INVERSORES DE FREQÜÊNCIA COM MOTORES DE MT
Apesar do fato dos motores CA estarem conosco por mais de um século, serem de operação simples, confiáveis, eficientes e limpos; atualmente eles atendem parcialmente as necessidades da globalização da economia, onde a repetibilidade nos processos industriais com redução de refugo (qualidade), automação em geral e a eficiência são fatores determinantes.
Esses fatores demandam mais energia com todos os impactos ambientais oriundos dessa necessidade energética e portanto racionalizar energia é imprescindível nesse novo ambiente industrial.
Fazer-se uso da flexibilidade adicional e racionalização da energia possíveis com os VFD é fácil quando cinco aspectos básicos adiante explicados forem considerados no estágio de especificação
DESEMPENHO TÍPICOS DOS VFD
Com motores de indução padrão ou motores síncronos padrão.
- 98% de eficiência de conversão.
- 93% de η global para o conversor e motor (típico).
- Total controle da velocidade.
- Alto torque de partida com baixa corrente de partida (partida suave).
- Ampla faixa de velocidades com alto torque com uso de motores de ventilação forçada.
MOTOR DE INDUÇÃO
Se um motor de indução for alimentado por um um inversor, a forma de onda da tensão e da corrente do enrolamento do motor não são senoidais. Isto faz com que as perdas no motor aumentem e provoca maior aquecimento. Além disto, a alta taxa de aumento da tensão chaveada (dV/dt) pode causar uma fadiga maior que a normal no isolamento elétrico do enrolamento. Ainda mais, a distorção da forma de onda provoca variações indesejáveis no torque. Há diversas soluções tecnológicas inovadoras e efetivas para minimizar estes problemas, do que colocar um filtro constituído de capacitores e indutores entre a saída do inversor e o motor de indução.
Quando tensões trifásicas senoidais são aplicadas ao estator de um motor de indução, cria-se um campo magnético com movimento giratório perpendicular ao eixo do motor. A velocidade de rotação deste campo magnético é diretamente proporcional à freqüência das tensões aplicadas. A relação de proporcionalidade depende do número de pares de polos excitados pelos enrolamentos do estator.
A velocidade máxima para um motor de indução com 60 Hz é 3600 RPM (um par de polos). As outras velocidades possíveis com 60 Hz podem ser determinadas dividindo-se 3600 por 1, 2, 3, etc. (estes números representam os pares de polos). Portanto, as RPM são: 3600, 1800, 1200, 900, etc. A velocidade de rotação do campo magnético é conhecida como a velocidade síncrona. O motor de indução com rotor gaiola nunca gira na velocidade síncrona ainda que sua velocidade se aproxime desta. Isto ocorre porque a operação deste motor depende das correntes induzidas no rotor e não há indução de corrente se o motor rotor girar na velocidade síncrona. Como o rotor não gira à velocidade síncrona, diz-se que há um “escorregamento” no motor de gaiola. Se a carga acionada pelo motor necessitar de um aumento de torque repentino, a velocidade de rotação tende a diminuir, as correntes induzidas no rotor aumentam e portanto há um aumento no torque para satisfazer essa necessidade. Como a velocidade diminui, fala-se de um aumento no “escorregamento”.
A velocidade do motor de indução acionado pelo VFD varia com o ajuste da freqüência e tensão aplicadas ao motor. A relação de tensão e freqüência (V/Hz) é mantida constante. O sistema de controle é projetado para satisfazer as necessidades do cliente.
O VFD ajusta automaticamente a freqüência de partida a um valor baixo, até 0 Hz em inversores de controle vetorial (Torque Nominal à Rotação nula). A freqüência então aumenta gradualmente até o valor demandado ajustado no sistema de controle ou até um valor mínimo (se a freqüência demandada for menor que o valor mínimo, a freqüência será aumentada até o valor mínimo). Após a partida do motor, a freqüência pode variar de um valor mínimo até um valor máximo, tipicamente 60 Hz. A velocidade do motor muda de modo proporcional à alteração da freqüência.
Os sistemas de “Bypass” dos VFDs possibilitam partir o motor direto na linha de alimentação. No entanto, é melhor partir o motor com o VFD pois este proporciona uma partida “suave”. A partida suave tem menor possibilidade de danificar o motor ou o que for acionado por este causando uma menor queda instantânea na tensão da linha. É chamado de “partida suave” porque o VFD limita a corrente do motor enquanto aumenta gradualmente a freqüência e a tensão em sua saída.
Esses fatores demandam mais energia com todos os impactos ambientais oriundos dessa necessidade energética e portanto racionalizar energia é imprescindível nesse novo ambiente industrial.
Fazer-se uso da flexibilidade adicional e racionalização da energia possíveis com os VFD é fácil quando cinco aspectos básicos adiante explicados forem considerados no estágio de especificação
DESEMPENHO TÍPICOS DOS VFD
Com motores de indução padrão ou motores síncronos padrão.
- 98% de eficiência de conversão.
- 93% de η global para o conversor e motor (típico).
- Total controle da velocidade.
- Alto torque de partida com baixa corrente de partida (partida suave).
- Ampla faixa de velocidades com alto torque com uso de motores de ventilação forçada.
MOTOR DE INDUÇÃO
Se um motor de indução for alimentado por um um inversor, a forma de onda da tensão e da corrente do enrolamento do motor não são senoidais. Isto faz com que as perdas no motor aumentem e provoca maior aquecimento. Além disto, a alta taxa de aumento da tensão chaveada (dV/dt) pode causar uma fadiga maior que a normal no isolamento elétrico do enrolamento. Ainda mais, a distorção da forma de onda provoca variações indesejáveis no torque. Há diversas soluções tecnológicas inovadoras e efetivas para minimizar estes problemas, do que colocar um filtro constituído de capacitores e indutores entre a saída do inversor e o motor de indução.
Quando tensões trifásicas senoidais são aplicadas ao estator de um motor de indução, cria-se um campo magnético com movimento giratório perpendicular ao eixo do motor. A velocidade de rotação deste campo magnético é diretamente proporcional à freqüência das tensões aplicadas. A relação de proporcionalidade depende do número de pares de polos excitados pelos enrolamentos do estator.
A velocidade máxima para um motor de indução com 60 Hz é 3600 RPM (um par de polos). As outras velocidades possíveis com 60 Hz podem ser determinadas dividindo-se 3600 por 1, 2, 3, etc. (estes números representam os pares de polos). Portanto, as RPM são: 3600, 1800, 1200, 900, etc. A velocidade de rotação do campo magnético é conhecida como a velocidade síncrona. O motor de indução com rotor gaiola nunca gira na velocidade síncrona ainda que sua velocidade se aproxime desta. Isto ocorre porque a operação deste motor depende das correntes induzidas no rotor e não há indução de corrente se o motor rotor girar na velocidade síncrona. Como o rotor não gira à velocidade síncrona, diz-se que há um “escorregamento” no motor de gaiola. Se a carga acionada pelo motor necessitar de um aumento de torque repentino, a velocidade de rotação tende a diminuir, as correntes induzidas no rotor aumentam e portanto há um aumento no torque para satisfazer essa necessidade. Como a velocidade diminui, fala-se de um aumento no “escorregamento”.
A velocidade do motor de indução acionado pelo VFD varia com o ajuste da freqüência e tensão aplicadas ao motor. A relação de tensão e freqüência (V/Hz) é mantida constante. O sistema de controle é projetado para satisfazer as necessidades do cliente.
O VFD ajusta automaticamente a freqüência de partida a um valor baixo, até 0 Hz em inversores de controle vetorial (Torque Nominal à Rotação nula). A freqüência então aumenta gradualmente até o valor demandado ajustado no sistema de controle ou até um valor mínimo (se a freqüência demandada for menor que o valor mínimo, a freqüência será aumentada até o valor mínimo). Após a partida do motor, a freqüência pode variar de um valor mínimo até um valor máximo, tipicamente 60 Hz. A velocidade do motor muda de modo proporcional à alteração da freqüência.
Os sistemas de “Bypass” dos VFDs possibilitam partir o motor direto na linha de alimentação. No entanto, é melhor partir o motor com o VFD pois este proporciona uma partida “suave”. A partida suave tem menor possibilidade de danificar o motor ou o que for acionado por este causando uma menor queda instantânea na tensão da linha. É chamado de “partida suave” porque o VFD limita a corrente do motor enquanto aumenta gradualmente a freqüência e a tensão em sua saída.
VARIAÇÃO DE VELOCIDADE: NECESSIDADE DE UMA ESPECIFICAÇÃO ORIENTADORA
O advento de acionamentos de velocidade variável, confiáveis e de custo efetivo, mudaram rapidamente estes procedimentos. Estes acionamentos, regulam a velocidade do motor, controlando a tensão e a freqüência de alimentação e tem alargado vastamente a abrangência das aplicações e capacidades dos motores CA. Isto pode ser feito sem adição de redutores, embreagens ou outro dispositivo no acionamento.
Obviamente, motores CA tem custo menor, menos manutenção e não tem faiscamento como os motores em corrente contínua. Os motores CA tem também menor custo e manutenção mais simples que os motores de combustão, sem qualquer emissão poluente local.
A eliminação de meios mecânicos ineficientes de controle de vazão/pressão, contribui significativamente para o aumento da eficiência do sistema, dessa forma reduzindo o custo operacional e impacto ambiental.
O uso de freqüência variável, entretanto, impacta o projeto, desempenho e confiabilidade dos motores CA. Muitos efeitos são positivos: velocidades baixas significam ciclos menores (portanto fadiga minimizada) dos rolamentos, ventoinhas e outros elementos girantes.
A "Partida Suave" de um motor elimina os altos esforços da partida nos enrolamentos estatóricos e barras do rotor que são usuais quando parte-se motores conectados diretamente à rede.
Acionamentos de freqüência ajustável podem influenciar positivamente a vida útil do motor, quando adequadamente aplicados. Há, contudo, uns poucos fatores importantes que devem ser considerados quando do uso de motores com acionamentos.
Estes problemas são bem definidos e administráveis e a seguir abordados.
A vivência de problemas com a instalação de acionamentos será significativamente reduzida pela consideração adequada desses fatores já na fase de confecção da Especificação Técnica.
MOTOR & ACIONAMENTO
A indústria mundial tem há muito, reconhecido a importância dos motores elétricos nas suas operações fabris. Recentemente, motores elétricos tem recebido crescente atenção nos esforços para melhorar seu desempenho e confiabilidade (e portanto maior qualidade do processo produtivo). Com esta finalidade, muitas indústrias individualmente, tem criado Especificações detalhadas para motores a fim de assegurar qualidade e confiabilidade. Muitas horas-homem de engenharia foram direcionadas no desenvolvimento dessas Normas e o trabalho continua em revisões e atualizações. Ainda assim, estas Especificações raramente contemplam os requisitos especiais exigidos nas aplicações com velocidade variável através de Inversores de Freqüência.
ASPECTOS NA ESPECIFICAÇÃO DE MOTORES COM ACIONAMENTOS
Aplicações com velocidade variável possuem a maioria dos problemas das aplicações com motor à velocidade fixa, tais como, requisitos específicos da carga, integridade da isolação, vibrações, qualidade dos materiais e da construção, etc. A maioria das Especificações aborda estes tópicos de forma razoável e objetiva.
Há cinco aspectos adicionais que devem ser levados atentamente em consideração quando especifica-se motores para aplicações com velocidade variável:
1) Tensão de "Modo Comum",
2) Harmônicas,
3) Freqüências de Chaveamento e Ondas Estacionárias,
4) Faixa de velocidade e
5) Aspectos na Partida
TENSÃO DE MODO COMUM
Quando operado diretamente conectado à rede, o motor é alimentado pela tensão de entrada trifásica. Uma fonte de alimentação regular trifásica, a soma de todos os vetores de fase é zero, o Neutro é estacionário e é usualmente mantido aterrado. Quando em operação, um Inversor conduz somente duas fases simultaneamente, portanto, a soma vetorial não é zerada.
O centro do Link CC movimenta-se e tem valores de tensão positivos e negativos com relação ao Terra (tensão de "Modo Comum"), com magnitudes que variam com o ângulo de disparo no caso de ponte retificadora de SCRs. A magnitude da tensão de Modo Comum em cada perna da ponte pode ser igual à metade da tensão nominal Fase-Neutro. Assim, a tensão total aplicada nas fases do motor com conversor CA-CA pode ser VFN + 0,5 VFN + 0,5 VFN, ou duas vezes a tensão nominal de fase.
Isto é um problema, pois motores não são normalmente projetados para operar com o dobro da tensão nominal. Uma forma de solucionar isso é especificar motores com isolação extra, suficiente para suportar duas vezes a tensão nominal.
Tais motores podem eventualmente ser caros, pois tensões mais altas, requerem espessura adicional de isolação, significando canais mais largos do estator, traduzindo-se no final em carcaças maiores e mais dispendiosas, especialmente para motores em 4,0 kV e acima.
Outra solução é utilizar-se um transformador de entrada e aterrar o Neutro da Ponte Inversora. Um transformador pode ser isolado para níveis de tensão mais altos sem comprometimento significativo do desempenho ou com custo proibitivo. Com um transformador de saída entre o conversor e o motor, a tensão de Modo Comum é isolada do motor e alocada no enrolamento do transformador no lado do conversor.
Aplicando-se um transformador de entrada e aterrando-se o Neutro da Ponte Inversora de saída, a tensão de Modo Comum também é forçada para o transformador. Este arranjo tem a vantagem de isolar o acionamento da rede e reduzir as harmônicas no barramento.
Desde que transformadores de entrada são freqüentemente requeridos para reduzir as harmônicas na rede, esta é comumente a solução menos custosa e mais usual atualmente. Nas aplicações com VFD em reformas de motores existentes, a solução exige o citado no parágrafo anterior.
A prioridade na elaboração das Especificações Técnicas neste caso é explicitamente indicar a responsabilidade pela solução deste item.
Devido ao fato do acionamento ser usualmente o item mais caro do Sistema de Acionamento, é o vendedor do acionamento normalmente indicado como responsável. Dessa forma, a responsabilidade pela tensão de Modo Comum recairia no fabricante do acionamento, que como comprador (tipicamente) de ambos, motor e transformadores, esta em melhores condições de dirigir a solução da tensão de "Modo Comum".
O advento de acionamentos de velocidade variável, confiáveis e de custo efetivo, mudaram rapidamente estes procedimentos. Estes acionamentos, regulam a velocidade do motor, controlando a tensão e a freqüência de alimentação e tem alargado vastamente a abrangência das aplicações e capacidades dos motores CA. Isto pode ser feito sem adição de redutores, embreagens ou outro dispositivo no acionamento.
Obviamente, motores CA tem custo menor, menos manutenção e não tem faiscamento como os motores em corrente contínua. Os motores CA tem também menor custo e manutenção mais simples que os motores de combustão, sem qualquer emissão poluente local.
A eliminação de meios mecânicos ineficientes de controle de vazão/pressão, contribui significativamente para o aumento da eficiência do sistema, dessa forma reduzindo o custo operacional e impacto ambiental.
O uso de freqüência variável, entretanto, impacta o projeto, desempenho e confiabilidade dos motores CA. Muitos efeitos são positivos: velocidades baixas significam ciclos menores (portanto fadiga minimizada) dos rolamentos, ventoinhas e outros elementos girantes.
A "Partida Suave" de um motor elimina os altos esforços da partida nos enrolamentos estatóricos e barras do rotor que são usuais quando parte-se motores conectados diretamente à rede.
Acionamentos de freqüência ajustável podem influenciar positivamente a vida útil do motor, quando adequadamente aplicados. Há, contudo, uns poucos fatores importantes que devem ser considerados quando do uso de motores com acionamentos.
Estes problemas são bem definidos e administráveis e a seguir abordados.
A vivência de problemas com a instalação de acionamentos será significativamente reduzida pela consideração adequada desses fatores já na fase de confecção da Especificação Técnica.
MOTOR & ACIONAMENTO
A indústria mundial tem há muito, reconhecido a importância dos motores elétricos nas suas operações fabris. Recentemente, motores elétricos tem recebido crescente atenção nos esforços para melhorar seu desempenho e confiabilidade (e portanto maior qualidade do processo produtivo). Com esta finalidade, muitas indústrias individualmente, tem criado Especificações detalhadas para motores a fim de assegurar qualidade e confiabilidade. Muitas horas-homem de engenharia foram direcionadas no desenvolvimento dessas Normas e o trabalho continua em revisões e atualizações. Ainda assim, estas Especificações raramente contemplam os requisitos especiais exigidos nas aplicações com velocidade variável através de Inversores de Freqüência.
ASPECTOS NA ESPECIFICAÇÃO DE MOTORES COM ACIONAMENTOS
Aplicações com velocidade variável possuem a maioria dos problemas das aplicações com motor à velocidade fixa, tais como, requisitos específicos da carga, integridade da isolação, vibrações, qualidade dos materiais e da construção, etc. A maioria das Especificações aborda estes tópicos de forma razoável e objetiva.
Há cinco aspectos adicionais que devem ser levados atentamente em consideração quando especifica-se motores para aplicações com velocidade variável:
1) Tensão de "Modo Comum",
2) Harmônicas,
3) Freqüências de Chaveamento e Ondas Estacionárias,
4) Faixa de velocidade e
5) Aspectos na Partida
TENSÃO DE MODO COMUM
Quando operado diretamente conectado à rede, o motor é alimentado pela tensão de entrada trifásica. Uma fonte de alimentação regular trifásica, a soma de todos os vetores de fase é zero, o Neutro é estacionário e é usualmente mantido aterrado. Quando em operação, um Inversor conduz somente duas fases simultaneamente, portanto, a soma vetorial não é zerada.
O centro do Link CC movimenta-se e tem valores de tensão positivos e negativos com relação ao Terra (tensão de "Modo Comum"), com magnitudes que variam com o ângulo de disparo no caso de ponte retificadora de SCRs. A magnitude da tensão de Modo Comum em cada perna da ponte pode ser igual à metade da tensão nominal Fase-Neutro. Assim, a tensão total aplicada nas fases do motor com conversor CA-CA pode ser VFN + 0,5 VFN + 0,5 VFN, ou duas vezes a tensão nominal de fase.
Isto é um problema, pois motores não são normalmente projetados para operar com o dobro da tensão nominal. Uma forma de solucionar isso é especificar motores com isolação extra, suficiente para suportar duas vezes a tensão nominal.
Tais motores podem eventualmente ser caros, pois tensões mais altas, requerem espessura adicional de isolação, significando canais mais largos do estator, traduzindo-se no final em carcaças maiores e mais dispendiosas, especialmente para motores em 4,0 kV e acima.
Outra solução é utilizar-se um transformador de entrada e aterrar o Neutro da Ponte Inversora. Um transformador pode ser isolado para níveis de tensão mais altos sem comprometimento significativo do desempenho ou com custo proibitivo. Com um transformador de saída entre o conversor e o motor, a tensão de Modo Comum é isolada do motor e alocada no enrolamento do transformador no lado do conversor.
Aplicando-se um transformador de entrada e aterrando-se o Neutro da Ponte Inversora de saída, a tensão de Modo Comum também é forçada para o transformador. Este arranjo tem a vantagem de isolar o acionamento da rede e reduzir as harmônicas no barramento.
Desde que transformadores de entrada são freqüentemente requeridos para reduzir as harmônicas na rede, esta é comumente a solução menos custosa e mais usual atualmente. Nas aplicações com VFD em reformas de motores existentes, a solução exige o citado no parágrafo anterior.
A prioridade na elaboração das Especificações Técnicas neste caso é explicitamente indicar a responsabilidade pela solução deste item.
Devido ao fato do acionamento ser usualmente o item mais caro do Sistema de Acionamento, é o vendedor do acionamento normalmente indicado como responsável. Dessa forma, a responsabilidade pela tensão de Modo Comum recairia no fabricante do acionamento, que como comprador (tipicamente) de ambos, motor e transformadores, esta em melhores condições de dirigir a solução da tensão de "Modo Comum".
HARMÔNICAS
Os efeitos das harmônicas geradas pelos acionamentos afetam a rede (qualidade da forma de onda) e o(s) motor(es) conectados a ele.
Harmônicas à rede: o acionamento deverá atender as exigências da última revisão da IEEE 519 para cálculo e medição da distorção harmônica total de tensão e corrente, e atender aos seguintes limites de distorção:
THD (Volts) = 3% de distorção total.
THD (Amps) = 5% de distorção total.
O ponto de conexão comum (PCC) para todas as medições de distorção harmônica é o primário do transformador de entrada do Inversor. Esse requerimento implica na necessidade de avaliar-se vários aspectos da rede no ponto de conexão e topologia do acionamento, além de outros quisitos além de fazer-se uma análise de harmônicas para acionamentos com pontes de entrada por diodos com até 12 pulsos.
Harmônicas na saída podem afetar a operação, vida útil e desempenho do motor.
Os efeitos das harmônicas nos motores podem ser divididos em 3 categorias:
- Aquecimento,
- Dielétrico
- e Mecânicos.
O valor das harmônicas de tensão e corrente variam tremendamente conforme o tipo de inversor. Muitos dos acionamentos para grandes potências em MT e mesmo BT tem harmônicas de corrente à velocidade e carga nominais.
Enquanto as harmônicas quase sempre aumentam em baixas freqüências, as aplicações em cargas centrífugas tem tal redução de potência à baixas velocidades que o valor total da corrente (Fundamental + Harmônicas) estará bem abaixo do valor nominal da corrente do motor e dentro de sua capacidade de auto-refrigeração.
As harmônicas de corrente são aditivos à corrente fundamental e, portanto geram calor adicional nos enrolamentos do motor. Se as harmônicas forem negligenciáveis, haverá calor adicional negligenciável no motor.
Entretanto, se o tipo de acionamento e as harmônicas permissíveis no motor são especificados em separado, a Especificação do motor deve considerar todo o leque de acionamentos possíveis que podem acionar o motor.
É necessário que o fornecedor do Drive informe o fornecedor do motor com dados sobre as harmônicas geradas para permitir que o motor seja projetado com a adequada capacidade de absorção/dissipação de calor para contrabalancear qualquer perda ou aquecimento adicional. Um motor operando com velocidade variável através de inversor de freqüência deve atender os mesmos limites de elevação de temperatura que um motor operando com onda senoidal pura.
Além disso, para aplicações críticas, os resultados de testes devem demonstrar que o DT do motor durante a operação com o acionamento, não irá exceder o valor especificado.
Nos motores, quase todo assunto relacionado com seu projeto elétrico, tem seu paralelo mais delicado do lado mecânico.
As harmônicas de corrente podem originar emissão maior de ruído audível. Os motores devem demonstrar que o limite do nível de ruído é atendido quando estes são acionados por VFDs. Harmônicas geram "Torque Pulsante". O torque pulsante causa excitações torcionais que podem ter conseqüências destrutivas se não forem apropriadamente controladas.
Em casos extremos, a magnitude da pulsação é suficientemente grande para criar contra-torques. Em aplicações com baixa inércia tais como bombas centrífugas diretamente acopladas, usualmente há pouco perigo. Porém, aplicações em ventiladores ou em compressores de alta velocidade com redutores de alta inércia há risco potencial. Esta situação potencialmente perigosa pode ser analisada e evitada com segurança.
Uma analise torcional é normalmente realizada nos elementos mais importantes do trem de acionamento. Com VFD, itens adicionais devem ser acrescentados para analise. O Torque Pulsante deve ser incluído, pois as magnitudes deste e a fadiga resultante podem então ser calculadas. Quando um problema é identificado, a seleção do tipo acoplamento pode ser freqüentemente utilizada para ajustar rigidez e/ou amortecimento do acoplamento do trem. Em outros casos, pode ser requerida a modificação do diâmetro do eixo e fatores de concentração de tensões, para evitar-se falhas por fadiga nos elementos do trem de acionamento.
O torque pulsante pode também causar problemas em rotores com barras inclinadas com relação ao eixo (não comum em motores de grande porte), dessa forma haverá componentes de força radial e axial.
Apesar da componente axial ser tão somente uma fração da componente radial, numa situação extrema, movimentos axiais ou oscilações do eixo podem ocorrer, em detrimento dos rolamentos e selos. Por esta razão rotores com barras inclinadas não devem ser utilizados.
FREQÜÊNCIAS DE CHAVEAMENTO E ONDAS ESTACIONÁRIAS
Além da possibilidade de gerar calor adicional, as formas de onda dos acionamentos podem ter outros efeitos diretos no sistema de isolação de motores. Todos os acionamentos estáticos utilizam-se de dispositivos eletrônicos de chaveamento na sua seção de inversão. A ação de chaveamento (liga-desliga) pode produzir picos e transientes de tensão e corrente que afetam de forma variada a isolação do motor. Alguns tipos de inversores tem muito freqüentes, porém pequenos picos, enquanto outros tem picos de maior magnitude e de freqüência mais espaçada, enquanto outros ainda, quase que eliminam completamente picos no motor, por filtragem ou tecnologia de PWM de multi-nível.
Picos de tensão ou dV/dt, terão impacto na vida útil dos enrolamentos do motor. A freqüência e amplitude desses surtos todos, influenciam a vida do isolamento e provável forma do defeito.
O dV/dt de alguns tipos de PWM e as freqüências envolvidas podem rapidamente envelhecer alguns sistemas de isolação de motores. Além disso, a alta freqüência de chaveamento pode gerar Ondas Estacionárias nos cabos que correm para o motor.
Na maioria dos acionamentos do tipo PWM tais ondas estacionárias podem impor tensões nos terminais do motor de até 400% da sua tensão nominal.
Assim, é essencial que se considere o comprimento dos cabos quando utilizar-se drives tipo PWM.
De novo, o tipo de acionamento será especificado por outrem e é o executor da especificação do acionamento que deve decidir quais tecnologias são aceitáveis ou preferíveis para qualquer instalação. Este é um assunto difícil de resolver durante a confecção da Especificação do motor.
Uma recomendação conservadora e justa seria requerer do fabricante do acionamento que especificasse ao fabricante do motor qualquer requisito especial de isolação e prover o usuário com dados demonstrando operação para qualquer tipo de acionamento proposto na potência e classe de tensão especificadas.
Quando necessário o usuário deve prover o fabricante do inversor com os comprimentos estimados dos cabos.
FAIXA DE VELOCIDADE
O projeto de motores operando numa larga faixa de variação de velocidade traz cuidados adicionais além daqueles tomados com motores em velocidade constante. As considerações relativas à faixa de variação de velocidade será dividida em 4 partes:
- requisitos da carga,
- cuidados em altas velocidades,
- cuidados em baixas velocidades e
- freqüências ou velocidades críticas.
Uma consideração elementar é a carga e como ela varia com a velocidade. As características reais da carga devem ser acuradamente descritas, tanto para o fornecedor do motor como para o fornecedor do VFD. Apesar da inércia não ser um problema para o motor com partida suave, o é para o VFD. Aplicações centrífugas requerem que motor e acionamento sejam dimensionados para as condições de máxima velocidade de operação.
Cargas alternativas (ou outras cargas com torque constante, tais como alguns tipos de bombas e compressores, extrusoras) devem ser dimensionadas para as condições de velocidade mínima operacional.
De qualquer ponto de vista razoável, os dados reais de carga devem ser fornecidos para todos os fornecedores de motores, a fim de assegurar-se que o motor será capaz de partir e acelerar a carga e funcionar dentro dos limites especificados de temperatura em todas as condições de operação.
Para acionamentos de grande porte estes dados de carga são mandatórios.
Isto não só impacta os cálculos de aceleração como a operação contínua do motor e possivelmente as considerações de estabilidade do acionamento. é improvável que um acionamento seja comprado sem o ciclo de carga e uma análise econômica que também exige estes dados.
Na maioria das aplicações com velocidade variável, a máxima velocidade de operação é ou esta perto da rotação nominal de um motor padrão ligado diretamente à rede.
A Norma NEMA MG 1-20.44 estabelece que motores devam ser construídos para suportar, numa emergência, sobrevelocidades acima da rotação síncrona de pelo menos 20% (25% para motores com velocidade síncrona 1800 RPM ou menos). Portanto, sobrevelocidades pouco acima da síncrona não devem causar problemas para a integridade mecânica do motor. Sempre acautelar-se ao assumir isto para o equipamento acionado, especialmente Ventiladores.
Há uma crescente demanda por aplicações que requerem que os motores operem significativamente acima de sua velocidade síncrona. Em tais casos as Especificações ou Folhas de Dados devem claramente identificar a velocidade máxima de operação e especificar que o(s) motor(es) devam ter suficiente integridade mecânica para suportar operação "emergencial" com uma sobrevelocidade de 20%. Isto é um fator de segurança. Tal condição não é realmente prevista. Aparentemente os mancais, sua lubrificação e sistema de refrigeração devem ser adequados para esta condição.
As operações em baixa velocidade não partilham os mesmos problemas de integridade mecânica das operações em altas velocidades, mas certamente partilham os problemas de mancais, lubrificação e de refrigeração. A mínima velocidade de operação deve ser especificada na Especificação ou Folha de Dados.
Estes tópicos também devem ser adequados para operação à mínima velocidade seguida da descida para o estacionamento do motor.
Operação à velocidade crítica pode resultar em níveis de vibração altos que podem levar à falha por fadiga dos componentes do trem de acionamento. Para evitar este risco, especificar uma máquina que não tenha qualquer freqüência crítica dentro da faixa de operação pretendida.
Isto significa que o rotor bem como componentes tais como ventoinhas, mancais e trocadores de calor devem ser projetados para que não sejam excitados por nenhuma freqüência (ou harmônica desta) dentro da faixa de operação. As vantagens deste projeto são mínima vibração e flexibilidade operacional.
Alguns usuários irão preferir que a primeira velocidade crítica (definida em Norma) esteja acima da faixa operacional (projeto de eixo rígido), para simplificar o balanceamento e problemas de parada entre outras razões.
Para a maioria das aplicações com motores de 4 polos e maiores que 4 polos na faixa de 50% a 100% da velocidade, tal solução é normal. Porém, com motores de 2 polos ou faixas mais amplas de variação de velocidade pode haver grandes chances de surgimento de problemas. Em motores maiores, de mais alta velocidade estas soluções podem ser custosas ou indisponíveis. Utilizar motores que tenham freqüências críticas na faixa de operação é possível, se eles tiverem uma resposta em freqüência bem amortizada. Alternativamente, o controle pode ser bloqueado para operações em freqüências bem definidas, que por sua vez limita a flexibilidade operacional do acionamento. A sugestão é especificar: "NENHUMA” freqüência crítica na faixa de operação". Isto permite que os fornecedores de motores proponham projetos alternativos se necessário ou for razoável.
Um teste de estacionamento (desaceleração livre) do motor e/ou teste de resposta sem balanceamento devem ser especificados para verificação das bandas de separação especificadas.
ASPECTOS DE PARTIDA
Um aspecto positivo na operação de motores com acionamentos de freqüência variável é a partida suave. As instalações típicas de acionamentos são configuradas para limitar a corrente do motor à 100% INOM, eliminando assim os esforços de partida no isolamento do motor.
A maioria das aplicações são projetadas para manter a relação V/Hz constante, mantendo o Fluxo Magnético no entreferro do motor uniforme. Assim, à baixas freqüências a tensão será baixa.
Durante as partidas o Drive controla a tensão e a freqüência para permitir que o motor trabalhe próximo do escorregamento e fluxo nominais e esteja operando, na porção estável da curva Torque x RPM.
Para a maioria das aplicações e certamente para as cargas centrífugas, as correntes de partida são muito baixas, a aceleração é suave e controlada, e por causa do baixo escorregamento, o aquecimento do rotor é insignificante.
[Nota: Acionamentos podem ser configurados para atuar com outros tipos de cargas e requisitos especiais de torque.]
Esta Partida Suave é muito benéfica para todos os elementos do trem de acionamento, além do próprio motor.
O limite de corrente imposto pelo acionamento, permite que se parta o motor repetidamente com segurança sem acarretar altos esforços devidos à corrente de partida e alto escorregamento que ocorrem em partidas diretas à rede. Isto significa aumentar a expectativa de vida da isolação do estator e do rotor.
Como partir um motor é mais fácil se um VFD é utilizado, a decisão é saber se especifica-se o acionamento somente para partida. Um motor que sempre parte com um VFD, pode ter otimizada sua eficiência e características de condição de operação continua.
Quando partida direta a rede é solicitada e a carga especificada tem alta inércia, haverá compromisso em outras áreas de desempenho e mais despesas.
Há duas importantes negativas para se especificar exclusivamente "Partida Suave": (1) pode não haver condições de partir o motor direto à rede no caso de falha do acionamento e (2) o motor pode não ser capaz de ser alocado para outro tipo de utilização sem o uso do controle de "Partida Suave". Os benefícios de especificar-se "Partida Suave Somente" são: a otimização do projeto do motor e eliminação de métodos de controle de vazão mecânicos; significando, melhor eficiência, custo inicial reduzido, menor manutenção e menores perdas mecânicas.
A decisão deve ser baseada no tipo de acionamento adquirido (confiabilidade, redundância, tolerância à falhas, etc.) e natureza da aplicação (serviço crítico?).
Mesmo se o motor não for requisitado para partir direto na rede, o motor deve ser previsto para partida à plena tensão a fim de permitir, no futuro seu deslocamento para outras aplicações.
Os efeitos das harmônicas geradas pelos acionamentos afetam a rede (qualidade da forma de onda) e o(s) motor(es) conectados a ele.
Harmônicas à rede: o acionamento deverá atender as exigências da última revisão da IEEE 519 para cálculo e medição da distorção harmônica total de tensão e corrente, e atender aos seguintes limites de distorção:
THD (Volts) = 3% de distorção total.
THD (Amps) = 5% de distorção total.
O ponto de conexão comum (PCC) para todas as medições de distorção harmônica é o primário do transformador de entrada do Inversor. Esse requerimento implica na necessidade de avaliar-se vários aspectos da rede no ponto de conexão e topologia do acionamento, além de outros quisitos além de fazer-se uma análise de harmônicas para acionamentos com pontes de entrada por diodos com até 12 pulsos.
Harmônicas na saída podem afetar a operação, vida útil e desempenho do motor.
Os efeitos das harmônicas nos motores podem ser divididos em 3 categorias:
- Aquecimento,
- Dielétrico
- e Mecânicos.
O valor das harmônicas de tensão e corrente variam tremendamente conforme o tipo de inversor. Muitos dos acionamentos para grandes potências em MT e mesmo BT tem harmônicas de corrente à velocidade e carga nominais.
Enquanto as harmônicas quase sempre aumentam em baixas freqüências, as aplicações em cargas centrífugas tem tal redução de potência à baixas velocidades que o valor total da corrente (Fundamental + Harmônicas) estará bem abaixo do valor nominal da corrente do motor e dentro de sua capacidade de auto-refrigeração.
As harmônicas de corrente são aditivos à corrente fundamental e, portanto geram calor adicional nos enrolamentos do motor. Se as harmônicas forem negligenciáveis, haverá calor adicional negligenciável no motor.
Entretanto, se o tipo de acionamento e as harmônicas permissíveis no motor são especificados em separado, a Especificação do motor deve considerar todo o leque de acionamentos possíveis que podem acionar o motor.
É necessário que o fornecedor do Drive informe o fornecedor do motor com dados sobre as harmônicas geradas para permitir que o motor seja projetado com a adequada capacidade de absorção/dissipação de calor para contrabalancear qualquer perda ou aquecimento adicional. Um motor operando com velocidade variável através de inversor de freqüência deve atender os mesmos limites de elevação de temperatura que um motor operando com onda senoidal pura.
Além disso, para aplicações críticas, os resultados de testes devem demonstrar que o DT do motor durante a operação com o acionamento, não irá exceder o valor especificado.
Nos motores, quase todo assunto relacionado com seu projeto elétrico, tem seu paralelo mais delicado do lado mecânico.
As harmônicas de corrente podem originar emissão maior de ruído audível. Os motores devem demonstrar que o limite do nível de ruído é atendido quando estes são acionados por VFDs. Harmônicas geram "Torque Pulsante". O torque pulsante causa excitações torcionais que podem ter conseqüências destrutivas se não forem apropriadamente controladas.
Em casos extremos, a magnitude da pulsação é suficientemente grande para criar contra-torques. Em aplicações com baixa inércia tais como bombas centrífugas diretamente acopladas, usualmente há pouco perigo. Porém, aplicações em ventiladores ou em compressores de alta velocidade com redutores de alta inércia há risco potencial. Esta situação potencialmente perigosa pode ser analisada e evitada com segurança.
Uma analise torcional é normalmente realizada nos elementos mais importantes do trem de acionamento. Com VFD, itens adicionais devem ser acrescentados para analise. O Torque Pulsante deve ser incluído, pois as magnitudes deste e a fadiga resultante podem então ser calculadas. Quando um problema é identificado, a seleção do tipo acoplamento pode ser freqüentemente utilizada para ajustar rigidez e/ou amortecimento do acoplamento do trem. Em outros casos, pode ser requerida a modificação do diâmetro do eixo e fatores de concentração de tensões, para evitar-se falhas por fadiga nos elementos do trem de acionamento.
O torque pulsante pode também causar problemas em rotores com barras inclinadas com relação ao eixo (não comum em motores de grande porte), dessa forma haverá componentes de força radial e axial.
Apesar da componente axial ser tão somente uma fração da componente radial, numa situação extrema, movimentos axiais ou oscilações do eixo podem ocorrer, em detrimento dos rolamentos e selos. Por esta razão rotores com barras inclinadas não devem ser utilizados.
FREQÜÊNCIAS DE CHAVEAMENTO E ONDAS ESTACIONÁRIAS
Além da possibilidade de gerar calor adicional, as formas de onda dos acionamentos podem ter outros efeitos diretos no sistema de isolação de motores. Todos os acionamentos estáticos utilizam-se de dispositivos eletrônicos de chaveamento na sua seção de inversão. A ação de chaveamento (liga-desliga) pode produzir picos e transientes de tensão e corrente que afetam de forma variada a isolação do motor. Alguns tipos de inversores tem muito freqüentes, porém pequenos picos, enquanto outros tem picos de maior magnitude e de freqüência mais espaçada, enquanto outros ainda, quase que eliminam completamente picos no motor, por filtragem ou tecnologia de PWM de multi-nível.
Picos de tensão ou dV/dt, terão impacto na vida útil dos enrolamentos do motor. A freqüência e amplitude desses surtos todos, influenciam a vida do isolamento e provável forma do defeito.
O dV/dt de alguns tipos de PWM e as freqüências envolvidas podem rapidamente envelhecer alguns sistemas de isolação de motores. Além disso, a alta freqüência de chaveamento pode gerar Ondas Estacionárias nos cabos que correm para o motor.
Na maioria dos acionamentos do tipo PWM tais ondas estacionárias podem impor tensões nos terminais do motor de até 400% da sua tensão nominal.
Assim, é essencial que se considere o comprimento dos cabos quando utilizar-se drives tipo PWM.
De novo, o tipo de acionamento será especificado por outrem e é o executor da especificação do acionamento que deve decidir quais tecnologias são aceitáveis ou preferíveis para qualquer instalação. Este é um assunto difícil de resolver durante a confecção da Especificação do motor.
Uma recomendação conservadora e justa seria requerer do fabricante do acionamento que especificasse ao fabricante do motor qualquer requisito especial de isolação e prover o usuário com dados demonstrando operação para qualquer tipo de acionamento proposto na potência e classe de tensão especificadas.
Quando necessário o usuário deve prover o fabricante do inversor com os comprimentos estimados dos cabos.
FAIXA DE VELOCIDADE
O projeto de motores operando numa larga faixa de variação de velocidade traz cuidados adicionais além daqueles tomados com motores em velocidade constante. As considerações relativas à faixa de variação de velocidade será dividida em 4 partes:
- requisitos da carga,
- cuidados em altas velocidades,
- cuidados em baixas velocidades e
- freqüências ou velocidades críticas.
Uma consideração elementar é a carga e como ela varia com a velocidade. As características reais da carga devem ser acuradamente descritas, tanto para o fornecedor do motor como para o fornecedor do VFD. Apesar da inércia não ser um problema para o motor com partida suave, o é para o VFD. Aplicações centrífugas requerem que motor e acionamento sejam dimensionados para as condições de máxima velocidade de operação.
Cargas alternativas (ou outras cargas com torque constante, tais como alguns tipos de bombas e compressores, extrusoras) devem ser dimensionadas para as condições de velocidade mínima operacional.
De qualquer ponto de vista razoável, os dados reais de carga devem ser fornecidos para todos os fornecedores de motores, a fim de assegurar-se que o motor será capaz de partir e acelerar a carga e funcionar dentro dos limites especificados de temperatura em todas as condições de operação.
Para acionamentos de grande porte estes dados de carga são mandatórios.
Isto não só impacta os cálculos de aceleração como a operação contínua do motor e possivelmente as considerações de estabilidade do acionamento. é improvável que um acionamento seja comprado sem o ciclo de carga e uma análise econômica que também exige estes dados.
Na maioria das aplicações com velocidade variável, a máxima velocidade de operação é ou esta perto da rotação nominal de um motor padrão ligado diretamente à rede.
A Norma NEMA MG 1-20.44 estabelece que motores devam ser construídos para suportar, numa emergência, sobrevelocidades acima da rotação síncrona de pelo menos 20% (25% para motores com velocidade síncrona 1800 RPM ou menos). Portanto, sobrevelocidades pouco acima da síncrona não devem causar problemas para a integridade mecânica do motor. Sempre acautelar-se ao assumir isto para o equipamento acionado, especialmente Ventiladores.
Há uma crescente demanda por aplicações que requerem que os motores operem significativamente acima de sua velocidade síncrona. Em tais casos as Especificações ou Folhas de Dados devem claramente identificar a velocidade máxima de operação e especificar que o(s) motor(es) devam ter suficiente integridade mecânica para suportar operação "emergencial" com uma sobrevelocidade de 20%. Isto é um fator de segurança. Tal condição não é realmente prevista. Aparentemente os mancais, sua lubrificação e sistema de refrigeração devem ser adequados para esta condição.
As operações em baixa velocidade não partilham os mesmos problemas de integridade mecânica das operações em altas velocidades, mas certamente partilham os problemas de mancais, lubrificação e de refrigeração. A mínima velocidade de operação deve ser especificada na Especificação ou Folha de Dados.
Estes tópicos também devem ser adequados para operação à mínima velocidade seguida da descida para o estacionamento do motor.
Operação à velocidade crítica pode resultar em níveis de vibração altos que podem levar à falha por fadiga dos componentes do trem de acionamento. Para evitar este risco, especificar uma máquina que não tenha qualquer freqüência crítica dentro da faixa de operação pretendida.
Isto significa que o rotor bem como componentes tais como ventoinhas, mancais e trocadores de calor devem ser projetados para que não sejam excitados por nenhuma freqüência (ou harmônica desta) dentro da faixa de operação. As vantagens deste projeto são mínima vibração e flexibilidade operacional.
Alguns usuários irão preferir que a primeira velocidade crítica (definida em Norma) esteja acima da faixa operacional (projeto de eixo rígido), para simplificar o balanceamento e problemas de parada entre outras razões.
Para a maioria das aplicações com motores de 4 polos e maiores que 4 polos na faixa de 50% a 100% da velocidade, tal solução é normal. Porém, com motores de 2 polos ou faixas mais amplas de variação de velocidade pode haver grandes chances de surgimento de problemas. Em motores maiores, de mais alta velocidade estas soluções podem ser custosas ou indisponíveis. Utilizar motores que tenham freqüências críticas na faixa de operação é possível, se eles tiverem uma resposta em freqüência bem amortizada. Alternativamente, o controle pode ser bloqueado para operações em freqüências bem definidas, que por sua vez limita a flexibilidade operacional do acionamento. A sugestão é especificar: "NENHUMA” freqüência crítica na faixa de operação". Isto permite que os fornecedores de motores proponham projetos alternativos se necessário ou for razoável.
Um teste de estacionamento (desaceleração livre) do motor e/ou teste de resposta sem balanceamento devem ser especificados para verificação das bandas de separação especificadas.
ASPECTOS DE PARTIDA
Um aspecto positivo na operação de motores com acionamentos de freqüência variável é a partida suave. As instalações típicas de acionamentos são configuradas para limitar a corrente do motor à 100% INOM, eliminando assim os esforços de partida no isolamento do motor.
A maioria das aplicações são projetadas para manter a relação V/Hz constante, mantendo o Fluxo Magnético no entreferro do motor uniforme. Assim, à baixas freqüências a tensão será baixa.
Durante as partidas o Drive controla a tensão e a freqüência para permitir que o motor trabalhe próximo do escorregamento e fluxo nominais e esteja operando, na porção estável da curva Torque x RPM.
Para a maioria das aplicações e certamente para as cargas centrífugas, as correntes de partida são muito baixas, a aceleração é suave e controlada, e por causa do baixo escorregamento, o aquecimento do rotor é insignificante.
[Nota: Acionamentos podem ser configurados para atuar com outros tipos de cargas e requisitos especiais de torque.]
Esta Partida Suave é muito benéfica para todos os elementos do trem de acionamento, além do próprio motor.
O limite de corrente imposto pelo acionamento, permite que se parta o motor repetidamente com segurança sem acarretar altos esforços devidos à corrente de partida e alto escorregamento que ocorrem em partidas diretas à rede. Isto significa aumentar a expectativa de vida da isolação do estator e do rotor.
Como partir um motor é mais fácil se um VFD é utilizado, a decisão é saber se especifica-se o acionamento somente para partida. Um motor que sempre parte com um VFD, pode ter otimizada sua eficiência e características de condição de operação continua.
Quando partida direta a rede é solicitada e a carga especificada tem alta inércia, haverá compromisso em outras áreas de desempenho e mais despesas.
Há duas importantes negativas para se especificar exclusivamente "Partida Suave": (1) pode não haver condições de partir o motor direto à rede no caso de falha do acionamento e (2) o motor pode não ser capaz de ser alocado para outro tipo de utilização sem o uso do controle de "Partida Suave". Os benefícios de especificar-se "Partida Suave Somente" são: a otimização do projeto do motor e eliminação de métodos de controle de vazão mecânicos; significando, melhor eficiência, custo inicial reduzido, menor manutenção e menores perdas mecânicas.
A decisão deve ser baseada no tipo de acionamento adquirido (confiabilidade, redundância, tolerância à falhas, etc.) e natureza da aplicação (serviço crítico?).
Mesmo se o motor não for requisitado para partir direto na rede, o motor deve ser previsto para partida à plena tensão a fim de permitir, no futuro seu deslocamento para outras aplicações.
posted by Ricardo Kaptzan at 12:11 PM
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