Figura 1 - Diagrama de Bloco de um Inversor Típico

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1 Guia de Aplicação de Partida Suave e Inversores CA Walter J Lukitsch PE Gary Woltersdorf John Streicher Allen-Bradley Company Milwaukee, WI Resumo: Normalmente, existem várias opções para partidas de motores. Duas destas opções, os inversores de freqüência variável (VFD s) e as partidas suaves, parecem ter características semelhantes. Os termos e descrições usados na literatura de produto são quase os mesmos, a lista de possíveis aplicações também é semelhante. Todavia, a tecnologia e o desempenho são significativamente diferentes. Quando estas diferenças forem compreendidas, será mais fácil saber quando e onde aplicar cada uma delas. I. Introdução O objetivo deste documento é fornecer informações técnicas básicas para que as diferenças sejam compreendidas. O primeiro aspecto abordado é o princípio de operação do VFD e da partida suave. Como o desempenho do motor é afetado é outro ponto crucial para a seleção do método de partida adequado. Finalmente, as orientações serão apresentadas. II. Inversores de Velocidade Variável O VFD funciona de acordo com o princípio de que a tensão da linha CA é convertida a uma tensão CC. Esta tensão CC é então convertida em CC pulsada cujo valor RMS simula uma tensão CA. Normalmente, a freqüência de saída desta tensão CA varia de 0 até a freqüência da linha de entrada CA. Em algumas aplicações, a freqüência pode, realmente, ultrapassar a freqüência da linha. Embora os inversores CA regulados com corrente e alta performance, capazes de operar em modo de torque estejam disponíveis, o inversor volts por hertz é o que, predominantemente, abordaremos aqui. O VFD mais comum produzido atualmente é aquele que utiliza a modulação por largura de pulso para criar a onda de saída. Os componentes ativos usados nos inversores são diodos, SCR s, transistores e IGBT s. Estes inversores têm três seções diferentes e distintas de seu circuito de alimentação, conforme mostrado no diagrama de bloco de um inversor típico (figura 1 abaixo). A primeira seção usa uma ponte de SCR s de onda completa para converter a tensão de linha CA em CC. A filtragem dessa tensão CC é realizada na segunda seção com um capacitor para alimentar a ponte inversora com uma tensão CC estável. Um filtro de barramento CC existe, geralmente, em inversores de 10 Hp ou mais. A seção final utiliza uma ponte a IGBT ou transistor para fornecer ao motor uma tensão CC com largura modulada por pulso (PWM). A tensão RMS efetiva fornecida ao motor é dependente da freqüência de saída fundamental que a ponte inversora está comandando. Isto é o que conduz ao termo inversor volts por hertz. A seção de controle ou lógica do inversor e as configurações programadas do usuário determinam a saída de freqüência do inversor. Durante a aceleração, a freqüência variará de acordo com um algoritmo predeterminado como rampa linear ou curva S, desde o mínimo ou 0 até a velocidade comandada. O inversor também pode ser programado para pular determinadas freqüências que possam causar uma ressonância mecânica. LINHA CA MOTOR CA CONVERSOR FILTRO INVERSOR Figura 1 - Diagrama de Bloco de um Inversor Típico

2 III. Partidas Suaves A partida suave opera em uma premissa diferente. Este princípio significa que ao ajustar a tensão aplicada ao motor durante a partida, as características de corrente e torque podem ser limitadas e controladas. Para motores de indução, o torque de partida (LRT) é aproximadamente proporcional ao quadrado da corrente de partida (LRA) consumida da linha. LRT I 2. Esta corrente de partida é proporcional à tensão aplicada (V).Dessa forma, o torque também pode ser considerado, aproximadamente, proporcional à tensão aplicada. LRT V 2. Por meio do ajuste da tensão durante a partida, a corrente consumida pelo motor e o torque produzido pelo motor podem ser reduzidos e controlados. Figura 3 -Tensão de Linha A forma de onda, figura 4, mostra algumas correntes contínuas quando as transições de condução vão de um diodo ao próximo. Isto é normal quando o reator é usado no barramento CC do inversor e há alguma carga. Utilizando seis SCR s com uma configuração back to back, conforme mostrado na figura 2, a partida suave é capaz de regular a tensão aplicada ao motor durante a partida de 0 volts até a tensão da linha. Diferentemente do VFD, a freqüência da linha sempre é aplicada ao motor; somente a tensão é alterada. Figura 4. Tensão e Corrente de Linha e Retificadora a Diodo de Onda Completa de Seis Pulsos MOTOR Os inversores utilizam modulação por largura de pulso para criar as formas de ondas de saída. Uma forma de onda triangular é gerada na freqüência portadora na qual os IGBT s do inversor comutarão. Figura 2 - Configuração Back to Back de Seis SCR s A realimentação do motor para o circuito da lógica que controla o disparo do SCR é necessária para estabilizar a aceleração do motor. IV. Operação do Inversor de Velocidade Variável A tensão da linha CA, figura 3, é retificada por uma ponte passiva de diodos. Isto significa que o(s) diodo(s) conduz(em) sempre que a tensão da linha for maior que a tensão da seção do capacitor. A forma de onda resultante tem dois pulsos durante cada meio ciclo, um para cada janela de condução do diodo. Figura 5 Forma de Onda de Tensão de Saída do Inversor Esta forma de onda é comparada a uma forma de onda senoidal na freqüência fundamental que deve ser fornecida ao motor. O resultado é a forma de onda de tensão mostrada na figura 5.

3 A figura 6 mostra a forma de onda da corrente resultante no motor com um sinal de PWM aplicado. A tensão de entrada para a partida suave é a mesma que o VFD mostra na figura 3. O resultado de phasing back dos SCR s é uma tensão reduzida não senoidal nos terminais do motor que é mostrado na figura 7. Como o motor é indutivo a corrente induz a tensão, o SCR permanece ligado e conduz até a corrente chegar a zero. Isto acontece após a tensão passar de negativo Saída de Tensão do SCR Individual Figura 6 - Forma de Onda da Corrente de Saída do Inversor Bipolar (superior) e IGBT A saída do inversor pode estar em qualquer freqüência, acima ou abaixo, da freqüência da linha até os limites do inversor e/ou os limites mecânicos do motor. Observe que o inversor está sempre operando dentro da taxa de escorregamento do motor. V. Operação de Partidas Suaves A temporização de quando disparar os SCR s é primordial para controlar a saída da tensão de uma partida suave. Durante a seqüência de partida, a lógica da partida suave determina quando disparar os SCR s. A lógica não dispara o SCR no ponto que a tensão passa de negativo para positivo, mas espera durante algum tempo. Isto é conhecido como phasing back os SCR s, ou seja, o ângulo de disparo do SCR é atrasado ou fechado. O ponto no qual os SCR s são disparados é configurado ou programado de acordo com o que chamamos de torque inicial ou configuração de limite de corrente ou de corrente inicial. Figura 7 Forma de Onda da Tensão da Partida Suave Se comparado à forma de onda de plena tensão na figura 3, pode-se observar que a tensão de pico é a mesma que a onda de plena tensão. Entretanto, a corrente não aumenta para o mesmo nível de quando a plena tensão é aplicada, devido à natureza indutiva dos motores. Quando esta tensão é aplicada ao motor, a corrente de saída é semelhante à figura 8. Como a freqüência da tensão é a mesma que a freqüência da linha, a freqüência da corrente também é a mesma. Como os ângulos dos SCR s são abertos para a condução plena, as lacunas na corrente são preenchidas até que a forma de onda seja igual a da aplicação do motor ligado diretamente na linha. Figura 8 - Onda de Corrente na Inicialização da Partida Suave

4 VI. Características do Motor que Utiliza VFD s Durante a aceleração, o inversor aplica diferentes freqüências ao motor. Ele também altera a tensão, mas na proporção direta da freqüência. Este processo é conhecido como volts por hertz constante e fornece o torque constante enquanto o motor acelera. Na figura 9, mostra-se uma série de curvas de torque em função da velocidade. Estas curvas relacionam-se às curvas de torque em função da velocidade em várias freqüências. A linha de Torque Constante representa a plena carga ou torque nominal do motor. Esta linha de Torque Constante é, na verdade, o ponto de plena carga em um ponto das curvas que representa as curvas de torque em função da velocidade do motor de 0 até a velocidade nominal. TORQUE TORQUE CONSTANTE VELOCIDADE Figura 9 - Curvas de Torque de Velocidade do Inversor O inversor produz o torque nominal do motor de 0 à velocidade nominal. Além disso, ele produzirá o torque de plena carga, embora consuma muito menos que a corrente de plena carga da linha de alimentação durante a partida. Isto ocorre devido ao fato de que o motor está sempre operando na velocidade de regime, efetivamente, para a freqüência aplicada. Ao dar a partida direta, o escorregamento do motor na velocidade 0 é 100% e o motor é altamente indutivo. Isto resulta em uma corrente de partida muito alta (600 a 800%) e em um torque de partida relativamente baixo (150 a 180% do torque de plena carga), se comparado ao consumo da corrente. Aqui, quase toda a corrente do motor é reativa. Devido a sua natureza, a corrente reativa não produz torque. Quando um motor opera na velocidade de regime, o escorregamento, normalmente, está na faixa de 1 a 3%. Sob esta condição, a corrente reativa é muito menor e o motor produz um torque nominal na corrente nominal. Com um VFD, o motor opera, praticamente, na velocidade de regime durante a aceleração. Como a tensão é reduzida a baixas velocidades, a corrente de entrada pode ser 10% ou menos com um torque maior que 150%. Como o motor sempre opera na velocidade de regime, ou dentro do escorregamento nominal, o tempo de aceleração é dependente da configuração do tempo de rampa. Isto pressupõe que o inversor foi selecionado adequadamente para a carga. VII. Características do Motor que Utiliza Partidas Suaves Diferentemente do inversor CA, a corrente da linha e a corrente do motor para uma partida suave são sempre as mesmas. Durante a partida, a corrente varia, diretamente, de acordo com a grandeza da tensão aplicada. O torque do motor varia de acordo com o quadrado da tensão ou corrente aplicada. Ao avaliar a partida suave, o torque do motor é o fator mais crítico. Os motores padrão produzem, aproximadamente, 180% do torque de plena carga na partida. Portanto, uma redução de 25% na tensão ou na corrente resultará no torque de rotor bloqueado igual ao torque de plena carga (180%*(0,75) 2 = 101%). Caso o motor consuma 600% da corrente de plena carga na partida, neste exemplo, a corrente de partida será reduzida de 600% para 450% da corrente nominal. A tabela 1 (abaixo) mostra mais exemplos dos efeitos da redução da tensão ou da corrente no torque de rotor bloqueado de um motor. Estes dados são válidos para a partida suave e partida por impedância em série. Eles não se aplicam a outros tipos de partida de tensão reduzida como autotransformadores e partidas estrela-triângulo. Tabela 1 - Torque de Rotor Bloqueado vs. Corrente de Rotor Bloqueado para Partidas Suaves Corrente ou Tensão (%) Corrente de Plena Carga (%) Torque de Plena Carga (%)

5 Ao aplicar partidas suaves, a mesma restrição das partidas reduzidas eletromecânicas é aplicada. Tal restrição é o motor será capaz de produzir torque suficiente para conseguir a partida da carga com a corrente que a partida suave está liberando para o fluxo do motor? As partidas suaves têm uma vantagem sobre a partida de tensão reduzida convencional. Elas são capazes de ajustar a tensão, a corrente e, conseqüentemente, o torque sobre uma ampla faixa ao invés de um valor único ou alguns valores fixos (isto pode ser visto na Figura 10). Quando a tensão ou a corrente for mantida em um valor constante, a curva de velocidadetorque, chamada de Limite de Corrente, é produzida. Esta curva move-se para cima ou para baixo de acordo com a configuração de limite da corrente. A escala superior deste ajuste é a curva Plena Tensão. TORQUE PARTIDA SUAVE PLENA TENSÃO LIMITAÇÃO DE CORRENTE VELOCIDADE Figura 10 - Curvas de Torque em Função da Velocidade de Partida Suave A partida suave também pode acelerar em rampa a tensão desde um valor inicial ajustável até a plena tensão em uma faixa ajustável de tempo. Isto é representado pela curva Partida Suave. Uma transição sem degraus, que é projetada para eliminar os transiente de corrente/torque, é produzida por esta rampa. A velocidade de operação do motor não pode ser modificada, pois a partida suave ajusta apenas a tensão para o motor e não a freqüência. A freqüência aplicada ao motor é sempre a freqüência da linha. Devido a isto, o tempo de aceleração é mais dependente da carga do que do tempo de aceleração em rampa. VIII. Diferenças de Aplicação Ao conhecer os princípios de operação do VFD e da partida suave e o desempenho do motor com cada um desses recursos, as diferenças de aplicação podem ser revistas. Como as listas de aplicações são muito parecidas, os parâmetros gerais de aplicação serão abordados nestes diversos exemplos de aplicação. A velocidade do motor é um parâmetro em que um VFD tem uma vantagem sobre as partidas suaves. A primeira vantagem, e a mais óbvia, é quando a velocidade do motor precisa ser modificada de 0 para a freqüência da linha e, algumas vezes, ultrapassar a freqüência da linha. A partida suave aplica tensão e a freqüência da linha e, por conseqüência, a velocidade de operação é fixa. A segunda vantagem relacionada à velocidade que o inversor possui diz respeito aos processos que requerem uma velocidade constante. Caso uma freqüência fixa seja aplicada ao motor, a velocidade real daquele motor não é, precisamente, regulada pela freqüência de entrada. A velocidade de saída é, na verdade, regulada pela carga aplicada ao motor. Portanto, se um processo precisar de uma regulagem de velocidade muito rígida, a freqüência aplicada ao motor deve ser alterada em relação à carga que estiver sendo aplicada. Isto pode ser alcançado por meio do uso da realimentação para o VFD. Novamente, a partida suave se aplica apenas à freqüência da linha, não sendo possível nenhuma regulagem da velocidade. Em aplicações em que o tempo de aceleração precise ser constante, um inversor deve ser usado, pois o tempo de aceleração para uma partida suave é mais dependente da carga que o tempo selecionado para a rampa de aceleração. Se o tempo de aceleração não for um problema e o controle do torque e da corrente for o necessário, uma partida suave é uma boa opção para a aplicação. (Obs.: algumas partidas suaves usam a realimentação, como por exemplo, os tacômetros. Estas unidades podem fornecer uma aceleração temporizada com variação de cargas. Deve-se observar que realimentação da corrente durante a aceleração pode atingir o mesmo nível que em partida a plena tensão 600 a 800% da corrente de plena carga).

6 Com relação à parada, um VFD trará o motor para descanso em um tempo especificado. Isto já pode estar incorporado a um inversor ou pode solicitar uma função opcional de frenagem dinâmica para cargas com alta inércia ou de que provocam regeneração. A partida suave com um recurso de parada suave pode estender somente o tempo de parada. Além disso, assim como a aceleração, o tempo de parada é dependente da carga. Caso o tempo e as características de parada não sejam críticos, uma partida suave pode ser adequada à aplicação. Algumas partidas suaves especialmente projetadas também podem fornecer a frenagem. Estes tipos de partidas são projetados para reduzir o tempo de parada em que a parada por inércia é muito longa. Caso a carga não seja somente a inércia pura e possa variar, o tempo de parada também variará. Quando a limitação de corrente for o motivo principal para não dar a partida em plena tensão, o primeiro método a ser considerado, atualmente, é normalmente a partida suave. Isto devido à diferença de custo entre a partida suave e um VFD nas faixas de corrente em que a limitação de corrente torna-se um fator. Em muitos casos, a partida suave é uma escolha adequada. Existem aplicações em que o custo adicional de um inversor é apropriado, como por exemplo, quando o motor não tem condições de fornecer torque suficiente para dar a partida na carga com as limitações de corrente impostas pelo sistema de distribuição. A Tabela 1 mostra o torque do motor fornecido em vários níveis de limite de corrente de partida suave. Diferentemente das partidas suaves, os inversores podem acelerar um motor até a velocidade plena com torque nominal, sem que a corrente de linha exceda a corrente de plena carga do motor. Lembre-se de que a potência de entrada no VFD é igual à potência de saída mais as perdas. Portanto, para as cargas que requerem um torque mais alto que a partida suave pode fornecer com os limites impostos pela distribuição do sistema, um inversor pode ser a solução necessária. Se o torque de partida for um fator preocupante ao selecionar um inversor ou uma partida, considere a drástica diferença na quantidade de torque que pode ser desenvolvido por uma determinada quantidade de corrente de linha. O inversor tem um torque muito mais alto por ampére. IX. Exemplos de Aplicações Aqui, são fornecidos quatro exemplos de aplicações, dois referentes às bombas e dois referentes a transportadores. Estes exemplos não requerem velocidade variável ou regulagem precisa da velocidade, de forma que tanto um VFD ou uma partida suave possa ser usado. Aplicação 1) Uma bomba está partindo em plena tensão. Há um golpe de aríete e o escoramento do tubo precisa de manutenção constante. Resposta: Uma partida suave será mais adequada à aplicação, pois ela fornece o torque controlado durante a aceleração e é usada para minimizar e, em muitos casos, eliminar o golpe de aríete. Não há nenhuma preocupação relacionada às limitações de corrente, pois a aplicação está partindo em plena tensão. Aplicação 2) Uma nova bomba de irrigação está sendo instalada em uma área rural. Devido a isto, a corrente de consumo máximo da rede elétrica sem queda de tensão significativa foi calculada em 200% da leitura da placa de identificação do motor. Resposta: Um inversor é mais indicado que uma partida suave. Em alguns casos, as partidas suaves podem acelerar a bomba com apenas 200% da corrente. A experiência de aplicação indica que, freqüentemente, é necessário de 250 a 300% da corrente. O VFD pode fornecer o torque necessário para acelerar a bomba dentro das restrições de limite de corrente do sistema de distribuição. Aplicação 3) Um transportador terrestre precisa de 100% de torque para acelerar quando completamente carregada. O consumo de corrente máximo da rede elétrica está limitado a 500% da corrente de plena carga do motor. Normalmente, o transportador será inicializado sem carga, entretanto, em alguns casos, pode ser necessário que este transportador seja inicializado com carga. A taxa de aceleração é crucial para evitar que a esteira transportadora seja danificada. Resposta: Inicialmente, uma partida suave parece ser a escolha certa. A partida suave pode fornecer um torque de 101% com corrente de 450% (tabela 1). Entretanto, a taxa de aceleração, que equivale ao tempo de partida, é crítica. A carga também varia de descarregada para plenamente carregada. Neste caso um VFD seria a solução correta.

7 Aplicação 4) Um motor de 20 Hp aciona um transportador aéreo por corrente de plástico por meio de uma engrenagem que parte e pára freqüentemente. A partida em plena tensão pode ser usada mas, se o transportador inicia muito rapidamente, o produto balançará e pode ser danificado ou a corrente pode quebrar. Resposta: Uma partida suave se adequaria a esta aplicação. Não há restrição de tempo e nem limitação de corrente. A partida em rampa deveria ser usada permitir pequenas variações de carga refletida de volta para o motor. Se a redução da engrenagem for alta suficiente, uma partida por limitação de corrente pode fornecer uma partida ainda mais suave. X. Conclusão: Estes exemplos foram desenvolvidos para mostrar como variações sutis das aplicações podem alterar o tipo de partida do motor requisitado. Cada aplicação deve ser avaliada de acordo com suas próprias particularidades. Nem as partidas suaves nem os VFD s são a solução perfeita para todas as situações.