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Inversores de frequencia, funcionamento e caracteristicas
Tipologia: Notas de estudo
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Compartilhado em 25/05/2011
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Tecnologia em Eletrotécnica Industrial
Acionamento e Comandos Industriais
Professor: Marcelo Rodrigues
Paulo Sérgio Kanasiro - 2008.306.
Silvio Jose Quaresma Penna – 2008.306.
Jean Carlos Pinheiro Ferreira – 2008.306.
Marcos Roberto Carneiro de Araujo – 2008.306.
Belém
2010
Tecnologia em Eletrotécnica Industrial
Acionamento e Comandos Industriais
Professor: Marcelo Rodrigues
Símbolo Significado
CSI (Corrent Source Inverter)
Inversor fonte de corrente CLP Controlador Lógico Programável IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)
Transistor bipolar de porta isolada MIT Motor de Indução trifásico
MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)
Transistor de efeito de campo de semicondutor de óxido metálico PWM (Pulse-Width Modulation),
Modulação por largura de pulso UPS (Uninterruptible Power Supply)
Fonte de ininterrupta de energia VSI (Voltage Source Inverter)
Inversor fonte de tensão
Como aumento da exigência por parte das indústrias que necessitam cada vez mais de processos produ�vos eficientes, o controle de velocidade de motores ficou mais importante, e a forma de como variar e controlar a velocidade de motores elétricos tem sido mudada de forma a atender melhor o mercado. Atualmente os motores de indução trifásicos – MIT, predominam no mercado, e com a introdução dos inversores de freqüência, as restrições a seu uso, se tornaram menores a ponto de poderem ser u�lizados em quase todas as aplicações. Assim os modelos an�gos, que usavam motores assíncronos com rotor bobinado, variadores eletromagné�cos e motores de corrente con�nua, que devido ao alto custo de manutenção tem sido subs�tuído com sucesso por um conjunto MIT / inversor de freqüência.
Figura 1 – Motor de indução trifásico – MIT O desenvolvimento dos inversores de freqüências se deve em par�cular aos avanços nas áreas de eletrônica de potencia, na eletrônica digital e redes de comunicação. Os avanços na área de eletrônica de potência permi�ram a construção de inversores que a princípio eram construídos com �ristores e ocupavam espaços enormes, �veram uma redução quando se introduziram os transistores bipolares e com a chegada IGBT´s, houve um salto tecnológico que permi�u reduzir a quan�dade de componentes internos, as perdas térmicas e o tamanho das unidades. Já os avanços ocorridos na área de eletrônica digital permi�ram construir equipamentos que ao invés de usar circuitos analógicos passaram a usar processadores matemá�cos e transformaram todas as medidas em números e ações em instruções matemá�cas de forma que os ajustes podem ser feitos e acessado através de parâmetros em uma interface no próprio inversor. Atualmente as aplicações com inversores tem se tornado cada vez mais interessante, pois com a introdução em massa de CLP’s nas indústrias, a comunicação entre ambos passou as ser fundamental, desta forma os avanços tecnológicos na área de comunicação em rede permi�ram disponibilizar na rede (para o processador) grande quan�dade de informação com pouco inves�mento, tais informações permi�ram um gerenciamento com históricos e geração de relatórios de processos industriais.
Os inversores de freqüência são equipamentos eletrônicos des�nados a controlar a velocidade de motores de indução trifásicos, através da variação da freqüência fornecida ao motor tendo em vista que a velocidade de um motor de indução é definida da seguinte forma:
Equação da velocidade de um motor de indução do tipo gaiola de esquilo.
Através da equação podemos concluir que, a nível de usuário, só é possível variar a velocidade de um determinado motor de indução caso ocorra uma variação no valor da freqüência, pois o número de pólos é uma caracterís�ca constru�va do motor escolhido. Assim a u�lização de inversores de freqüência atualmente corresponde ao método mais eficiente para controlar a velocidade dos MIT’s. Os inversores transformam a tensão da rede, de amplitude e freqüência constantes, em uma tensão de amplitude e freqüência variáveis assim consegue-se variar a velocidade do campo girante e conseqüentemente a velocidade mecânica de rotação da máquina.
Figura 2 – Exemplos de inversores várias marcas
Um inversor de freqüência para ser estudado pode ser divido em duas partes dis�ntas: circuito de potência e circuito de controle.
Figura 3 - Topologia de um inversor de freqüência do tipo VSI Esta construção é o �po mais usado nos inversores convencionais, o circuito de potencia é divido em três partes:
A esquerda (em azul) temos a ponte re�ficadora de entrada, cons�tuída de seis diodos, que converte a tensão trifásica alternada em uma tensão con�nua pulsante.
No centro (em verde) se encontra o circuito intermediário que tem a função de filtrar a tensão con�nua pulsante em uma tensão con�nua. Quando o motor está em vazio ou com cargas leves, a tensão no link DC tende a estabilizar no valor igual a:
Quando, porém, o motor está com cargas mais elevadas (por exemplo, plena carga), a tensão no link DC tende ao valor
Figura 4 - Topologia do circuito de controle de um inversor de freqüência O circuito de controle pode ser dividido em quatro partes:
Figura 5 – Exemplo de entradas e saídas de um inversor
Será formado por um sinal modulado em PWM
A amplitude do chaveamento será de +Vcc a –V (^) cc ,
(^) O sinal de saída possui freqüência portadora que pode variar de 2kHz a 10KHz.
O sinal modulado tem uma componente de baixa freqüência que será a freqüência de operação do motor e pode variar geralmente de 0 a 60Hz.
Figura 9 – Partes do inversor de freqüência com sinais Para criar um sinal PWM, a idéia básica é somarmos um sinal senoidal (U (^) ref) de uma freqüência qualquer, com uma portadora triangular ou dente de serra (U (^) h). Desta forma o sinal resultante (UPWM ), será modulado e a intensidade e um ponto qualquer será proporcional a largura do pulso. Ver figura.
Figura 10 – Formação do sinal PWM (Fase-Neutro)
Figura 11 – Tensão PWM na saída do inversor Como o motor é uma carga predominantemente indu�va, este funciona como um filtro passa baixa e a modulação de freqüência da portadora não é vista na corrente de saída do inversor que alimenta o motor, como é percebida na tensão.
Figura 12 – Forma de onda da corrente de saída do inversor
O funcionamento dos inversores de freqüência com controle escalar está baseado numa estratégia de comando chamada “V/F”, que mantém o torque do motor constante, para qualquer velocidade de funcionamento do motor. O estator do motor de indução possui um bobinado trifásico e tem dois parâmetros que definem suas caracterís�cas. Um deles é a sua resistência ôhmica R [Ohm], que depende do �po de material (cobre) e do comprimento do fio com qual é feito o bobinado e o outro é a sua indutância L [Henry], depende fundamentalmente da geometria (forma) do bobinado e da interação com o rotor. Fazendo uma análise muito simplificada podemos dizer que a corrente que circulará pelo estator do motor será proporcional ao valor da resistência “R” e ao valor da reatância Indu�va “XL” que depende da indutância L e da freqüência f. Assim:
e
Para valores de freqüência acima de 30Hz o valor da resistência é muito pequeno quando comparado com o valor da reatância indu�va; desta maneira podemos, fazendo esta aproximação, desprezá-lo. Assim o valor da corrente será proporcional à tensão de alimentação V, à indutância L e à freqüência f. O valor de indutância L é uma constante do motor, mas a tensão e a freqüência são parâmetros “controlados” pelo inversor de freqüência. Assim, se para variar a velocidade do motor de indução temos que variar a freqüência da tensão de alimentação, a estratégia de controle “V/F” varia a tensão proporcionalmente com a variação da freqüência de alimentação (e da reatância indu�va) do motor para obter no estator uma corrente constante.
O gráfico a seguir mostra a curva da tensão no motor em função da freqüência e a relação com a corrente nominal do motor.
Figura 13 – Relação da tensão em função da Freqüência Como se pode observar acima de 60Hz a tensão não pode con�nuar subindo, pois já foi a�ngida a tensão máxima (tensão da rede), É assim que a par�r deste ponto a corrente, e conseqüentemente o torque do motor, diminuirão. Esta região é conhecida como região de enfraquecimento de campo. A figura abaixo mostra o gráfico do torque em função da freqüência onde fica em evidência este comportamento.
Figura 14 – Relação do torque em função da freqüência
Para freqüências abaixo de 30Hz o termo correspondente a resistência R do estator, que foi desprezado anteriormente, começa a ter influência no cálculo da corrente. É assim que, de para baixas freqüências, mantendo-se a proporcionalidade entre a freqüência e a tensão, a corrente e conseqüentemente o torque do motor diminuem bastante. Para que isto seja evitado, a tensão do estator em baixas freqüências deve ser aumentada, através de um método chamado de compensação I x R, conforme figura a seguir.
Figura 15 – Relação Tensão em função da freqüência (Compensação de torque) Na linha vermelha está curva original, onde se mantém a relação V/F, as linhas em preto abaixo de 30Hz, são as possibilidades devendo ser ajustado de acordo com cada aplicação a fim de corrigir as perdas causados pela influência de XL em baixas freqüências.
A frenagem de MIT quando se u�liza inversores de freqüência pode se tornar um problema se for necessário parar ou reduzir a velocidade em um intervalo de tempo muito curto ou se a carga possuir uma inércia muito grande pois um motor girando a uma rotação nominal possui uma energia ciné�ca devido ao movimento, para parar ou reduzir a velocidade deste motor que geralmente esta acoplado a uma carga, usando o principio da conservação da energia, é então necessário transferir ou transformar esta energia em outra forma de energia,. No inversor esta energia ciné�ca do motor irá se transformar em energia elétrica, fazendo com que o MIT, opere como um gerador.
Figura 19 – Fluxo de corrente durante operação normal
Figura 20 – Fluxo de corrente durante a frenagem
Na figura vemos o motor operando normalmente, o inversor drena uma corrente da rede elétrica e fornece ao motor, na figura seguinte vemos que o fluxo de corrente vem do motor, e provoca uma elevação da tensão no circuito intermediário (sobre o capacitor), que passa a armazenar a energia fornecida pelo motor. O inversor possui um circuito que monitora o nível de tensão no circuito intermediário, pois uma grande elevação pode comprometer todos os componentes do inversor, e desliga o chaveamento dos IGBT´s, fazendo com que a tensão reduza, no entanto isto faz com que o motor não pare ou diminua a velocidade dentro do intervalo de tempo desejado. Para solucionar o problema geralmente se instala um circuito que dissipa esta energia através de uma resistência elétrica, este circuito chamado de frenagem reostá�ca, é ligada conforme a figura e também é controlada pela placa principal do inversor.
Figura 21 – Inversor com frenagem reostática Existe no mercado outros �pos de frenagem, que u�lizam a rede elétrica fazendo que esta energia seja devolvida, transformando também o inversor em um gerador, no entanto tais soluções costuma ter alto custo de instalação mas são eficientes energe�camente falando pois as unidades compostas de resistências a energia con�da no motor é transformada em efeito Joule e dissipada no ambiente, e neste caso a energia é “devolvida” a rede elétrica.
Figura 22– Exemplo de unidade de frenagem reostática
Bombas centrífugas, bombas dosadoras de processo, ven�ladores, exaustores, agitadores, misturadores, extrusoras, esteiras transportadoras, mesas de rolos, granuladores, pele�zadoras, secadores, fornos rota�vos, filtros rota�vos, bobinadores, desbobinadores, máquinas de corte e solda, elevadores, sistemas mul�bombas, etc.
Existem uma infinidade de inversores no mercado, desde pequenos inversores para acionamentos de motores de 0,25CV até 4.500CV, para tensões de 220V até 4.160V, chamado de inversor de média tensão. A figura abaixo mostra uma aplicação com um inversor de média tensão u�lizado para grandes cargas.
Figura 23 – Exemplo de uma aplicação com inversor de media tensão.
Figura 24 – Exemplo aplicação - Bobinador com balancin
Figura 25 – Exemplo de aplicação – Bomba dosadora
Figura 26 – Exemplo de aplicação – Controle de velocidade Multi-motor
Figura 27 - Exemplo de aplicação – Escada rolante (com sensor)
Atualmente com a evolução da eletrônica de potencia, os inversores estão cada vez mais baratos e menores, e aplicações antes inviáveis devido o custo inicial de instalação estão hoje interessantes pois, a implementação de inversores permitem além de par�r motores com uma rampa de aceleração controlada como também controlar a velocidade do motor o que pode agregar valor ao produto final. Assim é cada vez mais comum ver que aplicações de equipamentos de baixa potência u�lizando inversores de freqüência. Também devido a avanços na área de CLP´s tem permi�do criar controladores cada vez menores, como dentro do inversor existe um microprocessador, que é a base de um CLP, muitos fabricantes de inversores têm inserido em seus produtos um pequeno CLP, que permite fazer além de uma lógica para acionar o próprio inversor, como comandar outros equipamentos que estejam interligados ou não ao funcionamento do mesmo.
motor.
Por se tratar de uma carga não linear os inversores introduzem harmônicos no
sistema elétrico afetando a qualidade de energia, perda de rendimento dos conjuntos
elétricos e provocando interferências eletromagné�cas indesejáveis em outros
equipamentos. O custo inicial do sistema do inversor é rela�vamente alto, mas de
acordo com a aplicação pode ser pago em curto ou médio prazo. O inversor possui uma
grande quan�dade de componentes sofis�cados que requerem técnicos especializados
para a manutenção, no entanto avanços tecnológicos permitem atualmente um auto-
diagnós�co que auxilia na localização de falhas. A subs�tuição a nível de placas já pode
ser feita por pessoal não especializado.
Os inversores de freqüência são sem dúvida, um equipamento que chegou no mercado para mudar o rumo da automação industrial, e cada vez mais os avanços tecnológicos tem deixado as aplicações com inversores mais atra�vas, subs�tuindo equipamentos as vezes complicados mecanicamente tais como variadores mecânicos e eletromagné�cos ou motores de corrente con�nua que tem um custo operacional e de manutenção muito alto. Recursos eletrônicos cada vez mais, têm somado de forma a tornar a aplicação com inversores a melhor solução para controle e variação de velocidade. Desde o menor até os de média tensão, os inversores vêm surgindo nas industrias como uma solução consolidada no mercado. Existem inúmeras aplicações, desde a mais simples com acionamento de um motor, até vários inversores com controle de velocidade único e sincronizados, podem ser integrados a rede industrial fornecendo dados importantes para o gerenciamento da produção e manutenção. Com os avanços e a disseminação dos CLP´s, os inversores incorporaram as funções deste e tornaram um inversor usado somente para comandar um motor, como uma peça chave que pode controlar outros equipamentos eliminando a necessidades de adicionar outros componentes no circuito. A facilidade em subs�tuir um inversor e reprogramá-lo é mais uma facilidade que atrai os usuários.
A principal desvantagem de um inversor instalado em uma rede elétrica é a geração de distorções harmônicas que podem interferir em outros equipamentos dependendo de sua intensidade, no entanto como no Brasil não há uma fiscalização quando a distorções desta natureza geradas pelo consumidor, o aumento de inversores tende a aumentar a ponto de já se fazer necessário se pensar em uma forma de solucionar o problema. Isto tornaria a solução com inversor de freqüência mais cara novamente, mas não a ponto de torná-la inviável pois, os motores CC também geravam
níveis alto de harmônicos na rede pois para acioná-los era necessário conversores CA/ CC.
Desta forma, conhecer bem o conceito sobre inversores de freqüência é muito importante pois, atualmente já é a melhor solução e em um futuro não muito distante, esta será também a mais econômica forma de controlar a velocidade de MIT´s.
[01] – WEG, 2009, “Motores de indução alimentados por inversores de frequência PWM”, Jaraguá do Sul – PR, 2009,
[02] - Franchi, C. M., “Inversores de Frequência: Teoria e Aplicações”, 2ª Edição, São Paulo: Érica, 2009.
[03] – WEG, 2004, “Manual de instruções, Inversor de freqüência CFW09”, Jaraguá do Sul
[04] – Curso Básico de Acionamento CA; Apos�la SIEMENS, 1998.- MICROMASTER 420 – Instruções de Operação; Manual SIEMENS, 2004.
[05] – No�cias WEG – 10/mar/2009 - h�p://www.weg.net/br/Media-Center/No�cias/ Geral/Oportunidades-em-Eficiencia-Energe�ca - Acessado em 01/mai/2010.
O encoder absoluto pode usar dois �pos de códigos para determinar a posição, o código Binário ou o código Gray
