Técnicas usadas para avaliação dos inversores de frequência

Elaborado por : Gleston F. de Castro

Técnicas usadas para avaliação dos inversores de frequencia

Os procedimentos aqui apresentados servem para avaliar o funcionamento do inversor , investigando os vários tipos de defeitos possíveis de acontecer e como identificarmos e solucionarmos


TRUE – RMS – porque usar

Para analise dos problemas com inversores de frequencia é necessário usar medidores “true – rms” pois eles conseguem medir os valores reais de uma onda não senoidal

Cargas – computadores , fluorescentes , retificadores , inversores , no-breaks,etc

Prática


Esquema detalhado do inversor de frequencia

DC+

DC-

AC1

AC2

AC3

M1 M2 M3

Unit Diagram - 7.5 to 15 HP380 - 575V StructurePowerFlex700S/DriveLogix Author : Rick Piefer

Inverter IGBT Section

Brake IGBT

Section

Converter diode Section

BR1

BR2

NTC

PE

Three Phase A.C. Input

Common Bus / External Brake

Power Connections

Three Phase A.C. Output

External Brake Resistor

CM Core

Power Layer

V_A

mps

W_A

mps

24V

DC

24V

CO

M

+5V

DC

+5V

DC

+5V

DC

+5V

DC

AD

_Gnd

AD

_Gnd

+12V

DC

+12V

DC

-12V

DC

AD

_Gnd

AD

_Gnd

EE

+5V

DC

AD

_Gnd

EE

_CS

EE

_GN

D

Cha

rge

GN

DS

HR

T

V_P

OS

+

V_N

EG

+

U_V

olts

/ D

C_B

us-

V_V

olts

W_P

OS

+

W_N

EG

+

PrechargeRelay

DC

_Bus

+

40 Pin Connector To Control Structure

Chassis

PE

Earth Ground

Motor Ground

I/O Shield Bus

Logic Common

Motor Shield

Source PowerShield

PowerFlex 700S/DriveLogix

Inverter 1 to 15 HP Structure

AD

_Gnd

EE

_IO

EE

_SK

PE-A

U_P

OS

+

U_N

EG

+

Bra

ke

Tem

p

ISN

SG

ND

U_A

mps

VS

NS

GN

D

Pw

r_Fl

t

W_V

olts

PE-B

PEPE

TB1-10

TB1-11

TB1-12

TB1-5 TB1-6

TB1-3

TB1-4

TB1-1

TB1-2

TB1-7 TB1-8 TB1-9

Control Structure Interface J1

PowerFlex700s-SMPS

Solder Interconnect

Voltage Feedback & Gate Drive

External 300V Input

J5 J6

InternalStirring Fan

Power Cooling Fan

DC+IN DC+OUT

DC-INDC-OUT

PM PMPM

J1 J2

J3 J4

J1

SMPS

TB2

Unique on Frames 1, 2, 3 and soldered to Power Board

On Frames 5 and above the SMPS is the same

Unique on all Frames , plug in


MEDIDAS

Tensão –usar aparelho “true-rms” pois a tensão nos bornes do motor não é senoidal , é PWM .Somente desta forma podemos verificar se a tensão está proporcional a frequencia e tensão indicada no inversor .

Se estiver baixa , pode nos indicar uma má conexão ou a tensão CC nos capacitores internos está baixa , podendo ser um mau funcionamento do retificador de entrada.

Se estiver alta , pode ser também a tensão CC nos capacitores causada pela tensão de alimentação muito alta . Nos dois casos devemos medir a tensão CC .OS valores típicos são indicados abaixo: Alimentação Barramento CC

220 V 300 V

380 V 510 V

440 V 600 V

Prática


MEDIDAS

Desbalanço de tensão – Devemos medir as tensões fase – fase nos terminais do motor .Caso o desbalanço chegue a 3 % pode causar aquecimento excessivo em determinados pontos internos no motor devido a correntes desbalanceadas e também a perda de torque do motor .Pode ser usado um multimetro comum.

Possíveis causas – Um dos transístores de saída pode não estar conduzindo totalmente ou parcialmente .Verificar na saída do inversor e trocar transístor.Caso contrário há algum elemento na instalação causando este desbalanço .

Abaixo o método de cálculo do desbalanço

Percentual desbalanço = (máximo desvio do valor médio / valor médio) X 100

Exemplo – valores medidos - 449 , 470 , 462

média 460

máximo desvio – 11

desbalanço – 2,39 %


MEDIDAS

Desbalanço de corrente – devemos medir a corrente para que ela não passe o valor nominal do motor e que as tres fases não tenham um desbalanço perigoso , maior que 10 % .

A vida elétrica do motor ficará reduzida nestas condições.

Caso o desbalanço de tensão esteja dentro dos limites ( 3 % ) o excessivo desbalanço de corrente pode ser causado pelo enrolamento do estator em curto ( ou começando este processo)

Como o ambiente onde se faz as medições são “ruidosos” o alicate amperímetro usado , de preferencia , deve ser o de medição “ac” somente por ser menos sensível a estes ruídos . Evitar os alicates “ac+dc” pois sua impedância é menor.

Ambos devem estar blindados .


MEDIDASSe a corrente está desbalanceada podemos verificar se a causa é do inversor ou do motor .Isto é feito “girando” as conexões nos terminais do motor .

Primeiro realize as medições de corrente das tres fases com motor funcionando .Depois gire os cabos que vem do inversor até o motor

Conforme a figura abaixo se as fases AO , BO e CO estão conectadas aos terminais T1 , T2 , T3 , troque as conexões para que as fases AO , BO , CO agora são conectadas em T2 , T3 , T1 .

Meça as correntes novamente , com motor funcionando

O tipo de inversor irá dizer se o defeito está no motor ou no inversor

Prática


MEDIDASOnda refletida – è necessário usar um osciloscópio para descobrir a total extensão deste problema .

Observe , nas figuras abaixo que a primeira medição da tensão fase –fase nos bornes do motor com um cabo de 2 metros e a segunda medição o mesmo motor com um cabo de 30 metros.

Note a diferença nas medidas dos valores de pico –mais ou menos 210 V .Note também que o valor “rms” é de somente 5 V ( pequenos dígitos no display).Isto significa que seu multimetro não capturará este problema .

Mudando a base de tempo no osciloscópio podemos ter um “zoom” da forma de onda e medir melhor a intensidade do efeito.

Prática


MEDIDASSe o cabo entre o inversor e o motor não puder ser reduzido , podemos usar filtros que reduzem este efeito.

Abaixo as tres soluções possíveis :


MEDIDAS

Tamanho/custo dependente da corrente do motor

Tamanho/custo dependente da corrente do motor

Tamanho / custo mais ou menos fixas

Perdas dependentes da corrente do motor

Perdas dependentes da corrente do motor

Perdas mais ou menos fixas

Dependente do tamanho do sistema

Dependente do comprimento do cabo

Não é dependente do comprimento do cabo

Age como limitador de corrente e reduz dv/dt

Projetada para reduzir o dv/dt abaixo do valor crítico

Projetado para “casar” com a impedância do cabo

Conexão em série com a saída PWM do inversor

Conexão em série com a saída PWM do inversor

Conexão paralela aos bornes motor

Indutor em série

Filtro saída do inversor

Terminador nos bornes motor


Corrente nos rolamentos – existe uma tensão normal e inevitável no eixo do motor criado a partir dos enrolamentos do estator até o eixo , criando pequenas dissimetrias nos campos magnéticos no entreferro do motor.Esta tensão normalmente é menor que 1 V rms .

Numa alimentação de 60 Hz , esta tensão fica entre 0,4 a 0,7 V .Entretanto com os rápidos transientes de tensão gerados pelo PWM do inversor eleva esta tensão para 8 – 15 Volts.

Ela cria pequenas descargas na graxa e nos rolamentos levando a um desgaste prematuro com consequente enrugamento da superfície .Isto provoca um aumento do ruído e aquecimento do motor, pois os rolamentos perdem sua forma e fragmentos de metal podem se misturar a graxa e aumentar a fricção e maior aquecimento e ruído.

Esta medição deve ser feita com cuidado , através de um pequeno cabo trançado , conectado no eixo e a outra ponta na carcaça aterrada.Como esta tensão é gerada pelo pulsos PWM a tensão aparece como picos aleatórios e deve ser usado um osciloscópio

MEDIDAS


MEDIDAS

Fuga à terra- corrente de alta frequencia que “foge” para a terra através das capacitâncias parasitas da instalação ( transístor , cabo , motor )

Medimos esta corrente de fuga colocando o alicate amperímetro em volta dos tres cabos do inversor e motor .O sinal resultante será a corrente de fuga


MEDIDASA geração da tensão PWM com a rápida mudança pode levar interferencia aos circuitos eletrônicos do inversor . Um bom fabricante deve desenhar sua placa eletrônica com a posição dos componentes e as trilhas de forma que reduzam esta interferencia . O uso de um cabo blindado na saída do inversor ao motor também ajuda a diminuir o efeito.

Porem , com o uso de um osciloscópio podemos verificar se o circuito de controle está operando correntamente.

O que devemos observar é a relação V / hz na forma de onda .

Se a leitura da frequencia é estável , mas a tensão está baixa , alta ou instável com relação ao valor que deveria ter naquela frequencia ( lembrar que a relação tensão / frequencia deve ser constante e proporcional durante o acionamento ) , isto pode indicar algum problema no circuito CC .

Se a leitura de tensão é estável , mas a frequencia ficou instável , provavelmente o circuito de controle dos IGBT´s .Este mau funcionamento pode ser gerado por interferencia e devemos prover algum tipo de blindagem.

Prática


MEDIDASOutra maneira de identificar o problema de acionamento é verificar os sinais que “entram” e “saem” do inversor.

Com relação as entradas digitais , geralmente é usada a fonte de 24 Vcc interna do inversor , passa este sinal por algum contato externo e depois voltam para as entradas .Portanto devemos verificar se a fonte está com seu valor correto e depois verificar se este sinal esta chegando na entrada correta ( medir a tensão CC entre os bornes 02 e 04 ) .Ver também se programamos a função correta para a entrada usada.

Para o bom funcionamento do potenciometro , que dá a referencia para a velocidade do motor , também uma fonte de 10 Vcc interna do inversor deve ser testada e depois verificar se a tensão entre os bornes 13 e 14 está variando .Verificar também se a entrada está programada para a função correta.

No caso de usarmos as entradas e saídas de 4 – 20 mA , usar cabos blindados pois este tipo de sinal é o que sofre mais interferencia

Verificar se as saídas do inversor estão programadas para a função correta

Prática


MEDIDASCircuito de Força

Transístor de Potência – Usando um osciloscópio podemos detectar se o IGBT está se deteriorando , pois em funcionamento normal a onda quadrada gerada pelo PWM deve ser perfeita , enquanto , com desgaste excessivo , a onda começa a ter uma forma “arredondada” e o tempo de subida se torna mais lento.Podemos usar o recurso de medição deste tempo para avaliar o estado do transístor-tempo típico deve ficar entre 50 e 200 nS.

Outra tecnica usada é a alimentação do inversor , através do barramento CC com uma tensão reduzida – 10 a 150 V cc – depende da mínima tensão necessária para o inversor não desarmar por baixa tensão no barramento CC – e verificar se o transístor consegue manter a forma de onda na saída.Com uma tensão baixa o efeito da forma de onda “arredondada” aparece mais acentuada . A alimentação AC da rede deve ser desligada .

Naturalmente nos pequenos inversores ( até 10 HP ) todo o conjunto de força está montado numa única peça e esta análise é impossível . Pelo custo nesta faixa de potência é melhor sua substituição assim que for constatado um mau funcionamento.


MEDIDAS

Análise do IGBT – Transístor Bipolar de Porta IsoladaQuando a tensão de saída não estivar adequada podemos investigar qual IGBT

está com defeito:

1) Para checar a condução positiva dos IGBT´s conecte a ponta comum do osciloscópio no ponto DC+ e a outra ponta coloque em cada uma das tres fases de saída.Procure por uma onda quadrada limpa , sem ruído na parte de dentro dos pulsos e que todas as fases tenham a mesma aparencia.Estaremos verificando os transístores da parte superior do circuito

2) Para checar a parte negativa de condução dos IGBT´s conecte a ponta comum no ponto DC- e faça as mesmas medições acima . Estaremos verificando os transístores da parte inferior do circuito

3) Para verificar algum “vazamento” dos IGBT´s , meça a tensão entre a terra e os terminais de saída com o motor parado , mas o inversor energizado.Normalmente uma tensão de até 50 V é normal , acima deste valor poderemos ter algum transístor com fuga.O melhor é medir algum outro inversor da mesma potência que esteja bom para servir de parâmetro

Prática


MEDIDASBarramento CC

Transientes numa rede AC e regeneração de energia do motor para o inversor são as maiores causas de desarme “anormal” de um inversor .

Quedas de tensão geralmente são causadas por eventos externos ao inversor , provavelmente na instalação quando manobramos cargas capacitivas ou indutivas , descargas atmosféricas , mudanças de tap´s do transformador , etc.

Para observarmos este fenômeno podemos usar um osciloscópio com registro de hora e data com resolução de , pelo menos , 10 microsegundos / divisão .Numa análise posterior podemos verificar o valor destes transientes e comparar com o funcionamento de toda a planta .Os inversores modernos podem ajustar , com a função “Ride – through” , o tempo em que ele mantém o motor rodando mesmo com uma breve queda de tensão.

O uso de um No –break , ou uma fonte de alimentação CC para manter o inversor durante o transiente pode ser uma saída , mas a especificação destes equipamentos deve ser cuidadosa , principalmente com a rapidez da resposta e as sobretensões .

A baixa tensão no barramento CC pode também ser causado por falha nos diodos de entrada e a retificação não se dá completamente .Veremos adiante como verificar se eles estão funcionando bem

Prática



Quando desaceleramos um motor e a máquina que ele aciona tem uma inércia muito grande , combinada com uma rampa de desaceleração curta podemos causar uma sobretensão no barramento CC , pois a energia da máquina é levada até os capacitores , que acumulam esta energia , elevando sua tensão .Isto leva o inversor a desligar durante a manobra de desaceleração e a parada da máquina não se dá no tempo previsto.Em certos casos isto é totalmente indesejável ( movimento vertical ) .

Como solução devemos usar uma resistencia de frenagem acoplada ao barramento CC por um sétimo transístor IGBT . Caso isto já venha sendo feito , verificar se a resistencia não apresenta sinais de aquecimento excessivo ( descoloração , rachaduras , cheiro ou ficar avermelhada durante a desaceleração ) .Medir o valor da resistencia com um multimetro e verificar no manual se está dentro do especificado.

Caso a máquina tenha mudado de comportamento ( maior inércia ) ,a resistencia deve ser calculada novamente para a nova condição operacional.



Quando o inversor é ligado , o capacitor do barramento CC se carrega e normalmente sua corrente de partida é extremamente alta .Para reduzi –la os fabricantes colocam uma resistencia que após ser atingido 60 a 80 % da tensão nominal é isolada por um contator e o capacitor se alimenta diretamente do retificador .Isto também reduz o dimensionamento dos diodos .

Porem quando este contator não entra em operação , a tensão no capacitor não chega ao seu valor nominal , reduzindo mais ainda quando flui a corrente do motor , provocando o desarme por baixatensão , mesmo quando o motor não roda , ou no momento em que o motor é ligado.Devemos então substituir a bobina do contator ou trocar por outro.

Outra razão da baixa tensão nos capacitores se deve uma má alimentação de entrada , onde a senoide está “achatada” e o capacitor não consegue se carregar plenamente .Devemos medir isto com um osciloscópio para verificar .Os valores limites de pico ,abaixo dos quais o capacitor não se carrega são os seguintes:

Alimentação Barramento CC

220 V 300 V

380 V 510 V

440 V 600 V

Prática


MEDIDASDiodo de entrada

Os diodos da ponte retificadora na entrada do inversor são fáceis de serem analisados.Suas falhas mais comuns vem de sobretensões ou corrente elevada ( sobrecarga do motor ou falha na carga do capacitor ,pois a resistencia que limita a corrente de partida está danificada ou curto –circuito – contator não desligou ).

Um disjuntor ou fusível comum , geralmente , não consegue proteger o diodo de entrada.

Devemos , então usar um multimetro , ajustado para medição de diodo .

1) Desconecte a alimentação AC

2) Coloque a ponta positiva(Vermelha) no borne DC+

3) Coloque a outra ponta ( negativa) nos bornes de entrada das tres fases

4) Devemos ler OL no multimetro , indicando circuito aberto.Caso seja 0 Volts o diodo está em curto .Se estivar totalmente sem conduzir também leremos 0 Volts e devemos ir para o próximo passo

5) Coloque agora a ponta preta no borne DC+ e passe a outra ponta nas fases de entrada

6) Devemos ler agora uma tensão entre 0,5 e 0,7 Volts .Caso seja zero o diodo está em curto e deve ser substituido.Caso seja OL novamente o diodo não está conduzindo .

Prática


MEDIDASUse o mesmo procedimento para os diodos conectados no DC-

1) Desconecte a alimentação AC

2) Coloque a ponta positiva(Vermelha) no borne DC-

3) Coloque a outra ponta ( negativa) nos bornes de entrada das tres fases

4) Devemos ler 0,5 – 0,7 Volts no multimetro.Caso seja 0 Volts o diodo está em curto .Se estivar totalmente sem conduzir também leremos 0 Volts e devemos ir para o proximo passo

5) Coloque agora a ponta preta no borne DC- e passe a outra ponta nas fases de entrada

6) Devemos ler agora OL, indicando circuito aberto .Caso seja zero o diodoestá em curto e deve ser substituido.

Prática


MEDIDAS

Todos estes procedimentos nos ajudam a examinar o funcionamento e em caso de falha sabermos exatamente o que deve ser reparado , mas , para mantermos a produção , é importante que possamos colocar o acionamento rapidamente em operação e , para tal , nas máquinas prioritárias é importante ter um inversor de reserva .

Como medida de melhorar a rapidez da análise , pode –se testar um inversor em todos os seus parâmetros desde quando é adquirido e colocar estes dados num registro para posterior comparação , após um tempo de uso .Desta forma podemos ter certeza de a deterioração está acontecendo e procedermos a troca antes da parada de produção.

Pelo menos em alguns modelos realizar o teste para se ter uma base de dados que nos oriente se determinado parâmetro está fora dos limites.

A experiência nunca deve ser colocada em segundo plano.

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