MOTORES DE INDUÇÃO

ALIMENTADOS POR CONVERSORES

DE FREQÜÊNCIA PWM

Prof. Sebastião Lauro Nau. Dr. Eng.

Set17

1 - Introdução

2 - Aspectos Normativos

3 - Variação da velocidade dos motores de indução por meio dos conversores estáticos de frequência

4 - Princípio de funcionamento e características dos conversores estáticos de frequência

5 - Comportamento dos motores de indução alimentados por conversores de frequência

5.1 - Sistema de isolamento

5.2 - Elevação de temperatura

5.3 - Corrente pelos mancais

5.4 - Ruído

5.5 - Vibração

5.6 - Rendimento

5.7 - Torque

SUMÁRIO

1 - INTRODUÇÃO

- Crescimento dos acionamentos eletrônicos com velocidade variável

(eletrodomésticos, transportes, sistemas de potência)

- Conservação de energia / exigências de maior compreensão destas

aplicações

Até 1960:

-- Máquinas CC ou variadores mecânicos ou hidráulicos

-- Tiristor (1958): Nova era para os acionamentos com motores CC

- Limitações das máquinas CC

- Desenvolvimento da consciência ecológica

- Avanço tecnológico da eletrônica de potência

- Incorporação do motor CA em acionamentos eletrônicos de velocidade

variável

1 - INTRODUÇÃO (continuação)

- A partir da década de 80: aperfeiçoamento de novos semicondutores de

potência (incorporação dos controles de condução e bloqueio).

1a Geração (1958-1975): Tiristor (SCR)

2a Geração (1975-1985): Transistor de potência (BJT), MOSFET de

potência, GTO (Gate Turn-Off Thyristor)

3a Geração (a partir de 1985): IGBT (Insulated Gate Bipolar

Transistor), SIT (Static Induction Transistor), SITH (Static Induction

Thyristor), MCT (Mos Controlled Thyristor)

- O tipo de conversor depende do tipo de motor CA que será acionado.

- Serão focados aqui motores de indução alimentados por conversores de

frequência PWM e a influência dos conversores sobre as

características de desempenho do motor.

Influência dos conversores sobre as características do motor:

Stress do sistema de isolamento;

Elevação de temperatura (Curvas de Derating);

Correntes pelos mancais (Tensão no eixo);

Ruído / Vibração;

Rendimento;

1 - INTRODUÇÃO (continuação)

2 - ASPECTOS NORMATIVOS

- NEMA MG1 - Motors and generators (2003) / “Estados Unidos”

Parte 30 - Application considerations for constant speed motors used on a sinusoidal

bus with harmonic content and general purpose motors used with adjustable-

frequency controls or both

Parte 31 - Definite-purpose inverter-fed polyphase motor

- NEMA - Application Guide for AC Adjustable Speed Drive Systems (2001)

- IEC 60034 - Rotating Electrical Machines / “Internacional”

Parte 17 - Cage induction motors when fed from converters – application guide (2002)

Parte 25 - Guide for the design and performance of cage induction motors specifically

designed for converter supply (2004)

- CSA C22.2 No.100-2004 Item 12 / “Canadá”

Motors and Generators – Industrial Products

- JEM TR 148-1986 / “Japão”

Application guide for inverter drive (general-purpose inverter)

Outros documentos técnicos de referência

- GAMBICA/REMA Technical Guides for Variable Speed Drives and Motors

- GAMBICA/REMA Technical Reports for Variable Speed Drives and

Motors

- IEC 60034-18-41 (42) – Qualification and design tests for Type I

(II) electrical insulation systems used in rotating electrical machines

fed from voltage converters

- Artigos técnicos e livros relacionados com o assunto

● Guia Técnico “Motores de indução de gaiola alimentado por

conversores de frequência PWM” da WEG

3 - Variação de velocidade dos motores de indução de gaiola por meio dos conversores

VELOCIDADE

TORQUE

p

sfn

)1.(.120 1

FLUXO

I . k = T 2m.1

f

V k

1

1

m .2

TENSÃO

TORQUE

POTÊNCIA

Requisitos Básicos:

- Ajuste da freqüência velocidade desejada

- Ajuste da tensão fluxo constante torque constante

- Suprir Inom para toda faixa de velocidade

4 - Princípio de funcionamento e características dos conversores estáticos de frequência

Harmônicas produzidas pelos conversores

Retificador 6 pulsos (6 diodos) h = 6n1 5a, 7a, 11a, 13a, ...

Retificador 12 pulsos (12 diodos) h = 12n1 11a, 13a, 23a, 25a...

T

T

1) Ref A: 10 A 5 ms

T

T

1) Ref A: 200 Volt 5 ms

Corrente Tensão

Harmônicas na entrada do conversor

– Afetam a rede

Distorção Harmônica Total (THD - Total Harmonic Distortion)

2

2 1

)(

h

h

A

ATHD

Limites de THD (IEEE Std.519 - 1992 - USA)

OBS.: As correntes harmônicas pares estão limitadas em 25% das ímpares

Harmônicas na saída do conversor

- Afetam o desempenho do motor

- Aumento das perdas (temperatura) Diminuição do rendimento

- Aumento dos níveis de ruído e vibração

T

T

1) Ref A: 5 A 5 ms

T

T

1) Ref A: 200 Volt 2 ms

Fig.15 - Corrente Fig.14 - Tensão

Fator Harmônico de Tensão (HVF - Harmonic Voltage Factor)

NEMA MG1-Part 30

5

2

h

h

h

VHVF

0.50

0.55

0.60

0.65

0.70

0.75

0.80

0.85

0.90

0.95

1.00

0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12

Fator Harmônico de Tensão (HVF)

Fato

r de r

edução d

o torq

ue

Fator de redução de torque em função do HVF

Fator de potência (fp) e fator deslocamento (cos)

S

P

AparentePot

AtivaPotFP

.

.Fator de potência

cos hefhef IVPPotência Ativa

hefhef IVS Potência Aparente

coscos

hefhef

hefhef

IV

IVFP

FP = Cos

Para uma alimentação

puramente senoidal

Fator de deslocamento: defasagem entre tensão e corrente de harmônicas de mesma ordem

cos11 efef IVP

Assim,

2

2

)(

2

11

2

)(11

h

efhefef

h

efhefef IIVIIVS

)()()(2

)(1 tItItIh

h

Corrente na entrada do conversor:

2

2

)(

2

1

2

h

efhefef III

Portanto,

2

2

)(

2

1

1 cos

h

efhef

ef

II

I

S

PFP

Dividindo numerador

e denominador por I1ef

2

1

2

2

)(

1

cos

ef

h

efh

I

I

FP

2

1

2

2

)(

ef

h

efh

iI

I

THD

Como a THDi é dada por:

Então:

cos1

1

2

iTHDFP

Generalizando:

cos)1()1(

1

22

vi THDTHDFP

Possíveis soluções para eliminação das harmônicas

- Instalação de filtros: filtro passivo e/ou filtro ativo

Filtros passivos

- Inversores com maior n° de pulsos

- Técnicas de comando PWM

PWM - Ângulos de comando dos transistores

5 - Comportamento dos motores de indução de gaiola alimentados por conversores de freqüência PWM

5.1 - Influência do conversor no sistema de isolamento do motor

- “Rise time ” do pulso de tensão;

- Comprimento do cabo;

- Mínimo tempo entre pulsos;

- Freqüência de chaveamento;

- Múltiplos motores.

Influência do “RISE TIME ”

Influência do COMPRIMENTO DO CABO

Conforme guia de aplicação da NEMA:

• 3m de cabo início dos overshoots (sobretensões)

• 15m de cabo pode atingir 2 x Vfonte

• Acima de 120m picos superiores a 2xVfonte e maior duração

Inversor CFW-04 + Motor Standard 10cv-380V- IVp

Fig.20 - Terminais do Conversor Fig. 21 - Cabo 1,5 m

Fig.22 - Cabo 15 m

Fig.24 - Cabo 54 m

Fig.23 - Cabo 34 m

Outro exemplo: “Avaliação dos picos de tensão nos terminais do motor com cabo longo”

- Motor 9 kW – 2115 rpm – 400 V – 72 Hz

- Tensão de alimentação do conversor 400 V

- Controle escalar

- Frequência de chaveamento 4 kHz

- Cabos de 20, 30 e 100 metros de comprimento

Influência do MÍNIMO TEMPO ENTRE PULSOS

- O overshoot torna-se pior quando o tempo entre pulsos é mínimo.

- Conforme o guia de aplicação da NEMA: tempo entre pulsos menor

que 6s acréscimo no overshoot.

T

T

1) Ref A: 500 Volt 10 us

1650V

1,60s

Pulso de tensão nos terminais do motor

Influência da FREQUÊNCIA DE CHAVEAMENTO

- Atualmente freqüências de chaveamento até 20 kHz;

- A dependência do tempo de vida útil do isolamento em função da freq.

de chaveamento não é uma relação simples;

- Experiências realizadas em pares de fios torcidos (twisted pairs)

mostram que:

Para fchav 5 kHz

A probabilidade de falha do isolamento (fio) é diretamente

proporcional à freqüência de chaveamento.

Para fchav > 5 kHz

A probabilidade de falha do isolamento (fio) é diretamente

proporcional ao quadrado da freqüência de chaveamento.

Influência de aplicações com múltiplos motores

- Mais de um motor conectado a um único conversor pode

ocorrer overshoot;

- Reflexão entre motores;

- A situação é pior quanto maior o comprimento do cabo entre

inversor e ponto comum.

M1

M2

M3

Inversor

!!! O comprimento “L” deve ser o menor possível !!!

L

5.1.1 - Critérios, quanto ao isolamento, para motores alimentados por conversores de freqüência

A análise de resultados de ensaios laboratoriais e de experiências de campo, permitem definir os seguintes critérios para a proteção do sistema isolante dos motores de indução trifásicos de baixa tensão:

- A máxima freq. de chaveamento recomendada é de 5 kHz. - A umidade é um agente agressivo, que deve ser evitado para garantir o tempo de vida especificado do motor.

(*) Informações fornecidas pelos fabricantes de inversores.

Se alguma das condições acima não for satisfeita, devem ser utilizados filtros!

Tensão do motor

- Nominal -

Tensão de pico no

motor

- Máxima -

dV/dt na saída do

inversor

- Máximo -

Rise Time do

inversor*

- Mínimo -

Tempo entre

pulsos*

- Mínimo -

VNOM 460V 1430V 5200 V/s

460V VNOM 575V 1780V 6500 V/s

575V VNOM 690V 2140V 7800 V/s

0,1 s 6 s

Critérios de isolamento NEMA MG1 - Partes 30 e 31

Critérios de isolamento IEC 60034-17 e -25

5.2 - Influência do conversor na elevação de temperatura do motor (T)

O T sofre a influência de 2 fatores principais:

- Harmônicas de saída do conversor (entrada do motor)

- Variação de rotação.

A influência conjunta de ambos fatores deve ser considerada para

evitar o sobreaquecimento do motor!

Para manter o mesmo T do motor:

- Redução do torque (derating) Sobredimensionamento do motor

- Ventilação independente

- Utilização da “solução fluxo ótimo” (motor WEG + conversor WEG)

CONDIÇÃO DE FLUXO CONSTANTE (V/f constante)

0.50

0.55

0.60

0.65

0.70

0.75

0.80

0.85

0.90

0.95

1.00

1.05

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6

[f/fn] - Freqüência (p.u.)

[T

R] -

To

rq

ue

Ap

licá

ve

l (p

.u.)

para manter o ΔT da classe F (105°C)

para manter o ΔT da classe B (80°C)

A

B

C

D

E

F

G

H

I

J

fluxo constante

V/f constante

Exemplo de dimensionamento utilizando a curva de derating

Dimensionar: Motor Standard auto-ventilado para operar com conversor de frequência e manter T

bob da classe F)

Carga: Compressor (TR = 3,5 kgfm)

Rotação: 180rpm 1800rpm

Rede: 380V / 60Hz / Trifásica

Resolução:

(motor 4 polos) cv =

716

1800 . , = P 8,8

53

Hzrpm

Hzrpm

601800

6180

10,060

66 frHzf

Calculando o fator de redução do torque (DF)

15 cv - IV p - 60 Hz - Carcaça 132M

DF = 0,7

5.3 - Influência do conversor na corrente pelos mancais (tensão no eixo) do motor

A maior causa de correntes pelos mancais quando o motor é

alimentado por um conversor PWM é a TENSÃO MODO

COMUM (CMV - Common Mode Voltage )

Componentes básicas de corrente pelos mancais:

- Componente de condução (permanente)

- Componente de descarga capacitiva (EDM)

5.3.1 - Tensões Modo Comum

Inversão CC para CA

Tensão e correntes modo comum

5.3.2 - Circuito equivalente do motor para as correntes capacitivas (alta frequência)

Capacitâncias “parasitas”

do motor

Circuito equivalente para as

correntes capacitivas

Enrolamento Estatórico

Cer

Cec Crc

mancais

CmtCmd

Rotor

Carcaça / Terra

ICICM

ICM

Ier

Tensão modocomum

5.3.3 - Mecanismo de circulação de corrente pelos mancais

1 - Geração da Tensão Modo Comum pelo estágio inversor;

2 - Inversor alimenta o enrolamento estatórico do motor;

3 - A corrente flui através das capacitâncias parasitas do estator para o rotor;

4 - O potencial do rotor com relação à carcaça (aterrada) aumenta;

5 - O rotor atinge um potencial tal que rompe o filme de graxa do mancal.

Estriamento (fluting) causado pela corrente

5.3.4 - Resultados Práticos

Corrente capacitiva no mancal (IC)

(CFW-05 + 10cv/4p/60Hz/380V)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 20 40 60 80 100

Freq. de Operação [Hz]

Ic[m

A]

1.8 [kHz] 3.6 [kHz] 7.2 [kHz] 14.4 [kHz]

Corrente Capacitiva

Tensão medida no mancal

traseiro

5.3.5 - Métodos de como evitar ou minimizar as correntes pelos mancais

MOTOR COM UMA

PONTA DE EIXO

SEM PROTEÇÃO PARA

OS MANCAIS

COM PROTEÇÃO PARA OS MANCAIS

(uma ponta de eixo)

MOTOR COM DUAS PONTAS DE EIXO

SEM PROTEÇÃO PARA OS MANCAIS

COM PROTEÇÃO NOS MANCAIS

(duas pontas de eixo)

5.4 - Influência do conversor no ruído do motor

FONTES DE RUÍDO

- Sistema de Ventilação;

- Rolamentos;

- Origem Magnética.

Para motores alimentados com inversores de frequência o ruído magnético pode ser a maior fonte de ruído, independentemente do n° de polos.

Nível de pressão sonora médio em [dB(A)]

)10....(10N

110.log.Lp 0,1Lpn0,1Lp1

Lp = nível de pressão sonora médio

Lp1 = nível de pressão sonora médio no ponto 1

Lpn = nível de pressão sonora médio no ponto n

N = nº de pontos medidos

Ruído em função da potência dos motores e da fchav do conversor

5.4.1 - Resultados Práticos – conversor escalar

Nível de pressão sonora [dB(A)](Motor 12.5cv/4p/380V/60Hz/132M)

30

50

70

90

0 20 40 60 80 100 120Freq. de Operação [Hz]

Lp

[d

B(A

)]

1.8 kHz 3 .6 kHz 7.2 kHz

14 .4 kHz N orma

Ruído em função da fop do motor e da fchav do conversor

Conversores: CFW-06.67/380-480 (vetorial)

CFW-06.158/380-480 (vetorial)

5.4.2 - Resultados Práticos – conversor vetorial

Nível de pressão sonora [dB(A)]

(Freqüência de operação 60Hz)

60

65

70

75

80

85

90

20cv 30cv 50cv 75cv 100cv

Motores Standard

Lp

[d

B(A

)]

2.5kHz 5.0kHZ Rede Norma

Ruído em função da potência dos motores e da fchav do conversor

5.4.2 - Resultados Práticos – conversor vetorial

Nível de pressão sonora [dB(A)]

(Motor 100cv/4p/380V/60Hz/250S/M)

40

60

80

100

0 20 40 60 80 100 120

Freq. de Operação [Hz]

Lp

[d

B(A

)]

2.5kHz 5.0kHz Norma

Ruído em função da fop do motor e da fchav do conversor

5.4.3 - Critérios, quanto ao ruído, para motores alimentados por inversores de freqüência

NEMA MG1 - Parte 30: Aumento do ruído entre 5 e 15 [dB(A)]

IEC 60034 - 17 : Aumento do ruído de 1 a 15 [dB(A)]

5.5 - Influência do conversor no rendimento do motor

- O rendimento diminui, devido ao aumento nas perdas causado pelas

harmônicas;

- Normas não mostram como deve ser medido o desempenho do

conjunto (conversor + motor);

- NEMA - MG1: testes de desempenho do motor, quando solicitados,

deverão ser realizados com tensão senoidal;

- Ensaio conversor + motor acordo mútuo entre fabricante e usuário;

- Instrumentos de medição especiais.

5.5.1 - Resultados Práticos

Motor 15cv-IVp-50Hz-

400V

Rend. do Sistema

Motor 15cv-IVp-50Hz-

400V

Rend. dos componentes

5.6 - Considerações, quanto ao torque, para motores alimentados por conversores de frequência

NEMA MG1 - PARTE 31:

TORQUE DE PARTIDA

O motor deverá ser capaz de produzir um torque de partida no mínimo 140%

do Tnom e absorvendo no máximo 150% da corrente nominal.

TORQUE MÁXIMO

O torque máximo do motor em qualquer frequência dentro da faixa de

operação definida para a aplicação não poderá ser menor que 150%

do torque nominal (relativo àquela frequência), quando tensão

nominal para aquela frequência é aplicada.