ENCARREGADO DE ELÉTRICA ACIONAMENTOS ELÉTRICOS

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1 ENCARREGADO DE ELÉTRICA ACIONAMENTOS ELÉTRICOS 1-1 -

2 ENCARREGADO DE ELÉTRICA ACIONAMENTOS ELÉTRICOS 2

3 PETROBRAS Petróleo Brasileiro S.A. Todos os direitos reservados e protegidos pela Lei 9.610, de É proibida a reprodução total ou parcial, por quaisquer meios, bem como a produção de apostilas, sem autorização prévia, por escrito, da Petróleo Brasileiro S.A. PETROBRAS. Direitos exclusivos da PETROBRAS Petróleo Brasileiro S.A. ANDRADE, Paulo Acionamentos elétricos / CEFET-BA. Salvador-Ba, p.:06 il. Petrobras Petróleo Brasileiro S.A. Avenida Almirante Barroso, 81 17º andar Centro CEP: Rio de Janeiro RJ Brasil 3

4 ÍNDICE APRESENTAÇÃO FUNDAMENTOS DA CONVERSÃO ELETROMECÂNICA DE ENERGIA PRINCÍPIOS DE FUNCIONAMENTO Inversor Escalar Inversor "Vetorial" de Tensão Inversores Vetoriais de Fluxo CARACTERÍSTICAS PRINCIPAIS ESPECIFICAÇÕES E FABRICANTES PRINCIPAIS BIBLIOGRAFIA

5 LISTA DE FIGURAS Figura 1 - Conservação de energia...08 Figura 2 - Conservação de energia em um conversor...08 Figura 3 - Diagrama em blocos de um inversor de freqüência...10 Figura 4 - Esquema do inversor IGBT...10 Figura 5 - Onda da saída...14 Figura 6 - Motor inversor de freqüência

6 LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Comparativo de inversores

7 APRESENTAÇÃO A meta da elaboração desta literatura é propiciar aos alunos, técnicos e profissionais do segmento de Elétrica, condições de aperfeiçoar, com pouca ajuda, o gerenciamento do trabalho na área de Acionamentos elétricos. Desta forma desejamos que o material seja lido e aplicado nas atividades do dia a dia, pois só com dedicação e comprometimento atingiremos nossos objetivos pessoais e profissionais. E não esqueça de abusar das anotações, utilizando-se dos espaços ao lado do texto. Posteriormente suas anotações poderão servir como referencial para a elaboração de um resumo esquemático da apostila. 7

8 1 - FUNDAMENTOS DA CONVERSÃO ELETROMECÂNICA DE ENERGIA Em todo sistema, a energia de entrada tem que ser igual à energia que sai adicionada às perdas e ao que foi armazenado. Esquematicamente, tem-se: Figura 1 - Conservação de energia Em um conversor eletromecânico de energia, pode-se decompor o grande sistema em três subsistemas: elétrico, do campo de acoplamento e mecânico. Em cada um deles o princípio de conversão tem que valer. Mais uma vez, esquematicamente, tem-se: Figura 2 - Conservação de energia em um conversor Para cada um dos sistemas a energia tem que se conservar. As perdas do campo de acoplamento, que sempre ocorrem, podem ser representadas como parte das perdas elétricas (ou parte das perdas mecânicas). De fato, como foi feito no circuito equivalente do transformador, as perdas por corrente de Foucault e por histeresis foram representadas por uma resistência equivalente (Rn), a resistência de perdas no núcleo. Fazendo esta consideração o sistema de acoplamento passa 8

9 a ser um sistema conservativo, ou seja, um sistema sem perdas. Para o cálculo da força eletromagnética, vai-se, sem nenhuma perda de generalidade, considerar este sistema,ou seja: 9

10 2 - PRINCÍPIOS DE FUNCIONAMENTO Para entender o funcionamento de um inversor de freqüência, é necessário, antes de mais nada, Saber a função de cada bloco que o constitui. Ele é ligado na rede, podendo ser monofásica ou trifásica, e em sua saída há uma carga que necessita de uma frequência diferente da rede. Para tanto, o inversor tem como primeiro estágio, um circuito retificador, responsável por transformar a tensão alternada em contínua, após isso a um segundo estágio capaz de realizar o inverso, ou seja, de CC para CA (conversor), e com a frequência desejada pela carga. Figura 3 - Diagrama de blocos de um inversor de freqüência Figura 4 - Esquema do inversor IGBT 2.1 Inversor Escalar Em linhas gerais, podemos dizer que os inversores escalares são fontes de alimentação com valores de tensão/freqüência pré determinados dentro de toda a faixa de variação de velocidade. Existem curvas V/F prontas, destinadas a aplicações mais comuns, como curvas quadráticas para bombas e ventiladores e curvas com alto torque de partida. Também existe a possibilidade de programação dos valores da curva V/F possibilitando a sua adaptação a cargas especiais. 10

11 Considerando-se que o torque no eixo do motor é proporcional à relação V/F, os inversores escalares irão disponibilizar ao motor torques pré-determinados, não compensando as necessidades de torques adicionais requeridas por determinadas aplicações. A compensação de torque principalmente em baixas rotações é normalmente realizada através da programação da curva V/F. Se elevamos o valor da relação V/F, elevando-se, portanto a disponibilidade de torque no motor. Tal efeito é normalmente denominado de Reforço de Torque para baixas rotações, ou Torque Boost em inglês. 2.2 Inversor "Vetorial" de Tensão Alguns inversores escalares possuem um algoritmo incorporado ao software o qual aumenta a tensão independentemente da freqüência, de forma a compensar "em parte" as solicitações de torque do motor, este sistema é normalmente denominado de Controle Vetorial da Tensão. Apesar da Curva V/F ser pré-fixada, os inversores escalares dispõem de funções adicionais capazes de influir sobre a curva V/F, hora sobre o valor da tensão, hora sobre o valor da freqüência, proporcionando melhor performance do motor. Funções como a de compensação de Escorregamento, aumentam a freqüência de saída na mesma proporção da elevação de corrente de motor, acima da corrente de vazio, compensando a queda de velocidade devido ao escorregamento. Funções como a de Economia de Energia, reduzem a tensão de saída do inversor quando a carga é reduzida melhorando a eficiência do motor e economizando energia elétrica. 2.3 Inversores Vetoriais de Fluxo Os Inversores Vetoriais de Fluxo produzem uma saída trifásica com tensão(v) e freqüência (F) controladas independentemente, não seguindo uma curva V/F pré fixada. A idéia é manter o fluxo magnético do motor constante e controlar diretamente o torque do eixo do motor controlando-se a corrente rotórica do mesmo. Os Inversores Vetoriais de Fluxo possuem dois controladores, um controla a corrente de magnetização e o outro a corrente do motor. O torque no motor será imposto e controlado diretamente, ao contrário dos Inversores Escalares onde o torque é conseqüência do escorregamento do motor. Os inversores Vetoriais de Fluxo estão divididos em duas categorias: com e sem realimentação. A realimentação ou "Feedback" permite "enxergar" o movimento do eixo do motor possibilitando controlar a velocidade com alta precisão e também o torque em velocidade zero. A operação com realimentação é também conhecida como controle de malha fechada e sem realimentação como controle de malha aberta. A realimentação é realizada utilizando um gerador de pulsos, também conhecido com "Encoder". Alguns equipamentos permitem a utilização dos dois modos, sendo necessário uma placa opcional para a operação de malha fechada. A operação de malha aberta, ou sem realimentação é também conhecida como "Sensorless", nesse caso o algoritmo de controle torna-se mais complexo, pois o inversor deve calcular através de artifícios matemáticos a velocidade real e o escorregamento do motor. A operação sem realimentação possui desempenho 11

12 inferior à operação com realimentação. Os Inversores Vetoriais de Fluxo necessitam da programação de todos os parâmetros do motor como, resistências elétricas, indutâncias, correntes nominais do rotor e estator, dados esses normalmente não encontrados com facilidade. Para facilitar o set-up, alguns inversores dispõem de sistemas de ajustes automáticos também conhecidos como "Autotunning", não sendo necessário a pesquisa de dados sobre o motor. A principal diferença entre os inversores Escalares e Vetoriais de Fluxo deve-se a capacidade dos inversores vetoriais de fluxo de imporem o torque necessário ao motor, de forma precisa e rápida permitindo uma elevada velocidade de resposta dinâmica a variações bruscas de carga. Com Inversores Escalares é necessária a queda de velocidade para aumento do torque, ou seja, o torque produzido no motor é proporcional ao escorregamento. Nos inversores Vetoriais de Fluxo não existe praticamente redução de velocidade para aumento do torque, visto que o inversor irá impor uma tensão e uma freqüência adequada para compensar a queda de velocidade e impor o torque necessário à carga. Em algumas aplicações é necessário que o motor trabalhe com folga de tensão visto que os inversores vetoriais de fluxo impõem o torque elevando a tensão sobre o motor. Caso a velocidade de trabalho seja a nominal e a regulação seja crítica, é necessário utilizar um motor com tensão nominal menor que a rede, como forma de obter-se a folga necessária para a regulação. A tabela a seguir ilustra as principais diferenças entre os Inversores Escalares, Vetoriais de Fluxo e outros acionamentos similares. Tabela 1 - Comparativo de inversores Obs.: Os valores apresentados na tabela são típicos, apenas para comparação. Valores certificados devem ser obtidos em função de cada equipamento específico. 12

13 3 - CARACTERÍSTICAS PRINCIPAIS Os inversores de frequência podem ser divididos em três categorias: 1. Inversores PWM ( Pulse-width Modulated Inverters ) : Nesses inversores, a tensão de entrada do conversor (CC CA) é mantida constante por um retificador a diodo, por exemplo, e o inversor controla a magnitude e a freqüência da tensão de saída através de um PWM. 2. Inversores de onda quadrada: Nesses inversores a tensão CC de entrada do conversor é controlada de forma a controlar a magnitude da tensão CA de saída. Desta forma o conversor tem que controlar apenas a freqüência da tensão de saída. A onda de saída tem a forma similar a uma onda quadrada, daí o seu nome. 3. Inversores monofásicos com cancelamento de voltagem: Em sistemas monofásicos é possível controlar a magnitude e a frequência da tensão CA da saída, mesmo sem PWM. Vale notar que essa técnica de cancelamento de tensão funciona apenas para sistemas monofásicos. 13

14 Figura 5 - Onda da saída (sem filtro) Figura 6 - Motor e inversor de frequência O inversor de freqüência possibilita o controle do motor CA variando a freqüência, mas também realiza a variaçào da tensão de saída para que seja respeitada a Característica V/F ( Tensão / Freqüência) do motor, para não produzir aquecimento excessivo quando o motor opera em baixas rotações. Esta diminuição da tensão produz um aumento do escorregamento, pelo que devem tomarse algumas precauções quando se trabalha em freqüências baixas. Dependendo do tipo de inversor que é utilizado, do tipo de controle de modulação, da freqüência de PWM com que se está operando e das características do motor, esta limitação de freqüência diminui consideravelmente. Em freqüências de operação acima da nominal, para a qual o motor foi fabricado, também se produz perda de torque já que se está trabalhando na região chamada de enfraquecimento, ou seja, existe aumento da freqüência sem que se possa aumentar a tensão de saída do inversor, devido a 14

15 tensão de saída igualar-se ao valor da tensão de alimentação. Destinados inicialmente a aplicações mais simples, os inversores de freqüência são atualmente encontrados nos mais diversos usos, desde o acionamento de bombas até complexos sistemas de automação industrial. Grande parte das aplicações como bombas, ventiladores e máquinas simples, necessitam apenas de variação de velocidade e partidas suaves, sendo atendidas plenamente com o uso de inversores com tecnologia Escalar ou V/F. Algumas aplicações, entretanto, como elevadores, guinchos, bobinadeiras e máquinas operatrizes necessitam além da variação de velocidade o controle de torque, operações em baixíssimas rotações e alta velocidade de resposta, sendo atendidas por inversores com tecnologia Vetorial de Fluxo. 15

16 4 - ESPECIFICAÇÕES E FABRICANTES PRINCIPAIS Os Inversores de Freqüência existem tanto em indústrias de processo quanto em manufaturas, tais como linhas de montagem, automobilísticas, bebidas e alimentícias, papel e celulose e petroquímicas. Existem várias empresas que fabricam inversores de freqüências, que apresentam características e funcionamento semelhantes, mas que podem variar de acordo com a faixa de atuação, tanto da freqüência quanto da potência. Alguns exemplos de empresas fabricantes são: Weg, Mitsubishi Electric, Siemens, Hitachi, Fuji Electric, General Electrics, dentre várias outras. A Mitsubishi Eletric fabrica inversores de frequência que operam com tensão de entrada de V e 50/60 Hz, saída de 0,2 630 KW e frequência de saída de 0,2 400 Hz. A Weg também possui uma vasta linha de inversores de frequência, que operam com tensões de entrada de V, frequência de saída de até 10KHz e uma corrente de sobrecarga de até 150%. Quase todos os fabricantes fazem seus inversores com um resistor de freio dinâmico, que dissipa a energia produzida pelo motor quando esse se encontra freando. O resistor de freio dinâmico é conectado no bloco DC e pode chegar a receber tensões de até 800V durante o processo de frenagem. Uma solução inovadora para eliminar a necessidade de freios a resistor, utilizada pela Weg, é o Optimal Braking, que no entanto não é mostrada nem explicada pelo fabricante. Um software proposto pela Yaskawa Electric América com o nome de High-Slip Braking (HSB) produz uma drástica redução no tempo de parada de cargas rotativas (motores elétricos) e também elimina a necessidade de resistores externos para freio. Esse software foi projetado para aplicações que se beneficiam de paradas rápidas, podendo até ter parada de emergência. A nova série RC5 também da Yaskawa Electric, combina a capacidade de frenagem e regeneração de energia a rede em uma única unidade. São dimensionados para regenerar a energia de frenagem da carga em ciclos repetitivos, funcionam em conjunto com barramento CC acessível. A energia regenerada durante a frenagem é direcionada ao barramento CC do inversor e enviada em forma de corrente contínua a entrada do modulo RC5 o qual transforma a mesma em corrente alternada trifásica, devolvendo-a a rede com a mesma fase e freqüência. 16

17 BIBLIOGRAFIA RASHID, Muhammad Harunur. Power Electronics Circuits, devices and applications. 2ª ed. Prentice Hall, New Jersey: PENELLO, Luiz Fernando. Filtro Ativo de Potência Shunt. Tese de Mestrado, Universidade Federal do Rio de Janeiro COPPE: MOHAN, Ned. UNDELAND, Tore M. ROBBINS, William P. Power Electronics Converters, Applications and Design. John Wiley & Sons, Canada: