Motores elétricos “Ex”: requisitos para acionamento por conversores

Motores elétricos “Ex” acionados por conversores: o acionamento de motores “Ex” por meio de conversores pode ser considerado atualmente como sendo um critério normal de projeto, em função dos benefícios obtidos, quando comparados com o “tradicional” sistema de partida e operação em plena rotação. Dentre os benefícios obtidos pelo acionamento de motores “Ex” com conversor pode ser citada a redução do consumo de energia (em função da possibilidade de operação com uma menor potência), a melhoria da confiabilidade de equipamentos rotativos (em função da operação dos motores e das máquinas acionadas com rotações mais baixas, com menores níveis de vibração) e a maior simplicidade de instalações de tubulação (sem a necessidade de instalação de estações de controle por válvulas).

De acordo com os requisitos da Norma ABNT NBR IEC 60079-0, os motores “Ex” destinados a serem acionados por conversores de frequência devem ser avaliados como um sistema em conjunto com o conversor. Esta avaliação em conjunto tem por objetivo verificar motor nos casos de operação em cargas e rotações variáveis, estabelecendo o desempenho térmico do motor “Ex”, de forma a especificar a faixa de rotação e de torque permitidos para a operação do motor, de forma a manter a sua temperatura de operação abaixo da classe de temperatura para o qual foi certificado. Os requisitos específicos para a fabricação e a certificação dos motores “Ex” acionados por conversores são descritos nas normas específicas para os tipos de proteção “Ex”, tais como as ABNT NBR IEC 60079-7 (Ex “eb” e Ex “ec”), ABNT NBR IEC 60079-15 (Ex “nA”) e ABNT NBR IEC 60079-31 (Ex “t”).

As características técnicas do conversor que tenha sido utilizado no laboratório de ensaios de motores “Ex” são especificadas nos respectivos certificados de conformidade dos motores “Ex” e devem ser atendidas pelos usuários quando da especificação, compra e instalação dos conversores a serem utilizados em cada aplicação.

Os chaveamentos de alta frequência gerados pelos conversores podem levar a esforços elétricos nos motores “Ex” devido ao rápido tempo de subida de tensão nos circuitos dos enrolamentos e cabos, podendo representar uma fonte potencial adicional de ignição. O fabricante dos motores “Ex” devem considerar os efeitos destes esforços de acordo com o tipo de proteção “Ex”, informando as limitações de instalação nas instruções de utilização ao usuário. A documentação descritiva do motor “Ex” necessita incluir os parâmetros necessários e as condições requeridas para a especificação e instalação de motores “Ex” a serem acionados por conversor.

Além disto, as correntes parasitas que podem circular pelos mancais nos motores “Ex” acionados por conversores podem causar centelhamentos capazes de gerar ignição de gases inflamáveis, bem como a deterioração dos mancais (buchas de deslizamento ou rolamentos) e por isto requerem considerações especiais por parte do fabricante do motor. Dentre as possíveis soluções para equacionar este tipo de problema estão a utilização de mancais isolados ou a instalação de reatores na saída do conversor para evitar a circulação destas correntes parasitas.

A certificação de motores “Ex” acionados por conversores inclui a sua avaliação, em laboratório de ensaio, em conjunto com um conversor, por meio de ensaios de tipo. Deve ser ressaltado, no entanto, que os motores “Ex” acionados por conversores não necessitam, na maioria dos casos, serem obrigatoriamente ensaiados, certificados ou adquiridos em conjunto com o mesmo conversor específico que tenha sido em laboratório, podendo o motor “Ex” e o respectivo conversor serem adquiridos pelos usuários de forma separada, a partir de diferentes fornecedores, adequado em cada aplicação em particular de procedimento de suprimento, desde que seja possível o ajuste, no conversor de frequência a ser instalado, dos parâmetros do motor “Ex” informados no seu certificado de conformidade.

Desta forma, apesar dos motores “Ex” aptos a serem acionados por conversores sempre serem avaliados e submetidos a ensaios de tipo, em conjunto com um conversor, nos laboratórios de ensaio de equipamentos “Ex”, o usuário possui a liberdade de especificar e adquirir o conversor em separado do motor “Ex”, desde que sejam atendidos os requisitos técnicos especificados para o conversor, que são indicados nos respectivos certificados de conformidade dos motores “Ex” a serem acionados por conversor.

Todos os motores “Ex” a serem acionados por conversor devem possuir sensores de temperatura do tipo RTD (Resistance Temperature Detector) embutidos em seus enrolamentos do estator. É de responsabilidade dos usuários ligar estes sensores de temperatura a um dispositivo que assegure a devida proteção térmica, de forma que o motor não ultrapasse a sua temperatura limite.

Este dispositivo de proteção deve ser ajustado de acordo com os parâmetros fornecidos pelo fabricante ou no certificado de conformidade do motor “Ex” e deve estar de acordo com a Norma ABNT NBR IEC 60079-14. Todos os motores “Ex” acionados por conversor devem possuir sensores de temperatura do tipo RTD embutidos nos enrolamentos do estator, de forma a possibilitar uma monitoração direta da temperatura dos enrolamentos, independente da monitoração da corrente de operação. Isto se deve ao fato de que motores “Ex” acionados por conversor podem operar, dependendo da necessidade do processo, em baixas rotações e com carga mecânica ou torque elevado.

Nestes casos de operação, apesar da corrente de carga estar dentro da faixa de corrente nominal, a temperatura do motor pode estar muito elevada, em função da baixa rotação e da baixa ventilação proporcionada pelos ventiladores solidários ao eixo. Nestas aplicações, a monitoração direta de temperatura tem por objetivo desligar o motor em caso de risco da temperatura dos enrolamentos ultrapassar a temperatura de ignição dos gases inflamáveis ou das poeiras combustíveis que possam estar presentes no local da instalação. Nestes casos, a tensão para o motor pode continuar existindo (tal como uma alimentação em corrente contínua), mas o motor “Ex” não opera.

Um diagrama de blocos dos circuitos de força e controle de um motor “Ex” acionado por conversor de frequência é apresentado na figura a seguir.

O dispositivo de proteção térmica pode ser incorporado no próprio Conversor de Frequência. A função do dispositivo de proteção térmica pode ser realizada por software do conversor de frequência. Este dispositivo deve atender os requisitos de SIL 1 (Safety Integrity Level), de acordo com a Série IEC 61508 (Functional Safety of Electrical/Electronic/Programmable Electronic Safety-related Systems).

O desligamento do motor “Ex” acionado por conversor pode ser feito por meio da atuação em um dispositivo de manobra, tal como um disjuntor ou um contator, ou também meio de atuação em um circuito de controle (tal como nas funções de proteção do próprio conversor), causando a parada do chaveamento dos pulsos de modulação para o motor “Ex”. No caso do motor “Ex” ser parado por atuação em circuitos de proteção e controle do conversor, é recomendado que o dispositivo de controle atenda aos requisitos de SIL 1, para motores “Ex” instalados em locais que requeiram equipamentos “Ex” que proporcionem EPL Gc ou Dc. Para locais que requeiram motores “Ex” com EPL Gb ou Db, a função de desligamento do dispositivo de controle deve atender pelo menos os requisitos de SIL 2.

Por definição da Série IEC 61508, em termos de confiabilidade (PFD – Probability of dangerous Failures of a safety function on Demand) uma malha SIL 1 apresenta um probabilidade média de falhar menor que 10 % (10^-1) quando for solicitada a operar em uma condição de risco. De forma similar, uma malha SIL 2 apresenta uma probabilidade média de falhar menor que 1 % (10^-2) quando for solicitada a operar em um condição de risco.

Um dos requisitos para a aplicação de motores “Ex” acionados por conversor, a fim de que não seja excedida a sua classe de temperatura, é de atender à curva de “torque versus rotação” especificada pelo fabricante do motor “Ex”. Esta curva apresenta os limites de torque que podem ser fornecidos pelo motor, sem que a temperatura de seus enrolamentos excedam a classe de temperatura para a qual o motor “Ex” foi certificado. Por exemplo, em casos de baixas rotações, o torque requerido do motor pela máquina acionada deve ser reduzido, de forma que a baixa ventilação provida para o motor neste caso, devido à baixa rotação do seu eixo, não acarrete uma elevação da sua temperatura acima do valor de sua classe de temperatura.

Além destes requisitos de projeto e de instalação, pode ser requerida também a instalação de reatores na saída do conversor, bem como a limitação do comprimento dos cabos do circuito de alimentação de força entre o conversor e o motor “Ex”. Isto se deve ao fato de que tanto os reatores de saída, como o comprimento dos cabos de alimentação, afetam a tensão de entrada no motor “Ex”, podendo causar um aquecimento adicional, com a ocorrência de temperatura acima da classe de temperatura.

Na próxima edição, dando continuidade nesta série de artigos sobre motores elétricos para atmosferas explosivas, serão abordados requisitos de serviços de manutenção e inspeção de motores elétricos “Ex”.