Os motores elétricos desempenham um papel vital em nossas vidas cotidianas – onde vivemos, trabalhamos e nos divertimos.Simplificando, eles fazem quase tudo que se move se mover.Quase 70 por cento da eletricidade consumida pela indústria é usada por sistemas de motores elétricos.1

Aproximadamente 75% dos motores industriais em operação são usados ​​para acionar bombas, ventiladores e compressores, uma categoria de maquinário altamente suscetível a grandes melhorias de eficiência2.Esses aplicativos geralmente operam em velocidade constante, o tempo todo, mesmo quando não são necessários.Esta operação constante desperdiça energia e produz emissões desnecessárias de CO2, mas controlando a velocidade de um motor, podemos reduzir o consumo de energia, economizando energia e reduzindo o impacto ambiental.

Uma forma de controlar a velocidade de um motor é através do uso de um variador de velocidade (VSD), um dispositivo que regula a velocidade de rotação de um motor elétrico variando a frequência e a tensão fornecida ao motor.Ao controlar a velocidade de um motor, um inversor pode reduzir o consumo de energia (por exemplo, reduzir a velocidade do equipamento rotativo em 20 por cento pode reduzir os requisitos de potência de entrada em aproximadamente 50 por cento3) e proporcionar uma melhoria considerável no controle do processo e economia significativa no custo de operação ao longo da vida dos moAs úteis como os VSDs são para economizar energia em muitas aplicações, eles podem causar falha prematura do motor se não forem aterrados adequadamente.Embora existam muitas causas diferentes de falhas de motores elétricos, o problema mais comum ao usar um inversor é a falha de rolamento causada pela tensão de modo comum.

Danos causados ​​por tensão de modo comum

Em um sistema CA trifásico, a tensão de modo comum pode ser definida como o desequilíbrio presente entre as três fases criado pela potência modulada por largura de pulso do inversor, ou a diferença de tensão entre o terra da fonte de alimentação e o ponto neutro do trifásico. carga de fase.Essa tensão de modo comum flutuante induz eletrostaticamente a tensão no eixo do motor, e essa tensão no eixo pode descarregar através dos enrolamentos ou dos mancais.Projetos de engenharia modernos, isolamento de fase e fio resistente a picos do inversor podem ajudar a proteger os enrolamentos;no entanto, quando o rotor vê um acúmulo de picos de tensão, a corrente busca o caminho de menor resistência para o terra.No caso de um motor elétrico, esse caminho passa diretamente pelos mancais.

Como os rolamentos do motor utilizam graxa para lubrificação, o óleo na graxa forma um filme que atua como dielétrico, o que significa que pode transmitir as forças elétricas sem condução.Com o tempo, porém, esse dielétrico se decompõe.Sem as propriedades de isolamento da graxa, a tensão do eixo será descarregada através dos rolamentos, depois através da carcaça do motor, para atingir o aterramento elétrico.Este movimento da corrente elétrica causa arcos nos rolamentos, comumente referido como usinagem por descarga elétrica (EDM).À medida que esse arco contínuo ocorre ao longo do tempo, as áreas da superfície na pista do rolamento tornam-se quebradiças e pequenos pedaços de metal podem se quebrar dentro do rolamento.Eventualmente, o material danificado abre caminho entre as esferas e as pistas do rolamento, causando um efeito de moagem, que pode produzir pitting de tamanho mícron, chamado de geada, ou sulcos semelhantes a tábuas de lavar na pista do rolamento, chamados de sulcos.

Alguns motores podem continuar funcionando à medida que o dano piora progressivamente, sem problemas perceptíveis.O primeiro sinal de dano ao rolamento é geralmente um ruído audível, devido ao deslocamento das esferas do rolamento sobre as áreas esburacadas e congeladas.Mas no momento em que esse ruído ocorre, o dano geralmente se torna substancial o suficiente para que a falha seja iminente.

Baseada na prevenção

As aplicações industriais normalmente não apresentam essas dificuldades de rolamento em motores de velocidade variável, mas em algumas instalações, como prédios comerciais e manuseio de bagagem em aeroportos, nem sempre está disponível um aterramento robusto.Nesses casos, outro método deve ser usado para desviar essa corrente dos rolamentos.A solução mais comum é adicionar um dispositivo de aterramento de eixo a uma extremidade do eixo do motor, especialmente em aplicações onde a tensão de modo comum pode ser mais prevalente.Um aterramento do eixo é essencialmente um meio de conectar o rotor giratório do motor ao aterramento através da carcaça do motor.Adicionar um dispositivo de aterramento de eixo ao motor antes da instalação (ou comprar um motor com um pré-instalado) pode ser um pequeno preço a pagar quando comparado ao preço dos custos de manutenção associados à substituição do rolamento, sem mencionar os altos custos de tempo de inatividade em uma instalação.

Existem vários tipos comuns de dispositivos de aterramento de eixo na indústria hoje, como escovas de carvão, escovas de fibra tipo anel e isoladores de rolamentos de aterramento, e outros métodos de proteção dos rolamentos também estão disponíveis.

As escovas de carvão estão em uso há mais de 100 anos e são semelhantes às escovas de carvão usadas em comutadores de motores CC.As escovas de aterramento fornecem a conexão elétrica entre as partes rotativas e estacionárias do circuito elétrico do motor e levam a corrente do rotor para o terra para que a carga não se acumule no rotor até o ponto em que seja descarregada através dos mancais.As escovas de aterramento oferecem um meio prático e econômico de fornecer um caminho de baixa impedância para o aterramento, especialmente para motores com carcaças maiores;no entanto, eles não são sem suas desvantagens.Assim como nos motores CC, as escovas estão sujeitas a desgaste devido ao contato mecânico com o eixo e, independente do desenho do porta-escovas, o conjunto deve ser inspecionado periodicamente para garantir o contato adequado entre as escovas e o eixo.

Os anéis de aterramento do eixo funcionam como uma escova de carvão, mas contêm vários fios de fibras eletricamente condutoras dispostas dentro de um anel ao redor do eixo.A parte externa do anel, que normalmente é montada na placa terminal do motor, permanece estacionária, enquanto as escovas percorrem a superfície do eixo do motor, direcionando a corrente através das escovas e com segurança para o terra.Anéis de aterramento do eixo podem ser montados dentro do motor, permitindo que sejam usados ​​em motores de serviço de lavagem e serviço sujo.Nenhum método de aterramento de eixo é perfeito, entretanto, e anéis de aterramento montados externamente tendem a coletar contaminantes em suas cerdas, o que pode reduzir sua eficácia.

Os isoladores de rolamentos de aterramento combinam duas tecnologias: uma blindagem de isolamento de duas partes sem contato que usa um design de labirinto para evitar a entrada de contaminantes e um rotor metálico e um anel de filamento condutor isolado para desviar as correntes do eixo para longe dos rolamentos.Como esses dispositivos também evitam a perda e a contaminação do lubrificante, eles substituem as vedações de rolamento padrão e os isoladores de rolamento tradicionais.

Outra maneira de evitar uma descarga de corrente através dos mancais é fabricar os mancais de um material não condutor.Nos rolamentos cerâmicos, as esferas revestidas de cerâmica protegem os rolamentos impedindo que a corrente do eixo flua através dos rolamentos para o motor.Como nenhuma corrente elétrica flui através dos mancais do motor, há pouca chance de desgaste induzido por corrente;no entanto, a corrente buscará um caminho para o aterramento, o que significa que passará pelo equipamento conectado.Como os rolamentos cerâmicos não removem a corrente do rotor, apenas aplicações específicas de acionamento direto são recomendadas para motores com rolamentos cerâmicos.Outras desvantagens são o custo para este tipo de rolamento de motor e o fato de que os rolamentos geralmente estão disponíveis apenas até o tamanho 6311.

Em motores com mais de 100 cavalos de potência, geralmente é recomendado que um rolamento isolado seja instalado na extremidade oposta do motor no qual o dispositivo de aterramento do eixo está instalado, independentemente do estilo de aterramento do eixo usado.

Três dicas de instalação do variador de velocidade

Três considerações para o engenheiro de manutenção ao tentar reduzir a tensão de modo comum em aplicações de velocidade variável são:

1. Certifique-se de que o motor (e o sistema do motor) esteja devidamente aterrado.
2. Determine o equilíbrio de frequência da portadora adequado, que minimizará os níveis de ruído, bem como o desequilíbrio de tensão.
3. Se um dispositivo de aterramento do eixo for considerado necessário, selecione um que funcione melhor para a aplicação.

Quando uma corrente de rolamento está presente, não há uma solução de tamanho único.É vital que o cliente e o fornecedor do motor e do inversor trabalhem juntos para identificar a solução mais adequada para a aplicação específica.