curso de inversores de frequencia - engenharia e redutores

8/6/2019 Curso de Inversores de Frequencia - engenharia e redutores

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Inversor de Freqncia

1 Contedo2 Benefcios do inversor de freqncia .............................................................................................. 3

3 Conversores ..................................................................................................................................... 3

4 Princpio de funcionamento do inversor de freqncia .................................................................. 4

4.1 Inversor de freqncia monofsico ......................................................................................... 4

4.2 Controle por deslocamento de fase ........................................................................................ 5

4.3 PWM Senoidal ......................................................................................................................... 6

4.4 Inversor de freqncia trifsico .............................................................................................. 7

4.5 Carga do capacitor de filtro ..................................................................................................... 9

4.6 Controle Escalar ....................................................................................................................... 9

4.7 Controle Vetorial ................................................................................................................... 12

5 Frenagem ....................................................................................................................................... 13

5.1 Frenagem dinmica (ou reosttica) e regenerativa .............................................................. 13

5.2 Rampa de desacelerao ....................................................................................................... 14

5.3 Frenagem por injeo de corrente contnua ......................................................................... 14

6 Harmnicas .................................................................................................................................... 14

7 Compatibilidade eletromagntica ................................................................................................. 15

8 Aterramento e Blindagem ............................................................................................................. 16

9 Caractersticas do inversor de freqncia ..................................................................................... 16

9.1 Compensao de escorregamento ........................................................................................ 16

9.2 Partida por rampa de acelerao .......................................................................................... 17

9.3 Partida boost......................................................................................................................... 17

9.4 Partida com motor girando (flying start) .............................................................................. 17

9.5 Parada por inrcia ................................................................................................................. 17

9.6 Parada por injeo de corrente contnua .............................................................................. 17

9.7 Parada por rampa de desacelerao ..................................................................................... 17

9.8 Rampa "S" .............................................................................................................................. 18

9.9 Rejeio de freqncias crticas ............................................................................................ 18

9.10 Enfraquecimento de campo .................................................................................................. 18

9.11 Regulador PID ........................................................................................................................ 19

9.12 Operao em rede ................................................................................................................. 19

10 Dimensionamento do inversor .................................................................................................. 20

10.1 Motores autoventilados ........................................................................................................ 20

10.2 Motores com ventilao independente ................................................................................ 21

10.3 Altitude e temperatura ambiente ......................................................................................... 21

11 Instalao .................................................................................................................................. 22


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11.1 Rede de alimentao eltrica ................................................................................................ 22

11.2 Fusveis .................................................................................................................................. 23

11.3 Condicionamento da rede de alimentao ........................................................................... 23

11.4 Filtro de rdio-freqncia...................................................................................................... 23

11.5 Contatores ............................................................................................................................. 23

11.6 Cabos ..................................................................................................................................... 24

11.7 Aterramento .......................................................................................................................... 25

11.8 Rels trmicos ....................................................................................................................... 25

11.9 Reatncia de sada ................................................................................................................. 25

11.10 Instalao em painis - princpios bsicos......................................................................... 26

12 Referncias ................................................................................................................................ 26


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2 Benefcios do inversor de freqnciaO inversor de freqncia possibilita a substituio de variadores de mecnicos de velocidade, que

demandam manutenes demoradas e dispendiosas, alm do aumento da vida til de outras partes

mecnicas das mquinas. Uma vez que os impactos mecnicos provocados por acionamentos

convencionais de motores deixam de existir. Outro grande ganho obtido com a substituio dos

custosos motores de corrente contnua pelo conjunto motor assncrono e inversor de freqncia,

uma vez que estes ltimos so de fcil reposio e manuteno.

Em determinados casos possvel substituir vlvulas de controle de vazo por um sistema com

variao de velocidade de uma bomba, reduzindo o consumo de energia eltrica.

As aplicaes tpicas do inversor so:

Sistemas de bombeamento de fluidos; Sistemas de ventilao; Ar-Condicionado (sistemas de chiller gua); Correias transportadoras; Movimentao de cargas; Extrusoras; Centrfugas de acar; Moinhos.

3 ConversoresOs conversores ou conversores de energia eltrica so equipamentos que controlam do fluxo de

energia eltrica entre sistemas eltricos, de acordo com uma topologia de circuito eletrnico quepermitir a converso de energia eltrica conforme apresentado na Figura 1.

Figura 1 - Tipos bsicos de converso de energia eltrica.

Os conversores AC/CD so chamados de retificadores, cuja corrente de sada sempre contnua,

operando em sistemas monofsicos e polifsicos. Estes retificadores podem ser controlados e no-

controlados. Os controlados permitem a variao do valor mdio da tenso de sada pelo ngulo de

disparo dos SCRs. Os no-controlados utilizam somente diodos cujo valor mdio da tenso de sadaser fixa para uma determinada carga e tenso de entrada.


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Os conversores DC/DC so chamados de choppers e permitem o controle da tenso mdia de sada a

partir de uma tenso de entrada fixa. Este circuito pode utilizar SCRs ou transistores para efetuar

este controle.

Os conversores DC/AC so chamados de inversores de freqncia, onde sua tenso de entrada

contnua e a tenso de sada alternada e varivel em tenso e freqncia. Atualmente os IGBTs

(Insulated Gate Bipolar Transistors) so muito empregados na construo deste tipo deequipamento.

Nota-se que a maioria dos inversores de freqncia comerciais contm outro conversor na entrada

um retificador dotado de um filtro para estabelecer um barramento DC. Apesar disto, todo o

equipamento chamado de inversor de freqncia.

Os conversores AC/AC so chamados de cicloconversores e permitem o controle da tenso eficaz e

freqncia de sada com o uso de SCRs. Porm, devido a limitaes na faixa de variao da

freqncia e na elevada distoro da tenso de sada este conversor pouco empregado, sendo

substitudo pelo inversor de freqncia.

EX: Se a entrada fosse de 60 Hz, a sada varivel seria de 0 20 Hz.

4 Princpio de funcionamento do inversor de freqncia4.1 Inversor de freqncia monofsicoInversores so equipamentos utilizados para gerar tenses alternadas monofsica ou polifsica a

partir de uma tenso contnua, sendo a maioria deles utilizados para controlar a velocidade de

motores de induo. Outra aplicao do inversor na construo de no-breaks ou UPS

(Uninterruptable Power Supplies), gerando tenses alternadas com valor eficaz e freqncia fixa.

A Figura 2 mostra a topologia em ponte completa de um inversor de freqncia com sada

monofsica. Considerando o referencial de polaridade da tenso na carga (Load + e Load-), adotadona Figura 2, observa-se que a tenso na carga ser positiva (+Vdc) quando apenas as chaves IGBT1 e

IGBT4 estiverem ligadas e ser negativa (-Vdc) quando apenas as chaves IGBT2 e IGBT3 estiverem

ligadas. Note que nesta configurao as chaves IGBT1 e IGBT2 nunca podero ser ligadas

simultaneamente, sob risco de aplicar um curto-circuito na fonte DC, danificando o circuito. Os

diodos instalados em antiparalelo com os IGBTs funcionam como um caminho alternativo para a

corrente de cargas indutivas quando as chaves principais (IGBTs) so comutadas.

Figura 2 - Topologia de um inversor de freqncia monofsico.

Vo


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Desta forma a tenso na carga ser quadrada como mostrado na Figura 3.

Figura 3 - Tenso na carga.

Considerando que a tenso Vdc constante o valor eficaz da tenso na carga ser fixa, podendo-se

variar somente a freqncia. A variao da freqncia extremamente importante, pois ela ser

responsvel pela variao da velocidade do motor. Porm a variao da tenso eficaz de sada muito importante para evitar a elevao da corrente de entrada.

4.2 Controle por deslocamento de faseUma forma de variar a tenso eficaz a utilizao do controle por deslocamento de fase (phase-shift)

mostrado na

Figura 4, que apresenta as tenses nos IGBTs e na sada (Vo).

VIGBT1

Vdc

t

VIGBT3

Vdc

t

VIGBT4

t

VIGBT2Vdc

t

Vdc

t

Vo

2

Vo

Vdc

-Vdc

t2


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Figura 4 - Controle por deslocamento de fase.

Observa-se que o regime de trabalho das chaves semicondutores de cada brao da ponte de IGBTs

de 50 %, ou seja, 50% do perodo a chave superior do brao est ligada e no restante do perodo est

desligada. A fase das chaves IGBT3 e IGBT4 est deslocada em relao fase das chaves IGBT1 e

IGBT2.

A tenso eficaz de sada

Onde o ngulo de deslocamento da fase em radianos e Vdc a tenso de entrada.

4.3 PWM SenoidalO contedo harmnico de uma onda quadrada muito elevado. Buscando reduzir este contedo

harmnico pode-se utilizar a modulao pela largura de pulso PWM (pulse-width modulation), porm

com a largura do pulso varivel ao longo do perodo conforme uma senide, denominado PWM

senoidal.

Conforme mostrado na Figura 5, para um inversor monofsico, tem-se a tenso de sada igual

tenso de entrada (E) se a tenso da senide de referncia for maior que a tenso da onda triangular

e igual a zero caso contrrio. Variando-se a amplitude e a freqncia da senide de referncia ser

possvel observar a mesma variao na tenso eficaz e na freqncia da sada.


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Figura 5 - Formao de uma onda PWM. (a) Em tenso de sada mxima. (b) Em metade da tenso de

sada mxima. (c) Em metade da tenso e metade da freqncia.

OBS: No PWM senoidal as Harmnicas de menores ordens so atenuadas.

Quanto maior a freqncia de chaveamento maior a perda por chaveamento.

4.4 Inversor de freqncia trifsicoA Figura 6 mostra o diagrama de potncia do inversor de freqncia trifsico comumente utilizado

para acionamento de motores de induo.

Figura 6 - Topologia de um inversor de freqncia trifsico.


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A fonte Vdc em geral um retificador trifsico no-controlado veja Figura 7 com um filtro

capacitivo para reduzir o ripple, que recebe as trs fases da fonte de alimentao e fornece um

barramento DC. Alguns fabricantes permitem o uso de apenas duas fases no retificador de entrada

para motores de baixa potncia, uma vez que a tenso de pico da sada do retificador ser a mesma

comparando-se com o caso trifsico. Alguns inversores de baixa potncia utilizam retificador

monofsico na entrada, disponibilizando sada trifsica.

Figura 7 - Retificador trifsico no-controlado.

O diagrama de blocos de um inversor de freqncia trifsico pode ser visualizado na Figura 8. Onde a

unidade de controle microprocessada responsvel pelo disparo das chaves semicondutoras do

inversor, bem como o monitoramente das tenses e correntes do inversor. Esta unidade proporciona

ainda interface com o meio externo, permitindo a parametrizao, envio e recebimento de sinais

analgicos e digitais.

Figura 8 - Diagrama de blocos do inversor de freqncia

O circuito de potncia completo do inversor de freqncia est apresentado na Figura 9.


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Figura 9 - Circuito de potncia do inversor de freqncia

4.5 Carga do capacitor de filtroGeralmente os inversores de freqncia contm um circuito de pr-carga do capacitor de filtro (ver

Figura 10), na sada do retificador, pois trata-se de uma capacitncia elevada submetida a uma

tenso tambm elevada. Este circuito possibilita a carga suave do capacitor, utilizando um resistor

srie que curto-circuitado quando a tenso do barramento DC estiver prxima de sua tenso

nominal.

Figura 10 - Filtro do barramento DC com circuito de pr-carga.

4.6 Controle EscalarO controle escalar de um motor de induo pode ser analisado a partir de seu modelo, mostrado na

Figura 11.

Figura 11 - Modelo do motor de induo.

R

K1

C


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10

Onde a resistncia srie e a reatncia de disperso do estator so R1 e X1, respectivamente. A

resistncia srie e a reatncia de disperso do rotor referidas ao estator so R2 e X2,

respectivamente. A reatncia de magnetizao Xm. As perdas no ncleo so representadas por Rc. A

velocidade do motor dada pela equao

Onde f a freqncia da entrada de alimentao, p o nmero de plos do motor e s o

escorregamento do motor que dado por

Onde e a velocidade angular sncrona do campo girante e r a velocidade angular do rotor,ambas em rad/s.

A potncia no eixo do motor expressa por

Considerando que

Portanto,

Onde o fator 3 foi inserido para considerar o torque gerado pelas trs fases. Esta expresso mostraque o torque do motor de induo possvel variando-se o valor tenso aplicada no estator. A Figura12 mostra o comportamento do torque em ralao velocidade para diferentes tenses.


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Figura 12 - Caracterstica torque-velocidade com variao da tenso, mantendo a freqncia fixa.

O controle de velocidade realizado pelo ajuste da tenso de entrada, mantendo-se a freqncia

fixa. Se a tenso for reduzida, o escorregamento aumenta mantendo o torque. A equao torquemostra sua proporcionalidade como quadrado da tenso. possvel verificar, na figura acima, que afaixa de variao de velocidade pequena. Este mtodo de controle de velocidade implica em perdada eficincia, aumento nas perdas do rotor podendo sobreaquecer e reduzir o torque mximo domotor, devido ao aumento do escorregamento com a reduo da tenso. Este mtodo indicadopara bombas e ventiladores, pois o torque varia quadraticamente com a velocidade.

Simplificando a expresso do torque, tem-se:

A reatncia de magnetizao varia linearmente com a freqncia. Conseqentemente, com a tensode entrada constante, a corrente de entrada aumenta com a diminuio da freqncia, aumentandoo fluxo magntico, podendo saturar a mquina. Para evitar isto a tenso de entrada deve variar deforma proporcional a freqncia, uma vez que em qualquer circuito magntico a tenso induzida proporcional ao nvel de fluxo e freqncia (a partir de v = d/dt).

Podemos deduzir assim que o controle escalar em inversores de freqncia utilizado em aplicaes

normais que no requerem elevada dinmica (grandes aceleraes e frenagens), nem elevadapreciso e nem controle de torque. Um inversor com controle escalar pode controlar a velocidade derotao do motor com uma preciso de at 0,5 % da rotao nominal para sistemas sem variao decarga, e de 3 % a 5 % com variao de carga de 0 a 100 % do torque nominal. Pelo princpio defuncionamento e aplicao, so utilizados na maioria das vezes motores de induo convencionaissem nenhum sistema de realimentao de velocidade (tacogerador de pulsos acoplado ao motor) emmalha fechada. A faixa de variao de velocidade pequena e da ordem de 1:10 (Ex: 6 a 60Hz).

Com estas caractersticas, o inversor de freqncia escalar a mais utilizado em sistemas que norequerem alto desempenho. Este apresenta tambm um custo relativo menor quando comparadocom outros tipos de inversores mais sofisticados, como por exemplo o inversor com controlevetorial.


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4.7 Controle VetorialNo motor de induo o fluxo magntico e a corrente no so independentes um do outro, sendoambos estabelecidos pela, e relacionados , corrente no enrolamento do estator.

Idealmente, o fluxo do rotor estabelecido pela corrente do rotor est em quadratura com o fluxo do

estator, gerando torque. Utilizando um modelo simplificado ilustrado na Figura 13, com o diagramafasorial associado.

Figura 13 Controle vetorial. (a) Modelo simplificado do motor de induo.(b) Diagrama fasorial do motor de induo.

O torque desenvolvido relacionado componente em fase de I2 mostrada como Iq e o fluxo relacionado corrente Im modificado pela componente reativa de I2 para dar a componentemostrada com Iq. O objetivo do controle vetorial, s vezes referido como controle de orientao de

campo, controlar separadamente o mdulo das duas componentes Id e Iq, de tal forma que o fluxoseja proporcional a Id e o torque, proporcional a Iq. Controlando independentemente cadacomponente, temos um sistema que se iguala ao do motor DC em ambas as respostas, a de regimepermanente e a transitria.

Para implementar o controle vetorial, os parmetros do motor tm de ser conhecidos e os valorescolocados em um conjunto de equaes desenvolvido a partir da teoria generalizada da mquina.Dessa maneira, os valores desejados das duas componentes da corrente do estator podem sertraduzidos para determinar os valores instantneos das correntes dos trs enrolamentos do estator.

O controle vetorial representa, sem dvida, um avano tecnolgico significativo, aliando asperformances dinmicas de um acionamento DC e as vantagens de um motor AC. Porm, em algunssistemas que utilizam controle vetorial necessrio o uso de um encoder (tacogerador de pulsos)acoplado ao motor para que se tenha uma melhor dinmica, o que torna o motor especial. Sendoassim pode-se dizer que existem dois tipos de implementao de inversores vetoriais: o inversorsensorless (sem sensores) e o inversor com realimentao por encoder (controle orientado pelocampo).

O inversor com realimentao por encoder capaz de controlar a velocidade e o torque no motor,pois calcula as duas componentes da corrente do motor. Estes tipos de inversores conseguemexcelentes caractersticas de regulao e resposta dinmica, como por exemplo:

Regulao de velocidade: 0,01 % Regulao de torque: 5 % Faixa de variao de velocidade: 1:1000 Torque de partida: 200 % mx. Torque mximo (no contnuo): 200 %


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O inversor sensorless tem um grau de desempenho menor que o anterior, mas superior aoinversor escalar (V/Hz). A seguir alguns valores tpicos para estes inversores:

Regulao de velocidade: 0,3 %

Regulao de torque: 5 % (somente para freqncia acima de 3 Hz) Faixa de variao de velocidade: 1:100 Torque de partida: 150 % Torque mximo (no contnuo): 150 %

5 Frenagem5.1 Frenagem dinmica (ou reosttica) e regenerativaDurante a frenagem do motor a polaridade da tenso do barramento DC no alterada. Entretanto,o sentido da corrente invertido, ou seja, do motor em direo ao capacitor de filtragem do

barramento DC. Como esta corrente no pode circular pelos diodos do retificador de entrada, emdireo fonte de alimentao, alguma estratgia deve ser utilizada para evitar o aumento indevidoda tenso do barramento DC, devido carga do capacitor de filtragem, podendo atingir nveis crticosdanificando o circuito.

Uma possibilidade utilizar um banco de resistores instalado em paralelo com o capacitor defiltragem atravs de um chopper que permitir o controle da energia dissipada, e da tenso dobarramento DC, de acordo com a energia devolvida pelo motor durante a frenagem. A Figura 14mostra o barramento DC com filtro e mdulo de frenagem.

Figura 14 - Mdulo de frenagem dinmica.

Outra possibilidade utilizar um conversor regenerativo na entrada do inversor (ver Figura 15),direcionando o fluxo de energia do barramento DC fonte de alimentao, regenerando a energiaarmazenada no motor e em sua carga, principalmente naquelas com grande inrcia. Algunsfabricantes permitem que os barramentos DC de vrios inversores sejam interligados, possibilitandoa troca de energia entre eles, desde que seus ciclos de trabalho sejam distintos, para que asfrenagens no sejam simultneas.

C

R


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Figura 15 - Conversor regenerativo

5.2 Rampa de desacelerao possvel uma frenagem controlada atravs de uma rampa de desacelerao quando a freqnciaaplicada ao motor reduzida de uma forma controlada, necessitando-se para isso de um inversor defreqncia, sendo que dessa forma o motor se comporta como um gerador assncrono e fornece umtorque de frenagem. Em outras palavras, quando o escorregamento torna-se negativo, isto ,quando a velocidade sncrona (ou freqncia estatrica aplicada pelo inversor) torna-se menor doque a velocidade do motor (velocidade rotrica), o torque gerado pelo motor torna-se negativo eeste frenado. Neste estado o motor opera como gerador com a energia cintica (do motor e dacarga) convertida em energia eltrica que transmitida ao circuito intermedirio (DC), atravs daponte de transistores, como energia que consumida atravs de um mdulo de frenagem reosttica.A potncia da frenagem funo do tempo de desacelerao, da inrcia das massas em movimento

e do torque resistente. Uma parte da energia de frenagem dissipada em perdas no motor, e orestante dever ser dissipada de alguma forma. Os inversores de freqncia apresentam a opo deutilizao de mdulos de frenagem reosttica, que so bancos de resistores controladoseletronicamente e conectados ao circuito intermedirio (DC) que permite se obter at um torque defrenagem prximo ao torque nominal do motor, assegurando a dissipao da energia de frenagemnestas resistncias externas.

5.3 Frenagem por injeo de corrente contnuaEste tipo de frenagem do motor conseguida aplicando-se no seu estator uma tenso contnua. Esta obtida pelo disparo dos transistores do inversor, no necessitando nenhum dispositivo adicional.

Este tipo de frenagem til quando se deseja a parada do motor (freio) apenas, diferentemente dafrenagem reosttica que pode ser utilizada para reduzir a velocidade, mas mantendo-se o motorgirando. O torque de frenagem pode ser ajustado de acordo com a aplicao, atravs do tempo deinjeo de corrente contnua e do nvel de tenso DC aplicada no motor.

Na prtica, a frenagem DC tem sua aplicao limitada devido ao fato de que toda a energia defrenagem dissipada no prprio motor, podendo causar sobreaquecimento excessivo no mesmo.Assim, para no comprometer a vida til do motor, utiliza-se a frenagem DC com tenses contnuaslimitadas a aproximadamente 20% da tenso nominal AC do motor.

6 Harmnicas


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O matemtico Fourier mostrou que possvel representar uma forma de onda peridica por umasrie de componentes harmnicas. Desta forma, qualquer tenso ou corrente peridica em umsistema de potncia pode ser representada pela srie de Fourier. Alm disso, ele mostrou que a sriepode ser encontrada, supondo que a forma de onda pode ser expressa por uma funo matemtica.Se a forma de ondaf(t) peridica, com perodo T, ento ela pode ser aproximada como

Onde a0 representa o valor DC da forma de onda, a1a an so coeficientes de amplitude e 1 a n socoeficientes de fase da srie de Fourier. Quanto maior o valor de n melhor ser a aproximao.

Alguns efeitos provocados pelas correntes harmnicas so:

Aumento da corrente eficaz; Maior aquecimento dos cabos e alimentao do inversor; Aumento do aquecimento de transformadores e reduo de sua vida til; Risco de ressonncia com banco de capacitores; Ruptura de dieltricos; Aumento da queda de tenso na instalao; Piora do fator de potncia; Distoro da tenso que alimenta outras cargas; Disparo indevido de fusveis e disjuntores ; Maior perda de energia nos cabos de alimentao (devido ao efeito skin); Aumento de perda e torques pulsantes no motor; Aumento da corrente do neutro.

Algumas solues possveis para reduo de harmnicos:

Reator na entrada AC; Reator no barramento DC do inversor; Filtro passivo (passa-baixa ou sintonizado).

7 Compatibilidade eletromagnticaA radiao eletromagntica que afeta adversamente o desempenho de equipamentos eletro-eletrnicos conhecida geralmente por EMI, ou Interferncia Eletromagntica. Muitos tipos decircuitos eletrnicos so suscetveis a EMI e devem ser protegidos para assegurar seu corretofuncionamento. Da mesma forma, emisses irradiadas desde dentro dos equipamentos eletrnicospodem prejudicar o funcionamento dos mesmos ou de outros equipamentos que se encontremperto destes. Para assegurar o correto funcionamento de equipamentos eletrnicos, as emisseseletromagnticas produzidas por equipamentos comerciais no devem exceder nveis fixados pororganizaes que regulamentam este tipo de produtos.

A radiao eletromagntica so ondas eletromagnticas formadas por dois campos: um campoeltrico (E) e um campo magntico (H) que oscilam um a 90 graus do outro. A relao de E paraH chamada a impedncia de onda. Um dispositivo que opera com alta tenso e baixa corrente

gera ondas de alta impedncia (campos E). Reciprocamente, se um dispositivo opera comcorrentes elevadas comparado a sua voltagem, gera campos de baixa impedncia (campo H).


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A importncia da impedncia de onda posta em evidncia quando uma onda de EMI encontra umobstculo tal como uma proteo de metal. Se a impedncia da onda muito diferente daimpedncia natural da proteo, a maior parte da energia refletida e a energia restante transmitida e absorvida atravs da superfcie.

As emisses eletromagnticas (EMI) da maioria dos equipamentos comerciais so tipicamente de

alta freqncia e alta impedncia. A maior parte do campo emitido do tipo E. Os metais possuembaixa impedncia por causa de sua alta condutividade. assim que as ondas eletromagnticasproduzidas por campos E so refletidas por protees de metal. Contrariamente, ondas de baixaimpedncia (campo H dominante) so absorvidas por uma proteo de metal.

Para proteger os equipamentos necessrio fazer uma blindagem. Entende-se por blindagem autilizao de materiais condutivos para absorver e/ou refletir a radiao eletromagntica, causandouma abrupta descontinuidade no caminho das ondas. Como j foi comentado para ondas de baixafreqncia a maior parte da energia refletida pela superfcie da blindagem, enquanto que a menorparte absorvida. Para ondas de alta freqncia geralmente predomina a absoro.

O desempenho da blindagem uma funo das propriedades e configurao do material empregado

(condutividade, permeabilidade e espessura), da freqncia, e da distncia da fonte de radiao proteo (blindagem).

8 Aterramento e BlindagemO aterramento de um equipamento de extrema importncia para o seu correto funcionamento,devido a segurana e a blindagem eletromagntica.

Todas as partes condutoras de um equipamento eltrico que podem entrar em contato com ousurio, devem ser aterradas para proteger os mesmos de possveis descargas eltricas. Quando umequipamento est corretamente aterrado, todas as partes condutoras que podem entrar em contato

com o usurio tem que ter uma diferena de potencial de zero volts a respeito do aterramento.

A blindagem dos equipamentos realizada normalmente com placas metlicas formando umgabinete ou caixa. Estas devem estar ligadas umas as outras atravs de materiais condutores e todascorretamente aterradas.

Todo equipamento que gera ondas EMI (exemplo: transistores chaveando cargas a alta freqncia ecom altas correntes inversores) devem possuir blindagem eletromagntica e esta deve estarcorretamente aterrada. Principalmente quando so utilizados em conjunto com outrosequipamentos eletrnicos.

Blindagens eletromagnticas tpicas:Gabinetes metlicos utilizados em equipamentos eletrnicos provem bons nveis de blindagemeletromagntica, a qualidade desta blindagem depende do tipo de metal e espessura utilizada nafabricao dos gabinetes. Plstico e outros materiais no condutores, quando utilizados comogabinetes, podem ser metalizados com pinturas condutivas, camadas de filme metlico, etc.

Portas, aberturas, janelas, painis de acesso, e outras aberturas em gabinetes so um caminho deentrada e sada das EMIs. Sendo assim necessrio projetar adequadamente este tipo de aberturaspara minimizar a radiao emitida e absorvida.

9 Caractersticas do inversor de freqncia9.1 Compensao de escorregamento


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cada motor tem seu escorregamento especfico dependendo da carga e da temperatura de trabalho.Atravs desta funo, as variaes de velocidade de giro do motor, causadas por variaes de carga,podero ser reduzidas, porm esta compensao no elimina completamente o efeito doescorregamento, pois funciona em malha aberta.

A compensao do escorregamento empregada para manter a velocidade constante independente

de mudanas na carga, atuando como um controle de velocidade em malha aberta. Assim, afreqncia de sada do inversor aumenta ou diminui conforme a corrente do motor varia em funodo aumento ou diminuio da carga.

9.2 Partida por rampa de aceleraoO acionamento acelerar seguindo o tempo de acelerao ajustado para a rampa desde que acorrente do motor no ultrapasse os limites parametrizados no conversor.

9.3 Partida boostEm caso de partida com carga elevada ou para motores com alto torque de partida (categoria H) estafuno poder ser utilizada. A tenso aplicada no motor inicialmente elevada at que a cargaaumente a velocidade, vencendo a inrcia na partida.

9.4 Partida com motor girando (flying start)Possibilita a partida do motor de forma suave quando este estiver rodando. A captura da freqnciade giro do motor evita picos de corrente e impactos mecnicos na carga.

Este recurso se utiliza para quando necessrio o religamento do motor com o inversor defreqncia mesmo que o motor (ou mquina) ainda esteja em movimento. Para os inversorescomuns sem este recurso, o religamento no possvel devido ao fato de que quando o motor aindaencontra-se girando, existe uma magnetizao residual que faz com que seja gerada uma tenso nosseus terminais. Com o religamento do inversor, surgem ento picos de corrente transitrias que fazcom que a proteo contra curto-circuito do inversor atue, bloqueando-o.

9.5 Parada por inrciaNeste tipo de parada o conversor retira a alimentao do motor que pra por inrcia, portanto otempo de parada ser diferente para velocidades e cargas diferentes.

9.6 Parada por injeo de corrente contnuaA injeo de corrente contnua permitir uma frenagem do motor de forma intensa. Geralmenteajustam-se a tenso contnua e seu tempo de aplicao no motor, para proporcionar a frenagemdesejada sem aquecer excessivamente o motor.

9.7 Parada por rampa de desaceleraoO acionamento desacelerar seguindo o tempo de desacelerao ajustado para a rampa desde que a

corrente regenerativa no ultrapasse a capacidade limite de absoro do conversor.


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9.8 Rampa "S"A acelerao/desacelerao por rampa "S" um recurso no qual se permite obter aacelerao/desacelerao de cargas onde se necessita de uma partida/parada de forma mais suave,no ocorrendo choques mecnicos no sistema. A rampa "S" pode ser ajustada em funo daaplicao atravs do software do conversor (parmetros de programao), onde se define os tempos

de acelerao e desacelerao e tambm o percentual de distoro "S" da curva, conforme descritona Figura 16.

Figura 16 - Acelerao e desacelerao por rampa "S".

9.9 Rejeio de freqncias crticasEste recurso se utiliza quando o sistema a ser acionado possui faixas de operao com rotaescrticas e que no podem ser utilizadas. Como exemplo, problemas de ressonncia mecnica emventiladores, que causam a vibrao excessiva do mesmo, podem causar a destruio de rolamentose eixos. A rejeio de freqncias crticas feita atravs do ajuste da freqncia central e de umabanda em torno desta freqncia a qual o inversor no permitir acionar o motor, conforme mostraa Figura 17.

Figura 17 - Rejeio de freqncias crticas.

Quando da acelerao ou desacelerao do motor, o inversor atua atravs das rampas ajustadas,passando pelas freqncias crticas, chegando aos valores desejados. Caso o valor ajustado seja umafreqncia crtica, o inversor ir operar na freqncia imediatamente acima ou abaixo do limiteimposto.

9.10 Enfraquecimento de campo


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Um motor padro para operar em rede de freqncia de 50 ou 60 Hz pode girar a freqncias maisaltas quando alimentado por um conversor de freqncia. A velocidade mxima depende do seubalanceamento mecnico e dos rolamentos. Neste caso, como o motor funcionar comenfraquecimento de campo, mostrada graficamente na Figura 18, a mxima velocidade estarlimitada pelo torque disponvel do motor e pela mxima velocidade perifrica das partes girantes do

motor (ventilador, rotor, mancais).

Figura 18 - Diminuio do torque em funo do aumento da velocidade.

9.11 Regulador PIDUm regulador pode ser descrito como um sistema que l do processo a varivel que se desejacontrolar e a compara com o valor de referncia desejado, produzindo um sinal de sada que atuarsobre o processo no sentido de diminuir a diferena entre o valor lido e o desejado. O algoritmo deum regulador PID consegue obter erro nulo em regime.

Este regulador pode ser utilizado para controlar diversas variveis do sistema, como vazo, nvel,temperatura, ou presso, superpondo seu sinal de controle ao controle normal de velocidade doinversor (U/F).

Exemplos de aplicao Controle de vazo em uma tubulao, com realimentao da vazo e com oinversor acionando a motobomba que faz o fluido circular; controle de nvel, controle de presso;controle de temperatura, etc.

Atualmente muitos fabricantes incorporam o regulador PID no inversor de freqncia, possibilitandorealimentao com sinal de um transmissor (sinal de 4 a 20 mA, por exemplo) ou com encoder.

9.12 Operao em redeDevicenet, controlnet, Ethernet, DF1, RS-485 so alguns tipos de comunicao serial que podem serutilizadas para interligar o inversor de freqncia em uma rede. Uma vez que ele cada vez mais fazparte de um sistema de automao e o uso de redes digitais de comunicao se tornou necessrio.Deve-se verificar entre as opes do mercado quais atendem melhor as necessidades da aplicao.Caso a rede j exista deve-se verificar a compatibilidade do produto com esta rede. Alguns aspectosdevem ser levados em considerao para definir a rede de comunicao:

Rede existente; Maior comprimento possvel dos cabos; Tipo de cabo usado; Alimentao da rede; Tempo de resposta; Mximo nmero de dispositivos em rede;


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Redundncia; Implementao da comunicao: softwares especiais, programao dentro de um PLC, envio

de dados necessrios dentro das regras do protocolo escolhido, manual detalhado, servioscomplementares da rede (comunicao mestre-escravo ou produtor-consumidor), protocoloaberto ou fechado, substituio de um inversor defeituoso por outro na rede.

10 Dimensionamento do inversorPara dimensionar o inversor necessrio saber:

Aplicao; Dados do motor; Tenso de alimentao; Caractersticas dinmicas (acelerao e frenagem); Faixa de velocidade de operao; Sistema de acoplamento entre motor e carga (redutor); Sobrecargas (na partida ou em operao); Ambiente (temperatura, altitude, atmosfera).

10.1 Motores autoventiladosPara a operao com motores autoventilados padres, aconselhvel a utilizao de operao nafaixa entre 50% a 100% da rotao nominal, faixa em que o ventilador acoplado ao prprio eixo domotor ainda possui eficincia na refrigerao. Para rotaes abaixo de 50%, em caso de cargas comconjugado constante, necessrio o sobredimensionamento da carcaa do motor, ou atravs dosimples aumento da potncia nominal do motor, ou ento atravs da fabricao de um motor

especial com a carcaa sobredimensionada, a fim de prover a devida refrigerao do motor.Para o clculo da carcaa a ser utilizada, deve-se levar em considerao o torque necessrio pelacarga a ser acionada e a faixa de variao de velocidade. Definindo-se a velocidade mnima deoperao, utiliza-se o grfico mostrado na Figura 19.

Figura 19 Torque x freqncia.

Pelo valor da freqncia mnima (rotao mnima) necessria aplicao, utilizando o grfico, defini-se o valor do conjugado mximo disponvel (em p.u.) no motor sem ocorrer sobreaquecimento,utilizando a potncia necessria ao acionamento.

Com este valor, defini-se ento o novo conjugado do motor (sobredimensionado) que deveria serutilizado sem sobreaquecimento necessrio para acionar a carga.


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Com o conjugado sobredimensionado obtido, define-se atravs de uma tabela de caractersticas demotores padres, qual o motor que possui este conjugado. Este motor portanto ter a carcaa quepermitir a utilizao na faixa de rotaes necessria sem o problema de sobreaquecimento,fornecendo o conjugado necessrio para acionar a carga.

Pode-se ento utilizar este motor diretamente, que estar sobredimensionado em carcaa e tambm

em potncia, ou ento utilizar um motor que possua esta carcaa sobredimensionada, mas com apotncia ajustada ao acionamento, atravs da bobinagem de enrolamentos em carcaa maior (motorespecial).

10.2 Motores com ventilao independenteCom a utilizao de motores com ventilao independente, no existir mais o problema desobreaquecimento do motor por reduo de refrigerao, podendo o mesmo ser dimensionado coma carcaa normal e potncia necessria ao acionamento.

Para motores com ventilao independente, o ventilador que era acoplado ao prprio eixo do motor

agora acoplado um outro motor independente, que geralmente acoplado ao motor principalpor intermdio de uma flange defletora especial (reforada) que permite o suporte mecnico domotor da ventilao.

10.3 Altitude e temperatura ambienteA potncia admissvel de um inversor de freqncia determinada levando-se em considerao,principalmente, dois fatores:

Altitude em que o inversor ser instalado; Temperatura do meio refrigerante;

Conforme a NBR-7094, as condies usuais de servio, so:

a) Altitude no superior a 1000 m acima do nvel do mar;

b) Meio refrigerante (ar ambiente) com temperatura no superior a 40 oC;

Nos casos em que o inversor deva trabalhar com temperatura do ar de refrigerao na potncianominal, maior do que 40 oC e/ou em altitude maior do que 1000m acima do nvel do mar, deve-seconsiderar os seguintes fatores de reduo:

EFEITO DA TEMPERATURA AMBIENTE

A reduo da potncia (corrente) nominal do inversor de freqncia, devido elevao datemperatura ambiente, acima de 40 oC e limitada a 50 oC, dada pela relao a seguir e grficomostrado na Figura 20.

Fator de reduo = 2 % / oC


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comando do mesmo. O contador tambm permite um seccionamento remoto da rede eltrica quealimenta o inversor.

11.6 CabosOs sinais eltricos transmitidos pelos cabos podem emitir radiao eletromagntica e tambmpodem absorver radiao (se comportam como antenas) provocando falsos sinais que prejudicaro ofuncionamento do equipamento. assim que existem cabos especiais com blindagem para minimizareste tipo de interferncias.

Se perto do equipamento houver contatores, ser necessrio instalar supressores de transientes nasbobinas dos contadores. O cabo de conexo do inversor com o motor uma das fontes maisimportantes de emisso de radiao eletromagntica.

Sendo assim necessrio seguir os seguintes procedimentos de instalao:

Cabo com blindagem e fio-terra, como alternativa pode ser usado eletroduto metlico comfiao comum interna;

Blindagem ou eletroduto metlico deve ser aterrado conforme Figura 22; Separar dos cabos de sinal, controle e cabos de alimentao de equipamentos sensveis; Manter sempre continuidade eltrica de blindagem, mesmo que contatores ou rels

trmicos sejam instalados entre conversor e o motor.

Figura 22 - Detalhamento da montagem do inversor de freqncia.

Cabos de Sinal e Controle:


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Cabo blindado aterrado ou eletroduto metlico aterrado; Separao da fiao de potncia; Caso necessrio, cruzamento de cabos, faz-lo a 90o; Caso necessrio seguirem na mesma canaleta, usar separador metlico aterrado.

11.7 AterramentoAterramento em um nico Ponto

Filtro + conversor + motor; O motor pode tambm ser aterrado na estrutura da mquina (segurana); Nunca utilizar neutro como aterramento; No compartilhe a fiao de aterramento com outros equipamentos que operem altas

correntes (motores de alta potncia, mquina de solda, etc.); A malha de aterramento deve ter uma resistncia menor que 10 ohms.

Recomenda-se usar filtros RC em bobinas de contatores, solenides ou outros dispositivos similaresem alimentao AC. Em alimentao DC usar diodo de roda livre.

Conexo de Resistores de Frenagem Reosttica

Cabo com blindagem aterrada ou eletroduto metlico aterrado; Separado dos demais.

A rede eltrica deve estar referenciada ao terra (neutro aterrado na subestao).

11.8 Rels trmicosOs inversores possuem normalmente proteo contra sobrecorrentes que tem como finalidadeproteger o motor. Quando mais de um motor acionado pelo mesmo inversor ser necessriocolocar um rel trmico de proteo em cada motor. Como o sinal de sada do inversor chaveado aaltas freqncias, podem acontecer disparos nos rels, mesmo sem estes terem atingido a correntenominal de disparo. Para isto no acontecer necessrio aumentar a corrente de disparo do rel emaproximadamente 10% da corrente nominal do motor.

11.9 Reatncia de sadaQuando a distncia entre motor e inversor grande (valor dependente do tipo de motor utilizado)podem ocorrer:

A - Sobretenses no motor produzidas por um fenmeno chamado de onda refletida.

B - Gerao de capacitncias entre os cabos de potncia que retornam para o inversor produzindo oefeito de fuga a terra, bloqueando o inversor.

Este tipo de problemas pode ser solucionado utilizando uma reatncia entre o motor e o inversor.Esta reatncia deve ser projetada especialmente para altas freqncias, pois os sinais de sada doinversor possuem freqncias de at 20 kHz.


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11.10Instalao em painis - princpios bsicosAs fiaes blindadas nos painis devem ser separadas das fiaes de potncia e comando.

Os sinais analgicos de controle devem estar em cabos blindados com blindagem aterrada emapenas um lado, sendo efetuado sempre do lado que o sinal gerado.

Os sinais de encoder e comunicao serial devem ser aterrados conforme orientao especfica nomanual do equipamento, o qual estar representado no projeto. Os cabos de aterramento de barrasde (0V e malhas) devem ser maior ou igual a 4 mm2.

Os cabos de sada de potncia dos conversores devem ser separados das demais fiaes dentro dopainel. Quando no possvel, devem cruzar-se a noventa graus.

Os cabos de entrada de sinais de transdutores tipo isoladores galvnicos devem ser separados doscabos de sada de sinal dos mesmos.

Os aterramentos dos equipamentos devem ser efetuados rigorosamente conforme tabela de fiaoque, por sua vez, deve estar rigorosamente conforme projeto, ou seja, somente devem ser efetuadosos aterramentos indicados no projeto, exceto os aterramentos de estrutura, placas, suporte e portas

do painel.

Conecte diferentes partes do sistema de aterramento, usando conexes de baixa impedncia. Umacordoalha uma conexo de baixa impedncia para altas freqncias. Mantenha as conexes deaterramento as mais curtas possveis.

12 Referncias[1] SKVARENINA, Timothy L. The power electronics handbook. Nova Iorque: CRC Press, 2002.[2] RASHID, Muhammad H. Eletrnica de Potncia: Circuitos, dispositivos e aplicaes. So Paulo:

Makron Books, 1999. 828 p.[3] LANDER, Cyril W. Eletrnica Industrial: Teoria e aplicaes. 2. ed. So Paulo: Makron Books,

1996. 647 p.[4] MOHAN, N.; UNDELAND, T. M. e ROBBINS, W. P. Power Electronics: Converters, applications

and design. Nova Iorque: John Wiley & Sons, Inc., 1989. 667 p.[5] WEG. Guia de aplicao de Inversores de freqncia. 3. ed. Jaragu do Sul: Weg, [200-]. 264 p.[6] WEG. Mdulo 2: Variao de velocidade. Jaragu do Sul: Weg, [200-]. 277 p.[7] WEG. Manual do inversor de freqncia CFW-09. Jaragu do Sul: Weg, 2006. 361 p.[8] MAGALHES, R. C. Inversores: tecnologia, aplicaes e uso em controle de processos. InTech

Amrica do Sul. So Paulo, n. 101, p. 31-33, 2008.[9] CASTRO, G. Como especificar um inversor de freqncia? Mecatrnica Atual. So Paulo, ano 4,

n. 31, p.13-20, dez. - jan. 2006 - 2007.

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