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Introdução aos Inversores de Freqüência
Neste capítulo vamos conhecer os princípios básicos de funcionamento de um dispositivo muito utilizado em automação industrial, o inversor de freqüência. Esse dispositivo, juntamente com os CLPs dominam as aplicações de automatização de máquinas e equipamentos nas indústrias, portanto é alvo de nossos estudos, iremos abordar as definições desse dispositivo, os métodos de ligação e controle, bem como a integração e uso com CLPs, e poderemos identificar as características e tipos de dimensionamento para suas diversas aplicações.
6.1. O que é um Inversor de Freqüência?
Em muitos equipamentos industriais, é necessário que se obtenha variação de velocidade nos mecanismos que controlam as ações das máquinas e dispositivos. O uso de sistemas mecânicos de variação ou transformação de movimento causa um aumento na manutenção dos sistemas, intervenções de manutenção corretiva e preventiva nesses dispositivos na maioria das vezes demandam tempo de máquina parada e custos elevados de peças e mão-de- obra, assim a necessidade de se criar dispositivos que alterem a velocidade diretamente nos pontos motrizes dos equipamentos foi abordada de forma sistemática nas últimas décadas e empresas especializadas em tecnologia têm tido enorme evolução no desenvolvimento de tecnologias para esses fins.
Os motores elétricos em geral utilizados como dispositivos motrizes em máquinas e equipamentos são construídos para trabalharem em rotações fixas , e estas rotações são determinadas por dois fatores , um construtivo e outro elétrico. O fator construtivo refere-se a quantidade de pólos que um motor possui, pólos são os conjuntos de bobinas posicionadas internamente no motor que determinam e orientam os sentido do fluxo magnético no interior do motor , a quantidade de pares de pólos em um motor elétrico determina em qual velocidade o mesmo irá trabalhar.
O fator elétrico diz respeito à freqüência elétrica da rede aplicada no motor. O termo freqüência define em quantas vezes por segundo a corrente elétrica troca de polaridade. Se dizemos que um sinal elétrico CA tem uma freqüência de 10Hz, estamos dizendo que a corrente elétrica se alterna entre positivo e negativo em 10 ciclos por segundo, isso é o que define a denotação CA “Corrente Alternada”, a unidade Hertz é assim definida em homenagem ao físico alemão Heinrich Rudolf Herzt, que estudou o comportamento desses sinais elétricos e contribuiu no campo da ciência com importantes descobertas sobre o magnetismo. Os valores da freqüência na rede pública seguem padrões internacionais e no Brasil a freqüência normatizada é de 60Hz, em
outros países as freqüências podem ser de 60Hz ou 50Hz, no Paraguai, por exemplo, a freqüência é normatizada em 50Hz.
Essa ligação entre a quantidade de pólos de um motor elétrico e a freqüência aplicada no mesmo define quantas rotações o motor poderá atingir. Um fator está ligado ao outro, portanto se alterarmos a quantidade de pólos de um motor ou a sua freqüência elétrica podemos obter variação de sua rotação. Para definirmos essa ligação entre a quantidade de pólos de um motor e a freqüência elétrica, utilizamos uma expressão matemática na qual visualizamos essa dependência e como um fator altera o outro.
F x 120
N
De maneira que : N = Rotações por minuto [rpm] F = Freqüência da rede elétrica [Hz] P = Número de pares de pólos do motor
Analisando a expressão acima, fica claro que para alterarmos o valor de “N” (rotações por minuto) devemos variar os valores de “F” (freqüência de rede) ou “P” (número de pólos), como o valor de “P” é característica construtiva de um motor, sua alteração demanda um certo trabalho e leva tempo e em alguns casos não pode ser alterado, já a freqüência, pode ser manipulada por um dispositivo externo, como, por exemplo, o inversor de freqüência.
Comercialmente encontramos motores elétricos com 2, 4, 6, 8 e até 10 pólos, que se instalados em máquinas ou equipamentos no Brasil onde a freqüência elétrica é de 60Hz, podemos calcular facilmente a rotação síncrona desses motores por meio da expressão anterior, portanto para esses motores a velocidade síncrona é:
Motor de 2 pólos* :
N rpm
x
N
Fx
N 3600
Motor de 4 pólos* :
N rpm
x
N
Fx
N 1800
Motor de 6 pólos* :
motor, e em cargas pesadas com conjugado de partida alto, a corrente é reduzida cerca de 1 a 2 vezes a corrente nominal do motor. Além do benefício da rede elétrica da instalação, não existe queda de tensão, os cabos de alimentação não são sobrecarregados na partida dos motores.
Outro grande benefício é que o fator de potência vista pela rede elétrica que alimenta o inversor é praticamente 1 (unitário), uma carga ideal, assim é dispensado uso de banco de capacitores para compensar o reativo do motor instalado.
Na figura 6.1 podemos visualizar um diagrama de blocos básicos do funcionamento de um inversor de freqüência:
Figura 6.
No diagrama de blocos, podemos identificar 5 dos blocos principais de um inversor de freqüência. Existem outros, porém estes são os mais significativos e representam a base de todos os inversores de freqüência produzidos atualmente.
Retificador: este bloco é responsável pela alteração dos sinais de alimentação do inversor para sinais CC (corrente contínua). Os inversores são alimentados em corrente alternada e podem receber dependendo do equipamento sinais CA em duas ou três fases, padrões industriais. Basicamente são construídos a partir de uma ponte retificadora, comuns em dispositivos eletrônicos, as particularidades são que esses dispositivos são dotados de filtros, os quais são necessários para um melhor funcionamento em ambientes industriais, sendo comum encontrarmos a rede elétrica com ruídos elétricos e flutuações de tensão.
Os motores elétricos industriais do tipo gaiola, assíncronos, têm a facilidade de poder alterar o sentido de rotação apenas com a inversão de dois fios de alimentação do motor. Com o inversor de freqüência essa operação não é possível na entrada do retificador, caso o operador necessite realizar essa operação, deverá programar o sentido de rotação na parametrização do inversor ou diretamente na caixa de ligações do motor. Na alimentação isso não é possível, pois, após o sinal elétrico ser retificado, o inversor reconstrói os sinais a serem aplicados na saída com uma seqüência de fase fixa, independentemente da seqüência de fase da alimentação.
CPU: este é o módulo principal de um inversor de freqüência, ele é responsável por todo o funcionamento do dispositivo, é a CPU que coordena o chaveamento do módulo de potência, enviando sinais de controle PWM para os IGBTs (ou transistores), além de gerenciar os módulos de retificação, interface de operação e interface de controle.
Atualmente os fabricantes de inversores de freqüência disponibilizam para seus equipamentos módulos de comunicação em rede, de maneira que o usurário pode interagir remotamente com a CPU do dispositivo, assim o inversor ganha a funcionalidade de interação com redes de comunicações industriais, essas novas funcionalidades permitem ao usuário controlar e monitorar o dispositivo a distância, por meio da tela de um computador ou pela Internet, por exemplo. Além de facilitar a parametrização do dispositivo, que pode ser feito por meio de um computador simples, assim o operador ganha tempo e pode armazenar as configurações do dispositivo no computador e utilizá-la em quantos inversores desejar.
Interface de Operação e Parametrização: este módulo é responsável por enviar e receber as informações de como o inversor deverá funcionar, ele é dotado de botões de forma que o operador pode inserir ou digitar os valores de parametrização do equipamento, como freqüência máxima, freqüência mínima, valores de rampa de aceleração e desaceleração, limites de corrente de carga etc. Além de permitir o controle do equipamento, ligar desligar, acelerar, inverter a rotação etc.
Essa interface, na grande maioria dos casos, possui um display alfanumérico que indica de forma visual os valores de freqüência aplicada ao motor, e outras informações programáveis ao inversor, como valores de corrente, potência, falhas etc.
No circuito da figura 6.2, podemos visualizar o circuito básico de chaveamento de potência, comum na maioria dos inversores. Notem que são dispostos seis dispositivos de estado sólido para chaveamento (no exemplo IGBTs), e, de acordo com a seqüência de disparo que a CPU disponibiliza, a forma de onda é montada na saída do circuito, agora vejamos como fica esse circuito representado na forma genérica e com o diagrama de tempos de disparo, acompanhe na figura 6.3.
Figura 6.
Veja que as seqüências de disparo de D1 e D2 seguem uma cadência lógica e, quando um está conduzindo, o outro está em bloqueio, a seqüência se repete para os disparos de D3 / D4 e D5 / D6 defasados por um ângulo de 120º. No diagrama de tempos da figura 6.3, estamos representando de forma genérica e digital o chaveamento dos componentes de estado sólido, porém, no estado real da máquina, a onda gerada na forma senoidal possui particularidades resultantes do chaveamento no modo PWM, veja as diferenças de uma onda senoidal pura e uma resultante do chaveamento eletrônico.
Figura 6.
Quanto mais pura a senóide na saída do inversor, melhor e mais elaborado o circuito eletrônico empregado inversor de freqüência. Isso indica que, além do circuito de chaveamento, existem filtros na saída do equipamento. Isso é um fato importante, pois esses “ruídos” gerados pelo chaveamento podem causar interferências em outros dispositivos eletrônicos que porventura estiverem na mesma instalação. Alguns fabricantes, para evitar custos, não disponibilizam esses filtros em seus equipamentos, fique atento caso a instalação seja susceptível a essas particularidades.
6.2. Tipos de Inversor de Freqüência
Basicamente os inversores de freqüência estão classificados em dois modelos: “escalar” e “vetorial”. O primeiro modelo, o inversor do tipo escalar, foi o primeiro modelo elaborado pela indústria. Os primeiros inversores produzidos trabalhavam neste modo, o segundo modelo, o inversor tipo vetorial, nasceu de uma necessidade de melhorar a performance do dispositivo, já que no modelo escalar a curva de torque aplicada ao motor e, conseqüentemente a carga, são limitadas.
As diferenças entre o inversor escalar e o inversor vetorial estão basicamente na curva de torque. No inversor com controle escalar, o modo de controle é definido em função de duas variáveis: V / F, tensão sobre freqüência, assim esse tipo de motor não oferece torques elevados para baixas rotações, pois o torque oferecido à carga pelo inversor é função direta da corrente de carga, além disso a relação de V/F é mantida constante até o limite da tensão nominal do inversor (240V) após este ponto, chamado ponto de inflexão, essa relação deixa de ser constante, interferindo diretamente no torque aplicado à carga. Veja no gráfico abaixo à curva típica de um inversor escalar com relação V/F.
6.3. Parâmetros Básicos
Como definimos anteriormente, o inversor de freqüência é um dispositivo eletrônico microprocessado, dotado de uma interface de operação e parametrização, o qual é responsável pela inserção dos dados e parâmetros de operação do dispositivo. De modo geral os fabricantes disponibilizam uma dezena de parâmetros pelos quais o usuário pode configurar o funcionamento do dispositivo, com base nas necessidades da instalação e requisitos do equipamento onde o inversor será instalado.
Dentre esses parâmetros, podemos destacar alguns que são genéricos e básicos para todos os inversores, de modo que o usuário, quando for fazer a instalação do equipamento, terá que obrigatoriamente consultar para proceder o startup do dispositivo, são eles:
Potência do motor Corrente nominal do motor Tensão nominal do motor Corrente máxima do motor Freqüência mínima Freqüência máxima Rampa de aceleração Rampa de desaceleração Torque do motor Modo de operação Referência de freqüência
Os demais parâmetros são específicos para cada inversor, ou seja, o fabricante disponibiliza uma série de outras funções que variam de acordo com o modelo e porte do equipamento, que têm a função de otimizar o funcionamento do dispositivo e configurar as funções e facilidades possíveis para o equipamento.
De modo geral os fabricantes disponibilizam o acesso a esses parâmetros via interface de operação e parametrização e são descritos por meio de códigos, como, por exemplo P00, P001, P0..n, ou N01, N02, N0..n. Esses códigos não seguem uma norma específica, cada fabricante adota o seu próprio padrão ou metodologia.
O usuário, quando efetuar a parametrização do dispositivo, deverá identificar esses parâmetros e como alterá-los no manual de instalação e programação, que é fornecido juntamente com o inversor de freqüência. Essa tarefa não é tão complicada como parece, após uma breve leitura do manual o usuário pode facilmente parametrizar o inversor, e após fazer a parametrização de um modelo, poderá facilmente parametrizar outros modelos de fabricantes diferentes, pois a lógica e as metodologias utilizadas são parecidas.
É recomendado a usuários com pouca experiência que procedam uma primeira parametrização em bancada, ou seja, se possível com um motor de
potência compatível desacoplado da máquina ou equipamento. Assim o usuário poderá fazer todos os testes funcionais e identificar as interfaces de controle e operação sem correr riscos de acidentes, evitando danos físicos a pessoas ou danos materiais a máquinas e instalações.
Abaixo descrevemos uma referência rápida dos parâmetros básicos mais utilizados no setup de inversores de freqüência.
Potência do Motor
Esse parâmetro diz respeito às características elétricas do motor utilizado, tem seu valor inserido em KW, ou seja, a potência do motor deverá ser convertida de CV ou HP diretamente para W, seguindo a relação de 1 CV = 736W ou 1HP = 746W, assim um motor de 3CV possui 3 x 736 = 2208 W, ou seja, 2,2 KW, esse valor é necessário, pois, por meio dele, o inversor pode calcular os valores de corrente máxima, corrente nominal, e se o motor está dentro de sua característica de funcionamento, além de fornecer ao usuário o fator de utilização do motor.
Corrente Nominal do Motor
O valor de corrente nominal do motor deve ser inserido antes de se fazer qualquer teste no motor; ele determina qual a corrente esperada que o inversor deverá fornecer ao motor. Em inversores que utilizam o modo vetorial com ajuste automático, esse parâmetro é de extrema importância.
O valor de corrente nominal do motor deverá ser retirado da placa de identificação do motor, e ser inserido diretamente em amperes na interface de programação. Em alguns casos o inversor utiliza o valor programado no parâmetro de “potência do motor” para calcular o valor da corrente nominal automaticamente, neste caso o valor do parâmetro passa a ser de “corrente máxima” admissível. Nesta situação o valor inserido passa a ser em forma de percentagem, ou seja, um valor que geralmente vai de 0% a 150% de sobrecarga; assim, se a carga tiver picos de corrente dentro dessa faixa em um certo intervalo de tempo, o inversor suprime a sinalização de falha.
Um valor errôneo programado abaixo da realidade nesse parâmetro pode causar um desligamento falso do inversor, acusando uma falha de subcorrente, ou no caso de programação de um valor acima do real, o inversor pode não se desligar na situação de uma falha de sobrecorrente.
Tensão Nominal do Motor
Esse parâmetro, como o próprio nome sugere, diz respeito a qual tensão nominal o motor será submetido. Geralmente este parâmetro vem pré- programado com o mesmo valor da tensão de alimentação do inversor, 240Vca / 380Vca etc.
Acompanhe no gráfico da figura 6.7 o comportamento da curva característica de uma rampa de aceleração linear.
Figura 6.
Rampa de Desaceleração
Esse parâmetro refere-se ao tempo em segundos em que o inversor, após desabilitado (desligado), desacelera linearmente da velocidade nominal programada no parâmetro “freqüência máxima“ até a velocidade “0”, isso possibilita que cargas de médio e grande porte possam ser desaceleradas de forma gradual evitando esforços mecânicos que podem prejudicar a estrutura física de máquinas ou equipamentos.
O usuário deve observar que o uso da rampa de desaceleração pode ser prejudicial em sistemas em que uma parada rápida por emergência deve ser requerida, no entanto também é possível a ocorrência de falha de sobretensão se o usuário utilizar tempos de desaceleração muito curtos. Esse valor deve ser ajustado “in loco” com o motor conectado à carga. Acompanhe no gráfico da figura 6.8 o comportamento da curva característica de uma rampa de desaceleração linear.
Figura 6.
Torque do Motor
Esse parâmetro, de modo geral, define uma compensação para queda de tensão no motor atuando em baixas rotações, forçando um aumento de tensão de saída do inversor para obtenção de torque constante em operações V/F. Em outra palavras, define o ângulo de inclinação da curva da figura 6.5.
Os valores ideais para esse parâmetro são os menores possíveis, assim a curva característica permanece linear em relação ao controle V/F, o ajuste deve ser realizado “in loco” com a carga conectada ao eixo do motor, valores elevados causarão um aumento na corrente do motor em baixas rotações, podendo causar falhas no inversor relacionadas à sobrecorrente.
Modo de Operação
Nesse parâmetro são definidos o modo de controle do inversor de freqüência, ou seja, é nele que determinamos como o inversor deve ser habilitado, se ele irá obedecer a comandos locais via interface de operação local ou comandos remotos, via interface de controle digital, além de determinar as funções especiais das entradas e saídas digitais (caso o inversor possua), em alguns inversores esse parâmetro é fracionado, sendo necessário a verificação de vários parâmetros para entradas digitais individuais.
O usuário deverá verificar atentamente a especificação de configuração de entradas e saídas digitais no manual do usuário que acompanha o dispositivo.
Referência de Freqüência
configurar os códigos correspondentes nos parâmetros de “modo de operação”, que especificamente nesse modelo de inversor são os parâmetros P (função de DI1), P264 (função de DI2), P265 (função de DI3) e P266 (função de DI4), respectivamente.
Abaixo, elaboramos com base nas funcionalidades do modelo de inversor CFW 08 do fabricante WEG®, uma tabela contendo todas as configurações possíveis para essas entradas digitais, e com base nela exemplificaremos uma condição de controle.
DI - Parâmetros Função (^) P263DI1 P264^ DI2 P265^ DI3 P266^ DI
Habilita Geral 1.. 7 e 10..12^ -^2
Gira / Pára 9 -^9
Sem Função ou Habilita Geral 0 -^ -^ -
Sem Função ou Gira / Pára -^ -^8
Avanço 8 -^ -^ -
Retorno - 8 - -
Avanço com 2ª Rampa 13 - - -
Retorno com 2ª Rampa - 13 - -
Liga 14 -^ -^ -
Desliga -^14 -^ -
Multispeed -^7 7
Multispeed com 2ª rampa -^ -^14 -
Acelera EP -^ -^5 -
Desacelera EP -^ -^ -^5
Sentido de Giro -^0 0
Local Remoto - 1 1 1
JOG - - 3 3
Sem Erro Externo - - 4 4
2 ª Rampa -^ -^6
Reset -^ -^10
Desabilita Flying Start -^ -^13
Manual / Automático PID -^ -^15 -
Sem Função -^ 2..6 e 9..12^ 11 e 12^ 11..12 e 14..
Manual do Usuário CFW 08 pág 91. Dados exclusivos para Inversor WEG® mod.: CFW 08
Agora, com base na configuração disponível informada pelo fabricante no manual do usuário, podemos configurar o inversor para os requisitos do exemplo proposto na figura 6.10 abaixo.
Motor com acionamento do tipo partida direta com reversão de sentido de rotação
Figura 6.
Para que o inversor de freqüência funcione em substituição a uma chave de partida direta com reversão comandada por três botões, liga, desliga e sentido de giro, podemos utilizar o inversor no local sem nenhuma dificuldade, com base na ligação proposta na figura 6.10, quando foi especificado que a entrada DI1, botão de “liga motor”, a entrada DI2 o botão “desliga motor” e entrada DI4 como “chave de reversão”, definiremos os valores referentes a cada entrada digital para que o inversor obedeça à lógica proposta, assim os parâmetros P263, P264 e P266 receberão de acordo com a tabela do fabricante os valores:
Parâmetro Entrada Valor P263 DI1 14 P264 DI2 14
P266 DI4 0
Acima vimos um exemplo simples de aplicação de um inversor de freqüência para controle de um motor via interface de controle remoto, embora existam particularidades referentes ao tipo de inversor utilizado, a maioria dos
1 HP corresponde a 746 W ou 0,746 KW
Lembrando que CV é abreviatura de “Cavalo Vapor“ e HP “Horse Power”.
Então, se desejamos dimensionar um inversor para um motor de 10CV, a potência necessária para o inversor será de 10 x 736 = 7360W ou 7,36 KW no mínimo.
Abaixo podemos visualizar uma tabela contendo as características dos motores elétricos trifásicos convencionais para auxílio no dimensionamento dos dispositivos:
Motores Trifásicos Convencionais Potência (^) Corrente Nominal [ A ]
Fator de Serviço Fs
Peso CV KW^ Aprox. [ Kg ] 0,16 0,12 0,77 1,15 7 0,25 0,18 1,02 1,15 7 0,33 0,25 1,34 1,15 7 0,5 0,37 1,71 1,15 8 0,75 0,55 2,39 1,15 10 1 0,75 3,01 1,15 11 1,5 1,1 4,28 1,15 14 2 1,5 5,46 1,15 16 3 2,2 8,43 1,15 20 4 3 11 1,15 23 5 3,7 12,9 1,15 32 6 4,5 15,8 1,15 38 7,5 5,5 19,1 1,15 41 10 7,5 25,5 1,15 64 12,5 9,2 31,4 1,15 67 15 11 36,9 1,15 72 20 15 50,3 1,15 104 25 18,5 61,6 1,15 111 30 22 72,1 1,15 126 40 30 99 1,15 213 50 37 120 1,15 240 60 45 143 1,0 380 75 55 174 1,0 430
100 75 233 1,0 465 Para obter a corrente em 380 Vca, multiplicar por 0, Para obter a corrente em 440 Vca, multiplicar por 0,
Tabela 6B
Regime de Trabalho do Motor
Esse fator é muito importante. Para dimensionamento correto de um inversor de freqüência, devemos observar se o inversor irá trabalhar em regime de baixa rotação ou alta rotação. Se a aplicação necessitar de que o motor opere na faixa de freqüência abaixo de 60 Hz, devemos considerar o torque. Caso a carga necessite de alto torque, o inversor ideal é do tipo vetorial. Caso a aplicação não necessite de torques elevados, o inversor do tipo escalar é o indicado. Já nos casos em que a aplicação deve funcionar com freqüências elevadas, acima da nominal (60 Hz) os inversores do tipo escalar atendem à maioria das aplicações. Esses fatores são importantes, pois os inversores vetoriais, de modo geral, possuem um custo mais elevado, portanto uma avaliação correta da aplicação pode trazer uma economia considerável para o projeto.
Tipo de Controle
O tipo de controle deve ser observado quando a instalação requer interfaces especiais, como controle por meio de CLPs, que utilizam interfaces analógicas para ajustar a velocidade das máquinas, ou ainda quando o inversor deve se comunicar em redes de comunicação e enviar dados para outros sistemas. Nesses casos o usuário deverá estudar o modelo de inversor apropriado para a aplicação.
Ambiente de Instalação
Geralmente os inversores de freqüência são projetados para instalação em locais abrigados e livres de poeiras ou umidade. Esse fator deve ser levado em consideração, pois, na maioria dos casos, em ambientes industriais, os locais de instalação não são favoráveis à instalação do dispositivo de forma exposta. A localização dos inversores é fator determinante para que o dispositivo funcione de forma correta e tenha uma vida útil normal de seus componentes. Assim é recomendado que o dispositivo seja instalado em ambientes livres de:
Poeiras ou partículas metálicas suspensas no ar Vibração excessiva Gases, líquidos explosivos ou inflamáveis em suspensão no ambiente Exposição direta a raios solares, chuva ou maresia
Além desses fatores, devemos observar alguns símbolos utilizados para identificação de condições especiais, que devem ser observadas durante a instalação e manipulação do dispositivo, são eles:
