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CARACTERIZAÇÃO TÉRMICA DE MOTOR DE INDUÇÃO MONOFÁSICO OPERANDO EM

CONDIÇÕES DE DISTÚRBIOS DA QEE

GILVAN CUNHA1, EDUARDO F. SIMAS FILHO1, DANIEL BARBOSA1,2

1Departamento de Engenharia Elétrica, Universidade Federal da Bahia

Rua Aristides Novis, 02, Federação, Salvador, Bahia

2Mestrado em Energia, Universidade Salvador (UNIFACS)

Alameda das Espatódias, 912, Caminho das Árvores, Salvador, Bahia

E-mails: [email protected], [email protected], [email protected]

Abstract Electrical power quality disturbance may affect electrical equipment in different ways. An important aspect is the

operational temperature increase that may occur as an effect of poor power quality in the electrical network. Considering particu-

larly the electrical machines, higher temperatures may contribute to faster aging of the windings insulation and consequently

shortens the machine operational lifetime. The purpose of this work is to observe the thermal characteristics monophasic induc-

tion motors when there are power quality disturbances on the supply power network. For controlled production of the electrical

disturbs, a programmable AC power source was applied. The motor was supplied with AC voltages with variations on the RMS

and frequency values and with harmonic distortion. Mathematical models, including one based on an artificial neural network,

were proposed for the temporal variation of the motor temperature in the different considered cases

Keywords Electrical Power Quality, Electrical Machines, Thermal characterization, Artificial Neural Networks.

Resumo Problemas da qualidade da energia elétrica podem afetar os equipamentos elétricos de diferentes maneiras. Um as-

pecto importante é a elevação da temperatura, que pode acontecer em decorrência da existência de distúrbios na rede elétrica.

Considerando especificamente as máquinas elétricas, o aumento da temperatura pode ocasionar problemas como a deterioração

da isolação e a diminuição da vida útil. Desta forma, o objetivo deste trabalho é observar o comportamento térmico de motores

de indução monofásicos quando alimentados por uma tensão sujeita a distúrbios da qualidade da energia. Para produção contro-

lada dos distúrbios foi utilizada uma fonte AC programável. Foram aplicados no motor os seguintes distúrbios: variações no va-

lor eficaz, variações na frequência e presença de harmônicos. Ao final são propostos modelos, incluindo um baseado numa rede

neural artificial, para a variação temporal da temperatura do motor nos diversos casos analisados.

Palavras-chave Qualidade da Energia Elétrica, Máquinas Elétricas, Caracterização Térmica, Redes Neurais Artificiais.

1 Introdução

As máquinas de indução são amplamente utiliza-

das em aplicações industriais, comerciais e residenci-

ais por apresentarem características interessantes,

como a robustez e a longa durabilidade (Fitzgerald et

al., 2003). Entretanto, estes equipamentos operam

adequadamente apenas quando alimentadas com a

tensão senoidal de frequência e de valor eficaz apro-

priado.

Assim, distúrbios na tensão de alimentação da

rede elétrica podem resultar em problemas, como o

aumento das perdas e o consequente aumento da

temperatura. A elevação da temperatura dos enrola-

mentos, por sua vez, pode acarretar uma deterioração

precoce da isolação da máquina, contribuindo para

reduzir a vida útil do equipamento (Gnacinski, 2008).

Segundo Wilamowski e Irwin (2011), por exemplo, o

aumento em 20ºC na temperatura dos enrolamentos

de um motor classe B pode provocar uma redução de

até 70% na sua vida útil.

Em face da importância do tema, alguns traba-

lhos foram conduzidos na literatura para a caracteri-

zação térmica de motores de indução trifásicos quan-

do submetidos a distúrbios da qualidade da energia

elétrica (QEE), especialmente para motores instala-

dos em embarcações. O trabalho de Gnacinski et al.

(2008) propõe o uso de um “fator de qualidade tér-

mico” para motores de indução alimentados por ten-

sões com distúrbios da qualidade da energia, enquan-

to que os artigos de Gnacinski (2009) e Gnacinski et

al. (2009) apresentam os aspectos teóricos e experi-

mentais, para proporem limites regulatórios para o

efeito de distúrbios da QEE na temperatura de moto-

res de indução trifásicos instalados em embarcações.

Em uma linha correlata, Romo et al. (1998) ava-

lia o comportamento de máquinas de indução quando

acionadas por sistemas eletrônicos (como inversores

de fonte de tensão), visto que estes podem produzir

um significativo conteúdo harmônico.

Nesse contexto, o presente trabalho objetiva a

caracterização térmica de motores de indução mono-

fásicos, uma vez que estas máquinas são utilizadas

em diversas aplicações comerciais e residenciais

(Fitzgerald et al., 2003). Para realizar de modo con-

trolado os ensaios no motor monofásico, uma fonte

AC programável foi utilizada para produzir os distúr-

bios de QEE, com destaque à distorção harmônica e

Anais do XX Congresso Brasileiro de Automática Belo Horizonte, MG, 20 a 24 de Setembro de 2014

2830

as variações nos valores nominais de frequência e de

amplitude. Ao final são propostos dois modelos para

o comportamento térmico do motor utilizado, um

modelo que utiliza uma aproximação analítica e outro

que utiliza uma rede neural artificial. Uma possível

aplicação para a modelagem do comportamento tér-

mico proposta é um sistema de supervisão e gerência

centralizado, no qual essa informação pode ser útil no

monitoramento e controle das máquinas de indução.

2 Revisão Bibliográfica

2.1 Distúrbios da Qualidade da Energia Elétrica

Os problemas na QEE fornecida existem há bas-

tante tempo, porém, mais recentemente (a partir da

década de 1980), eles vêm sendo tratados de forma

sistêmica (Dugan et al., 2012). Atualmente, consumi-

dores industriais e residenciais têm demonstrado inte-

resse na QEE, pois os novos equipamentos eletrôni-

cos podem ser bastante sensíveis a estes distúrbios.

Por outro lado, em alguns casos, os equipamentos

eletrônicos (como retificadores e inversores) são

também responsáveis pela geração dos distúrbios da

QEE.

Formalmente, um distúrbio da QEE pode ser de-

finido como qualquer condição de operação da rede

elétrica que produz tensões ou correntes que desviam

das características nominais (Dugan et al., 2012).

Entre os principais distúrbios da QEE pode-se men-

cionar:

• variações no valor eficaz;

• variações de frequência;

• distorções na forma de onda;

• ruídos;

• fenômenos impulsivos;

• etc.

As distorções na forma de onda podem ser clas-

sificadas como nível CC, harmônicos (presença de

componentes de frequência múltiplos da fundamen-

tal), inter-harmônicos (presença de componentes de

frequência não múltiplos da fundamental) e “not-

ching” (presença de transitórios de curta duração

periódicos provocados por chaveamento de cargas)

(Dugan et al., 2012).

Numa tentativa de minimizar os problemas da

QEE nos sistemas elétricos, diversas normas e reco-

mendações foram criadas como a IEEE Standard

519, IEEE Standard 1159 e a IEC 61000-3-2 (IEEE,

1994; IEEE, 1995; IEC, 2009), em âmbito internaci-

onal, e o Módulo 8 dos Procedimentos de Distribui-

ção de Energia Elétrica no Sistema Elétrico Nacional

(PRODIST) da Agência Nacional de Energia Elétrica

(ANEEL) (ANEEL, 2010).

É importante salientar que os distúrbios associa-

dos à QEE são usualmente classificados de acordo

com o tempo total de ocorrência: fenômenos de curta

duração e fenômenos de longa duração.

Neste trabalho, o interesse maior é nos fenôme-

nos de longa duração, pois sua influência na tempera-

tura de motores é mais acentuada, se comparados aos

de curta duração.

2.2 Motores de Indução Monofásicos

O motor de indução monofásico (MIM) está en-

ter os mais utilizados em aplicações residenciais,

principalmente devido ao fato de que não há contato

elétrico entre o rotor e o estator, o que confere ao tal

motor robustez e baixa manutenção, sendo este utili-

zado em vários equipamentos, como: refrigeradores,

condicionadores de ar, bombas, máquinas de lavar,

etc.

Desta forma, o conhecimento do seu comporta-

mento frente aos diferentes fenômenos de QEE se faz

necessário, com destaque àquelas que podem elevar

rapidamente a temperatura dos MIM’s, uma vez que

este resultado está associado ao aumento das perdas

por efeito joule.

Assim, a obtenção analítica da caracterização

térmica de um motor requer o conhecimento detalha-

do de toda sua estrutura física (dimensões externas e

internas, características dos materiais utilizados, coe-

ficientes de acoplamento térmico, etc), que na maio-

ria das aplicações, estas informações não estão dis-

poníveis para os usuários.

Entretanto, foi demonstrado em Bulgarelli

(2006) que a temperatura de um MIM apresenta uma

relação aproximadamente de primeira ordem com a

corrente de alimentação. A corrente do rotor (em A)

pode ser calculada por (Fitzgerald et al., 2003):

221

2

2

22 )(

Ls

R

EsI

(1)

sendo: os índices 1 e 2 referidos respectivamente ao

estator e rotor, E2 a tensão induzida pelo fluxo de

entreferro (em V), R2 a resistência de rotor (em Ω),

w1 a frequência induzida pelo fluxo de entreferro (em

rad/s), L2 a indutância do rotor (em H) e s o escorre-

gamento.

Da análise da Equação (1), percebe-se que a cor-

rente do rotor é variável com o fluxo do entreferro e

com a frequência. O fluxo do entreferro (em Wb)

pode ser definido por:

k

kE m2

(2)

na qual: os índices 1 e 2 referem-se respectivamente

ao estator e rotor, k e m k são constantes relativas ao

número de espiras do motor e w a frequência (em

rad/s).


2831

3 O Procedimento Experimental

Para realização do experimento, uma fonte de

alimentação arbitrária da Pacific Power Source, mo-

delo 120ASX-UPC1, foi utilizada para alimentar um

motor de indução monofásico presente no laborató-

rio, uma vez que esta simula eventos transitórios con-

secutivos da qualidade da energia elétrica (Pacific,

2011). Além da fonte, um microcomputador foi utili-

zado para monitorar a temperatura do motor por meio

de um circuito microcontrolado auxiliar. Um diagra-

ma do setup experimental é mostrado na Figura 1.

Os dados do motor de indução monofásico utili-

zado nos ensaios estão listados na Tabela 1. Para

caracterização térmica do motor foram realizados

ensaios a vazio e com o rotor bloqueado.

Figura 1. Diagrama do setup experimental utilizado.

Tabela 1. Características do motor de indução utilizado no ensaio.

Tensão nominal 110/220 V

Potencia 1/8 CV

Frequência nominal 60 Hz

Corrente nominal 3,8/1,9 A

Velocidade nominal 3510 rpm

AFS 4,0/2,0

Isolação B

Polos 2

A medição da temperatura foi realizada por meio

de um sensor LM35 conectado a um microcontrola-

dor, uma vez que este dispositivo apresenta saída

linear entre 0 e 50mV para valores de temperatura,

respectivamente, entre 0°C e 50°C. O microcontrola-

dor utilizado opera com 10 bits, tem portas de entra-

das analógicas com taxa de amostragem de até 16

Mhz e portas de comunicação USB. O microcontro-

lador foi conectado a um microcomputador e os da-

dos obtidos foram gravados usando o software

MATLAB (Mathworks, 2013). As Figuras 2 e 3 mos-

tram as fotos do setup experimental completo e o

detalhe do ponto de conexão do sensor de temperatu-

ra ao motor, respectivamente. É importante salientar

que o local de fixação do LM35 foi escolhido por

estar próximo à parte interna do motor e, consequen-

temente, ter um melhor acoplamento térmico.

No procedimento experimental realizado foram

considerados individualmente três tipos de distúrbios

da QEE (variações de frequência, valor eficaz e polu-

ição harmônica), que foram mantidos até a tempera-

tura externa da máquina atingir 36ºC. Este valor limi-

te foi escolhido considerando uma folga de 10% em

relação ao valor da temperatura externa de operação

indicada para máquinas com isolação classe B, que é

40ºC (ABNT, 2003).

As características dos distúrbios utilizados neste

trabalho foram escolhidas considerando as recomen-

dações do PRODIST (2010). Por exemplo, o valor

eficaz da tensão de alimentação foi variado entre 1,05

e 0,95 pu (correspondendo, respectivamente a sobre-

tensão e a sub-tensão). Os valores da frequência do

sinal senoidal foram variados em ±2 Hz.

Para o sinal com distorção harmônica, foi utili-

zado um perfil típico de um retificador controlado,

uma vez que estes dispositivos estão cada vez mais

presentes em diversas fontes de alimentação CC con-

troladas. Especialmente em residências, estas fontes

estão presentes em computadores, carregadores de

celulares, televisores e outros eletrodomésticos que

operam internamente com tensão contínua. Para uma

carga predominantemente indutiva, os componentes

harmônicos de ordem n da corrente exigida por um

retificador controlado são descritos na equação 3:

n

II d

n

22

(3)

na qual: d I é o valor médio da corrente na carga.

Para caracterização térmica do motor foram rea-

lizados dois tipos de ensaios, o ensaio a vazio e o

ensaio a rotor bloqueado.

Figura 2. Setup experimental utilizado.

Figura 3. Detalhe do local de conexão do sensor de temperatura no

motor.


2832

4 Resultados

No caso do ensaio a vazio, para o motor monofá-

sico em questão, é apresentada na Figura 4 uma com-

paração entre a evolução temporal da temperatura do

motor quando alimentado por tensões com cinco ti-

pos de distúrbios. Os gráficos estão sempre compara-

dos ao resultado obtido com a referência senoidal (na

tensão e frequência nominais).

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

Figura 4. Evolução temporal da temperatura do motor num ensaio

a vazio quando a alimentação apresenta (a) sub-frequência (b)

sobre-tensão (c) harmônicos (d) sobre-frequência (e) sub-tensão.

É possível verificar que os distúrbios relaciona-

dos à sobre-frequência e sub-tensão retardam a ele-

vação da temperatura em relação à onda sem distúr-

bios. Por outro lado, os outros tipos de distúrbios

(sub-frequência, sobre-tensão e distorção harmônica)

aceleram a elevação da temperatura.

Na Tabela 2 são mostrados os intervalos de tem-

po para os quais a máquina atingiu a temperatura de

36ºC (em valores absolutos e relativos à alimentação

com a referência senoidal). Pode-se perceber que, o

caso mais grave para a aceleração do aquecimento do

motor foi quando a tensão de alimentação possuía

distorção harmônica. Neste caso, comparativamente,

o motor levou apenas 80% do tempo para atingir a

temperatura de referência (acelerou em 20% o aque-

cimento da máquina). Outro caso importante foi

quando o motor operou alimentado com sobre-

tensão. Para esta configuração, o aquecimento foi

acelerado em 17%.

Tabela 2. Resumo dos resultados obtidos no ensaio a vazio.

Características da

tensão de

alimentação

Tempo em segun-

dos para o motor

atingir 36ºC

Tempo relativo à

referência senoi-

dal

Referência

Senoidal 2811 1,00

Sub-frequência 2696 0,96

Sobre-tensão 2324 0,83

Harmônicos 2238 0,80

Sobre-frequência 3128 1,11

Sub-tensão 4224 1,50

De modo semelhante foram conduzidos os en-

saios a rotor bloqueado. Os resultados obtidos para

estes ensaios são mostrados na Tabela 3. Pode-se

verificar que, de modo semelhante ao ensaio a vazio,

quando o motor é alimentado com sub-frequência,

sobre- tensão e distorção harmônica há uma acelera-

ção do aquecimento. Convém notar também que, o

efeito é menos acentuado para o ensaio a rotor blo-

queado (a maior aceleração do aquecimento foi da

ordem de 7%). Isso pode ser decorrente das caracte-

rísticas do próprio ensaio, que ao forçar a máquina

contribui para a elevação rápida da temperatura.

Tabela 3. Resumo dos resultados obtidos no ensaio a rotor blo-

queado.

Características da

tensão de

alimentação

Tempo em segun-

dos para o motor

atingir 36ºC

Tempo relativo à

referência senoi-

dal

Referência

Senoidal 301 1,00

Sub-frequência 296 0,98

Sobre-tensão 288 0,96

Harmônicos 281 0,93

Sobre-frequência 326 1,08

Sub-tensão 317 1,05


2833

Para a caracterização do comportamento térmico

da máquina foram utilizados dois modelos. Inicial-

mente foi empregado um modelo logarítmico, o qual

melhor se adequa ao tipo de equação obtida, sendo a

temperatura T definida como uma função temporal

do tipo:

0)log( TtT (4)

na qual os parâmetros e 0T foram obtidos para

cada caso, usando a técnica de mínimos quadrados.

Os resultados obtidos com a aplicação da Equa-

ção 4 são mostrados nas Figuras 5 e 6. Pode-se ob-

servar que para alguns casos a aproximação represen-

ta de modo razoável os dados medidos (como por

exemplo para a alimentação do motor com sub-

tensão), mas na maioria dos casos o modelo proposto

não é capaz de aproximar adequadamente o compor-

tamento térmico do motor.

(a)

(b)

(c)

Figura 5. Aproximação logarítmica vs valor medido, no ensaio a

vazio, para (a) alimentação senoidal, (b) alimentação com sub-

frequência e (c) alimentação com sobre-tensão.

Visando uma melhor representação dos perfis de

temperatura da máquina, foi utilizada uma modela-

gem mais sofisticada utilizando redes neurais artifici-

ais. Para isso, redes neurais tipo perceptron de múlti-

plas camadas (MLP) foram treinadas para aproximar

os dados medidos (Haykin, 2008). Assim como os

modelos analíticos, a entrada da rede neural é a dura-

ção (em segundos) do distúrbio da QEE. A saída alvo

é o valor medido da temperatura. As Figuras 7 e 8

ilustram os resultados obtidos.

Pode-se observar que os modelos obtidos com as

redes neurais são muito mais representativos para o

comportamento térmico da máquina de indução, do

que os modelos logarítmicos. Para cada condição de

distúrbio foi treinada uma rede neural diferente. Os

gráficos mostrados (Figuras 7 e 8) são referentes às

amostras do conjunto de teste (para o treinamento da

rede neural os dados disponíveis foram divididos

igualmente nos conjuntos de treino, teste e valida-

ção).

A rede neural utilizada (para todos os casos

apresentados) apresentava duas camadas, sendo a

camada escondida com quatro neurônios e a camada

de saída com um neurônio (o número de neurônios da

camada escondida foi escolhido após testes exausti-

vos variando-se este parâmetro). Foram realizados

testes variando-se também outros parâmetros de trei-

namento da rede neural como número máximo de

épocas e critério de parada. Foi observado que em

todas as inicializações o treinamento era finalizado

por atendimento ao critério de parada (erro médio

quadrático do conjunto de treinamento menor que

0,001).

A Tabela 4 apresenta uma comparação entre os

dois modelos propostos para o comportamento térmi-

co da máquina de indução. Pode-se observar que os

modelos neurais apresentaram resultado superior para

todos os casos considerados (para a rede neural fo-

ram mostrados os resultados do conjunto de teste).

Deste modo, é possível utilizar os modelos pro-

postos para prever o comportamento da máquina de

indução monofásica quando alimentada por tensões

com distúrbios da qualidade da energia. Esta infor-

mação pode ser utilizada por um sistema de gerência

de equipamentos, contribuindo para aumentar a vida

útil do motor.

(a)

(b)

(c)

Figura 6. Aproximação logarítmica vs valor medido, no ensaio a

vazio, para (a) alimentação com sinal com harmônicos, (b) ali-

mentação com sobre-frequência e (c) alimentação com sub-tensão.


2834

Tabela 4. Erro quadrático médio (em ºC) obtido nas modelagens

do comportamento térmico do motor para as diversas característi-

cas da tensão de alimentação considerando o ensaio a vazio.

Características

da tensão de

alimentação

Aproximação

logarítmica

Aproximação

com a rede neu-

ral

Referência

Senoidal 0,1643 0,0120

Sub-frequência 0,2131 0,0045

Sobre-tensão 0,2625 0,0112

Harmônicos 0,2790 0,0057

Sobre-frequência 0,2258 0,0041

Sub-tensão 0,1231 0,0015

(a)

(b)

(c)

Figura 7. Aproximação usando uma rede neural vs valor me-

dido para (a) alimentação senoidal, (b) alimentação com sub-

frequência e (c) alimentação com sobre-tensão.

5 Conclusão

Os distúrbios da qualidade de energia elétrica es-

tão cada vez mais frequentes em instalações industri-

ais, comerciais e residenciais. Este trabalho avaliou o

efeito de alguns destes distúrbios (mais especifica-

mente variações de frequência, variações do valor

eficaz e presença de distorção harmônica) no com-

portamento térmico de um motor de indução monofá-

sico. Foi verificado que os distúrbios contribuem de

modo distinto para a mudança de temperatura da má-

quina. Alguns distúrbios como a presença de harmô-

nicos, a sub-frequência e a sobre-tensão contribuem

para a elevação da temperatura. Por outro lado, a

ocorrência de sobre-frequência e a sub-tensão aca-

bam retardando o aquecimento do motor. Em traba-

lhos futuros, será investigado o efeito térmico decor-

rente da alimentação da máquina considerando a

existência simultânea de mais de um distúrbio. Dese-

ja-se também, estender a metodologia proposta para

outras máquinas e diferentes condições de operação

(com variações da carga mecânica).

(a)

(b)

(c)

Figura 8. Aproximação usando uma rede neural vs valor me-

dido para (a) alimentação com sinal com harmônicos, (b) alimen-

tação com sobre-frequência e (c) alimentação com sub-tensão.

Agradecimentos

Os autores agradecem à FAPESB pelo apoio fi-

nanceiro concedido para a execução deste trabalho.


2835

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