Embora o fenômeno do conversor de frequência danificando o motor receba cada vez mais atenção, as pessoas ainda não têm certeza sobre o mecanismo que causa esse fenômeno, muito menos sobre como evitá-lo.
Danos ao motor causados pelo conversor de frequência
Os danos ao motor causados pelo conversor de frequência incluem dois aspectos: danos ao enrolamento do estator e danos aos rolamentos. Esse tipo de dano geralmente ocorre dentro de algumas semanas a vários meses, e o tempo específico está relacionado a muitos fatores, como a marca do conversor de frequência, a marca do motor, a potência do motor, a frequência portadora da frequência conversor de frequência, o comprimento do cabo entre o conversor de frequência e o motor e a temperatura ambiente. Os danos acidentais precoces ao motor trazem enormes perdas económicas à produção da empresa.
Este tipo de perda não é apenas o custo de manutenção e substituição do motor, mas, mais importante ainda, a perda económica causada pela paragem inesperada da produção. Portanto, ao utilizar um conversor de frequência para acionar o motor, é necessário prestar atenção suficiente à questão de danos ao motor.
A diferença entre inversor de frequência variável e inversor de frequência de linha
Para compreender o mecanismo pelo qual os motores CA são mais propensos a danos sob condições de acionamento de frequência variável, é necessário primeiro compreender as diferenças entre a tensão dos motores acionados por acionamentos de frequência variável e a tensão dos motores acionados pela frequência de alimentação. Então, é importante entender como essa diferença afeta negativamente o motor.
A estrutura básica do conversor de frequência inclui duas partes: o circuito retificador e o circuito inversor. O circuito retificador é um circuito de saída de tensão CC composto por diodos comuns e capacitores de filtragem. O circuito inversor converte a tensão DC em uma forma de onda de tensão modulada por largura de pulso (tensão PWM). Portanto, a forma de onda de tensão que aciona o motor com o conversor de frequência é uma forma de onda de pulso com largura de pulso variável, e não uma forma de onda de tensão senoidal. Acionar o motor com tensão de pulso é a razão fundamental pela qual o motor está sujeito a danos.
O mecanismo do inversor danificando o enrolamento do estator do motor
Quando a tensão de pulso é transmitida através de um cabo, se a impedância do cabo não corresponder à impedância da carga, ocorrerão reflexões na extremidade da carga. O resultado dessas reflexões é a superposição da onda incidente e da onda refletida, resultando em uma tensão mais elevada. A amplitude desta tensão pode atingir até duas vezes a tensão do barramento CC, que é aproximadamente três vezes a tensão de entrada do inversor. A tensão de pico excessiva aplicada às bobinas do estator do motor pode causar choques de tensão nas bobinas, e choques frequentes de sobretensão podem levar à falha prematura do motor.
A vida útil real de um motor acionado por um conversor de frequência é influenciada por muitos fatores, incluindo temperatura, poluição, vibração, tensão, frequência portadora e o processo de fabricação do isolamento da bobina.
Quanto maior a frequência portadora do inversor, mais próxima a forma de onda da corrente de saída está de uma onda senoidal, o que reduz a temperatura operacional do motor e prolonga a vida útil do isolamento. No entanto, uma frequência portadora mais alta significa mais tensões de pico geradas por segundo e mais impactos no motor. A Figura 4 mostra a variação da vida útil do isolamento com o comprimento do cabo e a frequência portadora. Para um cabo de 200 pés, quando a frequência portadora aumenta de 3kHz para 12kHz (uma alteração de 4 vezes), a vida útil do isolamento diminui de aproximadamente 80.000 horas para 20.000 horas (uma diferença de 4 vezes).
Quanto maior for a temperatura do motor, menor será a vida útil do isolamento. Quando a temperatura sobe para 75°C, a vida útil do motor é de apenas 50%. Motores acionados por conversores de frequência, devido à presença de mais componentes de alta frequência na tensão PWM, apresentam temperaturas muito mais elevadas em comparação com motores acionados por tensão de frequência de alimentação.
O mecanismo de como o conversor de frequência danifica os rolamentos do motor
A razão para os danos aos rolamentos do motor pelo conversor de frequência é que há corrente fluindo através dos rolamentos e esta corrente está em um estado conectado intermitente. O circuito conectado intermitente gerará um arco que queima os rolamentos.
Existem duas razões principais para a corrente fluir através dos rolamentos do motor de comunicação. Primeiro, a tensão induzida gerada pelo desequilíbrio do campo eletromagnético interno. Em segundo lugar, o caminho da corrente de alta frequência causado pela capacitância parasita.
O campo magnético interno do motor de indução de comunicação ideal é simétrico. Quando as correntes dos enrolamentos trifásicos forem iguais e tiverem uma diferença de fase de 120 graus, nenhuma tensão será induzida no eixo do motor. Porém, quando a saída de tensão PWM do inversor causa um desequilíbrio no campo magnético interno do motor, uma tensão será induzida no eixo. A magnitude da tensão varia de 10 a 30V, dependendo da tensão de acionamento. Quanto maior a tensão de acionamento, maior será a tensão no eixo.
Quando a tensão excede a resistência de isolamento do óleo lubrificante no rolamento, forma-se um caminho de corrente elétrica. Durante a rotação do eixo, em determinado momento, o isolamento do óleo lubrificante interrompe a corrente. Esse processo é semelhante ao processo liga-desliga de uma chave mecânica, que gera um arco e queima a superfície do eixo, da esfera e da tigela do eixo, formando crateras. Se não houver vibração externa, pequenas crateras não terão impacto significativo. Porém, se houver vibração externa, serão formados sulcos, o que afetará muito o funcionamento do motor.
Além disso, experimentos mostraram que a tensão no eixo também está relacionada à frequência fundamental da tensão de saída do inversor. Quanto menor a frequência fundamental, maior será a tensão no eixo e mais graves serão os danos ao rolamento.
No estágio inicial de operação do motor, quando a temperatura do óleo lubrificante está baixa, a amplitude da corrente está entre 5-200mA, uma corrente tão pequena não causará nenhum dano aos mancais. No entanto, à medida que o motor funciona por um período de tempo e a temperatura do óleo lubrificante aumenta, a corrente de pico pode atingir 5-10A, o que gerará arco voltaico e formará pequenos buracos na superfície dos componentes do rolamento.
Quando o comprimento do cabo excede 30 metros, os conversores de frequência modernos inevitavelmente geram pico de tensão na extremidade do motor, encurtando a vida útil do motor. Para evitar danos ao motor, existem duas abordagens: uma é usar um motor com tensão suportável de isolamento mais alta para o enrolamento (geralmente chamado de motor de frequência variável) e a outra é tomar medidas para reduzir a tensão de pico. A primeira abordagem é adequada para projetos recém-construídos, enquanto a última abordagem é adequada para modernização de motores existentes.
Atualmente, existem quatro métodos comumente usados para proteção de motores:
1) Instale um reator no terminal de saída do conversor de frequência: Esta medida é comumente utilizada, mas deve-se ressaltar que este método tem certo efeito em cabos mais curtos (menos de 30 metros), mas às vezes o efeito não é o ideal.
2) Instale um filtro dv/dt na saída do conversor de frequência: Esta medida é adequada para situações onde o comprimento do cabo é inferior a 300 metros. O preço é ligeiramente superior ao de um reator, mas o efeito foi significativamente melhorado.
3) Instale um filtro de onda senoidal na saída do inversor: Esta medida é a mais ideal. Porque aqui a tensão de pulso PWM é convertida em uma tensão de onda senoidal, o motor funciona nas mesmas condições que a tensão de frequência de energia e o problema de tensão de pico é completamente resolvido (mesmo que o cabo seja longo, não haverá pico tensão).
4) Instale absorvedores de sobretensão na interface entre o cabo e o motor: As desvantagens das medidas anteriores são que quando o motor tem alta potência, o volume e o peso do reator ou filtro são grandes, o preço é alto. Além disso, o reator e o filtro causarão uma certa queda de tensão, afetando o torque de saída do motor. Usando um absorvedor de tensão de surto do conversor de frequência, essas desvantagens podem ser superadas.
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