Inversores de frequência

Inversores de frequência

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INTRODUÇÃO:

Vamos aqui abordar sobre o inversor de freqüência, que é um dispositivo capaz de gerar uma tensão de baixo custo, que obtêm a finalidade de controlar a velocidade de um motor de indução trifásico, o que acaba gerando uma grande economia de energias.

O seguinte trabalho apresenta desde como se desenvolve o inversor, começando pela primeira etapa de um circuito trifásico, explicando também sobre o circuito monofásico, como é sua instalação, seu funcionamento, quais cuidados obter, o dimensionamento, quais inversores existem, como ele é por dentro e até mesmo sobre sua parametrização (que é o qual informa ao inversor a condição de trabalho que irá operar).

A pesquisa para esse trabalho foi realizada através de livros e pesquisas na Internet, para saber mais informações sobre esse tema, basta ler o seguinte.

INVERSORES DE FREQUÊNCIA

A função do inversor de freqüência é a mesma do conversor CC, isto é, regular a velocidade de um motor elétrico mantendo seu torque (conjugado).

A diferença agora é o tipo de motor utilizado. Os inversores de freqüência foram desenvolvidos para trabalhar com motores AC.

O motor AC tem uma série de vantagens sobre o DC:

- Baixa manutenção;

- Ausência de escovas comutadoras;

- Ausência de faiscamento;

- Baixo ruído elétrico;

- Custo inferior;

- Velocidade de rotação superior.

Essas vantagens levaram a indústria a desenvolver um sistema capaz de controlar a potência (velocidade + torque) de um motor AC.

Conforme vemos na fórmula: N = 120.f / P

Onde:

N = rotação em rpm.

f = freqüência da rede, em Hz.

P = número de pólos.

Podemos entender, que a velocidade de rotação de um motor AC depende da freqüência da rede de alimentação. Quanto maior for a freqüência, maior a rotação e vice-versa.

Assumindo que o número de pólos de um motor AC seja fixo (determinado na sua construção), ao variarmos a freqüência de alimentação, variamos na mesma proporção sua velocidade de rotação.

O inversor de freqüência, portanto, pode ser considerado como uma fonte de tensão alternada de freqüência variável.

Claro que isso é uma aproximação grosseira, porém dá uma idéia pela qual chamamos de acionamento CA, de “inversor de freqüência”.

Os circuitos internos de um inversor são bem diferentes de um acionamento CC (conversor CC).

A figura 3. Ilustraum 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 de referência. Temos então uma tensão contínua + V/2 (positiva) e uma –V/2 (negativa) em relação à terra, formando o que chamamos de “barramento DC”.

O barramento DC alimenta a segunda etapa, constituída de seis transistores IBGTs e que, através de uma lógica de controle (terceira etapa), “liga e desliga” os transistores de modo 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 Figura 4, e notem que a estruturade 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 4 transistores IGBTs. Imaginem agora que o circuito da lógica de controle ligue os transistores 2 a 2 na seguinte ordem: primeiro tempo– transistores T1 e T4 ligados, e T3 e T2 desligados.

Nesse caso, a corrente circula no sentido de A para B (fig.5); segundo tempo- transistores T1 e T4 desligados, e T3 e T2 ligados. Nesse caso, a corrente circula no sentido de B para A (fig.6).

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 freqüência de chaveamento desses transistores, também aumentaremos a velocidade de rotação do motor, e vice-versa.

Como os transistores operam como chaves (corte e saturação), a forma de onda da tensão de saída do inversor de freqüência é sempre quadrada.

Raramente encontramos aplicações monofásicas nas indústrias.

As maiorias dos inversores são trifásicos, portanto, façamos outra analogia de funcionamento tomando como base ainda o inversor trifásico da figura 3.

A lógica de controle agora precisa distribuir os pulsos de disparos pelos 6 IGBTs, de modo a formar uma tensão de saída (embora quadrada), alternada e defasada de 120º 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 7 representamos os IBGTs como chaves, pois em um inversor é assim que eles funcionam.

A lógica de controle prorpocionará as seguintes combinações de pulsos para ativar (ligar) os IBGTs:

1º tempo T1, T2, T3

2º tempo T2, T3, T4

3º tempo T3, T4, T5

4º tempo T4, T5, T6

5º tempo T5, T6, T1

6º tempo T6, T1, T2

As possibilidades T1, 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 1º tempo temos T1, T2 , T3 ligados e os restantes desligados.

O barramento DC possui uma referência central (terra), portanto temos +V/2 e –V/2 como estão DC. Para que o motor AC possa funcionar bem, as tensões de linha Vrs, Vst e Vtr devem estar defasadas de 120º.

O fato da forma-de-onda ser quadrada e não senoidal (como a rede) não compromete o bom funcionamento do motor. 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 T1 está ligado é igual a +V/2) e S (+ V/2 também). Analogamente: Vst = + V/2 – (-V/2) = + V, e por aí vai!

Caso façamos as seis condições (tempos) que a lógica de controle estabelece aos IBGTs, teremos a seguinte distribuição de tensões nas 3 fases do motor. “Traduzindo” essa tabela em um diagrama de tempos, teremos a três formas-de-onda de tensão, conforme mostra a figura 8. Notem que as três fases estão defasadas de 120º elétricos, exatamente como a rede elétrica trifásica.

Como vimos anteriormente, se variarmos a freqüência da tensão de saída no inversor, alteramos na mesma proporção a velocidade de rotação do motor.

Normalmente, a faixa de variação de freqüência dos inversores fica entre 5 e 300 Hz (aproximadamente).

A função do inversor de freqüência, 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 a máquina operatriz. Imaginem um inverso 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, 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 constante. Isto é, caso haja mudança de freqüência, ele deve mudar (na mesma proporção) a tensão, para que a razão se mantenha, por exemplo:

f = 50 Hz V = 300 V

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 = 60 Hz V = 360 V

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 figura 9.

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

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