dv dt Fig.19 Pulso de tensão típico nos terminais do motor

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1 INFLUÊNCIA DO INVERSOR NO SISTEMA DE ISOLAMENTO DO MOTOR Os inversores de freqüência modernos utilizam transistores (atualmente IGBTs) de potência cujos os chaveamentos (khz) são muito elevados. Para atingirem tais chaveamentos, os transistores possuem tempos de início de condução (turn-on) muito rápidos, o que resulta em pulsos de tensão com elevado dv/dt (taxa de variação da tensão no tempo). Quando esses inversores são utilizados em conjunto com um motor de indução de gaiola, os pulsos, em combinação com as impedâncias do cabo e do motor, geram sobretensões overshoots nos terminais do motor. Esses overshoots são repetitivos. Eles ocorrem continuamente (trem de pulsos) e podem reduzir a vida do sistema isolante. O cabo e o motor podem ser considerados um circuito ressonante. O pulso retangular do inversor excita esse circuito. Quando os valores de R,L e C são tais que a tensão de pico atinge valores acima da tensão da fonte (tensão do link DC 2 Vnom ), a resposta do circuito a essa excitação é considerada um overshoot. O valor do overshoot é determinado, basicamente, pelos seguintes fatores: rise time do pulso de tensão, comprimento do cabo, mínimo tempo entre pulsos, freqüência de chaveamento e o uso de motores múltiplos. Influência do Rise Time Uma certa quantidade de tempo é requerida para que a tensão nos terminais de saída do inversor transite do seu valor mínimo até o seu valor máximo. O tempo que a tensão leva para variar de 10% da tensão do Link DC ( 2 Vnom ) para 90% é definido como rise time (tempo de subida). Este valor pode ser observado na fig.19. Tensão [V] V pic 100% Tensão do Link DC 90% 10% V dv dt = V t V µ s t Rise time tempo [s] Fig.19 Pulso de tensão típico nos terminais do motor Devido à rapidez do crescimento do pulso de tensão (dv/dt) emitido pelo inversor ao motor, a(s) primeira(s) espira(s) da primeira bobina de uma dada fase fica(m) submetida(s) a um alto valor de tensão. Com isso, o rise time ( t) tem influência direta no tempo de vida útil do sistema isolante, ou seja, quanto menor o tempo de crescimento do pulso (rise time menor), maior será a taxa de variação da tensão (dv/dt) e maior a diferença de potencial (ddp) originada entre espiras, conseqüentemente, a degradação do sistema de isolamento do motor será mais rápida [11]. A rapidez no crescimento da frente de onda de tensão se deve

2 à grande velocidade de chaveamento dos transistores (IGBTs), que estão se tornando cada vez mais rápidos. Com tudo isto, o sistema de isolamento fica submetido a altos gradientes de potencial elétrico, exigindo dos isolantes características dielétricas superiores. Cabe salientar, neste instante, certas confusões que ocorrem no cálculo do dv/dt. Muitas vezes os usuários pegam o valor da tensão de pico e dividem pelo rise time (informado pelo fabricante do inversor) para calcular o dv/dt, esse procedimento não está correto. O procedimento correto para o cálculo do dv/dt na saída do inversor, ou seja, antes de passar pelo cabo e chegar ao motor, pode ser observado no exemplo a seguir: Supondo a tensão do motor V nom = 460V V link DC = 650, 5 V Pela fig.19, tem-se: V = 0,8 x 650,5 = 520,4V Supondo um rise time de: t = 0,1µs Então: dv dt = V t = 520,4 V = ,1 µ s Pelo exemplo, percebe-se que podem ser calculados valores de dv/dt absurdos, caso o valor de V usado seja o valor de tensão de pico. Com isso, muitas vezes, são tomadas decisões erradas na avaliação deste tipo de aplicação (inversor + motor de indução). O valor do dv/dt nos terminais do motor também é possível de ser calculado, mas para isso é necessário medir o pulso de tensão de entrada no motor. Na maioria das vezes, essa medição é difícil de ser executada e necessita ser realizada por uma pessoa técnica que entenda do assunto, assim como, a necessidade de utilização de um instrumento de medição especial (osciloscópio). Por isso, o melhor critério é fixar o dv/dt na saída do inversor, pois com o conhecimento da tensão do motor e do rise time (informado pelo fabricante do inversor) tem-se o valor de dv/dt sem a necessidade de se realizar medidas. Influência do comprimento do cabo Comprimentos de cabo elevados, conforme o guia de aplicação da norma NEMA para sistemas de acionamento de velocidade variável [12], aumentam o valor do overshoot nos terminais do motor. Com os modernos IGBTs os overshoots começam aparecer a partir de, aproximadamente, 3m de cabo e podem atingir 2 vezes o valor da fonte para comprimentos de cabo de 15m. Em casos de comprimentos de cabo excessivos, acima de 120m, por exemplo, o overshoot pode resultar em picos superiores a 2 vezes ao valor da fonte, além do mesmo permanecer existindo por mais tempo.

3 As figuras a seguir mostram o comportamento da tensão nos terminais de um motor de 10cv-4p (alimentado com inversor CFW-04, rise time 0,1µs) com vários comprimentos de cabo: Fig.20 Tensão nos terminais de saída do inversor sem cabo Fig.21 Tensão nos terminais do motor 1,5m de cabo

4 Fig.22 Tensão nos terminais do motor 15m de cabo Fig.23 Tensão nos terminais do motor 34m de cabo Fig.24 Tensão nos terminais do motor 54m de cabo Influência do mínimo tempo entre pulsos consecutivos Os inversores variam a tensão média aplicada sobre o motor, mudando a largura dos pulsos de saída e o tempo entre eles. O overshoot torna-se pior quando o tempo entre os pulsos é mínimo. Essa condição ocorre quando são necessárias elevadas tensões na saída e durante regimes transitórios, como na aceleração e desaceleração. Se o tempo entre pulsos é menor que 3 vezes o período ressonante do cabo (para cabos industriais 0,2µs a 2µs) [12], ocorrerá acréscimo no overshoot. A única forma de se ter certeza que essa condição particular não existe é medindo os pulsos diretamente ou contatando o fabricante do inversor.

5 A fig.26 mostra um exemplo prático onde o tempo entre pulsos é menor que 6µs. O pulso mostrado na figura foi medido em uma aplicação onde um inversor ABB alimentava 1,60 T > 1) Ref A: 500 Volt 10 us motores standard WEG. Nesta aplicação, em particular, ocorreram queimas de motores devido à curto entre espiras, em um tempo de instalação pequeno. Porém, neste caso, o rise time do inversor era de 0,08µs, o tempo entre pulsos consecutivos era de, aproximadamente, 1,60µs e os comprimentos de cabo variavam entre 20 e 60m, embora o motor fosse de 380V. Quando o tempo entre pulsos consecutivos for menor que 6µs, podese assumir que a ddp entre espiras, principalmente quando ocorrer da 1 a e última espira estarem lado a lado, é o valor pico a pico entre pulsos (ver fig. 26). O fato ocorre devido à rapidez de propagação do pulso, pois enquanto na 1 a espira o valor de tensão é o valor pico a pico, na última espira a tensão é muito baixa, provavelmente, zero. Com esses picos repetitivos em pouco tempo ocorre a falha do motor devido à curto entre espiras. Experiências de campo como essas, aliadas a testes laboratoriais, levaram à elaboração de critérios, quanto ao sistema de isolamento, para aplicação de motores standard WEG com inversores de freqüências. Estes critérios serão mostrados mais adiante. Fig.26 Pulsos de tensão nos terminais do motor (baixo tempo entre pulsos consecutivos) Influência da freqüência de chaveamento Associada aos efeitos originados do rise time e do mínimo tempo entre pulsos consecutivos, está a freqüência com que os mesmos são produzidos. Ao contrário dos eventuais impulsos provenientes de manobras de rede, neste caso trata-se de um trem de pulsos mantido numa determinada freqüência. Em função da rápida evolução da eletrônica de potência, essa freqüência atinge valores da ordem de 20kHz. Quanto maior essa freqüência de chaveamento (pulsação) do inversor, mais rápida é a degradação do sistema isolante [11]. Conforme estudo apresentado na bibliografia [14], a dependência do tempo de vida útil do isolamento, em função da freqüência de chaveamento não é uma relação simples, porém nas experiências realizadas nesse trabalho mostram dados interessantes:

6 Para freqüências de chaveamento 5kHz: A probabilidade de falha do isolamento é diretamente proporcional à freqüência de chaveamento. Para freqüências de chaveamento > 5kHz: A probabilidade de falha do isolamento é diretamente proporcional ao quadrado da freqüência de chaveamento. Influência de aplicações com múltiplos motores Se mais de um motor é conectado a um mesmo inversor, pode ocorrer overshoot devido à reflexão entre motores. Essa situação é tão pior quanto maior for o comprimento do cabo entre o inversor e o ponto comum de conexão dos motores [12]. O comprimento do cabo atua como um desacoplador entre o inversor e o motor. Como resultado, reflexões que seriam absorvidas pela baixa impedância do inversor podem ser carregadas para um outro motor e dessa forma amplificando o overshoot sobre o mesmo.