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Os motores CA são amplamente utilizados em diversos setores, como produção industrial, transporte e casas inteligentes, devido às suas vantagens de estrutura simples, alta confiabilidade e baixo custo. A tecnologia de regulação de velocidade por frequência variável tornou-se o método principal para a regulação da velocidade de motores CA, pois permite um controle preciso da velocidade do motor e melhora significativamente a eficiência do uso de energia. No entanto, em aplicações práticas, os motores CA são propensos a superaquecimento e sobrecarga durante a regulação de velocidade por frequência variável, o que não só reduz a eficiência operacional do motor, como também pode encurtar sua vida útil e até mesmo causar falhas no equipamento. Esclarecer as causas desse fenômeno e tomar medidas de supressão específicas é de grande importância para garantir a operação estável e confiável dos motores CA.
1. Principais causas de superaquecimento e sobrecarga em motores CA durante a regulação de velocidade por frequência variável
A ocorrência de superaquecimento e sobrecarga em motores CA durante a regulação de velocidade por frequência variável resulta do efeito combinado de múltiplos fatores, cujas principais causas podem ser resumidas em três pontos: Primeiro, aumento das perdas harmônicas. A saída do inversor não é uma onda senoidal ideal, mas sim uma forma de onda de Modulação por Largura de Pulso (PWM), que contém um grande número de harmônicos de alta ordem. Esses harmônicos geram perdas harmônicas adicionais nos enrolamentos do estator, nas barras do rotor e no núcleo de ferro do motor, e essas perdas são convertidas em calor, levando a um aumento da temperatura do motor. Especialmente em condições de regulação de velocidade em baixa frequência, o conteúdo harmônico da tensão de saída do inversor é maior e as perdas harmônicas são mais acentuadas, o que pode facilmente causar superaquecimento e sobrecarga. Segundo, saturação magnética e aumento das perdas no ferro. Durante a regulação de velocidade por frequência variável, para garantir um fluxo magnético constante no motor, geralmente é adotada a estratégia de controle de “relação tensão-frequência constante”. No entanto, na faixa de baixa frequência, a queda de tensão na resistência do estator do motor é relativamente significativa; se nenhuma compensação de tensão for realizada, o fluxo magnético real será insuficiente. Por outro lado, a compensação excessiva causará saturação magnética, o que aumentará consideravelmente as perdas por histerese e por correntes parasitas (coletivamente denominadas perdas no núcleo de ferro). O aumento das perdas no núcleo de ferro intensifica diretamente o aquecimento do motor. Terceiro, diminuição da eficiência do sistema de refrigeração. O sistema de refrigeração de motores CA (como ventiladores) é geralmente conectado rigidamente ao eixo do motor, e seu volume de ar de refrigeração é proporcional à velocidade do motor. Sob a condição de baixa frequência da regulação de velocidade por frequência variável, a velocidade do motor diminui, a velocidade do ventilador diminui consequentemente, o volume de ar de refrigeração é bastante reduzido, o calor gerado pelo motor não pode ser dissipado a tempo e o acúmulo de calor faz com que a temperatura do motor aumente, acionando assim a proteção contra sobrecarga.
2. Medidas técnicas para suprimir o sobreaquecimento e a sobrecarga
Considerando os motivos acima, os seguintes meios técnicos podem ser utilizados para suprimir eficazmente o superaquecimento e a sobrecarga de motores CA durante a regulação de velocidade por frequência variável: Primeiro, otimizar a estratégia de controle do inversor para reduzir as perdas harmônicas. Por um lado, adotar a tecnologia de modulação PWM de alto desempenho, como a Modulação por Largura de Pulso Vetorial Espacial (SVPWM). Comparada à Modulação por Largura de Pulso Senoidal (SPWM) tradicional, a SVPWM pode reduzir eficazmente o conteúdo harmônico da tensão de saída do inversor e diminuir as perdas harmônicas. Por outro lado, implementar a compensação de tensão na faixa de baixa frequência. Calculando com precisão a queda de tensão na resistência do estator, aumentar adequadamente a tensão de saída do inversor para garantir um fluxo magnético constante e evitar o aumento das perdas no ferro causadas pela saturação magnética. Além disso, alguns inversores de alta gama são equipados com funções de supressão de harmônicos, que podem atenuar ainda mais o impacto dos harmônicos por meio de filtros integrados. Segundo, aprimorar o sistema de refrigeração do motor para aumentar a eficiência da dissipação de calor. Para motores que operam em baixas frequências por longos períodos, pode-se utilizar um ventilador de refrigeração com acionamento independente. O ventilador é alimentado por uma fonte de alimentação dedicada, não sendo afetado pela velocidade do motor, garantindo um volume de ar de refrigeração estável em qualquer velocidade. Ao mesmo tempo, a estrutura de dissipação de calor do motor pode ser otimizada, por exemplo, aumentando o número de dissipadores de calor, utilizando materiais de alta eficiência para dissipação de calor ou instalando dispositivos de refrigeração forçada (como tubos de água de refrigeração e ventiladores de dissipação de calor) na carcaça do motor para melhorar a eficiência da transferência de calor. Em terceiro lugar, selecione motores especiais de frequência variável para atender aos requisitos de regulação de velocidade desde a sua origem. Os motores especiais de frequência variável são projetados considerando as características da regulação de velocidade por frequência variável, adotando menor resistência do estator, melhores materiais para o núcleo de ferro e estruturas de enrolamento que podem reduzir efetivamente as perdas harmônicas e as perdas no ferro. Ao mesmo tempo, seus sistemas de refrigeração são, em sua maioria, projetados independentemente para garantir a dissipação de calor em diferentes velocidades. Comparados aos motores CA comuns, os motores especiais de frequência variável apresentam um desempenho significativamente melhor em condições de regulação de velocidade por frequência variável, além de maior capacidade de sobrecarga. Em quarto lugar, monitoramento em tempo real e proteção inteligente para prevenir riscos de sobrecarga. Instale sensores de temperatura e corrente no sistema de controle do motor para monitorar em tempo real parâmetros-chave, como a temperatura do enrolamento do motor e a corrente do estator. Quando a temperatura monitorada exceder o limite ou ocorrer uma sobrecarga de corrente, o inversor tomará automaticamente medidas de proteção, como redução de frequência e redução de carga, para evitar danos ao motor causados pelo superaquecimento. Ao mesmo tempo, a distribuição dinâmica e equilibrada das cargas pode ser alcançada por meio da otimização algorítmica do sistema de controle.Reduzindo a probabilidade de o motor operar sob condições de carga pesada por um longo período de tempo.
Em resumo, o superaquecimento e a sobrecarga de motores CA durante a regulação de velocidade por frequência variável são causados principalmente pelo aumento das perdas harmônicas, saturação magnética com consequente aumento das perdas no ferro e diminuição da eficiência de refrigeração. Ao otimizar a estratégia de controle do inversor, aprimorar o sistema de refrigeração, selecionar motores de frequência variável específicos e implementar monitoramento e proteção em tempo real, entre outros meios técnicos, esse problema pode ser efetivamente suprimido, garantindo a operação estável, eficiente e confiável dos motores CA em condições de regulação de velocidade por frequência variável, prolongando a vida útil do equipamento e melhorando a economia e a segurança de todo o sistema de transmissão.
