ASSOCIAÇÃO EDUCATIVA E CULTURAL DE CAMAÇARI FAMEC Faculdade Metropolitana de Camaçari Camaçari CURSO BACHARELADO EM ENGENHARIA MECATRÔNICA
MARCELO RODRIGUES LOPES FILHO
INVERSORES DE FREQUÊNCIA
CAMAÇARI-BA 2014
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ASSOCIAÇÃO EDUCATIVA E CULTURAL DE CAMAÇARI FAMEC Faculdade Metropolitana de Camaçari CURSO BACHARELADO EM ENGENHARIA MECATRÔNICA
MARCELO RODRIGUES LOPES FILHO
INVERSORES DE FREQUÊNCIA
Este trabalho atende as exigências da disciplina Conversão Eletromecânica de Energia, ministrada pelo Prof. Milton Expedito de Oliveira Neto, como requisito parcial para obtenção do grau de Bacharelado em Engenharia Mecatrônica pela Faculdade Metropolitana de Camaçari - FAMEC.
CAMAÇARI-BA 2014
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RESUMO Um inversor de frequência nada mais é do que um equipamento eletrônico capaz de variar a velocidade de giro de motores elétricos trifásicos. O nome “inversor de frequência” é dado pela sua forma de atuação, mas para
entendermos melhor isso, precisamos saber como funciona um motor trif ásico. Motor elétrico de indução trifásico: O funcionamento de um motor elétrico de indução trifásico, embora altamente eficiente, é muito simples. Ele apenas “imita” a frequência da rede onde está
ligado. A frequência da rede de corrente alternada é a quantidade de vezes que ela alterna por segundo e é através da unidade Hertz (Hz), ou seja, uma rede de 60Hz alterna 60 vezes em um segundo. Essa tensão oscilante passa pelas bobinas do motor e forma um campo giratório e o motor tende a segui-lo, então, quanto mais alta for a frequência, mais rápido será esse campo e mais rápido o motor tenderá a girar. O inversor de frequência tem como principal função alterar a frequência da rede que alimenta o motor, fazendo com que o motor siga frequências diferentes das fornecidas pela rede, que é sempre constante. Desta forma podemos facilmente alterar a velocidade de rotação do motor de modo muito eficiente. O uso de inversores de frequência é responsável por uma série de vantagens, dependendo dos modelos oferecidos pelos fabricantes, são unidas a capacidade de variar a velocidade com controles especiais já implantados no equipamento. Esses controles proporcionam além da total flexibilidade de controle de velocidade sem grande perda de torque do motor, aceleração suave através de programação, frenagem direta no motor sem a necessidade de freios mecânicos além de diversas formas de controles preferenciais e controles externos que podem ser até por meio de redes de comunicação. Tudo isso com excelente precisão de movimentos. Além destas vantagens, os inversores ainda possuem excelente custobenefício, pois proporcionam economia de energia elétrica, maior durabilidade de engrenagens, polias e outras transmissões mecânicas por acelerar suavemente a velocidade.
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A possibilidade de eliminar reduções mecânicas do projeto também é possível, assim mais economia será possível.
SUMÁRIO
INTRODUÇÃO ........................................................................................................... 5 1. FUNCIONAMENTO ................................................................................................ 5 2. CONFIGURAÇÃO BÁSICA .................................................................................... 6 3. DIFERENÇAS E VANTAGENS DOS INVERSORES DE FREQUÊNCIA............... 7 4. TIPOS DE INVERSORES DE FREQUÊNCIA ......................................................... 8 4.1. INVERSOR ESCALAR ......................................................................................... 8 4.2. INVERSOR VETORIAL ........................................................................................ 8
5. DIFERENÇAS ENTRE INVERSORES ESCALARES E VETORIAIS ..................... 9 6. CONCLUSÃO ....................................................................................................... 10 7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ..................................................................... 11
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INTRODUÇÃO
A eletrônica de potência, com o passar do tempo, vem tornando mais fácil (e mais barato) o acionamento em velocidade variável de motores elétricos. Com isto, sistemas que antes usavam motores CC, pela facilidade de controle, hoje podem usar motores CA de indução graças aos Inversores de Freqüência, também chamados de Conversores de Freqüência. Em paralelo ao avanço da eletrônica de potência, a microeletrônica, por meio de microprocessadores e microcontroladores, tem auxiliado muito o acionamento de máquinas CA, permitindo
a
implementação
de
funções
complexas
num
tempo
de
processamento cada vez mais curto. Isto tem permitido a implementação de sofisticados algoritmos de controle que possibilitam o acionamento de alto desempenho com o emprego de motores de indução de série. A título de exemplo, podemos citar que motores de indução acionados por meio de Inversores de Frequência podem substituir, com vantagens, os sistemas de controle de fluxo com válvulas (bombas) ou dampers (ventiladores).
1. FUNCIONAMENTO
Para entender o funcionamento de um Inversor de Frequência, é necessário, antes de tudo, saber a função de cada bloco que o constitui. Ele é ligado na rede elétrica, que pode ser monofásica ou trifásica, e em sua saída há uma carga que necessita de uma frequência diferente daquela da rede. Para tanto, o inversor tem como primeiro estágio, um circuito retificador, responsável por transformar a tensão alternada em contínua. Após isso, existe um segundo estágio capaz de realizar o inverso, ou seja, a transformação de uma tensão CC para uma tensão CA (conversor), e com a frequência desejada pela carga.
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Na rede de entrada a frequência é fixa (60Hz ou 50Hz) e a tensão é transformada pelo retificador de entrada em contínua pulsada (retificação de onda completa). O Capacitor (filtro) transforma-a em tensão contínua pura de valor aproximado de
Esta tensão contínua é conectada ciclicamente aos terminais de saída pelos dispositivos semicondutores do inversor, transistores ou tiristores, que funcionam como chaves estáticas. O controle desses dispositivos semicondutores é feito pelo circuito de comando, de modo a obter um sistema de tensão pulsada, cujas freqüências fundamentais estão defasadas de 120°. A tensão é escolhida de modo que a relação tensão/frequência seja constante, resultando em operação com fluxo constante e, por via de consequência, manutenção da máxima capacidade de sobrecarga momentânea do motor.
2. CONFIGURAÇÃO BÁSICA
Figura 1: Configuração básica de um inversor de frequência
Fonte: Publicações da Faculdade da Vila Matilde, acessado em 03/03/2014.
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Circuito de entrada (ponte retificadora não controlada) Circuito de pré-carga (resistor, contator ou relé) Circuito intermediário (banco de capacitores Buss DC, resistores de equalização) Circuito de Saída "inversor" (ponte trifásica de IGBT) Placa de controle (microprocessada) Placa de driver's (disparo dos IGBT, fontes de alimentação, etc.) Réguas de bornes de interligação (controle de potência) Módulo de frenagem (interno ou externo)
3. DIFERENÇAS E VANTAGENS DOS INVERSORES DE FREQUÊNCIA
O inversor de frequência possibilita o controle do movimento do motor CA pela variação da frequência elétrica. Entretanto, também realiza a variação da tensão de saída para que seja respeitada a característica V/F (Tensão / Frequência) do motor, não produzindo aquecimento excessivo quando o motor opera em baixas rotações. Em frequências de operação acima da nominal, o acionamento se dá com perda de torque. O inversor promove a elevação na frequência sem, entretanto, promover o aumento no valor da tensão aplicada. Isto faz com que haja uma redução no fluxo do motor, trazendo como consequência uma redução no conjugado disponível. Esta região de operação é conhecida como região de enfraquecimento de campo em função da redução do f luxo ou campo do motor. Destinados inicialmente a aplicações mais simples, os inversores de f requência são atualmente encontrados nos mais diversos usos, desde o acionamento de bombas até complexos sistemas de automação industrial. Grande parte das aplicações como bombas, ventiladores e máquinas simples, necessitam apenas de variação de velocidade e partidas suaves, sendo atendidas plenamente com o uso de inversores com tecnologia Escalar ou V/F. Algumas aplicações entretanto, como elevadores, guinchos, bobinadeiras e máquinas operatrizes necessitam além da variação de velocidade o controle de
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torque, operações em baixíssimas rotações e alta velocidade de resposta, sendo atendidas por inversores com tecnologia Vetorial.
4. TIPOS DE INVERSORES DE FREQUÊNCIA
4.1.
Inversor Escalar
Em linhas gerais, podemos dizer que os inversores escalares baseiam-se em equações de regime permanente. A lógica de controle uti lizada é a manutenção da relação V/F constante. Apresentam um desempenho dinâmico limitado e usualmente são empregados em tarefas simples, como o controle da partida e da parada e a manutenção da velocidade em um valor constante (regulação).
4.2.
Inversor Vetorial
A lógica de controle empregada baseia-se em equações dinâmicas do motor. Assim, embora a programação de controle seja mais complexa do que aquela correspondente ao controle escalar, o desempenho dinâmico é bem superior a este. A ideia central é promover o desacoplamento entre o controle do fluxo e o controle da velocidade por meio de transformações de variáveis. Com esta técnica de controle, os inversores podem ser empregados em tarefas complexas que exijam grande precisão e dinâmicas rápidas do ponto de vista de controle. Os inversores Vetoriais podem ser divididos em duas categorias: aqueles que utilizam a realimentação física da velocidade, obtida de dispositivos transdutores, e aqueles que não empregam a realimentação física da velocidade, fazendo uso de estimadores de velocidade. A realimentação ou "Feedback", permite "enxergar" o movimento do eixo do motor possibilitando controlar a velocidade e o torque com alta precisão mesmo em velocidades muito pequenas, próximas de zero. A realimentação da velocidade é realizada
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utilizando um gerador de pulsos, conhecido como "Encoder". Alguns equipamentos permitem a utilização dos dois modos, sendo necessário uma placa opcional para a operação de malha fechada. A operação sem a realimentação da velocidade é também conhecida como "Sensorless". Nesse caso, o algoritmo de controle torna-se mais complexo pois o inversor deve calcular através de artifícios matemáticos a velocidade do motor. A operação sem realimentação possui performance inferior à operação com realimentação. Os Inversores Vetoriais necessitam da programação de todos os parâmetros do motor como, resistências elétricas, indutâncias, correntes nominais do rotor e estator, dados esses normalmente não encontrados com facilidade. Para facilitar o set-up, alguns inversores dispõem de sistemas de ajustes automáticos também conhecidos como "Auto-tunning", não sendo necessário a pesquisa de dados sobre o motor.
5. DIFERENÇAS ENTRE INVERSORES ESCALARES E VETORIAIS
A principal diferença entre os inversores Escalares e os Vetoriais deve-se a capacidade dos inversores vetoriais imporem o torque necessário ao motor, de forma precisa e rápida permitindo uma elevada velocidade de resposta dinâmica a variações bruscas de carga. Os Invesores Escalares apresentam uma resposta dinâmica bem mais lenta, demorando mais para reagir a qualquer alteração de velocidade ocorrida ou solicitada.
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6. CONCLUSÃO
Atualmente, a necessidade de aumento de produção e diminuição de custos, se fez dentro deste cenário surgir a automação, ainda em fase inicial no Brasil, com isto uma grande infinidade de equipamentos foram desenvolvidos para as mais diversas variedades de aplicações e setores industriais, um dos equipamentos mais utilizados nestes processos conjuntamente com o CLP é o Inversor de Frequência, um equipamento versátil e dinâmico.
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7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
http://coral.ufsm.br/desp/luizcarlos/aula2of2.pdf. Acessado em 03/03/14 às 22:34.
http://www.digel.com.br/novosite/index.php?option=com_content&view=a
rticle&id=70:como-funciona-um-inversor-defrequencia&catid=42:tecnicos&Itemid=69 – Por Lucas Lino, técnico da Digel Elétrica Ltda. Acessado em 03/03/14 às 14:40. http://www.faculdadedavilamatilde.com.br/publicacoes/inversores_de_fre
quencia.pdf. Acessado em 03/03/14 às 23:53.
