BRPI0515966B1 - método não intrusivo ou não muito intrusivo para detectar defeitos de estator por medições de temperatura - Google Patents

Abstract

"método não intrusivo ou não muito intrusivo para detectar defeitos de estator por medidas de temperatura. trata-se de um método para determinação não intrusiva de uma temperatura interna de uma área determinada de um estator de máquina elétrica que compreende obter a temperatura gradiente entre uma parede interna do estator e uma parede externa do estator, obter medidas de temperatura em locais na parede externa do estator, e usar a temperatura gradiente e as medidas de temperatura externa para extrapolar as temperaturas internas correspondentes do estator.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para ‘MÉTODO NÃO INTRUSIVO OU NÃO MUITO INTRUSIVO PARA DETECTAR DEFEITOS DE ESTATOR POR MEDIÇÕES DE TEMPERATURA”.

REFERÊNCIA CRUZADA COM PEDIDOS RELACIONADOS

Este pedido reivindica a prioridade do Pedido de Patente Provisório número de série US 60/617.063, depositado e 12 de outubro de 2004, que está aqui incorporado à guisa de referência, CAMPO DA TÉCNICA O presente pedido refere-se ao campo de detecção de defeitos de barra de estator. Especificamente, este pedido se refere ao campo de detecção de defeito de barra de estator, efetuando-se a medição de anormalidades de temperatura dentro de um estator. ANTECEDENTES DA INVENÇÃO Vários problemas foram associados ao funcionamento de estatores de máquinas giratórias, cujos efeitos podem ser prejudiciais aos seus rendimentos e durabilidade. Os mais importantes foram identificados como sendo: acúmulo de depósitos que obstruem canais de resfriamento das barras de estator, a perda de isolamento entre condutores elementares (bobina de estator) que constitui uma barra de estator, a perda da qualidade das conexões das barras de estator, e a perda do isolamento das laminações de estator.

Um problema é a detecção de defeitos, tais como depósitos obstrutivos em um canal de resfriamento de uma barra de estator. O sistema de resfriamento de circulação de líquido desempenha um papel crucial durante a vida das máquinas giratórias. Mesmo uma obstrução muito pequena das cavidades das barras do estator provoca uma elevação considerável de temperatura, devido à alta temperatura da corrente elétrica que circula nas mesmas. Uma grande quantidade de energia térmica precisa então ser dissipada pela barra de estator. A quantidade de calor a ser dissipado na barra de estator é proporcional ao quadrado da corrente que circula na mesma e é fornecida pela relação que se segue: onde Pb= Carga de calor a ser dissipada pela barra de estator (watts) I— Corrente elétrica (ampère) R= Resistência ôhmica da barra de estator (Ohms) Para permitir a dissipação do calor, são proporcionadas as cavidades dentro das quais circula um líquido no centro de cada barra de estator. A transferência de calor entre o líquido e um radiador permite que o calor seja evacuado.

Um dos maiores problemas com as máquinas que são resfriadas pela circulação de líquido é a acumulação de um depósito nas paredes internas dessas cavidades. Esta situação indesejável leva a uma diminuição de fluxo de líquido, levando a temperatura do estator a aumentar ainda mais, o que pode provocar uma avaria na máquina como um resultado de uma destruição do material isolante.

Outro problema associado com a operação da máquina giratória sendo dotada de barras de estator é a perda do isolamento entre os condutores (por exemplo: barras Roèbel) da barra de estator.

Cada barra de estator é feita de uma pluralidade de condutores que são isolados uns dos outros (cabos multe núcleos) para diminuir os “skin effects” (efeitos de pele). Os efeitos de pele (ou peliculares) resultam de uma corrente elétrica que não circula uniformemente em uma seção transversal de um condutor, mas preferivelmente em sua parte periférica. A segmentação de uma barra de estator em uma pluralidade de condutores tem o efeito de aumentar a seção transversal efetiva da barra de estator e, pelo mesmo indício, diminuir a resistência do condutor.

Subdividir uma barra de estator em uma pluralidade de condutores isolados, orno se vê na Figura 2 permite a diminuição dos efeitos de película. Contudo, esta diminuição está diretamente relacionada às boas condições de operação dos isolamentos. Se o isolante se deteriorar, há um aumento do efeito de pele, bem como um aumento na resistência elétrica e na temperatura. Esta perda de isolamento ocorre principalmente nas extremidades das barras de estator devido ao possível movimento produzido por um efeito de alavanca.

Ainda outro problema associado à operação das barras de estator é a perda da qualidade das conexões entre as barras de estator. As barras de estator estão conectadas umas nas outras através de soldas de prata. Qualquer degeneração de uma conexão causa uma diminuição na eficiência da máquina. Um ponto de conexão degenerado roca um aumento da resistência do condutor, produzindo um aumento de temperatura no lugar degenerado.

Finalmente, a perda de isolamento nas laminações do estator é outro problema associado com a operação da barra de estator. O núcleo do estator de uma máquina é feito de pilhas de lâmina de placas de ferro que estão separadas umas das outras por meio de um material isolante. Tal montagem permite a redução para um nível aceitável de correntes Foucault que são induzidas pelo intenso campo magnético gerado pelos pólos do rotor. Se o material isolante for perdido em alguns lugares, as correntes Foucault irão se intensificar na região degradada e a temperatura local irá aumentar. Tal aumento de temperatura será prejudicial ao desempenho da máquina podendo até mesmo causar uma avaria imediata ao derretimento do metal.

Sempre que ocorre um dos problemas acima, a temperatura local dentro do estator aumenta nos locais defeituosos. Uma solução sugerida a fim de detectar os problemas acima mencionados foi a montagem, dentro do estator, de um grande número de sondas de temperatura capazes de produzir um mapeamento térmico que cubra todo o interior do estator. Tal mapeamento térmico permitiría determinar a causa provável de um defeito pela detecção de uma elevação anormal de temperatura em um ou mais pontos determinados da cobertura térmica.

Infelizmente, tal solução teórica é difícil de implementar em um ambiente de barra de estator efetivo. É bem conhecido que correntes elétricas fortes são induzidas pelas correntes elevadas nos campos eletromagnéticos que circulam nas barras de estator. Portanto, o número das sondas de temperatura dentro de um estator será limitado pelo fato de que é preciso ter cuidado com relação à fiação dessas sondas. Além disso, a quantidade de fiação que é requerida poderia constituir um risco para a segurança dos operadores da máquina, bem como impedir a operação eficiente da própria máquina.

Ao mesmo tempo em que pode ser instalado um número limitado de tais sondas de temperatura na ocasião da fabricação, a adição posterior de apenas uma única sonda requer trabalhos maiores a um custo proibitivo. Por exemplo, tais adições envolveríam a abertura do estator e poderia, em certos casos, ter o efeito adicional indesejado de cancelamento da garantia do fabricante.

Portanto, é necessário um sistema e um método que permita detectar a elevação local de temperatura representativa dos defeitos do estator de maneira econômica.

Além disso, é também necessário um sistema e um método que permita detectar precocemente os defeitos do estator de uma maneira não intrusiva, de modo que possam ser administradas medidas corretivas.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO O sistema proposto toma possível medir e diagnosticar, de maneira exaustiva, por meio da distribuição de uma pluralidade de sondas, todos os problemas acima identificados. Este sistema é possível em virtude da quantidade restrita de fiação e de material que é requerido para fazê-lo funcionar a um custo aceitável. O sistema fornece aos usuários segurança quanto à eficiência da operação da máquina e permite o monitoramento de sua eficiência de operação de uma maneira evolutiva e ao mesmo tempo em que o sistema está em operação. Esse monitoramento contínuo permite que os usuários intervenham no momento apropriado para fazer uma intervenção, limitando, por esse meio, danificações importantes e dispendiosas. São, portanto, aumentados o rendimento da máquina, proveniente de uma melhor produção, e a segurança das pessoas. O sistema proposto não está sujeito aos limites do estado da técnica. Todas as sondas estão conectadas em série em um mesmo par de fios, ao qual um terceiro fio é adicionado para suprimento de potência. Isto torna possível o uso de apenas um cabo para em torno de cem sondas.

Torna-se, então, concebível instalar pelo menos uma sonda em cada uma das barras de estator de uma máquina (ver Figura 1) e , portanto, detectar uma obstrução em uma cavidade em cada uma das barras de estator da máquina e uma deterioração do isolamento entre os condutores de uma barra de estator pela medição de sua temperatura quando a máquina está em operação. Esta detecção está projetada para uma máquina em operação normal.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

Características e vantagens adicionais da presente invenção se tornarão claras a partir da descrição detalhada que se segue, tomada em combinação com os desenhos em anexo, nos quais: A Figura 1 é uma ilustração esquemática mostrando a localização das sondas internas e das sondas externas dentro e sobre o estator, de acordo com uma modalidade preferida da presente invenção; A Figura 2 é um mapeamento de temperatura para a detecção de defeitos em canais de resfriamento, nos quais a posição y (%) se refere à altura da parede do estator e a posição x (fenda) se refere ao número de fenda; A Figura 3 é um mapeamento de temperatura para a detecção de perda de isolamento entre condutores nos quais a posição y (%) se refere à altura da parede do estator e a posição x (fenda) se refere ao número de fenda; A Figura 4 é um mapeamento de temperatura para a detecção de perda de qualidade das conexões das barras de estator nas quais a posição y (%) se refere à altura da parede do estator e a posição x (fenda) se refere ao número de fenda;

DESCRICÀQ DA MODALIDADE

PREFERIDA

Uma vez que a parede externa do núcleo do estator é acessível e em virtude da mesma consistir de um metal altamente condutivo de calor, a invenção consiste na colocação, durante a fabricação do estator, ou após sua fabricação, no local onde é usado, de tantas sondas de aquecimento quanto desejadas em locais pré-determinados e a custos aceitáveis. A fácil acessibilidade da parede externa permite executar trabalhos em poucas horas apenas para em tomo de cem sondas e sem que seja preciso afastar a máquina.

Esses locais pré-determinados deverão estar em “correspondência de calor” com os pontos internos que se deseja observar termicamente. Em outras palavras, será medida a correção do calor (ou gradiente) a ser aplicada entre um ponto interno do estator para o qual há uma sonda de temperatura, e o ponto externo no qual a sonda externa é aplicada. Para cada temperatura do ponto interno desejado, há uma correspondência com uma temperatura mensurável para um ponto correspondente externo.

Conhecendo essa temperatura gradiente, é então possível aplicar o mesmo gradiente de maneira reversa para qualquer ponto externo do estator no qual está disposta uma sonda de temperatura externa, e para deduzir a temperatura “real” do ponto correspondente da região interna correspondente do estator.

Se um depósito for acumulado nas paredes internas de uma cavidade de uma barra de estator ou se ocorrer algum outro tipo de obstrução, as sondas que estão instaladas nas extremidades das barras de estator irão detectar o aumento de temperatura quando a máquina estiver em operação, bem como o local exato do problema.

Uma medida corretiva, quando é detectado um aumento de temperatura da barra de um estator, consiste na injeção de solvente a fim de dissolver os depósitos. A eficiência do solvente pode, conseqüentemente, ser assegurada checando se a temperatura da barra de estator retorna para um nível normal.

Se o isolamento de uma barra de estator se deteriorar, a sonda que está instalada na extremidade da barra de estator irá detectar um aumento de temperatura.

Após o problema ter sido detectado, é possível determinar as medidas corretivas necessárias e impedir que a máquina seja danificada. Seguindo essas medidas corretivas, pode ser determinada a eficiência dos funcionamentos checando se a temperatura da barra de estator está uniforme em todos os pontos.

Com o sistema proposto, agora que há várias centenas de sondas, até mesmo alguns milhares, a instalação de uma sonda em cada uma das conexões torna possível detectar a qualidade dos pontos de solda em cada uma das barras de estator.

Se um dos pontos de conexão se deteriorar, a sonda que está instalada no (ou próximo) a um ponto de conexão detectará um aumento de temperatura.

Após o problema ter sido detectado, devem ser realizadas medidas corretivas para impedir que a máquina seja danificada. Seguindo essas medidas corretivas, é possível assegurar que os funcionamentos são eficientes verificando se a temperatura neste ponto de conexão está normal.

Torna-se, então, concebível instalar sondas na parede do estator a fim de constituir uma matriz ao longo de toda a extensão do estator (ver Figura 1). Com esta montagem, é possível medir a temperatura em múltiplos pontos de uma superfície, o que permite detectar e localizar perdas indesejáveis pelas correntes Foucault quando a máquina está em funcionamento.

Se o isolamento estiver deteriorado, as correntes Foucault irão se intensificar e a temperatura local irá aumentar. As sondas instaladas nesta parte do estator detectarão um aumento de temperatura. Além disso, o algoritmo de intercalação identifica o local onde a temperatura está mais alta, que é uma indicação de uma perda de isolamento. O principio é baseado na entrada e na análise por um programa de computador para aquisição e processamento de um sinal reconstituído originado de um grupo de sensores de temperatura que estão conectados em série. A conexão dos sensores em série toma possível instalar em tomo de uma centena de sensores na parede interna e externa do núcleo do estator, para constituir, dessa maneira, uma matriz de pontos distribuídos por toda a volta deste núcleo.

Uma das extremidades da série de sensores está conectada a um dispositivo de aquisição que permite a realização da leitura da temperatura de cada um dos sensores da matriz. Um programa de computador de configuração e de aquisição possibilita localizar o lugar físico de cada um dos sensores e ler sua temperatura. Tratamentos diferentes dessas temperaturas permitem uma variedade de análises. É possível, por exemplo, obter um mapeamento térmico da parede do estator em vários momentos e sob condições variadas de uma máquina pela extrapolação das temperaturas dos espaços entre os pontos de medida. O resultado deste mapeamento permitirá ao usuário localizar os pontos quentes da parede do estator provocados por um curto circuito entre as laminações, que são os sinais de um problema de perda de isolamento que possivelmente levará a uma interrupção maior. Uma detecção precoce deste tipo de problema permitirá a tomada de medidas corretivas antes que sejam causados maiores danos à máquina. Seguindo a aplicação dessas medidas corretivas, será adicionalmente possível assegurar a eficiência dos funcionamentos pela verificação de que a temperatura da parede do estator retomou à condição uniforme em todos os pontos.

Os princípios de medida da temperatura gradiente e a medida da temperatura das barras de estator serão descritas primeiro. A fim de medir a temperatura gradiente G, a temperatura deveria ser medida em dois pontos de medida distintos, isto é: Tb (x,tl): medida da temperatura de uma sonda interna situada na camada de isolamento da barra de estator (x) em um momento determinado (tl) e Ts (xü): medida da temperatura de uma sonda externa situada na parede externa do estator e oposta ao entalhe da barra de estator (x) em um momento determinado (tl). O gradiente (G) é então calculado da seguinte maneira: G= Tb(x,tl) - Ts(x,tl).

Além disso, ao medir Tb(x,tl) e Ts(x,tl), a carga de aquecimento gerada P(tl) deveria ser conhecida. A medida da carga de aquecimento irá permitir deduzir a temperatura de cada uma das barras de estator Tb(x,t) por meio de sondas externas e a qualquer momento (t) e sob qualquer carga de aquecimento P(t): Tbíx.t) = Ts(x,t) + (G x P(t) / P(tl)>

As características e vantagens da presente invenção serão mais bem entendidas a partir da descrição das modalidades exemplifícativas que se seguem.

Em uma primeira modalidade exemplificativa e com relação à Figura 2, será descrita a detecção de defeitos nos canais de resfriamento usando o método de medida de temperatura da presente invenção.

Uma obstrução completa ou mesmo parcial dos canais de resfriamento das barras de estator resulta na perda de eficiência do sistema de resfriamento, produzindo, portanto, um aumento de temperatura da barra de estator. O sistema e o método da presente invenção permitem detectar o aumento de temperatura de uma barra de estator. Este aumento normalmente aumentaria ao longo do tempo e estaria presente por toda a extensão da barra.

Duas sondas externas estão instaladas em cada uma das barras, uma das quais estando situada no topo do núcleo do estator e a outra estando localizada na parte inferior do núcleo do estator. Um aumento de temperatura das sondas externas de uma barra (x) com relação às outras barras significa que há um defeito nos canais de resfriamento. O mapeamento desse problema revela uma região mais aquecida ao longo de toda a extensão da barra defeituosa. Esta região se torna cada vez mais quente com o passar do tempo, a medida em que os depósitos de obstrução são acumulados e tornam os canais cada vez menos eficientes.

As Figuras 2, 3 e 4 são mapeamentos de temperatura para os diferentes exemplos, nos quais: a posição y (%): significa a altura da parede de estator, considerando 0% = a parte inferior da parede, 100% = a parte superior da parede; a posição x (fenda): é o número de fenda. Em cada máquina, há muitas fendas (para as barras de estator) e cada uma delas é numerada de 1 a xxx; gráfico de cor de temperatura: esquema de cor versus temperatura.

Referindo-se agora à Figura 3, será descrito um exemplo de detecção de perda de isolamento entre os condutores. A perda de isolamento entre os condutores é usualmente restrita à região de pressão mecânica da barra, isto é, na junção onde a barra penetra no núcleo do estator.

Portanto, o problema pode ser detectado antes que o dano aumente. Um problema desta natureza está ilustrado no mapa térmico como uma região mais aquecida, em qualquer extremidade da barra, que se toma cada vez mais aquecida em direção à outra extremidade.

Referindo-se agora à Figura 4, será descrita a detecção da perda da qualidade das conexões das barras de estator. As conexões das barras de estator são geralmente juntas soldadas. Quando sujeitas a pressões mecânicas, elétricas, químicas ou térmicas, essas juntas se deterioram e podem se tomar resistentes, levando, por esse meio, a uma elevação da temperatura local. Com esta invenção, pode ser medida a temperatura de cada uma dessas conexões.

Referindo-se ainda à Figura 4, será descrita a detecção da perda de isolamento das laminações do estator. A fim de detectar uma perda de isolamento das laminações do estator, deve ser instalada uma quantidade expressiva de sondas externas em locais pré-determinados. A perda de isolamento do estator termicamente causa uma região mais aquecida.

Com esta invenção e por meio de um mapeamento térmico da parede interna do estator, toma-se fácil detectar e localizar a perda de isolamento.

Deve ser compreendido que numerosas modificações, além dessas, serão evidentes para aqueles versados na técnica. Portanto, a descrição acima e os desenhos em anexo devem ser considerados como ilustrativos da invenção e não no sentido limitativo. Deve ser adicionalmente compreendido que a descrição pretende cobrir quaisquer variações, usos, ou adaptações da invenção seguindo, em geral, os princípios da invenção e incluindo tais afastamentos da presente descrição como ocorre no conhecimento ou prática usual na técnica à qual pertence a invenção e como pode ser aplicada às características essenciais anteriormente aqui descritas, e como se segue no escopo das reivindicações em anexo.

REIVINDICAÇÕES

Claims (13)

1. Método para a determinação não intrusiva de uma temperatura interna de uma área determinada de um estator de máquina elétrica, caracterizado pelo fato de que compreende: obter a temperatura gradiente entre uma parede interna do dito estator e uma parede externa do dito estator; obter as medidas de temperatura em locais na dita parede externa do dito estator; e usar a dita temperatura gradiente e as ditas medidas de temperatura externa para extrapolar as temperaturas internas correspondentes do dito estator.

2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente: proporcionar um conjunto de temperaturas internas normais para o dito estator de máquina elétrica; comparar as ditas temperaturas internas extrapoladas com o dito conjunto de temperaturas internas normais a fim de determinar um desvio das mesmas; proporcionar uma medida corretiva para o dito estator de máquina elétrica se for detectado um desvio.

3. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a dita obtenção de temperatura gradiente compreende as etapas de: instalar as sondas de medida de temperatura em vários locais na dita parede interna do dito estator e obter medidas de temperatura interna; instalar sondas de medida de temperatura em vários locais na dita parede externa do dito estator, correspondendo aos ditos locais internos e obter medidas de temperaturas externas; usar as ditas medidas de temperatura interna e externa para calcular a dita temperatura gradiente.

4. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a dita obtenção de medidas de temperatura em locais externos do dito estator compreende: proporcionar sondas de temperatura em locais externos do dito estator; medir a temperatura nos ditos locais externos; e proporcionar dados de posição dos ditos locais externos de sonda e das ditas medidas de temperatura.

5. Método, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente: usar os ditos dados de posição e os ditos valores de temperatura interna extrapolada para produzir um mapa térmico do dito estator; e exibir o dito mapa térmico.

6. Método, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente: ativar um alarme ao ser detectado um desvio.

7. Método, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que os ditos dados de posição de sonda de recebimento compreendem: receber um endereço de comunicação de rede para cada uma das ditas sondas de temperatura externa; receber uma correspondência entre o dito endereço de rede e a dita posição de sonda; e determinar a dita posição de sonda usando a dita correspondência e o dito endereço de comunicação de rede para cada uma das ditas sondas de temperatura externa.

8.Sistema para determinação não intrusiva da temperatura interna de uma área determinada de um estator de máquina elétrica, caracterizado pelo fato de que compreende: uma pluralidade de sondas de temperatura a serem instaladas em uma parede externa do dito estator de máquina elétrica para medir a temperatura externa do mesmo; uma unidade de processamento sendo dotada de: uma unidade de memória para armazenar uma temperatura gradiente; um módulo de análise para receber os ditos dados de temperatura externa e calcular, usando a dita temperatura gradiente, as ditas temperaturas internas; e um módulo de comunicação para receber os ditos dados de temperatura externa provenientes da dita pluralidade de sondas de temperatura.

9. Sistema, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que as ditas sondas de temperatura estão conectadas através de uma conexão serial ao dito módulo de comunicação.

10. Sistema, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que o dito módulo de análise compreende um módulo de sintetização de vídeo para criar um mapa térmico a partir dos ditos dados de temperatura interna e dos ditos dados de posição de sonda e compreende adicionalmente uma unidade de monitor para exibir o dito mapa térmico.

11. Sistema, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que o dito módulo de análise proporciona medidas corretivas baseadas nas variações de temperatura com relação às temperaturas de operação normal e compreende adicionalmente uma unidade de controle recebendo as ditas medidas corretivas e controlando uma operação do dito estator.

12. Sistema, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente uma unidade de geração de alarme responsiva aos relatórios de controle da dita unidade de controle.

13. Sistema, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que a dita unidade de memória compreende adicionalmente um mapa de posição de endereço e onde a dita posição de sonda é determinada a partir dos ditos dados de endereço e do dito mapa.