Inversores de Freqüência

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1 Inversores de Freqüência Teoria e Aplicações Claiton Moro Franchi Respostas dos Exercícios 1ª Edição Editora Érica Ltda. Respostas dos Exercícios 1

2 Capítulo 1 1. Os inversores de freqüência são utilizados em conjunto com motores elétricos com as seguintes finalidades: Ajuste da velocidade de um motor elétrico visando à rapidez do processo; Ajuste do torque de um conjunto de acordo com as necessidades do processo; Redução do consumo de energia e aumento de eficiência. 2. O motor CA possui as seguintes vantagens em relação ao motor CC: Custo mais reduzido; O motor CA oferece melhor rendimento que o motor CC, proporcionando redução no consumo de energia e menor aquecimento do motor; Redução no custo de manutenção, devido ao fato de o motor CA ter menos componentes na sua fabricação; Outro fator é o rebobinamento de um motor CC, que traz resultado inferior ao do motor CA, bem como o número de empresas capacitadas e habilitadas a trabalharem com motores CA, ao passo que em motores CC a oferta de oficinas especializadas em rebobinamento é bem menor; Grande disponibilidade de fornecedores de motores CA em relação ao motor CC; O motor CA é bem menor que um motor CC com a mesma potência; Existe uma padronização de tamanhos, potências e características técnicas dos motores CA; Utilização de chaves de partida convencionais (direta, estrela-triângulo, compensadora, soft-start, inversor de freqüência), enquanto o motor CC só pode ser acionado por técnicas especiais; Para controle de velocidade, o sistema CA (inversor de freqüência) é bem mais simples e permite economizar energia, produz menos harmônicos (quando com filtro embutido), tem mais recursos de automação, permitindo operar a máquina de diversas maneiras; Possibilidade de integração via redes industriais de comunicação; O motor CA e o inversor de freqüência podem trabalhar com uma sobrevelocidade de até 20% com manutenção do torque necessário para acionar a máquina, por meio da programação do inversor; Melhor controle, pois o inversor de freqüência com controle vetorial permite estabilidade de operação do motor CA, sem o uso de um tacogerador digital (encoder). Utilização de recursos de um inversor de freqüência para motores CA que não estão disponíveis em conversores CC. 2 Inversores de Freqüência - Teoria e Aplicações

3 3. Podemos dividir construtivamente o motor em duas partes: Estator: composto de chapas ferromagnéticas empilhadas e isoladas entre si, em que fica a carcaça que é a estrutura que também tem a função de suporte do conjunto. Possui uma construção robusta em ferro fundido, aço ou alumínio injetado, resistente à corrosão e com aletas para a refrigeração. O estator é composto de carcaça, núcleo de chapas e enrolamento trifásico. Rotor: formado por um núcleo ferromagnético, também laminado, sobre o qual se encontra um enrolamento ou um conjunto de condutores paralelos, nos quais são induzidas correntes provocadas pela corrente alternada das bobinas do estator. O rotor é composto de eixo, núcleo de chapas, barras e anéis de curto-circuito. Outras partes: tampa, ventilador, tampa defletora, caixa de ligação, terminais e rolamentos. 4. Lei de Faraday: a corrente induzida em uma espira por meio de uma variação de fluxo produzida por uma força eletromotriz (fem) induzida V e é proporcional ao negativo da variação do fluxo magnético com o tempo, como mostra a relação seguinte: V e = dφ B / dt Lei de Lenz: essa lei diz que a corrente induzida ocorre sempre de forma a contrariar a variação da grandeza que a produziu. 5. O sentido da corrente pode ser determinado pela regra da mão esquerda para o caso do gerador e da mão direita para o caso do motor, como indica a figura a seguir, em que I (corrente), B (indução magnética) e F (força) estão representados. Figura Regras da mão esquerda e da mão direita, usadas para determinar o sentido da corrente no gerador e no motor respectivamente. 6. É a relação entre a potência ativa fornecida pelo motor e a potência ativa solicitada pelo motor à rede. 7. A diferença entre a velocidade do motor e a velocidade síncrona n s chama-se escorregamento s, que pode ser expresso em rpm, como fração da velocidade síncrona ou como porcentagem desta: Respostas dos Exercícios 3

4 S(rpm) = ns - n S(%) = 100* (n s n)/n s 8. Curva que relaciona percentual do conjugado (C) com a variação da velocidade. De acordo com a norma NBR 7094 existem as seguintes categorias: Categoria N: conjugado de partida normal, corrente de partida normal e baixo escorregamento. A maior parte dos motores encontrados no mercado enquadra-se nessa categoria. Utilizado para acionamento de cargas normais com baixo conjugado de partida, como bombas, máquinas operatrizes etc. Categoria NY: possui as mesmas características anteriores, mas tem a previsão de uma partida estrela-triângulo. Categoria H: conjugado de partida alto, corrente de partida normal e baixo escorregamento. Utilizado para cargas que exigem maior conjugado de partida, como transportadores carregados, moinhos etc. Categoria HY: possui as mesmas características anteriores, porém tem a previsão de uma partida estrela-triângulo. Categoria D: conjugado de partida alto, corrente de partida normal e alto escorregamento (s > 5%). Utilizado em prensas e máquinas semelhantes, em que a carga apresenta picos periódicos, e em elevadores nos quais a carga necessita de alto conjugado de partida. 9. Motor aberto: nesse tipo de ventilação o ar ambiente circula no interior do motor, retirando calor das partes aquecidas da máquina. Motor totalmente fechado: nele não há troca entre o meio interno ao motor e o exterior. No motor existem folgas nas gaxetas que permitem a saída do meio refrigerante interno quando ele entra em operação, aquecendo-se. Essas folgas também permitem a penetração do meio refrigerante externo quando é desligado e inicia o seu processo de resfriamento. A troca de calor desses motores é feita por transferência de calor através de aletas colocadas na sua carcaça. 10. O regime de serviço é definido como a regularidade de carga a que o motor é submetido. 11. Fator de serviço é uma capacidade de sobrecarga contínua, isto é, uma reserva de potência que dá ao motor condições de funcionamento em situações desfavoráveis, sendo fundamental o seu conhecimento para parametrização dos dispositivos de proteção contra sobrecorrentes e aplicação do motor no acionamento das cargas mecânicas. 12. O número de rotações de um motor de indução trifásico depende de três parâmetros: freqüência da rede, número de pólos e escorregamento. 13. Pela inversão de duas fases quaisquer do motor. 4 Inversores de Freqüência - Teoria e Aplicações

5 14. Os motores de indução em CA são projetados para operar em determinadas condições ambientais de temperatura, ambiente e altitude. Quando a temperatura ambiente é excessivamente alta, tabelas de redução de corrente são fornecidas pelos fabricantes. Em grandes altitudes, onde a pressão atmosférica é reduzida, o resfriamento de um equipamento elétrico é reduzido pela diminuição da capacidade do ar de remoção do calor do motor. Quando a pressão atmosférica cai com o aumento da altitude, a densidade do ar cai e, como conseqüência, a capacidade térmica do ar é reduzida. 15. O grau de proteção (IP) indica a proteção do motor para o ambiente em que ele é instalado. É composto de dois dígitos; o primeiro representa a proteção contra sólidos e o segundo, contra líquidos. 16. O motor deve ser selecionado de acordo com os seguintes aspectos: Necessidade e tipo de torque da carga Tipo de partida Tempo de aceleração Tipo construtivo do motor Condições ambientais Grau de proteção do motor Classe de isolação Proteção do motor Tipo de ventilação Tipo de montagem Cabos de conexão Direção de rotação Regime de trabalho Controle de velocidade 17. O motor com rotor bobinado é geralmente escolhido quando: a carga necessita de um torque elevado de partida; o tempo de aceleração é longo devido à grande inércia da carga, como, por exemplo, um ventilador; a carga necessita de partida freqüente, sofre avanço lento ou obstrução. Respostas dos Exercícios 5

6 Capítulo 2 1. a) O movimento ocorre na direção em que a resultante das forças é aplicada. Desta forma, força é uma combinação de intensidade e direção. A unidade do SI de força é Newton (N). b) Velocidade é a medida da distância que um objeto pode atingir em uma determinada unidade de tempo. Geralmente a unidade utilizada é metro por segundo (m/seg). c) Velocidade angular é o resultado da aplicação do torque e rotação angular. É geralmente medida como revoluções por minuto (rpm). d) Torque é o produto da força tangencial F, da circunferência de uma roda, e o raio do centro dessa roda. A unidade de torque mais usualmente utilizada é Newton.metro (N.m). e) É a taxa de variação da velocidade linear, geralmente apresentada em metros por segundo ao quadrado (m/seg 2 ). var iação de velocidade al = (m/seg 2 ) var iação de tempo f) É a taxa de variação da velocidade angular geralmente em radianos por segundo ao quadrado (rad/sec 2 ). var iação de velocidade angular ar = (rad/sec 2 ) var iação de tempo g) É a taxa na qual o trabalho é realizado por uma máquina. A unidade de potência mais utilizada é watts (W). h) É o produto da potência pelo tempo e representa a quantidade de trabalho realizado em um período de tempo. Geralmente é expresso em quilowatt- -hora (kwh). i) É a propriedade que uma máquina rotativa possui de resistir a uma mudança da velocidade de rotação seja por aceleração ou desaceleração. A unidade para o momento de inércia é o SI é Kgm A tensão aplicada na bobina de um estator é dada por: U Sendo: T = torque do motor (N.m) I 2 = corrente no rotor (A) F 1 = freqüência da rede (Hz) 1 = 4,44 F1 N1 ϕ m φ m = fluxo de magnetização (Wb) U 1 = tensão no estator (V) N 1 = número de espiras 6 Inversores de Freqüência - Teoria e Aplicações

7 O fluxo alternado φ 1, resultante da tensão no estator U 1, induz no estator uma f.e.m. no rotor (U 2 ), a qual produz um fluxo φ 2 proporcional à tensão U 2 e inversamente proporcional à freqüência. Portanto, temos: φ 2 = U 2 /f Desta forma, para possibilitar a operação do motor com torque constante para diferentes velocidades, deve-se variar a tensão U 1 proporcionalmente com a variação da freqüência f 1, mantendo, desta forma, o fluxo constante. 3. A CPU é o bloco em que todas as informações (parâmetros e dados do sistema) estão armazenadas, visto que também uma memória está integrada a esse conjunto. A CPU não apenas armazena os dados e parâmetros relativos ao equipamento, como também executa a função mais vital para o funcionamento do inversor: geração dos pulsos de disparo, por meio de uma lógica de controle coerente, para os IGBTs. 4. Interface homem/máquina. Com esse dispositivo podemos visualizar o que está ocorrendo no inversor (display) e parametrizá-lo de acordo com a aplicação (teclas). Também é possível visualizar diferentes grandezas do motor, como: tensão, corrente, freqüência, status de alarme, entre outras funções, e ainda visualizar o sentido de giro, verificar o modo de operação (local ou remoto), ligar ou desligar o inversor, variar a velocidade, alterar parâmetros e outras funções. 5. A etapa de potência é constituída por um circuito retificador, que alimenta (através de um circuito intermediário denominado "barramento CC") o circuito de saída inversor (módulo IGBT). Retificador: conversor que tem a função de transformar CA em CC. Figura Conversor do tipo retificador. Inversor: é um tipo especial de conversor que converte CC em CA. Figura Conversor do tipo inversor. Em conversores de freqüência é comum o uso de um circuito intermediário, chamado de link CC com filtro, para tornar a forma de onda senoidal. Respostas dos Exercícios 7

8 Figura Conversores de freqüência. Com a união desses três módulos temos um conversor de freqüência que pode ser aplicado em um motor de indução trifásico. Figura Conversor de freqüência aplicado a um motor trifásico. 6. A figura seguinte exibe as formas de ondas relativas às etapas de funcionamento de um inversor de freqüência. Figura Etapas de funcionamento de um inversor de freqüência. 7. A figura seguinte apresenta um inversor trifásico com uma lógica de controle para os pulsos de disparos de seis IGBTs, de maneira a gerar uma tensão de saída alternada e defasada de 120 uma da outra. Como temos seis transistores e devemos ligá-los três a três, temos oito combinações possíveis, porém apenas seis serão válidas. Figura Representação de um inversor de freqüência para um circuito trifásico. 8 Inversores de Freqüência - Teoria e Aplicações

9 Por meio da lógica de controle são feitas as combinações representadas na tabela seguinte para ativar os IGBTs: 1 o tempo 2 o tempo 3 o tempo 4 o tempo 5 o tempo 6 o tempo T l, T 2, T 3 T 2, T 3, T 4 T 3, T 4, T 5 T 4, T 5, T 6 T 5, T 6, T 1 T 6, T 1, T 2 Tabela Combinações para acionamento dos IGBTs de um inversor de freqüência trifásico. Para melhor compreender o funcionamento, acompanhe a análise de uma das condições; as restantes seguem o mesmo raciocínio. No 1 o tempo temos os transistores T 1, T 2 e T 3 ligados, e os restantes desligados. Desta forma, o barramento CC possui uma referência central (terra), pois teremos +V/2 e V/2 como tensão CC. Como o motor é trifásico, é necessário que as tensões de linha Vrs, Vst e Vtr estejam defasadas de 120. Para esse primeiro tempo de chaveamento, temos: Vrs = +V/2 V/2 = 0 Vst = +V/2 ( V /2) = +V Vtr = V/2 V/2 = V A tensão Vrs representa a diferença de potencial entre as fases R e S. Usando as condições para os demais instantes de tempo, temos as tensões aplicadas ao motor ilustradas na próxima tabela. Vrs Vst Vtr T l, T 2, T 3 0 +V V 1 o tempo T 2, T 3, T 4 V +V 0 2 o tempo T 3, T 4, T 5 V 0 +V 3 o tempo T 4, T 5, T 6 0 V +V 4 o tempo T 5, T 6, T 1 +V V 0 5 o tempo T 6, T 1, T 2 +V 0 V 6 o tempo Tabela Tensões aplicadas ao motor nos respectivos instantes de tempo. Colocando as três fases em um diagrama de tempo, as três fases ficam defasadas em 120 elétricos, como é esperada a tensão para acionar um motor de indução trifásico. Respostas dos Exercícios 9

10 Figura Três fases resultantes na saída do bloco inversor. 8. Como os transistores trabalham como chaves "liga ou desliga", a forma de onda de tensão de saída do inversor de freqüência é sempre quadrada. Para obter uma tensão de saída mais próxima da senoidal, os transistores chaveiam modulando sua largura de pulso através de uma técnica chamada PWM (Pulse-Width Modulation). 9. Com o uso do microprocessador as funções de controle do PWM são efetivamente realizadas pela combinação de uma onda triangular e uma senoidal que produz a forma de onda da tensão de saída, como ilustra a figura seguinte. Figura Geração do PWM pela combinação de uma onda triangular e uma senoidal. O sinal triangular é a freqüência de chaveamento do inversor. O gerador de onda senoidal produz um sinal que determina a largura dos pulsos e, portanto, a tensão rms de saída do inversor. 10 Inversores de Freqüência - Teoria e Aplicações

11 Figura Sinal de saída do gerador de PWM. O IGBT é chaveado por um curto período de tempo, permitindo que somente uma pequena parcela de corrente chegue até o motor. O IGBT é então ligado por períodos de tempo maiores, permitindo correntes maiores no motor até que se atinja a corrente nominal do motor. Após isso, o IGBT é ligado por períodos de tempo menores progressivamente, diminuindo a corrente aplicada ao motor. 10. Quanto maior for a freqüência de chaveamento, mais senoidal será a forma de onda resultante, embora o ruído seja aumentado significativamente, pois ele é proporcional à freqüência de chaveamento. Capítulo 3 1. Este controle é chamado de volts/hertz. Baseia-se no conceito original do conversor de freqüência. Impõe ao motor uma determinada tensão/freqüência, visando manter a relação V/F constante, ou seja, o motor trabalha com fluxo aproximadamente constante. 2. O circuito de medição de corrente realiza as seguintes tarefas: Medição da corrente atual contra sobrecarga para proteção do motor. Fornecimento de proteção para os componentes de eletrônica. Fornecimento de um limite de corrente. O sistema de controle reduz a freqüência de comando quando a corrente excede um valor predeterminado. Geralmente, o limite de corrente é ajustado para 150% da corrente nominal do motor. 3. A função do bloco de compensação de escorregamento é melhorar o controle de velocidade. Esse bloco altera a referência de freqüência quando a carga varia para manter a velocidade próxima da desejada. 4. Com a elevação da freqüência do sinal imposto à armadura do motor e a manutenção do valor da tensão, a corrente de magnetização da máquina cai proporcionalmente e, com ela, o fluxo magnético estabelecido no entreferro. Conseqüentemente, caindo o fluxo magnético, cai o conjugado disponibilizado por ela. É a operação com enfraquecimento de campo. O conjugado eletromagnético da máquina enfraquece e, com isso, determinamos uma área acima da freqüência Respostas dos Exercícios 11

12 nominal (60 Hz) que chamamos de região de enfraquecimento de campo, em que o fluxo começa a decrescer, portanto o torque começa a diminuir. 5. É preciso tomar cuidado especial na aplicação de inversores para acionamento de motores em baixa rotação, pois os motores fechados com ventilação externa são autoventilados. Em baixas rotações, tipicamente abaixo de 50% da rotação nominal, o fluxo de ar pela carcaça é deficiente. A retirada de calor é prejudicada e a potência fornecida pelo motor deve ser reduzida para não ocorrer a queima dos materiais isolantes de seu enrolamento da armadura. 6. O controle escalar aplicado aos inversores de freqüência possui as seguintes características: Custo menor em relação ao vetorial. É utilizado em aplicações normais que não requerem elevada dinâmica (grandes acelerações e frenagens), elevada precisão nem controle de torque. Precisão de até 0,5% da rotação nominal para sistemas sem variação de carga, e de 3% a 5% com variação de carga de 0 a 100 % do torque nominal. Esse controle é realizado em malha aberta, ou seja, sem a leitura da velocidade do motor através de um sensor, e a precisão da velocidade é função do escorregamento do motor, que varia em função da carga. 7. Esses controles não são indicados para motores que rodam a baixas velocidades (abaixo de 5 Hz), pois o torque em baixas velocidades é geralmente pequeno porque a queda de tensão afeta significativamente a magnitude da corrente de produção de fluxo. O controle escalar é largamente utilizado devido à sua simplicidade e também porque a maioria das aplicações não requer alta precisão e/ou rapidez no controle da velocidade. 8. A idéia do controle vetorial é usar modelagem e o controle de um motor de indução em corrente alternada como se fosse de corrente contínua. 9. A velocidade do motor CC é diretamente proporcional à tensão da armadura e indiretamente proporcional ao fluxo de campo Φ, que depende da corrente de excitação do rotor I f. A velocidade de rotação do motor pode ser controlada pelo ajuste da tensão da armadura que controla V E, ou da corrente de campo que controla o fluxo Φ. 10. No controle da malha aberta (sensorless) não existe nenhum sensor que mede a velocidade no eixo do motor, desta forma a velocidade enviada pelo inversor não é a mesma que o motor roda devido ao escorregamento. No controle em malha fechada é utilizado um sensor para a medição de velocidade conectado ao inversor. Caso a velocidade do motor esteja abaixo ou acima da velocidade enviada pelo inversor, é feita uma autocorreção para manter o motor na velocidade desejada. 12 Inversores de Freqüência - Teoria e Aplicações

13 11. O modelo ativo do motor continuamente modela as condições internas do motor e realiza as seguintes operações: Calcula continuamente, em tempo real, a corrente de produção de torque pelos seguintes processos: Armazena as constantes do motor em sua memória para serem usadas como parte do cálculo. Mede a corrente do estator e a tensão em cada fase. Mede a velocidade (encoder) ou calcula a velocidade (sem encoder). Calcula continuamente, em tempo real, a corrente de produção de fluxo. Implementa uma malha de controle de velocidade pela comparação da velocidade medida com um valor de velocidade desejado, fornecendo uma saída para atuar no controle de torque do motor. Implementa uma malha de controle pela comparação do torque atual, calculado a partir da medição da corrente e da velocidade, enviando um sinal de saída para o circuito de controle da lógica do PWM. Constantemente atualiza essas informações e mantém um controle robusto sobre o processo. Para decomposição e cálculo dessas correntes é necessário modelar o comportamento do motor de indução por meio de um modelo matemático. 12. O torque em velocidade zero é a capacidade que o motor tem de "segurar uma carga" pelo controle de torque, tendo como exemplo de aplicação típica a ponte rolante. 13. Inversor escalar malha fechada Inversor vetorial Realimentação Malha fechada Malha aberta Torque em velocidade zero Impossível Possível Impossível Regulação de velocidade Controle de torque Depende do escorregamento Muito baixo Conversor CC com tacômetro Possível, sendo restrito ao desempenho do motor 0,01% 0,2% 0,2% Alto Somente no limite 14. As desvantagens de um inversor com controle vetorial em relação a um motor CC são as seguintes: O controle vetorial é muito mais complexo e caro quando comparado a um simples controle que utiliza um conversor CA/CC. Um encoder para a leitura de velocidade é geralmente necessário para obter a velocidade atual do eixo do motor. A colocação desses encoders em um Alto Respostas dos Exercícios 13

14 motor padrão de gaiola de esquilo é geralmente dificultosa e torna o motor mais caro. Recentemente, o controle vetorial desenvolveu o controle sensorless, em que o encoder não é necessário. A velocidade aproximada é calculada pelo processador a partir de outras informações disponíveis, como tensão e corrente. Entretanto, a precisão da velocidade e a resposta dinâmica desses conversores são inferiores àqueles com encoders. A natureza do inversor geralmente necessita que o motor opere com elevados torques em baixas velocidades. O motor padrão em gaiola de esquilo necessita de uma ventilação externa separada com essa finalidade. A frenagem regenerativa é mais difícil de ser implementada em um inversor de freqüência do que em um dispositivo de partida para um motor CC. A frenagem resistiva é a mais utilizada em inversores de freqüência. Capítulo 4 1. Os parâmetros são agrupados de acordo com as suas características e particularidades, conforme apresentado em seguida: Parâmetros de leitura: variáveis que podem ser visualizadas no display, mas não podem ser alteradas pelo usuário, como, por exemplo, tensão %, corrente %, potência ativa etc. Parâmetros de regulação: são os valores ajustáveis a serem utilizados pelas funções do inversor de freqüência, como, por exemplo, tensão inicial, tempo de rampa de aceleração, tempo de rampa de desaceleração etc. Parâmetros de configuração: definem as características do inversor de freqüência, as funções a serem executadas, bem como as entradas e saídas, como, por exemplo, parâmetros dos relés de saída e das entradas do inversor de freqüência. Parâmetros do motor: indicam as características nominais do motor, como, por exemplo, ajuste da corrente do motor e fator de serviço. 2. Para os inversores de freqüência temos as seguintes interfaces de entrada e de saída: Interface homem/máquina (IHM): é um dispositivo de entrada/saída de dados, em que o operador pode entrar com os valores dos parâmetros de operação do conversor. Entradas e saídas analógicas: são os meios de controlar/monitorar o conversor através de sinais eletrônicos analógicos, isto é, sinais em tensão ( Vcc) ou em corrente ( ma, ma) e que permitem basicamente fazer o controle de velocidade (entrada) e leituras de corrente ou velocidade (saída). Entradas e saídas digitais: são os meios de controlar/monitorar o conversor através de sinais digitais discretos, como chaves liga/desliga. 14 Inversores de Freqüência - Teoria e Aplicações

15 Interface de comunicação serial: esse meio de comunicação permite que o conversor seja controlado/monitorado a distância por um computador central. Essa comunicação é executada por pares de fios, podendo ser conectados vários conversores a um computador central ou operado por CLP, com redes de campo. 3. Acionamento via IHM, entradas digitais, função multispeed, potenciômetro eletrônico ou entradas analógicas (potenciômetro ou fonte de tensão ou corrente externas). 4. Por meio das saídas digitais dos relés do inversor de freqüência podemos verificar o status do inversor, bem como algumas condições de alarme, por exemplo, se o inversor está rodando, se a rampa de aceleração foi concluída, se a velocidade ou a corrente atingiu determinado limite, entre outras. 5. Quando o acionamento e a leitura de variáveis são feitos via entradas digitais e analógicas, à medida que a quantidade de informação aumenta, o número de cabos necessários aumenta na mesma proporção, tornando-se um problema do ponto de vista de custo e instalação. A comunicação que utiliza redes industriais acaba com este problema e permite a conexão dos inversores de freqüência com os sistemas de automação, como, por exemplo, CLP com um mínimo de cabeamento. 6. Setpoint: valor desejado da variável de processo. Controlador: compara o valor desejado de velocidade ou posição, chamado de setpoint (SP), com o valor medido, chamado de variável de processo (PV), e fornece uma saída de controle que ajusta a velocidade e o torque para reduzir o erro (SP - PV) a zero. Esse controle pode ser feito em um controlador externo, como, por exemplo, um CLP, ou nos inversores de freqüência mais modernos como uma função do próprio inversor. Variável do processo: variável que se deseja controlar. Transdutor: utilizado para medição da quantidade de carga que deve ser controlada. Para tanto, utiliza um sinal de realimentação (feedback) para controlar o sistema. Quando a velocidade for a variável que se deseja controlar, o transdutor pode ser um tacômetro (sistema analógico) ou um encoder (sistema digital). Quando a posição for a variável a ser controlada, o transdutor será um resolver (sistemas analógicos) ou um encoder absoluto (sistemas digitais). 7. Uma aplicação típica de economia de energia elétrica é utilizada na indústria nas situações em que os motores não operam à plena carga em grande parte do tempo, como, por exemplo, ventiladores, bombas, compressores, entre outros. 8. Quando a carga no motor aumenta, a sua corrente também aumenta. Dependendo da magnitude do aumento da corrente, a proteção de sobrecorrente pode ser acionada. Com a função da corrente máxima de saída, se a corrente tentar ultrapassar o valor ajustado nesse parâmetro, a rotação do motor será reduzida, Respostas dos Exercícios 15

16 seguindo a rampa de desaceleração até que a corrente fique abaixo do valor ajustado. Quando a sobrecarga desaparecer, a rotação voltará ao normal. 9. A seleção da freqüência de chaveamento resulta um compromisso entre o ruído acústico no motor e as perdas nos IGBTs do inversor (aquecimento). As freqüências de chaveamento altas implicam em menor ruído acústico no motor, porém aumentam as perdas nos IGBTs, elevando a temperatura nos componentes e reduzindo sua vida útil. A redução da freqüência de chaveamento colabora com a diminuição dos problemas de instabilidade e ressonâncias que ocorrem em determinadas condições de aplicação, bem como da emissão de energia eletromagnética pelo inversor. Valores típicos de freqüência de chaveamento de inversores de freqüência variam de 2,5 khz a 15 khz. 10. Frenagem por injeção de corrente contínua: permite a parada do motor pela aplicação de corrente contínua. O princípio básico da frenagem por CC é injetar corrente CC no estator do motor para causar um campo magnético estacionário no motor. Isso é obtido pela conexão de duas fases do motor de indução a uma fonte CC. A corrente injetada deve ser pelo menos igual à corrente de excitação do motor ou à corrente a vazio do motor. A frenagem reostática consiste em conectar um resistor externo ao inversor através do link CC, como indica a figura seguinte. Assim, a energia que seria devolvida ao link é dissipada na forma de calor, sendo uma solução simples para o problema de sobretensão no link CC. Figura Frenagem reostática. Frenagem regenerativa: nessa frenagem a energia produzida pela inércia do motor é absorvida e reaproveitada na rede elétrica. 11. Para freqüências abaixo de 30 Hz o termo correspondente à resistência R do estator começa a ter influência no cálculo da corrente. Para que não haja perda de torque, utiliza-se a função boost de tensão, em que a tensão do estator em baixas freqüências deve ser aumentada. 12. Define a curva V/F utilizada no controle escalar. Esse parâmetro pode ser usado em aplicações especiais nas quais os motores utilizados necessitam de tensão e/ou freqüência nominal diferentes do padrão. Exemplos: motor de 220 V/300 Hz e motor de 200 V/60 Hz, também utilizados em aplicações nas quais a tensão nominal do motor é diferente da tensão de alimentação do inversor. 16 Inversores de Freqüência - Teoria e Aplicações

17 Capítulo 5 1. As proteções mais usuais para os inversores de freqüência são: Curtos-circuitos entre fases e entre fase e terra; Sobretensões e subtensões; Desbalanceamento de fases; Falta de fase. 2. A coordenação do tipo 2, segundo a norma IEC 60947, deve ter as seguintes características: Sem riscos para as pessoas e instalações, ou seja, desligamento seguro da corrente de curto-circuito. Após uma falta, não deve ocorrer a perda de ajustes dos equipamentos. A isolação não deve ser danificada em caso de falta. Os elementos (disjuntor, inversor e contator) devem poder operar assim que a causa do curto-circuito for eliminada. É permitida uma soldagem superficial dos contatos do contator, sendo possível a sua separação manual. 3. Caso ocorra subtensão no barramento CC, pode haver os seguintes problemas: Os relés de carga do barramento CC podem desligar-se. Os microcontroladores ou DSPs podem entrar em um estado indeterminado. Os circuitos de disparo não terão tensão e corrente suficientes para ligar e desligar os dispositivos de chaveamento. Se não houver corrente suficiente para o ligamento, um dispositivo de potência pode entrar em saturação, aumentando as perdas. Se a polarização reversa for insuficiente, o dispositivo de potência vai desligar muito lentamente, ou não desligar, ou seja, os dispositivos de chaveamento vão falhar. 4. Nos inversores de freqüência, os seguintes fatores podem causar sobretensão no barramento CC: Alta tensão na fonte de alimentação; Alta tensão gerada pela conexão de um motor que se comporta como um gerador, quando está tentando reduzir a velocidade de uma carga com grande inércia. 5. A proteção contra fugas a terra foi concebida para detectar curtos-circuitos entre fase e terra na saída do inversor e imediatamente desligar o inversor. A proteção de fuga a terra é geralmente implementada através de um transformador toroidal Respostas dos Exercícios 17

18 diferencial, construído a partir de um núcleo toroidal magnético pelo qual os cabos do barramento ou os cabos de alimentação do motor passam. Uma baixa corrente no enrolamento secundário obtida do toróide é conectada ao circuito de proteção. Se a soma vetorial de todas as correntes que passam no núcleo for zero, o fluxo no núcleo será zero. Se for registrado o valor zero, o inversor está em operação normal; caso a corrente não seja zero, terá ocorrido uma falta a terra. 6. A proteção de sobretemperatura é projetada para prevenir sobreaquecimento nos componentes do inversor, particularmente na junção dos semicondutores que é limitada a 150 C. Para assegurar que esse limite não seja atingido, as temperaturas dos dissipadores de calor são usualmente mantidas entre 80 C e 90 C, dependendo do projeto. A maioria dos dissipadores é projetada com sensores de temperatura ou chaves para detectar se a máxima temperatura é atingida. 7. O método mais comum utilizado para proteção contra sobrecarga térmica do motor em inversores de freqüência é a medição indireta através da corrente do motor. É feito um modelo de proteção do motor como parte de um programa de controle em um microprocessador. Também pode ser empregada a medição direta através de sensores específicos colocados no motor, como, por exemplo, termostatos, termistores, termopares e termorresistências, que medem em tempo real a temperatura atual nos enrolamentos do motor e acionam a proteção de sobrecarga quando o valor de temperatura nominal é ultrapassado. 8. As principais causas de falhas mecânicas são: Sobrecarga no motor em que a corrente excede a nominal por um período do tempo; Partidas freqüentes, reversão à plena carga proporcionando altas correntes; Única fase ou fonte de alimentação desbalanceada acarretando altas correntes; Rotor bloqueado, altas correntes; Alta temperatura ambiente; Perda de resfriamento. 10. São utilizados relés de proteção contra sobrecorrentes, que podem ser do tipo indireto por meio do aquecimento de um elemento bimetálico, ou do tipo eletrônico, que monitora a corrente no estator do motor CA e usa essa informação para determinar se o motor entrou em sobrecarga. 11. Termostato: lâmina bimetálica com contatos NA ou NF que comutam de acordo com um determinada temperatura calibrada. PTC: resistência variável que aumenta linearmente com o aumento da temperatura. Termopar: dispositivo que varia a tensão de saída diretamente proporcional ao aumento da temperatura. 18 Inversores de Freqüência - Teoria e Aplicações

19 Termorresistência: dispositivo que varia a resistência elétrica diretamente proporcional ao aumento da temperatura. 12. Alarme: tem por função chamar a atenção do operador para condições de alta temperatura. Para alcançar este objetivo usa alarme sonoro e/ou visual sem desigar o motor. Trip: tem por objetivo parar o motor pelo desligamento da fonte de alimentação. 13. Para o correto dimensionamento do inversor de freqüência devem ser levados em consideração os seguintes aspectos: A necessidade de utilizar uma margem de segurança no procedimento de seleção; A necessidade de manter um custo mínimo inicial pela seleção do tamanho do motor e do conversor correto para cada aplicação; Necessidade de torque de partida; A faixa de velocidade (valores máximos e mínimos); Compatibilidade com a tensão da rede de alimentação; Condições ambientais onde o motor e o inversor estão instalados: temperatura ambiente, altitude, umidade, poeira etc.; Ventilação para o inversor e o motor; Precisão requerida para o controle de velocidade; Resposta dinâmica (necessidades de resposta de torque e de velocidade); O regime de serviço, incluindo o número de partidas e paradas por hora; Método de controle: manual, automático; Recursos de proteção do inversor de freqüência; Necessidades de cabeamento para controle e alimentação; Manutenção e peças de reposição; Tipo de carga a ser acionado; Tipos de comando; Tipo de referência de velocidade; Tipo de paragem; Tipo de comunicação disponível; Emissão de ruídos eletromagnéticos; Existência de harmônicos. 13. Os erros humanos que ocorrem com maior freqüência no dimensionamento do inversor-motor são os seguintes: Respostas dos Exercícios 19

20 Seleção incorreta do motor elétrico; Seleção incorreta do inversor de freqüência; Ajuste incorreto dos parâmetros do inversor. 14. Devem ser levados em consideração os seguintes critérios: Tensão e freqüência da fonte de alimentação; O torque de partida (N.m); O torque de carga e sua dependência com a velocidade; A faixa de velocidade (rpm); Tempo de aceleração; Os momentos de inércia do motor e da carga. 15. Em todas as faixas de velocidade: a capacidade de torque do motor é reduzida como resultado de aquecimentos adicionais causados por correntes harmônicas. Isso ocorre porque a forma de corrente no inversor não é perfeitamente senoidal. Em velocidades abaixo da nominal: entre 0 e 60 Hz, a capacidade de torque contínua do motor é reduzida por causa da redução de ventilação no estator e no rotor. Em velocidades acima da nominal: a capacidade de torque de saída do motor é reduzida devido ao enfraquecimento de campo. O torque de saída é reduzido em proporção direta com a velocidade do motor acima de 60 Hz. 16. Na região entre a freqüência 0 e a freqüência de base a razão V/F é constante para produzir um fluxo constante na região entre a velocidade zero e a base (60 Hz), o que produz uma característica de torque constante nessa região. Na região acima da freqüência de base a relação V/F cai em uma proporção inversa à freqüência do inversor e o torque de saída do motor cai na mesma proporção da queda do fluxo. Nessa região, embora haja uma redução de torque, a potência de saída permanece constante, sendo conhecida como região de potência constante, ou região de enfraquecimento de campo. A potência permanece constante devido ao fato de a potência ser o produto do torque e da velocidade. 17. O torque de saída de um motor CA deve ser suficiente para: Vencer o torque resistente de uma carga a ser acionada. Acelerar a carga desde a sua velocidade zero até a velocidade desejada com o tempo de aceleração requerido pelo processo. Possuir um torque de carga maior que o da carga por uma margem adequada durante a operação contínua em qualquer velocidade na faixa de velocidades possíveis sobre quaisquer condições. 20 Inversores de Freqüência - Teoria e Aplicações

21 A corrente do motor não exceder as especificações térmicas dos componentes elétricos e permanecer abaixo da curva de carga durante a operação contínua. 18. É necessário conhecer as seguintes características da carga da máquina: O torque de carga, tipo, magnitude e características do torque da carga conectada ao eixo do motor; A faixa de velocidade, as velocidades máxima e mínima da carga; A inércia do motor e da carga conectada ao eixo do motor. 19. Cargas com torque variável: são aquelas que exibem um torque variável em sua completa faixa de velocidade, como, por exemplo, bombas centrífugas e ventiladores. Máquinas com torque constante: possuem um torque constante em toda a faixa de velocidade, como, por exemplo, esteiras transportadoras, bombas de deslocamento positivo. 20. Os inversores de freqüência possuem grandes capacitores no barramento CC. Após o inversor ter sido desligado, deve-se aguardar um período de alguns minutos. Este é o tempo necessário para permitir a completa descarga desses capacitores internos. Capítulo 6 1. A instalação das reatâncias de rede tem como função minimizar sobretensões transitórias na rede de alimentação, reduzir harmônicas, melhorar o fator de potência, diminuir a distorção da tensão na rede de alimentação e, desta forma, aumentar a vida útil dos capacitores do circuito intermediário. 2. Devem ser tomados os seguintes cuidados com o cabeamento dos inversores de freqüência: Fazer separação dos cabos de alimentação do inversor dos cabos de sinal e controle. Os cabos blindados devem ser aterrados ou o eletroduto metálico aterrado. Se for necessário fazer cruzamento de cabos, estes devem ser feitos a 90º. Se no mesmo leito ou calha estiverem presentes cabos de força e de comando, deve ser prevista uma isolação com um separador metálico aterrado. Colocar os equipamentos sensíveis à interferência eletromagnética (CLP, controladores etc.) a uma distância dos conversores, reatâncias, filtros e cabos do motor de, no mínimo, 250 mm. Respostas dos Exercícios 21

22 3. O uso de relés térmicos é indicado quando mais de um motor é acionado pelo mesmo inversor, em que é necessário colocar um relé térmico de proteção em cada motor. 4. Utiliza-se a reatância de saída entre o inversor e o motor para reduzir a corrente de fuga por efeito capacitivo devido à elevada freqüência de chaveamento no inversor de freqüência. 5. Se o inversor de freqüência for instalado em um local onde a temperatura esteja acima dos 40 C, ambos, motor e inversor, terão uma redução de corrente, o que significa que somente podem rodar com cargas menores que aquelas que estavam previstas para até 40 C a fim de evitar danos no motor e no inversor de freqüência. 6. Em grandes altitudes, o resfriamento de equipamentos elétricos é reduzido porque o ar torna-se mais rarefeito, reduzindo o nível de oxigênio. De acordo com as normas, os conversores são projetados para altitudes até metros do nível do mar. Assim, caso os inversores sejam instalados em ambientes com altitudes maiores do que metros, haverá redução da corrente de saída do inversor de freqüência. 7. Sim. Podem ser ligados diversos motores simultaneamente, no entanto é preciso que, nessa ligação, a corrente nominal do inversor seja superior ou igual à soma das correntes dos motores a comandar. 8. Ao colocar o inversor na ligação triângulo do motor, é possível utilizar um inversor de potência menor para acionar o motor. Desta forma, a corrente no inversor será a corrente nominal/1, A freqüência fundamental de um sistema de distribuição de corrente alternada no Brasil é de 60 Hz. Uma freqüência harmônica é a senoidal que é múltipla de uma freqüência fundamental. As freqüências harmônicas podem ser múltiplos pares ou ímpares da freqüência fundamental. 10. THD (Total Harmonic Distortion) é chamada de taxa de distorção harmônica global. É uma notação largamente utilizada para descrever o impacto do conteúdo harmônico de um sinal alternado. A THD em tensão caracteriza a deformação da onda de tensão. Assim, pode-se conceituar a THD como a relação entre o valor da freqüência fundamental medida na saída de um sistema de transmissão e o valor de todas as harmônicas, por meio da seguinte equação: THD = a a a a a 2 N 100% 22 Inversores de Freqüência - Teoria e Aplicações

23 sendo a 2, a 3, a 4, a N os coeficientes do conteúdo harmônico e a 1 o coeficiente da freqüência fundamental. 11. As harmônicas afetam a performance de outros equipamentos e produzem perdas adicionais e aquecimento. Bancos de capacitores (usados para correção do fator de potência) são elementos muito vulneráveis ao efeito das harmônicas. Transformadores, motores, cabos, barramentos, entre outros devem ser superdimensionados para acomodar as correntes harmônicas adicionais e as perdas extras associadas com as freqüências harmônicas. 12. Altas taxas de dv/dt podem ocasionar: Grande estresse elétrico dos cabos e da isolação do motor devido à alta taxa de crescimento de tensão (alto dv/dt) e reflexões de sinal no fim do cabo do motor. Alto campo elétrico radiante, devido ao alto dv/dt, pode exceder os padrões de EMI implementados na Europa e nos EUA. Altos dv/dt através da capacitância dos cabos resultam em correntes de fuga no cabo blindado (se ele for colocado) ou por meio de outros caminhos condutivos para a terra. 13. Um reator de saída pode ser instalado no lado de saída do inversor para aumentar a indutância do circuito. Isso faz com que seja introduzida uma pequena redução de tensão no motor, e também vai reduzir a alta taxa de crescimento de tensão que efetivamente limita a amplitude do sinal refletido e aumenta o comprimento permissível do cabo do motor. O reator de saída colocado na saída do conversor tem a vantagem adicional de reduzir a corrente de fuga devido à capacitância do cabo, e reduzir as perdas no inversor. Filtros de saída no motor podem ser usados de maneira similar ao reator de saída descrito anteriormente para proteger os cabos e o motor. O filtro também pode ser projetado para reduzir EMI no cabo do motor. Os terminadores têm por função a atenuação de tensões refletidas através de sua conexão no final do cabo. Em comparação com reatores de saída e filtros, os terminadores ocupam um pequeno espaço, dissipam pouca potência e custam menos de 10% do valor de um filtro. 14. Inversores de freqüência são largamente utilizados em processos de ventilação, pois apresentam as seguintes vantagens: Proteção térmica do inversor e do motor; Religamento automático com retomada de velocidade; Operação forçada em emergência (exemplo: extração de fumaça de túnel); Configuração dos tipos de parada em caso de falha; Velocidade mantida na perda do sinal 4-20 ma. Respostas dos Exercícios 23