Inversores de Frequência

Podemos considerar o inversor de frequência como uma fonte de tensão alternada de frequência variável. Claro que isso é uma aproximação grosseira, porém dá uma ideia pela qual chamamos um acionamento CA, de “inversor de frequência”.

Os circuitos internos de um inversor são bem diferentes de um acionamento CC (conversor CC). A figura abaixo ilustra um diagrama simplificado dos principais blocos.

A primeira etapa do circuito é formada por uma ponte retificadora (onda completa) trifásica, e dois capacitores de filtro. Esse circuito forma uma fonte DC simétrica, pois há um ponto de terra como referência. Temos então uma tensão continua + V/2 (positiva) e, uma –V/2 (negativa) em relação ao terra, formando o que chamamos de “barramento DC”. O barramento DC alimenta a segunda etapa, constituída de seis transistores IGBT's, e que, através de uma lógica de controle (terceira etapa), "liga e desliga” os transistores de modo a alternarem o sentido de corrente que circula pelo motor.

Antes de estudarmos como é possível transformar uma tensão DC em AC, através do chaveamento de transistores em um circuito trifásico, vamos fazer uma "prévia", em um circuito monofásico. Observem a próxima figura, e notem que a estrutura de um inversor trifásico é praticamente igual ao nosso modelo monofásico. A  primeira etapa é o módulo de retificação e filtragem, que gera uma tensão DC fixa (barramento DC) e que alimenta os transistores IGBT's.

Imaginem agora que o circuito de lógica de controle ligue os transistores 2 a 2 na seguinte ordem:

• Primeiro tempo - transistores Tl e T4 ligados, e T3 e T2 desligados. Nesse caso, a corrente circula no sentido de A para B (figura abaixo)

• Segundo tempo- transistores T1 e T4 desligados, e T3 e T 2 ligados. Nesse caso, a corrente circula no sentido de B para A (figura abaixo).

Ao inverter-se o sentido de corrente, a tensão na carga (motor) passa a ser alternada, mesmo estando conectada a uma fonte DC. Caso aumentemos a frequência de chaveamento desses transistores, também aumentaremos a velocidade de rotação do motor, e vice-versa. Como os transistores operam como chaves (corte ou saturação), a forma de onda de tensão de saída do inversor de frequência é sempre quadrada. Na prática, os transistores chaveiam modulando largura de pulso (PWM), afim de se obter uma forma de onda de tensão mais próxima da senoidal.

Raramente encontramos aplicações monofásicas nas indústrias. A maioria dos inversores são trifásicos, portanto, façamos outra analogia de funcionamento, tomando

como base ainda o inversor trifásico da primeira figura. A lógica de controle agora precisa distribuir os pulsos de disparos pelos 6 IGBT's, de modo a formar uma tensão de saída (embora quadrada) alternada e defasada de 120° uma da outra.

Como temos 6 transistores, e devemos ligá-los 3 a 3, temos 8 combinações possíveis, porém apenas 6 serão válidas, conforme veremos a seguir. Na figura seguinte, representamos os IGBT's como chaves, pois em um inversor é assim que eles funcionam. 

A lógica de controle proporcionará as seguintes combinações de pulsos para ativar (ligar) os IGBT's:

1° tempo Tl, T2, T3

2° tempo T2, T3, T4

3° tempo T3, T4, T5

4° tempo T4, T5, T6

5° tempo T5, T6, T1

6° tempo T6, Tl, T2

As possibilidades Tl, T3, T5, e T4, T6, T2 não são válidas, pois ligam todas as fases do motor no mesmo potencial. Não havendo diferença de potencial, não há energia para movimentar o motor, portanto essa é uma condição proibida para o inversor.

Vamos analisar uma das condições, e as restantes serão análogas.

No 1° tempo temos Tl, T2, e T3 ligados, e os restantes desligados. O barramento DC possui uma referencia central (terra), portanto temos +V/2, e –V/2 como tensão DC.

Para que o motor AC possa funcionar bem, as tensões de linha Vrs, Vst, e Vtr devem estar defasadas de 120°. O fato da forma-de-onda ser quadrada e não senoidal (como a rede) é apenas para facilitar o entendimento (lembre-se que na prática a modulação é PWM).

Para esse primeiro tempo de chaveamento, teremos:

Vrs = +V/2 - V/2 = 0

Vst = +V/2 - (-V/2) = +V

Vtr = -V/2 – V/2 = -V

Notem que quando falamos em Vrs, por exemplo, significa a diferença de potencial entre R (no caso como Tl, está ligado é igual a + V/2) e S ( +V/2 também).

Analogamente: Vst = +V/2 - (-V/2) = + V , e assim por diante.

Caso façamos as seis condições (tempos) que a lógica de controle estabelece aos IGBT's, teremos a seguinte distribuição de tensões nas 3 fases do motor.

Traduzindo essa tabela em um diagrama de tempos, teremos as três formas de onda de tensão, conforme mostra a figura abaixo. Notem que as três fases estão defasadas de 120° elétricos, exatamente como a rede elétrica trifásica.

Curva V/F

Como vimos anteriormente, se variarmos a frequência da tensão de saída no inversor , alteramos na mesma proporção, a velocidade de rotação do motor. Normalmente, a faixa de variação de frequência dos inversores fica entre 0,5 e 400 Hz, dependendo da marca e modelo. (Obs: para trabalhar em frequências muito altas, o motor deve ser “preparado”).

A função do inversor de frequência, entretanto, não é apenas controlar a velocidade de um motor AC. Ele precisa manter o torque (conjugado) constante para não provocar alterações na rotação quando o motor estiver com carga.

Um exemplo clássico desse problema é em uma máquina operatriz. Imaginem um inversor controlando a velocidade de rotação de uma placa (parte da máquina onde a peça a ser usinada é fixada) de um torno. Quando introduzimos a ferramenta de corte, 5, uma carga mecânica é imposta ao motor, que deve manter a rotação constante. Caso a rotação se altere, a peça pode apresentar um mau acabamento de usinagem.

Para que esse torque realmente fique constante, por sua vez, o inversor deve manter a razão V/F (Tensão ÷ Frequência) constante. Isto é, caso haja mudança de frequência, ele deve mudar (na mesma proporção) a tensão, para que a razão se mantenha, como por exemplo:

           

            F = 50Hz         V = 300V        V/F = 6

           

•              Situação 1: O inversor foi programado para enviar 50 Hz ao motor, e sua curva             V/F está parametrizada em 6. Automaticamente, ele alimenta o motor com 300    V;

           

            F = 60Hz         V = 360V        V/F = 6

           

•              Situação 2: O inversor recebeu uma nova instrução para mudar de 50 Hz

            para 60 Hz. Agora a tensão passa a ser 360 V e a razão V/F mantém-se em 6.

 Acompanhe a curva mostrada na próxima  figura: 

O valor de V/F pode ser programado (parametrizado) em um inversor, e seu valor dependerá da aplicação.

Quando o inversor necessita de um grande torque, porém não atinge velocidade muito alta, atribuímos a ele o maior V/F que o equipamento puder fornecer, e desse modo ele terá um melhor rendimento em baixas velocidades, além de alto torque. Já no caso em que o inversor deva operar com altas rotações e com torques não tão altos,

parametrizamos um V/F menor e encontraremos o melhor rendimento para essa outra situação.

Mas, como o inversor pode mudar a tensão V se ela é fixada no barramento DC, através da retificação e filtragem da própria rede?

O inversor altera a tensão V oriunda do barramento DC, através da modulação por largura de pulso (PWM).

A unidade lógica, além de distribuir os pulsos aos IGBT's do modo já estudado, também controla o tempo em que cada IGBT permanece ligado (ciclo de trabalho).

•              Quando V tem que aumentar ,os pulsos são “alargados” (maior tempo em  on).

                                    

•              Quando V tem que diminuir, os pulsos são “estreitados”.

            Dessa forma, a tensão eficaz entregue ao motor pode ser controlada. .

           

            A frequência de PWM também pode ser parametrizada, e geralmente encontra-se entre 2,5 kHz e 16 kHz.

           

            Na medida do possível, devemos deixá-la próxima do limite inferior pois assim diminuímos as interferências eletromagnéticas geradas pelo sistema (EMI).

Inversor Vetorial

Podemos classificar os inversores em dois tipos: inversores escalares e vetoriais. Os escalares e vetoriais possuem a mesma estrutura de funcionamento, mas a diferença esta no modo em que o torque é controlado.

Nos inversores escalares, como dissemos anteriormente, a curva V/F é fixada (parametrizada), tomando como base o tipo de regime de trabalho em que o inversor irá

operar. Existe porém, uma condição problemática que é justamente o ponto crítico de qualquer sistema de acionamento AC: as baixas rotações. O sistema AC não consegue um bom torque com velocidades baixas, devido ao próprio rendimento do motor AC.

Para compensar esse fenômeno, desenvolveu-se o inversor de frequência vetorial. Muito mais caro e complexo que o escalar, ele não funciona com uma curva V/F pré- fixada (parametrizada).

Na verdade ele varia tensão e frequência, de modo a otimizar o torque para qualquer condição de rotação (baixa ou alta). É como se ficássemos parametrizando a cada ms, uma nova curva V/F para cada nova situação. O inversor vetorial controla V/F através das correntes de magnetização e rotórica do motor.

Normalmente um tacômetro, ou um encoder são utilizados como sensores de velocidade, formando uma "malha fechada" de controle de velocidade. Existem porém os inversores vetoriais “sensorless”, que não utilizam sensores de velocidade externos.

  

INSTALAÇÃO DO INVERSOR

Feito essa pequeno estudo da estrutura funcional do inversor, vamos mostrar como instalá-lo. A figura 1 mostra a configuração básica de instalação de um inversor de frequência.

Existe uma grande quantidade de fabricantes, e uma infinidade de aplicações diferentes para os inversores.

Portanto o esquema da figura 1 refere-se à versão mais comum. Sensores e chaves extras, com certeza, serão encontrados em campo, mas a estrutura é a mesma.

Os terminais identificados como: R, S, e T (ou Ll, L2, e L3), referem-se à entrada trifásica da rede elétrica. Para pequenas potências, é comum encontrarmos inversores com a entrada monofásicos (porém a saída continua sendo trifásica).

Para diferenciar a entrada da rede para a saída do motor, a saída (normalmente) vem indicada por: U, V e W.

Além da potência, temos os bornes de comando. Cada fabricante possui sua própria configuração, portanto, para saber "quem é quem" temos de consultar o manual de respectivo fabricante. De qualquer maneira, os principais bornes são as entradas (analógicas ou digitais), e as saídas (geralmente digitais).

OS "DEZ MANDAMENTOS" DA INSTALAÇÃO DO INVERSOR DE FREQUÊNCIA

1. Cuidado! Não há inversor no mundo que resista à ligação invertida de entrada da rede elétrica (trifásica ou monofásica), com a saída trifásica para o motor.

2. O aterramento elétrico deve estar bem conectado, tanto ao inversor como ao motor. O valor do aterramento nunca deve ser maior que 5Ω (norma IEC536), e isso pode ser

facilmente comprovado com um terrômetro, antes da instalação.

3. Caso o inversor possua uma interface de comunicação( RS 232, ou RS 485) para o PC, o tamanho do cabo deve ser o menor possível.

4. Devemos evitar ao máximo, misturar (em um mesmo eletroduto ou canaleta), cabos de potência (rede elétrica, ou saída para o motor) com cabos de comando (sinais analógicos, digitais, RS 232, etc...).

5. O inversor deve estar alojado próximo a “orifícios” de ventilação, ou, caso a potência seja muito alta, deve estar submetido a uma ventilação (ou exaustão). Alguns inversores já possuem um pequeno exaustor interno.

6. A rede elétrica deve ser confiável, isto é, jamais ultrapassar variações de + ou - 10% em sua amplitude.

7. Sempre que possível, utilizar os cabos de comando devidamente blindados.

8. Os equipamentos de controle (PLC, CNC, PC, etc...), que funcionarem em conjunto com o inversor, devem possuir o "terra" em comum. Normalmente, esse terminal vem indicado pela referência “PE” ( proteção elétrica), e sua cor é amarela e verde (ou apenas verde ).

9. Utilizar sempre parafusos e arruelas adequadas para garantir uma boa fixação ao painel. Isso evitará vibrações mecânicas. Além disso, muitos inversores utilizam o próprio painel em que são fixados como dissipador de calor. Uma fixação pobre, nesse caso, causará um aquecimento excessivo ( e possivelmente sua queima ).

10. Caso haja contatores e bobinas agregadas ao funcionamento do inversor, utilizar sempre supressores de ruídos elétricos (circuitos RC para bobinas AC, e diodos para bobinas DC).

 Essas precauções não visam apenas melhorar o funcionamento do inversor, mas evitar que ele interfira em outros equipamentos ao seu redor O inversor de frequência é, infelizmente, um grande gerador de EMI ( interferências eletromagnéticas), e, caso não o instalarmos de acordo com as orientações acima, poderemos prejudicar toda a máquina (ou sistema) ao seu redor. Basta dizer que, para um equipamento atender o mercado europeu, a certificação CE ( Comunidade Européia ) exige que a emissão eletromagnética chegue a níveis baixíssimos (norma IEC 22G - WG4 (CV) 21).

PARAMETRIZAÇÃO

Para que o inversor funcione a contento, não basta instalá-lo corretamente. É preciso "informar" a ele em que condições de trabalho irá operar. Essa tarefa é justamente a parametrização do inversor. Quanto maior o número de recursos que o inversor oferece, tanto maior será o número de parâmetros disponíveis. Existem inversores com tal nível de sofisticação, que o número de parâmetros ultrapassa a marca dos 900!

Obviamente, por enquanto, veremos apenas os principais, e para facilitar nosso estudo futuro, utilizaremos os endereços particularidades do inversor SIMOVERT MICROMASTER do fabricante SIEMENS, porém um mesmo parâmetro, com certeza, muda de endereço de fabricante para fabricante. O inversor de frequência MICROMASTER tem as mesmas funções dos demais fabricantes (Yaskawa, ABB, WEG, Allen Bladley, etc...). Isso não deverá dificultar o trabalho com inversores de outras marcas e modelos, pois basta associarmos com os indicados pelo manual do fabricante especifico.

Como faço para acessar os parâmetros e parametrizar um inversor?

Normalmente devemos seguir os seguintes passos: 

1° passo 

Acionamos a tecla P e as setas ⇑ ou ⇓ até acharmos o parâmetro desejado. 

2° passo 

Agora aciona-se P novamente, e o valor mostrado no display será o valor do parâmetro, e não mais a ordem em que ele está. 

3° passo 

Acionamos as teclas ⇑ ou ⇓ até acharmos o valor desejado ao parâmetro. 

4° passo 

Basta acionar P novamente, e o novo parâmetro estará programado. 

Observação: Cerca de 90% dos inversores comerciais funcionam com essa lógica. 

E quais são os principais parâmetros de um inversor? 

Parâmetro P009: Liberação de alteração de parâmetros 

• Ajuste = 0 : somente os parâmetros P001 a P009 podem ser alterados. 

• Ajuste = 1 : os parâmetros P001 a P009 podem ser alterados e todos os demais podem ser somente lidos. 

• Ajuste = 2 : todos os parâmetros podem ser alterados porém P009 retorna automaticamente a 0 na próxima vez que o inversor for desenergizado. 

• Ajuste = 3 : todos os parâmetros podem ser alterados indefinidamente. 

Esse parâmetro é uma proteção contra "curiosos". Para impedir que alguém, inadvertidamente, altere algum parâmetro da máquina, utiliza-se um ajuste específico como proteção. 

Parâmetro P084: Tensão nominal do motor. 

Esse parâmetro existe na maioria dos inversores comerciais, 1embrando que não necessariamente como P084, e serve para informarmos ao inversor qual é a tensão nominal em que o motor irá operar. Suponha que o motor tenha tensão nominal 220VCA. 

Parâmetro P083: Corrente nominal do motor. 

Esse parâmetro determina o valor de corrente que será utilizado nos cálculos que serão feitos pelo inversor, como por exemplo para protegê-lo de sobrecargas. 

Parâmetro P003: Frequência mínima de saída. 

Esse parâmetro determina a velocidade mínima do motor. Pode variar de 0,0Hz a 650Hz, porém deve ser sempre menor que a frequência máxima. 

Parâmetro P013: Frequência máxima de saída . 

Esse parâmetro determina a velocidade máxima do motor. Pode variar de 0,0Hz a 650Hz, porém deve ser sempre maior que a frequência mínima. 

Parâmetro P031: Frequência de JOG. 

JOG (impulso) é um recurso que faz o motor girar com velocidade bem baixa. Isso facilita o posicionamento de peças antes da máquina funcionar em seu regime normal. Por exemplo: 

Encaixar o papel em uma bobinadeira, antes do papel ser bobinado efetivamente. 

Parâmetro P002: Tempo de partida (rampa de aceleração). 

Esse parâmetro indica em quanto tempo deseja-se que o motor chegue a velocidade programada, estando ele parado. Pode variar de 0 a 650 segundos. Você pode pensar: "Quanto mais rápido melhor". Mas, caso o motor esteja conectado mecanicamente a cargas pesadas ( Ex: placas de tornos com peças grandes, guindastes, etc...), uma partida muito rápida poderá “desarmar" disjuntores de proteção do sistema. Isso ocorre, pois o pico de corrente, necessário para vencer a inércia do motor, será muito alto. Portanto, esse parâmetro deve respeitar a massa da carga, e o limite de corrente do inversor. Veja a figura abaixo: 

Parâmetro P003: Tempo de parada (rampa de desaceleração).

O inversor pode produzir uma parada gradativa do motor. Essa facilidade pode ser parametrizada variando de 0 a 650 segundos, e, como a anterior, deve levar em consideração a massa (inércia) da carga acoplada. Veja a figura seguinte:

Parâmetro P006: Tipo de referência de entrada. 

• Ajuste = 0 a entrada significativa é digital. 

• Ajuste = 1 a entrada significativa é analógica. 

• Ajuste = 2 a velocidade é fixada dependendo da programação das entradas binárias (P051 a P055). 

Esse parâmetro diz ao inversor como vamos controlar a velocidade do motor. 

Caso esteja em 1 , a velocidade será proporcional a tensão analógica de entrada. A entrada digital será ignorada. Caso o parâmetro esteja em 0, a velocidade será controlada por um sinal digital (na entrada digital), e o sinal analógico não mais influenciará. 

Parâmetro P076: Frequência de chaveamento PWM. 

Esse parâmetro determina a frequência de PWM do inversor. Para este modelo, a mesma pode ser 2KHz, 4KHz, 8KHz ou 16KHz. 

Para evitarmos perdas no motor, e interferências eletromagnéticas (EMI), quanto menor essa frequência, melhor. 

O único inconveniente de parametrizarmos o PWM com frequências baixas (2 ou 4 kHz) é a geração de ruídos sonoros, isto é, a máquina fica mais “barulhenta”. Portanto, devemos fazer uma "análise crítica" das condições gerais do ambiente de trabalho, antes de optarmos pelo melhor PWM.

Como dito anteriormente, existe uma infinidade de parâmetros nos inversores. Nesta apostila, foram mostrados apenas os 10 principais, que já serão suficientes para "colocar para rodar" qualquer máquina.

Para parametrizar um inversor diferente do estudado, basta consultar o manual do fabricante, e fazer uma analogia com essa apostila.

  

DIMENSIONAMENTO

Como posso saber: qual é o modelo, tipo, e potência do inversor para a minha aplicação?

Bem, vamos responder a essa pergunta em três etapas:

Capacidade do inversor:

Para definirmos o “tamanho” do inversor temos de saber qual a corrente do motor (e qual carga) ele acionará. Normalmente se escolhe um inversor com uma capacidade de corrente igual ou um pouco superior à corrente nominal do motor. A tensão, tanto do inversor quanto do motor deve ser igual a da rede de alimentação.

Tipo de inversor:

A maioria dos inversores utilizados são do tipo escalar. Só utilizamos o tipo vetorial em duas ocasiões: extrema precisão de rotação, torque elevado para rotação baixa ou zero (ex: guindaste, pontes rolantes , elevadores , etc...).

Modelo e fabricante :

Para escolher o modelo, basta consultarmos os catálogos dos fabricantes, e procurar um que atenda as seguintes características mínimas necessárias:

Quanto ao fabricante, o preço e qualidade desejada deve determinar a escolha.

Apenas como referência ao leitor os mais encontrados na indústria são:

Siemens, Weg, Yaskawa, Allen Bradley e ABB.