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MOTORES ALIMENTADOS POR INVERSORES DE FREQÜÊNCIA:O ISOLAMENTO RESISTE?

Mario Célio Contin – marioc@weg.com.brDepto.Pesquisa e Desenvolvimento (P&D)

WEG Motores Ltda

RESUMOCom o uso cada vez mais difundido de inversores defreqüência nas aplicações com variação de velocidade,uma nova preocupação surge para os fabricantes eusuários de motores elétricos: o isolamento resiste? Defato, os altos e freqüêntes picos de tensão provocados peloinversor podem levar à ruptura do dielétrico isolante,requerendo o uso de melhores sistemas de isolamento emateriais mais resistentes à degradação. Os fenômenosfísicos envolvidos, bem como toda a problemática desteassunto, estão apresentados neste trabalho.

1. INTRODUÇÃO

Nos últimos anos tem sido verificado o que parece seruma tendência irreversível, em vista das vantagensoferecidas, o acionamento de máquinas com controlede velocidade através do uso de motores de induçãode gaiola, alimentados por inversores de freqüência(retificador + inversor). Este sistema tem adquiridomuita força em função da rápida evoluçãotecnológica e redução de custos das fontes eletrônicaschaveadas do tipo PWM (Modulação por Largura dePulso). Mas, em função desta evolução, a qualpermitiu um aumento considerável no rendimento dosmotores, em virtude das melhorias obtidas na formade onda modulada de saída destes inversores, criou-seum problema adicional, relativo ao sistema deisolamento dos motores. Com o aumento davelocidade de chaveamento e freqüência de pulsaçãodos inversores melhorou-se o espectro da ondamodulada de saída, reduzindo o conteúdo deharmônicos e incrementando com isto o rendimentodos motores. Porém com o chaveamento mais rápidoque com o uso de semicondutores do tipo IGBT jáatinge tempos para comutação de tensão da ordem de0.1µs e até menores, originou-se uma nova questãovital causada pelos altos gradientes de potencialdesenvolvidos nos enrolamentos [1].

Então devido a isto, o que pode ser classificado comoum “mal necessário”, em virtude da urgência darápida evolução tecnológica que o mundo modernoprecisa e exige, ficou o problema relativo ao sistemade isolamento, onde em alguns casos, para preservara vida útil dos motores, pode ser necessário o uso desistemas isolantes mais complexos e caros ao invésdos convencionais praticados até então. Esta tem sidoa partir daí, para fazer frente às necessidades

tecnológicas surgidas, uma das principaispreocupações dos grandes fabricantes de motores.Para a busca da solução para este problema, énecessário um grande investimento, abrangendodesde o entendimento físico mais completo dosfenômenos envolvidos, até a concepção de materiais,métodos, técnicas de medição e processos quepermitam resolvê-lo, respeitando os princípiostécnico-econômicos.

2. CAUSAS PRINCIPAIS QUE PODEMLEVAR O ISOLAMENTO À RUPTURA

O sistema de isolamento de um motor de indução,quando alimentado por inversor de freqüência, ficasubmetido a uma multiplicidade de fatores adversosque podem levar à ruptura de sua integridadedielétrica, ou seja, podem provocar o rompimento dodielétrico isolante, levando a máquina à falhaprematura. A degradação do sistema isolante podeocorrer devido a causas térmicas, elétricas oumecânicas, ou por uma combinação de todos estefatores.

Atualmente, com o uso generalizado de motoresacionados por inversores de freqüência, o foco doproblema tem se voltado sobretudo para asuportabilidade do isolante dos fios, trazendo a tonaimportantes questões sobre cuidados e melhoriasnecessárias, visto que estes ficam submetidos a altospicos de tensão, provocados pela rapidez docrescimento dos pulsos gerados pelo inversor(rise time), bem como pela alta freqüência com queestes picos são produzidos.Com isto, atenção especial deve ser dada ao “risetime” e à “freqüência de pulsação” dos inversoresde freqüência. A fig.1 apresenta as formas de onda datensão sobre o conjunto motor-inversor.

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Fig.1 Esquema básico de acionamento de motor deindução através de inversor PWM, com respectivaseqüência característica de tensões elétri cas.

3. INFLUÊNCIA DO RISE-TIME (dV/dt)

Devido à rapidez do crescimento do pulso de tensão(dV/dt) emitido pelo conversor ao motor , a(s)primeira(s) espira)s) da primeira bobina de uma dadafase fica(m) submetida(s) a um alto valor de tensão.Com isto o “rise time” tem influência direta notempo de vida útil do sistema isolante, ou seja, quantomenor o tempo de crescimento do pulso (rise timemenor) maior será o nível de tensão originado entreespiras (primeiras espiras) e consequentemente maisrápida a degradação do sistema de isolamento domotor.

Os fenômenos que interagem são semelhantes aosque ocorrem com os chamados impulsos elétricos,onde um pulso enviado pelo inversor penetra noenrolamento do motor. A frente de onda deste pulsotem uma importância vital, pois sua taxa decrescimento (dV/dt) determina o valor da d.d.p.(diferença de potencial) nas primeiras espiras poronde irá passar. O circuito elétrico equivalente, poronde esta onda penetra, é constituído de indutâncias ecapacitâncias distribuídas, formadas por trechosrespectivamente do enrolamento e sistema isolante domotor. Esta rapidez no crescimento da frente de ondase deve à grande velocidade de operação dosdispositivos de chaveamento dos inversores(T iristores SCR, T iristores GTO, Transistores IGBT),os quais estão se tornando cada vez mais rápidos.

Com tudo isto, em função do “rise time”, mostradona fig.2, o sistema de isolamento fica submetido aaltos gradientes de potencial elétrico, exigindo dosisolantes características dielétricas superiores.

Fig.2 Tempo de crescimento dos pulsos (rise time)

4. PARÂMETROS E GRANDEZASEQUIVALENTES

Os pulsos repetitivos (trem de pulsos) mesmo sendocada um individualmente de curta duração, causamum efeito cumulativo, o qual dependendo do projetodo sistema de isolamento do motor pode abreviarsubstancialmente a vida útil deste. Tendo em vista asignificância do assunto, particularmente porque eleafeta a vida útil do isolamento, há a necessidade deum estudo dirigido para as relações entre indutânciasdistribuídas, capacitâncias distribuídas, impedânciascaracterísticas, e assim por diante, tudo enfim que éimportante para o entendimento das tensõesimpulsivas originadas [5].

O enrolamento estatórico por fase é uma estruturaiterativa, isto é, há uma repetição de elementossimilares ao longo de seu comprimento. Oenrolamento é então composto de indutoresdistribuídos formando reatâncias em série ao longodo comprimento e capacitâncias distribuídas contra amassa (terra) e entre espiras, formando reatâncias emparalelo. Adicionalmente existem ainda asresistências elétricas próprias dos enrolamentosdistribuídas em série, bem como as resistênciaselétricas do sistema isolante distribuídas em paralelo.Além disso, há as reatâncias mútuas entre as bobinascomponentes deste enrolamento por fase, bem comoentre fases do enrolamento. Um circuito equivalentepor fase poderá ser conforme o mostrado na fig.3.

Fig.3 Circuito equivalente para propagação dos pulsosno motor

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ondeL= Indutância de surto, por unidade de comprimento, [H/m]R= Resistência elétrica própria do enrolamento por unidade de comprimento, [Ω/m] Cim= Capacitância de surto contra a massa, por unidade de comprimento, [µF/m]Cie= Capacitância de surto entre espiras, por unidade de comprimento, [µF/m]Ri= Resistência elétrica do sistema isolante, por unidade de comprimento, [Ω/m]

É importante assinalar que as reatâncias distribuídaspor unidade de comprimento são diferentes nasregiões das ranhuras e nas cabeças de bobinas, porcausa da diferença na configuração destas regiões,bem como devido a que a porção dentro das ranhurasestá embebida no ferro, o que lhe confere maiorindutividade.

Para efeitos de simplificação seja considerado que aresistência em série (R ) é pequena comparada com areatância em série (L) e que a resistência elétrica dosistema isolante em paralelo seja muito maior do quea reatância capacitiva contra a massa. Ainda parasimplificação seja considerada uma capacitânciaresultante entre “Cie” e “Cim”, C = 2 . (Cie + Cim) [µF/m]

O circuito equivalente resultante será então conformea Fig. 4.

Fig.4 – Circuito equivalente simplificado, parapropagação dos pulsos.

Com isto a impedância característica (ou impedânciade surto) resultante de um grande número deimpedâncias elementares ligadas consecutivamenteem série, pode ser calculada em função de somenteum elemento. Desta forma Ter-se-á a equação

CLZo= [OHMS]

a qual é independente da freqüência.A velocidade de propagação dos pulsos que entramnos terminais do motor, através do enrolamento será

LC

V 1= [m/s]

Os valores de L e C usados na determinação de Zodevem ser originados de uma ponderação entre aspartes do enrolamento embebida pelo ferro (ranhuras)e a das cabeças de bobinas, ou seja, deve ser dado odevido “peso” conforme a parcela de contribuiçãoque cada uma tem nos parâmetros resultantes.

5. INFLUÊNCIA DO CABOALIMENTADOR ENTRE INVERSOR EMOTOR

a) Reflexão das ondas incidentes:

Cabos suficientemente longos podem apresentar, emfunção do rise-time (tempo de crescimento do pulsotr) e da freqüência de pulsação, um comportamentotal como uma linha de transmissão, onde aparecem asondas incidentes e refletidas de tensão (ver fig.1) [4].É importante salientar que com os pequeníssimosrise-times (tempos de crescimento da tensão dopulso) dos conversores modernos, um comprimentode cabo relativamente pequeno já pode apresentareste comportamento.

O tempo de crescimento dos pulsos de tensão nosterminais do motor depende do processo de controledo conversor, da velocidade de operação doscomponentes utilizados (chaveamento) e doscomprimentos dos cabos entre motor e inversor [2].Os pulsos (trem de pulsos), na saída do inversor,percorrem como ondas progressivas o comprimentodo cabo com impedância característica Zc e sãorefletidos nos bornes do motor por causa da maiorimpedância característica Zo deste. Com isso aamplitude de tensão nos bornes do motor ficaaumentada de um certo valor em função destareflexão.

Em função das impedâncias características do motore do cabo, o fator de reflexão é dado por

ZcZo

Zor

+=

2 [pu]

o qual ocorre quando o tempo de crescimento dopulso tr de tensão imposto pelo conversor, é menorque o dobro do tempo de percurso da onda de tensãoatravés do cabo [2,6].Com isto a tensão nos bornes do motor será

UdcrU M .= [V]ondeUdc = tensão cc do circuito intermediário (saída do retificador), [V] NUUdc .2≅ [V]UN = tensão nominal de saída do conversor (harmônica fundamental),[V]Portanto NM UrU .2.= [V]

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A máxima reflexão ocorre quando

Vclc

tr .2= [µs]

ondelc = comprimento do cabo,[m]Vc = velocidade da onda no cabo,[m/µseg]

Portanto, o valor da reflexão “r” da onda incidente,bem como a tensão resultante nos bornes do motorUL, depende da impedância característica do cabo edo tempo de crescimento do pulso (rise time)chaveado pelo conversor.

b) O ver shoot na entrada do motor devido à indutância do cabo:

Seja considerado que o cabo alimentador entre oinversor e o motor apresenta uma indutância própriade valor Lc. Pela lei de Lenz poder-se-á ter a seguintetensão auto induzida no cabo em função da variaçãoda corrente.

dtdi

.LcU −=∆ [V]

Fig. 5–Tensão auto induzida no cabo (∆∆∆∆U).

Dependendo do ângulo de defasagem da corrente notempo em relação à tensão, Ter-se-á um acréscimoresultante nos bornes do motor maior ou menor.Fasorialmente, tem-se: UUrU NM ∆+= .2. [V]

Supondo um ângulo de defasagem para a onda de

corrente “ i” de 2π

radianos em atraso, quando esta

estiver decrescendo, a onda de tensão estará

aumentando. Com isto a derivada

dtdi

será negativa

e o resultado ∆U será positivo e somar-se-á ao valortotal para UM. Para efeito de simplificação,considerando que ∆U esteja em fase com o pulso( NUr .2. ), resulta

NU

UOS

2∆

= [pu]

NNM UOSUrU .2..2. += [V]

onde OS = fator de over shoot devido à indutância própria do cabo.

Portanto o pulso de tensão nos terminais do motor,em função da reflexão da onda incidente e em funçãoda indutância própria do cabo (over shoot), será: UU NM OSr ⋅⋅+= 2)( [V]

6. GRADIENTE DE POTENCIAL NOSENRO LAMENTOS

Os rápidos tempos de comutação associados ao tremde pulsos que ocorre de maneira continuada, fazemcom que o esforço sobre o sistema isolante seja muitoelevado. Os esforços que o isolamento sofre podemser comparados com os produzidos por ondasprogressivas de descargas atmosféricas (raios), com adiferença fundamental de que neste caso não setratam de ocorrências aleatórias e eventuais, mas queacontecem continuadamente na alta freqüência depulsação (chaveamento) [2, 7].Com isto as taxas de crescimento da onda de tensãorelativamente às distâncias de isolamento, ou seja, osgradientes de potencial nas diversas partes do sistemaisolante assumem uma proporção muito grande,tornando-se decisivos, visto que os tempos paraocorrer a degradação dos materiais isolantes econsequentemente a vida útil, dependemgrandemente destes gradientes.

Os gradiente de potencial podem ser separados emtrês tipos distintos:

a) Contra a massa (núcleo magnético / carcaça)Este gradiente ocorre principalmente no interior dasranhuras, sendo devido à diferença de potencial entreos condutores e a massa (pacote de chapas oucarcaça). O sistema de isolamento para este caso écomposto pelo filme isolante que envolve a parteinterior da ranhura mais a espessura do isolante emtorno dos fios condutores. Na prática eprincipalmente para um sistema de enrolamentosrandômicos (baixa tensão), pode ser acrescentadoainda algum trecho do sistema isolante compostotambém pelo material impregnante, ou até por algumindesejável espaço de ar.

b) Entre espirasO gradiente de potencial entre as espiras, em funçãoda rapidez do crescimento de cada pulso do trem depulsos do inversor, constitui-se num caso vital para osistema de isolamento. Este gradiente depende dasespiras que se encontram colocadas justapostas, ou

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seja, de quais sejam as espiras colocadasimediatamente próximas.É esperado que a primeira (ou primeiras) espira(s) daprimeira bobina tenha(m) a maior ddp relativamenteàs demais e que dependendo de sua vizinhançaimediatamente próxima poder-se-á ter até o máximopotencial do pulso entre estas espiras. Algumaincerteza ocorre com os enrolamentos randômicos,dada a aleatoriedade nas posições espaciais relativasde cada espira, dentro de uma mesma ranhura.O sistema de isolamento para este caso é compostopelos isolantes em torno dos fios, o qual para o casode duas espiras justapostas corresponde à soma dasespessuras dos isolantes em torno de cada fio. Osistema genericamente pode conter ainda, além dosisolantes dos fios, também o material isolante daimpregnação e até algum indesejável espaço de ar.

c) Entre fasesNeste caso o gradiente de potencial depende dadiferença de potencial entre os condutores adjacentesde cada fase. Ocorre principalmente nas cabeças debobinas onde a proximidade entre as fases é maior,sendo separadas em algumas posições somente porum filme isolante específico. O sistema isolantecorrespondente é então formado por este filmeisolante específico entre fases mais duas vezes oisolante em torno de cada fio justaposto, podendoconter ainda o material de impregnação e algumespaço de ar.

7. INFLUÊNCIA DA FREQÜÊNCIA DEPULSAÇÃO

Associada aos efeitos originados pelo rápidocrescimento dos pulsos está a freqüência com queestes pulsos são produzidos. Ao contrário dosimpulsos provenientes de manobras de rede, os quaissão eventuais, neste caso trata-se de um trem depulsos que é mantido numa freqüência determinada.Esta freqüência nos dias atuais, em função da rápidaevolução da eletrônica de potência, atinge valores daordem de 20kHz. Quanto maior a freqüência depulsação do conversor mais rápida será a degradaçãodo sistema isolante. A dependência do tempo de vidaútil do isolamento em função da freqüência depulsação, não é uma relação simples, conforme podeser obtido de pesquisas experimentais.

Então, de resultados empíricos, obtidos através deexperiências práticas, pode-se concluir que abaixo de5 kHz o tempo de vida do isolamento é inversamenteproporcional à freqüência, ou seja, TL=A/f, onde “A”é uma constante e “f” a freqüência de pulsação. Jápara freqüências de pulsação acima de 5kHz o tempode vida útil é proporcional ao inverso do quadrado da

freqüência, isto é, TL=B/f2, onde “B” é outraconstante [3].

8. DESCARGAS PARCIAIS

As descargas parciais também conhecidas comoefeito “corona” resultam do rompimento da rigidezdielétrica do ar contido em espaços vazios (Voids)dentro do sistema de isolamento sólido de um motor.A este tipo de descargas, originárias destes espaçosvazios (Voids), dá-se o nome de descargas parciais devolume. Além disso existem descargas parciaisoriginadas na superfície dos isolantes, as quais sãochamadas de descargas parciais de superfície.Havendo descargas parciais num sistema isolante nãosignifica a falha imediata do isolamento. Orompimento da rigidez dielétrica do ar pelo campoelétrico resulta na formação de ozônio e óxido nítrico.Longas exposições às descargas parciais causarãodeterioração nos materiais isolantes, sendo que otempo necessário para ocorrer uma falha completa éuma função de cada material em particular [5].

Fig.6 – Descargas parciais contra a massa, medidasatravés de osciloscópio de alta freqüência e filtro LCsérie e paralelo.

Cavidades com ar dentro do volume de um materialsólido ou nas interfaces das superfícies separadoras,constituem-se numa importante fonte de problemaspara um sistema de isolamento. Devido à tensãoelétrica submetida ao sistema, originar-se-ão camposelétricos nas cavidades de ar. Se este campo elétricoultrapassar um certo valor limiar, o qual é função dascondições do ar local (temperatura, umidade,comprimento do gap,...) dar-se-á início às descargasparciais. Estas descargas causam a degradação dosmateriais e podem conduzir a uma falha completa nosistema isolante.

A diferença na permissividade elétrica do ar,relativamente aos materiais sólidos, facilita aformação de altos gradientes de potencial sobre estesespaços de ar, os quais podem ultrapassar os valoreslimiares e conduzir às descargas parciais. O resultadopode ser a erosão com a criação de caminhos

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condutivos (tracking) na superfície dos materiaisisolantes. Adicionalmente pode ocorrer, em função daumidade e/ou das impurezas algum efeito deeletrólise, com conseqüente mobilização de cargasiônicas. A deterioração surgida, bem como o temponecessário, dependerão das características químicasde cada caso particular de material [8].

Tanto os cálculos como as medições experimentaisdemonstram que os valores limiares de tensão elétricapara início das descargas parciais tornam-se maioresquanto maiores forem as espessuras dos materiaisisolantes sólidos. O tempo para o rompimento dodielétrico de um sistema de isolamento depende daintensidade das descargas parciais, da tensão limiarpara início das descargas, das espessuras dosmateriais isolantes envolvidos e da resistência àerosão de cada material em particular. As tensõeslimiares e consequentemente a vida útil serão maiorestambém em função da qualidade da impregnação dasbobinas do enrolamento. Esta qualidade depende domaterial impregnante, bem como da porcentagem desólidos retidos preenchendo os espaços entre os fioscondutores. Conforme pesquisa realizada naUniversidade Técnica de Dresden (Alemanha), nãohavendo descargas parciais, mesmo para períodos defuncionamento da ordem de dois anos, sobtemperaturas normais de trabalho, não se observanenhum rompimento do dielétrico do sistema deisolamento [1]. Isto nos conduz a que períodossatisfatórios de vida útil podem ser atingidos se asdescargas parciais no sistema de isolamento doenrolamento forem evitadas.

Para uma avaliação experimental que possa conduzira uma previsão da vida útil esperada do motor,podem ser usados ensaios de descargas parciais.Nestes ensaios são medidas as tensões limiares parainício e extinção das descargas e é feita a contagemdo número de cargas (normalmente em picoCoulombs) provenientes destas descargas em funçãode diferenças de potencial previamente estabelecidas(1.25, 1.5, 2.0, 2.5 kV), aplicadas no sistema isolantecontra a terra (núcleo magnético e carcaça). O ensaioé feito com cada fase individualmente, onde quandouma dada fase estiver sendo ensaiada as demaispermanecem aterradas. Desta forma o ensaio verificatambém a interação entre as fases, detectando ascargas correspondentes.

As cabeças de bobinas, particularmente na curva logoapós a parte reta que sai das ranhuras (Núcleo), emfunção desta configuração diferente, apresentam umponto de fraqueza por onde pode dar-se início àsdescargas parciais. Isto se deve à rápida variação dageometria na região da curva, logo após a parte reta,por onde se originam grandes gradientes de potencial

contra a massa (núcleo magnético). Para evitar isto énecessário alongar suficientemente o comprimento daparte reta e ainda para casos mais críticos,particularmente para motores de alta tensão (> 600V),pode ser necessário evitar curvas bruscas, fazendo-asentão com adequados valores de raios geométricos.

Para maiores altitudes (acima de 1000m) o ar torna-semais rarefeito, reduzindo consequentemente astensões limiares para início das descargas parciais. Énecessário, portanto, considerar a altitude, visto que arigidez dielétrica do ar diminui à medida que aaltitude aumenta.

9. INFLUÊNCIA DA TEMPERATURA.

A altas temperaturas a resistência aos esforços entreespiras é grandemente reduzida [3].Os isolantes dosmotores são normalmente sujeitos a temperaturas quepodem chegar a valores da ordem de 155º C (classeF). Com o aumento da temperatura a permissividadeelétrica dos materiais isolantes aumenta, deixandomaiores campos elétricos sobre os espaços de ar entreas partes isolantes. Ainda com a elevação datemperatura cai a rigidez dielétrica do ar devido àredução de sua densidade de massa [1]. Com isto atensão limiar para início de descargas parciaisdiminui cerca de 15 a 20%, comparada com seu valorà temperatura ambiente.Portanto, temperaturas mais altas podem provocar umenvelhecimento mais rápido do sistema de isolamentodos motores.

10. SISTEMA DE ISOLAMENTO.

Devido aos efeitos extras originados pela pulsaçãodos conversores, quando alimentando motoreselétricos, o sistema de isolamento convencional, oqual tem sido usado com amplo sucesso em todos oscasos de alimentação com fontes senoidaistradicionais (50/60Hz), pode não atender aosrequisitos necessários para este tipo de alimentação.Neste caso o sistema de isolamento deve ser feitocom materiais mais resistentes à degradação (erosão)quando submetidos a elevados campos elétricos eterem os espaços entre as espiras (fios) devidamentepreenchidos com material impregnante sólido,evitando a presença de espaços de ar econsequentemente as descargas parciais. O materialde uma das camadas das paredes isolantes dos fios,para os casos mais críticos, pode conter óxidosmetálicos (óxido de T itânio, por exemplo) os quaisfuncionam como espalhadores de cargas, nãodeixando que eventuais descargas parciais sechoquem sempre contra o mesmo ponto sobre omaterial isolante. Desta forma esta camada de óxido

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metálico torna o fio resistente ao ataque de descargasparciais e consequentemente protege o sistema deisolamento de degradações prematuras [9].

Portanto o sistema de isolamento para motoresalimentados por conversores de freqüência(retificador + inversor), os quais ficam submetidos aelevados gradientes de potencial entre espiras, entrefases e contra a massa. Devem ser construídos commateriais isolantes mais resistentes à degradação emfunção destes campos elétricos e devem serimpregnados através de sistemas que depositem umagrande porcentagem de material sólido parapreencher os espaços entre os fios, no interior dasranhuras e cabeças de bobinas, evitando assim aformação de descargas parciais.

As contaminações tais como óleos, sais, ácidos,graxas, poeiras, detergentes, desinfetantes, pósmetálicos, etc, especialmente quando combinadoscom a umidade ambiente, reduzem drasticamente arigidez dilétrica. Isto facilita a formação de caminhoscondutores (tracking) provocando a redução nastensões limiares para início de descargas parciais.Com isto o isolamento entre espiras, entre fases econtra a massa pode ficar grandementecomprometido. Para evitar este tipo de problema asolução é manter os motores longe das contaminaçõesou usar motores totalmente fechados quando osambientes forem contaminantes. Para evitar aformação de água condensada (umidade) é necessárioequipar com aquecedores de parada, sobretudoquando o motor permanecer parado por várias horasseguidas.

11. VIDA ÚTIL EFETIVA DOS MOTORES:

Conforme mostrado até aqui, as causas e influênciasque dão origem ao envelhecimento do sistemaisolante dos motores de indução, quando alimentadospor conversores de freqüência, são múltiplas edependentes também de condições aleatórias ou pelomenos estatísticas, sobretudo para o caso dosenrolamentos randômicos, os quais correspondem àgrande maioria.

“Envelhecimento” significa uma mudança nociva àcapacidade de isolar do sistema isolante. A naturezadesta mudança pode ser muito variada. Aspropriedades de um sistema isolante, as quais sãoinfluenciadas pelo envelhecimento, dependem do tipode esforço (stress) e do tipo de material que estásendo usado. Os esforços que produzemenvelhecimento, chamados de “fatores deenvelhecimento”, podem ser divididos normalmenteem quatro tipos básicos: Elétricos, térmicos,mecânicos e ambientais [8].

A falha efetiva do sistema isolante significa orompimento da rigidez dielétrica dos isolantessólidos, colocando em curto-circuito as partesenergizadas. A vida útil efetiva pode ser determinadamedindo o tempo necessário para o rompimentocompleto do dielétrico do sistema isolante. Fazendoisto em tempo real tornar-se-ia muito exaustivo,considerando que seja esperado uma duração normalde alguns anos. Por isto, o processo deenvelhecimento normalmente é acelerado emlaboratório de testes, para reduzir o tempo de vida.Isto é feito usualmente aumentando a amplitude dotipo de esforço estressante sob estudo. Quando sãodisponíveis dados suficientes de envelhecimento,aspectos estatísticos podem ser considerados.Acelerando o processo de envelhecimento para umdado tipo de esforço (stress) é possível que um outrotipo de esforço que também cause envelhecimentopasse a ser dominante, ou ainda que as mudanças noprocesso de envelhecimento sejam não lineares emfunção do aumento da amplitude estressante. Destaforma, as extrapolações devem ser feitas com muitaprudência, visto que podem conduzir a resultadoserrados.

Os ensaios de envelhecimento, diante dasdificuldades apresentadas, tem sua validade maisdirigida para efeitos comparativos, visto que nestescasos nenhuma extrapolação precisa ser feita e osmateriais, métodos e processos podem sercomparados em condições idênticas.

Os sistemas isolantes, os quais são expostos adiversos fatores estressantes podem, adicionalmenteao envelhecimento produzido por cada fator,experimentar o envelhecimento devido aos efeitos dasinergia. Os efeitos da sinergia são devidos àinteração entre os diferentes fatores estressantes [8].

Portanto, a estimativa do tempo de vida útil efetiva deum dado motor, em função da multiplicidade defatores estressantes, é uma tarefa altamentecomplexa, onde interagem os efeitos devidos àsvariações nos processos construtivos, aqueles emfunção das reações físico-químicas dos materiaisisolantes envolvidos, a temperatura e todos os fatoresambientais relacionados com as contaminações eumidade. Além disso, em função das interrelaçõesentre os diversos fatores estressantes, aparece o efeitoda sinergia. Diversos modelos foram criados pararepresentar o comportamento de cada fatorestressante e permitir avaliar o tempo de vidaesperado. O cálculo teórico através da aplicação dasequações que governam os diversos fatoresestressantes, em função da complexidade, se nãopermite exatamente estimar a vida útil esperada de

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forma absoluta, pelo menos permite tirar conclusõescomparativas valiosas, já que pode mostrar astendências esperadas para cada caso.

12.FILTROS DE AMORTECIMENTO.

Há duas maneiras básicas para reduzir ou aliviar osefeitos estressantes sobre o sistema isolante: aprimeira é aumentando a resistência dos fios aosefeitos dos altos gradientes de potencial, conformecomentado no item 10, e a segunda é através do usode filtros amortecedores, sobre os quais estar-se-áabordando em seguida.

O método mais simples de filtragem é inserir em sériecom os cabos, entre inversor e motor, um adequadovalor de reatância indutiva, a qual atua comolimitadora de variação de corrente filtrando a onda ereduzindo o ruído. Este método afeta a performancedos transitórios do conversor além de ser volumoso ecaro.Através de filtros passa baixo de primeira ordem R-C,aplicados na entrada do motor, as sobretensõesimpulsivas e as taxas dv/dt podem sersignificativamente reduzidas. Com isto ascomponentes de reflexão serão grandementeatenuadas, bem como serão reduzidos os gradientesde potencial e conseqüentemente os esforçosestressantes causadores de envelhecimento.

Juntando os dois tipos de filtros anteriores pode-seformar um filtro RLC, onde a indutância L é colocadaem série e o conjunto R-C em paralelo. Instalandoestes filtros tornam-se permissíveis comprimentos decabos bastante aumentados relativamente à condiçãosem filtros.

Fig.7 Filtragem através de indutância L em série eimpedância RC em paralelo.

Devido a condições técnico-econômicas os filtrosficam normalmente restritos aos projetos paragrandes acionamentos. Para aplicações que utilizammotores pequenos e médios, além de não usar filtros,em geral os usuários preferem utilizar motores defabricação em série, mantidos em estoque, os quaistanto podem ser alimentados por fontes senoidais(50/60Hz) quanto por conversores (PWM). Nestes

casos, portanto, a eficiência do sistema deimpregnação é fundamental para garantir umasuficiente vida útil a estes motores, bem como, noscasos mais críticos, o uso de fios especiais, maisresistentes à degradação, pode ser necessário.

13.REFERÊNCIAS BILBIOGRÁFICAS:

[1] Failure mechanism of the interturn insulation Lowvoltage Eletric Machines Fed by pulsecontrolled invertersM. Kaufhold, F. Börner, M. Eberhardt and J. Speck.

[2] Beansprunchung der Wicklungsisolie rung vonDrehstrommaschinen etz Bd. 114(1993) Heft 17.

[3] Dieletric integrity of magnet wire insulations undermulti-stresses. Improved magnet wire for inverter fedmotorsRevista APPLIANCE Jan/1996.

[4] Application Issues for PWM Adjustable speed ACmotor drivesA. Von. Jouanne, P. Enjeti, and W. Gray.

[5] Polyphase Induction Motors Analysis, Design, andApplicationPaul. Cochran

[6] Zulässige Spannungs beanspruchung derWicklumgsisolierung von Drehstrom-Norm-Motoren beiSpeisung durch PulsumrichterH. Auinger, Frankfurt.Elektrie, Berlin 48 (1994).

[7] Esforços sobre isolamento do enrolamento alimentadopor conversor.Melhoramento do isolamento.Obering H. Greiner.EMA 3/96.

[8] Multifactor Ageing Models – origin and similarities.Anne Cathrine Gjaerde.Norwegian Electric Power Researdh Institute (EFI).

[9] A New partial discharges resistant wire enamelinsulation for rotating machines.A. Björklund, C. Fröling G. Svensson.The 7th BEAMA international Electrical insulationConference.