Uso do fator de potência de isolantes como parâmetro de ... · baixo isolamento das carcaças e...

CEFET-MG

Departamento de Engenharia Elétrica

Engenharia elétrica

USO DO FATOR DE POTÊNCIA DE

ISOLANTES COMO PARÂMETRO DE

MANUTENÇÃO PREVENTIVA CONTRA

FALHAS DE BAIXO ISOLAMENTO EM

MOTORES DE TRAÇÃO DE CORRENTE

CONTÍNUA

Guilherme Augusto Vivas de Castro

09/03/2014

CEFET-MG Departamento de Engenharia Elétrica Av. Amazonas, 7675 - Nova Gameleira - Belo Horizonte - MG – Brasl

55 (31) 3319-6838

Guilherme Augusto Vivas de Castro

USO DO FATOR DE POTÊN CIA DE ISOLANTES COM O

PARÂMETRO DE MANUTEN ÇÃO PREVENTIVA

CONTRA FALHAS DE BAI XO ISOLAMENTO EM

MOTORES DE TRAÇÃO DE CORRENTE CONTÍNUA

Trabalho de conclusão de curso submetida

à banca examinadora designada pelo

Colegiado do Departamento de Engenharia

elétrica do CEFET-MG, como parte dos

requisitos necessários à obtenção do grau

de terceiro grau em Engenharia elétrica.

Área de Concentração: Máquinas elétricas

Orientador(a): Marcos Fernando dos Santos

CEFET-MG

Belo Horizonte

CEFET-MG

2014

Folha de Aprovação a ser anexada

Aos meus pais, Arailton e Telma.

Agradecimentos

Agradeço a Deus, o que seria de mim sem a fé que eu tenho nele.

Aos meus pais, irmão e a toda minha família que, com muito carinho e apoio, não

mediram esforços para que eu chegasse até esta etapa de minha vida.

Ao professor Marcos Fernando pela paciência e competência na orientação e

incentivo que tornaram possível a conclusão desta monografia.

A todos da equipe de engenharia de locomotivas da MRS logística que sempre

estiveram à disposição e boa vontade para compartilhar conhecimento comigo.

Aos meus amigos que durante esse tempo viveram intensamente esta etapa tão

importante da minha vida e contribuíram para que fosse especial.

A todos os professores do curso que contribuíram para a minha formação

acadêmica.

i

Resumo

A MRS Logística, empresa que detém a concessão da malha ferroviária sudeste do

Brasil, identifica um dos seus maiores problemas referentes aos motores de tração de

suas locomotivas: as falhas referentes ao isolamento elétrico dos seus motores de

tração de corrente contínua.

A fim de tratar o problema, a companhia investiu em um equipamento que faz a

medição do fator de potência dos isolantes, e que desde o ano de 2010 faz-se a leitura

do fator de potência das carcaças e armaduras dos motores que são reparados na

empresa. Contudo, ainda não há nenhum parâmetro preventivo que se utilize o fator de

potência dos isolantes no processo de manutenção da MRS Logística.

Este trabalho tem o intuito de buscar este parâmetro preventivo, já que o problema de

isolamento tornou-se, em 2012, o principal modo de falha dos motores de tração da

frota de locomotivas da empresa, correspondendo a 21% do total de falhas.

Usando o recurso do FMEA (Failure Mode and Effect Analysis) da empresa, aliado a

recursos estatísticos será proposto um limite de fator de potência que um motor

reparado possa sair da oficina e ser instalado em uma locomotiva tendo um grau

elevado de confiabilidade para cumprir todo o seu ciclo de trabalho, assim, dar-se-á

algumas opções de manutenção preventiva aos isolamentos dos motores para que a

engenharia da empresa opte pelo melhor custo-benefício.

ii

Abstract

iii

Sumário

Resumo .................................................................................................................................................. i

Abstract ................................................................................................................................................ ii

Sumário .............................................................................................................................................. iii

Lista de Figuras ................................................................................................................................. v

Lista de Tabelas ................................................................................................................................ vi

Lista de Abreviações ..................................................................................................................... vii

Capítulo 1 ............................................................................................................................................ 8

1.1. Relevância do tema em investigação .......................................................................................... 8

1.2. Objetivos do Trabalho ................................................................................................................... 9

1.3. Metodologia .......................................................................................................................................... 9

1.4. Organização do Texto ..................................................................................................................... 10

Capítulo 2 ......................................................................................................................................... 11

2.1. Introdução .......................................................................................................................................... 11

2.2. O Isolamento elétrico ..................................................................................................................... 11

2.3. Variáveis que interferem no isolamento ................................................................................. 16

2.4. Estágios de falha no isolamento ................................................................................................. 19

Capítulo 3 ......................................................................................................................................... 21

3.1. Introdução .......................................................................................................................................... 21

3.2. Modos de falhas dos motores de tração da MRS .................................................................. 21

3.3. Como é o ciclo de trabalho das locomotivas da MRS.......................................................... 23

3.4. Processo de manutenção dos motores de tração da MRS Logística ............................. 26

Capítulo 4 ......................................................................................................................................... 32

4.1. Introdução .......................................................................................................................................... 32

4.2. O equipamento de leitura do fator de potência da MRS ................................................... 32

4.3. - Teste do ângulo de fase do isolamento ou fator de potência ....................................... 35

Capítulo 5 ......................................................................................................................................... 38

5.1. O método da análise do banco de dados ................................................................................. 38

5.2. Os processos de reparação da MRS Logística ....................................................................... 39

iv

5.3. Desenvolvimento do método ....................................................................................................... 39

Capítulo 6 Análise dos resultados ........................................................................................... 47

6.1. A limpeza do isolamento ............................................................................................................... 47

6.2. O processo de medição do fator de potência ......................................................................... 49

Capítulo 7 ......................................................................................................................................... 51

Referências Bibliográficas ......................................................................................................... 52

v

Lista de Figuras

Figura 2.1 – Modelo do isolamento elétrico.

Figura 2.2 – Diagrama fasorial das correntes em um isolante.

Figura 2.3 – Comportamento da corrente ao longo do tempo, após aplicação de

um potencial constante, em um isolamento de mica.

Figura 2.4 – Curva de resistência de isolamento típica, para isolamentos limpos e

contaminados.

Figura 3.1 – Modelos de locomotivas e seus respectivos grupos e condições de

manutenção preventiva.

Figura 3.2A – Esquema de manutenção preventiva por tipo de locomotivas.

Figura 3.2B – Esquema de manutenção preventiva por tipo de locomotivas.

Figura 4.1 – Medidor de fator de potência de isolamento.

Figura 4.2 – Circuito básico do medidor de fator de potência e esboço do

diagrama fasorial de certa medição.

Figura 4.3 – Pólo e interpolo de um motor de tração, chamados na MRS Logística

de campo de excitação e campo de comutação.

Figura 4.4 – Representação do circuito isolante e seu diagrama fasorial.

Figura 5.1 – Dispersão dos valores de fator de potência para a excitação dos MT.

Figura 5.2 – Dispersão dos valores de fator de potência para a comutação dos MT.

Figura 6.1 - Carregamento de Minério.

vi

Lista de Tabelas

Tabela 3.1 – Tipos de motores de tração utilizados na frota de locomotivas

Tabela 3.2 – Reparação da carcaça do motor de tração.

Tabela 3.3 – Reparação da armadura do motor de tração.

Tabela 5.1 – Modos de falhas em estudo.

Tabela 5.2 – Efeitos em estudo

Tabela 5.3 – Amostragem de MT.

Tabela 5.4 – Dados de FP Excitação.

Tabela 5.5 – Dados de FP Comutação.

Tabela 5.6 – Quantidade de motores instalados de 2010 a 2013 avariados.

vii

Lista de Abreviações

MT – Motor de tração

FMEA - Failure Mode and Effect Analysis

IC – Inspeção

RCI – Revisão intermediária

C1 – Revisão baseada no consumo de óleo diesel, escopo 1.

C2 – Revisão baseada no consumo de óleo diesel, escopo 2.

C4 – Revisão baseada no consume de óleo diesel, escopo 4

DC – Corrente contínua.

VDC – Tensão em corrente contínua

FP – Fator de potência

8

Capítulo 1

Introdução

1.1. Relevância do tema em investigação

Em uma locomotiva diesel-elétrica o motor primário diesel aciona um gerador

elétrico, que irá transmitir a potência para os motores de tração. Não existe conexão

mecânica entre o motor primário e as rodas de tração. Conceitualmente, este tipo de

locomotiva é um veículo híbrido, que incorpora sua própria estação geradora, feita para

operar em áreas em que a estrada de ferro não é eletrificada.

Importantes componentes da tração elétrica são o motor primário (motor diesel),

gerador principal, ou gerador de tração, que atualmente é um alternador, motores de

tração e o sistema de controle que consiste no governador do motor diesel, regulador de

carga e o chaveamento (disjuntor) dos motores de tração. Em princípio, a eletricidade de

saída do gerador é diretamente enviada do disjuntor para os motores de tração, que são

mecanicamente acoplados às rodas, via engrenagens de redução. Originalmente os

motores de tração e o gerador principal são máquinas CC (Corrente Contínua) [11].

Seguindo o desenvolvimento de retificadores de alta capacidade nos anos 60, o

gerador CC foi substituído por um alternador, usando ponte de diodo para retificar a

saída para CC. Isto aumentou a confiabilidade das locomotivas e minimizou os custos de

manutenção pela eliminação do comutador e escovas. A eliminação das escovas e

comutador, por sua vez, resolveu um tipo de evento particularmente destrutivo

relacionado ao faiscamento, que comumente causa falha imediata do gerador e, em

alguns casos, início de incêndio na casa de máquinas [4].

Com a evolução das locomotivas o transporte ferroviário se tornou o principal

transporte em grande escala. A eficiência do transporte de carga ferroviário é

consideravelmente maior do que o transporte rodoviário, dando mais confiabilidade na

chegada da carga no seu destino e retirando das nossas rodovias o transporte de

materiais pesados.

9

Para garantir tamanha eficiência, durante o ano de 2010 a empresa MRS Logística

comprou um equipamento para diagnosticar o isolamento dos motores de tração DC das

locomotivas diesel/elétricas. Tal medida foi tomada devido à verificação dos principais

sintomas de falhas destes motores. Foi constatado, através do FMEA da empresa, que o

baixo isolamento das carcaças e armadura dos motores são um dos maiores casos de

problema nos motores, provocando uma falha na locomotiva e muitas vezes impactando

na produção da empresa.

Este equipamento faz a medição do fator de potência do isolamento, técnica

consolidada em instrumentos do nosso sistema elétrico de potência. A produção

industrial da empresa, responsável pela manutenção dos motores, disponibiliza um

banco de dados dos motores com seus respectivos valores de fator de potência desde a

sua implantação.

1.2. Objetivos do Trabalho

O objetivo deste trabalho é definir um parâmetro de manutenção para os motores

de tração DC da MRS Logística baseado no banco de dados de fator de potência existente

desde 2010 na empresa, para minimizar as falhas por motivos de isolamento e também

detectar as eminências de falhas. A intenção é chegar perto de um valor ideal de fator de

potência com que um motor recuperado na produção industrial seja liberado com uma

confiabilidade alta para operar durante todo o seu ciclo de trabalho proposto. Tal

parâmetro também deverá levar em conta a questão de viabilidade econômica, já que a

manutenção destes motores é cara e pode impactar negativamente nas contas da

empresa.

1.3. Metodologia

A metodologia utilizada será baseada no tratamento do banco de dados obtido.

Para todo motor de tração que tiver alguma falha de baixo isolamento ou aterramento,

10

verifica-se o seu respectivo fator de potência com que ele saiu no ato de reparação antes

da locomotiva entrar em seu ciclo de operação. Também pode ser verificado o tempo

que a locomotiva operou até dar a falha, sendo um dado a mais para dar base ao

parâmetro de fator de potência que se deseja encontrar. Assim, com essa amostragem

utilizam-se alguns recursos estatísticos para estimar a vida útil do isolamento dos

motores através de um determinado fator de potência e verificar a sua probabilidade de

falha.

1.4. Organização do Texto

Este trabalho está dividido em seis capítulos com visões diferentes.

Primeiramente, no capítulo 2 é abordada toda a teoria de um isolante elétrico,

enfatizando o processo de passagem de corrente pelo material dielétrico ao longo do

tempo. Também são citadas as características ambientais e de processo de testes que

interferem na qualidade de um isolante, contribuindo para a diminuição da sua vida útil

e perda da capacidade dielétrica.

Já no capítulo 3, a ênfase é apresentar o problema de baixo isolamento e

aterramento nos motores de tração DC da MRS Logística e descrever o processo de

manutenção atual dos componentes dos motores, e abordar o escopo das manutenções

preventivas no que se refere a eles.

O equipamento comprado para se fazer o teste de leitura do fator de potência das

carcaças e armaduras dos motores de tração DC foram citados no capítulo 4, assim como

a teoria do teste.

O capítulo 5 vai explicar e mostrar o método utilizado para a análise dos bancos

de dados da empresa e, em seguida, o capítulo 6 fará a análise dos resultados.

11

Capítulo 2

O isolamento elétrico

2.1. Introdução

A fim de apresentar certas variáveis referentes ao objetivo final deste trabalho,

serão abordados alguns tópicos relacionados ao assunto para o melhor entendimento do

leitor.

Primeiramente, para mostrar o conceito de fator de potência de isolantes é

necessário conhecer profundamente a característica do isolamento elétrico e o seu

respectivo modelo, assim como o comportamento da corrente ao passar pelo isolante.

É importante ter o conceito, também, dos vários fatores que interferem na vida

útil do isolamento, que fazem o material perder suas características dielétricas.

2.2. O Isolamento elétrico

O isolamento elétrico pode ser modelado como um circuito com quatro ramos

paralelos, por onde podem circular quatro correntes diferentes quando uma tensão é

aplicada. Estas correntes são as correntes de fuga pela superfície (leakage – IL), de

capacitância geométrica (Ic), de condutância (Ig) e de absorção ou polarização (Ia). Estas

correntes somadas representam a corrente total que atravessa o isolamento (It), e estão

representadas na figura 2.1 [3]

12

Figura 2.1 – Modelo do isolamento elétrico.

Para representar as perdas dielétricas inerentes a uma estrutura isolante quando

submetida a um campo elétrico alternado, usa-se o diagrama fasorial representado na

figura 2.2 a seguir.

Figura 2.2 – Diagrama fasorial das correntes em um isolante.

Todo dielétrico submetido a tensões CA de freqüência relativamente baixas,

apresentam uma corrente adiantada da tensão por um ângulo. Esta corrente pode ser

decomposta em três componentes principais [7]:

a) Corrente de deslocamento ou capacitiva Id : Esta corrente é responsável pelo

processo de carga e descarga da capacitância geométrica C, em virtude do campo

13

aplicado ser alternado, esta corrente existe em forma de regime permanente. Ela é

proporcional à tensão, frequência e a capacitância. Ela é sempre adiantada de 90° graus

elétricos.

b) Corrente de absorção Iabs: Esta corrente é composta de duas outras, a

primeira é responsável pela energia elétrica armazenada a cada meio ciclo que retorna a

fonte quando da alternância do campo.

Ela é conseqüência do processo de formação de um campo elétrico pelo

fenômeno da polarização. A segunda é responsável pela energia elétrica dissipada na

forma de efeito Joule, ou seja, pela fricção no movimento dos íons ou na rotação dos

dipolos elétricos. Nos dielétricos sob efeito de tensão CC, esta última é desprezível, no

entanto, nos casos de campos alternados, ela é parte primordial na composição das

perdas. A primeira corrente está 90° elétricos adiantada da tensão e a segunda está em

fase com a tensão.

c) Corrente de condução Ic: É a corrente devido aos portadores de carga livres do

material. Ela está sempre em fase com a tensão aplicada e é proporcional a tensão e

condutância do material.

A relação entre a tensão aplicada e a corrente total medida fornece a resistência

do isolamento.

Para um isolamento do tipo mica, um dos elementos presentes nas carcaças dos

motores de tração, o comportamento destas correntes é dado da seguinte forma,

representado pela figura 2.3[3]:

14

A(ampéries)

T(tempo)

Figura 2.3 – Comportamento da corrente ao longo do tempo, após aplicação de

um potencial constante, em um isolamento de mica. Figura retirada de [4].

No primeiro minuto, a corrente de capacitância torna-se nula, não afetando as

medidas de resistência de isolamento. Entretanto, a corrente de polarização, modelada

por um circuito resistor-capacitor, demora um tempo maior para cessar, afetando a

medição da resistência de isolamento.

Esta corrente de polarização é composta por dois elementos: o primeiro devido à

reorientação das moléculas orgânicas do isolamento e outro devido ao deslocamento

gradual de elétrons e íons através de materiais orgânicos, até que estes fiquem presos

nas superfícies de mica presente na maioria dos sistemas de isolamento encontrados nas

máquinas elétricas. A reorientação das moléculas pode levar vários minutos após a

aplicação do campo elétrico. Entre 30 segundos e alguns minutos, a resistência de

isolamento vai depender muito desta corrente de polarização. Um diagrama da

reorientação das moléculas após a aplicação de um campo elétrico pode ser visto a

seguir. Observe que este deve ser um campo constante, obtido através da aplicação de

15

tensão contínua. Caso fosse utilizado uma tensão AC, as moléculas não ficariam

orientadas, mas seriam agitadas, gerando calor.[3]

As correntes de condução e fuga pela superfície variam com a umidade, sendo

constantes ao longo do tempo. Já a corrente de fuga pela superfície é a maior

responsável pela diminuição da resistência de isolamento. Isto pode ser visualizado na

figura a seguir.

Como consequência deste comportamento (diminuição da corrente total com o

tempo), a medição da resistência de isolamento irá crescer rapidamente à medida que o

tempo passa. Resistência de isolamentos secos e limpos e em boas condições continuam

a crescer por horas, enquanto que a resistência de isolamentos molhados ou

contaminados fica com um valor constante rapidamente, aproximadamente entre 1 a 2

minutos após a aplicação do campo elétrico, como pode ser visto na figura 4. Observe

que o tempo de 1 minuto é suficiente para a interrupção da corrente de capacitância Ic,

fazendo com que as curvas de resistência tenham um “joelho” neste tempo, como pode

ser verificado pela figura 2.4. [3]

Figura 2.4 – Curva de resistência de isolamento típica, para isolamentos limpos e

contaminados. Figura retirada de [4].

16

Como sujeira, óleo e água têm resistividade muito mais baixa que o isolamento,

uma contaminação dos mesmos provoca um grande aumento da corrente de fuga em

isolamentos higroscópicos, como isolamentos mica-asfálticos ou folha de mica

envernizada. Isto faz com que testes de resistência de isolamento sejam adequados para

a avaliação do grau de contaminação dos mesmos.

Isolamentos de mica utilizados em bobinas pré-formadas não permitem a

passagem de praticamente nenhuma corrente, e assim este teste não detectará

problemas como espaços vazios no isolamento devido à deterioração térmica,

problemas na impregnação, a não ser que exista uma falha bem severa que permita o

estabelecimento de uma corrente elétrica no mesmo.

Tais problemas merecem ser analisados, já que as locomotivas da MRS Logística

operam em ambientes com bastantes impurezas. Aproximadamente 80% da carga

transportada pela empresa é minério, além do ciclo de manutenção preventiva dos

motores de tração serem extensos.

2.3. Variáveis que interferem no isolamento

Existem alguns fatores que afetam a resistência de isolamento, tanto no

parâmetro do ambiente quanto em condições laboratoriais, são eles: condição da

superfície, umidade, temperatura, valor da tensão de teste, cargas residuais presentes no

isolamento, a polaridade do teste e a regulação da fonte de tensão [3].

2.3.1 Poeiras e umidade

Poeiras ou sujeira normalmente não condutivas podem tornar-se condutivas e

diminuir a resistência de isolamento ao combinar-se com óleos, vapores químicos ou

mesmo umidade.

A umidade por si só já causa uma redução na resistência de isolamento e este

problema é potencializado na presença de contaminantes, uma vez que se este estiver

em uma temperatura abaixo do ponto de orvalho, um pequeno filme de umidade será

17

formado na superfície do isolamento. De qualquer maneira, uma boa leitura de

resistência de isolamento pode ser obtida em um bom isolamento.

Dependendo do tipo de isolamento, a umidade pode ser mais ou menos

absorvida.

2.3.2 Temperatura

A resistência de isolamento varia inversamente com a temperatura, e de forma

exponencial. Quando a temperatura aumenta em um isolamento, aumenta-se o número

de portadores de carga, reduzindo drasticamente a resistência de isolamento, de modo

inverso ao observado em metais onde o aumento da temperatura aumenta a agitação

térmica e aumenta a resistência elétrica. Ao contrário, quando a temperatura é reduzida,

diminui o número de portadores de carga e a resistência de isolamento aumenta.

Esta variável também é importante devido à natureza de operação. As

locomotivas da MRS Logística operam em ambientes bastante diversos, tanto ao nível do

mar, quanto em serras onde existe um range de temperatura muito grande durante o

dia.

2.3.3 Valor da tensão

Para um bom isolamento, o valor da tensão não tem efeito na medição da

resistência de isolamento. Entretanto, para um isolamento com problemas, um aumento

na tensão de teste pode diminuir a resistência de isolamento, referente a testes de alto

potencial.

Uma diminuição significativa da resistência de isolamento à medida que a tensão

é aumentada significa presença de falhas no isolamento.

2.3.4 Cargas residuais e descarga do isolamento

Pelo fato do isolamento ter propriedades capacitivas, como detalhado

anteriormente, uma determinada energia residual estará retida no enrolamento após a

aplicação de um campo elétrico. Cargas residuais farão com que medidas de resistência

18

de isolamento resultem em valores incorretos. Antes que sejam feitas medidas de

resistência de isolamento, o isolamento deve ser completamente descarregado.

A descarga dos isolamentos é essencial tanto para segurança como para exatidão

dos testes subsequentes, sendo que as cargas residuais podem durar por um tempo

indeterminado.

A descarga do isolamento também é muito importante antes dos testes de alto

potencial para evitar tensões mais elevadas que as especificadas pelo teste. Pode ocorrer

que as tensões residuais sejam somadas às tensões de alto potencial aplicadas,

resultando na ruptura do isolamento devido à problemas não referentes ao teste de alto

potencial, em si.

2.3.5 Polaridade do teste

Polaridade negativa é preferida para as máquinas de teste para diminuição do

efeito de eletroendosmose, que é a passagem de um líquido através de uma membrana

porosa sob a ação de um campo elétrico, um fenômeno observado em isolamentos

antigos e na presença de umidade. Neste fenômeno, diferentes resistências de

isolamento são obtidas quando a polaridade dos fios de teste são invertidas [12].

Para isolamentos antigos e úmidos, por exemplo, a resistência de isolamento

obtida com polaridade reversa, onde o fio terra é conectado ao enrolamento e o fio

negativo à terra da máquina é muito maior que a obtida com polaridade normal.

Desta maneira, para que os testes possam ser comparados ao longo do tempo,

estes devem ser feitos com a mesma polaridade. O relatório de testes deve indicar a

polaridade utilizada.

2.3.6 Regulação da fonte de tensão

Para medições de resistência de isolamento, é necessário utilizar um

meghômetro com uma fonte de tensão DC muito bem regulada (regulação menor ou

igual a 0,1%), sob pena de obtenção de medidas não significativas ou com variações na

medida.

Isto ocorre porque a corrente total depende de vários elementos, inclusive o

elemento capacitivo do isolamento, ou seja, a corrente total varia no tempo. Se a tensão

19

também variar no tempo, não será possível uma estabilização correta desta corrente e

consequentemente uma estabilização da resistência de isolamento.

Além desta regulação, o aparelho deve ser capaz de suportar correntes de pico

muito maiores do que as que estão projetados para suprir continuamente. Como visto

anteriormente no modelo, as correntes iniciais em um isolamento são altas em

comparação com as correntes de regime e, portanto, o aparelho deve ser capaz de

suportar estas correntes relativamente elevadas.

2.4. Estágios de falha no isolamento

As falhas são iniciadas por contaminação dos enrolamentos, fadiga térmica,

umidade, transientes, sobrecargas e fadigas mecânicas. Estas falhas passam por alguns

estágios, sendo os primeiros estágios mais difíceis de detectar.

Os estágios de falha são:

Estágio 1: O isolamento entre condutores é submetido a um grande esforço,

causando uma mudança nas características resistivas e capacitivas do isolamento

naquele ponto. Altas temperaturas e falhas similares resultam na carbonização do

isolamento neste ponto. Carbonização pode ocorrer também devido à formação de arcos

elétricos no isolamento. Valores do ângulo de fase e resposta corrente/frequência do

enrolamento serão afetados neste estágio.

Estágio 2: O ponto de falha torna-se mais resistivo. Uma indutância mútua ocorre

entre a porção “boa” do enrolamento (e quaisquer outras partes condutoras de

corrente) e as espiras em curto. Perdas elétricas (I²R) aumentam no ponto da falha

devido ao aumento da corrente nas espiras em curto, aumentando a temperatura

naquele ponto e provocando a rápida carbonização do isolamento. A máquina começa a

falhar neste ponto quando está quente, podendo até funcionar quando fria durante

alguns minutos.

Estágio 3: O isolamento se rompe e a energia no ponto do curto pode causar uma

ruptura explosiva no isolamento e vaporização dos enrolamentos. Testes de indutância e

20

algumas vezes testes de resistência do isolamento podem detectar a falha neste

ponto.[3]

Tem-se, então, que as características do isolamento de um material dependem de

vários fatores ambientais e de testes para se manterem no parâmetro aceitável de

operação. Estas variáveis são de extrema relevância para a operação dos motores de

tração em uma locomotiva, já que elas operam em ambientes bastante sujos,

principalmente de minérios e trechos com grande variação de temperatura e umidade.

Já os estágios das falhas são dificilmente detectados em oficina nas revisões

preventivas e inspeções, já que o motor não é aberto para detecção de possíveis

anomalias. Atualmente, emprega-se apenas o teste de resistência dos enrolamentos nas

revisões, portanto, o estágio 3 é o que se espera detectar.

21

Capítulo 3

O problema da isolação elétrica dos motores de tração

3.1. Introdução

A análise do modo e efeito de falha, ou simplesmente FMEA, é um estudo

sistemático e estruturado das falhas potenciais que podem ocorrer em qualquer parte de

um sistema para determinar o efeito provável de cada uma sobre todas as outras peças

do sistema e no provável sucesso operacional, tendo como objetivo melhoramentos no

produto e desenvolvimento do processo. [9]

Sendo assim, a equipe de engenharia de manutenção de locomotivas da MRS

Logística adota este recurso de estudo visando identificar os seus maiores problemas

com cada componente, para depois poder tratá-los de forma satisfatória.

3.2. Modos de falhas dos motores de tração da MRS

No ano de 2013 foi realizado um trabalho pela equipe de engenharia de

locomotivas da MRS Logística a fim de diagnosticar quais eram os maiores problemas da

manutenção corretiva dos motores de tração. Para isto, utilizou-se da planilha do FMEA

da empresa, a qual cita o efeito do motor ter sido retirado da locomotiva, ou seja, o

porquê dele ser retirado e o modo de falha da retirada, análise criteriosa feita pela

equipe de manutenção após ter o diagnóstico do motor.

Os dados foram colhidos ao longo de todo o ano de 2012 e o resultado dos efeitos

dos motores de tração retirados neste período está no gráfico 3.1 de pareto abaixo:

22

Gráfico 3.1 – Efeitos de retirada dos motores de tração no ano de 2012.

Já os modos de falha apresentados por estes MT fora representados no gráfico 3.2

a seguir.

Gráfico 3.2- Modos de falha dos motores de tração no ano de 2012.

Verificou-se, então, que as falhas de aterramento e baixo isolamento dos motores

de tração da frota da MRS Logística corresponderam a 21% de todos os problemas, tanto

47 46 42

26

15

7 7 5 5 4 3 3 3 2 2 2 2 1 21%

42%

61% 73%

79% 82% 86% 88% 90% 92% 93% 95% 96% 97% 98% 99% 100% 100%

0%

20%

40%

60%

80%

100%

120%

0 5

10 15 20 25 30 35 40 45 50

Motor de Tração - Efeitos

Efeito Pareto

86

64

44 39 38

33 30 28 25 24 20 19 19 19 16 15 14 14 14 12 11 9 9 9 8 7 7 5 4 2 2 2 2 2 2 1 1 1 1 13% 23%

29% 35%

41% 46% 51% 55% 59% 62% 66% 68% 71% 74% 77% 79% 81% 83% 85% 87% 89% 90% 91% 93% 94% 95% 96% 97% 98% 98% 98% 98% 99% 99% 99% 100% 100% 100% 100%

0%

20%

40%

60%

80%

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120%

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

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…

Motor de Tração - Modos de Falha

23

nos efeitos quanto nos modos de falha, correspondendo a um total 138 falhas das 658

totais durante o ano de 2012.

Esta situação pode ser explicada por não existir, ainda, ações de manutenção

preventiva para o isolamento capacitivo dos motores no programa de revisões das

locomotivas. Apenas é medida a resistência do isolamento com o meghometro nas

revisões intermediárias, chamadas na empresa de IC, C1 e C2 que serão abordadas no

próximo tópico. Quando a resistência deste é menor que 1MΩ o motor é retirado para

manutenção.

Tal situação desperta ainda mais curiosidade para a criação de um parâmetro de

manutenção dos motores de tração segundo o fator de potência, tendo em vista que já

existe um parâmetro contínuo de acompanhamento preventivo da resistência do

material e mesmo assim o problema de baixo isolamento e aterramento tem a maior

porcentagem dentre as falhas dos motores.

Entende-se que este problema de baixo aterramento dos isolantes dos motores

de tração está diretamente ligado com o processo de acompanhamento da qualidade do

material isolante ao longo das manutenções preventivas, já que este vai perdendo suas

características dielétricas ao longo do tempo e, ainda, são acentuadas pelos fatores

citados no capítulo anterior. Por isso, é importante conhecer como é o ciclo de trabalho

das locomotivas e seu processo de manutenção no que diz respeito aos motores de

tração.

3.3. Ciclo de trabalho das locomotivas da MRS

A MRS Logística é uma empresa que arrendou os ativos da malha sudeste do

Brasil da antiga Rede Ferroviária Federal em 1996, e durante esses anos de operação

buscou renovar a sua frota. Por este motivo, a empresa possui uma diversa gama de

locomotivas, sendo a maioria da General Eletric e uma outra parte da General Motors.

Estas locomotivas são separadas em grupos de 1 a 10 dentro da empresa. Tais grupos

foram montados levando em conta os modelos e potência das locomotivas.

A Figura 3.1 abaixo, além de mostrar os modelos de locomotivas com seus

respectivos grupos, também mostra as manutenções preventivas chamadas de IC

24

(Inspeção), RCI, C1, C2 e RC4, que são realizadas por dias de operação ou por consumo

de óleo diesel. Estas revisões estão em ordem crescente de complexibilidade, ou seja, em

uma revisão C2 troca-se mais componentes se comparado a uma C1.

Figura 3.1 – Modelos de locomotivas e seus respectivos grupos e condições de

manutenção preventiva.

A RC4 corresponde ao final do ciclo da locomotiva, nesta revisão os componentes

da locomotiva são retirados e reparados, inclusive o motor de tração que é o nosso

objeto de estudo. Esta revisão é planejada tendo em vista a vida útil do motor diesel, que

é o componente mais caro da locomotiva.

As revisões intermediárias à RC4 não são comuns a todos os tipos de locomotivas,

por motivos de operação e características das mesmas. Abaixo temos um esquema do

ciclo de operação de cada locomotiva da MRS Logística, ilustrados nas figuras 3.2A e

3.2B.

25

Figura 3.2A - Esquema de manutenção preventiva por tipo de locomotivas.

26

Figura 3.2B– Esquema de manutenção preventiva por tipo de locomotivas.

3.4. Processo de manutenção dos motores de tração da MRS Logística

Dentre os 10 grupos de locomotivas, temos 6 tipos de motores de tração na

empresa. Alguns deles podem ser utilizados em diversos tipos de locomotivas, outros

não. A tabela 3.1 abaixo explica o emprego e nomeia cada tipo de motor:

Tabela 3.1 – Tipos de motores de tração utilizados na frota de locomotivas

27

Modelo do Motor de Tração Locomotivas que podem ser

utilizados

GE-E8A U23-C, U23CA, C30,C36

GE-AF15 U23-C, U23CA, C30,C36

GE-AH30 C44-MIL

761CA12 AC44-MIL

D77 SD18 e SD38

D87 SD40-2 e SD40-3

GE-761 U5, U6 e U20

Quando a locomotiva encerra seu ciclo de trabalho, realizando a sua RC4, ou

quando o motor de tração sofre alguma avaria grave, o mesmo é submetido a um escopo

de reparação. Esta reparação do motor de tração possui um padrão que é comum a

todos os tipos de motores, mas que pode variar quando o motor sofre intervenção

corretiva. Abaixo seguem a descrição da reparação básica das carcaças e armaduras na

tabela 3.2:

Tabela 3.2 – Reparação da carcaça do motor de tração.

1 SERVIÇOS BÁSICOS

1.1 Manutenção básica

1.2 Lavagem com jato de vapor

1.3 Secagem em estufa

1.4 Testes iniciais

1.5 Inspeção preliminar e verificação dimensional

1.6 Conferir resistência de isolamento (Megger)

1.7 Conferir resistência ôhmica das bobinas de excitação

e comutação

1.8 Impregnação a vácuo com verniz classe H

1.9 Cura em estufa

1.10 Testes finais

1.11 Conferir resistência de isolamento para massa

(Megger)

28

1.12 Conferir Alto – potencial (HI-POT)

1.13 Conferir teste entre espiras (SURG-TESTE).

1.14 Conferir resistência ôhmica das bobinas de excitação

e comutação

1.15 Conferir teste de Polaridade

1.16 Conferir teste de Impedância

2 SERVIÇOS EVENTUAIS

2.1 Recuperação dos mancais de suspensão

c/enchimento solda e usinagem e fornecimento de chaveta

de encosto;

2.2 Recuperação dos mancais de suspensão apenas com

usinagem e fornecimento de chaveta de encosto;

2.3 Recuperação do encaixe de alojamento do rolamento

(furo escudo) LP ou LC com enchimento de solda e usinagem;

2.4 Recuperação do vão do nariz de suspensão e

fornecimento de duas chapas de desgastes em aço manganês

2.5 Retirada das bobinas e peças polares

2.6 Jateamento da estrutura da carcaça

2.7 Recuperar suporte porta-escovas e fornecimento do

fixador com parafusos e arruelas (Tramela)

2.8 Recuperação dos olhais da caixa de graxa e içamento

2.9 Substituição de grades de ventilação

2.10 Recuperação de todas as roscas

2.11 Reisolamento de uma bobina de excitação para a

massa com materiais classe H (Nomex, Kepton e mica )

2.12 Reisolamento de uma bobina de comutaçã para a

massa com materiais classe H (Nomex, Kepton e mica )

2.13 Reisolamento de uma bobina de excitação para a

massa e entre espiras com materiais classe H (Nomex,

Kepton, e mica)

2.14 Reisolamento de uma bobina de comutaçã para a

massa e entre espiras com materiais classe H (Nomex,

29

Kepton e mica )

2.15 Recuperação do tap de ligação de uma bobina de

comutação

2.16 Recuperação do tap de ligação de uma bobina de

excitação

2.17 Substituição dos condutores de interligação com

terminais e cordoallhas (conjunto)

2.18 Soldagem das interligações com solda a base de prata,

Reisolamento e amarração das mesmas.

2.19 Substituição do flange da bobina de excitação (Mola)

2.20 Substituição do flange da bobina de comutação (Mola)

2.21 Montagem das bobinas de excitação e comutação na

carcaça

2.22 Aferição do assentamento das bobinas

2.23 Aferição do alinhamento em relação a linha neutra

2.24 Substituição de um condutor de saída com terminal,

bucha de passagem, tubo termo contráctil e as devidas

identificações.

2.25 Fornecimento de cabo terra

2.26 Substituição de braçadeira para cabo com as devidas

identificações.

2.27 Pintura com esmalte sintético preto

3 FORNECIMENTO DE PEÇAS (INCLUSO SERVIÇOS

DE SUBSTITUIÇÃO)

3.1 Bobina de excitação

3.2 Parafuso fix. do núcleo Comutação

3.3 Parafuso fix. do núcleo excitação

3.4 Capa de mancal L.C

3.5 Capa de mancal L.P

3.6 Copo de lubrificação

3.7 Substituição do bujão de vedação do óleo da capa de

mancal

30

3.8 Parafuso Capa do mancal

3.9 Anel de descarga (Caso o MT tenha sido enviado com

alojamento)

3.10 Conjunto de tampa Inspeção com corrente de fixação

A reparação das armaduras dos MT de corrente contínua seguem um escopo

citado abaixo pela tabela 3.3.

Tabela 3.3 - Reparação da armadura do motor de tração.

1 SERVIÇOS BÁSICOS

1.1 Manutenção básica

1.2 Lavagem com jato de vapor

1.3 Secagem em estufa

1.4 Testes iniciais

1.5 Inspeção preliminar e verificação dimensional


1.7 Conferir resistência ôhmica dos enrolamentos

1.8 Impregnação a vácuo com verniz classe H

1.9 Cura em estufa

1.10 Usinagem do comutador

1.11 Rebaixamento de mica com quebra de cantos

1.12 Balanceamento dinâmico em dois planos de simetria

com remoção dos pesos utilizados em balanceamentos

anteriores.

1.13 Testes finais


1.15 Conferir Alto – potencial (HI-POT)

1.16 Conferir teste de surge teste

1.17 Conferir resistência ôhmica de lâminas consecutivas

do comutador

1.18 Conferir resistência ôhmica do passo polar do

comutador

31

2 SERVIÇOS EVENTUAIS

2.1 Embaralhamento de 10% do pacote;

2.2 Embaralhamento de 20% do pacote;

2.3 Recuperação do comutador com substituição apenas

do cônico de mica dianteiro.

2.4 Recuperação do comutador com substituição dos

cônicos de mica dianteiro, trazeiro e colar.

2.5 Substituição da bandagem do comutador (EPOXI ou

TEFLON)

2.6 Reenrolamento da armadura com materiais classe H

e confecção das bandagens do pacote magnético lado

comutador com fibra de vidro, lado pinhão com arame não

magnético e do comutador com epox, silicone ou fibra de

vidro.

2.7 Substituição do comutador completo, cônicos de mica

e colar

2.8 Substituição do eixo

2.9 Recuperação das roscas dos furos da extremidade do

eixo

2.10 Fornecimento do bujão do furo de injeção de óleo

para sacar pinhão

Uma vez conhecido o escopo e o processo de manutenção dos motores, tem-se

uma ideia macro do sistema preventivo realizado pela empresa MRS Logística. Para a

análise do problema de baixo isolamento dos motores de tração DC, estes dados são de

suma importância para se questionar se o processo atual é satisfatório para se ter uma

boa confiabilidade dos isolantes dos motores de tração.

32

Capítulo 4

O uso do fator de potência na MRS

4.1. Introdução

A fim de solucionar o problema de baixo isolamento dos motores de tração, em

2010 começou-se a medir os ângulos dos fatores de potência dos motores de tração que

saiam da oficina de reparação de equipamentos elétricos da MRS Logística.

A medição, no entanto, é feita depois da reparação do componente, já que ao

chegar à oficina, a maioria dos motores estão contaminados e a alta tensão do

equipamento pode causar danos ao isolamento do motor, comprometendo a leitura.

Como consequência disto, não é possível analisar a qualidade do isolamento capacitivo

ao final do ciclo da locomotiva, e sim, apenas o estado de como ele vai iniciar o seu ciclo

de trabalho.

4.2. O equipamento de leitura do fator de potência da MRS

O modelo utilizado é o MFP12000, da empresa UTILI, o qual aplica uma tensão

alternada nos equipamentos testados. Este equipamento tem uma tensão mínima de

aplicação de 2000VCA e é ilustrado pela figura 4.1 abaixo [1].

33

Figura 4.1 – Medidor de fator de potência de isolamento.

O princípio de funcionamento deste equipamento baseia-se no esquema elétrico

apresentado pela figura 4.2 abaixo [1]:

34

Figura 4.2 – Circuito básico do medidor de fator de potência e esboço do

diagrama fasorial de certa medição.

Quando a entrada do amplificador é conectada em V1 o medidor de corrente e

potência ativa são ajustados através do potenciômetro de ajuste do galvanômetro para

ler 100 divisões.

Conectando-se a entrada do amplificador em V3, o medidor irá indicar o produto

da resistência R2 multiplicada pela corrente absorvida pelo isolamento em teste. Como

R2 é fixo e a calibração do medidor de corrente e potência inclui um fator de tensão, o

medidor irá indicar os miliampéres absorvidos pelo isolamento a 10 kV.

Conectando-se a entrada do amplificador à posição 3, o medidor irá indicar a

diferença entre as tensões de P e R2. A queda de tensão sobre R2 possui um componente

em quadratura (capacitância do isolamento) e um em fase (resistência do isolamento).

Por outro lado, a tensão em P pode ser considerada como puramente capacitiva, pois

sofre um deslocamento de 180º após o indutor, e a indutância é muito menor que R.

35

Desta forma ao girarmos o potenciômetro P existirá um ponto de inflexão que

corresponderá ao vetor AB. Como o vetor AB é proporcional às perdas ativas, a leitura

do medidor pode ser calibrada para ser feita diretamente em watts [1].

4.3. - Teste do ângulo de fase do isolamento ou fator de potência

A medição atual da resistência elétrica do isolamento com o megôhmetro fornece

a parcela resistiva do isolamento. Porém a parcela capacitiva não é medida. O teste de

fator de potência é utilizado para auxiliar no valor desta medida capacitiva, que indica a

qualidade do isolamento, podendo ser vinculada ao tempo de vida que o isolamento do

componente possui, fazendo análises de valores de resistência capacitiva pelo tempo de

falha.

Este teste permite analisar e avaliar o comportamento das condições físicas do

enrolamento. Uma mudança na capacitância do isolamento pode ocorrer devido ao

envelhecimento natural, envelhecimento térmico ou outros contaminantes tais como

umidade ou poeira.

Pequenas mudanças na capacitância do sistema de isolamento resultam em

mudanças significativas do ângulo de fase. Como ferramenta de manutenção, a utilidade

do teste do ângulo de fase do isolamento está no acompanhamento ao longo do tempo.

Caso haja um aumento do fator de potência em relação ao nível normal, é provável que

haja algum início de falha, como descrito anteriormente.

No equipamento descrito na seção anterior são medidas a corrente de fuga, a

perda wattimétrica e a capacitância do isolamento elétrico. Para carcaças de motores de

tração, estes parâmetros são medidos para o campo de excitação e para o campo de

comutação (cabos AA e FF). Já para as armaduras as medidas destes parâmetros são

únicas, curto-circuitando o comutador. A figura 4.3 ilustra os pólos e interpolos do MT

[5].

36

Figura 4.3 – Pólo e interpolo de um motor de tração, chamados na MRS Logística

de campo de excitação e campo de comutação respectivamente.

O fator de potência do isolamento é calculado utilizando a equação 1, onde “w” é a

perda wattimétrica, e “mA” é a corrente de fuga. A figura 4.4 representa uma

aproximação do circuito isolante e o comportamento da corrente ao passar por ele [5].

FP% = (W x 10) / mA. Equação 1

37

Figura 4.4 – Representação do circuito isolante e seu diagrama fasorial.

A técnica do fator de potência como parâmetro preventivo de dielétricos já é

consolidada e utilizada em diversas aplicações, como em pára-raios, óleos isolantes e em

buchas isolantes. Sendo assim, a MRS Logística a implementa no seu sistema preventivo

de manutenção e agora deseja, na prática, desenvolver um parâmetro com esta técnica

para dar mais confiabilidade aos seus motores de tração DC.

38

Capítulo 5

Análise do banco de dados de fator de potência

5.1. O método da análise do banco de dados

Para a análise dos dados da empresa foi estabelecido um método de trabalho:

correlacionar o fator de potência do motor liberado juntamente com seu modo de falha e

ainda verificar o tempo de vida destes motores.

O primeiro passo na análise de dados foi buscar o FMEA dos motores de tração da

empresa e a base de dados dos fatores de potência medidos em suas respectivas

carcaças. Nesta etapa, encontraram-se algumas dificuldades para o estudo do fator de

potência como parâmetro preventivo de baixa isolação das carcaças, como:

O banco de dados da empresa apresentava informações completas dos

motores de tração só a partir do ano de 2011, contendo as informações de

instalação, retirada, efeito de retirada e problema identificado. Portanto,

apenas é possível trabalhar com dados de falhas de motores dos últimos 4

anos, o que restringe a gama de motores a serem analisados com o modo

de falha específico de estudo deste trabalho.

A base de dados das medições do fator de potência é incompleta. Há

exemplos de motores com entrada na base FMEA e que não possuem

medição de fator de potência da carcaça.

O aparelho de medição do fator de potência da empresa ficou em

manutenção cerca de 3 meses durante o ano de 2012, o que comprometeu

a medição dos motores que foram liberados pela produção industrial

neste período.

Diante dessas dificuldades encontradas, muitos dados que poderiam ser úteis

foram descartados para não contaminar o restante de dados confiáveis.

39

5.2. Os processos de reparação da MRS Logística

Outro ponto considerável no processo e que faz a diferença no processamento

dos dados é que a medição do fator de potência se dá depois do componente ser

devidamente recuperado, e não quando ele chega à oficina após a falha, como seria o

ideal para a análise do componente. Isso se dá devido à elevada tensão (2000VDC)

aplicada pelo aparelho medidor do fator de potência, que segundo o fabricante do

medidor, poderia causar danos à isolação do motor já que ele chega com altos índices de

impurezas e imperfeições devido ao modo de utilização e sujeira.

Basicamente, existem três tipos de processos possíveis na recuperação dos

enrolamentos da carcaça:

Processo A: O procedimento de manutenção é feito dentro da oficina de

manutenção de componentes elétricos da MRS Logística, sendo que o

componente é apenas lavado.

Processo B: A manutenção também é feita dentro das instalações da

empresa, mas neste caso o motor apresenta-se impregnado de impurezas,

portanto a reparação é mais complexa que o processo A.

Processo C: Esta é uma recuperação do componente mais elaborada. É

feito por empresas especializadas e que, na maioria das vezes, necessita-se

fazer o reenrolamento.

Tendo em vista os tipos de manutenção dos MT’s, aqueles que passaram pelo

processo C contaminariam a base de dados, já que, ao ser reenrolado, o motor perderá

todas as características que tinha no ciclo de vida anterior à falha, e o fator de potência

medido não corresponderia à sua antiga operação. Portanto, estes foram excluídos deste

trabalho.

5.3. Desenvolvimento do método

Analisando o FMEA, tem-se que os modos de falhas pertinentes a serem tratados

neste estudo estão descritos na tabela 5.1 abaixo:

40

Tabela 5.1 – Modos de falhas em estudo.

CÓDIGO MODO

DE FALHA

DESCRIÇÃO

MTGX251M16 CARCAÇA BOBIBAS DE COMUTAÇÃO ATERRADO

MTGX251M14 CARCAÇA BOBIBAS DE COMUTAÇÃO BAIXO ISOLAMENTO

MTGX249M16 CARCAÇA BOBINAS DE EXCITAÇÃO ATERRADO

MTGX249M14 CARCAÇA BOBINAS DE EXCITAÇÃO BAIXO ISOLAMENTO

Da mesma forma, os efeitos de retiradas de objeto de estudo, são dados pela

tabela 5.2 abaixo:

Tabela 5.2 – Efeitos em estudo

CÓDIGO EFEITO DESCRIÇÃO

MTGXE01 ALTERAÇAO DE VALOR OHMICO/MT EM CURTO

MTGXE02 ATERRAMENTO / BAIXO ISOLAMENTO

A fim de verificar o comportamento dos motores de tração DC da frota mapeados

pelo banco de dados, procurou-se intercalar os dados da seguinte forma: localizar

aqueles motores que tiveram modo de falha como descritos na tabela 5.1 acima e que

passaram pelo processo de medição do fator de potência anteriormente na Produção

Industrial, antes de entrar em operação. Desta forma, há como fazer uma análise de

tempo de utilização do componente em comparação ao fator de potência do seu

respectivo isolamento.

Ao cruzar estes resultados, encontraram-se 47 exemplares de motores de tração

DC com os dados requeridos, que estão dispostos abaixo na tabela 5.3:

Tabela 5.3 – Amostragem de MT.

41

Locomotiva

Código Descrição Série Fab

Data de

Instalação

Data de

remoção

Tempo de

utilização

(Dias)

Processo

PF Excita

ção

FP Comutação

905103 R56613

5001 Motor tração d77-

15 dentes 61H142

17/08/2011

02/01/2012

138 B 16,29

% 12,60%

905307 R56612

5007 Motor de tração d87-17 dentes

00N2909

17/12/2008

30/12/2011

1108 B 3,55% 7,11%

903762 R57614

0022 Motor de tração af15-18 dentes

7536019 01/02/2009

10/02/2012

1104 B 2,45% 6,32%

903750 R57614

0030 Motor de tração e8a-20 dentes

214356 17/01/2010

09/03/2012

782 B 1,80% 2,58%

903663 R57614


214303 08/02/2010

29/03/2012

780 B 3,85% 4,23%

903837 R57612


BB255000121

19/09/2011

28/03/2012

191 B 2,39% 2,60%

903151 R57612

5010 Motor de tração 761-18 dentes

218238 07/06/2010

05/04/2012

668 B 3,04% 3,44%

903151 R57612


218111 07/06/2010

05/04/2012

668 B 6,12% 4,63%

903144 R57612


218109 15/09/2010

05/06/2012

629 B 2,40% 3,78%

903711 R57614


214394 24/11/2010

27/06/2012

582 B 1,52% 1,89%

903823 R57612


214579 29/04/2010

17/05/2012

749 A 3,05% 3,74%

903624 R57614


20440024

19/03/2011

16/10/2012

576 B 3,68% 2,08%

903623 R57614


BB255000115

12/04/2012

14/10/2012

185 B 3,44% 2,82%

905245 R56612


96k34245

21/09/2011

09/11/2012

415 B 1,25% 2,92%

903854 R57614


74458 28/09/2010

30/11/2012

793 A 1,75% 2,42%

903851 R57614


7446312 09/11/2011

30/11/2012

387 A 5,30% 3,82%

903607 R57614


7445992 28/03/2011

18/12/2012

630 B 9,07% 5,66%

905312 R56612


96K34336

06/02/2012

10/01/2013

338 B 3,07% 3,95%

905312 R56612


99L34054

06/02/2012

09/01/2013

338 A 1,86% 4,72%

905312 R56612


96K34336

06/02/2012

10/01/2013

338 B 3,07% 3,95%

905312 R56612


99L34054

06/02/2012

09/01/2013

338 A 1,86% 4,72%

903601 R57614


7536021 23/07/2011

21/02/2013

579 B 5,37% 2,45%

903628 R57614 Motor de tração 7531356 04/01/ 14/06/ 161 B 2,51% 2,27%

42

0022 af15-18 dentes 2013 2013

905312 R56612


96E34260

03/07/2012

05/07/2013

368 A 4,32% 14,65%

903504 R57612


EP91040647

19/02/2013

13/06/2013

114 B 2,47% 2,20%

905305 R57612


96E34168

03/10/2010

31/08/2013

1063 A 12,83

% 22,43%

905312 R56612


96K34133

05/07/2013

18/09/2013

74 B 2,52% 4,34%

903716 R57614


213093 19/12/2011

25/01/2014

767 B 3,01% 5,26%

903768 R57614


7346918 08/09/2009

29/04/2011

598 B 4,65% 4,46%

905218 R56612


96L34195

07/06/2008

26/05/2011

1083 A 2,94% 15,00%

905301 R56612


96J12162

05/01/2010

05/09/2011

608 B 13,06

% 21,31%

903152 R57612


218208 18/01/2009

28/10/2011

1013 A 1,60% 1,71%

903152 R57612


7301315 13/02/2011

28/10/2011

257 A 5,69% 8,56%

903718 R57614


03j50584747

05/04/2009

27/10/2011

935 A 2,20% 2,17%

903156 R57612


7301198 06/09/2009

15/12/2011

830 B 2,56% 3,50%

905312 R56612


96K34336

04/08/2009

08/11/2011

826 B 3,07% 3,95%

905307 R56612


01B1583 13/05/2009

29/12/2011

960 B 0,36% 9,20%

905307 R56612


00N2909

28/09/2008

29/12/2011

1187 B 3,55% 7,11%

905307 R56612


96E34148

30/12/2010

29/12/2011

364 B 62,00

% 62,13%

903837 R57612


BB255000121

28/03/2012

24/04/2012

26 B 1,60% 2,09%

903837 R57612


BB255000121

24/04/2012

28/08/2013

491 A 1,64% 2,05%

903624 R57614


20440024

28/01/2013

06/08/2013

190 A 2,63% 3,26%

905245 R56612


96k34245

05/08/2011

06/03/2013

579 B 1,73% 2,26%

903601 R57614


7536021 21/02/2013

26/12/2013

307 A 4,84% 3,59%

903628 R57614


7531356 14/06/2013

27/08/2013

74 B 2,97% 3,37%

905312 R56612


96K34133

18/09/2013

05/11/2013

48 A 3,01% 4,24%

43

Mais claramente, as figuras 5.1 e 5.2 de dispersão abaixo mostram uma melhor

perspectiva dos fatores de potência dos motores de tração que tiveram modo de falha de

baixo isolamento e/ou aterrado.

Figura 5.1 – Dispersão dos valores de fator de potência para a excitação dos MT.

Figura 5.2 – Dispersão dos valores de fator de potência para a comutação dos MT.

44

Tem-se que este não era um resultado esperado. Acreditava-se que por serem

motores de tração que tiveram problemas de isolamento elétrico em suas carcaças, com

período médio de vida de 1 ano e 6 meses em operação, tempo este relativamente curto,

apresentassem um fator de potência mais elevado, seja nos enrolamentos de comutação

ou excitação. Obteve-se uma média de FP para a Excitação da máquina de 5,15% e

6,71% para a Comutação. Resultado inconclusivo para a análise da capacitância de um

isolamento, já que são números baixos e aceitáveis para se aprovar um isolante.

Aprofundando neste assunto na prática da oficina de reparação de componentes

elétricos da MRS, os especialistas de manutenção adotaram, a partir do ano de 2011,

uma convenção de não liberarem os motores de tração DC com fatores de potência

elevados. Portanto, motores com FP maiores que 10% seriam retrabalhados antes de

entrarem em operação.

Fazendo uma análise da planilha de Fator de potencia, considerando todos os

motores liberados pela oficina, é perceptível esta ação interna quando se olha os valores

de variância depois do ano de 2011 na tabela 5.4 e 5.5 abaixo:

Tabela 5.4 – Dados de FP Excitação.

Ano Dado Valor

2010 Média 5,13%

Variância 0,39%

2011 Média 3,67%

Variância 0,44%

2012 Média 3,40%

Variância 0,13%

2013 Média 4,26%

Variância 0,13%

2014 Média 3,60%

Variância 0,05%

45

Tabela 5.5 – Dados de FP Comutação

Ano Dado Valor

2010 Média 6,06%

Variância 0,50%

2011 Média 3,94%

Variância 0,52%

2012 Média 3,57%

Variância 0,13%

2013 Média 4,21%

Variância 0,25%

2014 Média 3,66%

Variância 0,08%

Percebe-se um decaimento nítido da variância dos valores a partir do ano de

2012, o que comprova a ação tomada pela oficina.

Com intuito de verificar a razoabilidade desta ação da oficina, que é uma ação

preventiva relacionando o fator de potência com a qualidade do isolamento elétrico,

porém sem embasamento técnico e experimental já que não há um estudo por trás da

decisão tomada, foi levantado a quantidade de motores instalados no período de 2010 a

2011 e 2012 a 2013 que obtiveram os modos de falha de baixo isolamento e

aterramento. A tabela 5.5 abaixo indica os valores obtidos.

Tabela 5.6 – Quantidade de motores instalados de 2010 a 2013 avariados.

Período de instalação dos MT

Quantidade de motores avariados com o

modo de falhas de baixo isolamento ou

aterramento

2010 – 2011 40

2012 – 2013 20

46

Os dados da tabela 5.6 comprovam uma relativa melhora de motores instalados a

partir de 2012, período em que a ação da oficina já estava em vigor. Entretanto, deve-se

considerar que estes motores tiveram menos tempo de uso, se comparados aos motores

instalados no período entre 2010 e 2011, portanto a conclusão a premissa que este

período teve a metade de motores avariados em relação ao outro é relativo.

Tendo em vista que o método do fator de potência em equipamentos do sistema

elétrico já é bem difundido e consolidado para avaliar a capacitância de isolamentos e

que, no uso em ferrovias, ainda é uma forma pioneira de se avaliar às condição dos

motores, isto pode mostrar algo que a operação dinâmica em locomotivas os

diferenciem na maneira em que o método é utilizado.

A manutenção preventiva é um das técnicas que mais se evoluem, e que

principalmente na ferrovia, está em completa transformação devido à dinâmica de como

os componentes se comportam durante o ciclo de operação, seja pelas condições

ambientais, desgaste e vida útil. A avaliação precisa dos custos envolvidos em qualquer

tipo de interrupção de processo, principalmente, quando se trabalha com conceitos

estatísticos, sem sombra de dúvida, resulta na necessidade de implantação ou alteração

de programas de manutenção preventiva.

47

Capítulo 6 Análise dos resultados

Os resultados obtidos e mostrados no capítulo anterior, realmente, não foram

aquilo esperado pela equipe de manutenção da MRS Logística. Porém, o fato dos

números não estarem nos limites aceitos gera uma indagação sobre todo o processo de

manutenção dos motores de tração DC no que se refere ao seu isolamento elétrico.

6.1. A limpeza do isolamento

Primeiramente, a limpeza do equipamento é uma questão crítica. Segundo

ALMEIDA “É importante que o equipamento fique isento de poeiras, teias de aranha,

fiapos de algodão, óleo, ou seja, sujeira em geral”. A sujeira cria uma camada nos

enrolamentos e/ou carcaça diminuindo a troca de calor com o ambiente, além de reter

umidade e provocar um curto-circuito, bem como, ser um elemento propagador de

incêndios. Desta forma, é conveniente limpar externamente o equipamento e, logo após,

as suas partes internas. Para tanto, usa-se ar comprimido seco e limpo, soprando-se o pó

e os resíduos do seu interior. É importante certificar-se que todas as passagens de ar

estão livres e desimpedidas. A remoção de poeiras pode ser feita com um aspirador de

pó ou com ar comprimido seco (com 29 a 40 psi de pressão), porém o último apresenta a

desvantagem de espalhar a poeira por outras máquinas ao redor.

Sujeiras encrostadas entre as passagens de ar da máquina devem ser removidas

com uma espátula de madeira ou de fibra. Não se deve usar pontas e raspadeiras

metálicas, pois estas podem ferir o isolamento.

A limpeza de graxas e óleos deve ser feita com pano isento de fiapos embebido

com um solvente recomendado, como o Varsol, a Benzina e o Tetracloreto de Carbono. O

uso de solvente em excesso arruína o verniz que compõe o isolante; portanto, deve se

usar a quantidade justa de solvente e em seguida enxugar com um pano seco.

48

O uso de solventes requer cuidados; os derivados de petróleo são inflamáveis e o

tetracloreto de carbono, que não é inflamável, é muito tóxico (deve ser usado em lugares

bem ventilados). No caso de isolamentos contaminados pela água do mar ou com lama

de inundações, estes devem ser lavados com água doce (com pressão de 29 a 40 PSI),

sendo necessária secagem posteriormente. “A secagem é a operação que tem por fim

retirar a umidade ocasionalmente depositada ou absorvida pelo isolamento.” [13]

Tendo em vista que, na MRS Logística, os MT não possuem nenhum tipo de

manutenção preventiva prevista para limpeza do seu isolamento, permanecendo o

mesmo até o fim da vida útil da locomotiva, quando se faz a manutenção pesada nas

chamadas RC4, este parece ser um dos principais fatores para o problema de baixo

isolamento nos motores.

Visto que a técnica de fator de potência é amplamente utilizada em equipamentos

de potência, estáticos, de subestações de energia e a sujeira já é um dos principais

fatores a se terem cuidado com a manutenção, percebe-se um grau mais elevado ainda

de atenção para os motores de tração de locomotivas, por possuírem operação dinâmica

e agentes contaminadores muito mais poderosos que poeira e outros contaminantes que

o ar possa levar. O minério, que é responsável por 80% da carga da empresa, está

presente em toda a operação das locomotivas, destacando-se os pontos de carregamento

e descarregamento da carga, onde o ambiente é certamente muito poluído.

Figura 6.1 - Carregamento de Minério.

49

Diante deste perigo eminente, propõe-se à equipe de manutenção da engenharia

de manutenção de locomotivas que insira em um dos seus escopos manutentivos a

limpeza dos isolamentos dos motores de tração. Uma sugestão seria implementá-lo nas

revisões C2, por serem intermediárias às R4 e possuírem um tempo maior de retenção

manutentiva nas oficinas. Para isto, deve-se fazer um estudo de viabilidade e verificar a

possibilidade de realizar o trabalho nas principais oficinas da empresa: unidades do

Horto Florestal em Belo Horizonte, Barra do Piraí no Rio de Janeiro, Lapa e Jundiaí,

ambas em São Paulo, já que os processos de manutenção em componentes são

realizados em oficinas específicas, necessitando o envio do componente de uma cidade

para outra, na maioria das vezes. Caso seja viável, este processo não atrasaria o tempo

de retenção das locomotivas nem ao menos prejudicaria a sua disponibilidade e oneraria

a equipe de operação da empresa.

6.2. O processo de medição do fator de potência

Como visto, a medição do fator de potência é medida depois da reparação do

motor, se tornando apenas um parâmetro de liberação do mesmo.

Para um monitoramento completo do estado do isolamento do motor, seria

necessário ter a medição que já é feita pela empresa, adicionada pela medição no fim da

vida útil do motor, assim que ele chega na oficina de reparação. Deste modo, teria-se

como avaliar o progresso da condição do isolamento e, também, a deteriorização de

acordo com o estado e a limpeza do motor. Assim, a engenharia da empresa terá dados

suficientes para calcular, experimentalmente, a vida útil do isolamento elétrico dos seus

motores, utilizando o mesmo método deste trabalho.

Porém, esta medição no fim da vida útil do motor não é feita por motivos já

citados: o fabricante do medidor do fator de potência adquirido pela empresa não dá

garantias e não recomenda a utilização do seu aparelho no equipamento sujo e

impregnado, alegando a possibilidade de causar mais danos ao componente, devido ao

alto potencial do teste e o isolamento estarem em condições de apresentar menor

resistência a uma corrente elétrica que poderia causar danos irreversíveis ao isolamento

aplicado.

50

Tendo em vista que a tensão nominal dos motores de tração DC é 750VCC e uma

condição ideal para se aplicar testes em isolantes sem causar danos ao isolamento

geralmente é em torno do dobro de sua tensão nominal, é recomendado fazer alguns

testes de leitura de fator de potência com uma tensão menor daquela utilizado até então

de 2000V. Segundo esta teoria, a tensão de 1500V poderia ser utilizada de forma a

apresentar resultados significativos e causar menos perigo ao isolamento. Se

comprovado nos testes a possibilidade desta utilização, o processo de monitoramento

do fator de potência se fecha, possibilitando melhores resultados para futuros estudos.

Outros problemas, mas que vem sendo sanado é o processo de preenchimento do

banco de dados do fator de potência que foi modificado no final do ano de 2013.

Identificou-se que os motores de tração possuíam até 3 números diferentes de

identificação, possibilitando a opção do manutentor em utilizar quaisquer destes

números ao preencher o check list do equipamento. Desta maneira, o mesmo

equipamento poderia retornar à oficina, ser preenchido com um número diferente

utilizado pelo primeiro manutentor, e as informações deste componente seriam

perdidas devido à numeração diferente utilizada. Então, iniciou-se o processo de

raspagem das numerações sobressalentes dos MT’s que chegavam à oficina de

reparação de componentes elétricos em Belo Horizonte, para que este problema de

desvio fosse contornado. Acredita-se que tal fato possa ter contribuído para a

diminuição da amostragem deste trabalho.

Além disto, a oficina de reparação de equipamentos elétricos deve fazer um

controle garantindo que todos os motores de tração retirados ou não por manutenção

corretiva devam passar pelo processo de medição do fator de potência. Há casos

evidentes de motores que possuem entrada no controle de FMEA da empresa, porém

não possuem seus dados de fator de potência na respectiva planilha de dados.

51

Capítulo 7

Conclusão

Ao apresentar as características de isolamento elétrico de um motor de tração de

locomotivas DC, tanto quanto aos fatores naturais que interferem na sua vida útil, pôde-

se avaliar seus desgastes quanto à capacidade de isolação de acordo com as condições de

uso em uma locomotiva.

O ciclo de trabalho das locomotivas da MRS Logística e seu processo de

manutenção dos motores elétricos de tração foram explanados para embasar a segunda

parte deste trabalho, que é buscar um parâmetro máximo de fator de potência dos

isolantes dos motores que podem ser liberados para cumprir seus ciclos de trabalho

depois de serem reparados. Este parâmetro buscado envolve várias outras variáveis

além da própria técnica, que são operacionais e, principalmente, econômicas.

Infelizmente, não foi possível encontrar o parâmetro buscado devido as falhas de

processo no levantamento, condicionamento e estratégia da leitura do fator de potência

dos motores de tração DC. Porém, o fato deste sistema de avaliação de isolantes ser

pioneiro no ramo de ferrovia no Brasil faz com que o processo ainda não esteja maduro

o suficiente, contento tentativas e erros.

O objetivo principal deste trabalho apesar de não ter chegado alcançado, serviu

para apontar alguns erros de processo da empresa MRS Logística. Uma vez sanados, a

empresa disponibilizará, ao longo do tempo, dados confiáveis e conclusivos para a busca

do fator de potência como parâmetro de manutenção preventiva contra falhas de baixo

isolamento e aterramento.

Uma vez implementada a limpeza dos motores de tração nos escopos de

manutenção preventivos intermediários tornará possível, também, fazer uma

comparação de vida útil dos motores antes e depois da ação tomada, identificando os

resultados trazidos à empresa.

52

Referências Bibliográficas

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Utili, 2008.

2. IEEE Recommended Practice for Measurement of Power Factor Tip-Up of Electric

Machinery Stator Coil Insulation, 2000.

3. COSTA, A. S. de L.; CARDOSO, B. de J.; LYRA R. de O. da C. Estudo Técnico quanto à

Manutenção / Operação de Geradores Elétricos de Corrente Continua Utilizados

em Locomotivas (Excitatriz e Gerador Auxiliar). UFMG. 2008.

4. SIMOES, F.H. Definição do teste de fator de potência para qualificação do

isolamento em motores de tração DC de Locomotivas. Belo Horizonte. 2011

5. ROCHA, M. E. de O.; Teste de fator de potência para qualificação do isolamento em

motores de tração DC de locomotivas. Belo Horizonte. 2011.

6. CAVAZZONI, F. C. Motor Elétrico de Tração de Corrente Contínua. Contagem/MG:

Manser Manutenção e Serviço Ltda, 2008.

7. JUNIOR, J. A. T. Determinação do fator de dissipação.

8. ROCHA, M. E de O. Aplicação da Engenharia de Confiabilidade na Manutenção de

Componentes de Locomotivas. Dissertação de Mestrado em Engenharia de

Transportes, IME. Rio de Janeiro, 2009.

9. HELMAN, H. e ANDREY, P. R. P. Análise de Falhas: Aplicação dos Métodos de

FMEA e FTA. Fundação Christiano Ottoni. Belo Horizonte. 1995.

53

10. MORA, N. D. Materias Dielétricos. Foz do Iguaçu/PR: Unioeste, 2010. N. p. 600

Disponível em:

http://www.foz.unioeste.br/~lamat/downmateriais/materiaiscap18.pdf.

Acesso em: 02/01/2014.

11. MARIOZA, O. Mecânica de locomotivas Diesel-elétricas. MRS Logística. Belo

Horizonte. 2013.

12. Site: http://aulete.uol.com.br/eletrosmose

Acesso em: 01/02/2014

13. ALMEIDA, Antônio Tadeu Lyrio de. Manutenção em Equipamentos Elétricos,

Itajubá.

http://www.foz.unioeste.br/~lamat/downmateriais/materiaiscap18.pdf

Uso do fator de potência de isolantes como parâmetro de ... · baixo isolamento das carcaças e...

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