Accionamentos de frequência variável (VFDs) foram amplamente adoptados para o controlo da velocidade do motor devido à sua capacidade de oferecer uma regulação flexível da velocidade, uma maior eficiência energética e uma boa relação custo-eficácia. Embora existam motores especialmente concebidos para funcionamento a frequência variável, a simplicidade e o baixo custo dos motores assíncronos normais tornam-nos uma opção atractiva para muitas aplicações industriais.
No entanto, a utilização de um VFD para controlar a velocidade de um motor de indução normal apresenta vários desafios. Este artigo explora os principais efeitos do controlo de velocidade baseado em VFD em motores assíncronos normais e fornece informações sobre eficiência, mecanismos de perda e considerações de conceção.
Porquê utilizar motores de indução padrão com VFDs?
Um dos principais atractivos dos VFDs é a sua compatibilidade com motores assíncronos convencionais. Estes motores apresentam estruturas simples, custos de fabrico mais baixos e uma durabilidade robusta, o que os torna ideais para a maioria das aplicações de velocidade variável de uso geral.
Se os VFDs só pudessem ser utilizados com motores especialmente concebidos, as vantagens inerentes à tecnologia VFD - simplicidade, robustez e eficiência de custos - seriam reduzidas.
Saída não sinusoidal e seus efeitos no desempenho motor
Quando um VFD regula a velocidade do motor, a forma de onda da tensão de saída não é uma onda sinusoidal perfeita. Em vez disso, assemelha-se tipicamente a um sinal escalonado ou modulado por largura de impulso (PWM), introduzindo componentes harmónicos que afectam o desempenho do motor das seguintes formas:
1. Aumento das perdas de cobre
Perdas de cobre no estator:
As correntes harmónicas induzidas nos enrolamentos do estator aumentam as perdas no cobre (perdas I²R). Isto é especialmente notório quando as harmónicas causam correntes de Foucault e saturação magnética, resultando em requisitos de corrente de excitação mais elevados e, assim, num aumento da corrente total consumida pelo motor.
Perdas de cobre no rotor:
As barras do rotor, especialmente em rotores de gaiola de esquilo com ranhuras profundas, sofrem perdas significativamente maiores devido ao efeito de pele em frequências harmónicas. Por exemplo, com uma frequência fundamental de 50 Hz, a quinta e a sétima harmónicas geram correntes no rotor a 300 Hz e 600 Hz, respetivamente. A frequências tão elevadas, a resistência CA do rotor aumenta drasticamente - por vezes até 3,7 vezes a resistência CC - causando mais perdas de energia e geração de calor.
2. Aumento das perdas de ferro
A presença de harmónicas também leva a perdas elevadas de ferro (perdas no núcleo) no motor, uma vez que os campos magnéticos variáveis no tempo geram correntes de Foucault adicionais e perdas por histerese. Enquanto o fluxo magnético primário permanece baseado na forma de onda fundamental, os fluxos harmónicos contribuem para o aumento do aquecimento e para a redução da eficiência do motor.
Mesmo com uma forma de onda típica de 6 passos de um VFD, o pico do fluxo magnético na caixa de ar do motor pode ser 10% mais elevado do que com uma onda sinusoidal pura, embora o aumento real da perda de ferro seja relativamente modesto.
3. Perdas adicionais por dispersão
Fugas no enrolamento final e correntes parasitas:
Os harmónicos de alta frequência também aumentam as perdas devido a correntes de Foucault adicionais nos enrolamentos finais do estator e nas tampas das extremidades do motor. Estas perdas são mais pronunciadas em motores com designs de ranhura fechada ou de ranhura enviesada.
Fluxo de fuga de ranhura enviesada:
À medida que o ângulo de fase entre os campos magnéticos do estator e do rotor se desloca sob influência harmónica, o fluxo de fuga das ranhuras enviesadas leva a um aquecimento localizado, especialmente perto das extremidades dos enrolamentos e dos dentes do núcleo do motor.
Conclusão: Deve-se usar um motor padrão com um VFD?
Embora seja possível utilizar um motor assíncrono normal com um VFD, é crucial compreender os desafios térmicos e de eficiência acrescidos colocados pelo conteúdo harmónico. Quando o controlo preciso da velocidade, a elevada fiabilidade e a eficiência energética são prioridades, pode valer a pena considerar motores com VFD ou tomar medidas como adicionar filtros, reduzir a potência do motor ou atualizar o isolamento para melhorar a longevidade e o desempenho.
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