Quais produtos de suporte são necessários para maximizar o impacto do uso de VFDs e VSDs? - Parte 1

A Parte 1 desta série de artigos analisa o que deve ser considerado ao selecionar cabos de conexão do motor, reatores de saída, resistores de frenagem, reatores de linha e filtros de linha. A Parte 2 continua examinando as diferenças entre VSDs/VFDs e acionamentos servo, analisando os usos de servomotores rotativos e lineares CA e CC, considerando onde as unidades de partida/parada suave se encaixam nas operações industriais e analisando como os conversores CC são usados para alimentar periféricos como sensores, interfaces homem-máquina (IHMs) e dispositivos de segurança.

O uso de inversores de velocidade variável e inversores de frequência variável (VSDs/VFDs) é necessário para maximizar a eficiência e a sustentabilidade das operações industriais, mas não é suficiente. Para obter o máximo benefício dos VSDs/VFDs, são necessários componentes adicionais, como cabos de alto desempenho, resistores de frenagem, filtros de linha, reatores de linha, reatores de saída e outros.

O cabeamento é onipresente e essencial. Um cabo mal especificado que conecte o VSD/VFD ao motor pode prejudicar significativamente o desempenho do sistema. Outros elementos, como resistores de frenagem, filtros e reatores, variam de instalação para instalação e podem ser muito importantes para uma implantação bem-sucedida.

Por exemplo, alguns sistemas operam em áreas onde é necessário controlar a interferência eletromagnética (EMI) e podem se beneficiar do uso de filtros de linha que atendem à categoria C2 da norma EN 61800-3. As aplicações em que é necessária uma desaceleração rápida precisarão de resistores de frenagem. Os reatores de linha podem melhorar o fator de potência e aumentar a eficiência, e os reatores de saída podem permitir o uso de cabos mais longos.

Este artigo começa com uma análise de algumas considerações ao selecionar cabos de conexão do motor e apresenta opções típicas de cabeamento da LAPP e da Belden. Em seguida, ele analisa os fatores que afetam a seleção de reatores de saída, resistores de frenagem, reatores de linha e filtros de linha, incluindo dispositivos representativos da ABB, Schneider Electric, Omron, Delta Electronics, Panasonic e Siemens.

Os cabos do motor estão disponíveis em várias configurações para atender aos requisitos de aplicações específicas. Normalmente, eles têm três condutores de energia principais, geralmente isolados com polietileno reticulado (XLPE). Alguns têm fios de aterramento sem isolamento. Pode haver vários fios de sinal e inúmeras opções de blindagem trançada e de folha. Todo o conjunto é envolto em uma jaqueta externa resistente ao meio ambiente (Figura 1).

Figura 1: Os cabos do motor VFD são fornecidos em uma ampla variedade de configurações. (Fonte da imagem: Belden)

Mesmo os cabos básicos, como o Belden Basics, número de peça 29521C 0105000, são conjuntos complexos de condutores, blindagem e isolamento. Esses cabos têm três condutores de cobre de 14 AWG (American Wire Gauge) (7x22 fios flexíveis) cobertos com isolamento XLPE e três fios terra de cobre de 18 AWG (7x26 fios flexíveis) sem isolamento. Esses seis fios são envolvidos por bainhas de fita helicoidal dupla que oferecem 100% de cobertura, e todo o cabos de conexão é envolto em uma jaqueta de cloreto de polivinila (PVC) para proteção ambiental.

Os cabos Belden Basic são adequados para uso em áreas de risco de classe 1, divisão 2, conforme definido no National Electrical Code (NEC). A Classe 1 refere-se a instalações para manuseio de gases, vapores e líquidos inflamáveis. A Divisão 2 especifica que esses materiais inflamáveis não estão normalmente presentes em concentrações altas o suficiente para terem capacidade de pegar fogo.

Algumas séries de cabos, como o ÖLFLEX VFD 1XL da LAPP, estão disponíveis com e sem fios de sinal. As aplicações que se beneficiam da presença de fios de sinal podem recorrer ao cabo 701710 da LAPP. Ele inclui três condutores de energia, um condutor de aterramento e um par de fios de sinal. Os condutores de energia são de 16 AWG (26x30 flexíveis) com isolamento XLPE (plus). O par de sinais é blindado individualmente com folha de alumínio.

Todo o conjunto é blindado com fita de barreira, fita de alumínio de camada tripla (100% de cobertura) e trança de cobre estanhado (85% de cobertura). A jaqueta externa é um elastômero termoplástico (TPE) especialmente formulado, resistente a soluções desinfectantes e usado normalmente nos setores de alimentos, bebidas, produtos químicos e afins.

Além de lidar com energia e sinais de forma confiável e eficiente, os cabos de VFD precisam ser capazes de suportar picos de alta tensão e níveis de ruído de interferência eletromagnética (EMI), resultantes da operação de alta frequência do inversor. Embora os cabos de VFD sejam projetados para conter e gerenciar picos de alta tensão e EMI, eles têm seus limites (Figura 2). É nesse momento que os reatores de carga reduzem os picos de alta tensão e a EMI.

Figura 2: Picos de alta tensão não controlados podem perfurar o isolamento e resultar em falha do cabo. (Fonte da imagem: LAPP)

Para uma discussão mais detalhada sobre a seleção de cabos de VFD, consulte "Especificação e uso de cabos de VFD para melhorar a confiabilidade e a segurança e reduzir as emissões de carbono".

Reatores de carga

Os reatores de carga, também chamados de reatores de saída, são conectados próximos à saída do inversor para reduzir o impacto de picos de alta tensão e EMI, além de proteger o isolamento dos fios no cabo e no motor. Os VSDs/VFDs produzem uma saída de alta frequência (geralmente entre 16 e 20 kHz). O chaveamento de alta frequência resulta em tempos de subida de tensão de alguns microssegundos, causando picos de alta tensão que podem exceder o dimensionamento de tensão de pico do motor, resultando em falha da isolação.

Dependendo do tipo de motor usado, reatores de carga são geralmente recomendados se o comprimento do cabo do VFD exceder 30 m (100 pés). Há exceções; por exemplo, se o motor atender ao padrão NEMA MG-1 Parte 31, pode ser possível ter um cabo de 90 m (300 pés) sem usar um reator de carga.

Independentemente do tipo de motor, um reator de carga é geralmente recomendado se o comprimento do cabo for superior a 90 m. Se a distância for superior a 150 m, geralmente é recomendado um filtro especialmente projetado. Em ambientes sensíveis à EMI, o uso de um reator de carga para todas as aplicações geralmente é uma boa prática.

Os reatores de carga geralmente são projetados para uso com modelos específicos de inversores. Por exemplo, o reator de carga Omron modelo 3G3AX-RAO04600110-DE é dimensionado para 11 A e 4,6 mH e foi projetado para uso com motores trifásicos de 400 V e 5,5 kW acionados pelo VFD 3G3MX2-A4040-V1 da empresa.

Resistores de frenagem e sobrecargas térmicas

Além de um reator de carga, um resistor de frenagem e um dispositivo de desligamento por sobrecarga térmica podem ser adições essenciais no lado de saída de um VSD/VFD. Os resistores de frenagem permitem o torque máximo de frenagem transitória ao absorver a energia de frenagem. A maioria dos resistores de frenagem dissipa a energia, enquanto alguns são usados como parte de um sistema de frenagem regenerativa que captura e recicla a energia.

Os resistores dissipadores de frenagem são dimensionados para aplicações específicas. O resistor de frenagem Schneider Electric VW3A7755 de 8 Ω pode dissipar até 25 kW, enquanto o resistor de frenagem Delta Electronics BR300W100 de 100 Ω é dimensionado para 300 W.

As aplicações do resistor de frenagem são definidas usando uma porcentagem de dissipação de energia (ED%). A ED% definida garante que o resistor possa dissipar efetivamente o calor gerado durante a frenagem. A ED% é definida em relação ao pico de dissipação, ao intervalo de frenagem (T1) e ao tempo total do ciclo (T0) na Figura 3.

Figura 3: Definição da porcentagem de dissipação de energia (ED%). (Fonte da imagem: Delta Electronics)

Dependendo da gravidade da frenagem, a ED% é especificada para garantir o tempo adequado para que a unidade de freio e o resistor de freio dissipem o calor gerado pela frenagem. Se o resistor de freio se aquecer devido à dissipação térmica inadequada, sua resistência aumenta, reduzindo o fluxo de corrente e o torque de freio absorvido.

Os resistores de frenagem podem ser definidos por vários ciclos de dissipação, como:

• Frenagem leve, em que a potência de frenagem é limitada a 1,5 vezes o torque nominal (Tn) por 0,8 s a cada 40 s. Usado em máquinas com inércia limitada, como máquinas de moldagem por injeção
• Frenagem média, em que a potência de frenagem é limitada a 1,35 Tn por 4 s a cada 40 s. Usado em máquinas com alta inércia, como prensas de volante e centrífugas industriais
• Frenagem severa em que a potência de frenagem é limitada a 1,65 Tn por 6 s e Tn por 54 s a cada 120 s. Usado em máquinas com inércia muito alta, geralmente acompanhada de movimento vertical, como talhas e guindastes

Além de um resistor de frenagem, a maioria dos sistemas inclui uma unidade de sobrecarga térmica conectada ao resistor de frenagem como uma precaução de segurança, como o relé de sobrecarga térmica ABB Control TF65-33. A unidade de sobrecarga térmica protege o resistor e o sistema de acionamento contra frenagens muito frequentes ou muito fortes. Quando uma sobrecarga térmica é detectada, o inversor é desligado. O desligamento apenas da função de frenagem pode resultar em danos graves ao inversor.

Proteção na entrada do inversor

Os reatores de linha e os filtros na entrada do inversor limitam os harmônicos de baixa frequência e a EMI de alta frequência, respectivamente (Figura 4). Os reatores de linha ajudam a reduzir a distorção harmônica da energia de entrada CA causada pelo circuito do inversor. Eles podem ser especialmente úteis em aplicações que precisam atender aos requisitos da norma IEEE-519, "Controle de harmônicos em sistemas de energia". Os reatores de linha também atenuam os distúrbios na rede elétrica, como surtos, picos e transientes, aumentando a confiabilidade operacional e evitando desligamentos por sobretensão.

Figura 4: Os filtros de linha limitam a EMC de alta frequência, enquanto os reatores de linha limitam os harmônicos de baixa frequência. (Fonte da imagem: Siemens)

Exemplos de reatores de linha incluem o indutor DV0P228 de 2 mH dimensionado para 8 A, que faz parte da família Minas de inversores trifásicos e acessórios da Panasonic, e o indutor 6SL32030CE132AA0 de 2,5 mH da Siemens, dimensionado para inversores de até 1,1 kW que consomem até 4 A de corrente de entrada e operam com alimentação trifásica de 380 V_CA -10% a 480 V_CA +10%.

Filtros de linha

Os filtros de linha são necessários para dar suporte à compatibilidade eletromagnética (EMC) e fornecer proteção contra EMI na maioria das aplicações. Dependendo do ambiente específico, duas classificações de filtros EMI, Classe A e Classe B, são usadas em ambientes industriais e comerciais (edifícios), respectivamente. A Classe B exige um nível mais alto de filtragem do que a Classe A porque os ambientes comerciais (escritórios, administração etc.) geralmente incluem sistemas eletrônicos mais sensíveis à EMI.

As normas de EMC relevantes incluem a EN 55011, que detalha as limitações de emissões para equipamentos industriais, científicos e médicos, e a IEC/EN 61800-3, que se refere especificamente a inversores de velocidade ajustável.

Os VFDs/VSDs estão disponíveis com e sem filtros de linha integrados. Se tiverem um filtro, ele poderá ser de Classe A ou Classe B. Dependendo do ambiente e dos fatores de instalação, como comprimentos de cabeamento, até mesmo um inversor com um filtro integrado pode exigir filtragem adicional. Um inversor classificado para operação em ambientes de Classe A também pode ser usado em ambientes de Classe B com a adição de um filtro opcional.

A IEC/EN 61800-3 define os requisitos de EMC com base em ambientes e categorias. Os edifícios residenciais são definidos como o Primeiro Ambiente, e as instalações industriais conectadas à rede de distribuição de média tensão por meio de seus transformadores são o Segundo Ambiente.

As quatro categorias definidas na EN 61800-3 incluem:

• C1 para sistemas de acionamento para tensões nominais < 1000 V para uso ilimitado no primeiro ambiente
• C2 para sistemas de acionamento estacionários para tensões nominais < 1000 V para uso no segundo ambiente e possível uso no primeiro ambiente
• C3 para sistemas de acionamento para tensões nominais < 1000 V para uso exclusivo no segundo ambiente
• Requisitos especiais C4 para sistemas de acionamento para tensões nominais ≥ 1000 V e correntes nominais ≥ 400 A no segundo ambiente

Há filtros de linha genéricos disponíveis, mas, assim como os reatores de linha, os filtros de linha geralmente são projetados para uso com famílias de inversores específicos. Por exemplo, o filtro de linha VW3A4708 da Schneider Electric é dimensionado para 200 A (Figura 5). Ele foi projetado para os VSDs Altivar e servoacionamentos Lexium da empresa. Ele é dimensionado para tensões de rede de 200 V_CA a 480 V_CA e tem um índice de proteção IP20. Sua classificação EN 61800-3 depende do comprimento do cabo do motor:

• Categoria C1 usando até 50 m de cabo blindado
• Categoria C2 usando até 150 m de cabo blindado
• Categoria C3 usando até 300 m de cabo blindado

Figura 5: Filtro de linha de 200 A dimensionado para tensões de rede de 200 V_CA a 480 V_CA. (Fonte da imagem: Schneider Electric)

Conclusão

Os VSDs e VFDs são sistemas importantes para maximizar a eficiência das operações industriais e minimizar as emissões de gases de efeito estufa. Esses inversores exigem vários componentes de suporte para garantir instalações eficazes e confiáveis que atendam aos padrões internacionais relevantes, incluindo cabos de VFD, reatores de saída, resistores de frenagem, reatores de linha e filtros de linha.