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Ciclo de vida de inversores de frequência
Moysés Barros, DM Drives – Service / Automation & Power World Brasil, 13.09.2012 Ciclo de vida de inversores de frequência História dos Inversores ABB © ABB Group 8 de outubro de 2012 | Slide 1 História dos Inversores ABB Sumário Linha do Tempo dos Drives de Baixa Tensão (LV Drives) Linha do Tempo dos Drives de Média Tensão (MV Drives) Evolução dos semicondutores: Diodo, Tiristor, Transistor Bipolar, GTO, IGBT, IGCT Diferentes topologias de potência – Retificadores e Inversores Tecnologia de Controle DTC © ABB Group 8 de outubro de 2012 | Slide 2 Linha do Tempo para LV Drives Uma história de Sucesso AC converter for traction systems 1969 1975 First Industrial frequency converter SAMI A (Analogue) © ABB Group October 8, 2012 | Slide 3 3BHT490546R0001, Rev. H SAMI B for production 4000 1981 SAMI STAR for production (1st gener.) 34.000 ACS 300 and ACS 600 SD/MD 350.000 ACS 500 and ACV 700 1985 SAMI Ministar and SAMI Flowstar 1988 1992 DCS 500 and DCV 700 ACS 550 and ACS 800 SD/MD 1995 Direct Torque Control (DTC) 1998 ACS 850 2003 ACS 400 and AC 80 controler 2008 ACS 580 and ACS 880 Linha do Tempo para LV Drives Uma história de Sucesso AC converter for traction systems 1969 1975 First Industrial frequency converter SAMI A (Analogue) © ABB Group October 8, 2012 | Slide 4 3BHT490546R0001, Rev. H SAMI B for production 4000 1981 SAMI STAR for production (1st gener.) 34.000 ACS 300 and ACS 600 SD/MD 350.000 ACS 500 and ACV 700 1985 SAMI Ministar and SAMI Flowstar 1988 1992 DCS 500 and DCV 700 ACS 550 and ACS 800 SD/MD 1995 Direct Torque Control (DTC) 1998 ACS 850 2003 ACS 400 and AC 80 controler 2008 ACS 580 and ACS 880 Linha do Tempo para MV Drives Tecnologia como a pedra fundamental do sucesso AC drive development started 1969 Direct Torque Control (DTC) © ABB Group October 8, 2012 | Slide 5 3BHT490546R0001, Rev. H Megastar 3-level PWM MV drive with vector control 1985 Integrated Gate Commutated Thyristors (IGCTs) ACS 1000 first IGCTbased MV drive ACS 6000 first MV multidrive with PEBB technology Self-healing capacitors 1993 1995 1997 1999 Extension of PEBB technology (3 – 27 MVA) ACS 5000 first MV drive with VSI-MF topology 2003 2005 2009 ACS 2000 MV drive for directto-line connection Linha do Tempo para MV Drives Tecnologia como a pedra fundamental do sucesso AC drive development started 1969 Direct Torque Control (DTC) © ABB Group October 8, 2012 | Slide 6 3BHT490546R0001, Rev. H Megastar 3-level PWM MV drive with vector control 1985 Integrated Gate Commutated Thyristors (IGCTs) ACS 1000 first IGCTbased MV drive ACS 6000 first MV multidrive with PEBB technology Self-healing capacitors 1993 1995 1997 1999 Extension of PEBB technology (3 – 27 MVA) ACS 5000 first MV drive with VSI-MF topology 2003 2005 2009 ACS 2000 MV drive for directto-line connection Semicondutores de Potência - GTO © ABB Group 8 de outubro de 2012 | Slide 7 Semicondutores de Potência – IGBT © ABB Group 8 de outubro de 2012 | Slide 8 Semicondutores de Potência – Power Plate (IGBT’s ) © ABB Group 8 de outubro de 2012 | Slide 9 • Seis IGBTs integrados em um Power Plate • Tamanho compacto com poucas conexões • Imunidade ao ruido • Alta confiabilidade Semicondutores de Potência – IGCT e HV IGBT Integrated Gate Commutated Thyristors (IGCTs) High Voltage Insulated Gate Bipolar Transistors (HV IGBTs) Direct Torque Control (DTC) Plataforma de hardware e software compartilhados Número reduzido de componentes Custo reduzido Confiabilidade assegurada © ABB Group October 8, 2012 | Slide 10 3BHT490546R0001, Rev. H Drives – do menor ao maior © ABB Group October 8, 2012 | Slide 11 Painéis de Drives ACV700 (Multidrive) © ABB Group 8 de outubro de 2012 | Slide 12 Topologias – Inversor 3 níveis Drive ACV700 com GTO’s © ABB Group 8 de outubro de 2012 | Slide 13 Topologias – Inversor 3 níveis Drive ACV700 com IGBT’s © ABB Group 8 de outubro de 2012 | Slide 14 Topologias – Inversor 5 níveis (ACS1000) Retificador de 12 pulsos e com Filtro Senoidal na saída Topologias de Potência – Pontes de Entrada Retificadores de 12 ou 24 pulsos disponíveis para MV Drives © ABB Group October 8, 2012 | Slide 16 3BHT490557R0001 Rev. A Current waveform Current waveform Current waveform 24-pulse rectifier 12-pulse rectifier 6-pulse rectifier Reliable diode rectifier solution for lowest line harmonics, compliant with all common harmonic standards Technically simple and reliable solution, sufficient for most supply networks Generally not accepted anymore in the MV drives market due to high network harmonics Topologia de Retificadores AFE – ACS2000 Lado Rede – Active Front End (AFE) com filtro de entrada © ABB Group October 8, 2012 | Slide 17 Topologia do Inversor ACS2000 – 9 níveis Lado Motor Inverter unit with output filter for dv/dt limitation © ABB Group October 8, 2012 | Slide 18 Tensão de saída no motor – Drive ACS2000 © ABB Group October 8, 2012 | Slide 19 Tecnologias de Controle – DTC Direct Torque Control (DTC) Direct Torque Control (DTC) Powerful control platform Power loss ride through One second (i.e. 50 / 60 cycles) ride through capability for supply voltage dips down to zero Flying start and automatic restart Catches a spinning load and smoothly takes it back to set speed Flux optimization Reduction of motor losses under part load operation Critical speed avoidance bands Skips operation at critical speeds © ABB Group October 8, 2012 | Slide 20 3BHT490557R0001 Rev. A Desempenho – Tecnologia de Controle Direct Torque Control (DTC) Typical torque response (t) of a DTC drive, compared with flux vector control and open loop pulse width modulation (PWM) © ABB Group October 8, 2012 | Slide 21 3BHT490557R0001 Rev. A • Provides fast, accurate and stepless control from zero to full speed • Full torque with optimal speed accuracy over the whole speed range • Negligible low torque ripple • Minimal inverter switching losses at maximal control performance • No speed encoders needed Desempenho – Tecnologia de Controle Direct Torque Control (DTC) NP status Hysteresis controller Hysteresis © ABB Group October 8, 2012 | Slide 22 3BHT490557R0001 Rev. A Ricardo Nezi, DM Drives Service / A&P World, 13/09/12 Conceitos de ciclo de vida e suporte a linhas obsoletas Drives Service © ABB Group 8 de outubro de 2012 | Slide 23 Gestão do Ciclo de Vida dos Acionamentos Ativo Clássico Suporte integral ao produto Performance Vendas e fabricação do produto Limitado Suporte limitado ao produto Obsoleto Tecnologia obsoleta. Mercado não suporta mais o produto © ABB Group 8 de outubro de 2012 | Slide 24 Ativo Clássico Limitado Obsoleto Gestão do Ciclo de Vida dos Acionamentos Ativo Clássico Limitado Obsoleto Ativo (~5..10 anos) (~7..10 anos) (~3..5 anos) (~5..10 anos) Drive Lifecycle Services Dimensionamento Instalação Start--up Start Commissionamento Treinamento Training & e-Learning Operação Manutenção Suporte local & remoto Sobressalentes & Reparo Manutenção Substituição © ABB Group 8 de outubro de 2012 | Slide 25 Retrofit & atualização Reciclagem Gestão do Ciclo de Vida dos Acionamentos Life Status Statement © ABB Group 8 de outubro de 2012 | Slide 26 Gestão do Ciclo de Vida dos Acionamentos Life Status Statement © ABB Group 8 de outubro de 2012 | Slide 27 Gestão do Ciclo de Vida dos Acionamentos O Gerenciamento do Ciclo de Vida é um programa de manutenção do relacionamento com o cliente. © ABB Group 8 de outubro de 2012 | Slide 28 Os produtos oferecidos no programa (PM kits, upgrades, retrofits, recondicionamento) estreitam as relações e evitam desgastes futuros. Por que investir em manutenção preventiva? © ABB Group 8 de outubro de 2012 | Slide 29 Manutenção Preventiva Mitos e fatos Mitos comuns Os drives são livres de manutenção A manutenção preventiva consiste em apenas remover poeira e dar uma “pincelada de leve”. Fatos A probabilidade de falha de muitos produtos com componentes eletrônicos, tais como drives, aumenta após vários anos de operação, de 5 a 10 anos, onde a principal razão é o desgaste dos componentes. Condições operacionais e ambientais também têm efeito na vida útil dos componentes © ABB Group 8 de outubro de 2012 | Slide 30 Manutenção Preventiva Mitos e fatos – Curva de banheira a) Produto novo – Mortalidade infantil. b) Período de uso pleno – Vida útil c) Período de falhas devido ao desgaste, como reflexo da deterioração de certos componentes © ABB Group 8 de outubro de 2012 | Slide 31 Manutenção preventiva Foco e principais aspectos técnicos Condições ambientais Manutenção do sistema de refrigeração Prevenção de danos ao semicondutores (IGBT´s) Prevenção dos capacitores eletrolíticos Prevenção de paradas inesperadas Maximiza a satisfação do cliente Manutenção preventiva Condições ambientais Temperatura, umidade, condensação, corrosão, agentes corrosivos afetam o tempo de vida útil de componentes e dispositivos eletronicos, como Drives! Condições ambientais adversas diminuir significativamente a vida útil Manutenção Preventiva Condições ambientais falhas causadas por ambiente Componentes danificados Placas eletrônicas danificadas Aumento da resistência de contato como um tôdo © ABB Group October 8, 2012 | Slide 34 Manutenção Preventiva Refrigeração Vários aspectos afetam a vida dos ventiladores, por exemplo: temperatura A condição dos ventiladores deve ser observada regularmente A recomendação dos fabricantes é trocar o ventilador ou rolamentos a cada 3 ~ 5 anos, dependendo do tipo de ventilador Refrigeração inadequada acelera o envelhecimento de cartões e componentes Falha de ventilação provoca imediata sobre-temperatura (~10 a 15 min) Aumento de vibração devido ao desbalanceamento do ventilador (pode perdurar por muitos meses agravando o problema) © ABB Group 8 de outubro de 2012 | Slide 35 Manutenção Preventiva Refrigeração Manutenção Preventiva Prevenção dos IGBT´s, interfaces e flat-cables As principais placas de controle e interface possuem capacitores eletrolíticos nos circuitos eletrônicos. O envelhecimento dos mesmos podem levar a problemas críticos e intermitentes. O tempo de vida útil destes capacitores são limitados dependendo das condições de ambiente e operação do drive. O tempo de vida estimado é de ~9 anos Conectores, conexões, junções e pontos de solda são partes sensíveis de sistemas eletrônicos. Dependendo do uso, ambiente e exposição à condições mais críticas podem gerar falhas intermitentes. Manutenção Preventiva Prevenção dos IGBT´s, interfaces e flat-cables Um flat-cable tem no mínimo dois conectores nas extremidades, cada conector tem dezenas de conexões individuais . Se estas conexões estão ligeiramente corroídas ou sujas há um risco de alto potencial de falha de contato. Neste caso as falhas são geralmente aleatórias gerando falhas e alarmes com dificuldades de localização da falha pontual em um tempo curto. Substituindo a placa de interface (AINT) e os flat-cables situações como falhas aleatórias bem como problemas nos IGBT´s são prevenidas. Algumas vezes uma falha no IGBT causa uma série de falhas secundárias. Manutenção Preventiva Placas de controle Manutenção Preventiva Capacitores eletrolíticos A vida útil estimada dos capacitores eletrolíticos é de aproximadamente 100.000 horas (11,4 anos) O efeito principal do aumento de temperatura é a redução da vida útil dos capacitores. Isto ocorre porque o eletrólito evapora e seu vapor escapa através do selo, que é um plug de borracha. A perda do eletrólito aumenta a ESR - ESR (Equivalent Series Resistance) ou Resistência Equivalente. A ESR de um capacitor eletrolítico deve ser baixa, mas devido a fatores como idade, construção e temperatura de operação, causam alterações na quantidade e na qualidade do eletrólito, e a ESR pode subir para valores indesejáveis. © ABB Group 8 de outubro de 2012 | Slide 40 Manutenção Preventiva Capacitores eletrolíticos Manutenção Preventiva Kits de Manutenção Preventiva Os kits de manutenção preventiva são definidos para prover todos os componentes necessários para substituição no planejamento da manutenção preventiva Preço mais razoável comparado com os componentes individuais Aumento da eficiência e performance da manutenção preventiva Manutenção Preventiva Planejamento sitemático de preventiva Manutenção Preventiva Documentação Plano de Manutenção Especificam as medidas necessárias de manutenção preventiva. Notas de Serviço Fact Files Brochuras sobre os serviços de preventiva manutenção ABB Notas de Manutenção As notas de manutenção fornecem informação detalhada e ações recomendadas São baseados nas informações dos fabricantes de componentes e na experiência da ABB a respeito de seu comportamento ao longo do ciclo de vida. © ABB Group 8 de outubro de 2012 | Slide 44
