Inversor de Frequência

Inversor de Frequência

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Há dois anos, aproximadamente, publicamos na

Revista Saber Eletrônica uma série (composta por três artigos) sobre inversores de freqüência.

Na época, as Revistas Mecatrônica Fácil e

Mecatrônica Atual estavam em uma fase “embrionária”, fazendo com que todos os artigos de robótica e automação caminhassem para uma única obra, isto é, a própria “Saber”.

Como agora temos não apenas uma, mas sim duas revistas de mecatrônica, decidimos rever os artigos voltados a essas áreas, e que fizeram sucesso devido ao seu alto nível técnico e aplicação em campo. A idéia é publicá-los novamente, visto que agora já temos um público “alvo” bem definido para mecatrônica. Seriamos injustos, entretanto, se não fizessemos um “up-grade” desses artigos, acrescentando as últimas tendências de mercado. Sem dúvida, dessa forma, os artigos agregarão valor ao nosso antigo e fiel leitor que, por ventura, já tenha lido a primeira versão.

Um dos equipamentos mais clássicos da Eletrônica Industrial é o “acionamento”. Imaginem uma fábrica de papel, por exemplo.

O produto deve ser “bobinado” pelas várias etapas do seu processo fabril e, para isso, as bobinas devem manter o papel esticado. Notem pela figura 1, que a rotação e o sincronismo entre os dois motores elétricos devem ser extremamente precisos, pois caso um motor A “gire” mais rápido que um B, o papel ficará com folga (criando uma ‘barriga’). Por outro lado, se o motor B tender a “girar” mais rápido que o A, o papel poderá se esticar a ponto de quebrar.

O acionamento, nesse caso, é utilizado para controlar a velocidade de rotação e torque do motor, de modo a manter a correta tensão mecânica do papel. Normalmente, utiliza-se um acionamento para cada motor.

Assim como vimos o exemplo em uma “máquina de fazer papel”, os

Alexandre Capelli

MECATRÔNICA ATUAL Nº 2 - FEVEREIRO/20028 acionamentos são utilizados nos mais diversos equipamentos, tais como guindastes, elevadores, máquinasferramenta, etc...

Há duas famílias de acionamentos: acionamentos de corrente contínua (também chamados conversores C), e acionamentos de corrente alternada (também chamados de inversores de freqüência). O primeiro deles já se tornou obsoleto, sendo utilizado atualmente apenas em situações bem específicas. Mesmo assim, teremos de estudá-lo um pouco para que possamos compreender melhor os inversores de freqüência (assunto deste artigo).

O motor C tem como principal qualidade seu alto torque, e prova disso é que no metrô de São Paulo, bem como nos ônibus elétricos, o motor é C. Esse tipo de motor é largamente utilizado em tração elétrica, situação em que necessitamos de alto torque (principalmente na partida).

Como tudo na vida, também temos desvantagens em corrente contínua. O motor C, devido à construção do seu rotor, e à comutação do coletor (faiscamento), não pode atingir uma velocidade muito alta . Outra desvantagem é a necessidade de constante manutenção (troca de escovas, limpeza, balanceamento, etc...). Atualmente, os custos de manutenção e o alto preço do motor C limita- ram a sua utilização em situações que exigem um torque muito alto.

A fórmula que mostra o comportamento de um motor C é apresentada a seguir, onde: E = tensão de alimentação (armadura); K = constante de material; φ = densidade do fluxo magnético; e η = velocidade de rotação (rpm).

Resumindo, em um motor C a velocidade de rotação é proporcional à sua tensão de alimentação, e o torque é proporcional à corrente que circula pela armadura (enrolamento do rotor).

Também o fluxo magnético influencia a rotação, só que de modo inverso

(quanto maior o fluxo, menor a rotação, e vice- versa).

A figura 2 mostra o esquema geral de um acionamento C.

Notem que o acionamento é formado por 4 blocos básicos: regulador de velocidade; regulador de corrente; gerador de pulsos de disparo; e ponte retificadora. O primeiro bloco é formado por uma malha de amplificadores operacionais, cuja função é enviar ao próximo módulo uma tensão proporcional à diferença entre a tensão de controle (velocidade desejada) e a tensão real (velocidade real do motor). Isso quer dizer que, para comandarmos uma velocidade para o motor, basta “injetarmos” uma tensão DC na entrada do primeiro módulo.

A rotação do motor será proporcional a essa tensão de controle. Em máquinas operatrizes, por exemplo, essa tensão é enviada pelo comando numérico, e seu valor está entre 0 a 10 V.Para garantir que essa rotação não se altere quando o motor estiver com carga, um pequeno gerador de tensão “DC” é acoplado mecanicamente ao eixo do motor. A tensão de saída desse gerador fica sujeita às variações de velocidade do motor, visto que o eixo do gerador gira na mesma velocidade do motor.

Quando a rotação tende a cair, a tensão do gerador tende a diminuir e, imediatamente, a tensão de saída do módulo 1 aumenta, comandando um acréscimo de corrente para o segundo

Figura 1 - Motores A e B, sincronizados.

Figura 2 - Acionamento C.

9MECATRÔNICA ATUAL Nº 2 - FEVEREIRO/2002 módulo. Com uma corrente maior, o torque do motor aumenta, e sua velocidade volta ao valor desejado. Quando a carga do motor é retirada, o processo é o inverso, isto é, a tensão do gerador aumenta, a tensão proporcional do módulo 1 diminui, e a corrente do módulo 2 também diminui, reduzindo o torque e impedindo o acréscimo de velocidade.

Nada disso funcionaria sem um “elo” de ligação entre as duas primeiras “malhas” de controle e a ponte retificadora.

Essa é justamente a função do terceiro bloco. Esse bloco é um gerador de pulsos de disparo. Através da tensão proporcional do módulo 2 (que é também resultado da proporção do módulo 1), esse módulo desloca os pulsos de disparo da ponte retificadora, aumentando ou diminuindo a potência do motor.

O funcionamento detalhado desse bloco não será explorado neste artigo, porém é interessante para o leitor aprender sobre o circuito integrado mais utilizado para essa função, e que se trata do TCA 785. Na Saber Eletrônica número 322, o artigo “Controle de fase com o integrado TCA 785” demonstra com muitos detalhes como esse dispositivo opera.

No quarto e último bloco trata-se apenas de uma ponte retificadora trifásica (formada geralmente por SCR’s), que é ligada ao motor através de um sensor de corrente (S). Esse sensor propicia uma tensão de referência ao módulo 2 (regulador de corrente) proporcional à corrente consumida pelo motor.

Conforme foi dito anteriormente, esse tipo de acionamento ficou obsoleto e está sendo substituído pelos inversores de freqüência .

A função do inversor de freqüência é a mesma do conversor C, 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 a seguir, a velocidade de rotação de um motor AC depende da freqüência da rede de alimentação. Quan-

f= freqüência da rede, em Hz
p= número de pólos.

to maior for a freqüência, maior a rotação e vice-versa. N= 120.f / P onde: N= rotação em rpm

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 um acionamento CA, de “inversor de freqüência”.

Figura 3 - Esquema de um inversor de freqüência trifásico. Figura 4 - Esquema de um inversor (monofásico) de freqüência.

MECATRÔNICA ATUAL Nº 2 - FEVEREIRO/200210

Os circuitos internos de um inversor são bem diferentes de um acionamento C (conversor C). A figura 3 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 contínua + 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 fig. 4 , e notem que a estrutura de um inversor trifásico é praticamente igual ao nos- so 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 IGBT’s.

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 tido de B para A (fig. 6).

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