Motores de indução alimentados por inversores de frequência PWM

Motores | Energia | Automao | Tintas

Motores de induo alimentados por inversores de frequncia PWM

g

Guia Tcnico

www.weg.net

ndice1 2 2.1 2.2 2.3 2.4 3 4 4.1 4.2 5 5.1 5.2 6 6.1 6.2 Introduo........................................................................................................................................................................................... 4 Aspectos Normativos....................................................................................................................................................................... 5 NEMA MG1 - Motors and generators / Estados Unidos........................................................................................................ 5 NEMA - Application Guide for AC Adjustable Speed Drive Systems..................................................................................... 5 IEC 60034 - Rotating Electrical Machines / Internacional...................................................................................................... 5 Outros documentos tcnicos de referncia................................................................................................................................. 5 Variao de velocidade de motores de induo......................................................................................................................... 5 Caractersticas dos inversores de frequncia PWM............................................................................................................... 7 Geral..................................................................................................................................................................................................... 7 Modos de controle............................................................................................................................................................................ 8 Interao entre rede e inversor................................................................................................................................................... 8 Harmnicas........................................................................................................................................................................................ 8 Reatncia de rede / indutor no link DC........................................................................................................................................ 9 Interao entre inversor e motor................................................................................................................................................. 10 10 Harmnicas que afetam o desempenho do motor.................................................................................................................... 10 Consideraes em relao ao rendimento.................................................................................................................................. 11 12 13 13

5.1.1 Consideraes normativas sobre as harmnicas...................................................................................................................... 9

6.1.1 Consideraes normativas sobre as harmnicas na sada do inversor............................................................................

6.2.1 A Influncia da variao de velocidade no rendimento do motor........................................................................................... 12 6.2.2 Consideraes normativas sobre o rendimento de motores alimentados por inversores de frequncia.................. 6.3 6.4 Influncia do inversor na elevao de temperatura do motor.............................................................................................. Critrios, quanto a elevao de temperatura, para motores WEG alimentados por inversores de frequncia.........

6.4.1 Reduo do torque (Derating Torque)........................................................................................................................................... 13 6.4.2 Torque de Partida.............................................................................................................................................................................. 14 6.4.3 Torque Mximo.................................................................................................................................................................................. 15 6.5 Influncia do inversor no sistema isolante do motor.............................................................................................................. 15 6.5.1 Rise Time............................................................................................................................................................................................ 15 6.5.2 Comprimento do cabo..................................................................................................................................................................... 16 6.5.3 Mnimo tempo entre pulsos consecutivos................................................................................................................................... 17 6.5.4 Frequncia de chaveamento.......................................................................................................................................................... 18 6.5.5 Aplicaes com mltiplos motores............................................................................................................................................... 18 6.6 6.7 6.8 6.9 Critrios de isolamento para motores WEG alimentados por inversor de frequncia.................................................... Consideraes normativas sobre o isolamento de motores acionados por inversores de frequncia...................... Recomendaes para os cabos de conexo entre motor e inversor WEG...................................................................... Influncia do inversor na corrente que circula pelos mancais do motor (tenso induzida no eixo).............................. 18 18 19 20

6.8.1 Tipos de cabos e orientaes de instalao............................................................................................................................... 20 6.9.1 Tenses modo comum.....................................................................................................................................................................21 6.9.2 Circuito equivalente do motor para as correntes capacitivas de alta frequncia................................................................. 21 6.9.3 Mtodos para evitar ou minimizar a circulao de corrente eltrica pelos mancais do motor alimentado por inversor.................................................................................................................................................................................................22 6.10 Critrios, quanto a corrente pelos mancais (tenso no eixo), para motores de induo WEG alimentados por inversores............................................................................................................................................................................................ 23 6.11 Consideraes normativas sobre as correntes que circulam pelos mancais dos motores acionados por inversores............................................................................................................................................................................................ 23

2

Guia Tcnico - Motores de induo alimentados por inversores de frequncia PWM

www.weg.net

6.12 6.14

Influncia do inversor no rudo acstico emitido pelo motor.................................................................................................. 23 Consideraes normativas sobre o rudo de motores acionados por inversores............................................................. 24

6.13 Critrios de rudo para motores WEG acionados por inversores.......................................................................................... 24 6.15 Influncia do inversor na vibrao mecnica do motor.......................................................................................................... 24 6.16 Critrios de vibrao para motores WEG acionados por inversores................................................................................... 24 6.17 7 7.1 Consideraes normativas sobre vibrao, para motores acionados por inversores..................................................... 24 Interao entre e motor e carga acionada................................................................................................................................... 25 Tipos de carga................................................................................................................................................................................... 25

7.1.1 Cargas de torque varivel.................................................................................................................................................................25 7.1.2 Cargas de torque constante............................................................................................................................................................25 7.1.3 Cargas de potncia constante........................................................................................................................................................26 7.2 Regimes de operao...................................................................................................................................................................... 26 7.2.1 Regime de velocidade varivel....................................................................................................................................................... 26 7.2.2 Regime de velocidade constante................................................................................................................................................... 26 8 8.1 Dimensionamento e anlise de acionamentos eltricos com velocidade varivel Exemplos prticos......................... 26 Aplicao com compressor (torque constante).......................................................................................................................... 26

8.1.1 Exemplo.............................................................................................................................................................................................. 26 8.1.2 Resoluo........................................................................................................................................................................................... 26 8.2 Aplicao com bomba centrfuga - torque quadrtico............................................................................................................. 27 8.2.1 Exemplo............................................................................................................................................................................................... 27 8.2.2 Resoluo........................................................................................................................................................................................... 27 8.3 Aplicao especial cabo longo................................................................................................................................................... 29 8.3.1 Exemplo.............................................................................................................................................................................................. 29 8.3.2 Resoluo........................................................................................................................................................................................... 29 8.4 Aplicao para indstria txtil (torque varivel / velocidade varivel)...................................................................................... 30 8.4.1 Exemplo.............................................................................................................................................................................................. 30 8.4.2 Resoluo.......................................................................................................................................................................................... 31 8.5 Exemplo considerando a utilizao da Soluo Fluxo timo WEG....................................................................................... 32 8.5.1 Exemplo.............................................................................................................................................................................................. 32 8.5.2 Resoluo........................................................................................................................................................................................... 32 9 9.1 9.2 9.3 9.4 Recomendaes para a realizao de medies de formas de onda do tipo PWM......................................................... 32 Advertncia......................................................................................................................................................................................... 32 Instrumentao.................................................................................................................................................................................. 32 Medio de parmetros.................................................................................................................................................................. 33 Consideraes em relao ao aterramento................................................................................................................................ 33 33

9.4.1 Aterramento do inversor.............................................................................................................................................................. 9.5

9.4.2 Aterramento do motor...................................................................................................................................................................... 33 Procedimentos de medio........................................................................................................................................................... 33 9.5.1 Visualizao da forma de onda..................................................................................................................................................... 33 9.5.2 Ajuste do fundo de escala do osciloscpio................................................................................................................................. 33 9.5.3 Trigger................................................................................................................................................................................................. 34 10 11 Concluso.......................................................................................................................................................................................... 34 Bibliografia.......................................................................................................................................................................................... 35


3

www.weg.net

1 IntroduoO acionamento de motores eltricos de induo por inversores estticos de frequncia (comercialmente denominados tambm simplesmente inversores de frequncia) uma soluo relativamente nova, porm, j amplamente utilizada na indstria. Assim sendo, muito ainda h por ser feito/estudado/compreendido em tais aplicaes e percebe-se, com o avano na rea, a necessidade de proviso de orientao tcnica especfica concernente ao assunto por parte dos fabricantes de motores e inversores, para que tais aplicaes sejam efetivamente vantajosas em termos de eficincia energtica e atrativas em termos de custo. Este guia tcnico foi elaborado visando o esclarecimento dos principais aspectos relacionados com as aplicaes de motores de induo de baixa tenso (at 690 V e at carcaas IEC 355 / NEMA 587) com inversores eletrnicos de frequncia, de maneira didtica e concisa. Inicialmente so citadas as principais normas internacionais que abordam o assunto (no existe ainda uma norma brasileira que oriente o uso de inversores eletrnicos para acionamento de mquinas CA). A seguir so apresentados os fundamentos tericos da variao de velocidade de motores de induo atravs dos inversores estticos indiretos e as caractersticas essenciais desses inversores. Uma vez conhecidas as bases dos acionamentos eletrnicos de velocidade varivel, analisado o comportamento do sistema de potncia como um todo, por meio da compreenso das interaes entre as vrias partes que o compem (rede inversor motor carga), decorrentes da variao eletrnica da velocidade do motor de induo. Finalmente, exemplos de dimensionamentos so apresentados, para uma melhor compreenso das questes expostas. Ao longo do documento, buscando sempre a elucidao tcnica mais completa, so enfatizadas e discutidas questes polmicas, com a exposio de divergncias existentes entre os diferentes organismos internacionais de normalizao, bem como a posio da WEG diante de tais situaes.

4


www.weg.net

2 Aspectos normativos2.1 NEMA MG1 - Motors and generators / Estados Unidosg

2.4 Outros documentos tcnicos de refernciag

g

Parte 30 - Application considerations for constant speed motors used on a sinusoidal bus with harmonic content and general purpose motors used with adjustablefrequency controls or both (2006) Parte 31 - Definite-purpose inverter-fed polyphase motor (2006)

g

g

g

2.2 NEMA - Application Guide for AC Adjustable Speed Drive Systems (2001) 2.3 IEC 60034 - Rotating Electrical Machines / Internacionalg

g

g

GAMBICA/REMA Technical Guides for Variable Speed Drives and Motors GAMBICA/REMA Technical Reports for Variable Speed Drives and Motors CSA C22.2 No.100-2004 Item 12 (Canad) Motors and Generators Industrial Products JEM-TR 148-1986 (Japo) Application guide for inverter drive (general-purpose inverter) IEC 60034-18-41 Qualification and design tests for Type I electrical insulation systems used in rotating electrical machines fed from voltage converters Artigos tcnicos e livros relacionados com o assunto

g

Parte 17 - Cage induction motors when fed from converters application guide (2006) Parte 25 - Guide for the design and performance of cage induction motors specifically designed for converter supply (2007)

3 Variao de velocidade de motores de induoA relao entre a rotao, a frequncia de alimentao, o nmero de polos e o escorregamento de um motor de induo obedece seguinte equao: n = 120 f1 (1-s) p onde: n : velocidade de rotao mecnica (rpm); 1 : frequncia fundamental da tenso de alimentao (Hz); p : nmero de polos; s : escorregamento. A anlise da frmula mostra que se pode atuar em trs parmetros, no intuito de variar a velocidade de um motor desse tipo, conforme mostra a tabela abaixo. A tabela apresenta tambm as caractersticas de cada opo.

Variao de velocidade Parmetro de variao de velocidade Nmero de polos Caracterstica de aplicao Variao discreta Sobredimensionamento da carcaa Variao contnua Escorregamento Perdas rotricas Faixa de variao pequena Frequncia da tenso estatrica Variao contnua Uso de INVERSORES DE FREQUNCIA!


5

www.weg.net

A utilizao de inversores estticos de frequncia atualmente compreende o mtodo mais eficiente para controlar a velocidade dos motores de induo. Os inversores transformam a tenso da rede, de amplitude e frequncia constantes, em uma tenso de amplitude e frequncia variveis. Variando-se a frequncia da tenso de alimentao, varia-se tambm a velocidade do campo girante e consequentemente a velocidade mecnica de rotao da mquina. O torque desenvolvido pelo motor de induo segue a equao: T = k1 . fm . I2 E o seu fluxo magnetizante, desprezando-se a queda de tenso ocasionada pela resistncia e pela reatncia dos enrolamentos estatricos, vale: f m= k 2 . V1 f1

figura anterior. Assim, acima da frequncia base caracteriza-se a chamada regio de enfraquecimento de campo, pois ali o fluxo decresce com o aumento da frequncia, provocando tambm a diminuio de torque. A curva caracterstica torque x velocidade do motor acionado por inversor de frequncia est representada a seguir.

onde: T : torque ou conjugado disponvel na ponta de eixo (N.m) fm : fluxo de magnetizao (Wb) I2 : corrente rotrica (A) depende da carga! V1 : tenso estatrica (V) k1 e k2 : constantes dependem do material e do projeto da mquina! Admitindo-se, que a corrente depende da carga e que essa constante (portanto, corrente praticamente constante), percebe-se, que variando proporcionalmente a amplitude e a frequncia da tenso de alimentao, o fluxo e, consequentemente, o torque permanecem constantes. O motor fornece assim um ajuste contnuo de velocidade e conjugado com relao carga mecnica. As perdas podem ser minimizadas de acordo com as condies de carga, mantendo-se constante o escorregamento da mquina em qualquer velocidade, para a mesma carga. A partir das equaes acima, obtm-se os grficos abaixo.

Nota-se, portanto, que o torque permanece constante at a frequncia base e decresce gradativamente acima desta. Como Potncia = Torque X Rotao, a potncia til do motor cresce linearmente at a frequncia base e permanece constante acima desta, conforme pode ser observado abaixo.

No por acaso tem crescido significativamente o nmero de aplicaes em que a variao de velocidade de motores de induo feita por meio de inversores eletrnicos estticos de frequncia, haja vista os muitos benefcios propiciados por essas aplicaes:g

Controle a distncia nos sistemas eletrnicos de variao de velocidade, o equipamento de controle pode situar-se em uma rea conveniente, ficando apenas o motor acionado na rea de processamento - ao contrrio dos sistemas hidrulicos e mecnicos de variao de velocidade. Reduo de custos partidas diretas ocasionam picos de corrente, que causam danos no apenas ao motor, mas tambm a outros equipamentos ligados ao sistema eltrico. Inversores estticos proporcionam partidas mais suaves, reduzindo custos com manuteno. Aumento de produtividade sistemas de processamento industrial geralmente so sobre dimensionados na

g

A variao da relao V1/f1 feita linearmente at a frequncia base (nominal) do motor. Acima dessa, a tenso mxima (igual nominal) e permanece constante, havendo ento apenas a variao da frequncia aplicada ao enrolamento estatrico do motor, conforme representado na

g

6


www.weg.net

perspectiva de um aumento futuro de produtividade. Inversores estticos possibilitam o ajuste da velocidade operacional mais adequada ao processo, de acordo com os equipamentos disponveis e a necessidade de produo a cada momento. Eficincia energtica o rendimento global do sistema de potncia depende no apenas do motor, mas tambm do controle. Os inversores estticos de frequncia apresentam rendimento elevado, da ordem de 97% ou mais. Motores eltricos tambm apresentam alto rendimento, chegando a 95% ou mais em mquinas maiores operando sob condies nominais. Na variao eletrnica de velocidade a potncia fornecida pelo motor varia de maneira otimizada, influenciando diretamente a potncia consumida e conduzindo a elevados ndices de rendimento do sistema (motor + inversor). g Versatilidade inversores estticos de frequncia so adequados para aplicaes com qualquer tipo de carga. Com cargas de torque varivel (pequena demanda de torqueg

em baixas rotaes), o controle reduz a tenso do motor compensando a queda de rendimento que normalmente resultaria da diminuio de carga. Com cargas de torque (ou potncia) constante a melhoria de rendimento do sistema provm da capacidade de variar continuamente a velocidade, sem necessidade de utilizar mltiplos motores ou sistemas mecnicos de variao de velocidade (como polias e engrenagens), que introduzem perdas adicionais.g

Maior qualidade o controle preciso de velocidade obtido com inversores resulta na otimizao dos processos. O controle otimizado do processo proporciona um produto final de melhor qualidade.

4 Caractersticas dos inversores de frequncia PWM4.1 Geral Inversores estticos indiretos de frequncia com tenso imposta PWM so atualmente os equipamentos mais empregados para a alimentao de motores de baixa tenso nas aplicaes industriais que requerem variao de velocidade. Eles operam como uma interface entre a fonte de energia (rede) e o motor de induo. O processo de obteno da tenso e frequncia desejadas por meio de tais equipamentos passa por trs estgios:g

g

Filtro ou Link DC - Alisamento/regulao da tenso retificada com armazenamento de energia por meio de um banco de capacitores; Transistores IGBT - Inverso da tenso contnua proveniente do link DC num sinal alternado, com tenso e frequncia variveis.

g

O diagrama a seguir ilustra as etapas descritas acima.

Ponte de diodos - Retificao do sinal alternado - de tenso e frequncia constantes - proveniente da rede de alimentao; Vrede V PWM

cc ca Retificador Filtro Inversor ca Motor 3f

| motor

Entrada: 50/60 Hz (1 f ou 3 f

VDC 1,35 Vrede ou 1,41 Vrede

Sada: Tenso e frequncia variveis 7


www.weg.net

Observaes:g

Quando o motor est em vazio ou com cargas leves, a tenso no link DC tende a estabilizar no valor igual a 2 Vrede @ 1,41 Vrede . Quando, porm, o motor est com cargas mais elevadas (por exemplo, plena carga), a tenso no link DC tende ao valor (3/P ) 2 Vrede @ 1,35 Vrede

capacidade de torque do motor seja mantida. O controle escalar o mais utilizado devido sua simplicidade e devido ao fato de que a grande maioria das aplicaes no requer alta preciso e/ou rapidez no controle da velocidade. O controle vetorial possibilita atingir um elevado grau de preciso e rapidez no controle do torque e da velocidade do motor. O controle decompe a corrente do motor em dois vetores: um que produz o fluxo magnetizante e outro que produz torque, regulando separadamente o torque e o fluxo. O controle vetorial pode ser realizado em malha aberta (sensorless) ou em malha fechada (com realimentao).g

g

Os critrios definidos para os sistemas de isolamento dos motores WEG alimentados por inversores, apresentados adiante, consideram o valor por ser o mais elevado e, portanto, o mais crtico para o motor. Assim, os critrios WEG atendem a ambas as situaes.

4.2 Modos de controle Basicamente existem dois tipos de controle dos inversores eletrnicos: o escalar e o vetorial. O controle escalar baseia-se no conceito original do inversor de frequncia: impe no motor uma determinada tenso/frequncia, visando manter a relao V/f constante, ou seja, o motor trabalha com fluxo aproximadamente constante. aplicado quando no h necessidade de respostas rpidas a comandos de torque e velocidade e particularmente interessante quando h conexo de mltiplos motores a um nico inversor. O controle realizado em malha aberta e a preciso da velocidade funo do escorregamento do motor, que varia em funo da carga, j que a frequncia no estator imposta. Para melhorar o desempenho do motor nas baixas velocidades, alguns inversores possuem funes especiais como a compensao de escorregamento (que atenua a variao da velocidade em funo da carga) e o boost de tenso (aumento da relao V/f para compensar o efeito da queda de tenso na resistncia estatrica), de maneira que ag

Com sensor de velocidade requer a instalao de um sensor de velocidade (por exemplo, um encoder incremental) no motor. Este tipo de controle permite a maior preciso possvel no controle da velocidade e do torque, inclusive em rotao zero. Sensorless mais simples que o controle com sensor, porm, apresenta limitaes de torque principalmente em baixssimas rotaes. Em velocidades maiores praticamente to bom quanto o controle vetorial com realimentao.

As principais diferenas entre os dois tipos de controle so que o controle escalar s considera as amplitudes das grandezas eltricas instantneas (fluxos, correntes e tenses), referindo-as ao estator, e seu equacionamento baseia-se no circuito equivalente do motor, ou seja, so equaes de regime permanente. J o controle vetorial admite a representao das grandezas eltricas instantneas por vetores, baseando-se nas equaes espaciais dinmicas da mquina, com as grandezas referidas ao fluxo enlaado pelo rotor, ou seja, o motor de induo visto pelo controle vetorial como um motor de corrente contnua, havendo regulao independente para torque e fluxo.

5 Interao entre rede e inversor5.1 Harmnicas O sistema (motor + inversor de frequncia) visto pela fonte de alimentao como uma carga no linear, cuja corrente possui harmnicas (componentes de frequncias mltiplas da frequncia da rede). De forma geral, considera-se que o retificador produz harmnicas caractersticas de ordem h = np1 no lado CA, ou seja, na rede (p o nmero de pulsos do inversor e n =1,2,3). Assim, no caso da ponte retificadora com 6 diodos (6 pulsos), as principais harmnicas geradas so a 5a e a 7a , cujas amplitudes podem variar de 10% a 40% da fundamental dependendo da impedncia de rede. J para 12 pulsos (12 diodos) as harmnicas mais expressivas so a 11a e a 13. As harmnicas superiores geralmente possuem menor amplitude e so mais fceis de filtrar. Os inversores WEG de baixa tenso normais (Standard), assim como a maioria dos inversores de outros fabricantes, so de 6 pulsos.

O parmetro que mostra o quanto as harmnicas distorcem a rede o THD (Distoro Harmnica Total), fornecido pelo fabricante do inversor e definido como: THD = An 2 A1 8 h=2

onde: Ah so os valores eficazes das componentes harmnicas A1 o valor eficaz da componente fundamental A forma de onda acima a corrente medida na entrada de um inversor PWM de 6 pulsos, para uma rede de baixa impedncia.

8


www.weg.net

5.1.1 Consideraes normativas sobre as harmnicas O NEMA Application Guide for AC ASD Systems faz referncia IEEE Std.519 (1992), que recomenda limites de THD para sistemas com tenso 69 kV conforme apresentados nas tabelas que seguem. Essa norma define valores para instalao final, sendo necessria a anlise de cada caso. Dados como impedncia de curto circuito da rede, pontos de conexo comum (PCC) do inversor e outras cargas, dentre outros, influem nos valores recomendados.

Harmnicas de tenso Todas pares Todas mpares THD tenso 3,0% 3,0% 5,0%

fator de potncia pode ser instalada uma indutncia na entrada e/ou no link DC do inversor. O indutor no link DC tem a vantagem de no introduzir queda de tenso, porm, dependendo da combinao do seu valor com os valores de impedncia da rede e capacitncia do link DC, pode resultar em ressonncias indesejadas com o sistema. A reatncia de rede, por outro lado, diminui a tenso mdia do circuito intermedirio (comparada quela obtida sem reatncia), mas mais eficaz na reduo de eventuais transientes de sobretenso da rede, alm de reduzir a corrente eficaz nos diodos do retificador e o ripple de corrente nos capacitores do circuito intermedirio, aumentando a vida til dos semicondutores e do banco de capacitores constituintes do link DC. Corrente na entrada do conversor

A mxima distoro em corrente recomendada pela IEEE519 dada em termos do TDD (Distoro Total de Demanda) e depende da relao (ISC / IL), onde ISC a mxima corrente de curto circuito no PCC e IL a mxima corrente de demanda da instalao (componente de frequncia fundamental) no PCC.Harmnicas de corrente mpares (As correntes harmnicas pares esto limitadas em 25% das mpares) Mxima distoro harmnica de corrente (percentualmente em relao a IL) ISC / IL < 20* 20 < 50 50 < 100 100 < 1000 > 1000 < 11 4.0 7.0 10.0 12.0 15.0 11 h 17 2.0 3.5 4.5 5.5 7.0 17 h 23 1.5 2.5 4.0 5.0 6.0 23 h 35 0.6 1.0 1.5 2.0 2.5 0.3 0.5 0.7 1.0 1.4 5.0 8.0 12.0 15.0 20.0 35 h TDD

(a)

(b)

Tenso na entrada do conversor

(a)

(b)

* Todo equipamento de gerao de potncia est limitado a estes valores de distoro de corrente, independentemente do valor real da relao ISC / IL .

Os documentos IEC citados, por outro lado, no abordam este aspecto.

5.2 Reatncia de rede / indutor no link DC As correntes harmnicas, que circulam pelas impedncias da rede de alimentao e dependem dos valores das impedncias presentes no circuito de entrada/sada do retificador, provocam quedas de tenso harmnicas, distorcendo a tenso de alimentao do prprio inversor ou de outros equipamentos ligados rede. Essas distores harmnicas de corrente e tenso podem ocasionar um baixo fator de potncia, alm de aumentar as perdas eltricas nas instalaes com sobreaquecimento de componentes tais como cabos, transformadores, motores, bancos de capacitores, etc. Para reduzir o contedo harmnico da corrente e aumentar o

Formas de onda de tenso e corrente na entrada do inversor sem (a) e com (b) reatncia de rede. Percebe-se, que a reatncia de rede suaviza os picos (reduz, portanto, o contedo harmnico) e diminui o valor eficaz da corrente na entrada, acarretando tambm diminuio da distoro da tenso na entrada do inversor. Para evitar danos ao inversor deve-se ter uma impedncia mnima de rede que proporcione uma queda de tenso percentual de 1 a 2%, dependendo do tamanho do inversor de frequncia, para a corrente nominal do inversor. Como critrio de uso considera-se que uma reatncia de rede que apresenta uma queda de tenso percentual de 2 a 4% (para a corrente nominal do inversor de frequncia) resulta num bom compromisso entre a queda de tenso no motor, a melhoria do fator de potncia e a reduo da distoro harmnica da corrente. O valor da reatncia de rede necessria para que se obtenha a queda de tenso percentual desejada pode ser calculado da seguinte forma: L= (queda de tenso)%. Vrede 3.2.p.frede .Inominal [H]


9

www.weg.net

A seguir esto ilustradas as conexes de potncia (a) com reatncia de rede e (b) com indutor no link DC.

Tenso PWM proveniente do inversor chegando aos terminais do motor:

Corrente nos terminais do motor alimentado com tenso PWM

Percebe-se, que o motor enxerga uma tenso pulsada (PWM) e uma corrente praticamente senoidal, portanto, as harmnicas de maior amplitude no motor so de tenso.(a) Conexes de potncia com reatncia de rede na entrada

Basicamente, para reduzir as harmnicas geradas por um inversor de frequncia PWM, existem as seguintes solues:Mtodo de reduo das harmnicas Caractersticas da soluo Aumento do custo da instalao Instalao de filtros passivos de sada (L, LC (senoidal), dV/dt) Restries para operao nos modos vetoriais Queda de tenso (reduo da potncia do motor) Aumento de custos Utilizao de inversor com mais nveis Reduo de confiabilidade do inversor Aumento da complexidade do controle Space Vector Modulation (SVM)* Melhoria na qualidade da modulao PWM (aprimoramento do padro de pulsos) No aumenta custos Melhoria no controle de tenso Maior rendimento do conjunto (motor + inversor) Aumento da frequncia de chaveamento Reduo do rendimento do inversor (aumento das perdas por chaveamento) Aumento das correntes de fuga para a terra

(b) Conexes de potncia com indutor no link DC

6 Interao entre inversor e motor6.1 Harmnicas que afetam o desempenho do motor O motor de induo submetido a uma tenso PWM, proveniente de um inversor de frequncia, estar sujeito a tenses harmnicas (componentes de frequncia acima da frequncia fundamental). Dependendo da modulao PWM empregada, da frequncia de chaveamento e de outras particularidades do controle, o motor poder apresentar aumento de perdas e temperatura, aumento dos nveis de vibrao e rudo e perda de rendimento. Alm disso, podem aparecer outros efeitos quando da alimentao do motor por inversores, como stress do sistema de isolamento e correntes pelos mancais, que, embora relevantes, no se devem especificamente s harmnicas, mas a outros fatores que sero abordados a seguir. As figuras abaixo ilustram as formas de onda de tenso e corrente nos terminais do motor, quando sob alimentao PWM.

* Todos os inversores de frequncia fabricados pela WEG empregam a modulao SVM.

6.1.1 Consideraes normativas sobre as harmnicas na sada do inversor No existe normalizao quanto aos valores limites de distoro harmnica de tenso e corrente. No entanto, as normas consideram o aumento das perdas do motor devido ao uso de inversor. A IEC 60034-17 exemplifica o aumento das perdas do motor devido ao uso de inversor com o caso prtico de um motor carcaa 315, com valores nominais de torque e velocidade:

10


www.weg.net

correntes harmnicas decorrentes do contedo harmnico da tenso PWM:

Onde: n: ordem da harmnica mpar, no incluindo as divisveis por 3 Vn: amplitude da n-sima harmnica de tenso (por unidade) 6.2 Consideraes em relao ao rendimento A falta de uma norma que especifique o procedimento de ensaio para avaliao do rendimento do sistema (inversor + motor) permite que o ensaio seja realizado de diferentes maneiras. Portanto, os resultados obtidos no devem influenciar na aceitao ou no do motor, exceto mediante acordo entre fabricante e comprador. A experincia adquirida at o momento, contudo, permite que se valha das seguintes consideraes:g

Perdas causadas pela frequncia fundamental A - perdas Joule no estator B - perdas Joule no rotor C - perdas no ferro D - perdas suplementares E - perdas por atrito Perdas causadas pelas harmnicas F - perdas Joule no estator G - perdas Joule no rotor H - perdas no ferro I - perdas suplementares J - perdas de comutao A IEC 60034-25 ilustra o aumento das perdas do motor devido alimentao PWM com a figura abaixo:

O motor de induo, quando alimentado por um inversor de frequncia PWM, tem seu rendimento diminudo, em relao a um motor alimentado por tenso puramente senoidal, devido ao aumento nas perdas ocasionado pelas harmnicas; Em aplicaes de motores de induo de gaiola com inversores de frequncia, porm, deve ser avaliado o rendimento do sistema (conjunto inversor + motor) e no apenas do motor; Cada caso deve ser analisado. Devem ser consideradas as caractersticas do inversor e do motor, tais como: frequncia de operao, frequncia de chaveamento, condio de carga e potncia do motor, taxa de distoro harmnica do inversor; A instrumentao utilizada nas medies de extrema importncia. Devem ser utilizados instrumentos que meam o valor eficaz verdadeiro (true RMS) das grandezas eltricas, de modo que seja possvel a leitura dos valores corretos de potncia absorvida na entrada e na sada do inversor; O aumento da frequncia de chaveamento diminui o rendimento do inversor e aumenta o rendimento do motor. Motores de alto rendimento alimentados por inversores de frequncia mantm seu rendimento superior, em comparao com motores Standard alimentados por inversores.

g

g

g

g

g

A NEMA MG1 Parte 30 considera uma reduo percentual de torque para evitar o sobreaquecimento excessivo de um motor normal alimentado por inversor, que estar sujeito a


11

HVF =

n=5

Vn 2 n

8

www.weg.net

6.2.1 A Influncia da variao de velocidade no rendimento do motor O efeito da variao de velocidade sobre o rendimento do motor pode ser entendido a partir da anlise do grfico da potncia til do motor alimentado por inversor em funo da sua frequncia de operao, j apresentado.

6.2.1.1 Exemplo numrico:

conv = Psada /Pent conv = Ptil /Psada

}

sist = Ptil /Pabs = Ptil /Pent = conv .mot

Alguns exemplos de valores experimentais obtidos pelo mtodo direto (medio de potncia na entrada e na sada) com motores normais: Motor 75 cv (55 kW) 6 polos 400 V 50 Hz Se a frequncia base 60 Hz, por exemplo, tem-se para as situaes acima: P60Hz = Pu P30Hz = Pu = 0,5 Pu 60 30 Considerando que as perdas do motor sejam compostas fundamentalmente por perdas Joule (Pj) e perdas no ferro (Pfe) e assumindo que as perdas Joule compreendam a maior componente de perdas, ento o rendimento do motor deve cair nas baixas frequncias, nas quais a potncia til do motor diminuda e, embora as perdas no ferro (dependem da frequncia) diminuam um pouco, as perdas Joule (dependem da corrente ao quadrado) praticamente se mantm para uma carga de torque constante, de modo a no haver significativa variao global das perdas. As equaes a seguir explicam isso. Definindo-se rendimento como: h%= Pu Pabs = Pu Pu + Perdas

Motor 15 cv (11 kW) 4 polos 400 V 50 Hz

e, pelas consideraes acima, Perdas @ Pfe + Pi (Pi > Pfe ) 6.2.2 Consideraes normativas sobre o rendimento de motores alimentados por inversores de frequncia

a seguinte situao decorre da reduo de velocidade: Pfe + Pi @ cte (PJ >> Pfe ) Perdas @ cte Pu

}

g

h %

NEMA MG1 Part 30 O rendimento do motor cair, quando operado em um controle. Os harmnicos presentes elevaro as perdas eltricas, que reduziro o rendimento e acarretaro aumento tambm da temperatura do motor, reduzindo ainda mais o rendimento do motor.

12


www.weg.net

g

NEMA MG1 Part 31 - Testes de desempenho, quando solicitados, devero ser realizados com tenso senoidal. No entanto, o motor alimentado por inversor de frequncia poder ser ensaiado, desde que exista um acordo mtuo entre fabricante e usurio. NEMA Application Guide for AC ASD Systems O rendimento global do sistema baseia-se nas perdas totais do motor, do controle e de qualquer equipamento auxiliar. O uso de inversores freqentemente aumenta o rendimento do sistema, se comparado com os mtodos tradicionais de variao de velocidade (como engrenagens e correias) e de ajuste de carga (como vlvulas e amortecedores). IEC 60034-17 As caractersticas de desempenho das aplicaes com motores de induo alimentados por inversores de frequncia so influenciadas por todo o sistema, compreendendo a fonte de alimentao, o inversor, o motor, a carga mecnica e o equipamento de controle. Devido complexidade das interaes tcnicas entre o sistema e as vrias condies de operao, est fora do escopo da especificao tcnica a quantificao de valores numricos relacionados com tais aplicaes. No existe mtodo simples para calcular as perdas adicionais e no pode ser feita qualquer afirmao genrica sobre o seu valor. IEC 60034-25 Os mtodos recomendados para a determinao do rendimento do motor esto dados na IEC 60034-2 (mtodo de separao de perdas para motores > 150 kW e medio de entrada-sada para motores 150 kW). As perdas em vazio (incluindo as perdas suplementares) devem ser medidas se possvel com o mesmo mtodo de modulao e frequncia de chaveamento que o inversor produzir com plena carga. A determinao do rendimento global do sistema (motor + inversor) por medio entrada-sada tambm aplicvel, sob acordo entre fabricante e usurio. Nesse caso, o rendimento do motor no poder ser determinado separadamente.

rotaes provoca reduo na ventilao e conseqente perda de resfriamento (em motores autoventilados), acarretando tambm a elevao de temperatura de estabilizao trmica. Portanto, quando da operao com inversores, a influncia conjunta de ambos os fatores citados acima deve ser considerada. Basicamente existem as seguintes solues para evitar o sobreaquecimento do motor:g

g

Reduo do torque nominal (sobredimensionamento do motor); Utilizao de sistema de ventilao independente; Utilizao do fluxo timo (soluo exclusiva WEG).

g g

g

6.4 Critrios, quanto a elevao de temperatura, para motores WEG alimentados por inversores de frequncia O efeito da variao de velocidade sobre o rendimento do motor pode ser entendido a partir da anlise do grfico da potncia til do motor alimentado por inversor em funo da sua frequncia de operao, j apresentado.

g

6.4.1 Reduo do torque (Derating Torque) Para manter a temperatura dos motores de induo WEG dentro de nveis aceitveis, quando alimentados por inversor de frequncia, devem ser obedecidos os limites de carga apresentados nos critrios que seguem (observar a linha do motor e a condio de fluxo magntico). NOTA: Motores para reas classificadas devem ser avaliados caso a caso e a WEG deve ser consultada. 6.4.1.1 Para motores do mercado NEMAMOTORES TEFC W21 E W22 (High Efficiency) Tamanho de carcaa 143 587(***) Torque Constante 12:1 100:1(*) 4:1 10:1 Torque Varivel 1000:1 1000:1 Potncia Constante 60 120 Hz 60 120 Hz 60 120 Hz 60 120 Hz Inversor Qualquer WEG(**) Qualquer WEG(**) Condio de fluxo Fluxo constante Fluxo timo Fluxo constante Fluxo timo

6.3 Influncia do inversor na elevao de temperatura do motor Motores de induo podem apresentar uma elevao de temperatura maior quando alimentados por inversores do que quando alimentados com tenso senoidal. Essa sobrelevao de temperatura decorrente do aumento das perdas do motor, em funo das componentes de alta frequncia do sinal PWM, aliada freqentemente reduzida transferncia de calor decorrente da variao de velocidade. As distores harmnicas da forma de onda de tenso do motor alimentado por inversor contribuem para o incremento das perdas, uma vez que criam no ao magntico laos menores de histerese, aumentando a saturao efetiva do ncleo, alm de gerarem correntes harmnicas de alta frequncia, que acarretam aumento das perdas Joule nos condutores. No entanto, essas componentes de alta frequncia no contribuem para a produo de torque do motor em regime, uma vez que no aumentam o fluxo fundamental no entreferro, que gira velocidade sncrona. A operao do motor em baixas

587(****)

MOTORES TEFC NEMA Premium Efficiency Tamanho de carcaa 143 587(***) Torque Constante 20:1 1000:1(*) 6:1 12:1 Torque Varivel 1000:1 1000:1 Potncia Constante 60 120 Hz 60 120 Hz 60 120 Hz 60 120 Hz Inversor Qualquer WEG(**) Qualquer WEG(**) Condio de fluxo Fluxo constante Fluxo timo Fluxo constante Fluxo timo

587(****)

(*)O bom desempenho do motor depende da correta parametrizao do drive a WEG deve ser contactada (**)Inversor CFW-09 verso 2.40 ou acima, quando operando em modo vetorial sensorless (loop aberto) (***)Motores com potncia nominal 250 hp. Critrios vlidos tambm para motores da carcaa 447/9 (****)Motores com potncia nominal > 250 hp. Critrios vlidos tambm para motores da carcaa 447/9


13

www.weg.net

As faixas de velocidades estabelecidas na tabela acima esto relacionadas unicamente com a capacidade trmica do motor. A regulao da velocidade depende do modo de operao do inversor e do seu ajuste correto. Sob solicitao, motores W21 e NEMA Premium Efficiency de todas as carcaas tambm podem possuir ventilao forada. Nesses casos o motor estar apto s aplicaes 1000:1 com cargas de torque constante e varivel, qualquer que seja o inversor. Os motores WEG High Efficiency e NEMA Premium Efficiency atendem s recomendaes da NEMA MG1 Partes 30 e 31. As relaes constantes na tabela acima descrevem a faixa de frequncias de operao da mquina. Considerando-se 60 Hz como frequncia-base, por exemplo, tem-se a seguinte equivalncia:Relao 4:1 10:1 12:1 20:1 100:1 1000:1 Faixa de operao 15 60 Hz 6 60 Hz 5 60 Hz 3 60 Hz 0,6 60 Hz 0,06 60 Hz

Ela baseia-se na minimizao das perdas, fontes geradoras de calor, atravs da otimizao do fluxo magntico do motor, parmetro controlado pelo CFW-09 (inversor de frequncia WEG). A partir do estudo da composio de todas as perdas dos motores eltricos e da sua relao com a frequncia, o fluxo e a corrente, bem como da influncia da ventilao sobre a elevao de temperatura do motor, encontrou-se um valor timo de fluxo para cada rotao, permitindo a contnua minimizao das perdas globais do motor ao longo da faixa de operao. A soluo obtida foi incorporada ao CFW-09, de modo que a condio tima de fluxo magntico do motor ajustada automaticamente pelo inversor, tornando mnimas as perdas totais do motor em cada frequncia de operao, bastando para isso uma parametrizao adequada e simples - do inversor. As perdas no ferro variam sensivelmente com a frequncia de operao. Conforme a frequncia cai, as perdas no ferro tambm so reduzidas. Ento em baixas frequncias de operao interessante aumentar a induo (densidade de fluxo magntico), pois o torque pode ser mantido constante com uma corrente reduzida, ou seja, menores perdas Joule. Assim, conforme a rotao cai, possvel reduzir a tenso proporcionalmente menos do que a frequncia, para que se obtenha uma relao V/f tima (maior do que a nominal do motor), que minimiza as perdas totais. Considera-se para tanto que a maior parcela de perdas do motor ocorre por efeito Joule nos condutores. Essa soluo foi especialmente concebida para aplicaes em baixas frequncias com cargas de torque constante no devendo, portanto, ser utilizada com cargas de torque varivel ou acima da frequncia base - e possvel somente quando:g

6.4.1.2 Para motores dos mercados IEC e ABNT Condio de fluxo constante: Abrangncia: Motores fechados fabricados em srie atendendo nveis de rendimento de linhas-padro (conforme NBR 17094-1) ou IE1 (conforme IEC 60034-30) ou acima.

O motor alimentado por inversor WEG (CFW-09) verso 2.40 ou acima; utilizado controle vetorial sensorless (loop aberto).

g

Condio de Fluxo timo: Abrangncia: Motores fechados fabricados em srie atendendo nveis de rendimento de linhas de alto rendimento (conforme NBR 17094-1) ou IE2 (conforme IEC 60034-30) ou acima. A soluo Fluxo timo, patenteada pela WEG, foi desenvolvida com o objetivo de tornar os motores WEG aptos a operarem em baixas frequncias com torque constante, mantendo sua temperatura dentro dos limites da classe trmica, sem ventilao forada ou sobredimensionamento da carcaa. 14

6.4.2 Torque de Partida Com base na NEMA MG1 Partes 30 e 31, o motor deve ser capaz de produzir um torque de partida no mnimo igual a 140% do torque nominal, absorvendo no mximo 150% da corrente nominal, quando alimentado por inversor de frequncia. Os motores WEG satisfazem tais exigncias.


www.weg.net

6.4.3 Torque Mximo Acima da velocidade base, para operao em potncia constante, uma tenso igual nominal do motor dever ser mantida, conforme mostrado anteriormente. A NEMA MG1 Parte 31 prescreve que o torque mximo em qualquer frequncia dentro da faixa de frequncias definida no deve ser menor do que 150% do torque relativo quela frequncia, quando tenso nominal para aquela frequncia aplicada. Os motores WEG, quando alimentados por inversores de frequncia, satisfazem tais exigncias at a frequncia de operao de 90 Hz. A mxima capacidade de torque (torque mximo) do motor limitar a velocidade mxima na qual a operao em potncia constante possvel. Uma forma aproximada de verificar o limite mximo de velocidade respeitando os critrios da norma NEMA citados acima aplicando a equao a seguir: RPMmx = RPMbase x [(Cmx / Cnom)/ 1,5]

frente de onda de tenso acontece muito rapidamente e, com o avano da eletrnica de potncia, esses tempos de transio tendem a diminuir ainda mais. Com a grande rapidez do crescimento do pulso de tenso (dV/dt) emitido pelo inversor ao motor, a(s) primeira(s) espira(s) da primeira bobina de uma dada fase fica(m) submetida(s) a um alto valor de tenso. Devido s caractersticas indutivas e capacitivas do enrolamento do motor, ocorre amortecimento do pulso nas bobinas subseqentes.

6.5 Influncia do inversor no sistema isolante do motor A evoluo dos semicondutores de potncia tem levado criao de chaves mais eficientes, porm, mais rpidas. As elevadas frequncias de chaveamento das chaves eletrnicas empregadas nos inversores atuais (comumente transistores IGBT) acarretam algumas consequncias indesejveis, tais como o aumento de emisso eletromagntica e a provvel incidncia de picos de tenso, bem como elevados valores de dV/dt (taxa de variao da tenso no tempo), nos terminais dos motores alimentados por inversores. Dependendo das caractersticas de controle (resistores de gate, capacitores, tenses de comando, etc.) e da modulao PWM adotada, quando esses inversores so utilizados em conjunto com um motor de induo de gaiola, os pulsos, em combinao com as impedncias do cabo e do motor, podem gerar, de maneira repetitiva, sobretenses nos terminais do motor. Esses trens de pulsos podem reduzir a vida do motor pela degradao do seu sistema de isolamento. O cabo e o motor podem ser considerados um circuito ressonante excitado pelos pulsos retangulares do inversor. Quando os valores de R,L e C so tais, que a tenso de pico atinge valores acima da tenso da fonte (VDC 1,35Vnom), a resposta do circuito a essa excitao considerada um overshoot. Os overshoots afetam especialmente o isolamento entre espiras de enrolamentos randmicos e seu valor determinado, basicamente, pelos seguintes fatores: rise time do pulso de tenso, comprimento do cabo, mnimo tempo entre pulsos, frequncia de chaveamento e o uso de motores mltiplos.

Com isso, o rise time (tr) influencia diretamente o tempo de vida til do isolamento, pois quanto menor for o tempo de crescimento do pulso, maior ser a taxa de variao da tenso no tempo (dV/dt), originando maior diferena de potencial entre espiras e degradando mais rapidamente o sistema isolante do motor. Devido aos altos gradientes de tenso a que o isolamento submetido quando da operao com inversores, ele deve possuir caractersticas dieltricas superiores para essas aplicaes.

6.5.1.1 Consideraes normativas sobre o rise time As definies de rise time (tr) dadas pela NEMA e pela IEC diferem, conforme mostrado a seguir, dando margem a divergncias de interpretao e conflitos entre fabricantes e consumidores de motores e inversores de frequncia. NEMA MG1 Part 30

6.5.1 Rise Time Para transitar do seu valor mnimo at o seu valor mximo, a tenso PWM requer certo tempo, denominado rise time (tempo de subida). Devido grande velocidade de chaveamento dos IGBTs dos inversores, o crescimento da

tr: tempo que a tenso leva para subir de 10 a 90% da tenso do link DC ( 1,41Vnom) 15


www.weg.net

Clculo do dV/dt pelo critrio NEMA Supondo a tenso do motor Vnom = 460 V Vlink DC 1,41 x 460 = 648,6 V V = 0,8 x 648,6 = 518,9 V Assumindo um rise time de 0,1s t = 0,1s dV V = V = 518,9 = 5189 dt t 0,1 s IEC 60034-25

[ [

no clculo do dV/dt. Pelo critrio NEMA deve-se tomar o valor da tenso do link DC ( 1,41 Vrede) como referncia de 100% de tenso para a determinao do rise time (informado pelo fabricante do inversor) e o clculo do dV/dt. J pelo critrio IEC, o valor de pico da tenso nos terminais do motor que deve ser usado como referncia. Por efeito do cabo, o rise time a ser considerado no critrio IEC ser normalmente maior do que o considerado no critrio NEMA (que o valor informado pelo fabricante do inversor). Assim, percebe-se, que dependendo do critrio utilizado no clculo, podem ser considerados valores de dV/dt bastante distintos para uma mesma situao. Os critrios de isolamento dos motores WEG so definidos com base na NEMA, para que independam das instalaes do consumidor final. O critrio NEMA parece adequado por considerar apenas a regio linear da curva na aproximao da derivada (dV/dt V/t). O critrio IEC considera a tenso de pico nos terminais do motor, algo extremamente difcil de ser previsto ou estimado a priori. O rise time nos terminais do motor aumentado pela impedncia distribuda do cabo. O valor do dV/dt nos terminais do motor (mais ameno do que nos terminais do inversor) pode tambm ser calculado, mas requer a medio do pulso de tenso na entrada do motor e na maioria das vezes essa medio difcil de ser executada, necessitando de um tcnico que conhea o assunto e de um osciloscpio de boa qualidade.

tr: tempo que a tenso leva para subir de 10 a 90% da tenso do link DC ( 1,41Vnom)

Clculo do dV/dt pelo critrio IEC Supondo a tenso do motor Vnom = 460 V (com incidncia de picos de 1200 V) V = 0,8 x 1200 = 960 V Assumindo tr = 0,25s: dV V = V = 960 = 3840 dt t 0,25 s

6.5.2 Comprimento do cabo Os fatores predominantes para a incidncia de picos de tenso nos terminais do motor alimentado por inversor so o rise time e o comprimento do cabo. O cabo pode ser considerado uma linha de transmisso, ou seja, impedncias distribudas em sees de indutncias/capacitncias conectadas em srie/paralelo. A cada pulso, o inversor entrega energia ao cabo carregando essas indutncias e capacitncias.

[ [

O cabo como uma linha de transmisso composta por impedncias distribudas. O sinal chega ao motor atravs do cabo e parcialmente refletido, ocasionando sobretenso, pois a impedncia de alta frequncia na entrada do motor maior do que a impedncia do cabo. Comprimentos de cabo elevados geralmente aumentam o valor do overshoot nos terminais do motor. De acordo com o NEMA Application Guide for AC ASD Systems, com os modernos IGBTs os overshoots comeam aparecer a partir de aproximadamente 3 m de cabo, podendo chegar a 2 vezes o valor da tenso da fonte para comprimentos de cabo de 15 m e a valores superiores a esse, para comprimentos de cabo acima de 120 m, por exemplo, alm de o overshoot permanecer existindo por

NOTA: Por efeito do cabo, o rise time maior nos terminais do motor do que nos terminais do inversor. Um erro bastante comum considerar, no clculo do dV/dt, o rise time nos terminais do inversor e a tenso de pico nos terminais do motor, gerando um valor de dV/dt absurdo. Por exemplo, considerando no caso acima tr = 0,1 s (valor tipicamente encontrado no inversor), o dV/dt resultaria 9600 V/s! Devido s diferenas existentes entre as definies de rise time da NEMA e da IEC, ocorrem frequentemente confuses 16


www.weg.net

mais tempo nessas situaes. Esse comportamento varia em funo do padro de pulsos PWM, do rise time e do prprio tipo de cabo. As figuras abaixo mostram as tenses medidas na sada do inversor (sem cabo) e nos terminais do motor (Vnom = 400 V) com diferentes comprimentos de cabo. So exemplos apenas, pois os nveis dos overshoots dependem do tipo de cabo. Terminais inversor 20 metros de cabo Efeito das Descargas Parciais no sistema isolante do motor

Vpico = 560 V 30 metros de cabo

Vpico = 630 V 100 metros de cabo Isolamento desgastado pela ao de descargas parciais Portanto, as descargas parciais so descargas de baixa energia que, se atuam continuamente, degradam prematuramente o isolamento do motor. A eroso resulta na diminuio da espessura do material isolante, acarretando progressivas perdas de propriedades dieltricas, at que a tenso de ruptura atinja um nvel abaixo do nvel de pico da tenso aplicada, ocasionando ento a falha do isolamento.

Vpico = 750 V

Vpico = 990 V

6.5.2.1 Efeito Corona Dependendo da qualidade/homogeneidade do sistema de impregnao, o material impregnante pode conter bolhas de ar (vazios), nas quais se desenvolve o mecanismo de falha do isolamento entre espiras. A deteriorao do isolamento do motor devido aos overshoots de tenso ocorre por meio das Descargas Parciais, fenmeno complexo decorrente do efeito Corona. Entre condutores energizados adjacentes existe uma diferena de potencial relativa, que resulta em um campo eltrico. Se for estabelecido um campo eltrico suficientemente alto (mas abaixo da tenso de ruptura do material isolante), a rigidez dieltrica do ar pode ser rompida, ou seja, se houver energia suficiente, o oxignio (O2) ionizado em oznio (O3). O oznio altamente agressivo e ataca os componentes orgnicos do sistema isolante, deteriorando-os. Para que isso ocorra, o potencial nos condutores precisa exceder um valor limiar denominado CIV (Corona Inception Voltage), que a rigidez dieltrica do ar local (dentro da bolha). O CIV depende do projeto do enrolamento, tipo de isolamento, temperatura, caractersticas superficiais e umidade.

6.5.3 Mnimo tempo entre pulsos consecutivos H uma sucesso de picos na forma de onda da tenso entregue pelo inversor ao motor. Este sinal viaja atravs do cabo at atingir o motor com determinada velocidade de propagao. Assim, a tenso que aparece entre espiras pode variar sobremaneira, dependendo das caractersticas do enrolamento do motor e do tempo entre pulsos consecutivos na forma de onda da tenso. A tenso mdia aplicada sobre o motor controlada pela largura dos pulsos e pelo tempo entre eles. O overshoot torna-se pior quando o tempo entre os pulsos mnimo. Essa condio ocorre quando so necessrias elevadas tenses na sada e durante regimes transitrios, como acelerao e desacelerao do motor. Se o tempo entre pulsos menor do que 3 vezes o perodo ressonante do cabo (tipicamente 0,2 a 2s para cabos industriais), ocorrer acrscimo no overshoot. A nica forma de saber se essa condio existe medindo os pulsos diretamente ou contactando o fabricante do inversor.


17

www.weg.net

Quando o tempo entre pulsos consecutivos for menor do que 6s, pode-se assumir que a diferena de potencial entre espiras, principalmente quando a 1a e a ltima espira de um enrolamento randmico estiverem lado a lado, o valor pico a pico entre pulsos. O fato ocorre devido rapidez de propagao do pulso, pois enquanto na 1a espira o valor de tenso o valor pico a pico, na ltima espira a tenso muito baixa, provavelmente, zero. Acima mostrado um exemplo de tempo entre pulsos consecutivos menor do que 6s, em que efetivamente ocorreram queimas de motores por curto entre espiras.

entre o inversor e o ponto comum de conexo dos motores. O cabo atua como um desacoplador entre inversor e motor. Como resultado, reflexes que seriam absorvidas pela baixa impedncia de sada do inversor podem ser carregadas para um outro motor, amplificando assim o overshoot incidente nos seus terminais.

Na operao com mltiplos motores, o comprimento L deve ser o menor possvel. 6.6 Critrios de isolamento para motores WEG alimentados por inversor de frequncia Na utilizao de motores de induo trifsicos de baixa tenso WEG com inversores, para proteger o sistema de isolamento do motor, devem ser obedecidos os critrios definidos a seguir. Se alguma das condies apresentadas na tabela no for satisfeita, deve ser instalado filtro entre o inversor e o motor. NOTA: Motores para reas classificadas devem ser avaliados caso a caso e a WEG deve ser consultada.Tenso de Tenso nominal do motor pico nos terminais do motor VNOM 460 V 460 V VNOM 575 V 575 V VNOM 690 V 1600 V 1800 V 2200 V

6.5.4 Frequncia de chaveamento Associada aos efeitos originados do rise time e do mnimo tempo entre pulsos consecutivos, est a frequncia com que os mesmos so produzidos. Ao contrrio dos eventuais impulsos provenientes de manobras de rede, neste caso trata-se de um trem de pulsos mantido numa determinada frequncia. Em funo da rpida evoluo da eletrnica de potncia, essa frequncia atualmente atinge valores da ordem de 20 kHz e, quanto maior for a frequncia de chaveamento (pulsao) do inversor, mais rpida ser a degradao do sistema isolante. Estudos indicam que a dependncia do tempo de vida til do isolamento em funo da frequncia de chaveamento no uma relao simples, porm, experincias realizadas nesse sentido mostram dados interessantes: para frequncias de chaveamento 5 kHz a probabilidade de falha do isolamento diretamente proporcional frequncia de chaveamento, ao passo que para frequncias de chaveamento > 5 kHz a probabilidade de falha do isolamento diretamente proporcional ao quadrado da frequncia de chaveamento. O aumento da frequncia de chaveamento pode tambm ocasionar danos aos rolamentos. Por outro lado, o aumento da frequncia de chaveamento melhora a srie de Fourier da tenso injetada no motor, tendendo, dessa forma, a melhorar o desempenho do motor em termos de temperatura e rudo.

dV/dt na sada do inversor 5200 V/s 6500 V/s 7800 V/s

Rise Time do inversor*

Tempo entre pulsos*

0,1 s

6 s

* Informaes fornecidas pelos fabricantes de inversores.

Para o inversor, a mxima frequncia de chaveamento recomendada 5 kHz. A umidade um agente agressivo e deve ser evitada para garantir maior tempo de vida ao motor. Para manter os enrolamentos sem umidade, recomenda-se o uso de resistncias de aquecimento. O sistema isolante utilizado depende da faixa de tenso de alimentao do motor e do tamanho da carcaa.

6.7 Consideraes normativas sobre o isolamento de motores acionados por inversores de frequnciag

6.5.5 Aplicaes com mltiplos motores Se mais de um motor conectado ao mesmo inversor, pode ocorrer overshoot devido reflexo entre motores. Essa situao to pior quanto maior for o comprimento do cabo 18

NEMA MG1 se a tenso de entrada do inversor no exceder a tenso nominal do motor e nos terminais do motor forem observados valores de tenso dentro dos limites estipulados abaixo, assume-se que no haver significativa reduo na vida til do isolamento por stress de tenso.


www.weg.net

Nema MG1 - Parte 30 Motores de uso geral Para tenso 600 V : Vpico 1kV Rise time 2s Para tenso 600 V : Vpico 2,04 Vnom Rise time 1s

Nema MG1 - Parte 31 Motores de uso especfico Para tenso > 600 V : Vpico 3,1 Vnom Rise time 0,1s Para tenso 600 V : Vpico 2,04 Vnom Rise time 1s

NOTA: O isolamento dos motores WEG atende norma NEMA MG1 Partes 30 e 31.

g

IEC 60034 para motores at 500 V o sistema de isolamento deve suportar os nveis de Vpico mostrados na tabela abaixo. Acima de 500 V, o sistema isolante deve ser reforado ou filtros devem ser instalados na sada do inversor, para aumentar o rise time/limitar as tenses de pico. Percebe-se a similaridade dos critrios definidos pela IEC e pela GAMBICA e a disparidade de ambas em relao aos critrios NEMA, fato decorrente das diferentes definies de rise time e dV/dt de acordo com cada organismo. Vale observar que tanto a IEC quanto a GAMBICA levam em considerao o comprimento do cabo entre inversor e motor, informao que a WEG tambm considera relevante.

IEC 60034-17 Motores de uso geral

6.8 Recomendaes para os cabos de conexo entre motor e inversor WEG Conforme j citado, o mximo pico de tenso incidindo nos terminais do motor alimentado por inversor de frequncia depende de vrios fatores, dentre os quais o mais importante o comprimento do cabo. Quando da utilizao de motores com inversores de frequncia WEG, as seguintes regras prticas so sugeridas para a avaliao da necessidade de utilizao de filtros entre o motor e o inversor: Curva vlida para motores StandardComprimento de cabo L L 100 m Filtros de Sada No so necessrios Necessria reatncia de sada (2% de queda de tenso mnima) Necessrios filtros especiais (consultar a WEG)

IEC 60034-25 Motores de uso especfico

100 m < L 300 m L > 300 m

A reatncia de sada necessria para limitar a corrente de fuga, que flui da sada do inversor para a terra. A reatncia de rede evita o bloqueio do inversor por atuao da sua proteo de falta terra. A reatncia de sada dever ser projetada para suportar perdas adicionais ocasionadas pelas oscilaes de corrente do motor e pelas correntes de fuga para a terra. Estas ltimas aumentam medida que o comprimento do cabo do motor aumenta. Para cabos longos e reatncias projetadas para pequenas correntes haver uma grande influncia das correntes de fuga nas perdas (e no aquecimento) das reatncias. As perdas adicionais das reatncias devero ser consideradas na refrigerao dos painis, de forma a garantir operao em temperatura ambiente segura. A reatncia de sada dever ser posicionada prxima ao inversor, como mostra a figura abaixo.

Curva A: Vlida para motores at 500 Vca (sem filtros) Curva B: Vlida para motores at 690 Vca (sem filtros) * Valores medidos com diferentes comprimentos de cabo e alimentao de 415 Vcag

GAMBICA/REMA a associao europia de fabricantes de motores (REMA) e inversores (GAMBICA) estabelece os critrios abaixo com base na experincia prtica dos seus membros.


19

www.weg.net

As recomendaes bsicas esto resumidas na tabela abaixo, mas sugere-se consultar a norma para mais detalhes e eventuais modificaes resultantes de revises. O sistema de aterramento deve apresentar uma boa interligao entre os diversos locais da instalao, como por exemplo, entre os pontos de aterramento do motor e do inversor. Diferenas de potencial ou impedncia entre diferentes pontos da malha de aterramento pode provocar circulao de correntes parasitas entre os equipamentos conectados terra, levando a problemas de interferncia eletromagntica. Tipos de cabos para conexo do motor recomendados pela IEC 60034-25 PE PE L1 L3 6.8.1.1 Cabos sem Blindagemg

L1 = Reatncia de entrada (reatncia de rede) critrio de seleo conforme item 5.2 L2 = Reatncia de sada dever ser montada prxima ao inversor.

6.8.1 Tipos de cabos e orientaes de instalao As caractersticas do cabo usado para conectar o inversor ao motor, bem como a sua interligao e localizao fsica, so de extrema importncia tambm para evitar interferncia eletromagntica em outros dispositivos.

L1 L2 L3 PE L2 Scu

Scu

Podem ser utilizados quando no for necessrio o atendimento da diretiva de compatibilidade eletromagntica (89/336/EEC). Devem ser respeitadas as distncias mnimas de separao da fiao definidas abaixo. A emisso eletromagntica dos cabos pode ser reduzida instalando-os dentro de um eletroduto metlico, o qual deve ser aterrado pelo menos nos dois extremos. O campo magntico criado pela circulao de corrente eltrica nesses cabos pode induzir correntes em peas metlicas prximas, causando perdas eltricas adicionais e sobreaquecimento destas.

Alternativas para condutores de at 10 mm2 L3 L1 L2 PE Scu L1 L3 L2 AFeAfe = ao ou ferro galvanizado

g

g

PE = condutor de terra SCU = blindagem externa (cobre ou alumnio) Cabos blindados simtricos: trs condutores concntricos (com ou sem condutores de terra) construdos de forma simtrica + blindagem externa de cobre ou alumnio. A blindagem dos cabos deve ser aterrada em ambos os lados, inversor e motor. Devem ser feitas conexes de 360, para que se obtenha baixa impedncia para altas frequncias. Para que a blindagem atue tambm como terra de proteo, ela deve possuir pelo menos 50% da condutibilidade dos condutores de fase. Caso contrrio, condutor de terra adicional deve ser usado externamente ao cabo blindado, ficando a blindagem como proteo de EMC. A condutibilidade da blindagem para altas frequncias deve ser pelo menos 10% daquela dos condutores de fase. 6.9 Influncia do inversor na corrente que circula pelos mancais do motor (tenso induzida no eixo) O fenmeno de tenso/corrente induzida no eixo agravou-se com o advento dos inversores de frequncia PWM, pois os motores passaram a ser alimentados por formas de ondas desequilibradas e com componentes de alta frequncia. Portanto, as causas de tenso induzida no eixo devido aos

6.8.1.2 Cabos blindadosg

Atuam principalmente reduzindo a emisso irradiada pelos cabos do motor na faixa de radiofrequncia. Obrigatrios quando houver necessidade de atender diretiva de compatibilidade eletromagntica (89/336/EEC), conforme definido pela Norma de Produto EN 61800-3. Obrigatrios tambm quando existirem filtros de radiofrequncia (internos/built-in ou externos) instalados na entrada do inversor. Devem ser respeitadas as distncias mnimas de separao entre os cabos do motor e os demais cabos da instalao (por exemplo: cabos de sinal, cabos de comando, cabos de sensores, etc.) definidas abaixo.Separao entre os cabos do motor (blindados ou no) e os demais cabos presentes na instalao Comprimento da fiao 30 m > 30 m Distncia mnima de separao 10 cm 25 cm

g

g

g

6.8.1.3 Recomendaes de instalao A IEC 60034-25 apresenta tipos e pormenores de instalao. 20


www.weg.net

inversores de frequncia somam-se quelas intrnsecas ao motor (por exemplo, desbalanceamento eletromagntico causado por assimetria) e que tambm provocam a circulao de corrente pelos mancais. A principal causa de correntes circulantes pelos mancais do motor acionado por inversor esttico so as tenses modo comum. As impedncias capacitivas tornam-se baixas diante das altas frequncias produzidas pelo inversor, ocasionando circulao de corrente pelo caminho formado pelo rotor, eixo e mancal para a terra.

6.9.1 Tenses modo comum A tenso PWM trifsica de sada de um inversor eletrnico de frequncia, diferentemente da tenso trifsica senoidal, no equilibrada, ou seja, em funo da topologia do estgio inversor, a soma vetorial instantnea das tenses nas trs fases no igual a zero, mas igual a um potencial eltrico de alta frequncia relativo a um ponto comum de referncia, usualmente o terra ou o barramento negativo do link DC, da a denominao modo comum.

Tenso modo comum: o somatrio das tenses na sada do inversor no zero Correntes de modo comum indesejadas podem resultar dessa tenso modo comum de alta frequncia e, havendo capacitncias parasitas do motor para a terra, a corrente tender a fluir para a terra atravs dessas capacitncias parasitas, atravessando rotor, eixo e mancal para a tampa aterrada. Experincias prticas mostram, que as tenses e correntes modo comum tendem a aumentar com frequncias de chaveamento mais elevadas. 6.9.2 Circuito equivalente do motor para as correntes capacitivas de alta frequncia Os caminhos percorridos pelas correntes de modo comum podem ser observados no modelo do circuito equivalente do motor para altas frequncias, no qual os mancais so representados por capacitncias. O rotor suportado pelos mancais, que possuem um filme de graxa no-condutivo. Em altas velocidades no h contato entre o rotor e a pista externa do rolamento (aterrada), devido distribuio plana do filme de graxa. O potencial do rotor pode ento aumentar com relao terra at atingir um nvel capaz de romper o filme de graxa, ento ocorre faiscamento e a corrente de descarga flui atravs dos rolamentos. Essa corrente circula quando o filme de graxa momentaneamente rompido e denominada componente de descarga capacitiva. Outra componente de corrente circula permanentemente pela espira caracterstica formada por eixo, mancais e carcaa e denominada componente de conduo.

Cer : capacitor formado entre o enrolamento estatrico e as chapas do rotor. (Dieltrico = entreferro+isolante de ranhura+isolamento dos fios) Crc : capacitor formado entre as chapas do rotor e do estator. (Dieltrico = entreferro) Cec : capacitor formado entre enrolamento estatrico e carcaa. (Dieltrico = isolamento de ranhura + o isolamento dos fios) Cmd e Cmt : capacitncias dos mancais dianteiro e traseiro, formadas pelas pistas de rolagem dos anis internos e externos, tendo as esferas (ou rolos) metlicas no interior. (Dieltrico = espaos entre as pistas de rolagem e as esferas + graxa do rolamento) ICM : corrente total de modo comum Ier : corrente de descarga capacitiva do estator para o rotor Ic : corrente de descarga capacitiva pelos mancais. Essas descargas desgastam as esferas e a pista do rolamento, dando origem a pequenos furos, que comeam a se sobrepor e, caso haja correntes de descarga por longo tempo, sulcos (crateras) sero formados. A eroso acarreta reduo da vida til dos rolamentos e pode provocar falha da mquina.


21

www.weg.net

Motor com uma ponta de eixo acionante

Cratera ocasionada por eletroeroso na pista interna do rolamento. Sem proteo para os mancais:

Pista de rolamento danificada devido circulao de corrente eltrica pelo mancal.

Com proteo para os mancais:

Estriamento (fluting) causado pela corrente eltrica no mancal

Motor com duas pontas de eixo acionantes

6.9.3 Mtodos para evitar ou minimizar a circulao de corrente eltrica pelos mancais do motor alimentado por inversor Deve-se impedir a circulao de corrente atravs dos mancais levando-se em conta as componentes de conduo (induzidas no eixo) e as componentes de descarga capacitiva (resultantes da tenso modo comum). Para eliminar as correntes circulantes na espira caracterstica basta isolar os mancais do motor. Para eliminar as componentes de origem capacitiva, porm, seria necessrio isolar tambm os mancais da mquina acionada, para evitar a migrao de cargas eltricas do motor para o rotor da mquina acionada atravs dos eixos eletricamente ligados nos casos de acoplamentos no-isolados. Outro meio de eliminar a componente de origem capacitiva consiste em curto-circuitar o rotor e a carcaa do motor com escova deslizante de grafite. Assim a circulao da componente indutiva na espira caracterstica eliminada isolando-se apenas um dos mancais do motor, enquanto a componente capacitiva e a transferncia das cargas capacitivas do motor para a mquina acionada so eliminadas pelo curto-circuitamento atravs da escova. 22

Sem proteo para os mancais:

Com proteo para os mancais:


www.weg.net

6.10 Critrios, quanto a corrente pelos mancais (tenso no eixo), para motores de induo WEG alimentados por inversoresPlataforma W21 W22 Tamanho de carcaa (ABNT) mod < 315 Padro Sem proteo Opcional Consultar a WEG Um mancal isolado Ambos os mancais isolados W21 W22 315 e 355 Sem proteo* Aterramento entre eixo e carcaa por meio de escova (kit de aterramento do eixo) Mancal traseiro isolado Aterramento entre HGF 315 mod 630 eixo e carcaa por meio de escova (kit de aterramento do eixo na dianteira Mancal traseiro isolado Aterramento entre M 280 mod 1800 eixo e carcaa por meio de escova (kit de aterramento do eixo na dianteira* Para motores da linha Inverter Duty, o kit de aterramento do eixo item padro de linhag g

componente de sequncia zero das tenses de modo comum de fase, reduzir o dV/dt ou ou isolar o(s) rolamento(s). A necessidade de isolamento de ambos os rolamentos rara. No caso da anlise de todo o sistema de acionamento (inversor + motor + mquina acionada), isolar o acoplamento entre o motor e a mquina acionada. O sistema de aterramento normalmente utiliza escovas de aterramento. IEC 60034-25 no especifica uma carcaa a partir da qual seria necessrio proteger os mancais. No item que aborda os efeitos de assimetria magntica dos motores, como causa de tenso no eixo e corrente pelos mancais, citado que as correntes pelos mancais ocorrem mais comumente em motores maiores que 400 kW. Para as outras causas, no so citados os tamanhos de carcaa. O tipo de soluo para evitar as correntes pelos mancais, apresentado neste documento, depende da componente de corrente que se queira evitar. As solues alternam-se entre mancais isolados e/ou escova de aterramento no eixo. CSA 22.2 N100 Item 12 escovas de aterramento no eixo devero ser utilizadas em motores com carcaas maiores do que a IEC 280 (NEMA 440). Gambica/REMA Technical Guide para motores de carcaas menores do que a IEC 280 os efeitos da corrente pelos mancais so mnimos. Nestes casos, nenhum tipo de proteo necessrio. Para motores com carcaas maiores do que a IEC 280, os efeitos das correntes pelos mancais j so significativos e certas protees so necessrias: motor com mancal traseiro isolado e aterramento do eixo, evitando curto-circuitar o lado do mancal/rolamento isolado.

Ambos os mancais isoladosg

Ambos os mancais isolados

NOTA: Motores para reas classificadas devem ser avaliados caso a caso consultar a WEG.

6.11 Consideraes normativas sobre as correntes que circulam pelos mancais dos motores acionados por inversoresg

NEMA MG1 Part 31 com alimentao senoidal (rede), a presena de tenso no eixo / corrente nos mancais ocorre geralmente em motores da carcaa 500 e maiores. No entanto, em aplicaes com inversores de frequncia as correntes pelos mancais tm ocorrido ocasionalmente em motores de carcaas menores. A interrupo dessas correntes requer o isolamento de ambos os rolamentos. Alternativamente, escovas de aterramento no eixo podem ser usadas para desviar a corrente sobre os rolamentos. Deve ser observado que o isolamento dos rolamentos no ir prevenir danos do equipamento conectado ao eixo do motor. NEMA Application Guide for AC ASD Systems as componentes de corrente pelos mancais devido tenso de modo comum (alimentao com inversor) podem causar problemas em motores com tamanhos de carcaa menores que a carcaa 500 (provavelmente nas carcaas 400 e maiores). A soluo para o problema mancal isolado e/ou escova de aterramento no eixo. IEC 60034-17 para carcaas acima da 315 recomendase usar na sada do inversor filtro para reduo da

6.12 Influncia do inversor no rudo acstico emitido pelo motor As mquinas eltricas girantes possuem basicamente trs fontes de rudo: g O sistema de ventilao; g Os rolamentos; g Origem eletromagntica. Quando os rolamentos esto em bom estado, o rudo gerado por eles praticamente desprezvel, comparado com o rudo gerado pelas outras fontes. Motores alimentados com tenso senoidal, principalmente aqueles de polaridades mais baixas (rotaes mais elevadas), tm no sistema de ventilao a sua principal fonte de rudo. J nos motores de polaridades maiores e rotaes menores freqentemente sobressai o rudo de origem eletromagntica. Por outro lado, em acionamentos de velocidade varivel especialmente nas baixas frequncias de operao, nas quais o rudo devido ventilao diminui - o rudo eletromagntico pode ser a maior fonte de rudo para motores de quaisquer polaridades, devido ao contedo harmnico da tenso. O aumento da frequncia de chaveamento tende a reduzir o rudo de origem eletromagntica dos motores.

g

g


23

www.weg.net

6.13 Critrios de rudo para motores WEG acionados por inversores Resultados de ensaios laboratoriais (medies de 4 pontos efetuadas em cmara acstica semi-anecica com o inversor colocado fora da cmara) realizados com vrios motores e inversores utilizando diversas frequncias de chaveamento tm mostrado que os motores de induo trifsicos WEG, quando alimentados por inversores de frequncia PWM e operando na rotao nominal (tipicamente 50 ou 60 Hz), apresentam no mximo 11 dB(A) de acrscimo no seu nvel de presso sonora global.

podem resultar em foras parasitas atuando sobre o motor e ocasionando vibraes mecnicas, alm de contribuir para o aumento global dos nveis de rudo. Esse mecanismo ganha importncia especialmente quando amplificado por ressonncias mecnicas no motor ou na mquina acionada. Se alguma das harmnicas no-fundamentais estiver prxima das frequncias naturais do motor, as foras produzidas podem excitar modos de vibrao. Tais efeitos podem ser atenuados se cuidados forem tomados no projeto do motor, com relao s ranhuras estatricas e rotricas, chapas e carcaa, buscando sempre simplificar o sistema mecnico e reduzir a possibilidade de excitar frequncias naturais e desenvolver modos de vibrao. Os inversores atuais tambm possuem ferramentas para contornar tais problemas, assim frequncias especficas dentro da faixa de operao podem ser evitadas (skip frequency) e as rampas de acelerao e desacelerao so ajustveis.

6.14 Consideraes normativas sobre o rudo de motores acionados por inversoresg

NEMA MG1 Part 30 O nvel de rudo depende da construo do motor, do nmero de polos, da frequncia de chaveamento e do padro de pulsos do inversor, da frequncia fundamental e da velocidade de operao do motor. A resposta em frequncia do equipamento acionado tambm deve ser considerada. Assim, os nveis de rudo produzidos sero maiores do que os valores anunciados pelo fabricante, quando da operao acima da rotao nominal. Em certas frequncias, a ressonncia mecnica ou o rudo magntico podem aumentar sensivelmente os nveis de rudo, embora uma alterao na frequncia e/ou tenso possa reduzir esse rudo. A experincia tem mostrado que, tipicamente na frequncia nominal, um aumento de 5 a 15 dB(A) no nvel de rudo podem ocorrer, quando motores so alimentados com tenso PWM. Para outras frequncias os nveis de rudo podem ser ainda mais elevados. IEC 60034-17 devido s harmnicas o mecanismo de excitao para o rudo magntico torna-se mais complexo do que com regime senoidal e ressonncias podem ocorrer em frequncias particulares dentro da faixa de operao. Experincias mostram, que com tenso e frequncia nominais, provavelmente haver incremento no rudo de 1 a 15 dB(A). IEC 60034-25 a operao com inversor afeta diretamente o rudo emitido pelo motor por trs fatores: variaes na velocidade de rotao, que influenciam o desempenho dos rolamentos e sistema de ventilao do motor (alm de outras caractersticas sensveis a variaes de temperatura); contedo harmnico do sinal, que afetam em grande escala rudo magntico excitado no ncleo do estator e, em menor escala, o rudo produzido nos mancais; e oscilaes de torque, devido interao de ondas de diferentes frequncias do campo magntico no entreferro do motor. O aumento do rudo emitido pelo motor devido operao com inversor (em relao alimentao senoidal) ser relativamente pequeno para frequncias de chaveamento acima de 3 kHz, mas poder chegar a 15 dB(A) para chaveamentos mais lentos, conforme experincia.

g

6.16 Critrios de vibrao para motores WEG acionados por inversores Ensaios realizados com motores e inversores diversos, seguindo os procedimentos recomendados pela IEC 6003414 (medio em trs direes perpendiculares, com o motor funcionando em vazio apoiado sobre uma base elstica devidamente dimensionada), confirmaram que a vibrao dos motores de induo aumenta quando estes so acionados por inversores de frequncia. De um modo geral, o acrscimo de velocidade de vibrao foi menor para a maior frequncia de chaveamento do inversor. Ou seja, maiores frequncias de chaveamento tendem a reduzir a vibrao mecnica do motor de induo acionado por inversor. Em todos os casos, mesmo naqueles acima da frequncia base, os motores WEG apresentaram valores de velocidade de vibrao RMS (mm/s) abaixo dos limites estabelecidos pelas normas IEC 60034-14 e NEMA MG1 Parte 7, atendendo, portanto, aos critrios exigidos.

g

6.17 Consideraes normativas sobre vibrao, para motores acionados por inversoresg

NEMA MG1 Part 30 possvel, que algumas frequncias dentro da faixa de operao correspondam a frequncias mecnicas naturais do motor ou da estrutura. Nessas situaes a operao mais do que momentnea nas velocidades crticas deve ser evitada, pois causaria danos ao motor ou a carga. NEMA MG1 Part 31 A vibrao e o rudo da mquina so influenciados pelos seguintes parmetros: projeto eletromagntico; tipo de inversor; ressonncia da estrutura e do invlucro da carcaa; rigidez, massa e configurao do suporte; reflexes de rudo e vibrao pela carga ou acoplamento do eixo; ventilao.

g

6.15 Influncia do inversor na vibrao mecnica do motor Interaes entre as harmnicas de corrente e de fluxo 24


www.weg.net

g

IEC 60034-17 As oscilaes de torque causadas pelas harmnicas ocasionam vibraes torsionais no sistema mecnico, ao contrrio dos torques assncronos, que pouco afetam a operao do acionamento de velocidade varivel. Em acionamentos com inversores PWM as frequncias dominantes do torque oscilante so determinadas pela frequncia dos pulsos, enquanto suas amplitudes dependem da largura do pulso. Torques oscilantes em duas vezes a frequncia de chaveamento so gerados, porm, normalmente no chegam a prejudicar o sistema, pois sua frequncia est muito acima das frequncias mecnicas crticas. Chaveamentos elevados (da ordem de 21 vezes a frequncia fundamental) tendem a melhorar o torque / reduzir a oscilao. IEC 60034-25 se o inversor possuir caractersticas de sada apropriadas e se forem tomados os devidos cuidados com as caractersticas mecnicas e a montagem do motor, sero produzidos nveis de vibrao similares queles obtidos com regime senoidal, no havendo, portanto, a necessidade de estabelecer critrios de vibrao diferentes daqueles j definidos pela IEC 6003414 para alimentao senoidal. Nveis de vibrao obtidos com o motor desacoplado servem como indicativos de qualidade do motor, mas quando o motor instalado finalmente e acoplado ao equipamento acionado, o nvel de vibrao poder ser bast

Documents

Motores de indução alimentados por inversores de frequência PWM