Os variadores de velocidade constituem uma tecnologia omnipresente para a transformação de uma tensão constante oriunda da fonte de alimentação AC principal numa tensão variável para controlar a velocidade e o binário do motor ideais para motores acionadores de cargas de equipamento mecânico. Os variadores de velocidade proporcionam uma eficiência mais elevada do que os motores de ligação direta simples e um grau de controlo não disponível em motores acionados de forma direta e simples. Estes fatores resultam em poupanças quanto ao custo de energia, num desempenho de produção mais elevado e permitem aumentar a vida útil do motor.
De acordo com o Departamento de Energia (DOE) dos EUA, os sistemas de motor são cruciais para o funcionamento de quase todas as fábricas, representando 60 a 70% de toda a eletricidade utilizada. O DOE também identifica os variadores de frequência (VFD) como sendo uma fonte que proporciona às fábricas poupanças significativas em termos de custos. Sem surpresa, os variadores de velocidade são geralmente utilizados em muitas indústrias e instalações. Para garantir o tempo operacional nestes sistemas de motor, a manutenção e a resolução de problemas constituem uma prioridade.
Desafios relativos aos testes a variadores de velocidade
A resolução de problemas e os testes a variadores de velocidade, também conhecidas como variadores de frequência (VFD), transmissões de velocidade variável (VSD) ou transmissões de velocidade ajustável (ASD), são frequentemente executados por especialistas que utilizam vários equipamentos de teste, incluindo osciloscópios, multímetros digitais ou outras ferramentas de teste. Tais testes podem envolver um determinado grau de tentativa e erro, utilizando o antigo processo de eliminação. Devido à complexidade dos sistemas de motor, é frequente os testes ocorrerem anualmente, a menos que um sistema comece a falhar. Determinar por onde começar os testes pode ser problemático, considerando que, normalmente, o histórico de trabalho relativo ao equipamento se encontra em falta ou está incompleto. Este inclui a documentação de testes específicos e medições efetuadas anteriormente, trabalho concluído ou a condição "as-left" de componentes individuais. Os avanços na tecnologia de teste eliminaram alguns dos desafios. Foram concebidos equipamentos mais recentes, como os analisadores de variadores de velocidade da Fluke, para tornar os testes a variadores de velocidade mais eficientes e esclarecedores, dispondo de capacidade de documentação do processo em cada passo ao longo do percurso. Estes relatórios podem ser armazenados e comparados com testes subsequentes para que seja obtida uma perspetiva mais ampla do histórico de manutenção do variador de velocidade.
Uma forma mais simples de resolver problemas em VFD
Através da combinação de um medidor, de um osciloscópio portátil e de um registador, com a orientação de um instrutor qualificado, estes avançados analisadores de variadores de velocidade utilizam mensagens de solicitação apresentadas no ecrã, diagramas de configuração claros e instruções passo-a-passo formuladas por especialistas em variadores de velocidade para o orientar durante os testes essenciais. Este novo método de divisão e simplificação de testes complexos permite que um especialista em variadores de velocidade com experiência trabalhe rapidamente e de forma confiante de modo a obter o detalhe exigido. O mesmo também proporciona um percurso mais rápido para que técnicos com menos experiência comecem a fazer análises ao variador de velocidade.
A deteção da causa principal de uma avaria no sistema do variador de velocidade ou a execução de uma verificação de manutenção preventiva de rotina é realizada de forma mais satisfatória com um conjunto de testes e de medições padrão em pontos essenciais do sistema. Começando pela alimentação, os testes principais com diferentes técnicas de medição e critérios de avaliação são concluídos em todo o sistema, terminando na saída.
Os seguintes testes são essenciais para a resolução de problemas em variadores de velocidade:
(Tenha em atenção que os analisadores de variadores de velocidade da Fluke o orientam através destes testes e automatizam muitos dos cálculos necessários para que possa confiar nos resultados. Além disso, o utilizador pode guardar dados num relatório em quase todos os pontos de teste para que possa dispor de documentação para carregar para um sistema computorizado de gestão da manutenção [CMMS] ou para partilhar com um colega ou um especialista consultor.)
Nota de segurança: Lembre-se sempre de ler as informações de segurança do produto antes de começar os testes. Não trabalhe sozinho e cumpra os regulamentos de segurança locais e nacionais. Utilize equipamento de proteção individual (luvas de borracha, proteção para o rosto e vestuário resistente a chamas aprovados) para evitar choques e lesões causadas por explosões em arco nos locais com condutores com corrente perigosos expostos.
Para iniciar cada teste com um analisador de variador de velocidade da Fluke basta ligar as sondas de teste de acordo com o diagrama e, em seguida, pressionar "Next" (Seguinte).
1. Entrada da transmissão
A análise da energia fornecida ao variador de velocidade constitui um excelente primeiro passo para determinar se um circuito de alimentação com ligação ao variador possui distorção, perturbação ou ruído que possam afetar a alimentação de terra.
Testes
Compare a tensão nominal da transmissão com a tensão de alimentação real para verificar rapidamente quais os valores que se encontram dentro dos limites aceitáveis. Mais de 10% fora do intervalo pode indicar um problema de tensão de alimentação. Determine se a corrente de entrada se encontra dentro da especificação máxima e se os condutores estão devidamente dimensionados.
- Compare a frequência medida com a frequência especificada. Uma diferença superior a 0,5 Hz pode causar problemas.
- Verifique se a distorção harmónica se encontra dentro de um nível aceitável. Verifique visualmente a estrutura da forma de onda ou consulte o ecrã de espetro de harmónicos, o qual apresenta a distorção harmónica total e os harmónicos individuais. Formas de onda com uma parte superior plana, por exemplo, podem indicar uma carga não linear ligada ao mesmo circuito de alimentação. Se a distorção harmónica total (THD) for superior a 6%, existe um potencial problema.
- Verifique o desequilíbrio da tensão nos terminais de entrada para garantir que o desequilíbrio de fase não apresenta valores demasiado elevados (menos de 6 a 8%) e que a rotação de fases é a correta. Uma leitura com desequilíbrio elevado da tensão pode indicar uma falha de fase. Uma leitura com um valor superior a 2% pode originar um corte de tensão e provocar um disparo da proteção contra avarias de sobrecarga da transmissão ou perturbar outros equipamentos.
- Teste de desequilíbrio de corrente. Um desequilíbrio excessivo pode indicar um problema no retificador da transmissão. Uma leitura de desequilíbrio de corrente superior a 6% pode refletir um problema ao nível do inversor do variador de velocidade e constituir um problema.
2. Barramento DC
A conversão de AC para DC no interior da transmissão é fundamental. É necessário dispor da tensão correta e da atenuação com baixa flutuação adequada para obter o melhor desempenho da transmissão. Uma tensão de flutuação elevada pode ser um indicador de avaria nos condensadores ou do dimensionamento incorreto do motor ligado. A função de registo de um analisador de variadores de velocidade da série MDA-500 da Fluke pode ser utilizada para verificar o desempenho do barramento DC dinamicamente em modo de funcionamento enquanto lhe é aplicada uma carga. Em alternativa, pode ser utilizada uma ferramenta de teste ScopeMeter® da Fluke ou um multímetro avançado para este teste.
Testes
- Determine se a tensão do barramento DC é proporcional ao pico de tensão da linha de entrada. Exceto para retificadores controlados, a tensão deve ser de cerca de 1,31 a 1,41 vezes a tensão da linha RMS. Uma leitura de tensão DC baixa pode provocar um disparo da transmissão, o qual pode ser originado por uma baixa tensão de entrada da rede ou por uma distorção da tensão de entrada, tal como uma parte superior plana.
- Verifique a existência de distorção ou de erro na amplitude de pico da tensão da linha. Tal pode causar um erro de sobre ou subtensão. Uma leitura de tensão DC de +/- 10% em relação à tensão nominal pode indicar um problema.
- Determine se os picos da flutuação AC possuem um nível de repetição diferente. Após a conversão de AC para DC, irá permanecer uma pequena fração da flutuação AC no barramento DC. As tensões de flutuação superiores a 40 V podem ser provocadas por condensadores avariados ou por uma especificação da transmissão demasiado baixa para a carga ou motor ligado.
3. Saída da transmissão
Testar a saída da transmissão é essencial para um funcionamento adequado do motor e pode fornecer pistas para problemas no interior dos circuitos da transmissão.
Testes
- Determine se a tensão e a corrente se encontram dentro dos limites. Uma corrente de saída elevada pode fazer com que o motor aqueça, diminuindo a vida útil do isolamento do estator.
- Verifique a relação tensão/frequência (V/Hz) para se certificar de que a mesma se encontra dentro dos limites especificados do motor. Uma relação elevada poderá ser responsável por um sobreaquecimento do motor; uma relação baixa fará com que o motor perca binário. Uma frequência estável e uma tensão instável podem indicar um problema no barramento DC; uma frequência instável e uma tensão estável podem indicar problemas de comutação (IGBT). Uma frequência e tensão instáveis indicam potenciais problemas com os circuitos de controlo da velocidade.
- Verifique a saída da transmissão, focando-se tanto na relação tensão/frequência (V/F) como na modulação da tensão. Se forem obtidas medições da relação V/F elevadas, o motor pode sobreaquecer. Em relações V/F reduzidas, o motor ligado pode não ser capaz de fornecer o binário necessário à carga para desempenhar a função pretendida de forma adequada.
- Verifique a modulação da tensão utilizando medições de fase-fase. Picos de tensão elevados podem danificar o isolamento dos enrolamentos do motor e provocar o disparo da transmissão. Picos de tensão superiores a 50% da tensão nominal são problemáticos.
- Verifique o declive dos impulsos de comutação indicado pela leitura da transmissão. O tempo de subida ou de declínio dos impulsos é indicado pela leitura de dV/dt (taxa de variação da tensão ao longo do tempo) e deve ser comparado com o especificado para o isolamento do motor.
- Teste a frequência de comutação com fase para DC. Identifique se existe um potencial problema com a comutação eletrónica ou com a ligação à terra, o qual pode ser indicado quando o sinal flutua para cima e para baixo.
- Meça o desequilíbrio de tensão, de preferência em plena carga. O desequilíbrio não deverá ser superior a 2%. O desequilíbrio da tensão provoca um desequilíbrio da corrente, o que pode resultar em calor excessivo no enrolamento do motor. Entre as causas para o desequilíbrio pode incluir-se a avaria de circuitos da transmissão. Quando uma fase apresenta uma avaria, tal é denominado de "funcionamento monofásico", o que pode fazer com que um motor aqueça, não arranque após uma paragem, perca eficiência em termos significativos e danifique potencialmente o motor e a carga ligada.
- Meça o desequilíbrio de corrente, o qual não deve ultrapassar 10% para motores trifásicos. Um desequilíbrio significativo enquanto a tensão se encontra baixa pode indicar um curto-circuito nos enrolamentos do motor ou fases com curto-circuito à terra. Um desequilíbrio significativo também pode provocar o disparo da transmissão, temperaturas elevadas no motor e enrolamentos queimados
4. Entrada do motor
A tensão fornecida nos terminais de entrada do motor é fundamental e a seleção da cablagem da transmissão para o motor é crítica. A seleção incorreta da cablagem pode resultar em danos no motor e na transmissão devidos aos picos de tensão excessivos refletidos. Estes testes são, na sua maioria, idênticos aos destinados à saída da transmissão que se encontram acima.
Testes
- Verifique se a corrente presente nos terminais se encontra dentro da especificação do motor. Condições de sobrecorrente podem fazer com que o motor aqueça e diminuir a vida útil do isolamento do estator, o que pode resultar em avaria prematura do motor.
- A modulação da tensão ajuda a identificar picos elevados de tensão à terra que podem danificar o isolamento do motor.
- O desequilíbrio da tensão pode afetar gravemente a vida útil do motor e pode indicar uma avaria do inversor. Tal pode originar cortes de tensão e provocar o disparo da proteção contra avarias de sobrecarga.
- O desequilíbrio da corrente pode indicar um desequilíbrio da tensão ou problemas no retificador da transmissão.
5. Tensão do eixo do motor
Os impulsos de tensão de um variador de velocidade podem ligar-se do estator do motor para o respetivo rotor, provocando o aparecimento de tensão no eixo do rotor. Quando esta tensão no eixo do rotor excede a capacidade de isolamento do lubrificante para rolamentos, podem ocorrer descargas de corrente (faíscas), provocando desgastes do anel de rolamentos, danos que podem provocar avarias prematuras no motor.
Teste
- Meça a tensão entre o chassis do motor e o eixo da transmissão. O MDA-550, por exemplo, dispõe de uma sonda de escova em fibra de carbono para esta finalidade. O teste pode detetar facilmente a presença de descargas de corrente destrutivas, enquanto a amplitude de impulso e a contagem de eventos permite a resolução do problema antes que a avaria ocorra.
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