ENCARREGADO DE
ELÉTRICA
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ANDRADE, Paulo
Acionamentos elétricos / CEFET-BA. Salvador-Ba, 2007. 17 p.:06 il.
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
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
LISTA DE TABELAS
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.
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.
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:
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
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.
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 "Auto-tunning", 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.
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
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
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.
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
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
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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/
