49700415 apostila soft starter e inversor
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Centro Federal de Educação Tecnológica de Santa Catarina Unidade de Chapecó
Coordenação de Eletroeletrônica Curso Técnico em Eletroeletrônica
Módulo IV - Comandos Industriais II Chaves de Partida Suave Soft-Starter e Inversor de
Freqüência
Julho 2008
Centro Federal de Educação Tecnológica de Santa Catarina Unidade de Chapecó
Coordenação de Eletroeletrônica Curso Técnico em Eletroeletrônica
Módulo IV - Comandos Industriais II Chaves de Partida Suave Soft-Starter e Inversor de
Freqüência
Material instrucional especialmente elaborado pelo Prof. Jacson Rodrigo Dreher, para uso exclusivo do CEFET/SC, Unidade de Chapecó.
Julho 2008
Sumário 1. INTRODUÇÃO ............................................................................................ 4
1.1. O Motor de Corrente Alternada............................................................ 4 1.1.1. O motor CA assíncrono ................................................................ 4
1.2. Sistemas de Partida Eletromecânica ................................................... 7 1.2.1. Partida direta................................................................................. 7 1.2.2. Partida estrela-triângulo................................................................ 7 1.2.3. Partida com autotransformador..................................................... 8
2. SOFT-STARTER....................................................................................... 10 2.1. Princípio de Funcionamento .............................................................. 12
2.1.1. Uma fase controlada................................................................... 12 2.1.2. Duas fases controladas .............................................................. 13 2.1.3. Três fases controladas................................................................ 14
2.2. Principais Funções da Soft-Starter..................................................... 14 2.2.1. Rampa de tensão........................................................................ 15 2.2.2. Pulsos de tensão de partida (kick start) ...................................... 16 2.2.3. Limitação de corrente ................................................................. 16 2.2.4. Rampa de tensão na desaceleração .......................................... 16
2.3. Proteções........................................................................................... 17 2.3.1. Sobrecorrente imediata na saída ................................................ 17 2.3.2. Subcorrente imediata.................................................................. 18 2.3.3. Outros parâmetros ...................................................................... 18
2.4. Descrição dos Parâmetros................................................................. 18 3. INVERSOR DE FREQÜÊNCIA ................................................................. 20
3.1. Introdução .......................................................................................... 20 3.2. Princípio de Funcionamento do Inversor de Freqüência.................... 20
3.2.1. Modulação PWM......................................................................... 22 3.3. Curva Tensão/Freqüência.................................................................. 25 3.4. Blocos do Inversor de Freqüência...................................................... 27
3.4.1. 1º Bloco - CPU............................................................................ 27 3.4.2. 2º Bloco - IHM............................................................................. 27 3.4.3. 3° Bloco – Interfaces................................................................... 28 3.4.4. 4º Bloco - Etapa de potência....................................................... 28
3.5. Sistemas de Entrada e Saída de Dados ............................................ 29 3.5.1. Interface homem máquina (IHM) ................................................ 29 3.5.2. Entradas e saídas analógicas..................................................... 29 3.5.3. Entradas e saídas digitais........................................................... 29 3.5.4. Interface de comunicação serial ................................................. 29
3.6. Formas de Variação de Velocidade em um Inversor de Freqüência.. 30 3.6.1. Acionamento pela IHM................................................................ 30 3.6.2. Acionamento pelas entradas digitais .......................................... 30 3.6.3. Acionamento pela função multispeed ......................................... 31 3.6.4. Acionamento pelas entradas analógicas .................................... 32
3.7. Como Instalar Um Inversor de Freqüência ........................................ 32 3.7.1. Regras para a Instalação do Inversor de Freqüência ................. 35
3.8. Parametrizando um Inversor de Freqüência ...................................... 37 3.9. Dimensionamento .............................................................................. 37
3.9.1. Capacidade do inversor .............................................................. 37
2
3.9.2. Tipo de inversor .......................................................................... 37 3.9.3. Modelo e fabricante .................................................................... 38
4. SOFT-STARTER X INVERSOR DE FREQÜÊNCIA ................................. 39
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1. INTRODUÇÃO
1.1. O Motor de Corrente Alternada Para melhor entendermos o inversor de freqüência temos que fazer uma previa
sobre o funcionamento do motor de corrente alternada. ”Por que motor de corrente
alternada?” Nos processos de automação industrial a tecnologia em corrente continua
praticamente deixou de existir. E fato que ela ainda pode ser encontrada em
equipamentos antigos, mas seus dias estão contados: a tecnologia em CA e mais
barata versátil e de maior confiabilidade.
Existem vários tipos de motor CA no mercado (síncrono, assíncrono, universal, servo-
motores, etc).
1.1.1. O motor CA assíncrono
A Figura 1 mostra a estrutura do motor CA simplificada. A carcaça por não
executar movimento recebe o nome de estator. É no estator onde se localizam as
bobinas do motor. A outra parte e o rotor onde temos a rotação do eixo. O motor
elétrico, portanto é uma máquina que converte energia elétrica em mecânica.
No caso do motor CA assíncrono o rotor não tem bobinas. Chamamos isso de
rotor em curto-circuito ou ”gaiola de esquilo”.
Figura 1 - Estrutura básica de um motor CA
O principio de funcionamento pode ser visto na Figura 2. Basicamente o que
temos é um campo girante que induz uma corrente no rotor. Como este está em curto-
circuito, um campo eletromagnético cria-se ao seu redor e é atraído pelo campo.
Analogamente é como um imã permanente atraindo um objeto metálico sobre a mesa.
Figura 2 - Campo girante no motor CA Assíncrono
”Mas por que o nome assíncrono?” No ambiente industrial a maior parte da
rede elétrica e trifásica. Em uma rede deste tipo temos três senóides defasadas de
120º elétricos uma da outra conforme Figura 3. A própria natureza da tensão, portanto,
causa o campo girante entre os pólos.
Figura 3 - Corrente alternada trifásica
Obviamente a velocidade com que esse campo gira e proporcional à freqüência
da rede elétrica. O fato é que sob carga temos uma forca contrária atuando no rotor,
afinal ele está movimentando uma carga mecânica. Isso cria um fenômeno chamado
escorregamento, ou seja, a velocidade do campo girante é sempre maior que a
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velocidade de rotação do rotor uma vez que ele esta sendo atrasado devido à forca
necessária para provocar tal movimento. Sendo assim quanto maior o torque exigido
no motor maior será o atraso em relação ao campo girante. Dai o nome motor
assíncrono.
Mesmo girando em vazio sem carga a própria massa do rotor e os atritos com
os rolamentos já provocam um torque resistente e uma conseqüente ”assincronia”
entre a velocidade do campo girante e o rotor. Bem, o fato é que há ”n” parâmetros a
serem considerados em um motor elétrico. Por hora vamos nos concentrar apenas em
dois deles: a velocidade de rotação e a potência. A velocidade do motor CA pode ser
calculada pela formula.
120. fnp
= (1.1)
onde:
n = velocidade de rotação em rpm;
f = freqüência da rede de alimentação;
p= numero de pólos;
Podemos concluir então que a velocidade é diretamente proporcional a
freqüência de alimentação e inversamente ao número de pólos. A fórmula, entretanto,
e válida apenas para o motor em vazio, ou seja, sem carga. A medida que colocamos
um torque resistente ao seu eixo sua velocidade tende a cair.
Uma das funções do inversor de freqüência é justamente impedir que isto
ocorra através de compensações. A potência elétrica do motor é o produto da tensão
de alimentação pela corrente e pelo fator de potência. Para um motor monofásico
teremos:
. .cosP U I ϕ= (1.2)
Para um motor trifásico:
3. . .cosP U I ϕ= (1.3)
O fator de potência é uma característica construtiva do motor e como não é o
foco deste capítulo, não abordaremos este assunto agora. De qualquer forma, este é
um dado que deve vir expresso no catálogo e até no próprio motor e seu valor médio
encontra-se entre 0,85 a 0,95 (sempre menor do que um).
A potência mecânica é o produto do seu torque (Newton x metro) pela
velocidade de rotação. Normalmente ela e expressa em HP. Para converter Watts em
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HP basta fazer uma regra de três sendo: 1 HP = 746W. Algumas vezes utiliza-se
também o CV e neste caso temos: 1 CV = 736W.
1.2. Sistemas de Partida Eletromecânica
É fato de que ainda hoje encontramos em campo vários sistemas de partida
que utilizam contatores como elementos chaveadores. Antes de iniciarmos nossos
estudos sobre soft-starters, vamos a uma prévia sobre eles.
1.2.1. Partida direta O primeiro e mais simples sistema é o de partida direta ilustrado na Figura 4.
Nele o motor é ligado de uma sé vez na rede elétrica. A corrente de partida pode
atingir mais de seis vezes a corrente nominal. Caso a carga mecânica tenha alta
inércia, este valor pode perdurar por vários segundos, até o motor atingir sua rotação
nominal. A rede elétrica bem como os equipamentos a ela ligados deve suportar esse
transiente. Para motores com potência acima de 3 CV (aproximadamente 2208 W)
isso não e uma tarefa fácil.
Figura 4 - Partida direta.
1.2.2. Partida estrela-triângulo A técnica da partida estrela-triângulo é simples e pode ser vista na Figura 5.
Trata-se de alterar o fechamento das bobinas internas do motor inicialmente em
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estrela (Y) para triangulo (Δ). Um relé temporizador é regulado de modo que o tempo
seja suficiente para vencer a inércia. O motor parte com tensão reduzida, uma vez que
ligado em estrela, a tensão em cada bobina é 3 vezes menor que a tensão da rede.
Após o tempo de partida, as bobinas são fechadas em triângulo (ou fechamento delta)
onde então toda a tensão é aplicada a cada conjunto de bobinas. Na verdade esse
sistema divide um grande pico de corrente de partida em dois menores, sendo um de
duas a três vezes a corrente nominal para partida em estrela e o segundo de mesma
magnitude para mudança de estrela para delta.
Figura 5 - Partida estrela-triângulo.
1.2.3. Partida com autotransformador A Figura 6 ilustra o esquema da partida com autotransformador. Nesse caso o
motor é ligado a um tap, que pode ser de 50%, 65% e 80% da tensão nominal da rede.
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Apos vencida a inércia, o motor é ligado diretamente. No instante da partida os
contatores K2 e K3 fecham-se, enquanto K permanece aberto. Desta maneira o motor
parte com tensão reduzida oriunda do tap. Apos a inércia da partida K2 e K3 abrem e
K1 liga o motor à rede. Essa transição pode ser feita manualmente, através de
botoeiras ou automaticamente com reles temporizadores.
Figura 6 - Partida com autotransformador
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2. SOFT-STARTER Com a redução do preço dos componentes estáticos de potência
(tiristores,SCRs, etc.) utilizar um sistema de partida suave para motores elétricos de
indução tornou-se uma alternativa mais econômica e eficaz.
O soft-starter é um equipamento eletrônico, dedicado a partida de motores
elétricos de indução e totalmente em estado sólido.
A filosofia de funcionamento do soft-starter é, assim como os sistemas
eletromecânicos, reduzir a tensão inicial de partida. Como o torque e proporcional a
corrente e essa a tensão, o motor parte com torque reduzido. A figura 7 mostra um
comparativo da corrente de partida entre as partidas direta, estrela - triângulo e soft-
starter.
Figura 7 - Comparativo da corrente entre partidas de motores de indução
A alimentação do motor, quando é colocado em funcionamento, é feita por
aumento progressivo da tensão, o que permite uma partida sem golpes e reduz o pico
de corrente. Isso é obtido por intermédio de um conversor com tiristores.
A subida progressiva da tensão pode ser controlada pela rampa de aceleração
ou depende da corrente de limitação ou ligada a esses dois parâmetros. Assim o soft-
starter assegura:
• O controle das características de funcionamento, principalmente os períodos
de partida e de parada;
• A proteção térmica do motor e do controlador;
• A proteção mecânica da máquina movimentada por supressão dos golpes e
redução das correntes de partida.
Geralmente as soft-starter’s têm ajuste de rampa de aceleração. Esse ajuste,
conforme podemos ver na Figuras 8 e 9, pode ser feito via potenciômetro ou IHM
(Interface Homem Máquina).
Figura 8 - Ajustes do soft-starter
Figura 9 - Ajustes do soft-starter pela IHM
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2.1. Princípio de Funcionamento
O princípio de funcionamento está baseado na utilização de SCR’s (tiristores)
na configuração antiparalelo, que é comandada por uma placa eletrônica de controle,
a fim de ajustar a tensão de saída conforme a programação feita pelo usuário.
Variando o ângulo de disparo do circuito de potência constituído por seis
SCR’s, variamos o valor eficaz de tensão aplicada ao motor.
Figura 10 - Forma de onda aplicada ao motor na partida.
Ao contrário do que muitos pensam nem todo soft-starter controla as três fases.
Vamos estudar três possibilidades.
2.1.1. Uma fase controlada Há modelos no mercado que controlam apenas uma das três fases na partida.
Com certeza esses modelos são mais baratos, porém, por razoes óbvias mais
limitados. A fase controlada, aliás, é de fato controlada apenas na janela de tempo de
partida. Quando o motor atinge a rotação nominal, o soft-starter funciona como um
contator, ligando-o diretamente a rede elétrica. A única função que permanece nessa
situação, é a de proteção térmica.
A Figura 11 ilustra nosso primeiro tipo onde apenas a fase R é controlada
através de um circuito que adianta ou atrasa o ângulo de disparo, e cujos pulsos de
disparo são enviados a um TRIAC. Notem que a medida que o tempo passa (inércia
sendo vencida) o ângulo de disparo vai diminuindo. Conforme o ângulo de disparo
reduz, o de condução aumenta, permitindo que uma maior parcela da senóide chegue
a carga. Então, com maior tensão temos maior corrente e consequentemente mais
torque.
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Figura 11 - Motor trifásico com uma faze controlada na partida
2.1.2. Duas fases controladas
Essa é a arquitetura mais popular no mercado. A Figura 12 ilustra como R e T
são controladas enquanto S vai direto a motor. O circuito de controle não foi mostrado,
pois é comum a esses modelos mudando apenas sua complexidade, em função do
número de pulsos de disparo necessário para cada arquitetura.
Figura 12 - Motor trifásico com duas fazes controladas na partida
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2.1.3. Três fases controladas A última e melhor arquitetura, onde as três fases R S e T são controladas, pode
ser vista na figura 13. Esse é o melhor soft-starter em termos de performance, uma
vez que temos o controle mais preciso e maior simetria entre as potências nas três
fases.
Figura 13 – Motor trifásico com três fases controladas.
2.2. Principais Funções da Soft-Starter
As chaves soft-starter também apresentam funções programáveis que
permitem configurar o sistema de acionamento de acordo com as necessidades do
usuário. O comando dos tiristores é feito por um microprocessador que fornece as
seguintes funções:
• Controle das rampas de aceleração e desaceleração;
• Limitação de corrente ajustável;
• Conjugado na partida;
• Frenagem por injeção de corrente contínua;
• Proteção do acionamento por sobrecarga;
• Proteção do motor contra aquecimentos devido a sobrecargas ou partidas
demasiadamente freqüentes;
• Detecção de desequilíbrio ou falta de fases e de defeitos nos tiristores;
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2.2.1. Rampa de tensão
As chaves de partida estáticas podem ser ajustadas de forma a ter uma tensão
inicial de partida adequada, responsável pelo torque inicial que aciona a carga. Ao
fazer o ajuste da tensão de partida num valor Vp e um temo de partida Tp, a tensão
cresce do valor Vp até atingir a tensão de linha do sistema, em um intervalo de tempo
Tp, também parametrizável.
Figura 14 - Rampa de aceleração da soft-starter
Quando ajustamos um valor de tempo de rampa e de tensão de partida, não
significa que o motor acelera de zero até a sua rotação nominal no tempo definido no
ajuste. Isso depende também das características dinâmicas do sistema motor/carga. O
valor de tensão e o tempo de rampa são valores ajustáveis dentro de uma faixa que
pode variar conforme o fabricante.
Não existe regra que possa ser aplicada para definir o valor de tempo a ser
ajustado e o melhor valor de tensão inicial para que o motor possa garantir a
aceleração de carga. O valor de tensão de partida deve ser ajustado de acordo com o
tipo de carga que é acionada.
Bombas Para esta aplicação, a tensão de partida não deve receber um ajuste elevado,
a fim de evitar o fenômeno de golpe de aríete, que se traduz pela pressão da coluna
de liquido durante os processos de partida e parada.
Ventiladores O valor da tensão de partida deve ser baixo o suficiente para permitir um torque
adequado a carga. O ajuste do tempo de partida não deve ser muito curto. Pode-se
usar limitação de corrente de partida para estender o tempo de partida.
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2.2.2. Pulsos de tensão de partida (kick start)
É uma função chamada de pulso de tensão de partida com um valor ajustável.
É aplicado em cargas de elevada inércia que, no momento da partida, exigem esforço
extra do acionamento em função do alto conjugado resistente. Na prática, o pulso de
tensão de partida deve ser ajustado entre 75% e 90% da tensão do sistema e o tempo
do pulso de tensão deve ser ajustado entre 100 e 300 milissegundos, dependendo do
tipo de carga a ser acionada. Essa função deve ser usada em casos em que ela seja
estritamente necessária, pois ao acionar a função pulso de tensão de partida, a
atuação da limitação de corrente de partida não ocorre.
Figura 15 - Pulso de tensão na partida.
2.2.3. Limitação de corrente
Na maioria dos casos em que a carga apresenta uma inércia elevada, é
utilizada essa função, que faz com que o sistema rede/soft-starter forneça ao motor
somente a corrente necessária para que seja executada a aceleração da carga. Esse
recurso garante um acionamento realmente suave. A limitação de corrente também é
muito utilizada na partida de motores cuja carga apresenta um valor mais elevado de
inércia.
2.2.4. Rampa de tensão na desaceleração
A parada do motor pode ser por inércia, onde o soft-starter leva a tensão de
saída a zero, como também por parada suave. Na parada controlada, a soft-starter
reduz gradualmente a tensão na saída até um valor mínimo em um tempo predefinido.
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Figura 16 - Rampa de tensão de desaceleração.
2.3. Proteções
Além da partida de motores os soft-starter’s também podem garantir ao motor a
proteção necessária. Assim, quando uma proteção atua, é emitida uma mensagem de
erro correspondente para permitir ao usuário visualizar o ocorrido.
2.3.1. Sobrecorrente imediata na saída Ajusta o máximo valor de corrente que a soft-starter permite conduzir para o
motor por período de tempo pré-ajustado.
Figura 17 - Sobrecorrente imediata na saída.
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2.3.2. Subcorrente imediata Ajusta o mínimo valor de corrente que o soft-starter permite conduzir para o
motor por período de tempo pré-ajustado. Essa função é utilizada para proteção de
cargas que não possam operar em vazio, como por exemplo, sistemas de
bombeamento.
Figura 18 - Subcorrente imediata
2.3.3. Outros parâmetros Além dos parâmetros já citados, a soft-starter possui diversas proteções,
dependendo do fabricante do equipamento, como por exemplo: sobre temperatura dos
tiristores, seqüência de fase invertida, falta de fase na rede, falta de fase no motor, etc.
2.4. Descrição dos Parâmetros
Os parâmetros são agrupados de acordo com as suas características e
particularidades, conforme apresentados em seguida:
Parâmetros de leitura: variáveis que podem ser visualizadas no display, mas
não podem ser alteradas pelo usuário, como por exemplo: tensão, corrente, potência
ativa, etc.
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Parâmetros de regulação: são os valores ajustáveis a serem utilizados pelas
funções da soft-starter, como por exemplo: tensão inicial, tempo de rampa de
aceleração, tempo de rampa de desaceleração.
Parâmetros de configuração: definem as características da soft-starter, as
funções as serem executadas, bem como as estradas e saídas, como por exemplo:
parâmetros de relés de saída e das entradas da soft-starter.
Parâmetros do motor: define as características nominais do motor, como por
exemplo: ajuste da corrente do motor, fator de serviço.
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3. INVERSOR DE FREQÜÊNCIA
3.1. Introdução
A algum anos, para se ter um controle preciso de velocidade eram utilizados
motores de corrente contínua. Entretanto, isso acarretava em diversos problemas
como custo do motor, necessidade de retificação da tensão e manutenção. Com os
avanços da eletrônica de potência e com as necessidades de aumento de produção
surgiu uma série de equipamento na área de automação.
O inversor de freqüência é um dos equipamentos. Versátil e dinâmico que
permitiu o uso de motores de indução para controle de velocidade em substituição aos
motores de corrente contínua.
3.2. Princípio de Funcionamento do Inversor de Freqüência
O método mais eficiente de controle de velocidade de motores de indução
trifásicos, com menos perdas no dispositivo responsável pela variação da velocidade
consiste na variação da freqüência da fonte alimentadora através de conversores de
freqüência.
O inversor de freqüência também chamado por alguns fabricantes de conversor
de freqüência é um equipamento capaz de controlar a velocidade e torque de motores
de corrente alternada. Esse equipamento pode ter várias filosofias de controle e várias
potências. Nesse capítulo vamos falar de inversor mais básico conhecido como
inversor de freqüência escalar.
Independentemente do fabricante e até modelo, a estrutura básica do inversor
é a mesma, conforme ilustra a Figura 19. O que muda significativamente de um tipo
para outro é a filosofia de controle.
Figura 19 - Estrutura básica de um inversor de freqüência trifásico
Podemos notar que a rede AC é retificada logo na entrada. Através de um
capacitor (filtro) forma-se um barramento de tensão contínua (barramento DC) ou
circuito intermediário. A tensão DC pode chegar a 380 Vcc para redes trifásicas de
220VCA ( 220 3 ) e até 660 Vcc (380 3 ) para redes de 380VCA, alimenta seis
IGBT’s (transistor bipolar de gate isolado).
Os IGBT’s são chaveados três a três formando uma tensão alternada na saída
U,V e W defasadas de 120º elétricos exatamente como a rede. A única diferença e
que ao invés de uma senóides temos uma forma de onda quadrada. Portanto o motor
elétrico AC alimentado por um inversor tem em seus terminais uma onda quadrada de
tensão. Conforme veremos, isso não afeta muita sua performance.
”Mas como uma tensão DC pode tornar-se AC?” Nada melhor que um exemplo
prático para responder esta questão. Embora a grande maioria dos inversores de
freqüência encontrados no mercado sejam trifásicos, para fins didáticos, nós
utilizaremos um modelo monofásico. “Afinal, o que é corrente alternada?” A corrente
alternada é uma corrente que muda de sentido periodicamente. Ou seja, hora vai do
positivo para o negativo, hora ao contrário.
A Figura 20 ilustra um diagrama de blocos de um inversor monofásico. A
diferença para o trifásico, é que ele possui apenas quatro transistores “chaveadores”
na saída. Mas o principio de funcionamento é o mesmo.
O funcionamento é simples: a tensão da rede é retificada e filtrada formando
um barramento DC. De um lado da ponte de transistores temos um pólo positivo e do
outro negativo. Imaginem que a lógica de controle representada agora como apenas
um bloco envie pulsos de disparo para os transistores na seguinte ordem: hora TR1 e
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TR4 conduzem ficando TR2 e TR3 em corte; ora TR2 e TR3 em condução e TR1 e
TR4 no corte, conforme mostra figura 11.
Figura 20 - Condução dos transistores
Reparem que no primeiro comando a corrente circula pelo motor no sentido de
A para B. Já na segunda situação a corrente circula no sentido oposto, ou seja, de B
para A. Esta feita uma corrente alternada através de um barramento DC. O mesmo
vale para circuitos trifásicos, basta a lógica de controle obedecer a uma seqüência
correta de disparo. Em circuitos trifásicos os transistores são disparados três a três
sendo sempre dois na parte superior da ponte de IGBT’s e um na inferior e vice-versa.
O circuito que comanda os IGBT’s é o elemento responsável pela geração dos
pulsos de controle dos transistores de potência. Atuando sobre a taxa de variação do
chaveamento dos transistores, controla-se a tensão e freqüência do sinal gerado. Isso
permite ao conversor até ultrapassar a freqüência da rede. O método de modulação
PWM (Pulse With Modulation) fornece ao motor uma corrente senoidal a partir de
chaveamentos na faixa de 2KHz.
Figura 21 - Modulação PWM
3.2.1. Modulação PWM
Agora que já temos uma boa idéia do motor de corrente alternada vamos a
outro conceito fundamental para entendermos o inversor: a técnica de PWM, que
significa ”pulse width modulation”. Se traduzirmos a sigla PWM para português temos
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”modulação por largura de pulso”. Ela é uma técnica de controle de potência, tensão
ou corrente através da largura do pulso de excitação, oriundos dos sistemas de
controle. Esse controle e feito através do seu ciclo de trabalho (Duty Cycle). O ciclo de
trabalho é uma característica de um sinal quadrado, que representa a porcentagem
ativa do seu período.
Podemos entender melhor o processo através da Figura 22. Nela notamos três
sinais cuja forma de onda é quadrada. A amplitude dos três também é a mesma, igual
a 5 Vcc. Como os três têm mesmo período então a freqüência tem o mesmo valor para
todos (f =1/T ).
Se os sinais têm a mesma forma de onda, mesma amplitude e mesma
freqüência, qual a diferença entre eles? O ciclo de trabalho.
Figura 22 - Ciclo de trabalho
O primeiro sinal tem o seu ciclo divido em duas partes iguais: metade ”ativa” e
metade ”desativada”. Nesse caso temos um ciclo de trabalho de 50% ou 0,5. Já na
segunda situação apenas 30% do total do período esta em ”ON”, portanto temos um
ciclo de trabalho igual a 30%. E finalmente na terceira situação um ciclo de 70%.
”E para que isso serve?”. Podemos controlar a tensão sob uma carga através
desta técnica. Imaginem ainda, com base no exemplo anterior, que o sinal de ciclo de
trabalho de 50% fosse aplicado a uma lâmpada, o de 30% em outra e o de 70% em
uma terceira (todas com as mesmas características). A primeira lâmpada teria um
brilho médio, a segunda pouco brilho e a terceira seria a mais brilhante.
Como isso aconteceu se não variamos a amplitude? A resposta a esta
pergunta é justamente a razão de ser da técnica de controle da potência através da
largura de pulso e não da amplitude. Em outras palavras, variamos sim a tensão, mas
a eficaz e não a tensão da fonte de alimentação. Esta permanece invariável. Com a
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técnica de PWM então podemos alterar a tensão eficaz na carga sem alterar a tensão
na fonte.
Como isto pode ser feito na prática? A Figura 23 mostra um amplificador
operacional em malha aberta (sem realimentação). Desta maneira ele se comporta
como um comparador de tensão. Em sua saída como o ganho é infinito, ou temos toda
a tensão da fonte (+ Vcc) ou nada (0 Volt terra).
Depende apenas de qual sinal tem maior amplitude em determinado momento.
Conforme se pode observar tem-se um sinal dente de serra na entrada inversora e um
sinal perfeitamente contínuo fixo na entrada não inversora (também conhecida como
entrada de referencia).
Figura 23 - Técnica PWM
O resultado é que entre to e t1 a tensão na entrada não inversora é maior que
a inversora levando a saída do AmpOp para saturação (+ Vcc). Já entre t1 e t2 a
tensão dente de serra supera a referencia levando agora a saída a zero Volt. Ou seja,
a saída do circuito é função da comparação entre os sinais e a largura do pulso
depende do nível da tensão CC de referência.
Na Figura 24 aumentou-se o valor da entrada não inversora e
consequentemente a largura do pulso também, uma vez que se modificou o ponto de
intersecção entre o sinal dente de serra e o de referência.
Figura 24 - Modulação PWM
24
Se for mantida a inclinação da rampa de subida do sinal dente de serra, pode-
se controlar a largura do pulso de saída através de uma tensão CC de referência. A
Figura 25 mostra uma sugestão de como isto pode ser feito utilizando dois CI’s bem
famosos: o 555 e o 741. É fato que este PWM não é tão preciso, visto que a forma
dente de serra no 555 é um pouco diferente de uma rampa, porém funciona bem para
aplicações não criticas. Os valores de C1, RA e RB dependem da freqüência de PWM
desejada. Apenas como parâmetro para fontes chaveadas ela varia de 20 kHz a 50
khz. Já para inversores, de 25 kHz a 16 Khz.
Figura 25 - Exemplo de circuito PWM
Desde meados da década de 60, os conversores de freqüência tem passado
por várias e rápidas mudanças, principalmente pelo desenvolvimento da tecnologia
dos microprocessadores e semicondutores e a redução dos seus preços. Entretanto,
os princípios básicos dos conversores de freqüência continuam o mesmo.
3.3. Curva Tensão/Freqüência Para os leitores que estão se perguntando: ”Por que tive que ler toda uma
teoria sobre PWM?” Chegou a hora da resposta.
O inversor que estamos analisando é denominado ”escalar”. Há um outro tipo
para aplicações mais criticas onde a precisão e alto torque em velocidades muito
baixas são necessários, chamado “vetorial”.
25
Para que o torque se mantenha constante diante de uma variação de carga no
eixo do motor, a razão tensão pela freqüência de alimentação também deve
permanecer constante. Por exemplo: Imaginem que um motor AC está sendo
acionado com 200 Vca em 60 Hz. Se dividirmos tensão pela freqüência (V /f) teremos:
220/60 = 3,7(aproximadamente). Esta então é a constante V/f.
Pois bem, vamos supor que façamos uma redução de velocidade proporcional
a 15 Hz. Para que não haja variação no torque, a tensão deve ser reduzida na mesma
proporção a fim de manter V/f constante. Assim a nova tensão será:
3,7 55,515V V V= ⇒ = ca
Pode parecer estranho ter que reduzir a tensão para manter constante o
torque. A Figura 25 mostra um exemplo de curva V/f na qual podemos observar que
na pratica há limites para se manter o torque constante. No exemplo o torque e
constante apenas entre os pontos A e B. Para freqüências menores que 5 Hz o motor
nem gira, pois não há tensão suficiente para fazê-lo. Já para freqüências acima de 60
Hz a tensão de alimentação nominal permanece constante mesmo se aumentarmos a
freqüência.
Embora seja possível aumentar a velocidade do motor, seu torque sofrerá
alterações segundo a variação de carga. Resumindo, fora da região limitada pelos
pontos A e B o torque não pode ser considerado constante.
Figura 26 - Curva V/f
A função do inversor escalar é tentar manter a curva V/f o mais invariável
possível. Como a tensão no barramento DC é fixa a única forma de aumentarmos ou
reduzirmos a tensão de alimentação do motor segundo uma variação na freqüência é
através da técnica de PWM. Lembre-se: A largura do pulso pode controlar a tensão
eficaz na carga sem alterar a tensão da fonte.
Quando é solicitado um aumento de velocidade (freqüência) a largura do pulso
de saída e aumentada de forma a manter V/f invariável. Já quando reduzimos a
freqüência, a largura do pulso e reduzida pela mesma razão.
26
3.4. Blocos do Inversor de Freqüência
Figura 27 - Diagramas de blocos do inversor de freqüência
3.4.1. 1º Bloco - CPU
A CPU (Unidade Central de Processamento) de um inversor de freqüência
pode ser formada por um microprocessador ou por um microcontrolador. Isso depende
apenas do fabricante. De qualquer forma, é nesse bloco que todas as informações
(parâmetros e dados do sistema) estão armazenadas, visto que também uma memória
está integrada a esse conjunto. A CPU não apenas armazena os dados e parâmetros
relativos ao equipamento, como também executa a função mais vital para o
funcionamento do inversor: geração dos pulsos de disparo, por meio de uma lógica de
controle coerente para os IGBT's.
3.4.2. 2º Bloco - IHM
O segundo bloco é a IHM (Interface Homem Máquina). E através desse
dispositivo que podemos visualizar o que está ocorrendo no inversor (display) e
27
parametrizá-lo de acordo com a aplicação (teclas). Na figura 28, temos um detalhe da
IHM de um inversor CFW 08 Plus.
Figura 28 - IHM de um inversor CFW-08 WEG.
Com essa IHM podemos visualizar diferentes grandezas do motor, como:
tensão, corrente, freqüência, status de alarme, entre outras funções. É também
possível visualizar o sentido de giro, verificar o modo de operação (local ou remoto),
ligar ou desligar o inversor, variar a velocidade, alterar parâmetros e outras funções.
3.4.3. 3° Bloco – Interfaces
A maioria dos inversores pode ser comandada por dois tipos de sinais:
analógicos ou digitais. Normalmente, quando queremos controlar a velocidade de
rotação de um motor AC no inversor, utilizamos uma tensão analógica de comando.
Essa tensão se situa entre 0 a 10 Vcc. A velocidade de rotação (RPM) é proporcional
ao seu valor, por exemplo: 1 Vcc = 1000 RPM, 2Vcc = 2000 RPM.
Para inverter o sentido de rotação, basta inverter a polaridade do sinal
analógico (de 0 a 10 Vcc sentido horário e -10 a 0 Vcc sentido anti-horário). Este é o
sistema mais utilizado em máquinas e ferramentas automáticas, sendo que a tensão
analógica de controle é proveniente do controle numérico computadorizado (CNC).
Além da interface analógica, o inversor possui entradas digitais. Com um
parâmetro de programação, podemos selecionar a entrada válida (analógica ou
digital).
3.4.4. 4º Bloco - Etapa de potência
A etapa de potência é constituída por um circuito retificador, que alimenta
(através de um circuito intermediário denominado "barramento DC") o circuito de saída
inversor (módulo IGBT).
28
3.5. Sistemas de Entrada e Saída de Dados O sistema de entrada e saída de dados é composto por dispositivos
responsáveis pela interligação entre o homem e a máquina. São dispositivos por onde
o homem pode introduzir informações na máquina ou por onde a máquina pode enviar
informações ao homem. Para os conversores de freqüência, podemos citar os
seguintes dispositivos:
3.5.1. Interface homem máquina (IHM)
É um dispositivo de entrada/saída de dados, em que o operador pode entrar
com os valores dos parâmetros de operação do conversor, como: ajuste de
velocidade, tempo de aceleração/ desaceleração etc. Também pode ter acesso aos
dados de operação do conversor, como: velocidade do motor, corrente, indicação de
erro, etc.
3.5.2. Entradas e saídas analógicas
São os meios de controlar e ou monitorar o conversor através de sinais
eletrônicos analógicos, isto é, sinais em tensão (0 a 10 Vcc) ou em corrente (0 a 20
mA, 4 a 20 mA) e que permitem basicamente fazer o controle de velocidade (entrada)
e leituras de corrente ou velocidade (saída).
3.5.3. Entradas e saídas digitais
São os meios de controlar e ou monitorar o conversor através de sinais digitais
discretos, como chaves liga/desliga. Esse tipo de controle permite basicamente ter
acesso a funções simples, como: seleção de sentido de rotação, bloqueio, seleção de
velocidades, etc.
3.5.4. Interface de comunicação serial
29
Esse meio de comunicação permite que o conversor seja controlado ou
monitorado a distância por um computador central. Essa comunicação é executada
por pares de fios, podendo ser conectados vários conversores a um computador
central ou operado por CLP, por redes industriais (fieldbus, modbus, profibus), RS-
232 ou RS-485, entre outras. O conversor de freqüência permite o acionamento de
motores de indução com freqüências de 1 a 60 Hz com um torque constante, sem
aquecimentos anormais nem vibrações fora de ordem. Também possui outras
vantagens que estão enumeradas a seguir:
• Rendimento de 90% em toda a faixa de velocidade;
• Fator de potência de aproximadamente 96%;
• Acionamento de cargas de torque constante ou variável;
• Faixa de variação de velocidade;
• Partida e desligamento suave (rampa).
3.6. Formas de Variação de Velocidade em um Inversor de Freqüência
A principal função de um conversor de freqüência é a variação de velocidade
em um motor elétrico. Existem algumas formas de promover essa variação de
velocidade. A seguir, estão enumeradas as principais maneiras de realizar essa
variação de velocidade pelo inversor de freqüência:
3.6.1. Acionamento pela IHM Uma das maneiras de realizar o controle de velocidade de um inversor de
freqüência é o acionamento pelas teclas da IHM. Para tal, deve-se colocar o inversor
em modo local, e pelo teclado, pode-se incrementar e decrementar a velocidade do
motor localmente, bem como inverter o sentido de giro do motor.
3.6.2. Acionamento pelas entradas digitais Em uma aplicação industrial, torna-se inviável o acionamento de um inversor
localmente direto nas teclas de sua IHM. Assim, a grande maioria das aplicações com
inversores de freqüência é realizada por meio de comandos remotos. Para isso, deve-
se colocar o inversor em modo de acionamento remoto e, por meio de botões
externos, acionar ou desativar o motor e ainda inverter o seu sentido de giro.
30
3.6.3. Acionamento pela função multispeed O multispeed é utilizado quando se deseja até oito velocidades fixas pré-
programadas. Permite o controle da velocidade de saída relacionando os valores
definidos por parâmetros, conforme a combinação lógica das entradas digitais
programadas para multispeed. Para a ativação da função multispeed, primeiramente é
preciso fazer com que a fonte de referência seja dada pela função multispeed, colocar
o inversor em modo remoto e programar uma ou mais entradas digitais para
multispeed, conforme tabela apresentada em seguida:
Tabela 1 - Variação de velocidade com a função multispeed. D12 D13 D14 Ref. de freqüência
Aberta Aberta Aberta P124
Aberta Aberta 0V P125
Aberta 0V Aberta P126
Aberta 0V 0V P127
0V Aberta Aberta P128
0V Aberta 0V P129
0V 0V Aberta P130
0V 0V 0V P131
A função multispeed tem como vantagem a estabilidade das referencias pré-
programadas e também garante a imunidade contra ruídos elétricos. A figura seguinte
exibe um gráfico aplicado ao inversor CFW 08 WEG.
Figura 29 - Gráfico da variação de velocidade pelo comando multispeed
31
3.6.4. Acionamento pelas entradas analógicas Em muitas aplicações industriais, deseja-se um controle da velocidade do
motor desde 0% a 100%. Como vimos anteriormente, esse controle não é possível se
utilizarmos entradas digitais. Para efetuarmos esse tipo de controle, pode-se trabalhar
com as entradas analógicas do inversor por meio de sinais de tensão (0 a 10 Vcc) ou
de sinais de corrente (4 a 20 mA). Esse acionamento pode ser realizado de duas
maneiras:
Pelo potenciômetro: o inversor de freqüência possui em seus bornes uma
fonte de 10Vcc, assim, pode-se conectar um potenciômetro na configuração de divisor
de tensão para aplicar uma tensão variável de 0 a 10 Vcc.
Pela fonte de tensão ou corrente externas: esse tipo de configuração é um
dos mais utilizados quando se quer controlar a velocidade do inversor remotamente. O
fornecimento de tensão ou corrente é feito por um controlador externo, como um
controlador lógico programável (CLP) ou um controlador industrial.
3.7. Como Instalar Um Inversor de Freqüência A única regra comum a todos os modelos e aplicações é tomar cuidado para
não confundir os bornes de entrada de energia (R, S e T); com a saída para o motor
(U, V e W). Com exceção desta regra o restante da instalação dependerá do modelo e
da aplicação. Para concretizar melhor a idéia vamos a um exemplo prático no qual
utilizamos um inversor da WEG modelo CFW 08.
Podemos notar através da figura 30 que temos três conexões, sendo dois
barramentos (o de potência e o de comando) e um ponto de aterramento. A Figura 31
detalha o barramento de potência. Vejam que os pontos de entrada e saída estão bem
definidos. Jamais os inverta isto, é fatal para o dispositivo.
Figura 30 - Inversor WEG CFW 08
32
Figura 31 - Inversor CFW 08- barramento de potência
Uma vez conectada a rede e a saída para o motor, temos o barramento de
comando. É justamente nessa parte que podemos encontrar muitas variações, porém,
de posse do manual do fabricante e do projeto tudo fica fácil. A Figura 32 mostra a
tabela descritiva da função de cada borne no conector de controle (Xc1) deste
inversor.
Na Figura 33 temos um exemplo de acionamento por controle remoto (distante
do aparelho). A chave S1 controla o sentido de giro do inversor (horário / anti-horário).
A chave S2 é o Reset. A chave S3 comanda parar / girar; e a R1 é um potenciômetro
que ajusta a velocidade do motor através de uma tensão DC de controle. Esta tensão,
aliás, é típica e varia de 0 a 10 Vcc.
Figura 32 - Bornes do conector XC
33
Figura 33 - Exemplo 1 de conexão
A Figura 34 mostra outro exemplo. Agora S1 liga o motor S2 desliga e S3
comanda o sentido de giro. A Figura 35 ilustra outra possibilidade sendo: S1 aberta =
parar, S1 fechada = avanço, S2 aberta = parar, S2 fechada = retorno. Enfim temos n
modos de se ligar o comando de um inversor.
Finalmente a Figura 36 nos mostra uma instalação genérica e seus devidos
cuidados como filtro de linha e aterramento.
Figura 34 - Exemplo 2 de conexão
34
Figura 35 - Exemplo 3 de conexão
Figura 36 - Exemplo de conexão genérica
3.7.1. Regras para a Instalação do Inversor de Freqüência 1. Cuidado! Não há inversor no mundo que resista à ligação invertida de entrada da
rede elétrica (trifásica ou monofásica), com a saída trifásica para o motor.
2. O aterramento elétrico deve estar bem conectado, tanto ao inversor como ao motor.
O valor do aterramento nunca deve ser maior que 5Ω (norma IEC536), e isso pode ser
facilmente comprovado com um terrômetro, antes da instalação.
35
3. Caso o inversor possua uma interface de comunicação (RS 232, ou RS 485) para o
PC, o tamanho do cabo deve ser o menor possível.
4. Devemos evitar ao máximo, misturar em um mesmo eletroduto ou canaleta, cabos
de potência (rede elétrica, ou saída para o motor) com cabos de comando (sinais
analógicos, digitais, RS 232).
5. O inversor deve estar alojado próximo a orifícios de ventilação, ou, caso a potência
seja muito alta, deve estar submetido a uma ventilação ou exaustão. Alguns inversores
já possuem um pequeno exaustor interno.
6. A rede elétrica deve ser confiável, isto é, jamais ultrapassar variações de +ou- 10%
em sua amplitude.
7. Sempre que possível, utilizar os cabos de comando devidamente blindados.
8. Os equipamentos de controle (PLC, CNC, PC) que funcionarem em conjunto com o
inversor, devem possuir o terra em comum. Normalmente, esse terminal vem indicado
pela referência PE (proteção elétrica), e sua cor é amarela e verde (ou apenas verde).
9. Utilizar sempre parafusos e arruelas adequadas para garantir uma boa fixação ao
painel. Isso evitará vibrações mecânicas. Além disso, muitos inversores utilizam o
próprio painel em que são fixados como dissipador de calor. Uma fixação pobre, nesse
caso, causará um aquecimento excessivo (e possivelmente sua queima).
10. Caso haja contatores e bobinas agregadas ao funcionamento do inversor,
recomenda-se utilizar sempre supressores de ruídos elétricos (circuitos RC para
bobinas AC, e diodos para bobinas DC). Essas precauções não visam apenas
melhorar o funcionamento do inversor, mas evitar que ele interfira em outros
equipamentos ao seu redor. O inversor de freqüência é, infelizmente, um grande
gerador de EMI (interferências eletromagnéticas) e, caso não o instalarmos de acordo
com as orientações acima, poderemos prejudicar toda a máquina (ou sistema) ao seu
redor. Basta dizer que, para um equipamento atender o mercado europeu, a
certificação CE (Comunidade Européia) exige que a emissão eletromagnética chegue
a níveis baixíssimos (norma IEC 22G - WG4 (CV) 21).
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3.8. Parametrizando um Inversor de Freqüência
Cada borne para se tornar ativo ou não deve ser parametrizado (programado).
Se o inversor não for informado através de um parâmetro que a velocidade de rotação
do motor deve ser controlada através de 0 a 10 Vcc no borne 6, por exemplo, o
equipamento obedecerá ao comando local da IHM (Interface Homem Máquina) no
painel, visto que esta á a programação “default” (de fábrica). Portanto além de
instalado o inversor deve ser “programado” (parametrizado de acordo com cada
aplicação específica).
Consultando o manual do aparelho o leitor poderá confirmar como esta tarefa é
simples de ser feita. Entretanto é difícil discorrer sobre este assunto em um único
capítulo pois cada fabricante tem sua própria lógica. Se servir de consolo entender
como se faz a parametrização de um inversor, na grande maioria dos casos e mais
fácil do que programar um vídeo cassete. Basta ler o manual com atenção.
3.9. Dimensionamento
Como posso saber: qual é o modelo, tipo, e potência do inversor para a minha
aplicação?
Bem, vamos responder a essa pergunta em três etapas:
3.9.1. Capacidade do inversor
Para definirmos o “tamanho” do inversor temos de saber qual a corrente do
motor e qual carga ele acionará. Normalmente se escolhe um inversor com uma
capacidade de corrente igual ou um pouco superior à corrente nominal do motor.
Exceto em aplicações severas onde o número de partidas é muito grande ou tem que
trabalhar muitas horas ininterruptas. A tensão, tanto do inversor quanto do motor deve
ser igual a da rede de alimentação.
3.9.2. Tipo de inversor
A maioria dos inversores utilizados é do tipo escalar. Só utiliza-se o tipo vetorial
em duas ocasiões: extrema precisão de rotação, torque elevado para rotação baixa ou
zero (ex: guindaste, pontes rolantes, elevadores).
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3.9.3. Modelo e fabricante
Para escolher o modelo, basta consultarmos os catálogos dos fabricantes, e
procurar um que atenda as seguintes características mínimas necessárias.
Quanto ao fabricante, o preço e qualidade desejada devem determinar a
escolha. Apenas como referência ao leitor os mais encontrados na indústria são:
Siemens, Weg, Telemecanique, Allen Bradley, ABB, Cuttler Hammer e Danfoss.
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4. SOFT-STARTER X INVERSOR DE FREQÜÊNCIA Não confunda soft-starter com inversor de freqüência. São equipamentos com
estrutura e funcionalidade distintas. Enquanto o inversor é projetado para controlar a
velocidade e torque do motor ao longo do seu funcionamento o soft-starter é capaz
apenas de controlar sua partida e sua frenagem. É fato que, para motores pequenos
(menos de 3 CV) um inversor de freqüência pode até assemelhar-se em custo a um
soft-starter e, portanto, mostrar-se como uma vantagem a medida que também pode
oferecer uma rampa de partida e frenagem. Essa relação, entretanto, desaparece
quando tratamos de motores com maior potência. Comparem por exemplo o preço de
um soft-starter com potência de 50 CV e um inversor de freqüência de 50 CV.
Resumindo temos que os sistemas de partida suave (soft-starters) são
equipamentos eletrônicos destinados à partida e frenagem de motores elétricos de
indução. Eles variam em arquitetura (número de fases controladas) e em recursos
(presença ou não de IHM). Sua técnica de operação é reduzir a tensão da rede e
dessa forma reduzir o torque inicial até que a inércia do motor mais a carga mecânica
sejam vencidas. Ele não deve ser confundido com o inversor de freqüência uma vez
que sua estrutura função e custo são diferentes. Sua instalação assemelha-se a um
contator, papel que exerce apos a rotação nominal do motor.
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