A vibração excessiva causada por inversor de frequência pode gerar falhas em motores e estruturas, reduzindo sua vida útil. Em um de seus cases de sucesso, a Kot Engenharia diagnosticou e solucionou vibrações anormais em uma plataforma industrial por meio de medições em campo e simulações pelo Método dos Elementos Finitos (MEF). Continue a leitura e entenda como a integração entre análise experimental e computacional pode garantir o desempenho e a confiabilidade dos seus equipamentos.

 

 

1. Efeitos dos inversores de frequência na vibração de motores e estruturas

Inversores de frequência são dispositivos utilizados em sistemas de acionamento para controlar o torque e a velocidade de motores de corrente alternada, por meio do controle da magnitude e da frequência da tensão de alimentação. Portanto, para obter uma tensão alternada com as características desejadas, os inversores atuam convertendo a tensão da rede em tensão contínua, e depois convertendo-a novamente em tensão alternada, controlando os parâmetros desta segunda conversão, conforme ilustrado na Figura 1.

Figura 1: Conversión de tensión en un inversor (Fuente: adaptado de Citisystems)

La tensión alterna de salida se genera a partir de impulsos de tensión continua, y al variar la frecuencia, la anchura y la señal de estos impulsos, la amplitud y la frecuencia de la tensión alterna de salida también cambian, como puede verse en la figura 2. Esta técnica se denomina modulación por anchura de impulsos, y es más conocida por sus siglas en inglés PWM.

Figura 2: Modulación PWM de un convertidor de frecuencia (Fuente: adaptado de Citisystems)

Uno de los problemas que puede causar esta característica del funcionamiento del variador es la excitación de los modos de vibración torsional del eje del motor y/o de la estructura en la que se encuentra. Esto se debe a que estas pulsaciones en la tensión de accionamiento del motor pueden provocar pulsaciones en el par motor, que a su vez pueden resonar con la estructura.

Assim sendo, o presente artigo aborda um dos cases de sucesso da Kot, em que a análise investigativa da vibração da plataforma de um sistema de alimentadores de sapatas foi realizada. A plataforma em questão suporta dois alimentadores, vide Figura 3, cujos motores de acionamento são controlados por inversores de frequência, e apresentava vibração do piso, da base dos motores, e falha frequente dos elementos elásticos dos acoplamentos.

Figura 3: Plataforma de alimentación (Fuente: colección Kot Engenharia)

Para determinar la causa de la vibración, Kot realizó inspecciones visuales, mediciones y análisis informáticos con el método de los elementos finitos (MEF).

2. Análise de vibração com inspeção visual, acelerometria e simulação estrutural

Primeiramente, as atividades foram iniciadas a partir de uma visita ao equipamento, na qual foi realizada uma inspeção visual, medições com câmera de amplificação de movimento, e acelerometria em pontos de interesse da estrutura. Esta etapa tem como principal objetivo o levantamento de dados para a formulação de hipóteses.

Uma vez estabelecidas hipóteses acerca da causa da vibração, foram realizadas simulações computacionais da estrutura, a fim de averiguar se a causa proposta seria capaz de produzir um comportamento dinâmico similar ao observado. Para isto, foram elaborados dois modelos distintos: um modelo local da base dos acionamentos e um modelo global da plataforma, vide figura 4. O modelo local foi utilizado para realização de uma análise modal e dinâmica transiente mais detalhada da base do acionamento, visando quantificar a magnitude da excitação associada as vibrações medidas. Já o modelo global, devido às simplificações inerentes aos elementos de viga e à rigidez de suas conexões, foi utilizado para compreensão e avaliação do comportamento geral da estrutura, quando sujeita aos carregamentos calibrados pelo modelo detalhado.

Figura 4: Modelos (Fuente: colección Kot Engenharia)

Por último, una vez que hubo coherencia entre la hipótesis planteada y los resultados de las simulaciones, se realizó una intervención en el equipo, seguida de nuevas mediciones para evaluar la eficacia de las modificaciones propuestas.

3. Identificação da vibração torcional e validação com análise modal

Durante la inspección, se observó que la plataforma sólo mostraba vibraciones perceptibles cuando el nivel de material en el sistema superaba un determinado umbral y cuando los motores funcionaban a una frecuencia de rotación específica. Además, se observó que el aspecto del fallo de los acoplamientos de los motores era característico de la vibración torsional.

Sendo assim, por meio das medições, observou-se que a resposta vertical na base do motor possui magnitude similar à resposta horizontal, e que ambas são mais pronunciadas do que a resposta longitudinal, conforme apresentado no gráfico 1. Este comportamento pode ser provocado por vibração radial ou torcional do motor, todavia, dado o aspecto de falha dos acoplamentos, foi creditado a segunda opção.

Gráfico 1: Vibración medida en la base del motor (Fuente: Colección Kot Engenharia)

Outrossim, notou-se que tanto a plataforma quanto a base dos motores vibravam na mesma frequência, conforme apresentado no gráfico 2, a qual era muito superior a frequência de rotação dos motores. Dessa forma, esta resposta pronunciada não é associada a nenhum comportamento típico de problemas mecânicos dos equipamentos em questão, dadas as suas características construtivas. O vídeo 1 apresenta uma filmagem da plataforma vibrando, realizada por meio da câmera com amplificação de movimento.

Gráfico 2: Comparación entre las mediciones en la plataforma y en la base del motor - Velocidad vertical (Fuente: Colección Kot Engenharia),

Vídeo 1: Filmación de la plataforma vibratoria - Cámara con amplificación de movimiento (Fuente: colección Kot Engenharia)

A partir de las características señaladas, se planteó la hipótesis de que la causa de la vibración sería una pulsación en el par de los motores, provocada por la modulación de la velocidad por el variador de frecuencia.

El análisis modal de la base de los accionamientos mostró que la frecuencia natural de torsión de esta estructura coincide con la frecuencia de vibración medida. El modo de vibración asociado se muestra en el vídeo 2. Además, en el análisis dinámico transitorio, se demostró que una pulsación del par de accionamiento, oscilando a esta frecuencia y con una magnitud inferior al par nominal del motor, sería capaz de provocar una vibración en la estructura con intensidad y características similares a las observadas en las mediciones. El gráfico 3 muestra una comparación entre las mediciones de vibración en la base del motor y los resultados obtenidos por el modelo.

Vídeo 2: Modo de vibración torsional de la base del motor (Fuente: colección Kot Engenharia)

Gráfico 3: Comparación entre la medición y el modelo - Velocidades en la base del motor (Fuente: Colección Kot Engenharia)

Dessa forma, os resultados da análise de resposta em frequência mostraram que, quando excitada por uma pulsação no torque de acionamento com frequência de aproximadamente 4 vezes a rotação do motor, a resposta dinâmica da plataforma possui características similares as observadas nas medições, conforme apresentado no gráfico 4.

Gráfico 4: Comparación entre la medición y el modelo - Velocidades en la plataforma (Fuente: colección Kot Engenharia)

Dado que los resultados de los análisis informáticos corroboraban la hipótesis planteada por Kot, se llevó a cabo una intervención en el equipo, en la que el fabricante ajustó los parámetros de funcionamiento del convertidor de frecuencia. Tras la intervención, las intensidades de vibración medidas en la plataforma y en las bases de los accionamientos, que anteriormente habían sido superiores a los límites normativamente admisibles, se redujeron significativamente y pasaron a ser inferiores a los límites normativos. Además, las respuestas empezaron a producirse en la frecuencia de rotación del motor y en su segundo armónico, lo cual es un comportamiento esperado para el equipo. El gráfico 5 muestra una comparación de la vibración horizontal medida en la base del motor antes y después de la intervención, mostrando el cambio en las frecuencias de respuesta y la reducción de la magnitud, que en este caso fue del 92%.

Gráfico 5: Comparación entre antes y después de la intervención - Velocidad horizontal en la base del motor (Fuente: Colección Kot Engenharia)

4. Diagnóstico de vibração causada por inversores de frequência: medição e simulação

Los convertidores de frecuencia son un punto de atención en los problemas de vibración, y es importante discernir cuándo las características de la vibración apuntan a causas mecánicas o a causas eléctricas.

Gracias a las mediciones de las vibraciones, así como a la inspección visual, fue posible caracterizar correctamente las vibraciones de la estructura, lo que permitió identificar el inversor como la causa principal del problema, lo que pone de manifiesto la importancia de una correcta instrumentación de las estructuras y de un estudio de datos bien ejecutado.

Por último, los análisis informáticos resultaron ser una herramienta importante para validar las hipótesis planteadas, garantizando una mayor certeza en cuanto a la eficacia de la intervención propuesta, lo que contribuyó a minimizar las pérdidas y las repeticiones sobre el terreno.

Análise de vibração é com a Kot Engenharia

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