Medições Elétricas em inversores de frequência

Medições Elétricas em
inversores de frequência
Dez medições que trazem muitas
informações
Nota de aplicação
Introdução
Os técnicos em motores mais experientes estão bem preparados para lidar com as
falhas dos motores trifásicos tradicionais causadas pelos efeitos da água, poeira, graxa,
rolamentos defeituosos, eixos de motor desalinhados, ou simplesmente desgaste
ao longo do tempo de utilização. No entanto, os modernos motores controlados
eletronicamente, mais conhecidos como inversores de frequência, apresentam um
conjunto específico de problemas que podem desafiar até mesmo os profissionais mais
experientes. Esta nota de aplicação descreve as medições elétricas que você precisa
fazer durante a instalação e operacionalização de um inversor e durante o diagnóstico
de componentes defeituosos e outras condições que possam levar à falha prematura
do motor que utiliza um inversor de frequência.
Filosofia de solução de problemas
Há muitas maneiras diferentes para solucionar
problemas em um circuito elétrico, e um bom técnico
sempre encontra o problema – de um jeito ou de
outro. O truque consiste em rastrear o problema o
mais rapidamente possível, com o menor tempo de
inatividade possível. O procedimento mais eficiente
de solução de problemas é começar pela inspeção
do motor e, depois, ir voltando sistematicamente
até a fonte de alimentação, examinando antes os
problemas mais óbvios. Muito tempo e dinheiro podem
ser desperdiçados na substituição de peças perfeitas
quando o problema não passa de uma conexão solta.
Em seguida, tome o cuidado de fazer medições
precisas. Ninguém faz medições incorretas de
propósito, é claro, mas cometer erros é mais fácil do
que você pensa, especialmente quando se trabalha em
um ambiente ruidoso e de alta energia como o de um
inversor de frequência.
• Se possível, não utilize instrumentos de teste
aterrados. Em uma medição, eles podem introduzir
um ruído que não existia antes.
• Evite tocar nos instrumentos e nas pontas de prova
durante a leitura, pois um ruído elétrico pode ser
acoplado através das suas mãos, e isso também
pode afetar a leitura.
• Por causa do ambiente altamente ruidoso, use um
alicate amperímetro projetado para esse ambiente
ao fazer medições de corrente ou, se estiver usando
um osciloscópio, use um alicate amperímetro que
gere 10 mV/Amp ou 100 mV/Amp. Eles oferecem
uma relação sinal ruído melhor do que alicates
de 1 mV/Amp quando forem realizadas medições
abaixo de 20 A.
• Se estiver usando um multímetro digital com
um acessório de alicate, sempre use um alicate
amperímetro com saída em miliampères, pois ele
se conecta às tomadas de entrada de corrente de
baixa impedância do multímetro e é muito menos
suscetível ao ruído no ambiente.
Por fim, é recomendável documentar as medições
elétricas em pontos de teste fundamentais do circuito
quando o sistema estiver funcionando corretamente.
Se não existir um bom desenho, faça um. Um esquema
ou diagrama de blocos é suficiente. Anote as medições
de tensão e temperatura nos pontos fundamentais de
teste. Isso poupará muito tempo e confusão mais tarde.
Como fazer medições seguras
Antes de fazer qualquer medição elétrica, você deve
entender como fazê-las com segurança. Nenhum
instrumento de teste é completamente seguro se for
usado indevidamente, e você deve saber que muitos
instrumentos de teste no mercado não são adequados
para testes em inversores de frequência.
Classificações de segurança para
equipamentos de testes elétricos
A Comissão Eletrotécnica Internacional (IEC) é a
principal organização independente que define normas
de segurança para os fabricantes de equipamentos
de teste. A norma IEC 61010, segunda edição, para
segurança de equipamentos de teste expõe dois
parâmetros fundamentais, uma classificação de
tensão e uma classificação da categoria de medição.
A classificação de tensão é a tensão de operação
contínua máxima que o instrumento é capaz de
medir. Quando classificação de tensão é apresentada
F o n t e : B i b l i o t e c a D i g i t a l F l u k e e m w w w. f l u k e . c o m / l i b r a r y
junto com uma classificação de categoria, ele pode
causar confusão. As classificações de categoria
representam o ambiente de medição esperado para
uma determinada categoria. O ambiente de medição
para inversores de frequência nem sempre é simples
e pode variar de uma instalação para outra. A maioria
das instalações trifásicas de inversores de frequência
é considerada um ambiente de medição CAT III. As
instalações monofásicas de inversores de frequência
são ambientes CAT II. Se você trabalhar nos dois
ambientes, previna-se e use apenas instrumentos de
teste com classificação CAT III. O que pode não ficar
imediatamente óbvio quando olhamos a tabela a
seguir é a diferença entre um medidor para 1.000 V
CAT II e um medidor para 600 V CAT III. À primeira
vista, você pode pensar que o medidor de 1.000 V
CAT II é a melhor opção porque sua tensão útil é maior
que a do medidor de 600 V CAT III 600, e ele pode
Categoria de
sobretensão
CAT IV
lidar com o mesmo nível de transientes de alta-tensão,
o que é verdade. No entanto, o medidor de 600 V CAT
III pode suportar com segurança seis vezes a potência
de um medidor de 1.000 V CAT II, caso um transiente
cause uma falha no medidor.
Além disso, evite medidores que afirmam ser
“projetados para atender“ às especificações da
norma EN61010 ou que não tenham sido certificados
por um laboratório de testes independente, como
UL, CSA, VDE, TÜV ou MSHA, pois eles nem sempre
cumprem as especificações para as quais alegam
ser projetados. Sempre procure as certificações
independentes dos instrumentos de teste para
medições de inversores de frequência. Consulte
o ABC da Segurança de DMMs da Fluke para obter
mais informações sobre classificações de categorias
e como fazer medições com segurança.
Exemplos
• Refere-se à “origem da instalação”; ou seja, onde a conexão de baixa tensão com
a energia da rede pública é efetuada.
• Relógios medidores de eletricidade, equipamento com proteção primária contra excesso
de corrente.
• Fora do edifício e da entrada de serviço, queda de tensão entre o poste e o edifício,
passagem entre o medidor e o painel.
• Linha elétrica aérea até o prédio isolado, linha elétrica subterrânea até a bomba do poço.
• Equipamentos em instalações fixas, como disjuntores e motores trifásicos.
• Barramento e alimentador em instalações industriais.
• Alimentadores e circuitos de derivação curta, dispositivos do painel de distribuição
• Sistemas de iluminação em prédios maiores
• Tomadas para aparelhos elétricos com conexões curtas à entrada da rede elétrica
CAT III
CAT II
• Aparelhos elétricos, ferramentas portáteis e outras cargas domésticas e assemelhadas
• Tomadas e circuitos de derivação longa
• Tomadas a mais de 10 metros de distância da fonte CAT III.
• Tomadas a mais de 20 metros de distância da fonte CAT IV.
CAT I
• Equipamento eletrônico protegido
• Equipamento conectado a circuitos de origem em que as medidas são feitas
para limitar as tensões de transientes a um nível reduzido adequado
• Qualquer fonte de alta-tensão e baixa energia derivada de um transformador
com alta resistência de enrolamento, como a seção de alta tensão de uma copiadora.
Tabela 1. Exemplos do ambiente de medição
Categoria
de sobretensão
Tensão de operação (cc ou
ca-rms com o aterramento)
Transiente de impulso
de pico (20 repetições)
Fonte de teste
(Ohm = V/A)
CAT I
600 V
2.500 V
Fonte de 30 ohms
CAT I
1.000 V
4.000 V
Fonte de 30 ohms
CAT II
600 V
4.000 V
Fonte de 12 ohms
CAT II
1.000 V
6.000 V
Fonte de 12 ohms
CAT III
600 V
6.000 V
Fonte de 2 ohms
CAT III
1.000 V
8.000 V
Fonte de 2 ohms
Tabela 2. Valores de teste de transientes para categorias de instalação de sobretensão
2 Fluke Corporation
Medições elétricas em inversores de frequência
Motores — Medição 1
Baixa tensão
Baixa tensão
Medidores analógicos
Esta etapa da solução de problemas deve ser
sempre realizada antes de tentar qualquer outra
medição. Muitas vezes é necessário apertar
periodicamente as conexões para manter
uma conexão de baixa resistência entre os
condutores. Verifique visualmente todos os
pontos de conexão para saber se estão frouxos,
corroídos ou se apresentam caminhos condutivos
para a terra. Mesmo que a inspeção visual não
aparente nenhum problema, você deve usar pelo
menos um (ou alguma combinação) dos seguintes
métodos para verificar as conexões.
Muitos técnicos preferem usar um medidor
analógico porque o movimento da bobina do
medidor reage da mesma forma que o motor
ao componente de baixa frequência e não ao
componente de chaveamento de alta frequência.
O medidor analógico deve apresentar uma
correspondência próxima à tensão exibida na
entrada do inversor de frequência, se houver um.
Os medidores analógicos lêem a tensão média
da frequência de modulação do acionamento
PWM. Embora seja verdade que um medidor
analógico apresenta leitura de tensão próxima
da que o acionamento PWM está exibindo e
que o motor está reagindo, a segurança é um
grande problema nos medidores analógicos,
que geralmente não contam com nenhuma
classificação de segurança pela norma EN61010.
Quedas de tensão
Verifique se há quedas de tensão entre as várias
conexões. Compare com as outras duas fases.
Qualquer variação significativa entre as fases,
ou mais de 2% ou 3% (dependendo da corrente
e da tensão de alimentação do motor) em cada
conexão, deve ser considerada suspeita.
Multímetros digitais
Muitos multímetros digitais (DMMs) reagem ao
componente de alta frequência do acionamento
Medições de temperatura
do motor e, portanto, geram uma leitura mais
elevada. Um multímetro digital com trueOs Termômetros Infravermelhos Fluke Série 60
são uma maneira fácil e rápida de verificar se há RMS gera uma leitura precisa do efeito de
aquecimento sobre a tensão não senoidal
conexões ruins. Qualquer aumento significativo
aplicada ao motor, mas não coincide com
de temperatura no terminal de uma conexão
a leitura de tensão de saída do controlador
indicará uma má conexão ou resistência de
do motor. No entanto, convém observar que,
contato devido à perda de calor infravermelho.
embora o motor não reaja às frequências mais
Se a temperatura do terminal ainda não foi
anotada no seu diagrama de sistema, compare-a elevadas em termos de torque correntes de alta
frequência podem estar passando por fora dos
com as outras duas fases.
enrolamentos devido às diferentes capacitâncias
em outras partes do motor. O problema é a
Medições de tensão
largura de banda. Os Alicates Amperímetros
Como a tensão aplicada aos terminais do motor
Fluke 33x, os ProcessMeters™ 787 e 789, o
pelo inversor de frequência não é senoidal, as
Analisador de Qualidade de Energia 43B e as
leituras de tensão exibidas por um medidor
Ferramentas de Teste ScopeMeter® 190 Series
analógico, um multímetro digital (DMM) com
geram leituras de tensão semelhantes às dos
resposta média e um multímetro digital com true- medidores analógicos e do visor do inversor de
RMS serão diferentes entre si.
frequência.
3 Fluke Corporation
Medições elétricas em inversores de frequência
Motores — Medição 2
Desequilíbrio de tensão e corrente
Desequilíbrio de tensão
Desequilíbrio de corrente
Em seguida, meça a tensão fase a fase entre
os três terminais do motor para verificar se há
desequilíbrio de tensão. Desequilíbrios de tensão
a partir de 2% podem causar aquecimento
excessivo devido às correntes desequilibradas
nos enrolamentos do estator e à perda de torque
do motor. No entanto, algumas instalações de
motores são mais tolerantes com desequilíbrios.
Portanto, não deixe de verificar todo o sistema
do motor em busca de outras causas caso haja
um desequilíbrio. Como estamos medindo a
diferença relativa entre as tensões das fases,
e não tensões absolutas, um multímetro digital
(DMM) gerará leituras mais precisas e com
melhor resolução do que um medidor analógico.
Use o procedimento a seguir para calcular
o desequilíbrio de tensão.
A corrente do motor deve ser medida para
assegurar que o valor da carga contínua indicado
na placa do motor não seja ultrapassado
e que todas as correntes trifásicas estejam
equilibradas. Se a corrente de carga medida
for maior que o valor indicado na placa, ou
se a corrente estiver desequilibrada, a vida
útil do motor será reduzida pela temperatura
de funcionamento elevada causada por esses
problemas. Se o desequilíbrio de tensão
estiver dentro dos limites aceitáveis, então
qualquer desequilíbrio de corrente excessivo
que seja detectado pode indicar enrolamentos
do motor em curto-circuito ou um curto das
fases com a terra. Geralmente, o desequilíbrio
de corrente em motores trifásicos não deve
ultrapassar 10%.
% (V ou I) de desequilíbrio = Desvio máximo em relação à tensão média x 100
Tensão média
Por exemplo, tensões de 449, 470 e 462 geram
uma média de 460. O desvio máximo da tensão
média é 11, e o desequilíbrio percentual seria:
11
____ x 100 = 2,39%
460
As causas possíveis do desequilíbrio de
tensão são as seguintes: um dos circuitos de
acionamento da fase está conduzindo apenas
parcialmente, ou há uma queda de tensão entre
a saída do inversor de frequência e o terminal do
motor em uma das fases, devido a uma conexão
inadequada.
Existem outros problemas relacionados com
as tensões dos terminais do motor em termos
de distorção, mas eles devem ser medidos e
visualizados por meio de um osciloscópio, e
isso será discutido mais adiante nesta nota de
aplicação.
4 Fluke Corporation
Medições elétricas em inversores de frequência
Como a corrente será medida em um ambiente
de alta energia e eletricamente ruidoso, deve ser
usado um alicate amperímetro adequado e uma
boa técnica de medição deve ser aplicada, como
já foi discutido nesta nota de aplicação. Para
calcular o desequilíbrio de corrente, use a mesma
fórmula indicada para o desequilíbrio de tensão,
mas substitua pela corrente em ampères. Por
exemplo, correntes de 30, 35 e 30 ampères
gerariam uma corrente média de 31,7 ampères.
O desvio máximo em relação à corrente média
seria 3,3 ampères, com um desequilíbrio de
corrente de 10,4%.
Acionamentos PWM — Medição 3
Aumento da tensão de pico acima do normal
Reflexos de sobretensão nos terminais do motor
Figura 3A. Tensões refletidas (campainha).
A tendência com acionamentos PWM tem sido
acelerar ao máximo possível o tempo de subida
dos pulsos para reduzir as perdas de chaveamento
e aumentar a eficiência do acionamento. No
entanto, tempos de subida rápidos, junto com
cabos longos, geram uma descasamento de
impedâncias entre o cabo e o motor, causando
reflexões, como mostra a figura 3A. Se os tempos
de subida forem lentos o suficiente, ou se o cabo
for suficientemente curto, não haverá ondas
refletidas. O principal problema dessa situação
é que o isolamento comum do enrolamento de
motor pode se romper facilmente. Além disso,
podem surgir tensões acima do normal no eixo,
provocando a falha prematura dos rolamentos e
o excesso de ruído de modo comum (correntes de
fuga) pode interferir com os sinais de controle de
baixa tensão e acionar os circuitos de GFI.
A relação entre o comprimento do cabo, o tempo
de subida e o consequente aumento da tensão de
pico é ilustrada na Figura 3B. A tensão de pico nos
terminais do motor aumentará acima da tensão
do barramento CC do inversor de frequência à
medida que aumentam o comprimento do cabo
e a velocidade do pulso de saída do inversor.
Reflexos de sobretensão — solução de
problemas
Como já foi mencionado, tempos de subida
rápidos dos pulsos de saída do inversor de
frequência e cabos longos entre o inversor e
o motor criam reflexos de sobretensão que se
aproximam do dobro da tensão do barramento
CC, e ainda mais. Um osciloscópio é necessário
para descobrir a extensão total do problema,
como mostra a figura 3C.
5 Fluke Corporation
Medições elétricas em inversores de frequência
Cabo de
152 metros
Cabo de
15 metros
Cabo de
30 metros
Cabo de
61 metros
Tempo de Subida (µs)
Figura 3B. Impacto do tempo de subida e do comprimento do cabo sobre
a magnitude das tensões refletidas.
A Figura 3C mostra a medição da tensão L-L do
inversor de frequência nos terminais do motor, com
1,8 metro de cabo, e a Figura 3D mostra a tensão
L-L do inversor com 30 metros de cabo. Observe a
diferença nas medições de tensão de pico (cerca de
210 volts). Também perceba que há uma diferença
de apenas 5 V rms entre as duas formas de onda
(números pequenos no visor). Isso significa que
o voltímetro não encontrará esse problema.
Figura 3C. Forma de onda normal de PWM.
Figura 3D. Forma de onda PWM com tensões
refletidas.
Muito poucos osciloscópios fazem o trigger
com tanta facilidade quanto o Fluke 123
ScopeMeter® nas medições indicadas nas
Figuras 3C e 3D. Para outros osciloscópios, use
o seguinte procedimento para avaliar a extensão
da sobretensão.
Figura 3E. Borda dianteira de um pulso PWM
normal.
Figura 3F. Borda dianteira de um pulso PWM
com tensão refletida (campainha).
Os sinais nas figuras 3E e 3F foram capturados
pelo trigger em um único pulso, usando o modo
de disparo único, com os cursores ativados para
medir o pico de tensão junto com o tempo de
subida. Embora essa medição exija que mais
botões sejam pressionados e exija conhecimento
do osciloscópio, a medição automatizada do
tempo de subida pode valer a pena. Realizar
periodicamente o reset manual do trigger de
disparo único dará uma amostra de várias
tensões de pico para os diferentes pulsos.
Além disso, aumentar lentamente a tensão de
trigger dará uma idéia do pico máximo quando
o osciloscópio deixar de ser acionado.
Supondo que você tenha identificado uma
sobretensão de verdade, ou um problema de
reflexão, é necessário fazer algo a esse respeito.
A solução mais simples é encurtar o cabo. As
sobretensões de pico continuarão aumentando
até quase o dobro da tensão do barramento
CC à medida que o cabo se alonga ou tempo
de subida fica mais rápido. As tensões de
pico podem até mesmo ultrapassar a tensão,
dobrando se a tensão refletida ocorre em cima
das ondas estacionárias, devido à indutância
e à capacitância de acoplamento do cabo.
O verdadeiro perigo dessa situação de
sobretensão é o dano que ela pode causar
aos enrolamentos do motor durante um
período de tempo, e isso talvez não apareça
como um problema quando o acionamento
PWM for instalado pela primeira vez. Muitos
acionamentos de PWM são instaladas sem levar
em consideração os efeitos da sobretensão
de cabos longos entre a saída da PWM e o
motor. E embora os acionamentos de PWM
mais recentes fiquem mais eficazes através da
aceleração dos tempos de subida nos pulsos de
saída, isso pode piorar ainda mais o problema da
sobretensão e a necessidade de um cabeamento
mais curto.
6 Fluke Corporation
Medições elétricas em inversores de frequência
Se o motor já falhou e precisar ser reconstruído,
deve-se usar um fio com melhor isolamento, como
o Thermaleze Qs, ou TZ Qs (da Phelps-Dodge),
para rebobinar o motor. A principal vantagem
é que ele oferece uma proteção muito melhor
contra sobretensões sem aumentar a espessura
do isolamento, e o mesmo estator pode ser usado
sem modificação. Se o motor ficou danificado de
maneira a impossibilitar o reparo, deve ser usado
um motor projetado para cumprir as especificações
NEMA MG-31 (VPico sustentada ≤ 1.600 V e tempo
de subida de 0,1 µs) como motor sobressalente
em aplicações de PWM nas quais possam estar
ocorrendo sobretensões sustentadas.
Se não for possível encurtar o cabeamento
da sua aplicação de PWM, use uma destas três
soluções para resolver o problema.
1. Um filtro passa-baixa complementar pode ser
instalado entre os terminais de saída do PWM
e o cabo até o motor para aumentar o tempo
de subida.
2. Instalar um filtro de casamento de impedância
R-C nos terminais do motor para reduzir as
sobretensões ou o efeito de reflexões.
3. Em algumas aplicações, tais como bombas
submergíveis e máquinas de perfuração, não
é possível ter acesso aos terminais do motor,
e outros métodos de redução de sobretensões
são necessários. Um método é instalar reatores
em série entre os terminais de saída do PWM
e o cabo que vai até o motor. Embora essa
seja uma solução bastante simples, os reatores
podem ser bastante grandes, volumosos e
caros para aplicações de grande potência.
Um engenheiro qualificado deve projetar todas
as soluções sugeridas acima para sua aplicação
específica.
Observação de segurança
O fenômeno da tensão reflexiva pode significar tensões de pico 2 a 3 vezes
maiores que a tensão do barramento CC. Para a tensão da linha de 480 V,
isso significa uma tensão de 648 V no barramento CC e possíveis
sobretensões de pico de 1.300 V a 2.000 V, e talvez mais altas, dada
a variação de +/- 10% na tensão da linha. Portanto, recomenda-se que
a medição nos terminais do motor seja realizada com ponta de prova de
maior valor disponível e pelo menor tempo possível, onde as tensões
refletidas provavelmente estejam presentes.
Solução de filtro 1: Efeito
típico de um filtro passa-baixa
na saída do inversor, medido
nos terminais do motor.
Solução de filtro 2: Efeito
típico de um reator em
série medido nos terminais
do motor.
Solução de filtro 3: Efeito
típico de um filtro de casamento
de impedância R-C, medido
nos terminais do motor.
Motores
de indução
Entrada
de CA
Retificador a diodo
Inversores de PWM
Filtro de Saída do Inversor
Solução 1
Reator em Série
Solução 2
Filtro do Terminal do motor
Solução 3
Série conectada a
terminais de saída de PWM.
Série conectada a
Terminais de saída PWM.
Paralelo conectado aos
terminais do motor.
Projetado para elevação lenta
tempo (dv/dt) abaixo um
valor crítico.
Atua como limitador de corrente
e também tempo de elevação lento.
Projetado para casar com
a impedância do cabo.
Dependente do cabo
comprimento.
Dependente no tamanho de
sistema.
Não dependente do
comprimento do cabo.
Perdas dependentes de
motor kVA.
Perdas dependentes de
motor kVA.
Perdas de mais ou menos
fixas.
Tamanho/custo dependente de
motor kVA.
Tamanho/custo dependente de
motor kVA.
Tamanho/custo mais ou menos
fixos.
7 Fluke Corporation
Medições elétricas em inversores de frequência
Acionamentos PWM — Medição 4
Tensões no eixo do motor
Correntes de rolamento
mais alta cria correntes de arco mais elevadas
no rolamento, causando maiores danos aos
Quando as tensões do eixo do motor ultrapassam
rolamentos em um período de tempo mais breve.
a capacidade isolante da graxa dos rolamentos,
Pesquisas nessa área têm demonstrado que as
surgem correntes de arco no exterior do rolamento,
tensões de eixo abaixo de 0,3 volts são seguras
causando corrosão e ranhuras nos anéis do
e não bastam para que ocorram correntes de
rolamento. Os primeiros sinais desse problema são
rolamento destrutivas. No entanto, tensões
ruído e superaquecimento, quando os rolamentos
de 0,5 a 1,0 volt podem causar correntes de
começam a perder sua forma original e fragmentos
rolamento prejudiciais (> 3 A) e tensões de eixo
de metal se misturam com a graxa, aumentando o
(> 2 V) podem destruir o rolamento.
atrito do rolamento. Isso pode causar a destruição
É necessário tomar cuidado ao fazer essa
do rolamento depois de alguns meses de operação
medição. Embora o comum esteja ligado ao
do inversor de frequência. Esse é um problema
aterramento da carcaça do motor, conecte a ponta
caro tanto em termos de reparação do motor como
de prova a um pedaço de fio trançado ou uma
de tempo de inatividade.
escova de carbono, que, por sua vez, faça contato
Uma tensão normal e inevitável é criada no eixo,
com o eixo do motor. Como as tensões de eixo são
entre o enrolamento do estator e o eixo do rotor,
causadas por tempos de subida rápidos dos pulsos
em função de pequenas assimetrias do campo
do acionamento PWM, as tensões aparecerão
magnético no entreferro. Isso é inerente ao projeto
como picos estreitos. A melhor maneira de fazer
do motor. A maioria dos motores de indução é
essa medição é com um osciloscópio, não com um
projetada para ter uma tensão máxima de eixo
DMM. Mesmo que o DMM tenha detecção de picos,
abaixo de 1 Vrms em relação ao terra da carcaça.
a variação entre os picos é suficiente para que
Outra fonte de tensão no eixo do motor são
a leitura não seja confiável. Outra dica é fazer a
as fontes internas eletrostáticas acopladas,
medição de tensão no aterramento entre o eixo e a
entre elas: acoplamentos acionados por correia,
carcaça depois que o motor atingiu sua temperatura
passagem de ar ionizado sobre as pás do rotor,
normal de funcionamento, pois talvez não haja
ou passagem em alta velocidade sobre as pás do
tensões de eixo quando o motor estiver frio.
rotor, como em turbinas a vapor.
A solução mais simples para esse problema é
Abaixo de uma onda senoidal de 60 Hz,
reduzir a frequência de portadora (pulso) para um
a tensão de ruptura do rolamento é de
valor abaixo de 10 kHz ou, em condições ideais,
aproximadamente 0,4 a 0,7 volts. No entanto,
em torno de 4 kHz, se possível. Se a frequência
com as bordas rápidas das tensões transientes
da portadora já estiver neste intervalo, podem
encontradas em acionamentos PWM, a ruptura
ser utilizadas soluções alternativas tais como
da capacidade de isolamento da graxa ocorre,
dispositivos de aterramento do eixo ou filtragem
na verdade, em uma tensão mais elevada
entre o inversor de frequência e o motor.
(cerca de 8 a 15 volts). Essa tensão de ruptura
Acionamentos PWM — Medição 5
Correntes de fuga (ruído do modo comum)
Correntes de fuga
As correntes de fuga (ruído do modo comum)
acopladas capacitivamente entre o enrolamento
do estator e o aterramento da carcaça aumentam
com os acionamentos PWM à medida que
a reatância capacitiva do isolamento do
enrolamento é reduzida com a saída de alta
frequência do acionamento. Pode existir outro
caminho de fuga de corrente na capacitância
criada quando os cabos do motor são colocados
em um conduíte de metal aterrado. Portanto,
tempos de subida menores e frequências de
comutação mais altas só pioram o problema.
8 Fluke Corporation
Medições elétricas em inversores de frequência
Também deve ser observado que o possível
aumento das correntes de fuga deve chamar
muito a atenção para as práticas seguras e
tradicionais de aterramento para a carcaça do
motor. O aumento das correntes de fuga também
pode causar de desconexões inoportunas dos
relés de proteção contra falhas de aterramento,
a anulação dos sinais de controle de 4-20 mA,
e interferir com as linhas de comunicação
do CLP.
Meça o ruído de modo comum, colocando
o alicate amperímetro em torno dos três
condutores do motor. O sinal resultante será
a corrente de fuga.
Pode ser usado um estrangulador de modo
comum para reduzir a corrente de fuga (veja
a Figura 5A). Além disso, cabos especiais de
supressão de EMI podem ser usados entre a
saída do acionamento e os terminais do motor.
Os condutores de cobre do cabo são cobertos
com grãos de ferrite, que absorvem a energia
de RF e a convertem em calor. Transformadores
de isolamento na entrada CA também reduzirão
o ruído de modo comum.
Entrada CA
trifásica
Motores de indução
M
Estrangulamento
do Modo Comum
Conduíte
Retificador a diodo
Inversores de PWM
Correntes (de fuga) do modo comum
Figura 5A. Estrangulamento do modo comum com resistor de atenuação para reduzir as correntes de fuga.
Acionamentos PWM — Medição 6
Teste da forma de onda de saída do IGBT
Inversores PWM
Muitos acionamentos PWM com potência
fracionária são integradas ao ponto onde o bloco
de diodos de entrada e os IGBTs são construídos
em um único módulo descartável que é parafusado
ao dissipador de calor. O custo dessas unidades
raramente justifica o tempo necessário para
repará-las e, por vezes, não há peças de reposição
disponíveis. Entretanto, acionamentos de maior
potência a partir da faixa de 3,7 kW a 18,6 kW
têm componentes acessíveis, e o custo desses
acionamentos torna os reparos uma alternativa
economicamente viável à substituição.
Se tiver sido determinado que o inversor
do acionamento está causando a aplicação de
alguma tensão indevida ao motor, siga este
procedimento para isolar os IGBTs que estão
falhando na seção de saída.
1. Verifique os IGBTs de condução positiva,
conectado a ponta comum do osciloscópio
ao barramento cc+ e medindo cada uma das
três fases nos terminais de saída do motor
do inversor. Verifique se as ondas estão
quadradas e com bordas nítidas, sem nenhum
ruído visível no interior dos pulsos, e se as
três fases têm a mesma aparência.
2. Verifique os IGBTs de condução negativa,
ligando a ponta comum ao barramento cce realizando as mesmas medições da etapa
1 acima nas três fases dos terminais de saída
do motor do inversor.
Motores
de indução
Fonte CA
Retificador a diodo
Figura 6A. Ondas quadradas.
9 Fluke Corporation
Inversores de PWM
Figura 6B. Verifique as três fases nos terminais de saída do motor do inversor.
Medições elétricas em inversores de frequência
Acionamentos PWM — Medição 7
Teste de fugas na saída do IGBT
Verifique se há IGBTs com “vazamento“, medindo
a tensão do aterramento para os terminais de
saída do motor do inversor com o acionamento
ligado, mas com a velocidade zerada (motor
parado). Alguns acionamentos podem ter um
aterramento normal com a tensão do terminal do
motor de aproximadamente 60 volts, com uma
leitura superior a 200 volts, indicando fugas no
IGBT. Realize essa medição em um acionamento
em bom estado para determinar o que é normal
para esse acionamento.
Acionamentos PWM — Medição 8
Problemas do inversor — sobrecarga
Se for determinado que a causa da sobrecarga
é o excesso de corrente no motor, verifique se
a carga do motor não está causando o problema.
Verifique se há um excesso de desequilíbrio de
corrente que indique possíveis enrolamentos
de fase em curto. Verifique se os pontos de
desconexão do ASD estão corretamente definidos
de acordo com as especificações do fabricante.
No final, verifique se a tensão do barramento CC
está sendo corretamente regulada. Capacitores
com problemas podem causar ondulação
excessiva e uma corrente de pico de entrada
muito baixa.
Acionamentos PWM — Medição 9
Problemas do inversor — sobretensão
O barramento CC
Tensão CC muito alta
Os transientes (menos de 0,5 ciclo) e os picos
(0,5 a 30 ciclos) nas entradas de linha de CA e
a regeneração do motor são as duas causas mais
comuns de desconexões inoportunas do circuito de
falha de sobretensão nos inversores de frequência.
Os transientes e picos podem ser causados por
eventos externos ao edifício, como um relâmpago ou
o acionamento de capacitores KVAR pela companhia
elétrica ou derivações de transformadores, bem como
outras cargas dentro do prédio que estejam sendo
ligadas (capacitivas) ou desligadas (indutivas). Para
testar essas situações, use um osciloscópio ou um
medidor de tensão de linha com resolução mínima de
10 µs/div e recurso de registro de data e hora.
O Analisador de Qualidade de Energia Fluke
43B é sua melhor escolha para essas medições. As
Ferramentas de Teste ScopeMeter® Série 123 ou 190
também são boas opções para essa medição. Ambas
as ferramentas têm resolução suficiente para captura
e, o mais importante, podem registrar a data e a hora
do evento para que ele possa ser correlacionado com
qualquer origem - raios, companhia de eletricidade
ou equipamentos - do problema. Além disso, essas
ferramentas levam a classificação de segurança
600 V CAT III da norma EN61010, o que é um fator
importante para medir intencionalmente os pulsos de
alta intensidade em um ambiente de alta potência.
Se o acionamento estiver instalado em uma parte
do país sujeita a relâmpagos frequentes, verifique se
o edifício tem uma proteção adequada contra surtos
10 Fluke Corporation
Medições elétricas em inversores de frequência
e se ela está funcionando corretamente. Além disso,
o sistema de aterramento do edifício deve estar
devidamente instalado e funcionando para ajudar a
dissipar os raios com segurança para a terra, e não
através de algum caminho no sistema de distribuição
de energia do edifício. Podem e devem ser tomadas
medidas para diminuir os efeitos desses problemas
sobre seus equipamentos elétricos e eletrônicos, pois
um edifício suscetível a transientes, quedas e picos
é geralmente um edifício que carece de fiação e
aterramento adequados.
Se forem esperadas tensões transientes, o 43B é
uma excelente escolha para medir e, o que é mais
importante, registrar a data e a hora dos transientes
para que seja possível correlacioná-los no tempo com
qualquer acontecimento que
causou a falha do inversor de
frequência.
Se um transiente causar
o desligamento de um
transformador de isolamento ou
reator de linha em série pode
ser instalado em série com
a parte dianteira do inversor
de frequência. Outra solução
seria colocar um dispositivo de
proteção contra surtos no centro
do controle do motor ou no
lado primário do transformador
de distribuição que alimenta
o inversor de frequência. No
entanto, se a origem do transiente Figura 9A. Captura de transientes de sobretensão.
for outra carga na mesma alimentação secundária
do inversor de frequência, poderá ser necessário
instalar um transformador de isolamento separado ou
um reator de linha em série diretamente na frente
do inversor. Melhor ainda, colocar o inversor em sua
própria alimentação.
Picos de tensão acima de 30 ciclos podem ser
monitorados com o modo TrendPlot™ do ScopeMeter
ou algum outro tipo de medidor de qualidade de
energia. Uma forma de atenuar os picos é instalar
um relê de queda temporário para o mesmo número
de ciclos do pico, mas que ainda possa ser tolerado
pelo acionamento. A viabilidade dessa solução será
determinada por quanto tempo o circuito de entrada
do inversor pode suportar antes que a tensão do
barramento CC atinja uma condição de subtensão.
Outra solução possível é utilizar um dispositivo
regulador de tensão como um “no-break“, mas convém
observar que a maioria dos no-breaks é projetada
para lidar com quedas de tensão e interrupções
momentâneas, e eles não são capazes de lidar com
condições de picos de tensão a menos que tenham
sido especificamente projetados para isso. Verifique
atentamente as especificações do fabricante do
no-break.
As sobretensões ou os variações de tensão ao longo
do tempo podem ser causados pelo desligamento
de cargas muito grandes dentro do edifício ou por
uma reação lenta do sistema de regulagem de
tensão da concessionária a grandes reduções no
consumo da rede elétrica. Essa condição é facilmente
descoberta através do recurso TrendPlot™ do
ScopeMeter. A melhor maneira de lidar com esse
problema é utilizar a regulagem de tensão local com
um dispositivo como um no-break projetado para
lidar com sobretensões e quedas.
Outra fonte comum de sobretensão no barramento
CC é a regeneração do motor. Isso ocorre quando
a carga do motor está “em inércia“ e começa a girar
o eixo do motor ao invés ser girada pelo motor,
fazendo com que o motor se transforme em um
gerador de tensão e devolva energia ao barramento
CC. O excesso de regeneração pode ser medido pela
verificação de uma mudança na direção da corrente
CC para o barramento CC e, ao mesmo tempo, pela
verificação da tensão do barramento CC em busca de
um aumento acima do ponto de desconexão. Ao fazer
medições no barramento CC do inversor de frequência,
escolha um instrumento CAT III 1.000 V. Normalmente,
um DMM como o Fluke Série 170 ou o 87 V é útil
devido à sua classificação para 1.000 volts e sua
capacidade de gravação de mínima e máxima. Se
a regeneração for a causa dos desligamentos por
sobretensão, é possível usar um método chamado
“frenagem dinâmica“, que limita a velocidade com
que a corrente de regeneração pode voltar aos
capacitores do barramento CC.
Se a frenagem dinâmica já tiver sido utilizada
e não estiver funcionando corretamente, ela pode
ser testada de acordo com as especificações do
fabricante. Se o freio for do tipo resistor, ele pode
ser inspecionado visualmente para detectar sinais
de superaquecimento, descoloração, rachaduras, ou
até mesmo o odor característico de um componente
superaquecido. O valor de resistência também pode
ser medido em relação às especificações do fabricante.
Se o freio dinâmico usar o tipo transistor, as junções
de silício também podem ser testadas com um teste
de diodo, conforme descrito anteriormente. Além disso,
a corrente de frenagem pode ser medida e a forma de
onda da corrente pode ser comparada com a forma
de onda de um sistema em boas condições.
Acionamentos PWM — Medição 10
Problemas de do inversor — subtensão
Tensão CC muito baixa
causa da queda está dentro ou fora do edifício. Não
deixe de monitorar a tensão e a corrente ao mesmo
Existem várias causas para o desligamento
tempo. Dessa forma, é possível
“inoportuno“ do circuito de falha de baixa tensão
saber se o problema está depois
em inversores de frequência. As quedas de tensão
da entrada de serviço, onde o pico
(0,5 a 30 ciclos) e subtensões (> 30 ciclos) na
de corrente coincide com a queda
entrada de linha para o acionamento são situações
de tensão. Um problema antes
comuns relacionadas a esse problema. As quedas
da entrada de serviço (fora do
são frequentemente causadas pelo acionamento
edifício) indica a queda de tensão
de outra carga no sistema de distribuição do
sem o respectivo pico de corrente.
edifício, ou talvez em um edifício vizinho que
Se o problema estiver dentro
está acionando uma grande carga elétrica.
do edifício, um pico de corrente
Faça a medição com um instrumento capaz
coincidirá com a queda de tensão.
de registrar a data e a hora da queda ou onde a
Continue realizando as medições
subtensão faça com que a falha de baixa tensão
em diferentes centros de carga até
do inversor de frequência seja disparada. Você
que você tenha isolado a carga
Figura 10A. Queda de tensão.
pode começar a fazer essa medição na entrada de
com a queda de tensão e pico de
serviço. Assim, você pode definir rapidamente se a
corrente correspondentes.
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Medições elétricas em inversores de frequência
Outra possibilidade é um motor que esteja
consumindo corrente suficiente para fazer com que
a tensão do barramento CC caia abaixo do ajuste de
falha de subtensão, mas não o suficiente para acionar
a sobrecarga de corrente. Você precisará verificar se
há sobrecarga de corrente no motor (compare com a
placa do motor) e se as configurações do programa do
acionamento estão corretas de acordo com os valores
indicados na placa do motor, inclusive a aplicação
para a qual o motor e o acionamento se destinavam.
No entanto, se os picos de corrente ficarem
superiores ao valor que a fonte pode fornecer (ou
seja, se a impedância da fonte for muito alta para a
carga), você verá picos planos como a forma de onda
apresentada aqui.
Figura 10C. Formas de onda com pico plano.
Figura 10B. Queda de tensão no barramento CC
abaixodo ajuste de falha de subtensão.
Examine a forma de onda da tensão de entrada
da linha para o inversor de frequência. A onda deve
ter uma forma senoidal perfeita. Se a forma de onda
apresentar picos muito planos, pode ser que os
capacitores do barramento CC não sejam totalmente
carregados ao valor de pico, reduzindo a tensão do
barramento CC e a quantidade de corrente disponível
para o circuito de saída do inversores.
A forma de onda superior na Figura 10C foi
extraída de um circuito trifásico. Os picos de corrente
da forma de onda inferior ocorrem quando a forma de
onda de tensão estiver no pico ou próxima dele.
Resumo
Em resumo, embora os inversores de frequência sejam
mais complexos do que os motores elétricos comuns,
uma abordagem sistemática de medição e resolução
de problemas e as ferramentas de teste certas podem
ajudar a simplificar consideravelmente a instalação, a
manutenção e a solução de problemas. Embora as 10
medições aqui descritas não esgotem absolutamente
tudo que você pode saber sobre inversores, elas
fornecem as informações necessárias para a maioria
das situações.
Fluke.Mantendo seu mundo
funcionando.®
Figura 10C. Forma de onda ideal da tensão de
entrada da linha.
Fluke Corporation
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