As melhorias na tecnologia de condução de frequência variável (VFD) resultaram em menores custos, maior fiabilidade e, mais importante ainda, maior utilização. A maioria dos sistemas VFD modernos têm diagnósticos internos que criam desligamento automático em caso de falhas. No entanto, a causa destas falhas pode por vezes ser elusiva para localizar e corrigir. No entanto, os testes motorizados desenergizados (MCA) e energizados podem fornecer uma visão valiosa para ajudar a identificar rápida e facilmente muitos destes problemas. Este breve documento destaca como incorporar estas duas técnicas de testes motorizados fáceis de executar na resolução de problemas da VFD.

Funcionamento básico

Uma VFD rectifica a energia CA trifásica recebida para criar um autocarro CC. O autocarro CC utiliza condensadores para suavizar o CC rectificado como entrada para a secção do inversor. No sector Invertor, o controlador utiliza microprocessadores para controlar comutadores semicondutores que convertem a tensão DC para uma tensão CA trifásica variável e a entrada de frequência para o motor. Ao controlar a quantidade de tempo, os semicondutores (SCR ou IGBT) estão a disparar, a largura dos impulsos DC modulam a DC para produzir uma tensão de entrada trifásica simulada com tensão e frequência variáveis. A frequência da tensão de entrada determina a velocidade a que o campo magnético gira em torno do estator. A velocidade a que o campo magnético é referido como a velocidade síncrona (SS).

SS= 120 F/P

Onde: F= frequência da tensão de alimentação

P = número de pólos no motor

Devido à natureza de comutação do circuito inversor, os VFD’s podem criar problemas de PQ introduzindo harmónicos no sistema eléctrico das plantas. Além disso, as VFD’s também podem ser sensíveis aos próprios problemas de PQ de entrada causando o encerramento das VFD’s. Muitos VFD’s têm electrónica interna que indica a causa do encerramento. Estes códigos comuns atribuem a causa da sobretensão, sobre corrente, sobrecarga, tensão, ou desequilíbrio de corrente, sobre temperatura, ou falhas externas. Esta informação é importante, mas a verdadeira questão é o que causou a condição de falha. A condição de falha é causada pela VFD ou experimentada pela VFD?

Se a falha for sentida pela VFD pode ser o resultado de entrada de energia, problemas de ligações, qualquer um dos muitos problemas ou falhas de motores na máquina accionada ou no próprio processo. Se a falha for causada pela VFD. Pode ser o resultado da avaria ou falha dos componentes electrónicos. Entre as falhas comuns, encontram-se díodos na secção rectificadora, condensadores DC bus ou avaria ou falha de um semicondutor na secção do inversor.

Testes Motorizados Desenergizados: Circuito Motor Analysis™ (MCA™)

Circuito Motor Analysis™ (MCA™)
é uma técnica de teste de motores que injecta uma série de sinais de baixa tensão CA & CC através dos enrolamentos do motor para avaliar minuciosamente todo o sistema motor enquanto o motor é desenergizado. Os testes do motor MCA podem ser realizados directamente no motor ou remotamente a partir da saída da VFD. Ao contrário dos tradicionais testes de motor desenergizado, que não conseguem identificar problemas de rotor ou desenvolver avarias no isolamento dos enrolamentos. Os testes MCA fornecem uma indicação precoce do desenvolvimento de falhas não só no sistema de isolamento das paredes do solo, mas também no isolamento dos condutores circundantes utilizados para criar as bobinas no estator, bem como falhas existentes ou em desenvolvimento na parte eléctrica dos rotores. MCA pode identificar falhas nas fases iniciais mas também pode rapidamente confirmar o motor “Bom” que pode rapidamente eliminar o motor como a causa da viagem VFD. Ao realizar o teste de 3 minutos a partir da saída da VFD, um resultado “bom” indica não só que o motor está bom, mas também que todos os cabos associados e todos os componentes eléctricos do circuito testado estão em bom estado. No entanto, se os resultados indicarem maus é simplesmente necessário realizar um teste adicional de 3 minutos directamente no motor. Se o motor testar bem, então a falha está na cablagem ou no controlador. Se o motor indicar uma falha em desenvolvimento, há testes MCA opcionais disponíveis para determinar se a falha está no rotor ou no circuito eléctrico do estator.

Os testes DC de baixa tensão fornecem indicação de problemas de ligação no circuito em teste para confirmar que todas as ligações externas e internas são suficientemente “apertadas”. A série de testes CA exercitam o isolamento do enrolamento e identificam as alterações muito pequenas que ocorrem na composição química do isolamento do enrolamento à medida que o isolamento entre os condutores começa a degradar-se.

O teste dinâmico opcional requer rotação manual do eixo do motor em teste e desenvolve uma assinatura do estator que identifica quaisquer falhas de desenvolvimento no isolamento que rodeia os condutores das bobinas que compõem o sistema de enrolamento do estator. As assinaturas do rotor identificam falhas no sistema eléctrico do rotor, tais como excentricidade estática ou dinâmica, fissuras, quebras ou vazios de fundição nas barras do rotor ou anéis terminais.

Testes Motorizados Energizados: Análise de Assinatura Eléctrica (ESA)

ESA utiliza a tensão e corrente de entrada e saída da VFD para analisar rapidamente o estado e a qualidade da potência fornecida ao variador de velocidade, bem como a tensão e corrente de saída do variador de velocidade para o motor. Cada um destes testes requer < 1 minuto. Ao realizar testes do motor ESA na entrada e na saída do variador de velocidade, fornece um perfil completo de entrada e saída de potência. Cada teste realiza uma captura simultânea de dados das três fases de tensão e corrente para criar tabelas PQ para cada uma das três fases, capta, mostra e armazena 50 msec de tensão e corrente das formas de onda para as 3 fases. Além disso, 50 segundos as formas de onda de tensão e corrente são digitalizadas e utilizadas para realizar FFT’s de alta e baixa frequência tanto na tensão e corrente de entrada como na corrente de saída.

Potência de entrada

A tensão de entrada para a unidade fornece informações valiosas que indicam o estado da tensão de entrada fornecida à unidade, calcula qualquer desequilíbrio de tensão ou corrente, ou conteúdo harmónico na tensão ou corrente de entrada. A corrente de entrada fornece a indicação do estado dos díodos na secção rectificadora da unidade. A figura 2 mostra a forma de onda actual com todos os díodos a disparar correctamente, na figura 3 pode ser rapidamente determinado que um ou mais dos díodos na secção rectificadora não estão a disparar correctamente.

Figura 2: Secção de Diodo Bom Figura 3: Secção de Diodo Defeito

Tensão de saída

Figura 4: IGBT’s a funcionar correctamente

A tensão de saída do conversor fornece informações sobre o estado do próprio conversor, bem como sobre a qualidade da potência fornecida ao motor, incluindo mas não se limitando ao funcionamento correcto ou incorrecto dos semicondutores nos circuitos do inversor e ao desenvolvimento de falhas nos condensadores do bus CC. A figura 4 fornece um instantâneo de uma fase da saída de tensão do variador de velocidade que é a tensão para o motor. Todas as formas de onda de tensão de saída devem ser relativamente uniformes e simétricas. As formas de onda de tensão não simétricas indicam falhas ou falhas nos IGBT’s. Note as ondulações na parte plana das porções positivas e negativas das formas de onda na figura 5. Isto é uma indicação de condensadores avariados no autocarro CC. Um condensador falhado de 20 dólares pode destruir um disco inteiro.

Corrente de saída

Figura 5: Falha do Capacitor de Ônibus DC

A corrente do motor actua como um transdutor muito sensível para o sistema motor. Qualquer falha existente ou em desenvolvimento no motor, na máquina accionada, ou no próprio processo fará com que a corrente dos motores se module. Estas modulações na corrente de saída fornecem indicações sobre o estado eléctrico ou mecânico ou quaisquer anomalias no próprio processo. Um FFT sobre as formas de onda de tensão e corrente digitalizadas identifica rapidamente falhas no motor, tais como barras de rotor rachadas ou partidas, excentricidade estática ou dinâmica. A indicação precoce do desenvolvimento de falhas nos rolamentos dos elementos rolantes, o equilíbrio e a condição de alinhamento dos componentes rotativos do motor ou da máquina accionada também podem ser rapidamente identificados utilizando a mesma frequência de falhas há muito reconhecida na análise de vibração.

Análise automática

O software da ESA combina toda a informação recolhida no processo de aquisição de dados de 50 segundos e compara-a com normas, directrizes e algoritmos pré-determinados para criar os gráficos, tabelas e mostradores necessários para avaliar rapidamente o estado de todo o sistema motor desde a energia de entrada até ao processo. Após a conclusão da avaliação, a ESA cria um relatório detalhado completo que não só destaca problemas de desenvolvimento na parte eléctrica, desenvolvendo falhas na máquina accionada ou outro equipamento ligado ao motor, mas também anomalias no processo que poderiam causar o disparo da VFD. O relatório de 8 páginas também detalha medições que estão dentro de directrizes pré-determinadas, eliminando assim a maior parte do trabalho de adivinhação normalmente associado à resolução de problemas da VFD.

Figura 6: Tabela PQ na saída do VFD

Figura 7: Ecrã de resultados

Resumo

Ao incorporar a MCA e a ESA em processos padrão de resolução de problemas VFD, o analista tem a informação mais detalhada disponível para determinar rapidamente se o problema é causado pela VFD ou experimentado pela VFD. O teste MCA de 3 minutos não só identifica motores defeituosos como pode eliminar o motor como a causa da falha e garantir que se um novo motor a ser instalado estiver livre de falhas. A ESA confirma que a energia para dentro e para fora da VFD está livre de falhas num teste simples que demora menos de 1 minuto.