5 causas de falha do motor VFD e como corrigi-las

Introdução: Um Paradoxo Técnico Comum

Para muitos engenheiros e técnicos experientes, há uma questão que continua a suscitar perplexidade: Accionamentos de frequência variável (VFDs) apresentam uma proteção de sobreintensidade altamente sensível, garantindo teoricamente uma proteção infalível do motor. No entanto, em aplicações práticas, as avarias dos motores VFD continuam a ser uma ocorrência frequente. Porquê?

A resposta reside no facto de que, embora os VFDs forneçam um controlo preciso da velocidade, também sujeitam os motores a tensões eléctricas únicas, ausentes nos sistemas normais de alimentação. Os mecanismos de proteção dos VFDs são concebidos principalmente para proteger os seus próprios componentes internos (como os IGBTs), deixando os motores expostos a estas novas tensões eléctricas. Este artigo analisa as cinco principais causas de falha do motor VFD e oferece soluções práticas para o ajudar a diagnosticar problemas e a evitá-los antes que ocorram.

Danos nos rolamentos devido a correntes do veio: Uma das principais causas de falha do motor VFD

Este é um dos modos de falha mais insidiosos e destrutivos. Quando os rolamentos do motor falham prematuramente sem causas mecânicas aparentes, a culpa é frequentemente das correntes de veio geradas pelo VFD.

• Causa principal: Tensão de Modo Comum e Acoplamento Capacitivo Os VFDs simulam energia CA sinusoidal utilizando a tecnologia de Modulação por Largura de Impulso (PWM). No entanto, a sua saída não é uma curva perfeitamente suave, mas sim uma série de impulsos DC de comutação de alta velocidade. Esta forma de onda assimétrica gera uma “tensão de modo comum”. Esta tensão é induzida no veio do motor através da capacitância parasita (acoplamento capacitivo) entre os enrolamentos do estator e o rotor. Isto energiza o eixo do motor. Os rolamentos do motor - compostos por anéis internos e externos condutores e massa lubrificante isolante - funcionam então como condensadores em miniatura, carregando continuamente.
• Mecanismo de falha: Maquinação por Descarga Eléctrica (EDM), Pitting e Canelura de Rolamentos Quando a tensão do veio se acumula o suficiente para romper a camada isolante da massa lubrificante do rolamento, são descarregados minúsculos arcos eléctricos. Este processo é designado por maquinação por descarga eléctrica (EDM). Milhões de micro-arcos por hora criam pequenos buracos e geadas nas pistas dos rolamentos e nas superfícies das esferas. Com o passar do tempo, estes danos juntam-se em ranhuras onduladas que se assemelham a uma tábua de lavar, conhecidas como caneluras de rolamentos. Quando isto acontece, a chumaceira começa a vibrar e a produzir ruídos anormais. A massa lubrificante degrada-se devido às altas temperaturas, o que acaba por provocar a gripagem da chumaceira e o desgaste do motor. O desalinhamento entre o rotor e o estator que mencionou exacerba este efeito através da assimetria do circuito magnético, intensificando os danos na chumaceira da corrente do veio do VFD.

Sobreaquecimento a baixas velocidades: Um cenário comum de falha do motor VFD

Muitas aplicações requerem que os motores funcionem a baixas frequências (por exemplo, abaixo de 20-30Hz) durante períodos prolongados - precisamente a “zona de perigo” para os motores standard.

• Dilema da dissipação de calor: Porque é que o funcionamento a baixa velocidade é perigoso Os motores normais de uso geral (especialmente os TEFC, motores arrefecidos por ventoinha totalmente fechados) dependem das ventoinhas da extremidade do veio para arrefecimento. A velocidade da ventoinha está sincronizada com a velocidade do motor. Quando um VFD reduz a velocidade do motor, a eficiência de arrefecimento do ventilador cai drasticamente. Simultaneamente, os harmónicos na forma de onda de saída do VFD geram calor adicional nos enrolamentos do motor. À medida que o calor se acumula enquanto a capacidade de arrefecimento permanece severamente inadequada, ocorre o sobreaquecimento do motor do VFD a baixa velocidade. O sobreaquecimento prolongado faz com que o isolamento dos enrolamentos do motor envelheça e se torne frágil, levando, em última análise, a curto-circuitos entre espiras ou à terra.
• Solução: O papel dos motores de inversão A solução óptima é utilizar motores de inversão. Estes motores apresentam normalmente materiais de isolamento de grau superior (como a Classe F ou a Classe H) e muitos modelos incorporam ventoinhas de arrefecimento dedicadas e de velocidade constante. Isto assegura um arrefecimento adequado do motor durante o funcionamento do VFD, independentemente da velocidade do motor ser muito baixa.

Quebra de isolamento de cabos longos: Um ponto crítico de falha do motor VFD

Quando o comprimento do cabo entre o VFD e o motor excede certos limites (tipicamente cerca de 30 metros, com riscos extremamente elevados a partir dos 100 metros), um “assassino de tensão” invisível torna-se ativo.

• Princípio físico: Fenómeno de Onda Reflectida e Picos de Tensão Os impulsos PWM de alta velocidade emitidos pelo VFD reflectem-se quando viajam ao longo do cabo para o motor devido a incompatibilidades de impedância entre o VFD, o cabo e o motor, criando um “fenómeno de onda reflectida”. Estas ondas reflectidas sobrepõem-se aos impulsos subsequentes, fazendo com que as tensões de pico nos terminais do motor atinjam 2 a 3 vezes a tensão do barramento CC do VFD. Para um sistema de 480V, isto significa que os motores podem suportar picos de tensão do cabo longo do VFD superiores a 1500V. Os sistemas normais de isolamento do motor não conseguem suportar estes impactos prolongados de alta tensão, o que acaba por levar à rutura do isolamento.
• Soluções: Filtros e Reactores Para resolver os problemas dos cabos longos, devem ser instalados dispositivos de proteção na saída do VFD. Um filtro dV/dt pode abrandar a taxa de subida da tensão, enquanto um reator de saída da VFD ou um filtro de onda sinusoidal suaviza mais eficazmente a forma de onda de saída, eliminando fundamentalmente os picos de tensão destrutivos. Simultaneamente, a utilização de um cabo blindado dedicado à VFD também pode atenuar o problema até certo ponto.

Problemas mecânicos e de parâmetros que conduzem à avaria do motor VFD

Para além dos problemas puramente eléctricos, certos factores mecânicos e Definições dos parâmetros do VFD também pode causar avarias no motor do VFD.

• Desalinhamento mecânico como fator contribuinte: O desalinhamento do estator-rotor que mencionou é um problema mecânico crítico. Este desvio no alinhamento do motor cria um desequilíbrio no circuito magnético, que não só provoca vibrações e sobreaquecimento, como também agrava significativamente o problema da corrente no veio, já referido, acelerando os danos nos rolamentos.
• Configuração incorrecta da zona morta que leva à paragem: Em aplicações que requerem ciclos frequentes de avanço e recuo, a não definição de uma “Zona Morta” razoável nos parâmetros do VFD pode fazer com que o VFD alterne rapidamente entre comandos de avanço e recuo quando os sinais de controlo flutuam perto de zero. Isto faz com que o motor pareça estar parado quando, na realidade, está num estado de ‘paragem’ ou de “micro-vibração”. Neste estado, o motor produz binário mas não consegue rodar, gerando correntes maciças que provocam um sobreaquecimento rápido, acabando por queimar o motor ou danificar o VFD.

Um guia proactivo: Prevenir a falha do motor VFD

Agora que compreendemos as principais causas de falha do motor VFD, podem ser implementadas medidas específicas para proteger o seu equipamento.

1.Endereço Corrente de rolamento

Para aplicações críticas ou grandes motores, recomenda-se vivamente a instalação de anéis de ligação à terra do veio para fornecer um caminho de terra seguro para as correntes do veio ou a utilização de rolamentos isolados para interromper o circuito de corrente.

2. resolver problemas de cabos longos

Selecione um filtro dv/dt adequado ou um reator de saída VFD com base no comprimento do cabo e na tensão do sistema.

3. evitar o sobreaquecimento a baixa velocidade

Dar prioridade aos motores com inversor de frequência. Se os motores de uso geral tiverem de funcionar a baixas velocidades, instale ventiladores de arrefecimento auxiliares dedicados.

4. otimizar a instalação e a colocação em funcionamento

Assegurar o alinhamento exato do motor com a carga. Durante a colocação em funcionamento do VFD, reveja meticulosamente todos os parâmetros - especialmente para aplicações com inversões frequentes - e configure larguras de banda morta adequadas.

Conclusão

Em resumo, a falha do motor VFD não é um mistério insolúvel. Tem origem em novas tensões eléctricas introduzidas por esta tecnologia de controlo avançada. Embora Sobrecorrente VFD é altamente sensível, mas não consegue lidar totalmente com vários mecanismos de danos de início lento, como as correntes de veio, o sobreaquecimento a baixa velocidade e os picos de tensão.

Ao compreendermos a fundo as causas destas falhas e ao implementarmos medidas de proteção pró-activas durante a conceção do sistema, a seleção do equipamento e a instalação/comissionamento, podemos tirar o máximo partido das vantagens de poupança de energia e de otimização do processo dos VFDs, assegurando simultaneamente um funcionamento fiável do motor a longo prazo. A chave para o sucesso está em tratar o VFD e o motor como um sistema integrado, em vez de uma simples combinação de dois componentes independentes.