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Tecnologia em Eletrotécnica Industrial

Acionamento e Comandos Industriais

Professor: Marcelo Rodrigues

Paulo Sérgio Kanasiro - 2008.306.006

Silvio Jose Quaresma Penna – 2008.306.011

Jean Carlos Pinheiro Ferreira – 2008.306.013

Marcos Roberto Carneiro de Araujo – 2008.306.024

INVERSORES DE FREQÜÊNCIA

Belém

2010

Tecnologia em Eletrotécnica Industrial

Acionamento e Comandos Industriais

Professor: Marcelo Rodrigues

ACRÔNIMOS E ABREVIATURAS

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

INDICE

Pag.

INTRODUÇÃO.................................................................................................4

INVERSOR DE FREQUÊNCIA...................................................................5

CIRCUITO POTÊNCIA................................................................................6

CIRCUITO DE CONTROLE........................................................................7

PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO.........................................................10

INVERSOR MODO ESCALAR.................................................................12

INVERSOR MODO VETORIAL................................................................14

FRENAGEM DE MIT COM INVERSOR...................................................16

APLICAÇÕES...........................................................................................18

RECURSOS TECNOLÓGICOS ..............................................................21

VANTAGENS............................................................................................23

DESVANTAGENS.....................................................................................23

CONCLUSÃO................................................................................................24

REFERÊNCIAS .......................................................................................25

APÊNDICE ....................................................................................................26

ENCODER ..............................................................................................26

INTRODUÇÃO

Como aumento da exigência por parte das indústrias que necessitam cada vez mais de processos produtivos 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 utilizados em quase todas as aplicações. Assim os modelos antigos, que usavam motores assíncronos com rotor bobinado, variadores eletromagnéticos e motores de corrente continua, que devido ao alto custo de manutenção tem sido substituído 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 particular aos avanços nas áreas de eletrônica de potencia, na eletrônica digital e redes de comunicação. Os avanços na área de eletrônica de potência permitiram a construção de inversores que a princípio eram construídos com tiristores e ocupavam espaços enormes, tiveram uma redução quando se introduziram os transistores bipolares e com a chegada IGBT´s, houve um salto tecnológico que permitiu reduzir a quantidade de componentes internos, as perdas térmicas e o tamanho das unidades. Já os avanços ocorridos na área de eletrônica digital permitiram construir equipamentos que ao invés de usar circuitos analógicos passaram a usar processadores matemáticos e transformaram todas as medidas em números e ações em instruções matemáticas 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 permitiram disponibilizar na rede (para o processador) grande quantidade de informação com pouco investimento, tais informações permitiram um gerenciamento com históricos e geração de relatórios de processos industriais.

INVERSOR DE FREQÜÊNCIA

Os inversores de freqüência são equipamentos eletrônicos destinados 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:

Onde:

N = velocidade de rotação mecânica (rpm);

P = Números de pólos

F = Freqüência fundamental da tensão de alimentação (Hz)

s = Escorregamento.

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 característica construtiva do motor escolhido. Assim a utilização 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

CIRCUITO POTÊNCIA

Um inversor de freqüência para ser estudado pode ser divido em duas partes distintas: circuito de potência e circuito de controle.

Figura 3 - Topologia de um inversor de freqüência do tipo VSI

Esta construção é o tipo mais usado nos inversores convencionais, o circuito de potencia é divido em três partes:

1) A esquerda (em azul) temos a ponte retificadora de entrada, constituída de seis diodos, que converte a tensão trifásica alternada em uma tensão continua pulsante.

2) No centro (em verde) se encontra o circuito intermediário que tem a função de filtrar a tensão continua pulsante em uma tensão continua. 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

3) A direita (em vermelho) encontramos o circuito principal que é constituído da ponte de seis transistores e seis diodos que faz o chaveamento do sinal PWM alternado que será fornecido ao motor.

CIRCUITO DE CONTROLE

Figura 4 - Topologia do circuito de controle de um inversor de freqüência

O circuito de controle pode ser dividido em quatro partes:

  1. Entradas e saídas digitais e analógicas, que fazem a interface com outros equipamentos do processo, enviando ou recebendo sinais.

Figura 5 – Exemplo de entradas e saídas de um inversor

  1. A CPU (unidade central de processamento) de um inversor de freqüência pode ser formada por um micro processador e é todas as informações (parâmetros e dados do sistema) estão armazenadas, visto que existe uma memória integrada a esse conjunto ela executa a função mais vital para o funcionamento do inversor é responsável para que tudo funcione no inversor fazendo a geração dos pulsos de disparo, através de uma lógica de controle coerente, para os IGBT’s., controla as entradas e saídas, a freqüência da saída do inversor, monitora os parâmetros de segurança, sinaliza, etc.

    Figura 6 – Cartão principal de um inversor de freqüência

  2. A Interface Homem-Máquina (IHM) possui um display e um teclado e é através dela é possível fazer:

- Visualização dos valores dos parâmetros configuráveis do inversor

- Inserção dos critérios de funcionamento do inversor

- Configurar a função das entradas e saídas

- Visualizar as falhas ocorridas

Figura 7 – Exemplo de IHM´s

  1. Porta de comunicação, é através desta porta que o inversor se comunica com o PLC, computador e sistemas supervisórios. Como geralmente bombas estão acopladas a motores elétricos, para saber a velocidade e a carga com que está operando uma bomba basta obter as informações do inversor a ela acoplado, se este inversor está conectado a uma rede de trabalho estes dados podem se transformar em controle e visualização, ou até mesmo em uma variável proporcional para ser apresentada em um sistema supervisório. Existem no mercado diversos tipos de protocolo de comunicação em rede, e é uma área que está desenvolvendo muito, e tem se tornado um diferencial na hora de se especificar um inversor de freqüência. Alguns dos protocolos Existentes no mercado: DeviceNet, ControlNet, Hart, Profibus e Fieldbus Foundation. Na figura a seguir, podemos ver um exemplo de uma tela onde se faz uso de informações obtidas no campo para apresentar em um supervisório.

Figura 8 – Exemplo de uma aplicação em um supervisório

FUNCIONAMENTO

Como vimos anteriormente o circuito de potencia o inversor de freqüência é composto de três partes, o principio de funcionamento será baseado na topologia mais comum de inversores atualmente. Assim após retificar e filtrar o sinal da rede elétrica trifásica, o inversor irá transformar o sinal continuo novamente em um sinal alternado com as seguintes características.

  1. Será formado por um sinal modulado em PWM

  2. A amplitude do chaveamento será de +Vcc a –Vcc,

  3. O sinal de saída possui freqüência portadora que pode variar de 2kHz a 10KHz.

  4. 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 (Uref) de uma freqüência qualquer, com uma portadora triangular ou dente de serra (Uh). 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 indutiva, 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

INVERSOR MODO ESCALAR

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 características. Um deles é a sua resistência ôhmica R [Ohm], que depende do tipo 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 Indutiva “XL” que depende da indutância L e da freqüência f. Assim:

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