O surgimento dos conversores de frequência trouxe inovação para o controle da automação industrial e economia de energia dos motores.
A produção industrial é quase inseparável dos inversores e, mesmo na vida cotidiana, os elevadores e os condicionadores de ar inversores tornaram-se uma parte indispensável do processo e os inversores começaram a penetrar em todos os cantos da produção e da vida.
No entanto, os inversores também trouxeram consigo muitos problemas sem precedentes, dos quais os danos aos motores elétricos são um dos fenômenos mais típicos.
Muitas pessoas já descobriram o fenômeno de danos do inversor aos motores.
Por exemplo, uma fábrica de bombas d'água, nos últimos dois anos, seus clientes relataram com frequência que as bombas foram danificadas durante o período de garantia.
No passado, porém, essa fábrica de bombas era muito confiável em termos de qualidade do produto. Após investigação, descobriu-se que essas bombas danificadas eram acionadas por conversores de frequência.
Embora o fenômeno de inversores danificando motores seja uma preocupação crescente, os mecanismos que o causam ainda não estão claros, muito menos como evitá-lo.
O objetivo de compartilhar este artigo é abordar essas confusões.
Danos em motores elétricos causados por conversores de frequência
Danos ao motor elétrico do inversor incluem dois aspectos, danos aos enrolamentos do motor e danos aos rolamentos do motor.
Isso é mostrado no diagrama abaixo:
Esse dano geralmente ocorre dentro de algumas semanas a uma dúzia de meses, o tempo específico está relacionado à marca do inversor, à marca do motor elétrico, à potência dos motores elétricos, à frequência portadora do inversor, ao comprimento do cabo entre o inversor e os motores elétricos, a temperatura ambiente e muitos outros fatores.
Danos precoces e inesperados nos motores elétricos trazem enormes prejuízos econômicos à produção da empresa.
Essa perda não é apenas o custo de reparo e substituição do motor, mas também a perda econômica causada por paradas inesperadas na produção.
Portanto, ao usar motores acionados por inversor, deve-se prestar atenção suficiente à questão de danos ao motor.
Diferença entre o inversor de frequência e os inversores de frequência industriais
É importante entender o mecanismo pelo qual um motor de frequência industrial tem maior probabilidade de ser danificado sob condições acionadas por inversores com equipamentos acionados.
Primeiro entenda como a tensão na qual o inversor aciona o motor difere do I.F. tensões do eixo.
Então entenda como essa diferença tem um efeito adverso no motor.
A construção básica de um inversor é mostrada na Figura 2 e consiste em duas partes: o circuito retificador e o circuito inversor.
O circuito retificador é um circuito de saída de picos de tensão CC que consiste em um diodo comum e um capacitor de filtro, enquanto o circuito inversor converte a tensão CC em uma forma de onda de tensão modulada por largura de pulso (tensão PWM).
Portanto, a forma de onda de tensão do inversor que aciona os motores é uma forma de onda de pulso com largura de pulso variável, em vez de uma forma de onda de tensão senoidal.
Driving a motor with pulsed voltage is the root cause of the motor's vulnerability to damage.
Mecanismo de danos aos enrolamentos do motor por conversores de frequência
Quando a tensão pulsada é transmitida pelo cabo, se a impedância do cabo não corresponder à impedância da carga, ocorrerá uma reflexão na extremidade da carga.
A reflexão resulta em uma superposição da onda incidente e da onda refletida, criando uma tensão maior, que pode atingir uma amplitude máxima de duas vezes a tensão do barramento CC, o que equivale aproximadamente a três vezes a tensão de entrada do inversor, conforme mostrado na figura Figura 3.
A tensão de pico excessivamente alta é adicionada às bobinas do estator do motor, causando choques de tensão nas bobinas, e choques de sobretensão frequentes podem levar à falha prematura do motor.
A vida real de um motor acionado por inversor após ter sido submetido a um pico de choque de tensão está relacionada a vários fatores, incluindo temperatura, contaminação, vibração, tensão, frequência portadora e o acabamento do isolamento da bobina para a indústria de automação elétrica .
The higher the carrier frequency of the inverter, the closer the output current waveform is to a sine wave, which will reduce the motor's operating temperature and thus extend the life of the motor insulation.
No entanto, uma frequência portadora mais alta significa que um número maior de picos de tensão limite é gerado por segundo e o número de choques no motor é maior.
A Figura 4 apresenta a variação da vida útil do isolamento em função do comprimento do cabo e da frequência portadora.
Como pode ser visto no gráfico, para um cabo de 200 pés de comprimento, a vida útil do isolamento diminui de aproximadamente 80.000 horas para 20.000 horas (uma diferença de quatro vezes) quando a frequência da portadora aumenta de 3 kHz para 12 kHz (uma mudança de quatro vezes).
Influência da frequência portadora no isolamento de motores elétricos
Quanto maior a temperatura do motor, menor a vida útil do isolamento do motor, conforme mostra a Figura 5, quando a temperatura sobe para 75°C , a vida útil do motor é de apenas 50%.
Os motores acionados por conversores de frequência terão uma temperatura do motor muito mais alta do que se fossem acionados por uma tensão de frequência industrial, pois a tensão PWM contém mais componentes de alta frequência
Mecanismos pelos quais os conversores de frequência danificam os rolamentos do motor
O inversor danifica os mancais do motor porque tem uma corrente passando pelos mancais e essa corrente está em um circuito ligado intermitente, o circuito ligado intermitente cria um arco e o arco queima os mancais.
Existem duas causas principais de corrente fluindo através dos mancais de um novo motor CA.
Em primeiro lugar, tensões de pico induzidas de um campo eletromagnético interno desequilibrado e, em segundo lugar, caminhos de corrente de alta frequência causados por capacitores de fuga.
O campo magnético interno de um motor de indução CA ideal é simétrico e quando as correntes nos enrolamentos trifásicos são iguais e as fases são 120? separados, nenhuma tensão é induzida na haste do eixo do motor.
Quando a saída de tensão PWM do inversor faz com que o campo magnético dentro dos novos motores seja assimétrico, uma tensão de modo comum será induzida na haste do eixo do motor na faixa de 10 a 30V, que está relacionada à tensão de acionamento, quanto maior a tensão de acionamento, maior a tensão na haste do eixo.
Quando o valor desta tensão excede a força isolante do lubrificante no mancal, um caminho de corrente é formado.
Em algum momento durante a rotação da haste do eixo, o isolamento do óleo lubrificante bloqueia novamente a corrente.
Este processo é semelhante ao processo liga/desliga de uma chave mecânica.
Esse processo gera um arco elétrico que queima as superfícies do eixo, da esfera e do bojo, formando sulcos.
Se não houver vibração externa, as pequenas crateras não têm efeito excessivo, mas quando há vibração externa, as crateras são criadas e isso tem um efeito significativo no funcionamento do motor dos fabricantes de motores elétricos.
Além disso, experimentos mostraram que os picos de tensão na haste do eixo também estão relacionados à frequência fundamental da tensão de saída do inversor; quanto menor a frequência fundamental, maior a tensão na haste do eixo e mais sério o dano ao rolamento.
Nos estágios iniciais da operação do motor, quando a temperatura do lubrificante é baixa, a amplitude da corrente é de 5-200mA, uma corrente tão pequena não causará nenhum dano aos rolamentos.
No entanto, depois que o motor encontra o funcionamento por um período de tempo, à medida que a temperatura do lubrificante aumenta, a corrente de pico atingirá 5-10A, o que criará arcos voadores que formarão pequenos buracos na superfície dos componentes do rolamento.
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