miniaturadaimagem|Surge Test LHF
Em eletricidade, Surge Test é empregado na análise de qualidade de bobinas e seus isolantes elétricos. Surge Test é um ensaio elétrico de alta tensão em bobinas, motores, geradores, transformadores, contatores ou outros tipos de bobinados . O princípio de funcionamento permite a análise da resposta natural da bobina a um breve surto elétrico, através desta análise é possível identificar falhas de isolamento entre espiras, entre fases ou entre fase e carcaça.
Justificativa
Os motores elétricos podem apresentar vários defeitos em sua construção, e a maioria deles acontece no estator (bobina), seja no trançado do cobre, numero de voltas, quantidade e tratamento das chapas. Para diminuir o retorno de peças, a linha de produção passa por testes qualificadores. Entre esses ensaios, o Surge Test destaca-se por sua capacidade de avaliar a integridade do sistema de isolamento entre espiras, identificando alterações no comportamento elétrico do enrolamento que podem indicar defeitos de fabricação.
A construção típica de um bobinado para estatores de motores elétricos é feita de suas fases principais, essas fases são constituídas de grupos de bobinas, as quais são formadas por espiras. As falhas de isolamento em motores elétricos surgem como um curto-circuito entre espiras, avançando para esse problema entre grupos de bobinas e finalmente como curto-circuito entre em fases distintas, levando então a queima definitiva e parada de máquina.
Princípio de Funcionamento
O princípio de funcionamento se baseia em aplicar um breve surto de tensão sob a bobina, esse surto gera um gradiente de tensão ao longo do bobinado, dessa forma cria-se uma diferença de potencial entre espiras, essa diferença de potencial estressa momentaneamente o bobinado. miniaturadaimagem|centro|alt=Circuito Surge Test|Circuito simplificado de surto Uma corrente com taxa de aumento elevada é aplicada ao longo da bobina, pelo princípio da indução, uma tensão é gerada ao longo do seu enrolamento. Devido às características do circuito RLC (Resistor, Indutor, e Capacitor) essa tensão em resposta ao surto aparece no estator como uma forma de onda senoidal amortecida, a qual pode ser apresentada via um osciloscópio. miniaturadaimagem|centro|alt=Resposta senoidal - Surge Test|Resposta senoidal típica A resposta senoidal do circuito RLC, representa a característica física daquela bobina naquela condição, variações de resistência elétrica ou indução podem ser mensuradas mediante uma comparação digital das formas de onda em um sistema trifásico, ou então através de comparação de resultados com uma amostra padrão. Um exemplo da variação da resposta em decorrência da mudança de resistência ou indutância é apresentada na imagem abaixo. miniaturadaimagem|centro|Variação do sinal com indutância e resistência
Surge Test como Resposta Natural a um Impulso
O Surge Test baseia-se no princípio de que todo sistema físico possui uma resposta natural quando é submetido a uma excitação transitória. Essa resposta depende diretamente das características construtivas do sistema, como massa, rigidez e amortecimento em sistemas mecânicos, ou resistência, indutância e capacitância em sistemas elétricos.
Para compreender esse comportamento, podemos utilizar uma analogia mecânica simples.
Imagine uma régua fixada em uma extremidade sobre uma mesa. Ao aplicar um pequeno impulso na sua ponta, deslocando-a rapidamente e soltando em seguida, a régua não retorna imediatamente à posição inicial. Ela passa a oscilar em torno da sua posição de equilíbrio, produzindo uma resposta natural.
Se um lápis for fixado na extremidade da régua e uma folha de papel se deslocar continuamente na direção horizontal, o movimento vertical da ponta do lápis será registrado ao longo do tempo. O desenho obtido será uma oscilação semelhante a uma senoide amortecida.
Essa forma de onda representa a resposta transitória do sistema, ou seja, como ele naturalmente reage após receber uma excitação impulsiva.
A frequência dessa oscilação não é definida pelo impulso aplicado, mas pelas características físicas da própria régua. Se alterarmos:
o comprimento da régua; o material utilizado; sua espessura; o ponto de fixação; a massa adicionada na extremidade; presença de trincas.
a resposta obtida será modificada, alterando a frequência de oscilação e o nível de amortecimento.
Uma régua mais longa, por exemplo, apresenta menor rigidez mecânica e tende a oscilar em uma frequência menor. Já uma régua mais curta e rígida possui uma frequência natural mais elevada.
Por que Utilizar um Surto ou Impulso?
Se um sistema físico é excitado empurrando-o lentamente para um lado e mantendo essa força aplicada, ela apenas se deslocaria até uma nova posição de equilíbrio. Não seria possível observar claramente sua frequência natural.
Da mesma forma, se aplicássemos uma tensão contínua ou uma variação muito lenta ao enrolamento, o circuito responderia principalmente de acordo com suas características estáticas, como resistência e indutância equivalente, mas não revelaríamos sua assinatura dinâmica.
O impulso, por outro lado, é uma excitação extremamente rápida. Ele possui uma grande quantidade de componentes de frequência, podendo ser entendido, matematicamente, como uma soma de várias frequências diferentes.
Quando esse impulso é aplicado à régua, uma grande quantidade de modos mecânicos de vibração é excitada. Entretanto, após o impulso desaparecer, o sistema passa a responder predominantemente em sua frequência natural.
O mesmo acontece no enrolamento elétrico.
O pulso aplicado pelo Surge Tester (equipamento que realiza o ensaio Surge Test) contém uma ampla faixa de componentes de frequência. Ao ser aplicado ao enrolamento, ele excita as características distribuídas de indutância e capacitância da bobina. Após a aplicação do impulso, o circuito entra em uma condição de resposta livre, onde a energia armazenada no campo magnético da indutância é transferida para as capacitâncias distribuídas, gerando uma oscilação natural.
Matematicamente, o motivo fica ainda mais interessante: o impulso possui um espectro amplo de frequências. Pela Transformada de Fourier, um impulso ideal pode ser representado como:
ou seja, ele contém todas as frequências com a mesma amplitude. Isso permite que o impulso "revele" as frequências naturais do sistema.
No caso do enrolamento, essas frequências dependem da relação entre suas indutâncias e capacitâncias distribuídas:
Portanto, qualquer alteração física no enrolamento que modifique a distribuição de indutância L ou capacitância C resultará em uma alteração na resposta oscilatória observada durante o Surge Test.
Pode-se dizer que o impulso funciona como uma pergunta feita ao sistema:
"Se eu fornecer uma excitação rápida e deixar você livre, qual será o seu comportamento natural?"
Uma ressalva importante é que um impulso ideal, como definido matematicamente pela função delta de Dirac, não pode ser reproduzido fisicamente. Um impulso perfeito teria amplitude infinitamente elevada, duração infinitesimal e conteria todas as frequências com a mesma intensidade. Na prática, os sistemas reais produzem apenas aproximações desse comportamento, gerando pulsos de duração finita e espectro limitado. O impulso aplicado por um Surge Tester é uma dessas aproximações, projetada para possuir características suficientes para excitar as frequências naturais do circuito eletromagnético do enrolamento e permitir a análise da sua resposta transitória.
Antônio, Marcos S.; Gonzalez, Manuel L. Influência de fatores da manutenção que afetam a vida útil dos motores de indução. In: VII CONFERÊNCIA INTERNACIONAL DE APLICAÇÕES INDUSTRIAIS, 2008, Belo Horizonte. WEG S.A. Sistema de Teste em Estatores Bobinados. Setor de metrologia. Jaraguá do Sul. BAKER INSTRUMENTS COMPANY. Digital Surge/DC Hipot Tester. 1997. LHF INSTRUMENTAÇÃO, Métodos de analise Surge Test. Jaraguá do Sul, 2019.
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