• Aterramento de eixo de motor pode aumentar a confiabilidade do mesmo, alimentado por inversor

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Falhas em rolamentos são a causa mais comum de falhas em motores. Cortesia da: Baldor

Inversores de frequência, úteis para economizar energia em muitas aplicações, podem causar falha prematura em motores, sem o aterramento adequado. Considere isto: À medida que um técnico de manutenção típico atende os pontos de interesse programados regularmente no topo de um edifício comercial ou unidade industrial típica, sua rotina é fazer a lubrificação de motores e verificar se há outros sinais de fadiga. Sem ferramentas de manutenção preventiva ou um software avançado de controle preditivo para servir de alerta, o técnico pode pensar, "Estou ouvindo aqueles motores cada vez mais altos, ou é apenas minha imaginação?"

Os sensores internos de um técnico experiente (audição) e o palpite (alarme preditivo), podem estar corretos. Ao longo do tempo os rolamentos têm registrado um desgaste prematuro, sem que ninguém perceba. Mas por quê?

Por que os motores falham?

Embora existam muitas causas diferentes para falhas em motores elétricos, a razão número um é sempre a mesma, por falha no rolamento. Motores industriais enfrentam tipicamente uma vasta gama de fatores ambientais que podem provocar efeitos prejudiciais para a vida útil do motor.

Embora a contaminação, umidade, calor ou carregamento incorreto possam causar certamente a falha prematura em rolamentos, um outro fenômeno que pode contribuir para a falha é a tensão em modo comum.

Tensão em modo comum

A maioria dos motores em funcionamento hoje opera com a tensão da rede, o que significa que são conectados diretamente à fonte de alimentação trifásica (através de uma chave de partida de motor), que alimenta o edifício. Como os aplicativos se tornaram mais sofisticados ao longo das últimas décadas, motores acionados por inversores de frequência variável (VFDs) tornaram-se mais predominantes. A vantagem de usar VFDs para acionar motores é fornecer controle de velocidade em aplicações, como: ventiladores, bombas e transportadores; e também operar a carga com a máxima eficácia para poupar energia. Uma desvantagem dos VFDs, no entanto, é o potencial da tensão em modo comum, que pode ser causada por um desequilíbrio presente entre as três fases da tensão de entrada do inversor.

A comutação de alta velocidade em inversores de tecnologia PWM (modulação por largura de pulso) pode ser problemática para os enrolamentos de um motor, e também para os seus rolamentos. O uso de um sistema de isolamento resistente a picos funciona bem para proteger os enrolamentos, mas quando o rotor vê um acúmulo de picos de tensão, a corrente procura o caminho de menor resistência para o terra: através dos rolamentos.

A leitura de um pico de tensão feita por osciloscópio mostra como um motor sofre a tensão de modo comum. Cortesia da: Baldor

Uma vez que os rolamentos do motor são lubrificados com graxa, o óleo da graxa forma uma película que age como um dielétrico. Com o tempo o dielétrico se rompe. À medida que os níveis de tensão aumentam no eixo, o desequilíbrio da corrente vai buscar o caminho de menor resistência através dos rolamentos. Isso causa a abertura de arco elétrico nos rolamentos, comumente chamado de EDM (eletro-erosão). Ao longo do tempo a ocorrência desse arco elétrico faz com que a superfície do rolamento se torne frágil, e pequenas partículas de metal se desprendam no interior do rolamento. Finalmente, essas partículas acham caminho entre as esferas do rolamento e as pistas do rolamento, causando um efeito de moagem que causa rugosidade e aparecimento de estrias (aumentando o ruído ambiente, a vibração e a temperatura do motor, ao longo do tempo). Alguns motores podem continuar funcionando, uma vez que o problema é progressivo. No entanto, dependendo da gravidade do problema, a destruição dos rolamentos do motor será inevitável, pois o dano já foi feito.

Fundamentada na prevenção

O que se espera em uma instalação é que o motor e o acionamento sejam instalados, cabeados, aterrados e programados conforme especificado pelo fabricante. A NEMA (National Electrical Manufacturers Association – associação comercial para o setor de motores e acionamentos) fornece um guia para auxiliar nas melhores práticas. Aplicações industrias tipicamente não experimentam essas dificuldades com rolamentos em motores alimentados por inversores. Entretanto, em algumas instalações, como prédios comerciais e áreas de manuseio de bagagens em aeroportos, nem sempre há um aterramento adequado.

A seção transversal de um rolamento de esferas ilustra o caminho típico da corrente, quando há uma falha do motor ao terra através dos rolamentos. Cortesia da: Baldor

Então, o que se deve fazer para desviar essa corrente dos rolamentos? A solução mais comum é adicionar um dispositivo de aterramento do eixo em uma extremidade do eixo do motor - especialmente em aplicações em que a tensão de modo comum prevaleça. Um aterramento de eixo é essencialmente um meio para conectar o rotor do motor ao terra através da carcaça do motor. Adicionar um dispositivo de aterramento do eixo ao motor antes da instalação (ou comprar um motor com um pré-instalado) pode ser bem mais barato do que os custos de manutenção associados a substituição do rolamento - sem mencionar os altos custos de parada em uma instalação.

Alguns tipos de dispositivos de aterramento de eixo são comuns hoje no setor. A velha e fiel escova de carvão, montada em um porta-escova, ainda é usada. Esses dispositivos parecem uma escova de carvão típica para CC, que basicamente estabelece a conexão elétrica entre a parte rotativa e a estacionária do circuito elétrico de um motor.

Um dispositivo relativamente novo no mercado é a escova de fibra do tipo anel. Esses dispositivos funcionam de forma semelhante a escova de carvão, mas com vários cordões de fibras condutoras de eletricidade, dispostas dentro de um anel em torno do eixo. A parte externa do anel permanece estacionária, tipicamente montada na tampa da extremidade do motor, enquanto as escovas deslizam na superfície do eixo do motor, desviando a corrente de forma segura através das escovas até o terra. Em motores maiores (acima de 100 CV), no entanto, independentemente do tipo de dispositivo de aterramento do eixo utilizado, recomenda-se, em geral, que um rolamento isolado seja instalado na extremidade oposta do motor onde o dispositivo de aterramento está instalado para assegurar que toda tensão no rotor seja descarregada através do dispositivo de aterramento.

3 dicas de instalação de inversores de frequência variável

Uma escova de carvão e o porta-escovas (mostrado na figura), ou um dispositivo de escova de fibra do tipo em anel, pode prevenir o aterramento através dos rolamentos. Cortesia da: Baldor

Três considerações para o técnico de manutenção ao tentar reduzir a tensão de modo comum em aplicações com VFD:

1) Certifique-se de que o motor (e o sistema do motor) está devidamente aterrado.

2) Determine o balanço da frequência da onda portadora que reduzirá os níveis de ruído, bem como o desbalanceamento da tensão.

3) Se um dispositivo de aterramento do eixo for considerado necessário, escolha aquele que funcione melhor para a aplicação.

Conceitos importantes

  • Inversores de frequência variável economizam energia.
  • VFDs podem causar tensão de modo comum e falhas ao terra através dos rolamentos, se não forem instalados corretamente.
  • O aterramento do eixo do motor pode ser a solução.

Considere isto

Além do aterramento adequado, seus sistemas de acionamento e motor mais importantes não deveriam incluir diagnósticos avançados?

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