Modelo para determinação do tempo de vida da isolação do fio esmaltado em estatores de modelos elétricos alimentados por inversores de frequência

Abstract

Resumo: Os motores de indução acionados por inversores de frequência são usados em transporte, bombas, compressores, ventiladores, máquinas-ferramentas, robótica, veículos híbridos ou elétricos, máquinas de lavar, entre outras aplicações. A maioria destas aplicações é alimentada por baixa tensão e, sendo os motores robustos e com custos moderados, explica-se sua popularidade. Os inversores de frequência apresentam curto tempo de elevação e alta taxa de variação da tensão no tempo, muito diferente da onda senoidal. Como os motores elétricos abordados possuem bobinas montadas aleatoriamente, a primeira e a última volta da bobina podem ser adjacentes, sendo que isolação deve suportar a tensão total da fase, acrescentada pela sobretensão. Se a tensão de início da descarga parcial for atingida, a isolação pode ser degradada prematuramente, devido à atividade de descarga parcial. Neste contexto, uma estimativa para o tempo de vida útil torna-se uma questão fundamental para a avaliação da confiabilidade do motor, principalmente porque considera-se que muitas falhas tem origem na degradação da isolação do enrolamento do estator. Esta degradação é influenciada pelo estresse térmico e elétrico, investigados e caracterizados neste trabalho, com o objetivo de construção de um modelo que quantifica o tempo de vida do fio esmaltado, utilizado em estatores de motores elétricos alimentados por inversor de frequência. Com a utilização do sistema de inferência fuzzy foi possível identificar e implementar os conhecimentos dos especialistas, que acumularam observações práticas sobre o fenômeno e puderam auxiliar na formulação e validação do modelo proposto. A seleção das variáveis de entrada foi realizaza a partir da análise de dados experimentais e avaliação de artigos científicos que abordaram o problema. Foi desenvolvido um ensaio de degradação acelerada, baseado em normas e literatura, para validação dos resultados do modelo proposto. Os resultados obtidos demonstraram os efeitos sinérgicos da temperatura, tempo de subida, tensão e frequência de chaveamento, fornecendo informações sobre o tempo de vida da isolação, ao testar o fio sob uma série de condições de ensaio de envelhecimento acelerado. Efetivou-se a principal contribuição da tese, com o desenvolvimento de um modelo que considera fatores particularmente relevantes na estimativa do tempo de vida da isolação do fio esmaltado, indicando uma metodologia de validação que poderá ser estendida para diferentes tipos de fio. Isto fornecerá subsídios para desenvolver novas tecnologias de esmaltes utilizados nos fios e na impregnação de motores e, testar comparativamente a qualidade de fios esmaltados disponíveis atualmente no mercado.

Abstract: Induction motors driven by variable speed devices are used in transport, pumps, compressors, fans, machine tools, robotics, hybrid or electric vehicles, washing machines, etc. Most of these applications are powered by low voltage and, as the motors are robust and cost-effective, this explains their popularity. Frequency inverters have a short rise time and a high rate of change in voltage over time, very different from the classic sine wave. As the electric motors discussed are built with a random coil, the first and last turns of the coil can be adjacent, and the insulation must support the total phase voltage, enhanced by the overvoltage. If the partial discharge onset voltage is reached, the insulation may be degraded prematurely due to partial discharge activity. In this context, an estimate for the useful life time becomes a fundamental issue for the reliability evaluation, mainly because it is considered that many failures originate in the degradation of the stator winding insulation. This degradation is influenced by thermal and electrical stress, investigated and characterized in this work, with the aim of building a model that quantifies the lifetime of the enameled wire used in electric motors powered by a frequency inverter. Using the fuzzy inference system, it was possible to identify and implement the knowledge of experts, who accumulated practical observations on the phenomenon and could help in the formulation and validation of the proposed model. The selection of input variables was carried out from the analysis of experimental data and evaluation of scientific articles that addressed the problem. An accelerated degradation test was developed, based on norms and suggestions from the literature, to validate the results of the proposed model. The results obtained were very promising and will serve as a reference to encourage investments in the continuation of these researches seeking to deepen the study of the synergistic effects of temperature, rise time, voltage and switching frequency, providing information on the lifetime of the insulation, when testing the wire under a series of sets of various conditions. The main contribution of the thesis was made, with the development of a model that considers particularly relevant factors in estimating the lifetime of the enameled wire insulation, indicating a validation methodology that can be extended to different types of wire. This will provide subsidies to develop new enamel technologies used in wires and motor impregnation, and to com paratively test the quality of enameled wire currently available on the market.