Com relação ao teste de motores elétricos, o índice de polarização (PI) é uma medida de quanto a resistência do sistema de isolamento melhora (ou se degrada) com o tempo.
Embora o teste PI tenha sido considerado o principal teste para avaliar a condição do isolamento de um motor, seu processo ficou desatualizado em comparação com os métodos de teste mais recentes que fornecem uma avaliação diagnóstica mais abrangente da saúde geral de um motor.
Este artigo fornece uma compreensão prática do sistema de isolamento de um motor, uma compreensão básica do teste de índice de polarização e como os métodos modernos de teste de motores fornecem resultados mais abrangentes em menos tempo.
ÍNDICE DE POLARIZAÇÃO (PI)
O teste de índice de polarização (PI) é um método padrão de teste de motores elétricos desenvolvido no século XIX que tenta determinar a integridade do isolamento do enrolamento de um motor.
Embora o teste PI forneça informações sobre os sistemas de isolamento da parede do solo (GWI) normalmente instalados antes da década de 1970, ele não fornece uma condição precisa do isolamento do enrolamento em motores modernos.
O teste PI envolve a aplicação de tensão CC (normalmente de 500 V a 1.000 V) ao enrolamento do motor para medir a eficácia do sistema GWI para armazenar uma carga elétrica.
Como o sistema GWI forma uma capacitância natural entre os enrolamentos do motor e a estrutura do motor, a tensão CC aplicada será armazenada como uma carga elétrica da mesma forma que qualquer capacitor.
À medida que o capacitor fica totalmente carregado, a corrente diminui até que tudo o que resta é a corrente de fuga final, que determina a quantidade de resistência que o isolamento oferece ao terra.
Em sistemas de isolamento novos e limpos, a corrente de polarização diminui logaritmicamente com o tempo, pois os elétrons estão sendo armazenados. O Índice de Polarização (PI) é a relação entre a resistência de isolamento e o valor de aterramento (IRG) obtido em intervalos de 1 e 10 minutos.
PI = 10 minutos de IRG/1 minuto de IRG
Nos sistemas de isolamento instalados antes da década de 1970, o teste PI ocorre enquanto o material dielétrico está sendo polarizado.
Se o isolamento da parede do solo (GWI) começar a se degradar, ele sofrerá uma mudança química, fazendo com que o material dielétrico se torne mais resistivo e menos capacitivo, diminuindo a constante dielétrica e reduzindo a capacidade do sistema de isolamento de armazenar uma carga elétrica. Isso faz com que a corrente de polarização se torne mais linear à medida que se aproxima da faixa em que a corrente de fuga é predominante.
No entanto, em sistemas de isolamento mais novos, posteriores à década de 1970, por vários motivos, toda a polarização do material dielétrico ocorre em menos de um minuto, e as leituras de IRG ficam acima de 5.000 Meg-ohms. O PI calculado pode não ser significativo como uma indicação da condição da indicação da parede do solo.
Além disso, como esse teste cria o campo eletrostático entre os enrolamentos e a estrutura do motor, ele fornece muito pouca ou nenhuma indicação da condição do sistema de isolamento do enrolamento. A melhor indicação desses tipos de falhas é o uso de medições de MCA do ângulo de fase e da resposta de frequência da corrente.
MATERIAIS ISOLANTES
Em motores elétricos, o isolamento é o material que resiste ao fluxo livre de elétrons, direcionando a corrente por um caminho desejado e impedindo que ela escape para outro lugar.
Em teoria, o isolamento deveria bloquear todo o fluxo de corrente, mas mesmo o melhor material isolante permite a passagem de uma pequena quantidade de corrente. Esse excesso de corrente é comumente chamado de corrente de fuga.
Embora seja geralmente aceito que os motores têm uma vida útil de 20 anos, a falha do sistema de isolamento é a principal razão pela qual os motores elétricos falham prematuramente.
O sistema de isolamento começa a se degradar quando o isolamento se torna mais condutivo devido a uma alteração em sua composição química. A composição química do isolamento muda com o tempo devido ao uso gradual e/ou a outros danos. A corrente de fuga é resistiva e gera calor, o que resulta em uma degradação adicional e mais rápida do isolamento.
Observação: a maioria dos fios esmaltados é projetada para garantir uma vida útil de 20.000 horas em temperaturas nominais (105 a 240° C).
SISTEMAS DE ISOLAMENTO
Os motores e outros equipamentos elétricos com bobinas têm dois sistemas de isolamento separados e independentes.
Os sistemas de isolamento de parede de aterramento separam a bobina da estrutura do motor, impedindo que a tensão fornecida aos enrolamentos escape para o núcleo do estator ou para qualquer parte da estrutura do motor. O rompimento do sistema de isolamento da parede de aterramento é chamado de falha de aterramento e cria um risco de segurança.
Os sistemas de isolamento da bobina são camadas de esmalte que envolvem o fio condutor que fornece corrente a toda a bobina para criar o campo magnético do estator. O rompimento do sistema de isolamento do enrolamento é chamado de curto-circuito do enrolamento e enfraquece o campo magnético da bobina.
RESISTÊNCIA DE ISOLAMENTO À TERRA (IRG)
O teste elétrico mais comum realizado em motores é o teste de resistência de isolamento à terra (IRG) ou “teste de ponto”.
Ao aplicar tensão CC ao enrolamento do motor, esse teste determina o ponto de resistência mínima que o isolamento da parede de aterramento apresenta à estrutura do motor.
CAPACITÂNCIA
A capacitância (C), medida em Farads, é definida como a capacidade de um sistema de armazenar uma carga elétrica. Para determinar a capacitância de um motor, você deve usar a equação: 1 Farad = a quantidade de carga armazenada em coulombs (Q) dividida pela tensão de alimentação.
Exemplo: Se a tensão aplicada for uma bateria de 12 V e o capacitor armazenar 0,04 coulombs de carga, ele terá uma capacitância de 0,0033 Farads ou 3,33 mF. Um coulombs de carga equivale a aproximadamente 6,24 x 1018 elétrons ou prótons. Um capacitor de 3,33 mF armazenaria aproximadamente 2,08 X 1016 elétrons quando totalmente carregado.
A capacitância é criada pela colocação de um material dielétrico entre placas condutoras. Nos motores, os sistemas de isolamento da parede do solo formam uma capacitância natural entre os enrolamentos do motor e a estrutura do motor. Os condutores do enrolamento formam uma placa e a estrutura do motor forma a outra, fazendo com que o isolamento da parede de aterramento seja o material dielétrico.
A quantidade de capacitância depende de você:
A área da superfície medida das placas – A capacitância é diretamente proporcional à área das placas.
A distância entre as placas – A capacitância é inversamente proporcional à distância entre as placas.
A constante dielétrica – A capacitância é diretamente proporcional à constante dielétrica
CAPACITÂNCIA PARA TERRA (CTG)
A medição da capacitância para o solo (CTG) é um indicativo da limpeza dos enrolamentos e cabos de um motor.
Como o isolamento da parede de aterramento (GWI) e os sistemas de isolamento do enrolamento formam uma capacitância natural para o aterramento, cada motor terá um CTG exclusivo quando o motor estiver novo e limpo.
Se os enrolamentos do motor ou o GWI ficarem contaminados, ou se houver entrada de umidade no motor, o CTG aumentará. No entanto, se o GWI ou o isolamento do enrolamento sofrer degradação térmica, o isolamento se tornará mais resistente e menos capacitivo, fazendo com que o CTG diminua.
MATERIAL DIELÉTRICO
Um material dielétrico é um mau condutor de eletricidade, mas suporta um campo eletrostático. Em um campo eletrostático, os elétrons não permeiam o material dielétrico e as moléculas positivas e negativas se emparelham para formar dipolos (pares de moléculas com cargas opostas separadas por distância) e se polarizam (o lado positivo do dipolo se alinhará em direção ao potencial negativo e a carga negativa se alinhará em direção ao potencial negativo).
CONSTANTE DIELÉTRICA (K)
A constante dielétrica (K) é uma medida da capacidade de um material dielétrico de armazenar uma carga elétrica por meio da formação de dipolos, em relação ao vácuo, que tem uma K de 1.
A constante dielétrica do material isolante depende da composição química das moléculas combinadas para formar o material.
O K de um material dielétrico é afetado pela densidade do material, pela temperatura, pelo teor de umidade e pela frequência do campo eletrostático.
PERDA DIELÉTRICA
Uma propriedade importante dos materiais dielétricos é a capacidade de suportar um campo eletrostático e, ao mesmo tempo, dissipar o mínimo de energia na forma de calor, o que é conhecido como perda dielétrica.
RUPTURA DIELÉTRICA
Quando a tensão em um material dielétrico se torna muito alta, fazendo com que o campo eletrostático se torne muito intenso, o material dielétrico conduzirá eletricidade, o que é chamado de ruptura dielétrica. Em materiais dielétricos sólidos, essa quebra pode ser permanente.
Quando ocorre uma ruptura dielétrica, o material dielétrico sofre uma alteração em sua composição química e resulta em uma alteração na constante dielétrica.
CORRENTES EMPREGADAS COM UM CAPACITOR DE CARGA
Há várias décadas, o teste de índice de polarização (PI) foi introduzido para avaliar a capacidade do sistema de isolamento de armazenar uma carga elétrica. Como há essencialmente três correntes diferentes, conforme descrito acima, envolvidas no carregamento de um capacitor, você pode usar o capacitor para carregar o capacitor.
Corrente de carga – A corrente acumulada nas placas e depende da área das placas e da distância entre elas. A corrente de carga geralmente termina em < menos de 1 minuto. A quantidade de carga será a mesma, independentemente da condição do material isolante.
Corrente de polarização – A corrente necessária para polarizar o material dielétrico ou alinhar os diploides criados pela colocação do material dielétrico em um campo eletrostático. Normalmente, com os sistemas de isolamento instalados em motores (antes da década de 1970), quando o teste de índice de polarização foi desenvolvido, o valor nominal de um sistema de isolamento novo e limpo estaria na faixa de 100 megaohms (106) e normalmente exigiria mais de 30 minutos e, em alguns casos, muitas horas para ser concluído. No entanto, com um sistema de isolamento mais recente (após a década de 1970), o valor nominal de um sistema de isolamento novo e limpo estará na faixa de giga-ohm a tera-ohm (109, 1012) e, normalmente, polariza-se totalmente antes que a corrente de carga termine completamente.
Corrente de fuga – A corrente que flui através do material isolante e dissipa o calor.
CORRENTE DE CARGA
Um capacitor sem carga tem placas que compartilham um número igual de cargas positivas e negativas.
A aplicação de uma fonte CC às placas de um capacitor sem carga fará com que os elétrons fluam do lado negativo da bateria e se acumulem na placa conectada ao polo negativo da bateria.
Isso criará um excesso de elétrons nessa placa.
Os elétrons fluirão da placa conectada ao polo positivo da bateria e fluirão para dentro da bateria para substituir os elétrons acumulados na placa negativa. A corrente continuará a fluir até que a tensão na placa positiva seja a mesma do lado positivo da bateria e a tensão na placa negativa atinja o potencial do lado negativo da bateria.
O número de elétrons deslocados da bateria para as placas depende da área das placas e da distância entre elas.
Essa corrente é chamada de corrente de carga, que não consome energia e é armazenada no capacitor. Esses elétrons armazenados criam um campo eletrostático entre as placas.
CORRENTE DE POLARIZAÇÃO
A colocação de um material dielétrico entre as placas em um capacitor aumenta a capacitância de um capacitor em relação ao espaçamento entre as placas em um vácuo.
Quando um material dielétrico é colocado em um campo eletrostático, os dipolos recém-formados se polarizam, e a extremidade negativa do dipolo se alinha com a placa positiva e a extremidade positiva do dipolo se alinha com a placa negativa. Isso é chamado de polarização.
Quanto maior for a constante dielétrica de um material dielétrico, maior será o número de elétrons necessários, aumentando assim a capacitância do circuito.
CORRENTE DE FUGA
A pequena quantidade de corrente que flui através do material dielétrico enquanto mantém suas propriedades isolantes é chamada de resistência efetiva. Isso é diferente da resistência dielétrica, que é definida como a tensão máxima que um material pode suportar sem falhar.
À medida que um material isolante se degrada, ele se torna mais resistivo e menos capacitivo, aumentando a corrente de fuga e diminuindo a constante dielétrica. A corrente de fuga produz calor e é considerada uma perda dielétrica.
FATOR DE DISSIPAÇÃO
É uma técnica de teste alternativa que usa um sinal CA para exercitar o sistema de isolamento de paredes de terra (GWI). Conforme explicado acima, ao usar um sinal CC para testar o GWI, você encontra três correntes diferentes; no entanto, o instrumento não consegue diferenciar as correntes além do tempo. Entretanto, ao aplicar um sinal CA para testar o GWI, é possível separar as correntes armazenadas (corrente de carga, corrente de polarização) da corrente resistiva (corrente de fuga).
Como as correntes de carga e de polarização são correntes armazenadas e retornam ao ciclo oposto de ½, a corrente lidera a tensão em 90°, enquanto a corrente de fuga, que é uma corrente resistiva que dissipa o calor e a corrente está em fase com a tensão aplicada. O fator de dissipação (DF) é simplesmente a razão entre a corrente capacitiva (IC) e a corrente resistiva (IR).
DF = IC / IR
Em um isolamento novo e limpo, normalmente o IR é < 5% do IC; se o material isolante ficar contaminado ou se degradar termicamente, o IC diminui ou o IR aumenta. Em ambos os casos, o DF aumentará.
ANÁLISE DO CIRCUITO DO MOTOR (MCA™)
A análise do circuito do motor (MCA™), também conhecida como avaliação do circuito do motor (MCE), é um método de teste não destrutivo e sem energia usado para avaliar a integridade de um motor. Iniciado pelo Centro de Controle do Motor (CCM) ou diretamente no próprio motor, esse processo avalia toda a parte elétrica do sistema do motor, inclusive as conexões e os cabos entre o ponto de teste e o motor.
Enquanto o motor está desligado e sem energia, ferramentas como o AT7 e o AT34 da ALL-TEST Pro usam o MCA para avaliar:
- Falhas de aterramento
- Falhas no enrolamento interno
- Conexões abertas
- Falhas no rotor
- Contaminação
O teste de motor usando as ferramentas MCA™ é muito fácil de implementar, e o teste leva menos de três minutos, em comparação com o teste de índice de polarização que normalmente leva mais de 10 minutos para ser concluído.
COMO FUNCIONA A ANÁLISE DO CIRCUITO DO MOTOR?
A parte elétrica do sistema de motor trifásico é composta por circuitos resistivos, capacitivos e indutivos. Quando uma baixa tensão é aplicada, os circuitos saudáveis devem responder de uma maneira específica.
As ferramentas de análise do circuito do motor ALL-TEST Pro aplicam uma série de sinais CA senoidais de baixa tensão e não destrutivos no motor para medir a resposta desses sinais. Esse teste sem energia leva apenas alguns minutos e pode ser realizado até mesmo por um técnico iniciante.
Medidas da MCA:
- Resistência
- Impedância
- Indutância
- Fi (ângulo de fase)
- Fator de dissipação
- Isolamento à terra
- I/F (resposta de frequência atual)
- Valor de teste estático (TVS)
- Assinaturas dinâmicas do estator e do rotor
E aplicável:
- Motores CA/CC
- Motores de tração CA/CC
- Geradores/Alternadores
- Motores de máquinas-ferramenta
- Servomotores
- Transformadores de controle
- Transformadores de transmissão e distribuição
RESUMO
Durante o século XIX, o teste de índice de polarização era um método eficaz para determinar a condição geral de um motor. No entanto, com os modernos sistemas de isolamento, ele se tornou menos eficaz.
Embora o teste PI seja demorado (mais de 15 minutos) e incapaz de determinar se a falha está no enrolamento ou no isolamento da parede de aterramento, as tecnologias modernas, como a ANÁLISE DE CIRCUITO DO MOTOR (MCATM), identificam problemas de conexão, turn-to-turn, bobina-a-bobina e falhas de enrolamento em desenvolvimento fase-a-fase em estágios muito iniciais com testes concluídos em menos de 3 minutos.
Outras tecnologias, como DF, CTG e IRG, fornecem uma condição do sistema de isolamento do groundwall em testes concluídos em tempo mínimo.
Ao combinar novas tecnologias, como MCA, DF, CTG e IRG, os métodos modernos de teste de motores elétricos oferecem uma avaliação muito mais abrangente e completa de todo o sistema de isolamento do motor, de forma mais rápida e fácil do que nunca.
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