As medições de indutância podem ser confusas — uma análise mais profunda
Autor: Dr Stan Zurek, DSc, PhD
Um aprendiz perguntou: "Mestre, eu medi o valor de uma indutância e foi X. isso está correto?" O mestre respondeu: "Está correto." Então, o segundo aprendiz disse: "Mas, eu medi a mesma indutância e o valor era Y estou errado?" E o mestre respondeu: "Você também está correto. Na verdade, vocês estão ambos corretos." O terceiro aluno se opôs: "Eles não podem estar ambos certos se os dois resultados divergirem." E o mestre concordou: "Você também está correto." Todos os três alunos ficaram perplexos...
Introdução
A indutância L é propriedade de um circuito elétrico que quantifica sua capacidade de armazenar energia em um campo magnético. A quantidade de energia armazenada é proporcional ao valor da indutância e ao quadrado da corrente elétrica que eu estou passando por ela: E = L I²/2
Assim, um componente com uma indutância mais alta pode armazenar mais energia para a mesma corrente. Em indutores sem um núcleo magnético, a corrente prática máxima é limitada apenas pelo calor dissipado no fio.
A indutância é diretamente proporcional à permeabilidade relativa efetiva μr do material contido pela bobina: L=μr·μ0·N2·A/l (onde μ 0 — permeabilidade do vácuo, N — número de voltas da bobina, A — área da bobina, l — comprimento da bobina).
A permeabilidade relativa do ar ou qualquer material não magnético é muito baixa (μr = 1) e, portanto, a indutância é baixa por um determinado número de voltas. Uma vantagem disso é que os materiais não magnéticos não podem saturar magneticamente, de modo que os indutores com um núcleo não magnético têm uma característica muito linear, mesmo para correntes extremamente grandes.
Por outro lado, materiais magnéticos podem ter uma permeabilidade muito alta (μr >> 1). São amplamente utilizados em "circuitos magnéticos", para concentrar e orientar o fluxo magnético, de modo que os componentes possam ser concebidos para serem menores, mais eficientes e mais acessíveis. A operação de cada transformador de energia de 50/60 Hz é baseada na presença de um núcleo magnético adequado. Isso também se aplica a motores e geradores. Os núcleos magnéticos são projetados para operar em um nível de excitação o mais alto possível (para minimizar o tamanho), mas em um nível baixo o suficiente para evitar a saturação. Dessa forma, o benefício máximo pode ser obtido com a presença do núcleo.
Os enrolamentos dos motores, geradores e transformadores apresentam indutância significativa e determinadas falhas elétricas, magnéticas e até mecânicas podem ser diagnosticadas ou detectadas medindo o valor da indutância em cada enrolamento acessível. Quanto mais precisa for a medição, melhor será o diagnóstico de falhas. Mas o que significa medir a indutância com precisão?
Variação de permeabilidade e indutância
Embora a permeabilidade dos materiais magnéticos possa ser muito alta (normalmente μr > 1.000 em aço elétrico em condições nominais de operação) ela também é altamente não linear e em uma corrente suficientemente alta, o material satura e a permeabilidade diminui significativamente (contribuindo para fenômenos como a corrente de partida nos transformadores). O valor da permeabilidade depende de uma infinidade de fatores, muito mais do que outros, como os poucos listados aqui:
Figura 1: Curvas típicas de permeabilidade magnética para aço elétrico de grão orientado em baixa excitação até B = 100 mT. (Os transformadores são normalmente usados com B = 1,5 T). Em um determinado núcleo magnético, a densidade B do fluxo é uma função da corrente aplicada.
- Nível de excitação — em baixa excitação, a permeabilidade inicial testada é baixa e aumenta significativamente (consulte a Figura 1) para algum valor de pico (chamado de permeabilidade máxima) antes de cair novamente para a saturação (não mostrada).
- Histórico anterior de magnetização — se o material tiver sido exposto a um campo magnético alto, por exemplo, devido a uma falha de corrente no dispositivo, alguma magnetização permanece no núcleo e afeta a permeabilidade (é por isso que alguns dispositivos magnéticos precisam passar por desmagnetização cíclica ou ser desmagnetizados antes de uma medição).
- Frequência de teste — a estrutura magnética interna (alinhamento de domínios magnéticos internos) se comporta de forma diferente em frequências diferentes (Figura 1). Em frequências mais baixas, as diferenças são pequenas, mas com o aumento da frequência, um fenômeno adicional chamado "efeito de pele" (o campo magnético não pode penetrar no interior da laminação ou do núcleo) começa a desempenhar um papel dominante e a permeabilidade diminui para um valor muito menor.
- Tensão mecânica — normalmente, a tensão de compressão introduzida durante a fabricação (como fixação das laminações para montagem e montagem) diminui a permeabilidade magnética do núcleo.
- Temperatura — o efeito direto da temperatura é um pouco pequeno, mas as medições realizadas em um motor ainda quente podem diferir das feitas em uma máquina fria, porque diferentes tensões internas atuarão no núcleo magnético. Além disso, a resistividade das laminações também será diferente, o que pode afetar as medições em frequências mais altas.
- "Efeito de proximidade" nos enrolamentos — este é um efeito adicional de alta frequência ligado ao efeito de pele, que leva a um comportamento não linear adicional da distribuição de corrente nos enrolamentos. Por isso em alguns geradores síncronos de alta potência, os enrolamentos são feitos com condutores transpostos continuamente (CTC, ou Cabo Roebel). É o enrolamento em si que se comportará de forma diferente em frequências mais altas (em vez do núcleo magnético). O efeito é mais pronunciado em enrolamentos com mais camadas.
- Os impactos de cada um desses efeitos depende do tipo real de dispositivo e do núcleo magnético, por isso não é possível definir algumas regras rígidas em relação às quais o efeito é dominante em um determinado caso.
Efeitos úteis da mudança da permeabilidade e da indutância
Alguns dos efeitos listados acima fornecem informações úteis sobre a condição do dispositivo em teste. Por exemplo, quando a análise de resposta de frequência de varredura (SFRA) é realizada nos enrolamentos do transformador, o nível de excitação e a faixa de frequência são padronizados. Portanto, as condições de excitação são sempre as mesmas e as alterações entre as medições de impedância (que são afetadas por alterações na indutância) podem indicar que alguma mudança física ocorreu, como um enrolamento deslocado ou danos ao núcleo. Portanto, uma falha pode ser detectada.
No entanto, olhando a Figura 1, fica claro que o nível de excitação e a faixa de frequência devem ser os mesmos em testes comparáveis, pois caso contrário, a permeabilidade pode diferir significativamente e, portanto, diferenças aparentes nas medições podem ser encontradas mesmo quando não há alterações nas propriedades magnéticas, no material ou no dispositivo. A desmagnetização do núcleo magnético pode garantir o mesmo ponto de referência em cada teste.
No entanto, se o teste for realizado para diagnóstico, a desmagnetização poderá ser contraproducente, pois poderá mascarar a presença de uma falha.
Os testes de relação de espira do transformador dependem da suposição de que a relação de tensão reflete a relação de espira. Essa aproximação é melhor em núcleos magnéticos que têm maior permeabilidade. Esses testes são normalmente realizados com um sinal de teste muito pequeno, pois não é possível gerar tensões de CA nominais em um transformador de alta tensão. Isso exigiria dezenas ou mesmo centenas de kV, o que não é prático em um instrumento portátil e em qualquer caso, seria muito caro. Assim, a excitação usada durante um teste faz com que o núcleo opere a uma fração da faixa nominal (dezenas de volts) onde, infelizmente, a permeabilidade é muito menor (Figura 1).
Por isso, é bom utilizar uma configuração de teste que gere um fluxo mais elevado no núcleo, porque a permeabilidade será mais elevada e a medição mais precisa. Isso é facilmente alcançado aplicando excitação ao enrolamento com a tensão nominal mais baixa. Esse enrolamento terá uma impedância menor e, portanto, a mesma tensão de teste resultará em uma corrente mais alta, tornando a medição mais precisa. Essa abordagem é empregada, por exemplo, ao usar o Megger TTRU3, um verdadeiro transformador trifásico que serve como medidor de relação de transformação. Usando essa abordagem, diferenças menores podem ser discernidas e falhas iniciais podem ser diagnosticadas de forma mais confiável.
Alterações na indutância também são usadas para diagnosticar falhas em motores e geradores. Por exemplo, todas as três fases devem ter indutância muito semelhante e, se um enrolamento for significativamente diferente, isso normalmente indica algum problema com o enrolamento, o núcleo ou até mesmo um problema mecânico com os rolamentos (porque o eixo pode estar desalinhado e, portanto, afetar a excentricidade da folga de ar).
No teste do motor, a indutância dos enrolamentos muda significativamente quando medida com o motor totalmente montado (rotor no lugar) e com o rotor para fora. Isso se deve à diferença na quantidade de material magnético no circuito magnético nos dois casos. O ar tem uma permeabilidade muito menor do que o rotor, de modo que o efeito na indutância medida é grande. No entanto, a falta de rotor torna o estator mais difícil de magnetizar. Portanto, com a mesma corrente de teste, uma magnetização significativamente menor é produzida no núcleo e, portanto, há uma mudança adicional de permeabilidade, conforme mostrado na Figura 1.
Se o mesmo instrumento de teste for usado para medir a indutância dos enrolamentos em todas as três fases, o nível de excitação e a frequência de teste serão os mesmos e alterações relativas poderão ser detectadas. Essas técnicas são amplamente usadas nos testes de motores e geradores, por exemplo, com o Megger Baker ADX e o MTR105.
Efeitos não tão úteis
É verdade que algumas frequências são mais adequadas para detectar determinados tipos de falhas enquanto outras frequências são melhores para diferentes finalidades. Porém, ao observar a Figura 1, fica claro que até mesmo medições realizadas no mesmo enrolamento, mas com frequências diferentes, apresentarão resultados distintos, embora ambas estejam corretas. Por exemplo, com uma excitação de 100 MT (valor máximo no eixo horizontal), a permeabilidade a 400 Hz é de aproximadamente 9.000 (círculo vermelho), enquanto a 50 Hz atinge até 18.000 (círculo azul). Esta é uma diferença do "fator de dois", mas ambos os valores estão corretos. A diferença nas medições é simplesmente resultado do comportamento real do núcleo magnético, conforme determinado pelas propriedades fundamentais do material magnético.
Por esse motivo, a comparação direta dos valores absolutos medidos com diferentes equipamentos de teste é completamente inútil. Isso ocorre porque é quase certo que o nível de excitação seja diferente devido às diferenças no design do hardware interno. Por exemplo, se um medidor LCR portátil testar com excitação de 0,5 V em vez de 5 V, como pode ser usado por um dispositivo maior então para a curva de 50 Hz na Figura 1, o valor medido poderia ser 10.000 (círculo verde), em vez de 18.000, o que é uma diferença de 80%. Deve-se lembrar que essa diferença não é um erro do equipamento de teste. Ambos os valores estão corretos e também nenhum deles está correto, porque não existe um único valor que possa ser usado como ponto de referência "fixo", que se aplica em todas as condições. As comparações só podem ser feitas se a excitação for a mesma.
Por que diferentes níveis de excitação são usados em diferentes testadores, até pelo mesmo fabricante? Um motivo é a quantidade de energia disponível. Um LCR portátil terá apenas baterias pequenas (pouco energia) e, portanto, o sinal de teste será limitado. Além disso, o equipamento de teste pode ser projetado com proteção de entrada apropriada. Essas medidas de segurança podem implicar em requisitos adicionais de níveis permitidos de excitação e na forma como os sinais são medidos. Por exemplo, pode haver uma impedância adicional no circuito de medição interno que afetará a quantidade de sinal de acionamento disponível, dependendo do valor medido de indutância.
Quem é está certo?
Por isso, é difícil verificar em campo qual medição de indutância está correta ou qual equipamento fornece leituras mais precisas. Mesmo medições extremamente precisas realizadas com um instrumento da classe de calibrador podem e diferirão significativamente se o nível de excitação for alterado.
Pior ainda, até a especificação de precisão do instrumento não pode ser confiável, exatamente pelos mesmos motivos. Além disso, alguns fabricantes são conhecidos não serem muito honestos com o desempenho real de seus instrumentos, alegando um nível improvável de precisão. Portanto, é sempre aconselhável usar equipamentos de teste de um fabricante confiável com marca reconhecida, que seja conhecida por afirmar a precisão da medição honestamente, de acordo com a verdadeira capacidade do instrumento.
Então, quem está certo? A precisão real de uma medição só pode ser verificada em condições laboratoriais, não no campo, a menos que indutores estáveis especialmente projetados sejam usados e medidos na mesma frequência. No entanto, confiar em equipamentos de teste de boa reputação e de marca confiável é sempre a melhor estratégia.
Assista ao nosso webinar sobre "Teste de indutância em motores trifásicos"
