Medições Elétricas em inversores de frequência

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1 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

2 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 V CAT II e um medidor para 600 V CAT III. À primeira vista, você pode pensar que o medidor de 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 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 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. Categoria de sobretensão CAT IV CAT III CAT II CAT I 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 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. 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) Tabela 2. Valores de teste de transientes para categorias de instalação de sobretensão Fonte de teste (Ohm = V/A) CAT I 600 V V Fonte de 30 ohms CAT I V V Fonte de 30 ohms CAT II 600 V V Fonte de 12 ohms CAT II V V Fonte de 12 ohms CAT III 600 V V Fonte de 2 ohms CAT III V V Fonte de 2 ohms 2 Fluke Corporation Medições elétricas em inversores de frequência

3 Motores Medição 1 Baixa tensão Baixa tensão 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. 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. Medições de temperatura Os Termômetros Infravermelhos Fluke Série 60 são uma maneira fácil e rápida de verificar se há conexões ruins. Qualquer aumento significativo de temperatura no terminal de uma conexão indicará uma má conexão ou resistência de contato devido à perda de calor infravermelho. Se a temperatura do terminal ainda não foi anotada no seu diagrama de sistema, compare-a com as outras duas fases. Medições de tensão Como a tensão aplicada aos terminais do motor pelo inversor de frequência não é senoidal, as leituras de tensão exibidas por um medidor analógico, um multímetro digital (DMM) com resposta média e um multímetro digital com true- RMS serão diferentes entre si. Medidores analógicos 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 EN Multímetros digitais Muitos multímetros digitais (DMMs) reagem ao componente de alta frequência do acionamento do motor e, portanto, geram uma leitura mais elevada. Um multímetro digital com true- RMS gera uma leitura precisa do efeito de aquecimento sobre a tensão não senoidal aplicada ao motor, mas não coincide com a leitura de tensão de saída do controlador do motor. No entanto, convém observar que, embora o motor não reaja às frequências mais elevadas em termos de torque correntes de alta frequência podem estar passando por fora dos enrolamentos devido às diferentes capacitâncias em outras partes do motor. O problema é a largura de banda. Os Alicates Amperímetros Fluke 33x, os ProcessMeters 787 e 789, o Analisador de Qualidade de Energia 43B e as Ferramentas de Teste ScopeMeter 190 Series geram leituras de tensão semelhantes às dos medidores analógicos e do visor do inversor de frequência. 3 Fluke Corporation Medições elétricas em inversores de frequência

4 Motores Medição 2 Desequilíbrio de tensão e corrente Desequilíbrio de tensão 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. Desequilíbrio de corrente 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. 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%. 4 Fluke Corporation Medições elétricas em inversores de frequência

5 Acionamentos PWM Medição 3 Reflexos de sobretensão nos terminais do motor Aumento da tensão de pico acima do normal Cabo de Cabo de 30 metros 15 metros Cabo de 61 metros Tempo de Subida (µs) Cabo de 152 metros Figura 3A. Tensões refletidas (campainha). Figura 3B. Impacto do tempo de subida e do comprimento do cabo sobre a magnitude das tensões refletidas. 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. 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. 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 3D. Forma de onda PWM com tensões refletidas. 5 Fluke Corporation Medições elétricas em inversores de frequência

6 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. Se o motor já falhou e precisar ser reconstruído, deve-se usar um fio com melhor isolamento, como o Thermaleze Q s, ou TZ Q s (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 (V Pico sustentada 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. 6 Fluke Corporation Medições elétricas em inversores de frequência

7 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 V a 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. Entrada de CA Motores de indução Retificador a diodo Inversores de PWM Filtro de Saída do Inversor Reator em Série Filtro do Terminal do motor Solução 1 Solução 2 Solução 3 Série conectada a Série conectada a Paralelo conectado aos terminais de saída de PWM. Terminais de saída PWM. terminais do motor. Projetado para elevação lenta Atua como limitador de corrente Projetado para casar com tempo (dv/dt) abaixo um e também tempo de elevação lento. a impedância do cabo. valor crítico. Dependente do cabo Dependente no tamanho de Não dependente do comprimento. sistema. comprimento do cabo. Perdas dependentes de Perdas dependentes de Perdas de mais ou menos motor kva. motor kva. fixas. Tamanho/custo dependente de Tamanho/custo dependente de Tamanho/custo mais ou menos motor kva. motor kva. fixos. 7 Fluke Corporation Medições elétricas em inversores de frequência

8 Acionamentos PWM Medição 4 Tensões no eixo do motor Correntes de rolamento Quando as tensões do eixo do motor ultrapassam a capacidade isolante da graxa dos rolamentos, surgem correntes de arco no exterior do rolamento, causando corrosão e ranhuras nos anéis do rolamento. Os primeiros sinais desse problema são ruído e superaquecimento, quando os rolamentos começam a perder sua forma original e fragmentos de metal se misturam com a graxa, aumentando o atrito do rolamento. Isso pode causar a destruição do rolamento depois de alguns meses de operação do inversor de frequência. Esse é um problema caro tanto em termos de reparação do motor como de tempo de inatividade. Uma tensão normal e inevitável é criada no eixo, entre o enrolamento do estator e o eixo do rotor, em função de pequenas assimetrias do campo magnético no entreferro. Isso é inerente ao projeto do motor. A maioria dos motores de indução é projetada para ter uma tensão máxima de eixo abaixo de 1 Vrms em relação ao terra da carcaça. Outra fonte de tensão no eixo do motor são as fontes internas eletrostáticas acopladas, entre elas: acoplamentos acionados por correia, passagem de ar ionizado sobre as pás do rotor, ou passagem em alta velocidade sobre as pás do rotor, como em turbinas a vapor. Abaixo de uma onda senoidal de 60 Hz, a tensão de ruptura do rolamento é de aproximadamente 0,4 a 0,7 volts. No entanto, com as bordas rápidas das tensões transientes encontradas em acionamentos PWM, a ruptura da capacidade de isolamento da graxa ocorre, na verdade, em uma tensão mais elevada (cerca de 8 a 15 volts). Essa tensão de ruptura mais alta cria correntes de arco mais elevadas no rolamento, causando maiores danos aos rolamentos em um período de tempo mais breve. Pesquisas nessa área têm demonstrado que as tensões de eixo abaixo de 0,3 volts são seguras e não bastam para que ocorram correntes de rolamento destrutivas. No entanto, tensões de 0,5 a 1,0 volt podem causar correntes de rolamento prejudiciais (> 3 A) e tensões de eixo (> 2 V) podem destruir o rolamento. É necessário tomar cuidado ao fazer essa medição. Embora o comum esteja ligado ao aterramento da carcaça do motor, conecte a ponta de prova a um pedaço de fio trançado ou uma escova de carbono, que, por sua vez, faça contato com o eixo do motor. Como as tensões de eixo são causadas por tempos de subida rápidos dos pulsos do acionamento PWM, as tensões aparecerão como picos estreitos. A melhor maneira de fazer essa medição é com um osciloscópio, não com um DMM. Mesmo que o DMM tenha detecção de picos, a variação entre os picos é suficiente para que a leitura não seja confiável. Outra dica é fazer a medição de tensão no aterramento entre o eixo e a carcaça depois que o motor atingiu sua temperatura normal de funcionamento, pois talvez não haja tensões de eixo quando o motor estiver frio. A solução mais simples para esse problema é reduzir a frequência de portadora (pulso) para um valor abaixo de 10 khz ou, em condições ideais, em torno de 4 khz, se possível. Se a frequência da portadora já estiver neste intervalo, podem ser utilizadas soluções alternativas tais como dispositivos de aterramento do eixo ou filtragem entre o inversor de frequência e o motor. 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. 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. 8 Fluke Corporation Medições elétricas em inversores de frequência

9 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 Retificador a diodo Inversores de PWM Estrangulamento do Modo Comum Conduíte 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. Fonte CA Motores de indução Retificador a diodo Inversores de PWM Figura 6A. Ondas quadradas. Figura 6B. Verifique as três fases nos terminais de saída do motor do inversor. 9 Fluke Corporation Medições elétricas em inversores de frequência

10 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 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 Figura 9A. Captura de transientes de sobretensão. entanto, se a origem do transiente 10 Fluke Corporation Medições elétricas em inversores de frequência

11 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 V. Normalmente, um DMM como o Fluke Série 170 ou o 87 V é útil devido à sua classificação para 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 Existem várias causas para o desligamento inoportuno do circuito de falha de baixa tensão em inversores de frequência. As quedas de tensão (0,5 a 30 ciclos) e subtensões (> 30 ciclos) na entrada de linha para o acionamento são situações comuns relacionadas a esse problema. As quedas são frequentemente causadas pelo acionamento de outra carga no sistema de distribuição do edifício, ou talvez em um edifício vizinho que está acionando uma grande carga elétrica. Faça a medição com um instrumento capaz de registrar a data e a hora da queda ou onde a subtensão faça com que a falha de baixa tensão do inversor de frequência seja disparada. Você pode começar a fazer essa medição na entrada de serviço. Assim, você pode definir rapidamente se a causa da queda está dentro ou fora do edifício. Não deixe de monitorar a tensão e a corrente ao mesmo tempo. Dessa forma, é possível saber se o problema está depois da entrada de serviço, onde o pico de corrente coincide com a queda de tensão. Um problema antes da entrada de serviço (fora do edifício) indica a queda de tensão sem o respectivo pico de corrente. Se o problema estiver dentro do edifício, um pico de corrente coincidirá com a queda de tensão. Continue realizando as medições em diferentes centros de carga até que você tenha isolado a carga com a queda de tensão e pico de corrente correspondentes. Figura 10A. Queda de tensão. 11 Fluke Corporation Medições elétricas em inversores de frequência

12 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 PO Box 9090, Everett, WA USA Fluke Europe B.V. PO Box 1186, 5602 BD Eindhoven, Holanda Para obter mais informações, ligue: Nos EUA (800) ou Fax (425) Na Europa/Or. Médio/África +31 (0) ou Fax +31 (0) No Canadá (800)-36-FLUKE ou Fax (905) Em outros países +1 (425) ou Fax +1 (425) Acesso pela Web: Fluke Corporation. Todos os direitos reservados. As especificações estão sujeitas a mudanças sem aviso prévio. Impresso nos E.U.A. 8/ A-PT-BR-N Rev B 12 Fluke Corporation Medições elétricas em inversores de frequência