Motores elétricos podem utilizar RTDs, termistores, termopares ou sensores de fibra óptica conforme a tarefa de medição. Além dos enrolamentos, podem ser relevantes as temperaturas dos mancais, da carcaça e de outras posições internas. Cada local fornece uma informação térmica diferente. A escolha exige definir o componente observado, o ambiente elétrico e o uso da leitura na proteção ou no controle do motor.
O sensor apropriado depende do local de medição, faixa de temperatura, ambiente elétrico, precisão necessária, comportamento de resposta, espaço de instalação e interface de monitoramento.
Quais sensores de temperatura são usados em motores elétricos?
Quatro tipos de sensores cobrem a maioria das medições de temperatura do motor. RTDs (detectores de temperatura de resistência) usam a mudança da resistência elétrica com a temperatura. Os termistores também utilizam mudança de resistência, mas com materiais semicondutores e uma curva de resposta diferente. Os termopares geram uma pequena tensão que depende da temperatura. Os sensores de fibra óptica usam um sinal óptico e, em projetos baseados em fluorescência, a temperatura é derivada do comportamento de fluorescência de um material na ponta de detecção.
Os motores também podem transportar sensores de temperatura de rolamento e sensores de superfície ou de alojamento. Sensores de rolamento e alojamento medem diferentes quantidades térmicas de sensores de enrolamento e estator.
Sensores RTD para Medição de Temperatura do Motor
Um RTD é um detector de temperatura de resistência. Sua resistência muda de forma estável e repetível com a temperatura, e o dispositivo de monitoramento converte a resistência medida em um valor de temperatura. Pt100 e PT1000 são designações comuns, que se referem à resistência nominal a uma temperatura de referência.
Em motores, os RTDs são comumente incorporados no enrolamento do estator ou colocados em rolamentos. Um RTD de enrolamento é instalado durante a fabricação em um local selecionado, geralmente entre os lados da bobina ou em outra posição definida pelo projeto do motor. Como a relação resistência-temperatura é estável, os RTDs são adequados para monitoramento contínuo de temperatura, e muitos relés de proteção de motores, CLPs e sistemas de monitoramento aceitam entradas de RTD diretamente.
Vários pontos precisam de atenção na seleção. Um RTD requer condutores elétricos, portanto a fiação e o isolamento dos condutores devem ser considerados, especialmente em máquinas de alta tensão. O roteamento de sinal também pode precisar de cuidados em ambientes eletricamente exigentes. Classes de precisão, tolerâncias e faixas de temperatura específicas dependem do tipo e fabricante do RTD e devem ser obtidas na documentação do produto.
Termistores em Enrolamentos de Motor
Termistores são resistores sensíveis à temperatura. Os tipos NTC diminuem a resistência à medida que a temperatura aumenta, enquanto os tipos PTC geralmente apresentam um aumento acentuado na resistência em torno de uma temperatura definida.
Termistores PTC são frequentemente usados para proteção e detecção de limite. Um circuito de controle monitora a resistência e uma mudança repentina sinaliza que o enrolamento atingiu uma condição definida. Os termistores NTC fornecem uma resistência dependente da temperatura que pode ser lida como um valor de temperatura quando um circuito adequado é usado.
Os termistores são úteis onde é necessário tamanho compacto, uma função de proteção simples ou uma mudança rápida de resistência. Nem todos devem ser tratados como dispositivos de medição de temperatura contínuos e precisos. Seu comportamento e finalidade de monitoramento dependem do tipo de sensor e do circuito de controle ao qual está conectado. Um termistor usado para proteção responde a uma pergunta diferente de um sensor usado para dados de temperatura de enrolamento contínuo.
Termopares para Medição de Temperatura do Motor
Um termopar une dois metais diferentes e a junção gera uma tensão que depende da temperatura. A junção de detecção pode ser pequena e a velocidade de resposta depende da construção. Os termopares são usados em muitas aplicações industriais e também são encontrados em motores e equipamentos acionados.
As principais considerações são elétricas. O sinal é uma tensão de baixo nível transportada por condutores e a medição precisa de um arranjo de junção de referência no instrumento. Em ambientes eletricamente exigentes, o aterramento, a blindagem e o roteamento de sinais podem influenciar o resultado. Isso não impede que termopares sejam usados em motores. Isso significa que alguns ambientes exigem mais atenção à fiação do que a detecção óptica.
Sensores de temperatura de fibra óptica para enrolamentos de motor
A tecnologia da INNO é a detecção de temperatura por fibra óptica pontual baseada em fluorescência. A sonda possui uma ponta sensora e a temperatura é medida nessa ponta. Uma fibra óptica transporta a luz de excitação para a ponta e o sinal de retorno de volta para um instrumento compatível, que o converte em um valor de temperatura.
Cada sonda mede um local físico definido. A fibra entre a ponta sensora e o instrumento transporta o sinal, mas não mede a temperatura ao longo de seu comprimento. Esta é uma detecção pontual, não uma detecção distribuída, e uma sonda não encontra automaticamente um ponto quente desconhecido. O ponto de medição deve ser escolhido antecipadamente.
Para enrolamentos, uma sonda de temperatura de fibra óptica do enrolamento do motor é instalada com sua ponta de detecção em um local de enrolamento selecionado. A construção geral e a variedade de tipos de sonda estão descritas na página para sensores de temperatura de fibra óptica .
As características relevantes para aplicações de motores incluem:
- Isolamento elétrico do caminho de detecção óptica
- Alta resistência à interferência eletromagnética
- Adequação para ambientes selecionados de alta tensão ou de forte campo eletromagnético
- Geometria de sonda pequena, que pode ajudar onde o espaço de instalação é limitado
- Monitoramento multiponto usando múltiplas pontas de prova independentes
Estas são características do método de detecção e não garantias para todas as instalações. A adequação de uma sonda de fibra óptica a um motor específico depende do local de medição, do projeto do enrolamento e da forma como a fibra pode ser roteada para fora da máquina.
RTD vs Termistor vs Termopar vs Sensor de Fibra Óptica
A tabela abaixo compara os quatro tipos de acordo com a forma como funcionam e onde são comumente considerados. É uma comparação neutra, não uma classificação, e cada linha reflete características gerais que variam de acordo com o produto específico.
| Tipo de Sensor | Princípio de Medição | Uso típico de motor | Sinal Elétrico no Ponto de Medição | Medição Contínua de Temperatura | Consideração da Seleção Principal |
|---|---|---|---|---|---|
| IDT | A resistência muda com a temperatura | Monitoramento integrado de enrolamento, estator e rolamento | Sim, os condutores elétricos vão para o elemento sensor | Sim | Fiação de condutores, isolamento e roteamento de sinal no ambiente elétrico |
| Termistor | A resistência do semicondutor muda com a temperatura | Proteção de enrolamento e detecção de limite e, em alguns projetos, leitura de temperatura | Sim, os condutores elétricos vão para o elemento sensor | Depende do tipo de sensor e do circuito de controle | Se o objetivo é proteção ou dados contínuos |
| Termopar | Tensão termoelétrica em uma junção de metais diferentes | Medição industrial geral, incluindo algumas localizações de motores e equipamentos | Sim, sinal de tensão de baixo nível nos condutores | Sim | Junção de referência, aterramento e blindagem |
| Sensor de fibra óptica | Sinal óptico da ponta de detecção, como comportamento de fluorescência | Medição direta em pontos de enrolamento selecionados, incluindo ambientes eletricamente exigentes | Não, o caminho do sinal no ponto de medição é óptico | Sim | Posicionamento de pontos, roteamento de fibra e canais de instrumentos compatíveis |
Onde os sensores de temperatura são instalados em um motor elétrico?
O local de medição geralmente restringe a escolha do sensor antes que qualquer outro fator seja considerado, porque locais diferentes têm objetivos diferentes.
Enrolamentos do Estator
O enrolamento do estator é o local principal para monitoramento da temperatura do motor. Os sensores são incorporados ou colocados em locais de enrolamento selecionados, geralmente durante a fabricação. Um sensor de temperatura do estator de qualquer tipo mede apenas onde está instalado, portanto a posição relativa ao enrolamento é tão importante quanto o tipo de sensor.
Rolamentos
O monitoramento da temperatura dos rolamentos tem um objetivo diferente do monitoramento dos enrolamentos. Ele se preocupa com a lubrificação e a condição mecânica, e os RTDs são comumente usados lá. A detecção por fibra óptica não é necessária para rolamentos em geral, e a escolha depende dos mesmos fatores que em outros lugares: localização, ambiente e sistema de monitoramento.
Carcaça do Motor
A temperatura da carcaça ou da superfície é mais fácil de acessar, mas não é diretamente igual à temperatura interna do enrolamento. A diferença depende do projeto do motor, da carga e do resfriamento. As medições do invólucro podem ser úteis para outros fins, mas não substituem um sensor no enrolamento.
Outros locais internos
Dependendo do projeto do motor, outras localizações internas podem ser de interesse, como ranhuras, enrolamentos finais ou outras localizações térmicas. Quais deles são acessíveis para colocação do sensor depende da construção e nenhuma regra geral se aplica a todos os motores.
Por que a temperatura do enrolamento é importante
A temperatura do enrolamento reflete o efeito combinado de corrente, perdas, carga, resfriamento, condições ambientais e fluxo de ar. Quando a corrente de carga aumenta, as perdas no enrolamento geralmente aumentam, assim como a geração de calor. Se o resfriamento ou o fluxo de ar forem restritos, a mesma carga poderá produzir uma temperatura de enrolamento mais alta. Um sensor no enrolamento captura o resultado de tudo isso junto, o que as medições de superfície não conseguem fazer.
Os valores de temperatura aceitáveis dependem do projeto do motor, do sistema de isolamento e da especificação aplicável, portanto devem ser retirados da documentação do motor e não de figuras gerais. Os próprios métodos de medição, incluindo resistência do enrolamento e técnicas de superfície, são abordados em nosso artigo sobre como a temperatura do enrolamento do motor é medida .
Monitoramento de múltiplos pontos de temperatura do motor
Um sensor de ponto único fornece um valor de temperatura em um local. Onde vários locais são importantes, cada um precisa de seu próprio sensor. Com detecção de ponto por fibra óptica, um ponto definido corresponde a uma sonda e um canal ativo compatível no instrumento.
Como exemplo de configuração, o monitoramento de três locais de enrolamento independentes normalmente precisaria de três pontas de prova e pelo menos três canais ativos compatíveis. Este é apenas um exemplo. O número de pontos de medição depende do projeto do motor e do objetivo de monitoramento, e nem todo motor precisa de três.
Múltiplas sondas fornecem múltiplas medições de pontos independentes, não um perfil de temperatura distribuído. Os instrumentos multicanais são descritos na página para sistemas de monitoramento de temperatura de fibra óptica , e o contexto mais amplo da aplicação é abordado em monitoramento de temperatura de motores e geradores .
Como escolher um sensor de temperatura do motor elétrico
Trabalhe nos seguintes pontos em ordem. Cada um restringe as opções.
- Local de medição: enrolamento, estator, rolamento, carcaça ou outro ponto interno.
- Faixa de temperatura esperada: confirme com a documentação do sensor.
- Comportamento de resposta necessário: a rapidez com que a leitura precisa acompanhar as alterações.
- Precisão de medição necessária: conforme indicado na especificação e confirmado para o sensor escolhido.
- Requisito de isolamento elétrico: se a fiação condutora no ponto de medição é aceitável.
- Ambiente eletromagnético: alta tensão, campos fortes ou condições de alta frequência.
- Espaço de instalação disponível: a sala no ponto de medição pretendido.
- Diâmetro e geometria do sensor: se a sonda se ajusta ao local.
- Roteamento de cabo ou fibra: como a conexão sai do motor e chega ao instrumento.
- Número de pontos de medição: cada local independente precisa de seu próprio sensor.
- Canais de monitoramento necessários: canais de entrada compatíveis suficientes para todos os sensores.
- Interface de controle, PLC ou monitoramento: o tipo de sinal que o sistema existente aceita.
Seleção de Sensor por Condição de Aplicação
A tabela lista os tipos de sensores comumente considerados para condições típicas, juntamente com a questão que decide entre eles. Não exclui outras opções.
| Condição de Aplicação | Tipos de sensores comumente considerados | Pergunta-chave |
|---|---|---|
| Monitoramento integrado do enrolamento do estator | RTD, termistor, termopar, fibra óptica | O sistema de monitoramento aceita o tipo de sinal e o local é acessível durante a fabricação? |
| Limite de proteção do motor | Termistor, RTD | Uma função de comutação é suficiente ou são necessários dados contínuos de temperatura? |
| Medição geral de temperatura industrial | RTD, termopar | De que alcance e interface a aplicação precisa? |
| Enrolamento do motor de alta tensão | RTD, fibra óptica | Como é tratado o isolamento e a isolação elétrica no ponto de medição? |
| Forte ambiente eletromagnético | Sensores elétricos blindados, fibra óptica | A fiação e a blindagem podem manter o sinal elétrico confiável ou é preferível um caminho óptico? |
| Monitoramento de enrolamento multiponto | RTD, fibra óptica | Quantos pontos independentes são necessários e há canais suficientes disponíveis? |
| Monitoramento de rolamento | RTD, termopar | Que montagem e interface a localização do rolamento permite? |
Medição de temperatura em ambientes de alta tensão e fortes EMI
Os sensores elétricos dependem de fiação condutora e sinais elétricos. Em muitos motores isso funciona bem, mas em máquinas de alta tensão ou onde estão presentes campos eletromagnéticos fortes, a fiação torna-se parte do problema de projeto. Isolamento, aterramento, blindagem e roteamento de cabos precisam de atenção, e o sinal deve permanecer confiável na presença do campo.
A detecção de fibra óptica usa um caminho óptico entre o ponto de detecção e o instrumento. Não há caminho de sinal condutor no ponto de medição, portanto, em alguns ambientes de alta tensão, campo forte ou radiofrequência, isso pode simplificar o isolamento elétrico e o roteamento do sinal. Esta é uma afirmação sobre o método de detecção, não uma afirmação de imunidade completa. As sondas de fibra óptica apresentam alta resistência a interferências eletromagnéticas, e o resultado real ainda depende da instalação.
Novo design de motor vs monitoramento de temperatura de retrofit
Em um novo motor, sensores incorporados podem ser planejados durante o projeto e a fabricação. Os pontos de medição podem ser acordados, os sensores colocados enquanto o enrolamento estiver acessível e o roteamento de fios ou fibras incorporados na construção.
Em um motor existente, o acesso ao enrolamento interno geralmente é limitado. As opções podem incluir RTDs incorporados existentes, sensores de rolamento, medição de superfície ou outros pontos internos acessíveis. Não se deve presumir que uma sonda de fibra óptica sempre possa ser adaptada a um enrolamento existente, e cada caso necessita de uma revisão de engenharia.
Restrições de instalação que podem alterar a escolha do sensor
- Escolha de um sensor antes de definir o local de medição.
- Tratando a temperatura do alojamento como temperatura do enrolamento.
- Supondo que um sensor represente todo o enrolamento.
- Ignorar os requisitos de isolamento elétrico no ponto de medição.
- Ignorar o roteamento de cabos ou fibras até o final do projeto.
- Uso de um termistor de proteção quando dados contínuos de temperatura são necessários.
- Supondo que sondas de múltiplos pontos forneçam detecção distribuída.
Conclusão
Os motores elétricos podem usar RTDs, termistores, termopares e sensores de fibra óptica, mas atendem a diferentes objetivos de medição e proteção. Os RTDs suportam monitoramento contínuo baseado em resistência elétrica. Os termistores fornecem funções compactas de detecção e proteção. Os termopares cobrem ampla medição de temperatura industrial. Sensores de fibra óptica fornecem medição pontual direta usando um caminho de sinal óptico eletricamente isolado.
A seleção do sensor começa com o ponto de medição e o ambiente operacional, não com o nome do sensor. Uma vez definidas a localização, a faixa de temperatura, as condições elétricas e a interface de monitoramento, as opções adequadas geralmente ficam claras.
Se um projeto de motor exigir medição direta de temperatura do enrolamento, o INNO pode ajudar a revisar os pontos de medição, configuração da sonda, roteamento de fibra e requisitos de canal.
Discuta seu projeto de monitoramento de temperatura do motor