Desenvolvimento de dispositivo para medição de formas de onda do campo magnético disperso de motores de indução trifásicos

Abstract

Este trabalho aborda o desenvolvimento de um dispositivo denominado AQmag, que realiza a medição de formas de onda do campo magnético disperso em motores de indução trifásicos (MITs) para estimação não intrusiva da velocidade de rotação através de análise espectral. Para este desenvolvimento, foram estudados aspectos construtivos e de funcionamento de MITs, bem como componentes presentes no espectro de frequência do fluxo magnético externo que possuem relação com a velocidade de rotação. O AQmag foi baseado em trabalhos anteriores do Grupo de Concepção e Análise de Dispositivos Eletromagnéticos (GRUCAD), visando à simplificação, portabilidade, modularidade e redução do custo em relação aos sistemas de medição anteriormente desenvolvidos. Para medição do sinal foi utilizado um sensor de campo magnético por indução fabricado pelo grupo de pesquisa. Os requisitos de projeto foram obtidos a partir dos estudos realizados dos trabalhos anteriores, pesquisa de componentes e testes ao longo do desenvolvimento. A seleção de componentes levou em conta a filosofia de construção modular, com utilização de subsistemas comerciais de fácil obtenção, com objetivo de facilitar a manutenção e reprodução do protótipo desenvolvido. Foi concebida uma placa de condicionamento de sinal específica e com característica modular, que realiza amplificação e filtragem antirrecobrimento com banda de passagem de sinais de até 1 kHz. Para conversão digital do sinal, foi escolhida uma placa microcontroladora baseada no ESP32-WROVER e um módulo de conversão analógico digital baseado no componente ADS1256. Foi desenvolvida uma placa mãe para integrar todos os módulos, circuitos de fonte de alimentação e interface com o usuário. Para adicionar robustez e tolerância a ruídos eletromagnéticos, os componentes do projeto foram enclausurados em um gabinete de alumínio. A programação do microcontrolador foi realizada no IDE Arduino. Para validação do protótipo, foram realizados testes em um MIT. A metodologia do teste foi utilizar o mesmo sensor no AQmag e em um dispositivo anteriormente desenvolvido no GRUCAD, realizando três aquisições em quatro estados operativos diferentes em cada dispositivo. Os resultados obtidos foram considerados satisfatórios, com o AQmag apresentando formas de ondas adquiridas semelhantes às obtidas com o dispositivo de referência. As velocidades estimadas a partir dos dados obtidos foram muito próximas das velocidades medidas com um tacômetro a laser. O maior desvio da velocidade estimada em relação à medida foi de 0,06 %, o que representa um desvio absoluto de 1 rpm, e estes desvios estão dentro da incerteza de medida declarada pelo fabricante do tacômetro.

This work addresses the development of a device named AQmag, which performs the measurement of external magnetic field waveforms of three-phase induction motors (IMs) for non-intrusive estimation of rotational speed through spectral analysis. In this development, constructive and operational aspects of IMs were studied, as well as components present in the frequency spectrum of the external magnetic flux that are related to rotational speed. The AQmag was based on previous work by the Electromagnetic Devices Design and Analysis Group (GRUCAD), aiming for simplification, portability, modularity, and cost reduction compared to previously developed measurement systems. For signal measurement, a magnetic field induction sensor manufactured by the research group was used. Design requirements were obtained from studies of previous works, component research, and tests conducted throughout the development. Component selection considered a modular construction philosophy, utilizing commercially available subsystems for easy acquisition, with the goal of facilitating maintenance and reproduction of the developed prototype. A specific signal conditioning board with modular characteristics was designed, which performs amplification and anti-aliasing filtering with a bandwidth of 1 kHz. For digital signal conversion, a microcontroller board based on the ESP32-WROVER and an analog-to-digital conversion module based on the ADS1256 component were chosen. A motherboard was developed to integrate all modules, power supply circuits, and user interface. To add robustness and tolerance to electromagnetic noise, project components were enclosed in an aluminum box. Microcontroller programming was carried out in the Arduino IDE. To validate the prototype, tests were conducted on an IM. The testing methodology involved using the same sensor in the AQmag and in a device previously developed at GRUCAD, performing three acquisitions in four different operating states for each device. The obtained results were deemed satisfactory, with the AQmag presenting acquired waveforms similar to those obtained with the reference device. The estimated speeds from the obtained data were very close to the speeds measured with a laser tachometer. The largest deviation of the estimated speed from the measured value was 0.06%, representing an absolute deviation of 1 rpm, and these deviations are within the measurement uncertainty declared by the tachometer manufacturer.