Guia do Engenheiro para a Seleção de Bucins para Accionamentos de Frequência Variável (VFDs)

Introdução

Está a sentir interferência electromagnética (EMI)¹ problemas, falhas prematuras de cabos ou problemas de conformidade com as suas instalações de VFD? Estes problemas dispendiosos resultam frequentemente de uma seleção incorrecta dos bucins - um aspeto crítico mas frequentemente negligenciado da conceção do sistema VFD. A escolha incorrecta de bucins pode levar a paragens do sistema, violações regulamentares e adaptações dispendiosas.

A seleção de bucins para VFD requer bucins com classificação EMC com continuidade de blindagem de 360 graus, classificações IP adequadas para proteção ambiental e materiais compatíveis com o calor e o stress elétrico gerados por VFD. A chave é fazer corresponder as especificações da glândula às caraterísticas de funcionamento do VFD e aos requisitos do ambiente de instalação.

Como Diretor de Vendas da Bepto Connector, testemunhei em primeira mão como a seleção adequada de bucins transforma o desempenho dos VFD. Na semana passada, Marcus, um engenheiro elétrico sénior de uma grande fábrica em Birmingham, Reino Unido, contactou-nos depois de ter tido problemas recorrentes de EMI que estavam a perturbar os seus sistemas de controlo de produção. O seu desafio - e solução - ilustra a razão pela qual a seleção de bucins de VFD exige conhecimentos especializados de engenharia.

Índice

• Porque é que os VFDs requerem considerações especiais sobre os prensa-cabos?
• Quais são os principais requisitos técnicos para os bucins de VFD?
• Como selecionar o tipo certo de bucim para VFDs?
• Quais são os erros mais comuns na seleção de bucins para VFD?
• Como é que os factores ambientais afectam a seleção do bucim VFD?
• Perguntas frequentes sobre os bucins de VFD

Porque é que os VFDs requerem considerações especiais sobre os prensa-cabos?

Os Accionamentos de Frequência Variável geram ruído de comutação de alta frequência, interferência electromagnética e temperaturas elevadas que exigem soluções especializadas de bucins para além das aplicações industriais normais. Compreender estes desafios únicos é essencial para uma seleção adequada das glândulas e para a fiabilidade do sistema.

Caraterísticas de funcionamento do VFD que afectam os bucins

Ruído de comutação de alta frequência
Os VFDs utilizam modulação por largura de pulso (PWM)² comutação em frequências que normalmente variam de 2kHz a 16kHz. Esta comutação cria tensões de modo comum de alta frequência que podem atingir vários milhares de volts, viajando ao longo das blindagens dos cabos e procurando caminhos de terra através dos bucins dos cabos. Sem os bucins EMC adequados, esta energia irradia como interferência electromagnética ou cria correntes circulantes que danificam os rolamentos e outros componentes do sistema.

Temperaturas de funcionamento elevadas
As instalações de VFD geram frequentemente um calor significativo, com temperaturas da caixa a atingir 60-80°C em ambientes industriais. Os bucins têm de manter a integridade da vedação e as propriedades mecânicas ao longo destas gamas de temperatura, ao mesmo tempo que lidam com os efeitos do ciclo térmico que podem provocar a degradação prematura dos elastómeros normais.

Tensões eléctricas nos sistemas de cabos
As rápidas transições de tensão nas formas de onda de saída dos VFDs criam tensão eléctrica no isolamento dos cabos e nos pontos de terminação. Os bucins devem proporcionar uma continuidade de ligação à terra fiável, protegendo simultaneamente contra a quebra de tensão nos pontos de terminação onde ocorrem concentrações de campo elétrico.

Requisitos de conformidade EMC

As instalações modernas de VFD têm de cumprir as normas de compatibilidade electromagnética, incluindo:

• IEC 61800-3³: Requisitos de CEM para sistemas de acionamento elétrico de potência a velocidade variável
• EN 55011: Caraterísticas das perturbações radioeléctricas dos equipamentos industriais, científicos e médicos
• FCC Parte 15: Limites de emissão de radiofrequências para equipamentos industriais

As instalações da Marcus em Birmingham enfrentaram exatamente estes desafios. A sua nova linha de produção incluía doze VFDs de 75kW que controlavam sistemas de transporte, mas os prensa-cabos padrão estavam a permitir que a EMI interferisse com as comunicações PLC próximas. "Estávamos a ter falhas aleatórias a cada poucas horas", explicou Marcus. "O gerente de produção estava pronto para descartar todo o projeto de atualização do VFD."

Continuidade da ligação à terra e da blindagem

Terminação de blindagem de 360 graus
O controlo eficaz da EMI requer uma terminação contínua da blindagem em toda a circunferência do cabo. Os prensa-cabos standard criam frequentemente descontinuidades na blindagem que permitem a saída de ruído de alta frequência, enquanto os prensa-cabos com classificação EMC mantêm a integridade da blindagem através de juntas condutoras especializadas e mecanismos de compressão.

Caminhos de terra de baixa impedância
As correntes de modo comum geradas por VFD requerem caminhos de baixa impedância para a terra. Os bucins devem proporcionar uma continuidade eléctrica fiável entre as blindagens dos cabos e os invólucros dos equipamentos, mantendo esta ligação apesar da vibração, do ciclo térmico e da exposição ambiental a longo prazo.

Na Bepto, os nossos bucins EMC incorporam elastómeros condutores e designs de compressão especializados que mantêm a continuidade da blindagem mesmo em condições extremas. Os nossos testes certificados pela TUV validam o desempenho EMC em gamas de frequência de 150kHz a 1GHz, garantindo a conformidade com as normas internacionais.

Quais são os principais requisitos técnicos para os bucins de VFD?

A compreensão dos requisitos técnicos específicos ajuda os engenheiros a selecionar os bucins que garantem um funcionamento fiável do VFD e a conformidade regulamentar.

Especificações de desempenho EMC

Requisitos de eficácia da blindagem
Os bucins para VFD devem proporcionar uma eficácia de blindagem mínima de 60dB na gama de frequências de 10MHz a 1GHz. Este nível de desempenho assegura a supressão adequada da EMI gerada pelo VFD, mantendo a integridade do sinal nos circuitos de controlo próximos.

Caraterísticas da impedância de transferência
A baixa impedância de transferência (tipicamente <1mΩ/m a 100MHz) assegura um tratamento eficaz da corrente de modo comum sem criar quedas de tensão que possam afetar o desempenho do sistema ou criar fontes adicionais de EMI.

Critérios de seleção de materiais

Elastómeros condutores
Os bucins EMC requerem compostos elastoméricos especializados que incorporem cargas condutoras, tais como partículas de cobre prateadas ou negro de fumo. Estes materiais mantêm a condutividade enquanto proporcionam vedação ambiental, com valores típicos de resistividade de volume inferiores a 0,1 Ω-cm.

Metais resistentes à corrosão
Os corpos e as ferragens dos bucins devem resistir corrosão galvânica⁴ ao ligar diferentes tipos de metal comuns em instalações de VFD. O aço inoxidável 316L ou o latão niquelado proporcionam uma excelente resistência à corrosão, mantendo a condutividade eléctrica.

Polímeros estáveis à temperatura
Os elementos de vedação devem manter as suas propriedades ao longo das gamas de temperatura de funcionamento do VFD. Os elastómeros de elevado desempenho, como os compostos FKM (Viton) ou EPDM, classificados para funcionamento contínuo a 125°C, garantem uma fiabilidade a longo prazo em ambientes térmicos exigentes.

Normas de desempenho mecânico

Resistência à vibração
As instalações de VFD sofrem frequentemente vibrações significativas dos motores ligados e do equipamento mecânico. Os bucins têm de manter a retenção segura dos cabos e a continuidade eléctrica apesar dos níveis de vibração até 10g RMS nas gamas de frequência de 10Hz a 2kHz.

Requisitos de força de extração
Forças mínimas de retenção de cabos de 500N para cabos de alimentação e 200N para cabos de controlo garantem que as ligações permanecem seguras apesar da expansão térmica, movimento do edifício ou tensão acidental do cabo.

Classificações de proteção ambiental

Seleção da classificação IP
A maioria das instalações de VFD requerem uma proteção mínima IP65, sendo preferíveis as classificações IP66 ou IP67 para ambientes industriais agressivos. As aplicações de lavagem ou instalações exteriores podem exigir classificações IP68 ou IP69K para uma submersão completa ou resistência à limpeza a alta pressão.

Compatibilidade química
Os ambientes industriais expõem os bucins a vários produtos químicos, incluindo fluidos de corte, óleos hidráulicos e solventes de limpeza. Os materiais dos prensa-cabos devem resistir à degradação destas exposições, mantendo a vedação e o desempenho EMC.

Hassan, que gere uma instalação petroquímica no Kuwait, actualizou recentemente os seus sistemas VFD com os nossos bucins EMC em aço inoxidável. "A combinação de resistência química e desempenho EMC era exatamente o que precisávamos", relatou. "Seis meses depois, não tivemos qualquer problema de EMI e os bucins não mostram sinais de ataque químico, apesar da exposição a produtos químicos de processo."

Como selecionar o tipo certo de bucim para VFDs?

A seleção sistemática das glândulas assegura um desempenho ótimo do VFD, evitando erros de especificação dispendiosos que comprometem a fiabilidade do sistema.

Passo 1: Analisar os requisitos do sistema VFD

Classificação de potência e de tensão
Os VFDs de maior potência geram mais EMI e requerem soluções EMC mais robustas. Os sistemas com mais de 50 kW necessitam normalmente de bucins EMC de qualidade superior com uma maior eficácia de blindagem, enquanto os accionamentos mais pequenos podem funcionar com sucesso com bucins normais com classificação EMC.

Considerações sobre a frequência de comutação
Os VFDs que funcionam com frequências de comutação mais elevadas (>8kHz) geram mais EMI de alta frequência, exigindo bucins com um desempenho de proteção superior em intervalos de frequência alargados. As frequências de comutação mais baixas podem permitir soluções mais económicas para os bucins, sem deixar de cumprir os requisitos EMC.

Passo 2: Avaliar tipos e configurações de cabos

Cabos blindados vs. não blindados
Os cabos VFD blindados requerem bucins EMC que terminem corretamente a blindagem, enquanto os cabos não blindados podem utilizar bucins industriais padrão em aplicações menos exigentes. No entanto, a maioria das instalações modernas de VFD beneficiam de cabos blindados e de bucins EMC adequados, independentemente do nível de potência.

Pormenores da construção do cabo

• Cabos blindados exigem bucins que acomodem a terminação da armadura, mantendo o desempenho EMC
• Cabos multi-core necessitam de bucins dimensionados para o diâmetro total do cabo com caraterísticas de compressão adequadas
• Cabos de controlo separados podem exigir especificações de bucins diferentes das dos cabos eléctricos

Etapa 3: Avaliar as condições ambientais

Análise da gama de temperaturas
As temperaturas ambientes mais a geração de calor do VFD determinam as classificações de temperatura da glândula necessárias. A prática de conceção conservadora acrescenta uma margem de 20°C às temperaturas máximas calculadas, assegurando um funcionamento fiável durante as condições de carga máxima.

Contaminação e exposição a produtos químicos
Os ambientes industriais expõem os bucins a vários contaminantes que exigem uma seleção de material adequada:

• Exposição a óleos e gorduras: Requer elastómeros NBR ou FKM
• Processamento químico: Exige PTFE ou compostos especializados resistentes a produtos químicos  
• Transformação de alimentos: Necessita de materiais aprovados pela FDA com caraterísticas de limpeza fácil

Passo 4: Considerar os factores de instalação e manutenção

Acessibilidade para instalação
As instalações complexas podem beneficiar de bucins com procedimentos de instalação simplificados, mesmo que os custos unitários sejam mais elevados. As poupanças de tempo durante a instalação compensam frequentemente os custos mais elevados dos bucins, especialmente em aplicações de reequipamento com acesso limitado.

Capacidade de serviço a longo prazo
Os bucins em locais de difícil acesso devem dar prioridade à fiabilidade a longo prazo em detrimento da poupança inicial de custos. Os materiais e a construção de alta qualidade justificam custos mais elevados quando a substituição requer um tempo de inatividade significativo ou despesas de mão de obra.

Matriz de seleção de materiais

Quais são os erros mais comuns na seleção de bucins para VFD?

Aprender com os erros comuns ajuda os engenheiros a evitar erros de especificação dispendiosos que comprometem o desempenho e a fiabilidade do sistema VFD.

Erro 1: Utilizar bucins standard para aplicações EMC

O problema
Muitos engenheiros especificam bucins industriais padrão para instalações de VFD, assumindo que a proteção ambiental básica é suficiente. Os bucins standard não possuem capacidades de proteção EMC, permitindo que o ruído de alta frequência irradie e interfira com o equipamento próximo.

Consequências no mundo real

• Erros aleatórios de comunicação PLC
• Falhas prematuras de rolamentos em motores ligados
• Violações da conformidade regulamentar
• Interferências nas comunicações via rádio

A solução
Especifique sempre bucins com classificação EMC para os cabos de alimentação e controlo da VFD. Mesmo que os testes EMI iniciais pareçam aceitáveis, as modificações do sistema ou as instalações de equipamento adicional podem alterar as caraterísticas EMC, tornando os bucins adequados essenciais para uma fiabilidade a longo prazo.

Erro 2: Classificações de temperatura inadequadas

O problema
Subestimar as temperaturas de funcionamento leva à falha prematura dos vedantes e ao comprometimento do desempenho EMC. Muitos engenheiros calculam a temperatura ambiente, mas ignoram a geração de calor dos VFDs e de outros equipamentos no mesmo compartimento.

A experiência de Marcus
Nas instalações de Birmingham, as especificações iniciais dos prensa-cabos utilizavam vedações NBR padrão classificadas para 80°C. No entanto, as temperaturas da caixa do VFD atingiram 85°C durante a operação no verão, causando degradação da vedação e vazamento de EMI em seis meses. A atualização para vedações FKM classificadas para 125°C eliminou esses problemas.

Estratégia de prevenção

• Medir as temperaturas reais de funcionamento durante as condições de pico
• Adicionar uma margem de segurança de 20°C às temperaturas medidas
• Considerar os efeitos do ciclo térmico nos materiais de vedação
• Especificar elastómeros de primeira qualidade para aplicações exigentes

Erro 3: Ignorar os requisitos de terminação da blindagem do cabo

O problema
Uma terminação incorrecta da blindagem cria caminhos de fuga EMI e pode causar correntes circulantes que danificam os sistemas VFD. Algumas instalações tentam poupar custos utilizando bucins standard com ligações de blindagem improvisadas.

Consequências técnicas

• Redução da eficácia da proteção
• Circulação de corrente de modo comum
• Danos na chumaceira devido a maquinagem por descarga eléctrica (EDM)⁵
• Aumento das emissões por radiação

Terminação correta da blindagem
Os bucins CEM devem proporcionar um contacto de blindagem de 360 graus com baixa impedância de transferência. As ligações da blindagem devem ser tão curtas quanto possível, com uma impedância mínima em relação à referência de terra do equipamento.

Erro 4: Ignorar a fiabilidade a longo prazo

O problema
Concentrar-se apenas no custo inicial sem considerar as despesas do ciclo de vida conduz frequentemente a falhas prematuras e a adaptações dispendiosas. Os bucins baratos podem necessitar de substituição a cada 2-3 anos, enquanto os bucins de qualidade superior podem funcionar de forma fiável durante mais de 10 anos.

Exemplo de análise de custos
Uma grande fábrica de automóveis poupou inicialmente $15.000 ao especificar bucins económicos para 200 instalações de VFD. No entanto, as falhas prematuras exigiram a substituição completa após 30 meses, custando $45.000 em materiais mais $25.000 em mão de obra e tempo de inatividade. Os bucins Premium teriam proporcionado uma vida útil de 10 anos a um custo inicial de $35.000.

Como é que os factores ambientais afectam a seleção do bucim VFD?

As condições ambientais influenciam significativamente a seleção do material da glândula, os requisitos de vedação e as caraterísticas de desempenho a longo prazo.

Considerações sobre a temperatura

Temperatura de funcionamento contínuo
As instalações de VFD criam temperaturas ambiente elevadas devido à dissipação de energia e às perdas de comutação. Os elementos de vedação dos bucins devem manter as suas propriedades em toda a gama de temperaturas, resistindo aos efeitos do envelhecimento térmico.

Efeitos do ciclo térmico
Os ciclos repetidos de aquecimento e arrefecimento exercem pressão sobre os materiais da glândula através da expansão térmica diferencial. Os elastómeros de alta qualidade, como o FKM, mantêm a integridade da vedação durante milhares de ciclos térmicos, enquanto os materiais económicos podem falhar após centenas de ciclos.

Diretrizes de classificação de temperatura

• Aplicações standard: 105°C classificação contínua mínima
• Ambientes exigentes: Classificação contínua de 125°C recomendada  
• Condições extremas: Classificação de 150°C com materiais especializados

Avaliação da exposição a produtos químicos

Produtos químicos industriais comuns
As instalações de VFD encontram vários produtos químicos que podem degradar os materiais de vedação padrão:

Fluidos hidráulicos: Os fluidos à base de petróleo atacam os elastómeros NBR, mas têm um efeito mínimo nos compostos FKM. Os fluidos hidráulicos sintéticos podem exigir uma análise de compatibilidade química especializada.

Fluidos de corte e líquidos de refrigeração: Os refrigerantes à base de água com aditivos podem causar inchaço em alguns elastómeros e promover a corrosão em componentes metálicos. Os bucins de aço inoxidável com uma seleção adequada de elastómeros evitam estes problemas.

Solventes de limpeza: Os produtos químicos de limpeza agressivos utilizados no processamento de alimentos e em aplicações farmacêuticas requerem uma seleção especializada de materiais e podem exigir classificações IP69K para resistência à lavagem a alta pressão.

Vibração e stress mecânico

Análise de fontes
As instalações de VFD sofrem vibrações de várias fontes:

• Vibração do motor ligado transmitida através de condutas de cabos
• Vibração do edifício devido a equipamento pesado nas proximidades
• A expansão e contração térmicas criam tensões mecânicas

Resposta da conceção da glândula
Os designs robustos dos bucins incorporam caraterísticas para lidar com o esforço mecânico:

• As zonas de compressão múltiplas distribuem o stress de forma mais uniforme
• Os materiais de primeira qualidade resistem à fadiga provocada pela flexão repetida
• A retenção segura do cabo evita o arrancamento sob carga dinâmica

As instalações petroquímicas de Hassan no Kuwait registam uma vibração significativa devido ao equipamento de compressor próximo. "Os nossos bucins originais soltaram-se em poucos meses devido à vibração", explicou. "Os bucins EMC para serviços pesados da Bepto mantiveram ligações estanques durante mais de dois anos, apesar da exposição constante à vibração."

Proteção contra a humidade e a contaminação

Estratégia de seleção da classificação IP
As instalações de VFD requerem uma análise cuidadosa da classificação IP com base em condições de exposição específicas:

IP65: Adequado para instalações interiores com lavagem ocasional ou exposição a poeiras
IP66: Recomendado para a maioria das aplicações industriais de VFD com requisitos de limpeza regulares
IP67: Necessário para instalações exteriores ou áreas com exposição temporária à água
IP68: Essencial para aplicações com potencial submersão ou exposição contínua à humidade
IP69K: Obrigatório para aplicações de processamento de alimentos e farmacêuticas que exigem lavagem a alta pressão e alta temperatura

Factores de corrosão atmosférica

Exposição ao ar salgado
Os ambientes costeiros e marinhos criam condições corrosivas que exigem a construção de bucins em aço inoxidável com uma seleção adequada de elastómeros. Os bucins standard em latão sofrem uma rápida corrosão em ambientes de ar salgado.

Contaminação atmosférica industrial
As instalações de processamento químico e as áreas industriais pesadas expõem os bucins a contaminantes atmosféricos corrosivos. A seleção do material deve ter em conta tanto o contacto químico direto como os efeitos da exposição atmosférica.

Conclusão

A seleção adequada dos bucins é fundamental para a fiabilidade do sistema VFD, a conformidade com a CEM e o desempenho a longo prazo. Os desafios únicos das instalações de VFD - incluindo EMI de alta frequência, temperaturas elevadas e condições ambientais exigentes - requerem soluções especializadas de bucins que vão além das aplicações industriais padrão.

O sucesso depende da análise sistemática das caraterísticas de funcionamento do VFD, das condições ambientais e dos requisitos de fiabilidade a longo prazo. Embora os bucins de qualidade superior com classificação EMC exijam um investimento inicial mais elevado, proporcionam um desempenho superior e um menor custo total de propriedade através de uma manutenção reduzida, maior fiabilidade e conformidade regulamentar.

Na Bepto Connector, a nossa gama abrangente de bucins EMC fornece soluções para todas as aplicações de VFD, desde instalações industriais padrão até aos ambientes marinhos e de processamento químico mais exigentes. As nossas certificações ISO9001 e TUV garantem uma qualidade consistente, enquanto as nossas extensas capacidades de teste validam o desempenho nas condições específicas da sua aplicação.

Não esquecer: A seleção de bucins para VFD é um investimento na fiabilidade do sistema. Escolha bucins que correspondam aos requisitos exclusivos do seu VFD e a sua instalação proporcionará anos de funcionamento sem problemas com um desempenho EMC ótimo.

Perguntas frequentes sobre os bucins de VFD