apostila - inversor

7/22/2019 APOSTILA - INVERSOR

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Inversor de Freqncia

Descrio do Funcionamento.Atualmente, a necessidade de aumento de produo e diminuio de custos, se fez

dentro deste cenrio surgir a automao, ainda em fase inicial no Brasil, com isto umagrande infinidade de equipamentos foram desenvolvidos para as mais diversas variedadesde aplicaes e setores industriais, um dos equipamentos mais utilizados nestes processosconjuntamente com o CLP o Inversor de Freqncia, um equipamento verstil edinmico,vamos expor agora o princpio bsico do inversor de freqncia.Um inversor de frequncia um dispositivo capaz de gerar uma tenso e freqnciatrifsicas ajustveis, com a finalidade de controlar a velocidade de um motor de induotrifsico.A figura abaixo mostra resumidamente o diagrama em blocos de um inversor de freqnciaescalar:

Seo RetificadoraOs seis diodos retificadores situados no circuito de entrada do inversor, retificam a tensotrifsica da rede de entrada (L1, L2 e L3). A tenso DC resultante filtrada pelo capacitor

C e utilizada como entrada para a Seo Inversora.

Seo Inversora Na seo inversora, a tenso retificada DC novamente convertida emTrifsica AC. Os transistores chaveiam vrias vezes por ciclo, gerando um trem de pulsoscom largura varivel senoidalmente (PWM). Esta sada de tenso pulsada, sendo aplicadaem um motor (carga indutiva), ir gerar uma forma de onda de corrente bem prxima dasenoidal atravs do enrolamento do motor.

Abaixo, a forma de onda na sada do inversor


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Blocos do inversor

1 bloco - CPU

A CPU (unidade central de processamento) de um inversor de freqncia pode ser formadapor um micro processador ou por um micro controlador (PLC). Isso depende apenas do

fabricante. De qualquer forma, nesse bloco que todas as informaes (parmetros e dadosdo sistema) esto armazenadas, visto que tambm uma memria est integrada a esseconjunto. A CPU no apenas armazena os dados e parmetros relativos ao equipamentos,como tambm executa a funo mais vital para o funcionamento do inversor: Gerao dospulsos de disparo, atravs de uma lgica de controle coerente, para os IGBTs.

2 Bloco - IHM

O segundo bloco o IHM (interface Homem mquina). atravs desse dispositivo quepodemos visualizar o que est ocorrendo no inversor (display), e parametriz-lo de acordocom a aplicao (teclas).

3Bloco - Interfaces

A maioria dos inversores pode ser comandada atravs de dois tipos de sinais: Analgicosou digitais. Normalmente, quando queremos controlar a velocidade de rotao de um motorAC no inversor, utilizamos uma tenso analgica de comando. Essa tenso se situa entre 0 10 Vcc. A velocidade de rotao (RPM) ser proporcional ao seu valor, por exemplo:

1 Vcc = 1000 RPM, 2Vcc = 2000 RPM.Para inverter o sentido de rotao basta inverter a polaridade do sinal analgico (de 0

10 Vcc sentido horrio, e 10 0 Vcc sentido anti-horrio). Esse sistema mais utilizadosem maquinas-ferramenta automticas, sendo que a tenso analgica de controle proveniente do controle numrico computadorizado (CNC).Alm da interface analgica, o inversor possui entradas digitais. Atravs de um parmetrode programao, podemos selecionar qual entrada vlida (Analgica ou digital).

4 Bloco Etapa de potncia

A etapa de potncia constituda por um circuito retificador, que alimenta ( atravs de umcircuito intermedirio chamado barramento DC), o circuito de sada inversor (mduloIGBT).

Converso DC/AC

Atravs do chaveamento de transistores em um circuito trifsico, vamos fazer uma"prvia", em um circuito monofsico. Observem a figura abaixo, e notem que a estrutura deum inversor trifsico praticamente igual ao nosso modelo monofsico. A primeira etapa o mdulo de retificao e filtragem, que gera uma tenso DC fixa (barramento DC) e quealimenta os transistores IGBT's.


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Imaginem agora que o circuito de lgica de controle ligue os transistores 2 a 2 na seguinteordem: Primeiro tempo- transistores Tl e T4 ligados, e T3 e T2 desligados. Nesse caso, a correntecircula no sentido de A para B (figura abaixo):

Segundo tempo- transistores T1 e T4 desligados, e T3 e T 2 ligados. Nesse caso, acorrente circula no sentido de B para A (figura abaixo).

Ao inverter-se o sentido de corrente, a tenso na carga (motor) passa a ser alternada,mesmo estando conectada a uma fonte DC. Caso aumentemos a frequncia de chaveamentodesses transstores, tambm aumentaremos a velocidade de rotao do motor, e vice-versa.Como os transstores operam como chaves (corte ou saturao), a forma de onda de tensode sada do inversor de frequncia sempre quadrada. Na prtica, os transstores chaveiammodulando largura de pulso (PWM), como visto na apostila passada, afim de se obter umaforma de onda de tenso mais prxima da senoidal.Raramente encontramos aplicaes monofsicas nas indstrias. A maioria dos inversoresso trifsicos, portanto, faamos outra analogia de funcionamento, tomando como baseainda o inversor trifsico da figura da apostila. A lgica de controle agora precisa distribuir


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os pulsos de disparos pelos 6 IGBT's, de modo a formar uma tenso de sada (emboraquadrada) alternada e defasada de 120 uma da outra.Como temos 6 transistores, e devemos lig-los 3 a 3, temos 8 combinaes possveis,porm apenas 6 sero vlidas, conforme veremos a seguir. Na figura abaixo, representamosos IGBT's como chaves, pois em um inversor assim que eles funcionam.

Curva V/FComo vimos anteriormente, se variarmos a freqncia da tenso de sada no inversor,alteramos na mesma proporo, a velocidade de rotao do motor.Normalmente, a faixa de variao de freqncia dos inversores fica entre 0,5 e 400 Hz,dependendo da marca e modelo. (Obs: para trabalhar em freqncias muito altas, o motordeve ser preparado).A funo do inversor de freqncia, entretanto, no apenas controlar a velocidade de ummotor AC. Ele precisa manter o torque (conjugado) constante para no provocar alteraesna rotao quando o motor estiver com carga.Um exemplo clssico desse problema em uma mquina operatriz. Imaginem um inversorcontrolando a velocidade de rotao de uma placa (parte da mquina onde a pea a serusinada fixada) de um torno. Quando introduzimos a ferramenta de corte, uma cargamecnica imposta ao motor, que deve manter a rotao constante. Caso a rotao sealtere, a pea pode apresentar um mau acabamento de usinagem.Para que esse torque realmente fique constante, por sua vez, o inversor deve manter a razoV/F (Tenso Frequncia) constante. Isto , caso haja mudana de frequncia, ele devemudar (na mesma proporo) a tenso, para que a razo se mantenha, como por exemplo:F = 50Hz V = 300V V/F = 6 Situao 1: O inversor foi programado para enviar 50 Hz ao motor, e sua curva V/F estparametrizada em 6. Automaticamente, ele alimenta o motor com 300 V;F = 60Hz V = 360V V/F = 6 Situao 2: O inversor recebeu uma nova instruo para mudar de 50 Hz para 60 Hz.Agora a tenso passa a ser 360 V e a razo V/F mantm-se em 6.O valor de V/F pode ser programado (parametrizado) em um inversor, e seu valordepender da aplicao.Quando o inversor necessita de um grande torque, porm no atinge velocidade muito alta,atribumos a ele o maior V/F que o equipamento puder fornecer, e desse modo ele ter ummelhor rendimento em baixas velocidades, alm de alto torque. J no caso em que oinversor deva operar com altas rotaes e com torques no to altos, parametrizamos umV/F menor e encontraremos o melhor rendimento para Essa outra situao.


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Mas, como o inversor pode mudar a tenso V se ela fixada no barramento DC, atravs daretificao e filtragem da prpria rede?O inversor altera a tenso V oriunda do barramento DC, atravs da modulao por largurade pulso (PWM).A unidade lgica, alm de distribuir os pulsos aos IGBT's do modo j estudado, tambm

controla o tempo em que cada IGBT permanece ligado (ciclo de trabalho). Quando V tem que aumentar ,os pulsos so alargados (maior tempo em 0N) Quando V tem que diminuir, os pulsos so estreitados.Dessa forma, a tenso eficaz entregue ao motor pode ser controlada. A frequncia de PWMtambm pode ser parametrizada, e geralmente encontra-se entre 2,5 kHz e 16 kHz.Na medida do possvel, devemos deixa-la prxima do limite inferior pois assimDiminumos as interferncias eletromagnticas geradas pelo sistema (EMI).

Inversor Vetorial

Podemos classificar os inversores em dois tipos: inversores escalares e vetoriais. Osescalares e vetoriais possuem a mesma estrutura de funcionamento, mas a diferena esta nomodo em que o torque controlado.Nos inversores escalares, como dissemos anteriormente, a curva V/F fixada(parametrizada), tomando como base o tipo de regime de trabalho em que o inversor iroperar. Existe porm, uma condio problemtica que justamente o ponto crtico dequalquer sistema de acionamento AC: as baixas rotaes. O sistema AC no consegue umbom torque com velocidades baixas, devido ao prprio rendimento do motor AC.Para compensar esse fenmeno, desenvolveu-se o inversor de freqncia vetorial. Muitomais caro e complexo que o escalar, ele no funciona com uma curva V/F pr- fixada(parametrizada).Na verdade ele varia tenso e frequncia, de modo a otimizar o torque para qualquercondio de rotao (baixa ou alta). como se ficssemos parametrizando a cada ms, umanova curva V/F para cada nova situao. O inversor vetorial controla V/F atravs dascorrentes de magnetizao e rotrica do motor.Normalmente um tacmetro, ou um encoder so utilizados como sensores de velocidade,formando uma "malha fechada" de controle de velocidade. Existem porm os inversoresvetoriais sensorless, que no utilizam sensores de velocidade externos.

INSTALAO DO INVERSOR

Feito essa pequeno estudo da estrutura funcional do inversor, vamos mostrar como instal-lo.Existe uma grande quantidade de fabricantes, e uma infinidade de aplicaes diferentespara os inversores.Os terminais identificados como: R, S, e T (ou Ll, L2, e L3), referem-se entrada trifsicada rede eltrica. Para pequenas potncias, comum encontrarmos inversores com a entradamonofsicos (porm a sada continua sendo trifsica).Para diferenciar a entrada da rede para a sada do motor, a sada (normalmente) vemindicada por: U, V e W.Alm da potncia, temos os bornes de comando. Cada fabricante possui sua prpriaconfigurao, portanto, para saber "quem quem" temos de consultar o manual de


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respectivo fabricante. De qualquer maneira, os principais bornes so as entradas (analgicasou digitais), e as sadas (geralmente digitais).

Cuidados que devemos ter ao instalar um inversor

1. Cuidado! No h inversor no mundo que resista ligao invertida de entrada da redeeltrica (trifsica ou monofsica), com a sada trifsica para o motor.2. O aterramento eltrico deve estar bem conectado, tanto ao inversor como ao motor. Ovalor do aterramento nunca deve ser maior que 5. (norma IEC536), e isso pode serfacilmente comprovado com um terrmetro, antes da instalao.3. Caso o inversor possua uma interface de comunicao( RS 232, ou RS 485) para o PC, otamanho do cabo deve ser o menor possvel.4. Devemos evitar ao mximo, misturar (em um mesmo eletroduto ou canaleta), cabos depotncia (rede eltrica, ou sada para o motor) com cabos de comando (sinais analgicos,digitais, RS 232, etc...).5. O inversor deve estar alojado prximo a orifcios de ventilao, ou, caso a potnciaseja muito alta, deve estar submetido a uma ventilao (ou exausto). Alguns inversores jpossuem um pequeno exaustor interno.6. A rede eltrica deve ser confivel, isto , jamais ultrapassar variaes de +ou- 10% emsua amplitude.7. Sempre que possvel, utilizar os cabos de comando devidamente blindados.8. Os equipamentos de controle (PLC, CNC, PC, etc...), que funcionarem em conjunto como inversor, devem possuir o "terra" em comum. Normalmente, esse terminal vem indicadopela referncia PE ( proteo eltrica), e sua cor amarela e verde (ou apenas verde ).9. Utilizar sempre parafusos e arruelas adequadas para garantir uma boa fixao ao painel.Isso evitar vibraes mecnicas. Alm disso, muitos inversores utilizam o prprio painelem que so fixados como dissipador de calor. Uma fixao pobre, nesse caso, causar umaquecimento excessivo ( e possivelmente sua queima ).10. Caso haja contatores e bobinas agregadas ao funcionamento do inversor, utilizar sempresupressores de rudos eltricos (circuitos RC para bobinas AC, e diodos para bobinas DC).Essas precaues no visam apenas melhorar o funcionamento do inversor, mas evitar queele interfira em outros equipamentos ao seu redor O inversor de frequncia , infelizmente,um grande gerador de EMI ( interferncias eletromagnticas), e, caso no o instalarmos deacordo com as orientaes acima, poderemos prejudicar toda a mquina (ou sistema) ao seuredor. Basta dizer que, para um equipamento atender o mercado europeu, a certificao CE( Comunidade Europia ) exige que a emisso eletromagntica chegue a niveis baixssimos(norma IEC 22G - WG4 (CV) 21).

PARAMETRIZAO

Para que o inversor funcione a contento, no basta instal-lo corretamente. preciso"informar" a ele em que condies de trabalho ir operar. Essa tarefa justamente aparametrizao do inversor. Quanto maior o nmero de recursos que o inversor oferece,tanto maior ser o nmero de parmetros disponveis. Existem inversores com tal nvel desofisticao, que o nmero de parmetros ultrapassa a marca dos 900!Obviamente, por enquanto, veremos apenas os principais, e para facilitar nosso estudofuturo, utilizaremos os endereos particularidades do inversor SIMOVERT


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MICROMASTER do fabricante SIEMENS, porm um mesmo parmetro, com certeza,muda de endereo de fabricante para fabricante.O inversor de frequncia MICROMASTER tem as mesmas funes dos demais fabricantes(Yaskawa, ABB, WEG, Allen Bladley, etc...). Isso no dever dificultar o trabalho cominversores de outras marcas e modelos, pois basta associarmos com os indicados pelo

manual do fabricante especifico.Como fao para acessar os parmetros e parametrizar um inversor?Normalmente devemos seguir os seguintes passos:1 passoAcionamos a tecla P e as setas . ou . at acharmos o parmetro desejado.2 passoAgora aciona-se P novamente, e o valor mostrado no display ser o valor do parmetro, eno mais a ordem em que ele est.3 passoAcionamos as teclas . ou . at acharmos o valor desejado ao parmetro.4 passoBasta acionar P novamente, e o novo parmetro estar programado.Observao: Cerca de 90% dos inversores comerciais funcionam com essa lgica.E quais so os principais parmetros de um inversor?Parmetro P009: Liberao de alterao de parmetros Ajuste = 0 : somente os parmetros P001 a P009 podem ser alterados. Ajuste = 1 : os parmetros P001 a P009 podem ser alterados e todos os demais podem sersomente lidos. Ajuste = 2 : todos os parmetros podem ser alterados porm P009 retornaautomaticamente a 0 na prxima vez que o inversor for desenergizado. Ajuste = 3 : todos os parmetros podem ser alterados indefinidamente.Esse parmetro uma proteo contra "curiosos". Para impedir que algum,inadvertidamente, altere algum parmetro da mquina, utiliza-se um ajuste especfico comoproteo.Parmetro P084: Tenso nominal do motor.Esse parmetro existe na maioria dos inversores comerciais, 1embrando que nonecessariamente como P084, e serve para informarmos ao inversor qual a tenso nominalem que o motor ir operar. Suponha que o motor tenha tenso nominal 220VCA.Parmetro P083: Corrente nominal do motor.Esse parmetro determina o valor de corrente que ser utilizado nos clculos que serofeitos pelo inversor, como por exemplo para proteg-lo de sobrecargas.Parmetro P003: Frequncia mnima de sada.Esse parmetro determina a velocidade mnima do motor. Pode variar de 0,0Hz a 650Hz,porm deve ser sempre menor que a frequncia mxima.Parmetro P013: Frequncia mxima de sada .Esse parmetro determina a velocidade mxima do motor. Pode variar de 0,0Hz a 650Hz,porm deve ser sempre maior que a frequncia mnima.Parmetro P031: Frequncia de JOG.JOG (impulso) um recurso que faz o motor girar com velocidade bem baixa. Isso facilitao posicionamento de peas antes da mquina funcionar em seu regime normal. Porexemplo:Encaixar o papel em uma bobinadeira, antes do papel ser bobinado efetivamente.


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Parmetro P002: Tempo de partida (rampa de acelerao).Esse parmetro indica em quanto tempo deseja-se que o motor chegue a velocidadeprogramada, estando ele parado. Pode variar de 0 a 650 segundos. Voc pode pensar:"Quanto mais rpido melhor". Mas, caso o motor esteja conectado mecanicamente a cargaspesadas ( Ex: placas de tornos com peas grandes, guindastes, etc...), uma partida muito

rpida poder desarmar" disjuntores de proteo do sistema. Isso ocorre, pois o pico decorrente, necessrio para vencer a inrcia do motor, ser muito alto. Portanto, esseparmetro deve respeitar a massa da carga, e o limite de corrente do inversor.Parmetro P003: Tempo de parada (rampa de desacelerao).O inversor pode produzir uma parada gradativa do motor. Essa facilidade pode serparametrizada variando de 0 a 650 segundos, e, como a anterior, deve levar emconsiderao a massa (inrcia) da carga acoplada.Parmetro P006: Tipo de referncia de entrada. Ajuste = 0 a entrada significativa digital. Ajuste = 1 a entrada significativa analgica. Ajuste = 2 a velocidade fixada dependendo da programao das entradas binrias (P051a P055).Esse parmetro diz ao inversor como vamos controlar a velocidade do motor. Caso estejaem 1 , a velocida de ser proporcional a tenso analgica de entrada. A entrada digital serignorada. Caso o parmetro esteja em 0, a velocidade ser controlada por um sinal digital(na entrada digital), e o sinal analgico no mais influenciar.Parmetro P076: Frequncia de chaveamento PWM.Esse parmetro determina a frequncia de PWM do inversor. Para este modelo, a mesmapode ser 2KHz, 4KHz, 8KHz ou 16KHz.Para evitarmos perdas no motor, e interferncias eletromagnticas (EMI), quanto menoressa frequncia, melhor.O nico inconveniente de parametrizarmos o PWM com frequncias baixas (2 ou 4 kHz) a gerao de rudos sonoros, isto , a mquina fica mais barulhenta. Portanto, devemosfazer uma "anlise crtica" das condies gerais do ambiente de trabalho, antes de optarmospelo melhor PWM. Como dito anteriormente, existe uma infinidade de parmetros nosinversores. Nestaapostila, foram mostrados apenas os 10 principais, que j sero suficientes para "colocarpara rodar" qualquer mquina.Para parametrizar um inversor diferente do estudado, basta consultar o manual dofabricante, e fazer uma analogia com essa apostila.Na prxima apostila, veremos os demais parmetros que afetam o funcionamento de uminversor de frequncia.DIMENSIONAMENTOComo posso saber: qual o modelo, tipo, e potncia do inversor para a minha aplicao?Bem, vamos responder a essa pergunta em trs etapas:Capacidade do inversor:Para definirmos o tamanho do inversor temos de saber qual a corrente do motor (e qualcarga) ele acionar. Normalmente se escolhe um inversor com uma capacidade de correnteigual ou um pouco superior corrente nominal do motor. A tenso, tanto do inversorquanto do motor deve ser igual a da rede de alimentao.Tipo de inversor:


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A maioria dos inversores utilizados so do tipo escalar. S utilizamos o tipo vetorial emduas ocasies: extrema preciso de rotao, torque elevado para rotao baixa ou zero(ex:guindaste, pontes rolantes , elevadores , etc...).Modelo e fabricante :Para escolher o modelo, basta consultarmos os catlogos dos fabricantes, e procurar um que

atenda as seguintes caractersticas mnimas necessrias:Quanto ao fabricante, o preo e qualidade desejada deve determinar a escolha.Apenas como referncia ao leitor os mais encontrados na indstria so:Siemens, Weg, Yaskawa, Allen Bradley e ABB.

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