BRPI0608660A2 - disposição com uma máquina de corrente trifásica e um conversor de freqüência - Google Patents
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Abstract
DISPOSIçãO COM UMA MAQUiNA DE CORRENTE TRIFASICA E UM CONVERSOR DE FREQUENCIA Uma disposição com uma máquina de corrente trifásica e um conversor de freqúência contém as seguintes características: a máquina de corrente trifásica abrange um estator e um rotor, sendo que pelo menos os três circuitos de corrente do estator e/ou do rotor podem ser operados de uma maneira isolada um com relação ao outro para as três fases de correntetrifásica e podem ser conectados de uma maneira isolada um com relação ao outro com um respectivo ponto de conexão separado do conversor defreqúência, e o conversor de freqúência é de tal maneira configurado com um circuito intermediário de tensão contínua ou corrente continua, aterrado no ponto central, que uma tensão de corrente elétrica que é simétrica comrespeito ao potencial de terra pode ser fornecida a qualquer instante entre os dois pontos de conexão associados a cada circuito.
Description
"DISPOSIÇÃO COM UMA MÁQUINA DE CORRENTE TRIFÁSICA EUM CONVERSOR DE FREQÜÊNCIA"
Descrição
A invenção refere-se a uma disposição com uma máquina decorrente trifásica e um conversor de freqüência.
Uma conhecida disposição com um motor de corrente trifásicae um conversor de freqüência tem uma aparência, por exemplo, como segue:o motor de corrente trifásica abrange um rotor e um estator, sendo que o rotoré montado giratório com relação ao estator sobre mancais. Neste caso, osanéis externos dos mancais são conectados de forma condutora de eletricidadecom uma carcaça de motor do motor de corrente trifásica, sendo que a carcaçade motor é conectada novamente com um ponto de aterramento através deuma linha de aterramento de proteção, com o qual o conversor de freqüênciatambém está conectado. Além disto, o rotor do motor de corrente trifásicapode ser conectado com um eixo de uma máquina de acionamento acionadapelo motor de corrente trifásica, sendo que esta conexão pode ser realizada deforma condutora de eletricidade ou isolada.
Neste caso, o estator do motor de corrente trifásica abrangepelo menos três enrolamentos de estator, dos quais, respectivamente, umaextremidade é conectada com um ponto de estrela. As respectivas outrasextremidades dos enrolamentos de estator são conectadas comcorrespondentes terminais de saída do conversor de freqüência através decorrespondentes terminais de motor. A conexão entre conversor de freqüênciae motor de corrente trifásica é efetuada, por exemplo, através de um cabo deconexão de motor de três fios.
Dependendo do programa de conexão do conversor defreqüência, nos três terminais de saída do conversor de freqüência se aplica,com relação a um potencial de terra, em determinados momentos, pelo menosuma tensão positiva ou uma tensão negativa de mesma magnitude e de mesmovalor. Na dependência do programa de conexão surge, com isto, nos terminaisde saída do conversor de freqüência um decurso de tensão em forma de pulsocom íngremes flancos de pulso. Neste caso, um terço da soma dasmencionadas tensões nos terminais de saída do conversor de freqüência écaracterizado como tensão de sincronismo.
Cada um dos três enrolamentos de estator apresenta, emdireção ao rotor, uma capacitância de dispersão de estator-rotor parasita, que équase inevitável. Através desta capacitância de dispersão de estator-rotor, asalterações em tipo de salto das tensões elétricas a partir dos terminais deconexão de motor chegam ao rotor e, com isto, também aos anéis internos dosmancais, cujos anéis externos, como já descrito, são conectados de formacondutora de eletricidade com a carcaça de motor aterrada. Neste caso,usualmente, o valor da capacitância de dispersão de estator-rotor é menor porum valor de uma até duas potências de dez do que uma capacitância dedispersão e rotor-carcaça, com o que, mais precisamente, surge uma forteatenuação dos saltos de tensão em direção ao mancai, mas, por conseguinte,tensões através dos mancais podem assumir valores nos quais um filme delubrificante no mancai é eletricamente rompido e surgem danos nos mancais.
Visto que, neste caso, cada uma das capacitâncias de dispersão de estator-rotor forma com a capacitância de dispersão de rotor-carcaça,respectivamente, um divisor de tensão capacitivo, o decurso de tensãotemporal sobre o rotor é similar àquele da tensão de sincronismo.
Além disto, no motor de corrente trifásica existemcapacitâncias de estator-carcaça entre os enrolamentos de estator individuais ea carcaça de motor, com o que, por enrolamento de estator, surge o seguintecircuito de corrente parasita: partindo de um suprimento de tensão, referido aoponto de aterramento, do conversor de freqüência, até um dos terminais desaída do conversor de freqüência, através do cabo de conexão de motor até orespectivo enrolamento de estator, através de sua capacitância de dispersão deestator-carcaça até a carcaça de motor e adiante através da linha deaterramento de proteção de volta para o ponto de aterramento. A intensidadede corrente nestes circuitos de corrente é substancialmente determinada pormeio da ingrimidade de flancos das tensões nos terminais de saída doconversor de freqüência. Neste caso, os pulsos de corrente são em forma deagulha. A corrente flui, neste caso, em particular durante a operação decomutação e produz eventualmente uma considerável queda de tensão de, porexemplo, até 100 Volts em uma indutância quase inevitável da linha deaterramento de proteção. Através da capacitância de dispersão de rotor-carcaça entre rotor e carcaça de motor, estes pulsos de tensão chegam tambémao rotor e produzem, caso a máquina de trabalho esteja conectada com oponto de aterramento através de uma linha de aterramento de proteçãoseparada, uma diferença de potencial com relação à máquina de trabalho.Neste caso, existe perigo de destruição tanto para os mancais do motor decorrente trifásica como também para aqueles da máquina de trabalho. Nestecaso, um outro perigo existe também para pessoas por ocasião do contato aomesmo tempo entre carcaça de motor e carcaça da máquina de trabalho.
Para evitar os anteriormente mencionados danos nos mancais éconhecido, por exemplo, prover uma capa externa de um anel externo de ummancai configurado, por exemplo, como mancai de rolamento, ou uma capainterna de um anel interno do mancai com uma camada de isolamentocerâmica. Mancais isolados desta maneira oferecem, na verdade, uma boaproteção contra danos nos mancais em virtude de correntes parasitas de baixafreqüência, como elas podem ser induzidas, por exemplo, em conseqüência deassimetrias magnéticas do motor no eixo de motor; todavia, em virtude daelevada capacitância de tais mancais, sua ação de isolamento com relação àscorrentes parasitas de alta freqüência, acima descritas, muitas vezes não ésuficiente. Uma outra possibilidade para evitar os anteriormente mencionadosdanos nos mancais consiste em se utilizar corpos de rolamento feitos decerâmica, o que está associado a um dispêndio de fabricação que não pode serdesconsiderado e que, desta maneira, se expressa negativamente sobre oscustos de mancais de rolamento deste tipo.
Um objetivo da invenção é prover uma disposiçãoaperfeiçoada com uma máquina de corrente trifásica e um conversor defreqüência, de modo que em particular os mancais da máquina de correntetrifásica ou de uma máquina de trabalho acoplada são protegidos, de maneirae tipo simples, contra dano e destruição em virtude de passagem de corrente.
O objetivo é atingido por meio do objeto da reivindicação 1.
Desenvolvimentos vantajosos são descritos nas reivindicações subordinadas.
De acordo com a reivindicação 1, uma disposição com umamáquina de corrente trifásica e um conversor de freqüência compreende asseguintes características:
- a máquina de corrente trifásica abrange um estator e umrotor, sendo que pelo menos os três circuitos de corrente do estator e/ou dorotor podem ser operados de uma maneira isolada um com relação ao outropara as três fases de corrente trifásica e podem ser conectados de uma maneiraisolada um com relação ao outro com um respectivo ponto de conexãoseparado do conversor de freqüência, e
- o conversor de freqüência é de tal maneira configurado comum circuito intermediário de tensão contínua ou corrente continua, aterradono ponto central, que uma tensão de corrente elétrica que é simétrica comrespeito ao potencial de terra pode ser fornecida a qualquer instante entre osdois pontos de conexão associados a cada circuito.
A invenção se baseia no conhecimento de que tensõesparasitas de pólos contrários, acopladas a um eixo da máquina de correntetrifásica, se anulam entre si, de modo que, quando de uma operação isoladauma com relação à outra, por exemplo, dos enrolamentos de estator damáquina de corrente trifásica em conexão com uma aplicação de tensõesexclusivamente simétricas com relação à terra nos enrolamentos de estatorindividuais, as desvantagens inicialmente descritas com vistas aos danos nosmancais e tensões de contato são evitadas, o que é procedente tanto porocasião do uso de mancais isolados com relação à passagem de corrente entrerotor e estator como também de mancais que são desprovidos de umisolamento deste tipo. Com respeito à disposição inicialmente descrita, énecessário, para a disposição de acordo com a invenção, que a máquina decorrente trifásica seja acessível a uma operação na disposição de triânguloaberta, que o conversor de freqüência apresente pelo menos seis terminais desaída para o fornecimento das tensões simétricas com relação à terra e que amáquina de corrente trifásica e o conversor de freqüência seja conectado comum cabo de conexão de máquina de pelo menos seis fios. A disposição deacordo com a invenção tem vantajosamente como conseqüência o fato de queas partes da disposição listadas a seguir permanecem permanentemente nopotencial de terra: o rotor da máquina de corrente trifásica bem como os anéisinternos de mancai, associados com o mesmo, como também um acoplamentoeventualmente existente ao eixo de uma outra máquina conectada com amáquina de corrente trifásica, por exemplo uma máquina de trabalho; acarcaça de máquina bem como os anéis eternos de mancai conectados com acarcaça de máquina e finalmente a linha de aterramento de proteção sobre seucomprimento total entre a máquina de corrente trifásica e o ponto deaterramento.
Em associação a isto, devem ser destacadas as seguintesvantagens da disposição de acordo com a invenção: os flancos das tensõesfornecidas aos terminais de saída do conversor de freqüência não produzemum fluxo de corrente através da linha de aterramento de proteção da máquinade corrente trifásica. Uma saída de tensões parasitas que se aplicam atravésdos mancais em conseqüência das capacitâncias de dispersão é impedida. Damesma maneira, tensões parasitas sobre o estator da máquina de correntetrifásica com relação à terra e/ou outras partes da instalação, por exemplo umamáquina de trabalho acionada pela máquina de corrente trifásica, são evitadas.
Pelo fato de que a condução de linhas em particular para a linha de entrada esaída entre máquina de corrente trifásica e o conversor de freqüência pode serconfigurada compacta, é vantajosamente obtida uma reduzida irradiação dealta freqüência. Além disto, também por ocasião de um múltiplo aterramentoé produzida apenas uma pequena elevação da irradiação de alta freqüência.
Finalmente, o cabo de conexão de máquina pode ser eventualmenteconfigurado até mesmo de forma não blindada. Para o pessoal, a instalação éneste caso mais segura com respeito ao contato. Ainda, para toda a disposiçãode acordo com a invenção, grupos construtivos testados podem servantajosamente geralmente utilizados, em particular com vistas à incidênciade falhas.
Para um funcionamento perfeito da disposição de acordo coma invenção é apenas pressuposto que as capacitâncias de dispersão de cada umdos enrolamentos de estator com relação à carcaça de máquina ou comrelação ao rotor são distribuídos substancialmente simetricamente comrelação a um ponto central do enrolamento de estator entre seus dois pontosde conexão. Isto, todavia, é em geral uma propriedade inerente existente demuitas máquinas de corrente trifásica. Menores desvios a partir desta simetriacapacitiva de cada enrolamento de estator individual com relação ao rotor ouà carcaça de máquina ou assimetrias nas tensões de saída simétricas comrelação à terra do conversor de freqüência conduzem apenas ao aparecimentode menores correntes residuais parasitas e reduzem de forma apenasinsignificante a eficiência da disposição de acordo com a invenção.
Outras vantagens, características e detalhes da invençãoresultam do exemplo de realização da invenção, descrito a seguir, com basenas figuras. Aqui, as figuras mostram:
figura 1 um esboço de esquema de conexão de uma disposiçãocom um conversor de freqüência e um motor de corrente trifásica, e
figura 2 um esboço de esquema de conexão de um circuito dePolwender do conversor de freqüência.
A figura 1 mostra, como um exemplo de realização dainvenção, um esboço de esquema de conexão de uma disposição com umconversor de freqüência 100 e um motor de corrente trifásica 200.. O motor decorrente trifásica 200 abrange, neste caso, um rotor 210 e um estator, onde orotor 210 é montado giratório com relação ao estator sobre pelo menos doismancais de rolamento 231 e 232 que podem ser configurados isentos de umisolamento com relação à passagem de corrente elétrica. Neste caso, os anéisexternos dos mancais de rolamento 231 e 232 podem ser conectados de formacondutora de eletricidade com a carcaça de motor 220 do motor de correntetrifásica 200, sendo que a carcaça de motor 220 é novamente conectada comum ponto de aterramento 125 através de uma linha de aterramento de proteção175, com a qual também o conversor de freqüência 100 é conectado. Alémdisto, o rotor 210 do motor de corrente trifásica 200 é acoplado com um eixode uma máquina de trabalho 290 acionada pelo motor de corrente trifásica200.
Neste caso, o estator do motor de corrente trifásica 200abrange pelo menos três enrolamentos de estator, sendo que, por razões devisualização, apenas um dos enrolamentos de estator 225 está representado.Aqui, cada um dos enrolamentos de estator é conectado por suas extremidadescom correspondentes terminais de saída 111, 112 e 114, 115, e 117, 118,respectivamente, do conversor de freqüência 100. A conexão entre oconversor de freqüência 100 e o motor de corrente trifásica 200 é efetuadaatravés de um cabo de conexão de motor 170 de seis fios, eventualmenteconfigurado isento de blindagem, o qual, na forma de realização mostrada,abrange um outro fio para a linha de aterramento de proteção 175. Aqui, o queestá descrito a seguir para o enrolamento de estator 225 acoplado aosterminais de saída 111 e 112 do conversor de freqüência 100 se aplicacorrespondentemente para os enrolamentos de estator acoplados com osoutros terminais de saída 114 e 115 bem como 117 e 118, não representadosna figura 1.
Aqui, o motor de corrente trifásica 200 é configurado de talmaneira que entre o enrolamento de estator 225 e o rotor 210 umacapacitância de dispersão de estator-rotor 241 e 242 é distribuídasubstancialmente simetricamente entre os dois pontos de conexão doenrolamento de estator 225 com relação a seu ponto central. O correspondenteé válido para uma capacitância de dispersão de estator-carcaça 251 e 252entre o enrolamento de estator 225 e a carcaça de motor 220. Aqui, asanteriormente mencionadas simetrias das capacitâncias de dispersão 241 e242 bem como 251 e 252 estão presentes como propriedade inerente emmuitos motores de corrente trifásica.
Neste caso, dependendo do programa de conexão do conversorde freqüência 100, nos dois pontos de conexão do enrolamento de estator 225é aplicada um tensão simétrica com relação à terra, de magnitudepredeterminável, ou uma tensão que é igual a zero. Para a geração dapreviamente mencionada tensão simétrica com relação à terra, o conversor defreqüência 100 abrange, para o enrolamento de estator 225, por exemplo, umassim chamado circuito de Polwender, o qual será explicado ainda maisdetalhadamente com base na figura 2. Para esta finalidade, em um terminal deentrada 121 no conversor de freqüência 100 é aplicada uma tensão contínuapositiva de predeterminável magnitude e em um terminal de entrada 122 éaplicada uma tensão contínua negativa tendo magnitude do mesmo valor. Paraas referidas tensões simétricas com relação à terra, neste caso, o terminal deentrada 123 é conectado com o ponto de aterramento 125 como ponto centralno lado de tensão contínua do conversor de freqüência 100.
O jogo conjunto da previamente mencionada simetria dascapacitâncias de dispersão 241 e 242 bem como 251 e 252 e da tensãosimétrica com relação à terra deve ser imaginado como segue: em virtude dasimetria da capacitância de dispersão de estator-rotor 241 e 242 deve-seimaginar estas como sendo duas capacitâncias de mesma magnitude 241 e242, sendo que uma delas está associada a um dos dois pontos de conexão doenrolamento de estator 225 e a outra associada ao outro ponto de conexão doenrolamento de estator 225. Em virtude da tensão simétrica com relação àterra, nas duas capacitâncias 241 e 242 são aplicadas tensões tendo valor demesma magnitude, mas com sinais inversos, de modo que saltos de tensão quese acoplam ao rotor 210 são cancelados em virtude do sinal diferente. Porconseguinte, o potencial elétrico do rotor 210 corresponde, permanentementeao potencial médio dos pulsos de controle, o qual, de acordo com apressuposição, é idêntico ao potencial de terra. Neste caso, todo o rotor 210ou o eixo de motor está em um potencial espacialmente constante em virtudeda grande superfície condutora do rotor 210 e da reduzida impedância elétricaque daí resulta. Para a capacitância de dispersão de estator-carcaça 251 e 252,a qual se deve imaginar como sendo igualmente duas capacitâncias de mesmamagnitude, é correspondentemente válido o que foi previamente descrito paraa capacitância de dispersão de estator-rotor 241 e 242, de modo que também acarcaça de motor 220 está permanentemente no potencial de terra. Istosignifica, daqui por diante, que uma corrente elétrica não incide através dosmancais de rolamento 231 e 232. Danos nos mancais e uma destruição demancai em conseqüência de passagem de corrente em virtude de tensõescapacitivas acopladas sobre o rotor são desta maneira evitados.
Como a corrente de soma através da capacitância de dispersãode estator-carcaça 251 e 252 é igual a zero, a corrente resultante sobre acarcaça de motor 220 é igualmente igual a zero, de modo que também umacorrente não flui através de uma capacitância de dispersão de rotor-carcaça260. Desta maneira, vantajosamente, também a linha de aterramento deproteção 175 do motor de corrente trifásica 200 não conduz uma corrente, demodo que também uma tensão não cai através de sua indutância 176. Nestecaso, uma tensão simétrica com relação à terra entre os terminais de saída 111e 112 bem como 114 e 115 bem como 117ell8do conversor de freqüênciapode ser gerada com o assim chamado circuito de Polwender conhecido,esboçado na figura 2. Aqui, uma alimentação de tensão contínua no circuitode Polwender é efetuada simetricamente com relação ao potencial de terraatravés dos dois terminais de entrada 121 (tensão positiva) e 122 (tensãonegativa). Um enrolamento de estator 225 está conectado entre os doisterminais de saída 111 e 112 do conversor de freqüência 100. Para um fluxode corrente desde o terminal de saída 11 através do enrolamento de estator225 até o terminal de saída 112, as chaves semicondutoras 141 e 144 devemser fechadas, enquanto as outras chaves semicondutoras 142 e 143 têm queser abertas. Para uma direção de corrente inversa, as chaves semicondutoras142 e 143 são fechadas e, para esta finalidade, as chaves semicondutoras 141e 144 são abertas. Neste caso, as chaves semicondutoras 141, 142, 143 e 144são configuradas, por exemplo, como transistores, IGBTs ou GTOs. Osdiodos 152 do circuito de Polwender servem, de modo em si conhecido, paraa proteção das chaves semicondutoras 141, 142, 143 e 144 com relação atensões excessivas no momento de sua abertura. Os resistores 154 do circuitode Polwender produzem, deste caso, a decomposição de cargas residuais no170 e nas capacitâncias de dispersão 241, 242, 251 e 252 durante um estadode comutação, em que todas as chaves semicondutoras 141, 142, 143 e 144estão abertas. Para a geração de correspondente tensão entre os terminais desaída 114 e 115 bem como entre 117 e 118, correspondentes circuitos dePolwender como precedentemente descritos são previstos no conversor defreqüência 100.
Lista de Números de Referência
100 Conversor de freqüência111, 112, 114, 115, 117, 118 Borne de saída
121, 122, 123 Borne de entrada
125 Ponto de aterramento
141, 142, 143, 144 Chaves semicondutoras
152 Diodo
154 Resistor
170 Cabo de conexão de motor
175 Linha de aterramento de proteção
176 Indutância
200 Motor de corrente trifásica
210 Rotor 210
220 Carcaça de motor 220
225 Enrolamento de estator 225
231, 232 Mancais de rolamento
241,242 Capacitância de dispersão de estator-rotor
251, 252 Capacitância de dispersão de estator-carcaça
260 Capacitância de dispersão de rotor-carcaça
290 Máquina de trabalho
Claims (15)
1. Disposição com uma máquina de corrente trifásica e umconversor de freqüência, caracterizada pelo fato de que contém as seguintescaracterísticas:- a máquina de corrente trifásica abrange um estator e um rotor,sendo que pelo menos os três circuitos de corrente do estator e/ou do rotorpodem ser operados de uma maneira isolada um com relação ao outro para astrês fases de corrente trifásica e podem ser conectados de uma maneira isoladaum com relação ao outro com um respectivo ponto de conexão separado doconversor de freqüência, e- o conversor de freqüência é de tal maneira configurado com umcircuito intermediário de tensão contínua ou corrente continua, aterrado noponto central, que uma tensão de corrente elétrica que é simétrica comrespeito ao potencial de terra pode ser fornecida a qualquer instante entre osdois pontos de conexão associados a cada circuito.
2. Disposição de acordo com a reivindicação 1, caracterizadapelo fato de que o rotor é montado giratório contra o estator sobre pelo menosum mancai.
3. Disposição de acordo com a reivindicação 2, caracterizadopelo fato de que o mancai é um mancai de rolamento.
4. Disposição de acordo com a reivindicação 3, caracterizadapelo fato de que o mancai de rolamento é configurado substancialmente apartir de aço de mancai de rolamento.
5. Disposição de acordo com uma das reivindicações 3 ou 4,caracterizada pelo fato de que o mancai de rolamento abrange um mancai deroletes, em particular roletes cilíndricos, roletes cônicos e/ou mancai decilindro e/ou de esferas.
6. Disposição de acordo com uma das reivindicações 2 a 5,caracterizada pelo fato de que o mancai é configurado como um mancaiisolado com relação à passagem de corrente.
7. Disposição de acordo com uma das reivindicações 1 a 6,caracterizada pelo fato de que cada dos circuitos de corrente abrange umenrolamento de máquina de corrente trifásica.
8. Disposição de acordo com uma das reivindicações 1 a 7,caracterizada pelo fato de que o conversor de freqüência é configurado paratomar a tensão ou corrente simétrica com relação à terra entre dois potenciaisde tensão contínua de polaridade contrária mas de mesmo valor.
9. Disposição de acordo com uma das reivindicações 1 a 8,caracterizada pelo fato de que a tensão ou corrente simétrica com relação àterra é modulada em largura de pulso.
10. Disposição de acordo com uma das reivindicações 1 a 9,caracterizada pelo fato de que o conversor de freqüência abrange, por cadacircuito de corrente, um circuito de Polwender.
11. Disposição de acordo com uma das reivindicações 1 a 10,caracterizada pelo fato de que a máquina de corrente trifásica é de tal maneiraconfigurada que um circuito de corrente de uma capacitância de dispersão,com relação a uma carcaça da máquina de corrente trifásica, é distribuídasubstancialmente simetricamente com relação a um ponto central do circuitode corrente entre os dois pontos de conexão do circuito de corrente.
12. Disposição de acordo com uma das reivindicações 1 a 11,caracterizada pelo fato de que a máquina de corrente trifásica é de tal maneiraconfigurada que um circuito de corrente de uma capacitância de dispersão,com relação a um eixo da máquina de corrente trifásica, é distribuídasimetricamente com relação a um ponto central do circuito de corrente entreos dois pontos de conexão do circuito de corrente.
13. Disposição de acordo com uma das reivindicações 1 a 12,caracterizada pelo fato de que a máquina de corrente trifásica pode serconectada com um conversor de freqüência através de uma linha de conexãopelo menos seis fios.
14. Disposição de acordo de acordo com a reivindicação 13,caracterizada pelo fato de que a linha de conexão abrange pelo menos umsétimo fio como linha de aterragem de proteção para a conexão de umacarcaça da máquina de corrente trifásica com um ponto de aterramento noconversor de freqüência.
15. Disposição de acordo com uma das reivindicações 13 ou-14, caracterizada pelo fato de que a linha de conexão é configuradadesprovida de blindagem.
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