CONVERSORES DE FREQUÊNCIA

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1 CONVERSORES DE FREQUÊNCIA Introdução a inversores Convertem tensão c.c. para c.a. simétrica de amplitude e frequência desejadas A forma de onda dos inversores não é senoidal 1

2 Algumas aplicações dos inversores Acionamento de M. I. com velocidade variável Aquecimento indutivo Sistema de energia ininterrupta Reatores eletrônicos Características dos inversores Os inversores podem ser monofásicos ou trifásicos As chaves semicondutoras precisam ter disparo e bloqueio controlados 2

3 Inversor monofásico v ab v s V s Q 1 a b Q 3 -v s t Q 4 Q 2 i I t - I Inversor com carga R L v ab v s V s Q 1 a Q 3 b -v s t Q 4 Q 2 i I t - I 3

4 Inversores para acionamentos Devem satisfazer os seguintes requisitos: Variar a frequência de acordo com a saída desejada Permitir o ajuste de tensão para manter fluxo constante Fornecer a corrente nominal em qualquer frequência Módulo de entrada de um conversor de frequência Os conversores de frequência usuais são alimentados por um retificador não controlado Rede + V d MOTOR 4

5 Limitação da corrente de inrush Os capacitores são carregados via resistor; o relé fecha após alguns segundos para operação normal C Inversor a PWM senoidal PWM Pulse Width Modulation O PWM controla a frequência e o valor eficaz da tensão de saída Tensão de entrada Tensão de saída 5

6 Circuito esquemático do Conversor a PWM Circuito Unifilar Circuito esquemático do Conversor a PWM Circuito Trifilar 6

7 Tensão Gerada pelo Inversor Inversor a Fonte de Tensão (VSI) Modulação por Largura de Pulso Senoidal (SPWM) Função de chaveamento Com a corrente retificada o bloco inversor irá gerar uma CA sintética Isto é feito comutando a CC utilizando a modulação PWM Com isto é possível variar a frequência e a tensão entregues ao motor 7

8 Tensão PWM de saída O número de pulsos depende da frequência de chaveamento V dc tempo -V dc Formas de Onda Reais Embora a tensão seja uma sequência de pulsos, a corrente é quase senoidal 8

9 Desclassificação do motor A forma de onda da corrente no motor é quase senoidal devido à característica indutiva do motor Devido às perdas adicionais é recomendado que a potência nominal do motor seja superior à potência necessária para acionar a carga Corrente na rede A forma de onda da corrente na rede contém harmônicas A figura representa a forma de onda na presença de um retificador monofásico com filtro capacitivo V s i s i s1 wt φ 1 9

10 Corrente na rede A figura representa a forma de onda na presença de um retificador trifásico com filtro capacitivo com pouca carga Corrente na rede A figura representa a forma de onda da corrente em um conversor de frequência trifásico com carga. 10

11 Efeito na rede de alimentação O fator de potência visto pela rede é diferente do fator de potência do motor O fator de deslocamento é aproximadamente unitário O fator de potência é baixo devido às harmônicas Harmônicas na rede de alimentação Tensão de alimentação 220 V Monofásico 220 V Trifásico Ordem harmônica Impedância de entrada 2 % Impedância de entrada 4 % % 100 % 3 83 % 76 % 5 57 % 41 % 7 29 % 14 % 9 11 % 6 % 11 8 % 6 % 13 6 % 3 % % 100 % 5 56 % 39 % 7 31 % 15 % 11 7 % 7 % 13 6 % 3 % 11

12 Problemas nas aplicações de inversores Harmônicas na rede Aquecimento adicional no motor Picos de tensão no motor Ruídos audíveis Interferência eletromagnética Frenagem em inversores Durante a frenagem, o fluxo de potência passa a fluir do motor para o inversor O sentido da corrente no elo c.c. se inverte Frenagem dissipativa Frenagem regenerativa 12

13 Frenagem dissipativa A energia cinética é dissipada em uma resistência REDE + V R INVERSOR MOTOR Frenagem regenerativa A energia cinética é regenerada na forma de energia elétrica para a rede REDE V + INVERSOR MOTOR 13

14 Ponte retificadora controlada em configuração antiparalela Rede de 60 Hz INVERSOR DE FREQ. Rede de 60 Hz Permite regeneração de energia Tipo de frenagem A decisão de se empregar a frenagem regenerativa ou a frenagem dissipativa está na relação custo adicional do equipamento versus custo da energia dissipada O ciclo de trabalho e a potência do acionamento são fatores decisivos 14

15 Controle sem malha de velocidade A rotação pode ser controlada sem uma malha de realimentação de velocidade Com a variação do torque na carga, o escorregamento varia, produzindo uma variação na rotação Dados necessários para especificar um inversor Motor: Potência Nominal Tensão Nominal Corrente Nominal Rede: Tensão Nominal Capacidade de curto Requisitos quanto a Harmônicas Filtro 15

16 Continuação Aplicação: Tipo do processo Distância inversor - motor Faixa de velocidade de operação Requisitos de exatidão Torque nominal Torque de partida Controle Escalar O modo de controle de velocidade escalar se baseia na utilização das variáveis de controle: Tensão [V] e Freqüência [f]; É um modo de controle simples e bastante usado. 16

17 Controle Escalar V motor 460V Curva V/f programável Operação c/ Boost de Tensão f N f Controle Escalar No modo de controle escalar não é possível efetuar um controle de torque adequado; Não é necessário conhecer os parâmetros do motor pois o seu modelo matemático não é usado. 17

18 Controle Escalar Utilizado, principalmente, no acionamento de bombas e ventiladores. Para estas cargas é possível reduzir as perdas no motor utilizando a opção V/f quadrática, o que resulta em economia de energia; Também é utilizado quando mais de um motor é acionado por um inversor (aplicação multimotores). Controle Vetorial No modo vetorial a operação é otimizada para o motor em uso, obtendo-se um melhor desempenho em termos de torque e regulação de velocidade; Os parâmetros do motor são necessários para o uso das equações dinâmicas. 18

19 Controle Vetorial O controle vetorial separa as duas componentes da corrente do estator (Is): uma que fornece o fluxo no entreferro ( Im) e outra que produz o torque(ir). Fornece controle independente do fluxo e do torque. Existe uma analogia com o motor c.c. em que a corrente de campo e a corrente de armadura são controladas como variáveis independentes. MODELO DO MOTOR CC 19

20 Modelo em Regime Permanente do Motor de Indução Controle Vetorial Existem dois tipos de controle vetorial: Controle vetorial normal possui malha fechada com transdutor de posição; Controle vetorial sensorless possui malha aberta e, portanto, sem transdutor de posição; 20

21 Controle Vetorial No controle vetorial normal o trabalho computacional é grande, mas pode ser realizado por um DSP; O controle vetorial sensorless é mais pobre do que o controle por malha fechada, mas ainda possui melhor desempenho de resposta se comparado a qualquer sistema v/f. Comparativo entre Tecnologias CARACTERÍSTICA Motor c.c. com Tacômetro Escalar Conversor de Frequência Vetorial Sensorless Encoder Precisão de velocidade Torque em velocidade zero 0,025 % 1 % 0,5 % 0,01 % SIM NÃO NÃO SIM Controle de torque Alto Baixo Médio Alto 21