Medição de tensão em veios

A medição de tensão em veios em motores elétricos, acionados por variadores de frequência, deve ser realizada o mais cedo possível no ciclo de operação de um sistema variador de frequência/motor e sempre que um novo motor é instalado, após de uma reparação do motor ou substituição do rolamento e após o comissionamento de novas instalações ou instalação de novos equipamentos de produção.

A DMC presta o serviço de medição de tensão em veios.

A norma NEMA MG1 Parte 31.4.4.3, identifica o nível das tensões capacitivas que podem causar descargas elétricas nos rolamentos de um motor, como sendo as que excedam um pico de 10 a 40 V (ou 20 a 80 V pico-a-pico). A medição de tenção em veios é a melhor forma de confirmar a necessidade de isolamento adicional, como seja os anéis de aterramento de veio AEGIS®, em motores elétricos acionados por variadores de frequência, para prevenir danos nos rolamentos por eletro-erosão e assegurar o melhor tempo de atividade e fiabilidade. O osciloscópio digital AEGIS® Shaft Voltage Tester™ foi especialmente concebido para a medição de tenção em veios.

Eletro-erosão em rolamentos

Devido às altas frequências geradas nos inversores de modulação de largura de pulso, os variadores de frequência induzem tensões no veio acopladas capacitivamente nos motores elétricos que controlam. As altas velocidades de chaveamento dos transístores bipolares de potência usados nesses variadores, produzem tensões de modo comum no veio do motor, durante a normal operação, através da capacitância parasita entre o estator e o rotor.

Assim que essas tensões atingem um nível suficientemente elevado, podem-se sobrepor às propriedades dielétricas da massa do rolamento e formam um arco elétrico, que vai sendo descarregado ao longo do percurso da menor resistência, para a carcaça do motor. Durante praticamente cada ciclo de chaveamento do variador de frequência, a tensão induzida no veio é descarregada do veio do motor até à estrutura externa através dos rolamentos, deixando uma pequena cratera de fusão (desgaste) na pista do rolamento. Quando isso acontece, as temperaturas são suficientes para derreter o aço do rolamento e danificar ou queimar severamente o lubrificante.

Danos causados por eletroerosão

Essas descargas, são tão frequentes (potencialmente milhões por hora) que se danifica toda a superfície da pista do rolamento, com incontáveis escareações conhecidas como cristalização. Também pode ocorrer um fenómeno conhecido como estriamento, produzindo estrias ao longo da pista de rolamento cristalizada. O estriamento causa ruído e vibração audível e é uma indicação de um modo de falha catastrófico.Estes efeitos são facilmente identificados por análise de vibrações.

As taxas de falha variam amplamente dependendo de vários fatores, mas existem evidências que sugerem que uma parte significativa das falhas, ocorra apenas 3 a 12 meses após o arranque do sistema. Todos os motores de corrente alterna e corrente contínua operados pelos variadores ou inversores eletrónicos, possuem o potencial de desenvolver esta falha nos seus rolamentos, independentemente do tamanho da estrutura do motor ou da sua potência.

Estas tensões, que podem registar picos de 10 a 40 V, e são facilmente medidas encostando uma sonda AEGIS® Shaft Voltage Probe™ no veio do motor enquanto ele está a funcionar.

O AEGIS-OSC-9100 Shaft Voltage Tester™, um osciloscópio digital de 100 MHz, permite que a medição de tenção em veios seja efetuada com facilidade e registadas para análise.

Danos em rolamentos por eletro erosão

O dano por eletro-erosão, consiste em milhões de escareações elétricas microscópicas, que são criadas quando a corrente é descarregada através dos rolamentos do motor. A tensão elétrica supera o dielétrico da lubrificação do rolamento e instantaneamente forma um arco através da pista interna, passando pelos elementos rolantes e até a pista externa. As escareações individuais geralmente apresentam entre 5 e 10 mícrons de diâmetro.

Cristalização:

Aparece como uma banda cinzenta descolorida ao redor de toda ou parte da pista do rolamento e pode ser evidente tanto na pista interna quando na externa. A descoloração pode ser causada por desgaste mecânico ou por eletro-erosão. Pode ser necessário um exame num microscópio, para determinar se a banda é gerada por eletro-erosão ou de natureza mecânica. Se o motor foi operado por um variador de frequência, sem proteção de rolamento, existe uma alta probabilidade de que a cristalização seja por eletro-erosão.

Dano por estriamento:

Identificado por um padrão característico de estrias. As estrias podem ser identificadas a olho nu ou com ampliação de 10x. Às vezes as estrias são confundidas com danos mecânicos no rolamento, tais como endurecimento/fissuras falsas, de modo que se deve tomar cuidado ao atribuir corretamente o dano por estria elétrica ao padrão observado. Os sintomas deste dano são facilmente identificados com um analisador de vibrações.

Exemplo 1 de medição de tensão em veios – Tensão de modo comum alta, pico a pico

Tipicamente, 20 a 120 V pico a pico (pico de 10 a 60 V). A imagem da forma de onda da medição de tensão em veios, mostra a tensão de modo comum, acoplada capacitivamente ao veio do motor. A forma de onda de “seis degraus” é o resultado das 3 fases dos pulsos do variador de frequência. A sincronização dos pulsos da modulação de largura de pulso para o motor a partir do acionamento determina a aparência da forma de onda. Às vezes a forma de onda será semelhante a uma onda quadrada.

Esta onda quadrada ou de seis degraus, é o que é visto quando não há descarga do rolamento e a tensão pico a pico no veio está no seu nível máximo. O nível de tensão pode eventualmente superar o dielétrico nos rolamentos não isolados e começar a descarregar.

Exemplo 2 de medição de tensão em veios – Padrão de descarga de eletro-erosão de alta amplitude

Geralmente, as descargas eletro-erosão podem ocorrer de 20 a 80 V pico a pico (pico de 10 a 40 V), dependendo do motor, do tipo de rolamento, da idade do rolamento e de outros fatores. A imagem da forma de onda da medição de tensão em veios, mostra um aumento na tensão no veio e de seguida, uma linha vertical acentuada, que indica uma descarga de tensão. Isso pode ocorrer milhares de vezes num segundo, com base na frequência portadora do acionamento. A descarga vertical acentuada na borda de saída da tensão é uma frequência ultra alta dv/dt com uma “frequência de descarga” típica de 1 a 125 MHz (com base nos resultados de teste em várias aplicações).

Exemplo 3 de medição de tensão em veios – Padrão de descarga de tensão de baixa amplitude

Tipicamente, as tensões são de 4 a 15 V pico a pico (pico de 2 a 8 V). A imagem da forma de onda mostra um padrão de descarga mais contínuo com frequências dv/dt menores. A tensão mais baixa pode ser devido ao fluxo de corrente maior nos rolamentos que é o resultado da lubrificação de rolamento, que se torna condutor ou poderia ser uma função do acionamento do motor, velocidade, carregamento ou outros fatores. Conforme as descargas ocorrem nos rolamentos, o lubrificante é contaminado com partículas de carbono e metal. A menor impedância para as tensões no veio, resulta em tensões pico a pico menores. Essa condição geralmente é encontrada em motores que estiveram em operação por muitos meses ou anos.

Exemplo 4 de medição de tensão em veios – Tensão pico a pico com o anel AEGIS® instalado

Com o anel AEGIS® instalado, um veio de aço geralmente mostrará tensões do veio de 2 a 10 V pico a pico (pico de 1 a 5 V), dependendo da potência do motor, ruído da terra, condutividade do veio e outros fatores. As leituras da medição de tenção em veios podem ser reduzidas ainda mais com a aplicação do revestimento de veio de prata coloidal AEGIS® , que permite maior condutividade da superfície do veio e uma transferência de eletrões mais eficiente, para as pontas da microfibra condutora.

A imagem da forma de onda mostra a forma de onda pico a pico baixa, com o anel AEGIS® SGR instalado e descarregando as tensões do veio de forma normal.

Operação de Motores Elétricos com variadores de Frequência

Os motores de corrente alterna, operados por variadores de frequência usam a modulação de largura de pulso para controlar a velocidade do motor. Isso significa que existem tensões de modo comum, que são induzidas capacitivamente no veio do motor e se podem descarregar nos rolamentos do motor causando danos de corrosão superficial, cristalização e estriamento por eletro-erosão, o que resulta em avarias. Além disso, os motores acima de 75 kW e motores de média tensão, também podem ter correntes circulantes de alta frequência, que igualmente podem causar danos de erosão superficial, cristalização e estriamento por eletro-erosão. Os motores de corrente contínua, também podem ter tensão de veio induzida capacitivamente, que pode ser descarregada nos rolamentos do motor e, além disso, motores acima de 7,5 kW, também podem ter correntes circulantes.

Tensões no veio induzidas por variadores de frequência e correntes nos rolamentos –

Três fontes de corrente nos rolamentos:

Existem três fontes de correntes nos rolamentos, aqui referidas, duas das quais, a corrente eletro-erosão capacitiva e a corrente circulante de alta frequência, são originadas por variadores de frequência. O terceiro tipo, que se designa por corrente circulante 50/60Hz, ocorre principalmente em grandes motores de corrente alterna que são operados por tensões de rede a 50/60 Hz.

Corrente de eletro-erosão capacitiva (do variador de frequência):

Tensão capacitiva induzida proveniente da forma de onda do chaveamento da largura de pulso produzida pelo variador de frequência. Esta 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 acionado, causando maquinagem por eletro-erosão.

Corrente circulante de alta frequência (do variador de frequência):

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 variadores de frequências, 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.

Corrente circulante de 50/60 Hz (da tensão da rede):

As fontes de tensão de ondas sinusoidais de 50/60 Hz, em máquinas grandes, podem causar correntes circulantes de frequência extremamente baixa, devido ao projeto assimétrico do motor e das assimetrias magnéticas.

Proteção de rolamento para motores novos e recondicionados

É essencial que os motores operados por variadores de frequência ou de corrente continua, sejam projetados para protegerem o rolamento, de ambos os tipos de fontes de corrente. A instalação de anéis de proteção de rolamento AEGIS®, fornece um percurso de ligação à terra comprovado e fiável, para descarregar as tensões induzidas capacitivamente de forma segura, para longe dos rolamentos do motor, até à terra. Os motores com correntes circulantes, também devem ter isolamento de carcaça ou de veio, ou um rolamento isolado, instalado na extremidade oposta do anel de proteção de rolamento AEGIS®, para interromper o percurso de corrente circulante de alta frequência. Esta abordagem, é a melhor prática recomendada para motores acionados por variadores de frequência de forma a proteger o componente mecânico mais crítico do motor – os rolamentos do motor.

Ligação à terra de motores acionados por variadores de frequência

Uma adequada ligação à terra, das altas frequências de motores acionados por variadores de frequências, é vital para evitar descontinuidades no nível de terra entre os componentes do sistema. É especialmente crítico, em aplicações que envolvam um motor e equipamento acoplado, que não são montados numa placa base comum. Nesses casos, é necessário uma efetiva ligação à terra da alta frequência, de todos os componentes do sistema, para equalizar o potencial elétrico entre as estruturas do equipamento e para evitar laços de terra entre o motor e o equipamento acoplado. As tiras de ligação à terra da das altas frequências (como as HFGS AEGIS®), amplamente reconhecidas como o percurso mais eficiente para ligação à terra, para correntes de alta frequência, são recomendadas pelos principais fabricantes de acionadores e de motores.

Aqui pode descarregar um manual sobre proteção de rolamentos