Ficha 01 · VFD princípios, parametrização, aplicações

Topologia interna:

Rede 3F 400V/50Hz ──► [Rectificador] ──► [Barramento CC] ──► [Inversor] ──► Motor

1. Rectificador: - 6 díodos (passive) ou 6 IGBTs (active front-end). - Converte CA → CC. - Tensão CC ~565V em rede 400V CA.

2. Barramento CC: - Condensadores electrolíticos. - Filtram tensão rectificada. - Armazenam energia para transientes. - Atenção: ainda carregados após desligar (até 5 min) — esperar antes de tocar.

3. Inversor: - 6 IGBTs em ponte trifásica. - Comutação PWM a alta frequência (5-20 kHz). - Cria tensão CA com frequência e amplitude variáveis.

4. Comando: - Microcontrolador. - Recebe setpoints, controla IGBTs. - Comunica com HMI/PLC.

5. Protecções: - Sobrecorrente, sobretemperatura, fuga à terra, etc.

Princípio de operação: - Para variar velocidade do motor → variar frequência aplicada. - VFD pode dar 0-100 Hz (ou mais com sobre-velocidade). - Motor de 4 pólos a 50 Hz → 1500 rpm. A 25 Hz → 750 rpm.

a) Diferenças:

V/f (escalar): - Mantém V/f proporcional (em 50 Hz → 400V; em 25 Hz → 200V). - Sem feedback do motor. - Simples de parametrizar. - Binário cai a baixas velocidades (< 5 Hz).

Vectorial (FOC): - Modelo matemático do motor. - Controla fluxo magnético e binário separadamente. - Binário máximo desde 0 rpm. - Resposta dinâmica muito rápida (10× V/f). - Requer parametrização mais detalhada + auto-tuning.

b) Quando usar cada:

V/f — adequado para: - Bombas e ventiladores (carga quadrática). - Aplicações onde não se precisa de binário em paragem. - Sistemas simples sem requisitos de dinâmica. - Quando se quer minimizar custo.

Vectorial — adequado para: - Cargas constantes em larga gama de velocidades. - Quando precisa de binário máximo a baixa velocidade. - Transportadores, mistura, agitadores. - Quando há mudanças bruscas de carga.

c) Vectorial com encoder (closed loop):

• Encoder (incremental ou absoluto) montado no veio do motor.
• Fornece feedback de velocidade e posição ao VFD.
• VFD ajusta correntes para atingir velocidade/posição exactas.
• Precisão máxima (até µm em servomotores).
• Para servomotores (CNC, robótica, packaging).

Vantagens vs sem encoder (sensorless): - Precisão muito superior em baixas velocidades. - Posicionamento exacto. - Binário a 0 rpm garantido.

Desvantagens: - Custo do encoder. - Cabo extra (4-8 fios) com blindagem. - Possibilidade de avaria do encoder.

Standard moderno: - VFDs modernos suportam vectorial sensorless com qualidade próxima do closed loop em muitas aplicações. - Encoder reserva-se para servomotores ou precisão extrema.

a) Parâmetros obrigatórios:

Dados do motor (configurar com precisão da placa):

Limites operacionais:

Curva V/f: - Linear (standard) para a maioria. - Quadrática se for bomba ou ventilador (poupa energia).

Comandos: - DI1: Start/Stop (NO). - DI2: Reset. - AI1: Reference (0-10V ou 4-20mA). - DO1 (relé): Running. - DO2 (relé): Fault.

Comunicação (opcional): - Profibus DP ou Profinet conforme PLC. - Endereço.

b) Modo de controlo recomendado:

Vectorial sem encoder (sensorless vector control): - Boa precisão para aplicação industrial geral. - Sem encoder = mais barato e simples. - Binário a baixas velocidades aceitável. - Adequado para 90% das aplicações.

Em alternativa: - V/f: se for bomba/ventilador simples. - Vectorial com encoder: se precisar de posicionamento ou precisão extrema.

c) Auto-tuning:

Tipo recomendado: Standard Auto-tune ou Reduced Auto-tune (consoante manual).

Standard: - Motor pode rodar livremente (sem carga acoplada idealmente). - Mede inércia, resistências, indutâncias, fluxo. - 2-10 minutos. - Melhor desempenho posterior.

Reduced (estatico): - Motor não roda. - Mede apenas resistências. - 30 segundos. - Aceitável se carga não pode ser desacoplada.

Procedimento:

1. Verificar parâmetros do motor introduzidos (passo a)).
2. LOTO parcial: ter certeza que está seguro.
3. Desacoplar carga se possível (para Standard Auto-tune).
4. Aceder ao parâmetro "Motor ID Run" no VFD (parâmetro 99.13 em ACS580).
5. Seleccionar tipo (Standard ou Reduced).
6. Iniciar auto-tune (botão RUN no VFD).
7. Motor faz movimentos lentos para identificação:
8. Energização gradual.
9. Possivelmente pequena rotação.
10. Aguardar conclusão:
11. Display indica progresso.
12. LED ou mensagem confirma fim.
13. Verificar resultados:
14. Parâmetros internos foram actualizados.
15. Sem erros reportados.
16. Testar:
    • Arrancar normalmente.
    • Variar velocidade.
    • Verificar comportamento suave, sem oscilações.

Re-tune se: - Mudou motor. - Mudou carga drasticamente. - Comportamento mau aparece.

a) Energia anual sem VFD: - 15 kW × 6000 h = 90 000 kWh/ano.

Custo (0,15 €/kWh): 90 000 × 0,15 = 13 500 €/ano.

b) Energia anual com VFD (lei cúbica):

Para cada faixa de velocidade, calcular potência:

100% velocidade = 100% potência = 15 kW. - Tempo: 40% × 6000 = 2400 h. - Energia: 15 × 2400 = 36 000 kWh.

70% velocidade = 0,7³ × 15 = 0,343 × 15 = 5,15 kW. - Tempo: 30% × 6000 = 1800 h. - Energia: 5,15 × 1800 = 9270 kWh.

50% velocidade = 0,5³ × 15 = 0,125 × 15 = 1,88 kW. - Tempo: 20% × 6000 = 1200 h. - Energia: 1,88 × 1200 = 2256 kWh.

30% velocidade = 0,3³ × 15 = 0,027 × 15 = 0,405 kW. - Tempo: 10% × 6000 = 600 h. - Energia: 0,405 × 600 = 243 kWh.

Total com VFD: 36 000 + 9270 + 2256 + 243 = 47 769 kWh/ano.

c) Poupança:

• Energia poupada: 90 000 − 47 769 = 42 231 kWh/ano.
• % poupança: 42 231 / 90 000 = 47%.
• € poupados: 42 231 × 0,15 = 6335 €/ano.

d) Payback do VFD:

• Custo VFD: 2000 € (incluindo cabos, instalação simples).
• Poupança anual: 6335 €.
• Payback: 2000 / 6335 = 0,32 anos = 4 meses.

ROI 5 anos: 5 × 6335 − 2000 = 29 675 € de poupança líquida.

Considerações adicionais:

• Sem VFD o cálculo subestima: válvula estrangulada provoca perdas adicionais (cavitação, ruído, erosão), e bomba ainda consome 15 kW. Em prática, perdas extras 10-20%.
• Investimento extra (filtros EMC, cabos blindados) ~500 €. Não muda significativamente o payback.
• Manutenção do VFD: ~50 €/ano. Insignificante face à poupança.
• Vida útil prolongada da bomba: VFD elimina cavitação e stress, bomba dura ~20-50% mais.

Conclusão: investir em VFD nesta bomba é óbvio. Em fábrica com 10 bombas similares, poupança total seria ~60 000 €/ano com investimento ~25 000 €.

Bombas e ventiladores são as aplicações mais rentáveis para VFDs.

a) Problema sem frenagem regenerativa:

Quando grua desce carga: - Carga acelera o motor (sentido contrário ao normal). - Motor funciona como gerador. - Energia volta ao barramento CC do VFD. - Tensão CC sobe. - Se passar limite (~800V em VFD 400V) → VFD dispara por OverVoltage.

Solução insuficiente: descer mais devagar. - Mas operação fica lenta → perda de produtividade. - E mesmo assim, energia continua a voltar.

Soluções:

1. Resistor de frenagem: dissipa energia como calor. Simples mas energia perdida.
2. Frenagem regenerativa: energia volta à rede.

b) Opções de frenagem:

Opção 1 — Resistor de frenagem: - VFD standard + módulo de frenagem (built-in ou externo) + resistor externo. - Custo total: ~3000 € adicional vs VFD básico. - Energia dissipada como calor (perdida). - Resistor pode aquecer muito → necessita ventilação.

Opção 2 — VFD com frenagem regenerativa (Active Front End): - Rectificador IGBT em vez de díodos. - Energia volta à rede em vez de ser dissipada. - Custo total: ~5000 € adicional vs VFD básico. - Recupera 70-90% da energia regenerada.

c) ROI do VFD regenerativo:

Cenário: grua 30 kW, 40% tempo em descida com carga (frenagem activa).

Energia regenerada durante descida: - Potência regenerada ≈ 50-80% da potência nominal (depende da carga). - Assumir 60% médio: 30 × 0,6 = 18 kW. - Tempo em descida: 40% × 6000h/ano = 2400 h. - Energia regenerada: 18 × 2400 = 43 200 kWh/ano.

Com resistor de frenagem: 43 200 kWh perdidos como calor.

Com regenerativo: 80% recuperados = 34 560 kWh devolvidos à rede. - Valor: 34 560 × 0,15 = 5184 €/ano de poupança.

Cálculo ROI: - Investimento extra do regenerativo vs resistor: 5000 − 3000 = 2000 €. - Poupança anual: 5184 €. - Payback: 2000 / 5184 = 0,4 anos = 5 meses.

Benefícios adicionais: - Menos calor na sala (resistor de 30 kW aquece muito). - Sem desgaste de resistor. - Ambiente menos ruidoso (resistor pode chiar).

Conclusão: regenerativo é clara escolha em aplicações com frenagem frequente.

Outras aplicações que beneficiam: - Elevadores (descida frequente). - Comboios e veículos eléctricos (travagem regenerativa). - Centrifugadoras (frenagem entre ciclos). - Bobinadoras com mudança de sentido.

a) Por que blindado:

VFD gera tensão com bordas extremamente rápidas (dv/dt > 5 kV/µs): - Cada mudança de IGBT (~5-20 kHz) produz transiente. - Gera EMI (interferência electromagnética).

Sem blindagem: - Cabos irradiam EMI como antena. - Interfere com: - Sensores próximos (leituras erradas). - Comunicações (Profibus, Ethernet). - Equipamentos sensíveis (PCs, instrumentação). - Standards (CISPR 11, EN 61800-3) podem ser violados.

Com blindagem: - Campo electromagnético contido dentro da blindagem. - EMI reduzida em 30-50 dB.

b) Como conectar blindagem:

Blindagem em ambas as extremidades: - VFD side: blindagem ligada ao terminal PE do VFD via abraçadeira de cabo (cable gland) condutiva. Contacto 360° com o cabo. - Motor side: blindagem ligada à carcassa do motor (também 360°).

Importante: contacto 360° (não apenas um pigtail soldado num fio). Pigtails têm impedância alta em alta frequência → eficácia reduzida.

Componentes: - Abraçadeiras EMC específicas (Roxtec, OBO Bettermann). - Glands EMC (Lapp, Pflitsch).

Cabos típicos: - VFD-cable (cabo dedicado): bem blindado, robusto. - Standard com blindagem funciona se bem instalado. - Sem blindagem: aceitável apenas para distâncias muito curtas (< 1m) e em ambientes não-críticos.

c) Comprimento máximo do cabo:

Depende do VFD e dos filtros:

Razão da limitação: - Cabo longo = capacitância elevada. - Reflexões nas extremidades. - Tensão pico no motor pode ser 2-2,5× tensão nominal. - Stress no isolamento do motor.

Em cabos longos: - Motor pode falhar em meses (isolamento queima). - Tendência: usar filtros adequados.

d) Quando usar filtro dv/dt:

Sempre considerar em:

1. Cabos > 30 m entre VFD e motor.
2. Motores antigos (isolamento standard, não optimizado para VFD).
3. Motores em ambientes hostis (humidade, vibração) onde isolamento é mais vulnerável.
4. Aplicações críticas (não tolerar falha do motor).
5. Quando existem queixas:
6. Motor aquece anormalmente.
7. Falhas prematuras de motor.
8. EMI afecta outros equipamentos.

Filtro dv/dt: - Indutâncias + condensadores na saída do VFD. - Reduz bordas rápidas (dv/dt) para valores aceitáveis. - Não cria onda sinusoidal pura (para isso, filtro sinusoidal). - Custo: 5-15% do preço do VFD.

Filtro sinusoidal (mais avançado): - Output absolutamente sinusoidal. - Cabo pode ser muito longo. - Motor não sente que tem VFD. - Custo: 20-40% do preço do VFD.

Decisão: - Cabo < 30 m: nada. - Cabo 30-100 m: filtro dv/dt. - Cabo > 100 m: filtro sinusoidal. - Aplicações críticas: sempre filtro sinusoidal.

a) Causa provável: correntes parasitas no veio do motor causadas pelo VFD.

VFDs geram tensão de modo comum (common mode voltage): - Tensão entre estator e veio do motor. - Em VFDs modernos: 5-20% da tensão CC do barramento (≈ 30-100V). - Esta tensão é alternada de alta frequência.

Quando tensão excede o isolamento da massa lubrificante: - Ocorre descarga eléctrica através do rolamento. - Fluxo de corrente do veio → rolamento → carcassa → terra.

Efeitos da descarga: - Crateras microscópicas nas pistas do rolamento. - Fluting (padrão característico de ondas). - Massa lubrificante degrada-se rapidamente (carbonização localizada). - Vida útil reduzida de anos para meses.

b) Confirmar diagnóstico:

1. Análise de vibração: - Padrão característico no espectro. - Frequência de elementos do rolamento (BPFI, BPFO) aparecem cedo. - Crepiation (ruído de alta frequência aleatório) entre os picos discretos.

2. Inspecção visual após remoção: - Microscópio: crateras minúsculas nas pistas (centenas/mm). - Padrão "fluting" característico (sulcos paralelos). - Massa lubrificante: escura, queimada, com partículas metálicas.

3. Medição de tensão no veio: - Sonda especializada (Shaft Voltage Tester, Aegis bearing protection ring). - Mede tensão entre veio e carcassa. - Se > 5V pico: alta probabilidade de descargas. - Equipamento: 500-2000 €.

4. Termografia: - Mancal afectado mais quente que os outros. - Diferença de 10-20 °C indica problema.

c) Mitigação:

Solução 1 — Escova de aterramento de eixo (shaft brush): - Escova de carbono ou fibra condutora contacta veio. - Liga directamente à carcassa (terra). - Corrente é desviada para a terra em vez de pelos rolamentos. - Marcas: Aegis SGR, SKF Carbon Brush. - Custo: 50-200 €. - Substituir escova anualmente (desgasta-se). - Solução mais comum e custo-eficaz.

Solução 2 — Rolamentos isolados (ceramic/hybrid): - Esferas de cerâmica (Si₃N₄) em vez de aço. - Cerâmica é isolante eléctrico. - Não conduz electricidade → sem descargas. - Custo: 2-5× rolamento standard. - Standard em motores premium / aplicações críticas. - Instalar pelo menos no lado de acoplamento (direccional para reduzir circulação).

Solução 3 — Cabo PE motor robusto + baixa impedância: - Cabo PE com secção igual à das fases. - Curto (minimizar impedância). - Reduz tensão de modo comum aparecida no motor.

Solução 4 — Filtro de modo comum: - Indutância nos 3 cabos do motor. - Reduz tensão de modo comum. - Custo médio (~10% do VFD).

Solução 5 — Frequência de comutação baixa: - VFD a 2-4 kHz em vez de 8-16 kHz. - Reduz stress eléctrico. - Mas aumenta ruído audível.

Solução 6 — Filtro sinusoidal: - Output absolutamente sinusoidal → tensão de modo comum mínima. - Solução completa mas mais cara.

Plano recomendado:

Para motor existente com problema recorrente: 1. Imediato: instalar escova de aterramento (~100 €). 2. Próxima substituição de rolamento: usar rolamento isolado no lado acoplamento. 3. Verificar cabo PE: garantir robusto. 4. Re-medir tensão no veio após instalação.

Para novas instalações: 1. Especificar motor "inverter duty" (motor robusto para VFD, com rolamentos isolados opcionais). 2. Cabo blindado correctamente instalado. 3. Escova de aterramento profilática se a aplicação for crítica.

Vida útil esperada após mitigação: 5-10 anos (em vez dos 6-12 meses sem mitigação).

Diagnóstico — VFD OverCurrent em bomba

Sintoma: VFD dispara com erro OverCurrent durante operação que deveria ser normal.

Causas possíveis (por probabilidade):

1. Carga real maior que esperada: bomba a trabalhar acima do BEP, óleo viscoso, sólidos.
2. Bomba mecanicamente danificada: impulsor partido, rolamento agarrado.
3. Parametrização errada do motor (corrente nominal mal configurada).
4. Sobrecarga momentânea (cavitação, golpes de aríete).
5. Curto-circuito parcial no motor ou cabo.
6. Aceleração demasiado rápida (corrente pico no arranque).
7. Tensão de rede baixa (motor puxa mais corrente para manter potência).
8. Auto-tune não feito ou feito incorrectamente.
9. VFD sub-dimensionado para o motor.
10. Falha no VFD (sensor de corrente avariado).

Procedimento de diagnóstico:

1. Verificar parâmetros do motor no VFD: - Comparar com placa do motor. - Confirmar tensão, corrente, potência, frequência, cos φ. - Se algo está errado, corrigir.

2. Verificar a configuração do VFD: - Modo de controlo: V/f ou vectorial? - Tempo de aceleração: muito curto (1-2s pode causar pico)? - Limite de corrente: configurado adequadamente (típico 150% nominal)? - Curva V/f: linear ou quadrática (esta última para bomba)?

3. Medir corrente em operação: - Pinça amperimétrica nos cabos motor. - Comparar com corrente nominal: - Próxima do nominal: dentro do esperado. - Acima do nominal continuamente: sobrecarga real. - Comparar entre fases: desequilíbrio > 5% indica problema.

4. Verificar mecânica da bomba: - Bomba a rodar livremente sem carga (com VFD desligado)? - Algum bloqueio mecânico? - Acoplamento OK? - Cavitação evidente (ruído, vibração)?

5. Verificar isolamento do motor: - VFD desligado. - Megger 500V (com motor desconectado do VFD). - Entre cada fase e terra: > 100 MΩ. - Entre fases: > 100 MΩ. - Se baixo: curto interno → motor para reparar.

6. Verificar cabo motor: - Continuidade entre VFD e motor. - Isolamento entre fases e terra. - Cabo blindado intacto?

7. Verificar VFD: - Refazer auto-tune se possível (com motor sem carga). - Verificar se erro persiste. - Substituir VFD temporariamente por outro: se erro vai para o novo, problema é em outro lugar; se erro desaparece, VFD era a causa.

8. Verificar carga da bomba: - Pressão de descarga: dentro do esperado? - Caudal: dentro do BEP da bomba? - Densidade/viscosidade do fluido (mudou recentemente)?

9. Análise estatística: - Erro acontece sempre na mesma fase do ciclo? - Mais frequente a certas horas (carga maior, temperatura)?

10. Solução conforme causa:

• Sobrecarga real: aumentar tamanho da bomba/motor, ou ajustar processo.
• Mecânica danificada: reparar/substituir.
• Parametrização errada: corrigir + auto-tune.
• Aceleração rápida: aumentar tempo.
• Cabo/motor danificado: substituir.
• VFD avariado: substituir.
• VFD sub-dimensionado: substituir por modelo maior.

Documentação: - Parâmetros antes e depois. - Causa identificada. - Acção realizada. - Resultado após correcção.

Em VFDs modernos: - Diagnostic log interno regista valores no momento do trip. - Útil para análise post-mortem. - Exportar para análise no PC com software (Drive Composer ABB, Startdrive Siemens).