🔵 Análise de vibração aplicada à detecção de falhas elétricas em motores de indução: correlação com análise de circuito de motor para confirmação do diagnóstico

Engº Pedro Rodrigo Regueira Vieira de Arruda Carvalho

🔵 Resumo

🟢 Este trabalho propõe uma metodologia integrada para diagnóstico de falhas elétricas em motores de indução baseada na correlação entre análise de vibração e Análise de Circuito de Motor. A abordagem considera frequências características como a frequência de passagem de barras do rotor com bandas laterais moduladas em 2 vezes a frequência de alimentação da rede elétrica (120Hz), além de componentes associadas à frequência da rede elétrica no Brasil (60Hz). Foram analisados dois estudos de caso industriais, equipamentos distintos e áreas diferentes, gerando evidências e não coincidências. Os resultados demonstram aumento da confiabilidade diagnóstica, redução de falsos positivos e melhoria na tomada de decisão em manutenção baseada em condição.

🔵 1. Introdução

🟢 Motores de indução são amplamente utilizados em sistemas industriais críticos, sendo responsáveis por grande parte da conversão eletromecânica de energia. A confiabilidade desses ativos está diretamente associada à capacidade de detecção precoce de falhas, especialmente em ambientes de alta criticidade operacional (MOBLEY, 2002).

🟢 A análise de vibração é uma técnica consolidada para identificação de falhas mecânicas, sendo amplamente aplicada no monitoramento de condição de máquinas rotativas (RANDALL, 2011). Entretanto, sua aplicação na detecção de falhas elétricas ainda apresenta desafios, principalmente devido à baixa amplitude dos sinais e à influência de variáveis estruturais e operacionais (THOMSON; FENG, 2001).

🟢 Nesse contexto, a integração de múltiplas técnicas de monitoramento tem se mostrado uma abordagem eficaz para aumentar a confiabilidade diagnóstica (HENAO et al., 2014).

🔵 1.1. Objetivos

🟢 Este trabalho tem como objetivos:

● Demonstrar a eficácia da análise de vibração na detecção de falhas elétricas em motores de indução;
● Correlacionar assinaturas vibracionais com parâmetros elétricos obtidos por meio da técnica de MCA;
● Propor uma metodologia estruturada para diagnóstico integrado;
● Reduzir incertezas na tomada de decisão em estratégias de manutenção baseada em condição.

🔵 2. Fundamentação Teórica

🔵 Análise de vibração aplicada a motores elétricos

🟢 A análise espectral permite identificar componentes associados tanto a fenômenos mecânicos quanto eletromagnéticos, incluindo frequência de rotação, harmônicos, frequência de passagem de barras do rotor (FPBR) e bandas laterais características de modulação eletromagnética (RANDALL, 2011).

🟢 Estudos recentes demonstram que falhas elétricas no rotor, como barras rompidas ou defeitos de conexão, podem gerar assinaturas vibracionais específicas, embora sua interpretação exija cautela devido à interferência de outros fenômenos dinâmicos (DOUMBIA et al., 2017).

🟢 A análise no domínio da frequência, por meio da transformada rápida de Fourier (FFT), permite identificar frequências características associadas a diferentes modos de falha. Dentre as principais, destacam-se:

● Frequência de rotação e seus harmônicos;
● Frequência de passagem de barras do rotor (FPBR), onde:
FPBR = número de barras do rotor x frequência de rotação;
● Bandas laterais associadas a modulações eletromagnéticas e à rotação;
● Componente em 2× frequência de alimentação da rede elétrica do Brasil (120 Hz, para sistemas de 60 Hz).

🟢 Falhas no rotor, como barras rompidas, trincadas ou frouxas, resultam em assimetrias no campo magnético, produzindo variações periódicas de torque e vibração detectáveis no domínio da frequência (THOMSON; FENG, 2001).

🟢 A frequência de passagem de barras do rotor está relacionada à interação entre a geometria do rotor e o campo eletromagnético, podendo estar presente mesmo em condições normais de operação. Dessa forma, sua ocorrência isolada não caracteriza falha.

🟢 Entretanto, na presença de defeitos como barras quebradas, curto entre espiras ou assimetrias eletromagnéticas, essa frequência pode atuar como portadora de modulações, resultando no aparecimento de bandas laterais e no aumento de componentes associadas à frequência da rede elétrica.

🟢 Assim, a identificação de falhas elétricas por meio da análise de vibração não deve se basear exclusivamente na presença de frequências características, mas sim na análise conjunta de padrões espectrais, modulações e os níveis de amplitude associados, garantindo confiabilidade na interpretação dos resultados.

🔵 Análise de circuito de motor (MCA)

🟢 A Análise de Circuito de Motor (MCA) é uma técnica não invasiva utilizada para avaliação da integridade elétrica de motores, permitindo identificar desequilíbrios resistivos, indutivos e variações no ângulo de fase entre enrolamentos (IEEE Std 1415-2006).

🟢 A utilização combinada de técnicas elétricas e vibracionais tem se mostrado uma abordagem robusta para diagnóstico de falhas, aumentando a confiabilidade e reduzindo incertezas associadas à interpretação isolada dos dados (HENAO et al., 2014).

🟢 Entre os principais parâmetros analisados, destacam-se:

● Resistência elétrica;
● Indutância;
● Impedância;
● Ângulo de fase.

🟢 A interpretação desses parâmetros permite identificar variações entre fases e desvios em relação a condições de referência, possibilitando a detecção de falhas elétricas ainda em estágio inicial.

🟢 Dentre as principais falhas identificáveis por meio da técnica, destacam-se:

● Curto entre espiras;
● Falhas de isolamento;
● Desequilíbrio entre fases;
● Problemas de conexão elétrica.

🟢 Além da análise pontual dos parâmetros, a avaliação da magnitude das variações e da assimetria entre fases é fundamental para o diagnóstico. Desvios significativos de resistência, ângulo de fase ou impedância indicam degradação do sistema elétrico, sendo frequentemente associados a falhas incipientes ou em evolução.

🟢 Diferentemente da análise de vibração, que identifica indiretamente os efeitos das falhas por meio de suas manifestações mecânicas, a MCA permite uma avaliação direta do comportamento elétrico do motor. Dessa forma, sua aplicação como técnica complementar possibilita a validação dos diagnósticos obtidos por vibração, aumentando a confiabilidade e reduzindo a probabilidade de falsos positivos.

🔵 3. Metodologia

🟢 A metodologia proposta baseia-se na integração entre análise de vibração e Análise de Circuito de Motor (MCA), estruturada de forma sequencial, com o objetivo de aumentar a confiabilidade do diagnóstico de falhas elétricas em motores de indução por meio da correlação entre parâmetros mecânicos e elétricos.

🔵 3.1. Etapas do diagnóstico

🟢 ● Aquisição de dados da coleta de vibração em dois domínios distintos:

Velocidade: faixa de 0 Hz à 1 KHz, com 3200 linhas de resolução espectral;
Aceleração: faixa de 10 Hz à 10 KHz, com 6400 linhas de resolução espectral.

● Identificação da frequência de passagem de barras do rotor com amplitude superior a 0,5g e bandas laterais espaçadas em 120 Hz, indicando modulação, representando desbalanceamento resistivo;

● Identificação do pico de 120 Hz (2 vezes a frequência de alimentação da rede elétrica),com amplitude superior à componente associada à frequência de rotação;

● Para análise no domínio do tempo, o sinal de vibração foi submetido a um filtro passabanda centrado na frequência de passagem de barras do rotor (FPBR), com largura de banda de ±120 Hz, visando isolar a modulação associada à frequência da rede elétrica.

Após o processamento, o sinal filtrado foi reorganizado em função de um período de rotação, permitindo sua representação em formato de vista circular para avaliação de assimetrias associadas ao comportamento do rotor;

● Aplicação da técnica de MCA, com o motor em condição desenergizada, para avaliação dos parâmetros elétricos;

● Correlação entre resultados obtidos por vibração e MCA, visando aumentar a confiabilidade do diagnóstico;

● Validação do diagnóstico e recomendação técnica direcionada com base em evidências obtidas.

🔵 3.2. Critérios de análise

Para caracterização de falhas elétricas por meio da análise de vibração, foram considerados os seguintes critérios:

● Presença de FPBR associada a bandas laterais, cuja modulação apresentou comportamento distinto entre os estudos de caso, sendo observada em torno de 120 Hz no primeiro caso e associada à frequência de rotação no segundo caso;

● Identificação de componente em 2 vezes a frequência de alimentação da rede elétrica (120 Hz, para sistemas de 60 Hz);

● Presença de modulações associadas à FPBR, evidenciando variações no campo eletromagnético;

● Análise do sinal no domínio do tempo, com utilização de vista circular processada na FPBR, visando evidenciar padrões de modulação e assimetrias no sinal;

● Desequilíbrio resistivo entre fases, com desvios superiores a 5% como indicativo de anomalia;

● Assimetria de ângulo de fase, com desvios superiores a 2°;

● Avaliação da coerência entre os parâmetros elétricos medidos, incluindo a relação

corrente/frequência.

O diagnóstico final foi estabelecido por meio da correlação entre os critérios vibracionais e elétricos, sendo considerada condição de falha quando observada consistência entre padrões identificados em ambas as técnicas.

🔵 4. Estudo de Caso

🔵 4.1. Sistema de bombeamento de água gelada

🟢 A análise de vibração identificou:

A análise de vibração identificou:

● Espectro de velocidade evidencia presença de componente em 120 Hz (2× a frequência de alimentação da rede elétrica), com amplitude de 1,33 mm/s RMS, indicando predominância de excitação de origem eletromagnética no comportamento vibracional do equipamento;

● Espectro de aceleração evidencia a presença da frequência de passagem de barras do rotor (FPBR), localizada em 1311 Hz, associada a bandas laterais espaçadas em torno de 120 Hz. A presença dessa modulação caracteriza um padrão típico de excitação eletromagnética, sendo compatível com falhas associadas ao rotor, comobarras quebradas ou frouxas, além de assimetrias eletromagnéticas (DOUMBIA et al.,2017).

● A análise por vista circular , processada na frequência de passagem de barras do rotor (FPBR), evidencia a distribuição angular da energia vibracional associada às barras do rotor. Observa-se um padrão assimétrico, com variações significativas de amplitude entre as 22 barras, indicando não uniformidade eletromagnética. Esse comportamento é característico de falhas no rotor, como barras trincadas ou defeitos de conexão, resultando em desbalanceamento eletromagnético.

O relatório da análise por MCA evidenciou conforme :

● Desequilíbrio resistivo de 93,7%;

● Assimetria de ângulo de fase de 12,3°;

● Indícios de falha no rotor ou mal contato interno.

Os resultados obtidos por MCA confirmam a presença de desequilíbrio elétrico significativo entre fases, reforçando o diagnóstico de falha no circuito do rotor, em concordância com os padrões identificados na análise vibracional (IEEE Std 1415-2006).

🔵 4.2. Sistema de aquecimento

🟢 A análise de vibração identificou:

● Espectro de envelope evidencia pico em 120 Hz seguido de harmônicos;

● Espectro de aceleração evidencia a presença da frequência de passagem de barras do rotor (FPBR), localizada em 1276,36 Hz, associada a bandas laterais espaçadas em torno da frequência de rotação do motor. A presença dessa modulação caracteriza um padrão típico de excitação eletromagnética, sendo compatível com falhas associadas ao rotor, como barras quebradas ou frouxas, além de assimetrias eletromagnéticas (DOUMBIA et al., 2017).

O relatório da análise por MCA evidenciou conforme :

● Desequilíbrio resistivo (R) de 58,37% em uma das fases;

● Assimetria de ângulo de fase, com desvio de 1,75°;

● Relação corrente/frequência (I/F) de 1,57%;

● Indícios de falha elétrica incipiente.

A aplicação da metodologia proposta, baseada na integração entre análise de vibração e Análise de Circuito de Motor (MCA), demonstrou elevada eficácia na identificação de falhas elétricas em motores de indução, especialmente em estágios iniciais de degradação. Embora não tenha sido possível realizar a análise comparativa antes e depois da intervenção, em função da substituição dos motores para reparo externo, os resultados obtidos permitiram a identificação antecipada de falhas elétricas no rotor, evitando a evolução para falhas catastróficas (IEEE Std 1415-2006).

🔵 5. Resultados e discussão

🟢 A aplicação da metodologia proposta, os resultados obtidos permitiram a identificação antecipada de falhas elétricas no rotor, evitando a evolução para falhas catastróficas. A detecção precoce possibilitou a tomada de decisão assertiva quanto à substituição dos equipamentos, reduzindo o risco de paradas não planejadas e danos secundários ao sistema.

A análise vibracional possibilitou a detecção de padrões característicos associados a assimetrias eletromagnéticas, como a presença de componentes na frequência de passagem de barras do rotor (FPBR), bandas laterais e elevação de componentes relacionadas à frequência da rede. Entretanto, de forma isolada, tais indicadores apresentam limitações quanto à especificidade do diagnóstico.

Nesse contexto, a aplicação da técnica de MCA mostrou-se fundamental como ferramenta de confirmação diagnóstica, permitindo a identificação de desequilíbrios resistivos, indutivos e variações no ângulo de fase entre as fases do motor. A correlação entre os fenômenos vibracionais e os parâmetros elétricos possibilitou a validação dos diagnósticos e reduziu significativamente a probabilidade de falsos positivos.

Além disso, a abordagem integrada contribuiu para um processo decisório mais assertivo, direcionando as recomendações de manutenção com maior confiabilidade e embasamento técnico, em linha com abordagens multitécnicas que aumentam a confiabilidade diagnóstica (HENAO et al., 2014).

A abordagem adotada contribuiu diretamente para a mitigação de risco operacional, uma vez que falhas no rotor, quando não identificadas, podem evoluir para falhas severas, incluindo travamento do motor, danos ao estator e impactos no processo produtivo. Do ponto de vista operacional, observou-se impacto direto nos principais indicadores de desempenho, destacando:

● Redução de intervenções desnecessárias, evitando desmontagens prematuras;

● Aumento da disponibilidade dos ativos, por meio de diagnósticos direcionados;

● Otimização dos custos de manutenção, com melhor planejamento das ações

corretivas;

● Maior confiabilidade no monitoramento de ativos críticos.

Os resultados obtidos estão em consonância com a literatura técnica, que destaca a importância da integração de múltiplas técnicas para o aumento da confiabilidade diagnóstica em sistemas rotativos.

Nesse contexto, a integração entre análise de vibração e MCA demonstrou ser uma ferramenta eficaz para suporte à tomada de decisão em manutenção baseada em condição, mesmo na ausência de histórico comparativo pós-intervenção. (HENAO et al., 2014).

🔵 6. Conclusão

🟢A análise de vibração, embora tradicionalmente empregada na identificação de falhas mecânicas, demonstrou neste trabalho potencial significativo para a detecção de falhas elétricas em motores de indução, especialmente quando associada a técnicas complementares.

Devido à natureza complexa dos sinais vibracionais e à influência de variáveis operacionais e estruturais, sua aplicação isolada pode apresentar limitações quanto à precisão diagnóstica. Nesse cenário, a integração com a técnica de Análise de Circuito de Motor (MCA) mostrou-se altamente eficaz, permitindo a correlação direta entre fenômenos físicos e elétricos.

Os estudos de caso apresentados evidenciaram que a abordagem integrada aumenta significativamente a confiabilidade dos diagnósticos, reduz incertezas e contribui para a tomada de decisão baseada em condição.

Dessa forma, conclui-se que a combinação entre análise de vibração e MCA representa uma estratégia robusta para a manutenção preditiva de motores de indução, com elevado potencial de aplicação industrial. Além disso, o tema se apresenta como uma oportunidade relevante para o desenvolvimento de novas metodologias e aprofundamento técnico, contribuindo para a evolução das práticas de monitoramento e diagnóstico de falhas elétricas.

Observa-se que a literatura técnica ainda apresenta limitações quanto à integração estruturada entre análise de vibração e MCA para diagnóstico de falhas elétricas, especialmente no que se refere à definição de critérios aplicáveis em ambiente industrial. Nesse contexto, o presente trabalho contribui ao propor uma abordagem prática, reprodutível e validada em campo, reduzindo incertezas na tomada de decisão em manutenção preditiva.

🔵 7. Referências

🟢 MOBLEY, R. Keith.
🟢 RANDALL, Robert B.
🟢 THOMSON; FENG
🟢 DOUMBIA et al.
🟢 HENAO et al.
🟢 ISO 20816-1
🟢 IEEE 112
🟢 IEEE 1415

🔵 9. FAQ (PERGUNTAS FREQUENTES)

🔵 A análise de vibração consegue detectar falhas elétricas?

🟢 Sim, principalmente através da identificação de frequências como FPBR e componentes em 120 Hz associadas a fenômenos eletromagnéticos.

🔵 O que é a frequência de passagem de barras do rotor (FPBR)?

🟢 É a frequência gerada pela interação entre as barras do rotor e o campo magnético, sendo um dos principais indicadores de falhas no rotor.

🔵 MCA substitui a análise de vibração?

🟢 Não. A MCA complementa a vibração, sendo essencial para confirmação diagnóstica elétrica.

🔵 Qual o maior erro na análise de motores?

🟢 Utilizar apenas uma técnica isolada, sem correlação de dados.

🔵 Quando devo aplicar essa metodologia?

🟢 Em motores críticos, de operação contínua ou com histórico de falhas recorrentes.

🔵 Falhas elétricas sempre aparecem na vibração?

🟢 Nem sempre de forma evidente. Por isso a importância da análise integrada.

🔵 10. AÇÃO FINAL

🟢 Se você está enfrentando falhas recorrentes em motores ou quer evitar paradas inesperadas na sua planta industrial:

👉 Faça um diagnóstico técnico completo com análise integrada (Vibração + MCA)
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Autor:

Engº Pedro Carvalho

• Técnico em Mecânica Industrial pelo IFPE;
• Graduando em Engenharia Mecânica pela Universidade Estácio;
• Técnico em Preditiva Pleno pela ObenGroup, com mais de 5 anos de experiência;
• Certificações SKF e FUPAI em Análise de Vibrações.

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Conteúdo publicado com autorização do Autor.