inadequada inflige uma corrente tão alta que danifica o condutor impedindo seu funcionamento.

Agora veremos as causas mais comuns que levam isso a ocorrer.

Curto-circuito

Os condutores de cobre são revestidos por uma camada de esmalte isolante, assim é possível enrolar os fios das bobinas uma sobre as outras sem que haja o contato elétrico entre elas.

Além disso, os condutores esmaltados são unidos com um verniz com o intuito de evitar que vibrem e atritam entre si, podendo danificar o esmalte.

Os enrolamentos também são envolvidos pela resina de impregnação, que tem a função de preencher os espaços vazios dentro das ranhuras do estator auxiliando na dissipação térmica gerada pelo condutor. 

Importância de monitorar a saúde dos ativos

Todo esse sistema de isolamento dos enrolamentos existe para evitar o contato elétrico entre os condutores, caso ele venha a falhar ocorre o curto circuito e consequentemente a queima do condutor.

Os curtos podem ocorrer entre espiras de uma mesma uma mesma bobina, entre fases de bobinas distintas ou nas conexões das bobinas.

De forma geral, os defeitos de isolação são associados com alguma contaminação interna do motor, com degradação do material isolante por ressecamento devido a temperatura excessiva ou por abrasão e com rápidas oscilações na tensão de alimentação.

Sobreaquecimento

A passagem da corrente elétrica nos enrolamentos gera o aquecimento dos componentes devido ao efeito joule, assim é necessário que o calor gerado seja dissipado para não causar o sobreaquecimento e assim deteriorar o isolamento dos condutores.

O isolamento para os motores são divididos em classes de acordo com os respectivos limites de temperatura de operação. A NBR 5116 define as seguintes classes de isolamento:

Caso o motor esteja operando com temperaturas das bobinas acima dos limites de isolação provocará um envelhecimento gradual e generalizado, assim reduzindo a vida útil do ativo.

É possível associar o envelhecimento da isolação com a elevação da temperatura acima da recomendada pela sua classe, na tabela abaixo, vemos que uma elevação de 10° C pode reduzir pela metade a vida útil de um motor elétrico (Rezende, 2016).

Os motores possuem um sistema de ventilação acoplado ao rotor utilizado para realizar a ventilação e retirar o calor. Qualquer impedimento do fluxo de ar pode ocasionar o sobreaquecimento, as causas mais comuns são acúmulo de sujeira, poeira, grama e ferrugem. 

Vale-se destacar que o motor precisa estar instalado em um local que permita que o ar aquecido seja dissipado, caso contrário pode haver a recirculação do ar podendo causar o sobreaquecimento.

Outras condições que podem levar a um sobreaquecimento são relacionadas com um dimensionamento incorreto de condutores, atrito excessivo devido a causas mecânicas e cargas excessivas geralmente associadas ao mau uso do equipamento.

Descubra as falhas mecânicas mais comuns em motores elétricos.

Rotor bloqueado

A condição de rotor bloqueado impõe uma sobrecarga extrema no motor de indução. A elevada corrente de rotor bloqueado faz com que toda a energia de entrada seja convertida em aquecimento do rotor e do estator.

Na partida com 100% de carga, tipicamente as correntes nos enrolamentos do estator variam de 3 a 7 vezes a corrente nominal, assim caso o motor não consiga partir devido ao bloqueio do rotor, a corrente continuará no patamar de partida causando o sobreaquecimento.   

O aquecimento nos enrolamentos do estator é da ordem de 10 a 50 vezes aos da sua condição nominal, lembrando que na partida os enrolamentos estão sem o benefício da ventilação natural produzida pela rotação do rotor.

Picos de tensão

Os picos de tensão são grandes aumentos de tensão em uma ou mais fases por um curto período de tempo, caso o motor não esteja devidamente protegido pode vir a queimar.

A causa mais comuns desses surtos estão relacionadas com descargas atmosféricas cuja energia percorre a rede elétrica oscilando a tensão de alimentação de forma violenta.

Outras possibilidades de picos de tensão estão relacionadas com manobra em banco de capacitores ou com problemas no sistema de acionamento e controle do motor. 

Desbalanceamento de tensão

O desbalanceamento de tensão é uma condição na qual as fases apresentam diferentes valores de tensão ou defasagem angular diferentes de 120° ou ainda as duas condições simultaneamente.

Entre as principais causas do desequilíbrio de um sistema trifásico destaca-se a adição de cargas monofásicas como sistemas de iluminação e motores monofásicos de forma desproporcional sem um planejamento adequado.

O desequilíbrio da tensão irá ocasionar desperdício de energia devido à existência de maiores perdas provocadas por altas correntes desequilibradas.

Estudos já demonstraram que desequilíbrios de 3,5% na tensão podem aumentar as perdas do motor em até 20% e desequilíbrios acima de 5% causam problemas operacionais imediatos (ELETROBRÁS, 2004) .

Pequenos valores na faixa de 1 a 2% também são prejudiciais, pois podem ocasionar significativos aumentos no consumo de energia por muito tempo, sem serem detectados, principalmente se o motor está superdimensionado.

Assim, a tensão da rede deve ser regularmente monitorada e um desequilíbrio maior do que 1% deve ser corrigido.

Outro efeito importante relacionado ao desbalanceamento é o aumento da temperatura do motor e principalmente do rotor. 

Quando as correntes absorvidas pelos motores de indução estão desequilibradas, é induzido nas barras do rotor uma corrente na frequência duas vezes superior à frequência industrial.

Assim ocorre um  efeito chamado de skin, em que as correntes indesejadas de alta frequência tendem a percorrer a superfície dos condutores dos enrolamentos, assim o rotor fica submetido de imediato aos efeitos térmicos resultantes do processo.

Se o motor estiver operando na sua potência nominal, o rotor irá sofrer um aquecimento acima do seu limite térmico  e como já vimos anteriormente reduz a sua vida útil.

Além desses fatores, o desbalanceamento das fases também causa efeitos operacionais no motor como o surgimento de torque que age no sentido de frear o movimento, alterações do tempo de partida e diminuição do fator de potência.

Falta de fase

Caso uma das fases seja comprometida e não entregue tensão ao motor ele irá entrar na condição de falta de fase.

Essa condição ocorre quando há algum problema com a alimentação podendo ser causada por um rompimento no cabo de alimentação,  uma queima de um fusível, queima de de uma fase no transformador ou problemas no sistema de acionamento.

Se o motor não estiver em operação e ocorra a falta de fase ele não dará partida, porém se ele já estiver em movimento o torque será reduzido podendo parar ou continuar com baixa velocidade.

A falta de fase é a condição extrema do desbalanceamento de fases, assim ocorre um aumento considerável de correntes nas fases acionadas. 

Idealmente, o sistema de proteção impede que o motor opere na condição de falta de fase, porém existe um caso particular que chama a atenção que ocorre quando ele opera com cargas parciais em cerca de 40% e 60% da carga nominal.

Nessa situação, mesmo com o aumento de corrente de serviço, nos condutores externos atinge valores próximos da corrente nominal com carga cheia o que não levaria a disparo do sistema de proteção, porém mesmo assim pode levar o aumento de temperatura do motor e danificar a isolação do enrolamento.

Como evitar essas condições?

Vimos que essas condições devidas aos fatores operacionais, falhas mecânicas ou problemas na rede elétrica podem ocasionar graves problemas nos motores aumentando consumo de energia, alterando o rendimento e reduzindo a vida útil até que ocorra a queima.

Dessa forma, o ideal é monitorar os parâmetros de operação para garantir a confiabilidade dos ativos e evitar a queima dos motores.

O Energy Trac é o sistema de monitoramento de energia da TRACTIAN que coleta os dados nos painéis dos ativos e consegue identificar automaticamente as condições irregulares de operação.

Com o monitoramento das fontes de alimentação é possível identificar as falhas na rede elétrica que danificam o motor elétrico no longo prazo como sobretensão, subtensão, baixo fator de potência e desbalanceamento de fases.

Então é possível atuar em possíveis problemas na rede elétrica, fazer melhores distribuições de cargas, redimensionar projetos e instalar bancos de capacitores para melhorar a qualidade da energia entregue aos ativos.

Não basta apenas inspecionar de forma pontual essas condições, o ideal é monitorar essas condições continuamente para garantir as condições nominais para prolongar a vida útil dos componentes e aumentar a eficiência dos sistemas. 

A plataforma da TRACTIAN analisa continuamente os dados e gera insights de condições que danificam os motores como sobrecorrente, sobrecarga e consegue identificar até o sobreconsumo dos equipamentos.

Na imagem acima foi identificado uma condição de sobrecorrente que rompeu em 36% o limite máximo de operação e que se continuasse acontecendo de forma recorrente certamente estaria danificando os enrolamentos. 

Assim é possível identificar problemas de processo que potencialmente passariam despercebidos e que levariam a falha dos motores no longo prazo.

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Ref:

[1] KOSTENKO, M.; PIOTROVSKY, L. Electrical Machines. Moscow. Mir Publishers, 1977. 700p.

[2] KOSOW, I. L. Máquinas Elétricas e Transformadores. Porto Alegre. Editora Globo, 1979. 632p.

[3] REZENDE, P. H. Efeitos do desequilíbrio de tensões de suprimento nos motores trifásicos, obtidos de forma indireta. 2022 Trabalho de Iniciação Científica. Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia 2016.

[4] FREITAS, P. C. F. Comparação dos rendimentos dos motores da linha padrão e de alto rendimento, obtidos de forma indireta. 2007 Trabalho de Iniciação Científica. Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia 2005.

[5] ELETROBRÁS / PROCEL. Programa de eficientização industrial: módulo motor elétrico. Rio de Janeiro. 130 p. MEHL, Edvaldo L. M. Qualidade da energia elétrica. Disponível em:

http://www.eletrica.ufpr.br/mehl/downloads/qualidade-energia.pdf>. Acesso em: 18 out.2007, 13:38.

[6] SOUTO, Olívio Carlos Nascimento. Modelagem e análise do desempenho térmico de motores de indução sob condições não ideais de alimentação. Uberlândia, dez. 2001. 399 p.30 Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica) – Faculdade de Engenharia Elétrica, Universidade Federal de Uberlândia.

[7] ELETROBRÁS. Disseminação de informações em eficiência energética -Eficiência energética aplicada para comércio e indústria. Programa de combate ao desperdício de energia elétrica – PROCEL. Rio de Janeiro: PROCEL, 2004. 309p

[8] GONÇALEZ, Fábio Gonçalves. Estudo do motor de indução trifásico e desenvolvimento de um dispositivo de proteção efetiva de motores operando em condições anormais. 

[9]WOLL, R. F.; “Effect of Unbalanced Voltage on the Operation of Polyphase InductionMotors”; IEEE Transactions on Industry Applications, VOL. IA-11, No. 1, January/1975.