(1) Graduando em Engenharia Elétrica (FAESA). (2) Engenheiro Eletricista e Mestre (UFES). (3) Engenheiro Eletricista (FAESA).

ESTUDO PARA PROTEÇÃO DE MOTORES DE INDUÇÃO DE ROTOR BOBINADO

MATHEUS OLIVEIRA PEREIRA (1) MARCELO DE OLIVEIRA LIMA (2)

TÚLIO MIRANDA MOREIRA (3)

RESUMO Esse artigo tem como objetivo mostrar que proteções destinadas a motores de indução trifásico de rotor bobinado não são efetivas quando se tem determinadas falhas no rotor, e então propor alternativas práticas para uma proteção eficaz. A elaboração consistirá de um estudo com base em normas, livros e práticas recomendadas que descrevem métodos de proteção para motores de indução. Além disso, uma simulação será realizada para comprovar que tais métodos de proteção realmente não conseguem proteger o motor em estudo, bem como ser um adicional ao acervo literário com indicações de métodos para a proteção dos motores de indução de rotor bobinado. Palavras Chaves: Proteção, Falhas, Motor de indução de rotor bobinado. 1. INTRODUÇÃO

Motores de indução trifásicos (MIT) são máquinas elétricas que transformam energia elétrica em mecânica, através do princípio do eletromagnetismo. São usualmente utilizadas em indústrias para movimento e transporte de cargas. Segundo Chapman (2013), os motores de indução são caracterizados como transformadores rotativos, por terem o mesmo princípio de funcionamento através da indução eletromagnética. A aplicação de proteção contra falhas elétricas para os MIT depende do tipo de característica construtiva de cada motor e aplicação, apesar de que a proteção para os motores de indução deve ser bem dimensionada com uma certa cautela devido ao princípio de funcionamento deles. Segundo Anderson (2012), o problema no qual consiste de uma boa proteção de rotor para máquinas de indução, é que pelos métodos tradicionais não é possível medir diretamente as correntes ou temperaturas no próprio rotor. A proteção para motores de rotor bobinado são mais difíceis que motores em gaiola de esquilo, e as proteções comumente praticadas talvez não sejam adequadas a proteção de motores de rotor bobinado.

A literatura presente que descreve proteção para os MIT, abrange com ampla proteção para as falhas recorrentes da alimentação, estados com base no lado do estator e das condições físicas do motor. Porém, quando se entra numa pesquisa referente à proteção de alguma falha recorrente no rotor do MITRB, não foram encontradas muitas menções nas quais listam ou descrevem as consequências e proteções caso alguma falha venha a acontecer no rotor. As falhas típicas no rotor do motor de indução de rotor bobinado (MITRB), que serão estudas nesse artigo, consistem nas falhas elétricas: falta de fase, desbalanço de resistências rotóricas e falta à terra. Para comprovar que através do sensoriamento do estado de operação do motor pode-se captar grandezas físicas e selecionar uma proteção mais adequada para um MITRB, uma simulação de um modelo de MITRB através de um software de modelagem será desenvolvida. Dentro dessa simulação, as análises comportamentais das falhas no motor serão abordadas no decorrer deste artigo. O presente estudo tem como objetivo mostrar que o MITRB ao apresentar algumas falhas no seu sistema elétrico do rotor, o comportamento do estator se mantém sem mudanças, isso é, em condições de operação normais. E quando há alguma mudança em si nesse comportamento, as condições de falhas não são totalmente perceptíveis ao lado do estator. As proteções usuais para o MIT que teriam de enxergar tais falhas não atuam no momento da falha, podendo causar danos ao motor. Deste modo, ao realizar esse estudo, será possível selecionar qual tipo de proteção mais adequado à cada falha. 2. MÉTODOS PROTETIVOS PARA MOTOR DE INDUÇÃO TRIFÁSICOS

Esta seção vem apresentar algumas falhas elétricas recorrentes nos MIT e as proteções comumente utilizadas nesses. No estudo em questão, serão consideradas as seguintes falhas no rotor: falta de fase, desbalanço de resistências e fuga à terra. Essas falhas citadas têm como característica de ocorrência no circuito do estator e rotor. Há também, para ambos os lados, a falha de curto circuito entre espiras que também ocorrem no motor, porém essa falha não será alvo desse estudo. As proteções para esses tipos de falhas em MIT serão exibidas juntamente a essa seção, sendo estas falhas têm como foco em medições realizadas no circuito do estator. A Figura 1 abaixo mostra o MITRB em condições sem falhas.

Figura 1. Diagrama do MITRB mostrando-o em condições normais, e o símbolo de “1x” mostrando que as resistências rotóricas não possuem variação.

Mardegan (2012) cita que as proteções mais usuais em MIT para medição de grandezas elétricas são através das funções da tabela American National Standards Institute (ANSI), na qual informa-se as funções: sobrecarga (49), desequilíbrio de corrente (46), desequilíbrio de tensão(47), sobretensão (59), sobrecorrente instantânea (50) e sobrecorrente temporizada (51), que nessas duas últimas não entraram como critério de análise nas seções futuras. Essas funções estabelecidas pela ANSI observam as características elétricas empregadas ao funcionamento do motor, das quais avaliam: a corrente, tempo, temperatura e tensão, todas essas grandezas analisadas pelo lado do estator. No qual, para esse estudo nas Seções 4,5 e 6, nas grandezas citadas não será avaliado graficamente a temperatura, somente as elétricas, juntamente as funções citadas anteriormente. Algumas normas sugerem uma porcentagem (%) de operação de segurança para o motor em caso de alguma falha. Em todos os casos desse artigo, serão considerados pontos nos quais os dispositivos de proteções veem a falha e atuam, isso é, o percentual máximo no qual o motor deve operar até sofrer a ação do dispositivo. Decorrente a essas normas e seguindo a tabela de proteção para motores de média tensão do Institute of Electrical and Electronic Engineer (IEEE, 2016) recomenda os seguintes percentuais: 115% de sobrecarga (49); 5% desbalanço de tensão (47); 15% de desbalanço de corrente (46); 120% de sobretensão (59). 3.1. Desbalanço de fase e falta de fase

O desbalanço de fases e falta de fase são falhas recorrentes em motores de indução mais no âmbito industrial. A ocorrência dessas falhas no motor de indução traz malefícios ao funcionamento do mesmo devido ao desequilíbrio de tensões e correntes. O desencadear dessas falhas podem ocorrer por falhas externas ao motor quanto por falhas internas, podendo ser no lado do estator ou do rotor. No entanto esse estudo focará aplicado as falhas internas no rotor. O funcionamento com as impedâncias equilibradas de um circuito trifásico como descrito por Nilsson (2009), fazem com que as grandezas elétricas dele sejam equilibradas. O motor de indução possui impedâncias em seu circuito, e no caso do MITRB é possível fazer a alteração dessas impedâncias com resistências rotóricas externas provenientes dele para simulação das falhas. A Figura 2 a seguir traz a falha de desequilíbrio ou desbalanço dessas resistências rotóricas. Quando há uma variação de impedâncias de cada fase do circuito, por exemplo: uma das fases desequilibradas em 5 vezes (x) em relação as outras duas em 1x; o sistema desse rotor desenvolve uma instabilidade em cada uma das fases nas quais elas estão empregadas. O MITRB por se constituir de um circuito trifásico, o desbalanço de impedâncias contribui para o desequilíbrio de fases do sistema do motor.

Figura 2. Diagrama do MITRB com desbalanço nas resistências rotóricas, com desbalanço em

uma delas de “5x”.

Figura 3. Diagrama do MITRB com falta de fase, sendo uma delas com o circuito aberto.

A Figura 3 acima vem apresentar a falta de fase, constituindo-se pela abertura do circuito de uma das fases ou a ausência das mesmas. Para os MITRB ela pode acontecer tanto no circuito do estator quanto no rotor. No caso do MITRB, a falta de fase estudada será com base de uma abertura do circuito de uma das fases do rotor. Segundo Anderson (2012), a abertura de uma das fases do circuito gera um desbalanço. O resultado do desbalanço da fonte de tensão é causar um desbalanço ainda maior nas correntes do motor. Em adicional ao Anderson, o IEEE (2008) descreve que desbalanço de tensão e falta de fase são falhas similares, ambos apresentam o mesmo fenômeno comportamental característico, diferenciando apenas no grau de desbalanço. Quando as tensões supridas por um motor em operação venham a ser desbalanceadas, a sequência de corrente positiva permanece sem alteração, e uma corrente sequência negativa flui devido ao desbalanço. As proteções citadas por Mardegan (2012), na situação na qual a falta de fase e desbalanço de fase são estimadas para a proteção do estator do motor, deste modo elas conseguem visualizar o sistema do motor em desequilíbrio na ocorrência de uma das falhas no estator. As proteções verificam tais variáveis elétricas envolvidas no circuito do estator, e com base nelas serão também consideradas nas mesmas falhas que ocorrem no rotor. Segundo o IEEE (2016), a função de desbalanço de corrente (46) verifica quando há um desbalanço de corrente nas fases no circuito. O dispositivo que acompanha essa função 46 compara a amplitude de correntes de cada fase, e quando essas amplitudes são diferentes, é calculado um valor médio para que o dispositivo atue quando há uma diferença do desvio da média por fase estimada. A função 46 deve ser configurada para um valor máximo (pick up) de 15% da corrente nominal para quando esse haja um valor por fase maior que o desvio da média. Quando uma falta de fase ocorre na carga ou no lado da fonte de alimentação do transformador de corrente (TC) de alimentação do relé, deve ser o suficiente para mostrar a existência dela e entrar em operação. A função de desbalanço de tensão (47) verifica também quando há uma desbalanço de fases do circuito. Segundo a IEEE (2016) e Paulilo (2013), seus valores são configurados para operação de 5% da tensão nominal, atuando para situação acima desse valor. O modo de atuação é com base no desvio da média, como na função 46.

A função de sobrecarga (49), segundo a IEEE (2016), tem como objetivo monitorar pontos elevados de corrente acima das condições nominais, além de ser um método para monitoramento de temperatura do motor, também é configurado para acompanhar os valores da corrente. Recomendado para o valor de 115% da corrente nominal, o dispositivo atua assim que o valor da média das amplitudes das correntes for maior que o valor recomendado. Assim, fechando o ciclo de funções destinadas para as grandezas elétricas que serão estudadas nesse artigo, é estabelecida ainda na IEEE (2016) a função 59. Essa função visa verificar o aumento da tensão no circuito empregado. O dispositivo 59, de sobretensão, pode ser instalado para atuação de maneira sensitiva a variação da tensão. Atuando quando o dispositivo detecta em uma das fases uma tensão acima de um valor estabelecido de pick up, no caso 120%. 3.2. Fuga à terra

Segundo a IEEE (2001), a falta à terra de motores de indução dá-se quando há um fluxo de corrente à terra, como mostrado na Figura 4 a seguir, este fluxo de corrente à terra depende do tipo de sistema empregado. Assumindo que não exista outro aterramento no sistema, o nível de dano sofrido em um motor a partir de uma falta à terra interna aumenta conforme o aterramento do sistema utilizado passa de um sistema aterrado de alta resistência para um sistema aterrado de baixa resistência para um sistema aterrado solidamente.

Figura 4. Diagrama do MITRB com fuga à terra.

Valores baixos de correntes de faltas à terra internas em sistemas aterrados de alta resistência ou baixa resistência normalmente criarão danos nos enrolamentos, mas não no material do núcleo da máquina, desde que sejam removidos dentro dos tempos de limpeza normal. Entretanto, em sistemas solidamente aterrados, as altas correntes de falta à terra podem levar rapidamente a sérios danos aos enrolamentos e desenvolver até danos no ferro do estator e até possivelmente danificar o rotor também. À medida que o nível de dano aumenta, o potencial para ter que substituir a máquina também aumenta, porque chega um ponto em que o reparo da máquina não faz mais sentido econômico, desde que uma substituição possa ser encontrada. Logo, a IEEE (2001) e (2013), visto em conta a indicação de danos citados anteriormente, apresentam o transformador de potencial (TP) Y- ∆ aberto como um método protetivo para quando se tem uma falha à terra no rotor. Seguindo o mesmo conceito, Mello (1979) quando há uma falta à terra esse método tem sua tensão nos

terminais do delta aberto três vezes a tensão de sequência zero do sistema, reduzida conforme a relação que for imposta na transformação do TP.

3.5. Dispositivos mais usuais para medição

Segundo Horowitz (2014) e Mello (1979) os TP e TC são geralmente empregados para reduzir tensões e correntes primárias para níveis economicamente manipuláveis em relés de proteção, medição e instrumentação. A proteção requer um bom desempenho dos transformadores com correntes iguais a muitas vezes do valor normal e tensão abaixo do normal. Os TP são geralmente necessários na medição de tensões, transformando tensões de um valor elevado para um valor menor para assim conseguir uma medição nos terminais que possuem baixos valores de tensão. Possuem relação de transformação definidas para aplicação e modo tipo de precisão de acordo com o tipo de aplicação. Os TC transformam correntes para um nível também manipulável à medição para captação de correntes proporcionais ao que estão no circuito medido. Essa relação também para no caso dos TC são definidas ao seu tipo de aplicação e a classe de precisão que necessita ter no sistema.

4. CONSTRUÇÃO DA SIMULAÇÃO

Nesta seção serão abordados aspectos para modelagem computacional do MITRB, com finalidade de mostrar a simulação em condições normais e nominais de funcionamento, e as falhas empregadas ao rotor do tipo de motor em estudo, que são: a falta à terra, desbalanço de resistências rotóricas, falta de fase. A reprodução do MITRB consistirá via software, através do Simulink, uma extensão do Matrix Laboratory (MATLAB).

A Figura 5 mostra modelo de simulação que foi desenvolvido para permitir monitorar variáveis elétricas e mecânicas do MITRB.

Figura 5. Esquemático simulado de um motor de indução de rotor bobinado, via Simulink.

O modelo da simulação é composto por uma fonte senoidal com o valor nominal de tensão e frequência do motor, um bloco com valor constante simbolizando o torque

eletromagnético nominal, blocos medidores, um bloco especialista para simular sistema elétrico (powergui) da biblioteca do Simscape, e resistências rotóricas externas adotadas de 0.005775 ohm (Ω).

O torque eletromagnético do motor foi utilizado através de uma constante (798) para expressar o valor nominal. A aferição do torque no eixo e velocidade do rotor foi obtido através do próprio bloco do motor utilizado, com auxílio de um barramento de seleção no qual suas medições são fornecidas pelo mesmo.

A medição da frequência no estator e no rotor foi utilizado um medidor de frequência, na qual obteve-se através do sinal de tensão trifásica. A medição de corrente do estator e rotor consistiu num bloco de medidor 3Ø de tensão e corrente. Todas essas grandezas foram mostradas através do bloco escopo.

Em adicional, como o estator e o rotor trabalham com uma determinada frequência, além de verificar a coerência da simulação com que os livros descrevem a respeito do comportamento dos MIT com relação a frequência, foram incluídos blocos de medição de frequência em ambos os lados do motor, de modo a observar também o comportamento dela em situações de falhas. O Simulink possui um bloco de uma máquina assíncrona, que foi configurado como motor de rotor bobinado. O modelo do motor selecionado para simulação tem os dados nominais de: 200 Horse Power (HP), 460 Volts (V), 60 Hertz (Hz) e 1785 rotações por minuto (RPM). Para a configurações internas do motor, foi inserido os valores de resistência de 0,01818 Ω e de indutância 0,00019 henry (H) no circuito do estator, para o circuito do rotor referido ao estator foi inserido a resistência de 0,0009956Ω e a indutância 0,00019 H, e para a indutância mútua de 0,0099414 H.

Foi incluído no modelo um TP trifásico (3Ø) Y-∆ aberto no circuito do rotor visando verificar a eficácia da proteção de fuga à terra citada na seção anterior. Motivando-se na solução para fuga à terra, foram também desenvolvidos e incluídos dois TP monofásicos (1Ø) no rotor com o intuito de investigar a possibilidade de os mesmos serem utilizados para proteção de determinadas falhas.

A Figura 6 e Figura 7 abaixo mostram o TP trifásico (3Ø) Y-∆ aberto e também uma das propostas desse artigo, os dois TP monofásicos (1Ø).

Figura 6. TP 3Ø Y-∆ com ∆ aberto.

Figura 7. Dois TP 1Ø.

A biblioteca do Simulink dispõe para criação dos TP um bloco de transformador com dois tipos de seleção: 3Ø e 1Ø, na execução da simulação foi selecionado o

transformador 1Ø para montagem dos dois métodos que envolvem TP. Para a visualização do que está acontecendo com o rotor, será adotado um TP 3Ø com ligação em Y- ∆ aberto.

Como uma das propostas desse artigo também é mostrado os dois TP 1Ø com as entradas primárias do transformador ligadas em paralelo com as fases A, B e C do rotor e as secundárias ligadas a um medidor de tensão. A relação de transformação para os TP, tanto o 3Ø com delta aberto quanto para os dois 1Ø, nos blocos de cada transformador foi configurado a relação de 1:1.

Para simular a situação de falhas empregadas no motor, como o desbalanço nas resistências rotóricas, variou-se em cinco vezes uma das fases das resistências do rotor, sendo assim as resistências das fases A, B e C foram ajustadas para: 0.028875 Ω, 0.005775 Ω e 0,005775 Ω, respectivamente.

Já para simular a falha com uma fase do rotor aberta, foi alterada uma das resistências externas das fases em um número bastante elevado em relação as resistências externas iniciais. Para essa resistência o valor resistivo de 100000 Ω foi adotado, com intuito de simular uma fase aberta.

A simulação de fuga à terra consiste na implementação de um bloco da biblioteca do Simscape, chamado ground, entre o bloco do motor de estudo e as resistências rotóricas externas, aplicado a qualquer uma das fases dentro desse circuito com as resistências sem variação nessa última.

5. ANÁLISE DOS RESULTADOS

Esta seção abordará pontos das simulações envolvidas na detecção de falhas. Especificamente no desenvolvimento para a análise das falhas no rotor são referentes ao desbalanço de fase, a falta de fase e falta à terra, descrevendo todos os detalhes relacionadas aos resultados obtidos. Para demonstração de resultados de todos os estados do MITRB citados anteriormente serão utilizados imagens e tabelas. As análises serão realizadas em intervalos de tempo distintos de acordo com o tipo de variável a ser apresentada. 5.1. Coleta de dados

A Figura 8 até a Figura 13 a seguir mostram o funcionamento em condições nominais e sem falhas do MITRB. Serão apresentadas as imagens de corrente e frequência do rotor referido ao estator, a imagem de tensão medidos através dos 2 TP 1Ø, e o de velocidade e torque. As grandezas físicas, frequência e tensão no estator não foram ilustradas graficamente, pois não evidenciam variação.

A tensão por fase (VØ) no rotor referido ao estator não será representada, por possuir o mesmo comportamento dos dois TP 1Ø. Também não serão mostradas o TP 3Ø com delta aberto, por não trazer comportamento significativo, quando não há fuga à terra.

Figura 8. Tensão medida no rotor’ com os 2 TP 1Ø em condições nominais.

Figura 9. Frequência no rotor’ em condições nominais.

Figura 10. Velocidade do motor em condições nominais.

Figura 11. Torque do motor em condições nominais.

Figura 12. Corrente do rotor’ em condições nominais

Figura 13. Corrente no estator em condições nominais.

Como a documentação do bloco Máquina Assíncrona utilizado para simulação do MITRB esclarece que as tensões e correntes medidas são referidas ao estator, os valores exibidos na simulação e na análise também terão a mesma característica. No entanto, para um melhor entendimento será tratado para contexto de análise e

simulação uma nomenclatura de rotor’ para quando as grandezas do rotor estiverem referidas ao estator, e apenas rotor quando for referido ao próprio. Tabela 1. Condições nominais e sem falhas em regime permanente do modelo simulado no Simulink.

A B C

Corrente do estator 216 215,6 215,5 A

Corrente do rotor' 199,5 199 199,4 A

Tensão do estator 460 460 460 V

Tensão do rotor' 1,99 1,98 1,99 VØ

Torque N*m

Velocidade RPM

Frquência do estator Hz

Frquência do rotor Hz

TP 3Ø Y-∆ Aberto V

Dois TP 1Ø 1,99 1,98 1,99 VØ

0

60

0,6527

1778

806,9

FasesGrandeza Unidade

Para uma melhor leitura das imagens em estado do motor sem falhas, foi criada a Tabela 1 constando todas as grandezas de interesse. Com uma medição dos dados internos do MITRB em regime permanente. Decorrente a essa tabela e ao referencial sobre o percentual para cada tipo de função de proteção apresentada, a seguinte Tabela 2 estabelece para o modelo do MITRB o momento no qual haverá a proteção do mesmo.

Tabela 2. Limites de proteção do estator para o modelo de motor em estudo em situação sem falhas

Fase A Fase B Fase C Fase A Fase B Fase C

Sobrecarga (49) 115,00% 216 215,6 215,5 215,7 - - - 248,06 NÃO A

Desbalanço de corrente (46) 15,00% 216 215,6 215,5 215,7 0,3 0,1 0,2 32,36 NÃO A

Sobretensão (59) 120,00% 460 460 460 460 - - - 552,00 NÃO VØ

Desbalanço de tensão (47) 5,00% 460 460 460 460 0,00 0,00 0,00 23,000 NÃO VØ

UnidadeGrandeza nominal Desvio da média

MédiaFunção de proteção Pick upAtuar acima

deAtua?

Sendo que para as proteções de desbalanço de corrente (46) e de tensão (47), como dito no referencial, apresentam para atuação uma diferença entre o desvio da média de 15% para a função 46, e maior que 5% para a função 47 entre as fases. E para caso onde houver sobretensão (59) a atuação acontecerá em 120% da tensão nominal, quando qualquer uma das fases atingir tal percentual, e sobrecorrente (49) após de 115% da média da corrente nominal.

E como proposta desse estudo, também será colocado as funções de proteções destinadas a leitura do rotor’ do motor, como mostrado na Tabela 3 a seguir.

Tabela 3. Limites de proteção do rotor para o modelo de motor em estudo em situação sem falhas.

Fase A Fase B Fase C Fase A Fase B Fase C

Sobrecarga (49) 115,00% 199,5 199 199,4 199,3 - - - 229,20 NÃO A

Desbalanço de corrente (46) 15,00% 199,5 199 199,4 199,3 0,2 0,3 0,1 29,90 NÃO A

Sobretensão (59) 120,00% 1,99 1,98 1,99 1,99 - - - 2,38 NÃO VØ

Desbalanço de tensão (47) 5,00% 1,99 1,98 1,99 1,99 0,00 0,01 0,00 0,099 NÃO VØ

UnidadeGrandeza medida Desvio da média

MédiaFunção de proteção Pick upAtuar acima

deAtua?

Visto os resultados, por razões de motivos óbvios, na condição sem falha, as proteções descritas tanto para a Tabela 2 e a Tabela 3, nenhuma função de proteção é sensibilizada para atuação. A apresentação dos resultados das simulações com falhas presentes no motor são mostradas da Figura 14 até a Figura 20, elas consistirão em uma sequência que terá o caso do desbalanço de resistências rotóricas mostradas primeiramente, logo em seguida da falha da falta de fase. Pela similaridade das falhas o “desbalanço” e a “falta” serão apresentadas e discutidas paralelamente. E por fim, será a fuga à terra.

5.2. Correntes do Estator

As correntes do estator para as falhas de desbalanço de resistência e falta de fase são mostradas nas Figura 14 e Figura 15 abaixo.

Figura 14. Corrente no estator com desbalanço nas resistências rotóricas.

Figura 15. Corrente no estator com a fase A do rotor’ aberta.

Observando as correntes que circulam pelo estator no desbalanço de resistência rotóricas demonstram valores com pouca diferença entre as correntes. Tendo isso em vista e comparando com a Tabela 2, com todas as funções que envolvem a proteção do estator com medição de corrente, listadas na tabela 4, os valores medidos não se aproximam do valor limite estabelecido para atuação da proteção. O comportamento da corrente do estator na situação de uma abertura de fase do rotor’ não apresenta diferença entre as correntes, contudo há uma elevação da magnitude em relação a corrente nominal. Comparando os valores dessas imagens com a Tabela 4 a seguir e junto a Tabela 2, somente a função de sobrecorrente (49) das proteções conseguem atuar para proteger o motor. Contudo, deve-se precaver dessas proteções, pois como essa função 49 pode apresentar sobrecarga e/ou rotor bloqueado, o que a torna eficaz, mas não eficiente.

Tabela 4. Comparação das correntes do estator com as proteções quando há uma falha de desbalanço de fase

FASE A FASE B FASE C

Sobrecarga (49) 248,4 227,4 224,2 224,2 225,267 - - - NÃO A

Desbalanço de corrente (46) 32,4 227,4 224,2 224,2 225,267 2,13 1,07 1,07 NÃO A

Sobrecarga (49) 248,4 308,5 307 306,7 307,4 - - - SIM A

Desbalanço de corrente (46) 32,4 308,5 307 306,7 307,4 1,10 0,40 0,70 NÃO A

UnidadeFunção de proteção Pick up

Desbalanço de

resistência

Falta de Fase

FALHASDesvio da média

Atua?MédiaFase A Fase B Fase C

Para a falha no desbalanço de resistências, a função 49 devido ao valor médio e na função 46 devido ao desvio da média terem pouca variação, ambas não visualizam, não ultrapassando o valor de pick up. Na falta de fase, a função 46 não atua e para a sobrecarga (49) houve atuação com uma ultrapassagem de 59 A do valor médio perante ao de pick up. 5.3. Correntes do Rotor’ O rotor em estado de falhas expõe uma particularidade de efeitos nas grandezas elétricas diferente do estator. Essas falhas no ponto de vista do rotor’ expressam um distúrbio no funcionamento do mesmo. Para o princípio de análise das correntes que envolvem o rotor’ apresentam amplitude de corrente menor que o do estator em condições normais de operação. As correntes do rotor’ para as falhas de desbalanço de resistência e falta de fase são mostradas nas Figura 16 e Figura 17 abaixo.

Figura 16. Corrente no rotor’ com desbalanço nas resistências rotóricas.

Figura 17. Corrente no rotor’ com a fase A do rotor’ aberta.

Quando há um desbalanço de resistências rotóricas, há um aumento no desequilíbrio nas correntes do rotor’. Devido ao desbalanço, se uma proteção destinada a verificação dessa grandeza, ela talvez atue protegendo o motor, desde que bem ajustada.

Na falta de fase é perceptível um valor de corrente baixíssimo para a corrente de 0,22 miliampère (mA), que em termos de simulação seria 0A. Para ambas as falhas no rotor’ as funções de proteção: 46 e 49 conseguem visualizar tal falha, como visto na Tabela 5 a seguir.

Tabela 5. Comparação das correntes do rotor’ com as proteções quando há uma falha

FASE A FASE B FASE C

Sobrecarga (49) 229,2 158,2 232 227,7 205,967 - - - NÃO A

Desbalanço de corrente (46) 29,9 158,2 232 227,7 205,967 47,77 26,03 21,73 SIM A

Sobrecarga (49) 229,2 0 358,9 358,9 239,267 - - - SIM A

Desbalanço de corrente (46) 29,9 0 358,9 359,9 239,6 239,60 119,30 120,30 SIM A

UnidadeFunção de proteção Pick up

Desbalanço de

resistência

Falta de Fase

FALHASDesvio da média

Atua?MédiaFase A Fase B Fase C

A Tabela 5 mostra que a função 49 não consegue captar a falha no desbalanço de resistências devido ao valor médio não superar o de pick up, contudo a variação da média vista na função 46 conseguem visualizar devido a fase A de 47,77 estar acima do pick up. Pode-se dizer então, que para a variação de até cinco vezes de uma das resistências, a função 49 não conseguirá atuar, ficando dependente de valores acima de cinco vezes da intensidade do desbalanço das resistências. Ambas as proteções para falta de fase, 46 e 49 conseguem captar essa falha, pois ambas superam o pick up. 5.3. Tensões no Rotor’ A Figura 18 e Figura 19 abaixo mostram a tensão dos dois TP monofásicos, elas apresenta uma variação de tensão entre fases no rotor’ no estado de desbalanço e falta de fase.

Figura 18. Tensão nos dois TP 1Ø com desbalanço nas resistências rotóricas.

Figura 19. Tensão nos dois TP 1Ø com a fase A do rotor’ aberta.

A tendência com o aumento das resistências e o circuito aberto é aumentar a diferença entre as tensões de fase do sistema. A tensão para ambas as falhas, tanto de desbalanço de resistência quanto a falta de fase têm o mesmo comportamento nas três amplitudes de fases, diferenciando apenas no grau de desbalanço, do mesmo modo esclarecido na seção 3.

As funções de proteção: 47 e 59, para as falhas da Figura 18 e da Figura 19, caso sejam implementadas no circuito do rotor’ conseguem ver tal variação de amplitude e desbalanço entre fases, assim bem como indicada na Tabela 6 a seguir.

Tabela 6. Comparação das tensões do rotor’ com as proteções quando há uma falha

FASE AB FASE BC FASE CA

Sobretensão (59) 2,38 5,21 2,49 5,13 4,28 - - - SIM V

Desbalanço de tensão (47) 0,099 5,21 2,49 5,13 4,28 0,93 1,79 0,85 SIM V

Sobretensão (59) 2,38 17,70 4,14 17,69 13,18 - - - SIM V

Desbalanço de tensão (47) 0,099 17,70 4,14 17,69 13,18 4,53 9,04 4,52 SIM V

UnidadeFunção de proteção Pick up

Desbalanço de

resistência

Falta de Fase

FALHASDesvio da média

Atua?MédiaFase AB Fase BC Fase CA

Na situação das duas falhas, as duas funções 47 e 59 conseguiram visualizar todas as duas falhas. A 59 pela amplitude de uma das fases medidas superarem o valor de pick up configurado. E do mesmo jeito para a 47 atua com a ultrapassagem dos valores de desvio da média serem mais altos que o pick up. Mesmo com valores baixos de tensão é possível visualizar tais falhas recorrentes do lado do rotor. A fuga à terra traz para essas simulações uma análise peculiar. Ela apresenta os mesmos resultados de condições de operação, tornando imperceptíveis qualquer alteração de tensão no estator, correntes e frequências, torque ou velocidade. A visualização dessa falha, como citada por Mello (1979) e descrita na seção 3.2, é possível detectar através de um TP 3Ø Y-∆ com o ∆ aberto.

Figura 20. Tensão no TP com delta aberto com fuga à terra.

A falha à terra na Figura 20 mostra como no resultado das simulações que o método para proteção Y- ∆ aberto consegue medir a tensão. A função 59 consegue detectar a variação da tensão, de 3,552 V, gerada pela fuga à terra. Isso pode ser aplicado uma função de proteção de modo a detectar tal falha. Contudo, essa falha não existe efetivamente no rotor, como análise a tal afirmativa pode ser explicada através do estudo das componentes simétricas. Segundo Kinderman (1997), o MIT não possui sequência zero, ou seja, seu circuito elétrico é aberto para faltas à terra Quando a fuga terra é perceptível, não faz sentido ao tipo de ligação presente no rotor, a circulação de corrente à terra em Y (não aterrado) não há como ser fisicamente possível devido ao fato de não haver conexão com a própria. O que leva à questão explicada que quando detectadas correspondem a um início de dano aos enrolamentos do rotor. Em resumo, a Tabela 7 a seguir mostra as condições das falhas simuladas no MITRB. Como nem todas as grandezas que não foram representadas por figuras, todas as que foram simuladas estão listadas nele.

Tabela 7. Condições de falhas em regime do modelo simulado no Simulink

FASE A FASE B FASE C FASE A FASE B FASE C FASE A FASE B FASE C

Corrente do estator 227,6 224,3 223,1 305,8 305,6 305,6 216 215,6 215,5 A

Corrente do rotor' 151 229,3 223,2 0 356,8 356,6 199,5 199 199,4 A

Tensão de linha no estator 460 460 460 460 460 460 460 460 460 V

Tensão de fase no rotor' 2,46 5 4,89 26,24 4,11 26,06 1,99 1,98 1,99 VØ

Torque N*m

Velocidade RPM

Resistência do estator Ω

Resistência do rotor' Ω

Resistência rotórica externa 0,028875 0,005775 0,005775 100k~∞ 0,005775 0,005775 0,005775 0,005775 0,005775 Ω

Frquência do estator Hz

Frquência do rotor Hz

Tensão no TP 3Ø Y-∆ Aberto V

Tensão nos dois TP 1Ø 2,46 5 4,9 15,22 4,11 14,96 1,99 1,98 1,99 VØ

3,723

60

0,6527

Fuga à terra

807

1778

0,01818

0,009956

60

0,7848~2,043

00

60

0,509~1,299

Grandeza Unidade

1755~1778

762,3~886,4

0,01818

0,009956

Desbalanço de Resistência Fase Aberta

(-146,9)~1799

884,5~903,6

0,01818

0,009956

Como no caso não houve alterações nas tensões do estator, as funções que verificam tensão não veem tais falhas. Na próxima etapa desse artigo veremos uma análise comparativa dos resultados das simulações obtidas com os tipos de proteções adequadas.

6. MÉTODOS DE PROTEÇÃO PROPOSTOS

A seção anterior apresentou a análise das proteções que visualizam as falhas no rotor. Em resumo a variação de resistências, através das duas falhas de desbalanço de resistência rotóricas e falta de fase, não representam um grau de interferência significativa ao circuito do estator. De modo com que as proteções 46, 47 e 59 destinadas a elas consigam captar, isso é, para proteções que trabalham com variações de grandezas elétricas não as veem, exceto pela proteção com função 49 para falta de fase que também pode ser interpretada como uma sobrecarga do motor ou rotor bloqueado. Pode-se também incluir no desbalanço de resistências rotóricas e falta de fase efeitos que não possuem somente características que envolvem grandezas elétricas, como o desbalanço de corrente que pode propiciar uma variação de temperatura do rotor, como descrito na Seção 3; e nos efeitos mecânicos gerados pelo motor, como: as vibrações, devido a variação de velocidade e arranque do motor, com o torque gerado assim como mostrado na Tabela 7 anteriormente.

A Tabela 8 em virtude as falhas, foi desenvolvida com o intuito de mostrar as falhas recorrentes com os tipos de proteção estudadas.

Tabela 8. Tipos de métodos de proteção para o rotor versus as falhas que ocorrem no mesmo

Falhas Tipos de proteção

Falta de Fase (A)

Desbalanço de Resistências

(B)

Fuga à terra (C)

2 TP 1Ø - Função: 47 e 59 X X

3 TC 1Ø - Função: 46 e 49 X X*

TP 3Ø Y-∆ aberto - Função: 59 X

*A função de sobrecarga (49) até 5 vezes uma das resistências, não atua desbalanço de resistências rotóricas.

O método proposto do TP 3Ø Y-∆ aberto e antemão ao método proposto de inovação de medição através dos dois TP monofásicos desenvolvido nesse artigo, mostraram eficiência e eficácia dos métodos. Mostraram que conseguem visualizar as falhas de ocorrência no rotor do MITRB, para que dispositivos com funções de proteções consigam atuar. As funções 47 e 59 se mostraram uma ótima forma de verificar a variação das tensões no rotor, devido a verem todas as falhas.

Em contrapartida, os TP por mais que sejam considerados métodos de proteção a falhas, para a proteção do rotor do motor de rotor bobinado, eles ainda apresentam uma deficiência em seu sistema em respostas a frequências baixas. Isso talvez possa a vir ser uma restrição para seu uso nos rotores, visto que as frequências são baixíssimas como mostrados na seção anterior.

Em concordância aos resultados e segundo Coutinho (2010), os transformadores em regiões de baixas frequências de operação compreendem em defeitos de origem indutiva. Em adicional com os estudos de Bacil (2014) esses defeitos podem apresentar variação determinada principalmente pelas indutâncias de magnetização do núcleo e capacitâncias para a massa, além da magnetização residual do núcleo, visto que seus elementos parasitas alteram sua dinâmica.

A leitura das correntes também pode ser feita a partir de TC, contudo os TC, assim como no caso dos TP, possuem problemas de saturação com relação a frequência baixa. Segundo Khan (2017), com a redução da frequência, a tensão através do ramo de magnetização do TC diminui para manter a densidade de fluxo. Assim, a característica de excitação dele é reduzida. Consequentemente essa variação pode afetar o sistema de medição com a saturação do TC. A operação do motor a baixa frequência, mesmo em correntes de baixo nível a operação do motor em baixa frequência nominal não apenas desclassifica a característica de excitação do TC, mas também resulta num erro de medição fasorial.

Apesar das simulações mostrarem a eficácia das soluções apesentadas na Tabela 9, existe dificuldades de implementações práticas dos métodos protetivos nas falhas com os TP e os TC, devido as baixas frequências do rotor. Conclui-se que devido as essas deficiências nos TP e TC, a melhor solução recomendada, que é a principal contribuição para as falhas estudas, para as falhas “A” e “B” na Tabela 9, seria o uso de sensores de corrente: Bobina de Rogowsky e/ou o sensor de Efeito Hall.

No presente estudo, não se identificou uma alternativa para proteção “C”, na tabela 9, em substituição ao TP 3Ø Y-∆ aberto. Apesar de possuir referências bibliográficas, os autores desconhecem a eficácia desta solução tendo em vista que o TP 3Ø Y-∆ aberto teoricamente também possui restrições práticas para o uso em baixas frequências.

Em comparação com as aplicações de proteção do MITRB envolvendo sensoriamento de corrente, também como no caso do dois TP 1Ø, os sensores indicados abaixo são também um novo método inovador de sensoriamento de corrente que conseguem trabalhar na leitura da corrente no rotor. O TC devido a sua saturação em baixas frequências não é a melhor aplicação, mas não deixa de ser uma proteção.

Como a Bobina de Rogowsky e o Sensor de Efeito Hall conseguem trabalhar nas frequências baixas do rotor, que através de uma margem de segurança de sensoriamento, conseguem sinalizar para os atuares caso haja uma diferença

significativa de parâmetros normais do rotor. Contudo não foi encontrado um TP que melhor se adeque a medição dessas tensões de forma mais eficiente ou algum transdutor de tensão.

Segundo Cabral (2005), a bobina de Rogowski é adequada corretamente ao registro de transitórios de corrente elétrica, com diversas vantagens sobre um TC. Tem uma simplicidade na sua construção, a resposta em frequência mais ampla. Permite registrar pequenas variações de corrente primárias. Habilitada para ser empregada na aquisição de sinais de sistemas de localização de faltas. Segundo Cassiolato (2003), o Efeito Hall é o resultado da força de Lorentz no movimento de elétrons a um campo magnético. Quando se tem um fluxo de corrente e que não está exposto a um campo magnético, a intensidade do campo magnético aumenta com a força da corrente elétrica. Esse campo é propagado pelo toróide sendo detectado pelo sensor de efeito hall. Mesmo com tais restrições em relação a frequência do rotor, o uso dos TP e do TC para a proteção de MITRB, eles não deixam de ser uma proteção. Deste modo, aplicando nos conceitos de proteção eles também podem ser classificados com métodos protetivos, porém deve observar com ressalvas as suas medições de parâmetros. O sistema de proteção do rotor bobinado deve conter também controladores e atuadores. As soluções apresentadas acima são somente os sensores, os dispositivos que visualizaram o problema. Os leitores das respostas desses sensores, os sistemas de proteção, assim como: o CLP e relés digitais, esses devem estar padronizados com os dados de estado de operação do motor. Como ressalva ao CLP, ele foi considerado devido a não possuir nenhum curto referente nas falhas, e com isso o tempo de resposta do CLP para atuação nas falhas não é um problema. E os atuadores eletromecânicos, que com as respostas dos controladores atuarão sobre o dispositivo de alimentação.

Com base nos sinais gerados pelos sensores e o sistema de proteção fora das condições normais de operação, os atuadores eletromecânicos, como: disjuntores, contatores, contatos auxiliares e bobinas de abertura, serão responsáveis em abrir o sistema, interrompendo o funcionamento. Os contatores do mesmo modo ao CLP, deve ser considerado como ressalva visto em conta as falhas apresentadas não possuírem grandes magnitudes de corrente no estator, esse contator podia ser utilizado para o seccionamento no caso de o sistema de proteção detectar alguma das falhas estudas nesse artigo.

Foi elaborado um esquemático que ilustra as ligações dos dispositivos de proteção citados nesse artigo com o circuito do MITRB. Esse esquemático está representado pela Figura 21.

Figura 21. Esquemático de ligação das proteções do motor de rotor bobinado.

7. CONCLUSÕES O desenvolver desse artigo mostrou que quando ocorrem as falhas de desbalanço de resistências rotóricas externas, falta de fase e fuga à terra no rotor do MITRB, o sistema de proteção destinado a proteger o motor, através de práticas recomendadas para motores de indução não são totalmente vistas pela proteção. Em específico o motor de rotor bobinado não tem proteções destinadas ao mesmo visto em conta o grau de dificuldade que envolve a proteção dele. A partir dos resultados apresentados na simulação, foi possível observar que mesmo com as proteções destinadas para alguns tipos de falhas em específicas, que são geralmente voltadas ao estator, não percebem falhas do rotor. Isso leva à prática de outras medidas de detecção das falhas.

O estudo mostrou que para a as falhas de fuga à terra, como citado nas seções 3 e 6, o TP Y-∆ aberto conseguem detectar a falha com a variação de sua tensão nos terminais do delta, o que implica que um dispositivo implementado com a função 59 consiga perceber e com isso sinalizar aos dispositivos de proteção uma atuação dentro dos limites projetados e de operações do MITRB, tendo em vista que esse método tem como finalidade de percepção de uma falha no isolamento dos enrolamentos do rotor.

Uma das propostas desenvolvidas nesse estudo foi os dois TP monofásicos, que também apresentaram uma nova forma de avaliação da tensão do rotor como instrumento de proteção. Com ele, foi possível avaliar o comportamento das tensões do rotor, em situações onde há as falhas de: desbalanço de resistência e na falta de fase, podendo ser vistas por esse método, cujo avalia os tipos de desbalanços que podem ocorrer no sistema do MITRB. Esse método tem como ressalvas as frequências baixas, como dito no capítulo anterior. Abrindo possibilidades a equipamentos voltados a proteção através de transdutores de tensão de leitura de grandezas, frequência e tensão, de valores baixos.

Outra possibilidade de visualização das mesmas falhas que são vistas pelo método desenvolvido nesse artigo, os dois TP monofásicos, consiste na proteção através de TC, que como visto anteriormente, não apresentam melhores funcionalidades de proteção devido a saturação de seu núcleo magnético em frequências baixas. Abrindo a possibilidade de visualização da falha através das Bobinas de Rogowsky e do Sensor de Efeito Hall. Além dos sensores, também deve ser incluso um controlador e um atuador para proteção do MITRB.

Além desses tipos de sensoriamento, o de tensão e corrente, também foi mostrado que necessita de dispositivos com funções 46, 47, 49 e 59 de proteção voltadas ao lado do rotor, juntamente com dispositivos que façam a leitura de parâmetros e atuação.

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