Resolução de problemas de energia em equipamentos HVAC

Um conversor de frequência (VFD) falha em variar a velocidade do ventilador de descarga de ar. Um motor superaquece e falha prematuramente. Os controles programáveis ​​que geralmente operam sem problemas de repente apresentam problemas ao operar no modo de espera. Um VFD desarma sem motivo aparente em um sistema de água gelada, resultando em um alarme de alta temperatura. Um disjuntor desarma, levando ao desligamento do sistema; ainda assim, a leitura do alicate amperímetro não revela nenhum fluxo de corrente anormal no sistema após a reinicialização.

Embora cada problema de solução de problemas em um sistema HVAC apresente seu próprio conjunto exclusivo de circunstâncias, os profissionais de manutenção podem reconhecer esses problemas como possíveis problemas de qualidade de energia.

Buscando a verdadeira causa
A eletrônica é a base dos sistemas de controle modernos. Controles programáveis, relés de estado sólido, sensores, transdutores, drives de frequência variável em ventiladores e bombas de água gelada e controles eletrônicos em atuadores são suscetíveis a problemas que os controles puramente eletromecânicos mais antigos não tinham. Esses problemas geralmente são o resultado da qualidade da tensão e da corrente fornecida ao equipamento HVAC. Baixa “qualidade de energia” é a energia elétrica que não atende aos parâmetros especificados.

Como acontece com todas as formas de solução de problemas de HVAC, os técnicos devem compreender as fontes de problemas potenciais para resolvê-los. Problemas inexplicáveis ​​são frequentemente atribuídos a equipamentos eletrônicos com defeito.
No entanto, a causa real pode não estar no equipamento eletrônico.

Pistas falsas ou enganosas
Por exemplo, um VFD que não consegue variar adequadamente a descarga - a velocidade do ventilador de ar pode ser o resultado de vários problemas do sistema - desde um cancelamento DDC iniciado no VFD, a um sensor de pressão estática com defeito, a vazamento excessivo do duto. Embora a causa da falha inicial raramente esteja no próprio VFD, o VFD pode, na verdade, estar causando outros problemas no sistema. Superaquecimento de motores, disparos incômodos de disjuntores ou fusíveis queimados inexplicáveis ​​acontecem e alarmes falsos podem ocorrer em outro lugar no sistema de controle digital. Uma vez que todas essas podem ser características da operação normal do VFD, os técnicos devem sempre rastrear o problema de volta à origem.

Em um caso, um VFD fornecido por ventilador desarmava inadvertidamente em um sistema de resfriamento quando a energia era transferida da fonte normal para a fonte de reserva. O resultado foram alarmes de alta temperatura no equipamento fornecido devido ao resfriamento inadequado. Os VFDs são projetados para resistir a uma certa quantidade de interrupção de tensão em um sistema. No entanto, se as especificações do VFD para tais falhas forem excedidas, o VFD será desligado.

Nesse caso, o inversor eletrônico foi considerado o culpado. No entanto, a investigação dos parâmetros operacionais do VFD e o registro dos valores de tensão e corrente durante as transferências de energia do sistema revelaram a verdadeira causa do problema:o tempo da chave de transferência costumava ser muito longo para suportar a operação do VFD.

Em outro caso, um VFD em um terminal VAV desarmava off-line quando alimentado por uma fonte de alimentação em standby. O problema foi encontrado para ser a incapacidade do gerador standby de fornecer qualidade de energia suficiente para operar o VFD. As flutuações de tensão quando em espera resultaram em desarmes no VFD. A solução foi colocar o VFD em operação de bypass quando no modo de espera, ignorando assim os controles eletrônicos de velocidade variável.

A raiz dos problemas de qualidade de energia
Equipamentos eletrônicos operam captando corrente alternada e convertendo-a em corrente contínua para uso por componentes eletrônicos. Este processo cria correntes harmônicas que fluem de volta para o sistema. Essas correntes harmônicas podem causar superaquecimento e também distorcer as ondas senoidais a montante da eletrônica.

Correntes harmônicas são correntes que aparecem em múltiplos da frequência fundamental de 60 hertz (Hz). Por exemplo, o terceiro harmônico é a corrente que flui a 180 Hz (60 x 3); o quinto harmônico é a corrente que flui a 300 Hz (60 x 5) e assim por diante.

Como medir os harmônicos
Os técnicos medem os níveis dos vários harmônicos e a quantidade de distorção criada para determinar se os harmônicos estão criando problemas. Use um analisador de qualidade de energia para medir os níveis de harmônicos e distorção. A medição principal é a distorção harmônica total (THD) da tensão.

Configure o analisador de acordo com as instruções e leia o THD diretamente na face do medidor. O THD não deve exceder 5 por cento quando medido no ponto onde o alimentador que fornece o VFD também está fornecendo outras cargas. Este é o ponto de acoplamento comum (PCC).

Se o THD da tensão exceder as limitações, consulte o fabricante do VFD para determinar a melhor solução. Isso pode incluir a instalação de um reator de linha ou transformador de isolamento. Aprender a usar um analisador de qualidade de energia não é difícil, e esses esforços geralmente superam o custo do tempo de inatividade do sistema HVAC.

Falha do motor
Outro problema de qualidade de energia enfrentado em sistemas HVAC é a falha do motor, especialmente aqueles fornecidos por VFDs. Essa taxa de falha pode aumentar se o motor tende a funcionar em velocidades mais lentas típicas de muitas aplicações. As falhas geralmente incluem superaquecimento, quebra de isolamento ou falha prematura do rolamento.

Todas essas falhas podem ser atribuídas às características normais de operação dos VFDs. O acionamento eletrônico varia a tensão e frequência para o motor, para variar sua velocidade. Infelizmente, correntes harmônicas também são fornecidas ao motor, o que pode resultar em superaquecimento. Esta tensão e corrente de “largura de pulso modulada” fornecida ao motor também pode danificar o isolamento, resultando em falha prematura e falha do motor. As correntes também podem fluir através dos rolamentos do motor, encurtando muito sua vida útil.

A melhor solução para todos esses problemas é usar motores com inversor nominal, especialmente projetados para uso em inversores de frequência.

Desequilíbrio de tensão
Motores trifásicos que não são alimentados por um VFD também podem falhar devido a outro problema de qualidade de energia:desequilíbrio de tensão. Uma tensão de fase que está desequilibrada em apenas 1 por cento pode resultar em um desequilíbrio de corrente do motor seis a dez vezes maior. Essas quantidades excessivas de fluxo de corrente podem resultar rapidamente em motores superaquecidos.

Para determinar o desequilíbrio, meça a tensão de fase a fase para cada uma das fases, A-B, A-C e B-C. Some as três leituras e divida por três. Esta é a tensão fase-fase média. Se qualquer uma das três leituras individuais variar em mais de 1 por cento da média, você tem um desequilíbrio de tensão.

Com um desequilíbrio de tensão de 5 por cento, o motor normalmente superaquece e é destruído. Geralmente, o problema é que muitas cargas monofásicas são fornecidas por uma fase individual. Essas cargas devem ser distribuídas uniformemente entre as fases no painel para corrigir o problema.

Diretrizes gerais Todos os equipamentos elétricos e eletrônicos de HVAC têm parâmetros de alimentação elétrica especificados. O não cumprimento dessas regras simplesmente garantirá que o equipamento não funcionará conforme planejado. Um terminal VAV alimentado por ventilador é um exemplo típico de equipamento com requisitos de alimentação elétrica especificados.

Ao experimentar a operação irregular deste equipamento, verifique se os parâmetros de alimentação elétrica estão sendo atendidos. Para tal equipamento, a tensão de entrada CA deve estar dentro de 10 por cento da tensão nominal na frequência nominal. A placa de identificação mostrará a tensão nominal do equipamento. Por exemplo, o equipamento classificado para 208 volts deve ter uma tensão de alimentação que caia entre 187 V e 229 V. Não é incomum encontrar baixas tensões ao solucionar problemas de equipamento.

Ferramentas
Também é importante usar um medidor true-rms ao medir os valores de tensão e corrente. Os sistemas HVAC modernos de hoje não apenas produzem correntes harmônicas, eles também podem operar de forma inadequada devido às distorções da onda senoidal criadas por tais harmônicos. Um medidor de resposta média, usado por muitos técnicos de HVAC, não fornecerá leituras precisas se houver harmônicos.

Os medidores de resposta média leem a corrente e a tensão de formas de onda senoidais a 60 Hz sem harmônicos presentes. Cargas não lineares, como VFDs, produzem formas de onda não senoidais e correntes e tensões em várias frequências. Você deve usar o medidor correto para ler os valores nesses circuitos de alimentação. Apenas medidores true-rms fornecerão as leituras corretas.

Tensão de alimentação
Se a tensão de alimentação estiver abaixo da especificação de baixa tensão, você pode esperar dois problemas com o equipamento HVAC. Primeiro, a vida útil do motor será encurtada à medida que os motores consomem corrente em excesso para produzir a potência necessária em cavalos na tensão mais baixa. Em segundo lugar, os componentes eletrônicos não funcionarão adequadamente, pois a parte da fonte de alimentação dos controles eletrônicos não terá tensão suficiente para carregar os capacitores em seus circuitos de filtragem.

Os componentes eletrônicos, que normalmente operam com apenas 5 volts CC, agora serão muito afetados por uma baixa tensão de entrada. Espere operação errática e alarmes falsos, dependendo da gravidade da baixa tensão de entrada. E lembre-se, sem o medidor true-rms, você pode não ter uma imagem precisa da tensão de alimentação real.

A alimentação CA também deve estar dentro de 5 por cento da frequência nominal na tensão nominal em um terminal VAV típico. Geralmente, isso não é um problema ao operar com energia da rede elétrica. No entanto, os profissionais de HVAC relatam vários problemas com tensão e frequência ao operar em geradores de reserva. Certifique-se de verificar todas as especificações de alimentação elétrica de entrada para todas as fontes de energia necessárias para o sistema HVAC.

Um requisito adicional do fabricante do equipamento é que o fornecimento "deve atender a uma variação combinada na tensão e frequência de 10 por cento (a soma dos valores absolutos) dos valores nominais, desde que a variação da frequência não exceda 5 por cento da frequência nominal." Mais uma vez, é mais provável que o equipamento exiba esse problema ao operar no modo de espera. Diversas opções estão disponíveis para estabilizar os problemas de controle ao operar com alimentação em espera. Embora isso exija o trabalho com os engenheiros e técnicos de sistema apropriados, a primeira etapa é garantir que você tenha leituras precisas para respaldar sua afirmação de que o problema de controle reside na alimentação instável em espera.

Em resumo
Muitos problemas de solução de problemas de HVAC continuarão a ser resolvidos por tarefas de rotina, como verificar fusíveis, testar a presença de tensão em um contator e verificar se o fluxo de corrente não excede os dados da placa de identificação do motor. No entanto, os sistemas que contêm controles eletrônicos e VFDs terão problemas devido a problemas de qualidade de energia.

Hoje, muitos profissionais de HVAC estão expandindo suas habilidades e conhecimentos nesta área. Quanto mais controles são usados ​​em HVAC e sistemas prediais, mais problemas de qualidade de energia irão surgir. O uso de medidores e analisadores true-rms que registram parâmetros elétricos ao longo do tempo aumentará muito o isolamento e a correção de problemas de baixa qualidade de energia. O conhecimento adequado, juntamente com as ferramentas certas, ajuda muito os profissionais de manutenção a resolver muitos problemas associados aos sistemas HVAC de hoje.

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