Proteção de rolamentos de motores elétricos acionados por variadores de frequência

Maquinagem por Eletroerosão EDM
Devido à alta frequência de chaveamento nos inversores de modulação
de largura de pulso (PWM), os variadores de frequência induzem tensões
no veio acopladas capacitivamente nos motores elétricos que controlam.
A alta velocidade de chaveamento dos transistores bipolares de potência
(IGBT) usados nesses variadores produzem tensões de modo comum no
veio do motor durante a operação normal através da capacitância
parasita entre o estator e o rotor. Essas tensões, que podem registar
picos de 10 a 40 V, são facilmente medidas encostando uma sonda
AEGIS® Shaft Voltage Probe™ no veio do motor enquanto ele está em
funcionamento. O AEGIS-OSC-9100 Shaft Voltage Tester™, um
osciloscópio digital de 100 MHz, permite que as tensões sejam
visualizadas e registadas para análise.
Referência: NEMA MG1 Seção 31.4.4.3
Assim que essas tensões atingem um nível suficiente para sobrepor as propriedades dielétricas da massa do rolamento, formam um arco pelos rolamentos do motor, que vai sendo descarregado ao longo do percurso da menor resistência para a carcaça do motor. Durante praticamente cada ciclo de chaveamento do VFD, a tensão do veio induzida é descarregada
do veio do motor até a estrutura por meio dos rolamentos, deixando uma pequena cratera de fusão (desgaste) na pista do rolamento. Quando
isso acontece, as temperaturas ficam quentes o suficiente para derreter o aço 52100 desgaseificado por vácuo do rolamento e danificam ou queimam severamente a lubrificação do rolamento
Essas descargas são tão frequentes (potencialmente milhões por hora)
que muito antes toda a superfície da pista do rolamento fica danificada
com incontáveis escareações conhecidas como cristalização. Também
pode ocorrer um fenómeno conhecido como estriamento, produzindo
sulcos semelhantes aos da tábua de lavar ao longo da pista de rolamento
cristalizada. O estriamento causa ruído e vibração audível e é uma
indicação de um modo de falha catastrófico. Independentemente do
tipo de elemento de rolamento ou dano que ocorra na pista, a falha
resultante no motor geralmente custa milhares de euros em tempo de
inatividade e custos de substituição ou reparo relacionados com a falha
no equipamento.
As taxas de falha variam amplamente dependendo de vários fatores,
mas evidências sugerem que uma parte significativa das falhas ocorra
apenas 3 a 12 meses após a inicialização do sistema. Todos os motores
CA e CC operados pelos variadores ou inversores eletrónicos possuem o
potencial de desenvolver essa falha em seus rolamentos,
independentemente do tamanho da estrutura do motor ou da potência.
Três Fontes de Corrente de Rolamento:
Existem três fontes de correntes de rolamento discutidas neste manual, duas das quais, a corrente EDM
capacitiva e a corrente circulante de alta frequência, são originadas por VFD. O terceiro tipo, que rotulamos
como corrente circulante 50Hz, ocorre principalmente em grandes motores de CA que são operados por
tensões de rede a 50 Hz.
1. Corrente EDM Capacitiva (do VFD): Tensão capacitiva induzida proveniente da forma
de onda do chaveamento da largura de pulso produzida pelo variador de frequência
(VFD). Essa tensão é acoplada ao veio do motor por meio da capacitância parasita e
pode ser descarregada nos rolamentos do motor ou nos rolamentos do equipamento
conectado causando maquinagem por eletroerosão (EDM).
2. Corrente circulante de alta frequência (do VFD): As correntes circulantes de alta
frequência podem fluir devido a um fluxo de alta frequência produzido por correntes
de modo comum. As correntes circulantes indutivas de alta frequência dos VFDs
estão na faixa de kHz ou MHz e podem estar presentes em motores acima de 75 kW.
Geralmente, quanto maior o motor, maiores são os efeitos das correntes circulantes
de alta frequência.
3. Corrente circulante de 50/60 Hz (da tensão da rede): As fontes de tensão de
ondas sinusoidais de 50 Hz em grandes máquinas podem causar correntes circulantes
de frequência extremamente baixa devido ao projeto assimétrico do motor e das
assimetrias magnéticas.