Proteja os motores eficientes de hoje contra danos de PWM

May 16, 2023

O Departamento de Energia dos EUA (DOE) está implementando limites mínimos de eficiência em sistemas de bombeamento e seus componentes. Enquanto isso, os usuários finais estão exigindo sistemas com eficiências cada vez maiores. Uma forma de os fabricantes de bombas satisfazerem as necessidades de ambos os grupos é introduzindo soluções que possibilitam que os sistemas de bombeamento mudem de velocidade para manter a eficiência máxima quando a demanda de saída muda.

Em sistemas de bombeamento acionados por motores elétricos, esse aumento de eficiência é normalmente obtido pela adição de um inversor de frequência (VFD) ao motor. Um VFD é um inversor de velocidade ajustável que controla a velocidade e o torque do motor de corrente alternada (CA), variando a frequência e a tensão de entrada do motor. Muitos na indústria de bombas estão familiarizados com o funcionamento dos VFDs e seus benefícios de eficiência. O que não é tão comumente entendido é como proteger os motores dos efeitos potencialmente nocivos que um VFD pode produzir e como reduzir esses efeitos em um sistema de bombeamento.

Muitos fabricantes de motores oferecem motores projetados para funcionar em um VFD ou inversor. Esses motores foram especialmente projetados para serem operados quando alimentados por uma forma de onda de potência modulada por largura de pulso (PWM) do VFD. PWM é uma técnica de modulação usada principalmente para controlar o fornecimento da forma de onda de tensão e corrente para um motor. Muitas vezes é preferido porque é um método altamente eficiente de controle de velocidade do motor.

Uma forma de onda PWM pode, no entanto, criar problemas em um motor. Por exemplo, pode fazer com que um enrolamento do motor experimente picos de tensão que estão bem acima da tensão nominal dos limites de enrolamento do motor e do motor padrão. Os motores que serão usados ​​com um VFD, portanto, devem ter materiais e processos de isolamento aprimorados - em comparação com um sistema de isolamento padrão - para proteger contra picos de tensão bem acima de sua tensão nominal.

De acordo com a National Electrical Manufacturer's Association (NEMA) MG1 Parte 31, os motores com tensão nominal de 600 volts ou menos usados ​​em VFDs devem ter enrolamentos que protejam, no mínimo, contra picos de tensão de 3,1 vezes a tensão nominal. Para motores com tensão nominal superior a 600 volts, o mínimo é 2,04 vezes a tensão nominal do motor.

As formas de onda PWM também podem afetar os rolamentos de um motor elétrico. Quando acionado por energia de onda senoidal padrão, as três fases que alimentam o motor têm uma carga balanceada. Em outras palavras, quando uma fase está em +460V, a segunda está em -460V e a terceira fase está em zero. A forma de onda PWM, no entanto, não é uma onda senoidal verdadeira. A tensão de corrente contínua (CC) pulsante cria uma onda senoidal de imitação, que causa um problema com o equilíbrio de carga dentro do motor. Uma carga diferencial se acumula entre o rotor e o estator que precisa ser balanceada. Essa carga é causada pela tensão de modo comum (CMV).

Como qualquer pessoa que já tocou na maçaneta de uma porta no inverno sabe, a eletricidade corrige esse desequilíbrio encontrando o caminho de menor resistência até o solo. O choque que você leva ao tocar em uma maçaneta no inverno é uma versão em menor escala do que acontece no mancal de um motor que não está instalado e protegido corretamente. Se os rolamentos não estiverem isolados do eixo e o sistema estiver aterrado incorretamente, os rolamentos fornecem o caminho de menor resistência que um motor busca para equilibrar a carga. Quando esse equilíbrio ocorre dentro de um rolamento, é chamado de usinagem por eletrodescarga (EDM).

Quando ocorre EDM, pedaços de material do rolamento podem se deslocar enquanto o motor está funcionando, o que pode danificar gravemente o rolamento ou, pelo menos, causar ruído, calor e falha prematura ao longo do tempo. Uma maneira de evitar o CMV é fornecer ao motor um caminho de baixa resistência para equilibrar a carga entre o rotor e o estator. Isso geralmente é obtido adicionando um dispositivo de aterramento do eixo ao motor e aterrando o motor. Em motores maiores, proteção adicional pode ser obtida isolando o rolamento oposto ao anel de aterramento do eixo para eliminar correntes circulantes.

Embora úteis, esses recursos de proteção do motor não chegam à raiz do que faz com que os motores sejam submetidos aos efeitos prejudiciais causados ​​pelas formas de onda PWM.