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Na última terça-feira 12 de Outubro, tive o prazer de bater um papo com meu amigo Diego Moreira, especialista técnico em acionamentos elétricos que possui uma sólida bagagem em inversores de frequência. Diego trabalha com clientes de diversas indústrias, auxiliando setores como mineração, açúcar e álcool. O foco da nossa conversa foi sobre dicas práticas para comissionamento e monitoramento de inversores de frequência e sistemas de acionamento.
Seja para fazer a configuração ou manutencão de um inversor de frequência, é importante ter bons conhecimentos das ferramentas disponíveis para cada produto. Abaixo é uma breve lista de alguns dos softwares mais utilizados pelos profissionais em campo dependendo do modelo do inversor de frequência utilizado:
1) Ferramentas Software:
> Siemens:
> Rockwell:
Connected Components Workbench
> Danfoss:
> NORD:
> SEW:
> ABB:
> WEG:
2) Configurações Básicas:
Geralmente as configurações básicas de um sistema de acionamento começam com a conexão ao inversor, que pode ser feita via cabo USB ou por redes industriais como por exemplo Profinet e Ethernet-IP. Um dos primeiros passos é o inserimento dos dados do motor (Potência, Corrente, Tensão, Frequência, Velocidade de rotação nominal). Alguns inversores têm a funcionalidade de auto tuning dos dados internos do motor, como a resistência e reatância do estator e do rotor, entre outros parâmetros. Esse tuning é importante para os cálculos internos feitos pelo inversor durante a aplicação.
Outras configurações básicas são as funcionalidades das entradas e saídas digitais e analógicas do inversor, além do estabelecimento das rampas de aceleração e desaceleração do motor.
Para engenheiros e técnicos em campo, algumas dicas práticas ao trabalhar com um inversor existente e já programado são de realizar backups dos parâmetros e dos projetos dos inversores. Durante um serviço de depanagem um ponto que ajuda rapidamente identificar os parâmetros que foram alterados em relação aos valores padrão é de filtrar os parâmetros pelo critério mais adequado. Ao trabalhar com inversores já comissionados, é importate estar atento às atualizações de Firmware dos inversores. Nem sempre é uma boa ideia atualizar o Firmware do inversor, pois novos parâmetros podem ser introduzidos via essa atualização, o que pode resultar em um comportamento anormal do sistema de acionamento.
3) Considerações de instalação em campo:
Diego comentou uma série de pontos interessantes sobre a instalação elétrica de sistemas de acionamento. O primeiro foi na importãncia de respeitar as distâncias máximas de cabo recomendadas pelos fabricantes dos motores e inversores, pois ao aumentar esses valores, aumenta-se também a capacitância do sistema que resulterá em uma maior carga no motor. Isso pode reduzir de forma significativa a vida útil do motor, até mesmo para os motores com maior Classe de Isolamento (Classes F e H), que toleram temperaturas internas de funcionamento mais elevedas. Os limites de distância variam de acordo com cada produto, mas de um modo geral existem duas categorias: cabos com shield e sem shield. Os primeiros normalmente se limitam à 150 metros enquanto os últimos podem chegar até 300 metros.
Um outro ponto interessante que Diego ressaltou foi na falta de conhecimento pelos profissionais generalistas sobre alguns dos princípios fundamentais dos inversores. De um modo simplificado e resumido, um inversor de frequência é um dispositivo de acionamento capaz de controlar a velocidade de um motor trifásico de indução assíncrono. O inversor converte a Corrente Alternada (CA) de alimentação à uma Corrente Contínua (CC) de saída. A CC em seguida é enviada ao motor CA por meio de pulsos de alta frequência, normalmente entre 1kHz e 16kHz, por meio dos IGBTs que trabalham como chaves seguindo um sequenciamento particular. Diego observou que em alguns casos profissinais aplicam de forma inapropriada análises de CA na parte de CC do sistema, como na medição de harmônicos e da tensão CA nas saídas CC (PWM) do inversor.
Falhas recorrentes em aplicações de acionamento podem ser relacionadas ao motor escolhido. Quando o limite de torque é atingido frequentemente, vale a pena verificar o dimensionamento do motor para a aplicação além dos aspectos mecânicos da aplicação. Diego comentou que um erro comun no Brasil ocorre em projetos de substituição de um motor CC por um motor à indução assíncrono CA. Esses dois motores possuem características muito diferentes de construção, funcionamento e propriedades críticas como o momento de inércia. Portanto um motor CC que havia uma potência para certa aplicação provavelmente haverá necessidade de um motor CA equivalente de potência superior para suprir a mesma demanda.
4) Configurações Avançadas:
Durante projetos de melhorias ou de resolução de problemas, uma técnica que ajuda a coleta de dados e análise é de plotar gráficos das grandezas chaves do motor e do inversor. Algumas dessas grandezas que valem a pena monitorar são:
Motor:
> Corrente do motor (A, %) : Monitorar os limites de corrente.
> Velocidade do motor (RPM) : Baixos RPM podem indicar sobracarga.
> Potência do motor (kW) : Para monitoramento da carga para a aplicação. A corrente pode ter comportamento constante em função da carga do motor, por isso o monitoramento da potência pode ser interessante pois permete verificar a tensão em função da carga.
> Torque do motor (N.m, %): Monitorar os limites de torque
> Consumo do motor (kW.h) : Para monitoramento do consumo energético
> Temperatura do motor (graus C) : Para monitoramento do motor
> Posicão do motor (mm): Para aplicações de posicionamento com encoder montados no eixo do motor que retornam os sinais ao inversor.
Inversor:
> Frequência de comando e de saída do inversor (Hz) : Para monitoramento da aplicação
> Tensão no barramento CC (V): Especialmente para aplicações de elevadores.
> Temperatura nos IGBTs do inversor (graus C): Para monitoramento da aplicação
> Acionamento Relé do Freio: Para monitoramento da aplicação em frenagem
Conclusões:
O objetivo desse post é de compartilhar alguns pontos práticos no campo de aplicações de acionamentos com inversores de frequência. Um grande obrigado ao Diego por agregar conhecimento e compartilhar sua experiẽncia no ramo.
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Last Tuesday, October 12th, I had the pleasure of chatting with my friend Diego Moreira, a technical specialist in electrical drives who has a solid background in frequency converters. Diego works with clients from a variety of industries, helping sectors such as mining, sugar and energy. The focus of our conversation was on practical tips for commissioning and monitoring frequency inverters and drive systems.
Whether configuring or maintaining a frequency inverter, it is important to have a good knowledge of the tools available for each product. Below is a brief list of some of the software most used by professionals in the field depending on the model of frequency inverter used:
1) Software Tools:
> Siemens:
> Rockwell:
Connected Components Workbench
> Danfoss:
> NORD:
> SEW:
> ABB:
> WEG:
2) Basic Settings:
Generally, the basic configurations of a drive system start with the connection to the inverter, which can be done via USB cable or through industrial networks such as Profinet and Ethernet-IP. One of the first steps is to enter the motor data (Power, Current, Voltage, Frequency, Rated speed of rotation). Some inverters have the functionality of auto tuning for data such as the resistance and reactance from the motor, among other parameters. This tuning is important for the internal calculations made by the drive during application.
Other basic configurations are the functionalities of the inverter's digital and analog inputs and outputs, in addition to setting the motor's acceleration and deceleration ramps.
For field engineers and technicians, some practical tips when working with an existing and already programmed drive are to backup the drive's parameters. During a troubleshooting service, a point that helps to quickly identify the parameters that have changed from the default values is to filter the parameters by the most suitable criteria. When working with inverters that have already been commissioned, it is important to be aware of firmware updates for the inverters. It is not always a good idea to update the drive Firmware as new parameters may be introduced via this update, which can result in abnormal system behavior.
3) Field Installation Considerations:
Diego commented on a number of interesting points about the electrical installation of these types of systems. The first was the importance of respecting the maximum cable distances recommended by the manufacturers of motors and inverters, because by increasing these values, the capacitance of the system is also increased, which will result in a greater load on the motor. This can significantly reduce motor life, even for motors with higher Insulation Class (Classes F and H), which tolerate higher internal operating temperatures. Distance limits vary by product, but generally speaking there are two categories: shielded and unshielded cables. The former are usually limited to 150 meters while the latter can reach up to 300 meters.
Another interesting point that Diego highlighted was the lack of knowledge by general practitioners about some of the fundamental principles of frequency converters. In a simplified and summarized way, a frequency inverter is a drive device capable of controlling the speed of a three-phase asynchronous induction motor. The inverter converts the Alternating Current (AC) of the supply to the Direct Current (DC) of the output. The DC is then sent to the AC motor through high frequency pulses, usually between 1kHz and 16kHz, through the IGBTs that work as switches following a particular sequence. Diego noted that in some cases professionals inappropriately apply AC analysis to the DC part of the system, such as when measuring harmonics and AC voltage at the DC outputs (PWM) of the inverter.
Recurring failures in drive applications can be related to the chosen motor. When the torque limit is frequently reached, it is worth checking the motor sizing for the application in addition to the mechanical aspects of the application. Diego commented that a common error occurs in retrofit projects when the goal is to replace a DC motor with an asynchronous AC induction motor. These two motors have very different construction, functioning and critical properties such as moment of inertia. Therefore, a DC motor that had a power for a certain application would probably need an equivalent AC motor of greater power to supply the same demand.
4) Advanced Settings:
During improvement or troubleshooting projects, a technique that aids in data collection and analysis is to plot graphs of the motor and drive key values. Some of these quantities that are worth monitoring are:
Motor:
> Motor current (A, %) : Monitor current limits.
> Motor speed (RPM) : Low RPM may indicate overload.
> Motor power (kW) : For load monitoring for the application. The current can have a constant behavior depending on the load on the motor, so power monitoring can be interesting as it allows checking the voltage as a function of the load.
> Motor torque (Nm, %) : Monitor torque limits
> Motor consumption (kW.h) : For monitoring energy consumption
> Engine temperature (degrees C) : For engine monitoring
> Motor position (mm): For positioning applications with encoders mounted on the motor shaft that return signals to the inverter.
Inverter:
> Inverter output and command frequency (Hz) : For application monitoring
> DC bus voltage (V) : Especially for elevator applications.
> Temperature in the inverter IGBTs (degrees C): For application monitoring
> Brake Relay Activation: For monitoring the application in braking
Conclusions:
The purpose of this post is to share some practical points in the field of drive applications with frequency inverters. A big thank you to Diego for adding knowledge and sharing his experience in the field.
Leituras Suplementares / Further Readings:
[1] Livro: Acionamentos de Velocidade Variável, Autor: Nery de Oliveira Jr
[2] Livro: Acionamentos Elétricos, Autor: Claiton Moro Franchi
[3] Parte I do bate-papo com Diego Moreira
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