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ENCARREGADO DE
ELÉTRICA
ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
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ENCARREGADO DE ELÉTRICA
ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
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ANDRADE, Paulo
Acionamentos elétricos / CEFET-BA. Salvador-Ba, 2007.
17 p.:06 il.
Petrobras – Petróleo Brasileiro S.A.
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ÍNDICE
APRESENTAÇÃO ................................................................................................................................... 7
1 - FUNDAMENTOS DA CONVERSÃO ELETROMECÂNICA DE ENERGIA....................................... 8
2 - PRINCÍPIOS DE FUNCIONAMENTO .............................................................................................. 10
2.1 Inversor Escalar ......................................................................................................................... 10
2.2 Inversor "Vetorial" de Tensão .................................................................................................. 11
2.3 Inversores Vetoriais de Fluxo................................................................................................... 11
3 - CARACTERÍSTICAS PRINCIPAIS .................................................................................................. 13
4 - ESPECIFICAÇÕES E FABRICANTES PRINCIPAIS ...................................................................... 16
BIBLIOGRAFIA....................................................................................................................................... 17
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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 ............................................................................................. 14
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LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Comparativo de inversores ............................................................................................. 12
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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.
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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
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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:
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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.
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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
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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.
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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.
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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
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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.
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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 200
– 480V 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 200 – 480V, 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.
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BIBLIOGRAFIA
RASHID, Muhammad Harunur. Power Electronics – Circuits, devices and applications. 2ª ed. Prentice Hall, New
Jersey: 1993.
PENELLO, Luiz Fernando. Filtro Ativo de Potência “Shunt”. Tese de Mestrado, Universidade Federal do Rio de
Janeiro – COPPE: 1992.
MOHAN, Ned. UNDELAND, Tore M. ROBBINS, William P. Power Electronics – Converters, Applications and
Design. John Wiley & Sons, Canada:1989
http://news.thomasnet.com/fullstory/15867
http://www.postglover.com/products/dyn_brak/dyn_brake_tech.htm
http://www.mitsubishi-automation.com
http://www.wegelectric.com/
http://www.directindustry.com/
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