curso de inversores de frequencia

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1 Inversor de Freqüência 1 Conteúdo 2 Benefícios do inversor de freqüência .............................................................................................. 3 3 Conversores ..................................................................................................................................... 3 4 Princípio de funcionamento do inversor de freqüência.................................................................. 4 4.1 Inversor de freqüência monofásico......................................................................................... 4 4.2 Controle por deslocamento de fase ........................................................................................ 5 4.3 PWM Senoidal ......................................................................................................................... 6 4.4 Inversor de freqüência trifásico .............................................................................................. 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 dinâmica (ou reostática) e regenerativa .............................................................. 13 5.2 Rampa de desaceleração....................................................................................................... 14 5.3 Frenagem por injeção de corrente contínua......................................................................... 14 6 Harmônicas.................................................................................................................................... 14 7 Compatibilidade eletromagnética ................................................................................................. 15 8 Aterramento e Blindagem ............................................................................................................. 16 9 Características do inversor de freqüência ..................................................................................... 16 9.1 Compensação de escorregamento........................................................................................ 16 9.2 Partida por rampa de aceleração .......................................................................................... 17 9.3 Partida boost ......................................................................................................................... 17 9.4 Partida com motor girando (flying start) .............................................................................. 17 9.5 Parada por inércia ................................................................................................................. 17 9.6 Parada por injeção de corrente contínua.............................................................................. 17 9.7 Parada por rampa de desaceleração ..................................................................................... 17 9.8 Rampa "S".............................................................................................................................. 18 9.9 Rejeição de freqüências críticas ............................................................................................ 18 9.10 Enfraquecimento de campo .................................................................................................. 18 9.11 Regulador PID ........................................................................................................................ 19 9.12 Operação em rede ................................................................................................................. 19 10 Dimensionamento do inversor .................................................................................................. 20 10.1 Motores autoventilados ........................................................................................................ 20 10.2 Motores com ventilação independente ................................................................................ 21 10.3 Altitude e temperatura ambiente ......................................................................................... 21 11 Instalação .................................................................................................................................. 22

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Page 1: Curso de Inversores de Frequencia

1

Inversor de Freqüência

1 Conteúdo

2 Benefícios do inversor de freqüência .............................................................................................. 3

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

4 Princípio de funcionamento do inversor de freqüência .................................................................. 4

4.1 Inversor de freqüência monofásico ......................................................................................... 4

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

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

4.4 Inversor de freqüência trifásico .............................................................................................. 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 dinâmica (ou reostática) e regenerativa .............................................................. 13

5.2 Rampa de desaceleração ....................................................................................................... 14

5.3 Frenagem por injeção de corrente contínua ......................................................................... 14

6 Harmônicas .................................................................................................................................... 14

7 Compatibilidade eletromagnética ................................................................................................. 15

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

9 Características do inversor de freqüência ..................................................................................... 16

9.1 Compensação de escorregamento ........................................................................................ 16

9.2 Partida por rampa de aceleração .......................................................................................... 17

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

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

9.5 Parada por inércia ................................................................................................................. 17

9.6 Parada por injeção de corrente contínua .............................................................................. 17

9.7 Parada por rampa de desaceleração ..................................................................................... 17

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

9.9 Rejeição de freqüências críticas ............................................................................................ 18

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

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

9.12 Operação em rede ................................................................................................................. 19

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

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

10.2 Motores com ventilação independente ................................................................................ 21

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

11 Instalação .................................................................................................................................. 22

Page 2: Curso de Inversores de Frequencia

2

11.1 Rede de alimentação elétrica ................................................................................................ 22

11.2 Fusíveis .................................................................................................................................. 23

11.3 Condicionamento da rede de alimentação ........................................................................... 23

11.4 Filtro de rádio-freqüência...................................................................................................... 23

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

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

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

11.8 Relés térmicos ....................................................................................................................... 25

11.9 Reatância de saída ................................................................................................................. 25

11.10 Instalação em painéis - princípios básicos......................................................................... 26

12 Referências ................................................................................................................................ 26

Page 3: Curso de Inversores de Frequencia

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2 Benefícios do inversor de freqüência

O inversor de freqüência possibilita a substituição de variadores de mecânicos de velocidade, que

demandam manutenções demoradas e dispendiosas, além do aumento da vida útil de outras partes

mecânicas das máquinas. Uma vez que os impactos mecânicos provocados por acionamentos

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

custosos motores de corrente contínua pelo conjunto motor assíncrono e inversor de freqüência,

uma vez que estes últimos são de fácil reposição e manutenção.

Em determinados casos é possível substituir válvulas de controle de vazão por um sistema com

variação de velocidade de uma bomba, reduzindo o consumo de energia elétrica.

As aplicações típicas do inversor são:

• Sistemas de bombeamento de fluidos;

• Sistemas de ventilação;

• Ar-Condicionado (sistemas de chiller à água);

• Correias transportadoras;

• Movimentação de cargas;

• Extrusoras;

• Centrífugas de açúcar;

• Moinhos.

3 Conversores

Os conversores ou conversores de energia elétrica são equipamentos que controlam do fluxo de

energia elétrica entre sistemas elétricos, de acordo com uma topologia de circuito eletrônico que

permitirá a conversão de energia elétrica conforme apresentado na Figura 1.

Figura 1 - Tipos básicos de conversão de energia elétrica.

Os conversores AC/CD são chamados de retificadores, cuja corrente de saída é sempre contínua,

operando em sistemas monofásicos e polifásicos. Estes retificadores podem ser controlados e não-

controlados. Os controlados permitem a variação do valor médio da tensão de saída pelo ângulo de

disparo dos SCRs. Os não-controlados utilizam somente diodos cujo valor médio da tensão de saída

será fixa para uma determinada carga e tensão de entrada.

Page 4: Curso de Inversores de Frequencia

4

Os conversores DC/DC são chamados de choppers e permitem o controle da tensão média de saída a

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

este controle.

Os conversores DC/AC são chamados de inversores de freqüência, onde sua tensão de entrada é

contínua e a tensão de saída é alternada e variável em tensão e freqüência. Atualmente os IGBTs

(Insulated Gate Bipolar Transistors) são muito empregados na construção deste tipo de

equipamento.

Nota-se que a maioria dos inversores de freqüência comerciais contêm outro conversor na entrada –

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

equipamento é chamado de inversor de freqüência.

Os conversores AC/AC são chamados de cicloconversores e permitem o controle da tensão eficaz e

freqüência de saída com o uso de SCRs. Porém, devido a limitações na faixa de variação da

freqüência e na elevada distorção da tensão de saída este conversor é pouco empregado, sendo

substituído pelo inversor de freqüência.

EX: Se a entrada fosse de 60 Hz, a saída variável seria de 0 – 20 Hz.

4 Princípio de funcionamento do inversor de freqüência

4.1 Inversor de freqüência monofásico

Inversores são equipamentos utilizados para gerar tensões alternadas – monofásica ou polifásica – a

partir de uma tensão contínua, sendo a maioria deles utilizados para controlar a velocidade de

motores de indução. Outra aplicação do inversor é na construção de no-breaks ou UPS

(Uninterruptable Power Supplies), gerando tensões alternadas com valor eficaz e freqüência fixa.

A Figura 2 mostra a topologia em ponte completa de um inversor de freqüência com saída

monofásica. Considerando o referencial de polaridade da tensão na carga (Load + e Load-), adotado

na Figura 2, observa-se que a tensão na carga será positiva (+Vdc) quando apenas as chaves IGBT1 e

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

ligadas. Note que nesta configuração as chaves IGBT1 e IGBT2 nunca poderão 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) são comutadas.

Figura 2 - Topologia de um inversor de freqüência monofásico.

Vo

Page 5: Curso de Inversores de Frequencia

5

Desta forma a tensão na carga será quadrada como mostrado na Figura 3.

Figura 3 - Tensão na carga.

Considerando que a tensão Vdc é constante o valor eficaz da tensão na carga será fixa, podendo-se

variar somente a freqüência. A variação da freqüência é extremamente importante, pois ela será

responsável pela variação da velocidade do motor. Porém a variação da tensão eficaz de saída é

muito importante para evitar a elevação da corrente de entrada.

4.2 Controle por deslocamento de fase

Uma forma de variar a tensão eficaz é a utilização do controle por deslocamento de fase (phase-shift)

mostrado na

Figura 4, que apresenta as tensões nos IGBTs e na saída (Vo).

VIGBT1

Vdc

ωt

VIGBT3

Vdc

ωt

VIGBT4

π

ωt

VIGBT2

Vdc

ωt

Vdc

ωt

Vo

-Vdc

β

Vo

Vdc

-Vdc

ωt 2π π

Page 6: Curso de Inversores de Frequencia

6

Figura 4 - Controle por deslocamento de fase.

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

de 50 %, ou seja, 50% do período a chave superior do braço está ligada e no restante do período está

desligada. A fase das chaves IGBT3 e IGBT4 está deslocada em relação à fase das chaves IGBT1 e

IGBT2.

A tensão eficaz de saída é

Onde β é o ângulo de deslocamento da fase em radianos e Vdc é a tensão de entrada.

4.3 PWM Senoidal

O conteúdo harmônico de uma onda quadrada é muito elevado. Buscando reduzir este conteúdo

harmônico pode-se utilizar a modulação pela largura de pulso PWM (pulse-width modulation), porém

com a largura do pulso variável ao longo do período conforme uma senóide, denominado PWM

senoidal.

Conforme mostrado na Figura 5, para um inversor monofásico, tem-se a tensão de saída igual à

tensão de entrada (E) se a tensão da senóide de referência for maior que a tensão da onda triangular

e igual a zero caso contrário. Variando-se a amplitude e a freqüência da senóide de referência será

possível observar a mesma variação na tensão eficaz e na freqüência da saída.

Page 7: Curso de Inversores de Frequencia

7

Figura 5 - Formação de uma onda PWM. (a) Em tensão de saída máxima. (b) Em metade da tensão de

saída máxima. (c) Em metade da tensão e metade da freqüência.

OBS: No PWM senoidal as Harmônicas de menores ordens são atenuadas.

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

4.4 Inversor de freqüência trifásico

A Figura 6 mostra o diagrama de potência do inversor de freqüência trifásico comumente utilizado

para acionamento de motores de indução.

Figura 6 - Topologia de um inversor de freqüência trifásico.

Page 8: Curso de Inversores de Frequencia

8

A fonte Vdc em geral é um retificador trifásico não-controlado – veja Figura 7 – com um filtro

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

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

para motores de baixa potência, uma vez que a tensão de pico da saída do retificador será a mesma

comparando-se com o caso trifásico. Alguns inversores de baixa potência utilizam retificador

monofásico na entrada, disponibilizando saída trifásica.

Figura 7 - Retificador trifásico não-controlado.

O diagrama de blocos de um inversor de freqüência trifásico pode ser visualizado na Figura 8. Onde a

unidade de controle microprocessada é responsável pelo disparo das chaves semicondutoras do

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

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

analógicos e digitais.

Figura 8 - Diagrama de blocos do inversor de freqüência

O circuito de potência completo do inversor de freqüência está apresentado na Figura 9.

Page 9: Curso de Inversores de Frequencia

9

Figura 9 - Circuito de potência do inversor de freqüência

4.5 Carga do capacitor de filtro

Geralmente os inversores de freqüência contêm um circuito de pré-carga do capacitor de filtro (ver

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

tensão também elevada. Este circuito possibilita a carga suave do capacitor, utilizando um resistor

série que é curto-circuitado quando a tensão do barramento DC estiver próxima de sua tensão

nominal.

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

4.6 Controle Escalar

O controle escalar de um motor de indução pode ser analisado a partir de seu modelo, mostrado na

Figura 11.

Figura 11 - Modelo do motor de indução.

R

K1

C

Page 10: Curso de Inversores de Frequencia

10

Onde a resistência série e a reatância de dispersão do estator são R1 e X1, respectivamente. A

resistência série e a reatância de dispersão do rotor referidas ao estator são R2 e X2,

respectivamente. A reatância de magnetização é Xm. As perdas no núcleo são representadas por Rc. A

velocidade do motor é dada pela equação

Onde f é a freqüência da entrada de alimentação, p é o número de pólos do motor e s é o

escorregamento do motor que é dado por

Onde Ve é a velocidade angular síncrona do campo girante e Vr é a velocidade angular do rotor, ambas em rad/s.

A potência no eixo do motor é expressa por

Considerando que

Portanto,

Onde o fator 3 foi inserido para considerar o torque gerado pelas três fases. Esta expressão mostra que o torque do motor de indução é possível variando-se o valor tensão aplicada no estator. A Figura 12 mostra o comportamento do torque em ralação à velocidade para diferentes tensões.

Page 11: Curso de Inversores de Frequencia

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Figura 12 - Característica torque-velocidade com variação da tensão, mantendo a freqüência fixa.

O controle de velocidade é realizado pelo ajuste da tensão de entrada, mantendo-se a freqüência fixa. Se a tensão for reduzida, o escorregamento aumenta mantendo o torque. A equação torque mostra sua proporcionalidade como quadrado da tensão. É possível verificar, na figura acima, que a faixa de variação de velocidade é pequena. Este método de controle de velocidade implica em perda da eficiência, aumento nas perdas do rotor podendo sobreaquecer e reduzir o torque máximo do motor, devido ao aumento do escorregamento com a redução da tensão. Este método é indicado para bombas e ventiladores, pois o torque varia quadraticamente com a velocidade.

Simplificando a expressão do torque, tem-se:

A reatância de magnetização varia linearmente com a freqüência. Conseqüentemente, com a tensão de entrada constante, a corrente de entrada aumenta com a diminuição da freqüência, aumentando o fluxo magnético, podendo saturar a máquina. Para evitar isto a tensão de entrada deve variar de forma proporcional a freqüência, uma vez que em qualquer circuito magnético a tensão induzida é proporcional ao nível de fluxo e à freqüência (a partir de v = dФ/dt).

Podemos deduzir assim que o controle escalar em inversores de freqüência é utilizado em aplicações normais que não requerem elevada dinâmica (grandes acelerações e frenagens), nem elevada precisão e nem controle de torque. Um inversor com controle escalar pode controlar a velocidade de rotação do motor com uma precisão de até 0,5 % da rotação nominal para sistemas sem variação de carga, e de 3 % a 5 % com variação de carga de 0 a 100 % do torque nominal. Pelo princípio de funcionamento e aplicação, são utilizados na maioria das vezes motores de indução convencionais sem nenhum sistema de realimentação de velocidade (tacogerador de pulsos acoplado ao motor) em malha fechada. A faixa de variação de velocidade é pequena e da ordem de 1:10 (Ex: 6 a 60Hz).

Com estas características, o inversor de freqüência escalar é a mais utilizado em sistemas que não requerem alto desempenho. Este apresenta também um custo relativo menor quando comparado com outros tipos de inversores mais sofisticados, como por exemplo o inversor com controle vetorial.

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4.7 Controle Vetorial

No motor de indução o fluxo magnético e a corrente não são independentes um do outro, sendo ambos estabelecidos pela, e relacionados à, corrente no enrolamento do estator.

Idealmente, o fluxo do rotor estabelecido pela corrente do rotor está em quadratura com o fluxo do estator, gerando torque. Utilizando um modelo simplificado ilustrado na Figura 13, com o diagrama fasorial associado.

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

O torque desenvolvido é relacionado à componente em fase de I2 mostrada como Iq e o fluxo é relacionado à corrente Im modificado pela componente reativa de I2 para dar a componente mostrada com Iq. O objetivo do controle vetorial, às vezes referido como controle de orientação de campo, é controlar separadamente o módulo das duas componentes Id e Iq, de tal forma que o fluxo seja proporcional a Id e o torque, proporcional a Iq. Controlando independentemente cada componente, temos um sistema que se iguala ao do motor DC em ambas as respostas, a de regime permanente e a transitória.

Para implementar o controle vetorial, os parâmetros do motor têm de ser conhecidos e os valores colocados em um conjunto de equações desenvolvido a partir da teoria generalizada da máquina. Dessa maneira, os valores desejados das duas componentes da corrente do estator podem ser traduzidos para determinar os valores instantâneos das correntes dos três enrolamentos do estator.

O controle vetorial representa, sem dúvida, um avanço tecnológico significativo, aliando as performances dinâmicas de um acionamento DC e as vantagens de um motor AC. Porém, em alguns sistemas que utilizam controle vetorial é necessário o uso de um encoder (tacogerador de pulsos) acoplado ao motor para que se tenha uma melhor dinâmica, o que torna o motor especial. Sendo assim pode-se dizer que existem dois tipos de implementação de inversores vetoriais: o inversor “sensorless” (sem sensores) e o inversor com realimentação por encoder (controle orientado pelo campo).

O inversor com realimentação por encoder é capaz de controlar a velocidade e o torque no motor, pois calcula as duas componentes da corrente do motor. Estes tipos de inversores conseguem excelentes características de regulação e resposta dinâmica, como por exemplo:

• Regulação de velocidade: 0,01 %

• Regulação de torque: 5 %

• Faixa de variação de velocidade: 1:1000

• Torque de partida: 200 % máx.

• Torque máximo (não contínuo): 200 %

Page 13: Curso de Inversores de Frequencia

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

• Regulação de velocidade: 0,3 %

• Regulação de torque: 5 % (somente para freqüência acima de 3 Hz)

• Faixa de variação de velocidade: 1:100

• Torque de partida: 150 %

• Torque máximo (não contínuo): 150 %

5 Frenagem

5.1 Frenagem dinâmica (ou reostática) e regenerativa

Durante a frenagem do motor a polaridade da tensão do barramento DC não é alterada. Entretanto, o sentido da corrente é invertido, ou seja, do motor em direção ao capacitor de filtragem do barramento DC. Como esta corrente não pode circular pelos diodos do retificador de entrada, em direção à fonte de alimentação, alguma estratégia deve ser utilizada para evitar o aumento indevido da tensão do barramento DC, devido à carga do capacitor de filtragem, podendo atingir níveis críticos danificando o circuito.

Uma possibilidade é utilizar um banco de resistores instalado em paralelo com o capacitor de filtragem através de um chopper que permitirá o controle da energia dissipada, e da tensão do barramento DC, de acordo com a energia devolvida pelo motor durante a frenagem. A Figura 14 mostra o barramento DC com filtro e módulo de frenagem.

Figura 14 - Módulo de frenagem dinâmica.

Outra possibilidade é utilizar um conversor regenerativo na entrada do inversor (ver Figura 15), direcionando o fluxo de energia do barramento DC à fonte de alimentação, regenerando a energia armazenada no motor e em sua carga, principalmente naquelas com grande inércia. Alguns fabricantes permitem que os barramentos DC de vários inversores sejam interligados, possibilitando a troca de energia entre eles, desde que seus ciclos de trabalho sejam distintos, para que as frenagens não sejam simultâneas.

C

R

Page 14: Curso de Inversores de Frequencia

14

Figura 15 - Conversor regenerativo

5.2 Rampa de desaceleração

É possível uma frenagem controlada através de uma rampa de desaceleração quando a freqüência aplicada ao motor é reduzida de uma forma controlada, necessitando-se para isso de um inversor de freqüência, sendo que dessa forma o motor se comporta como um gerador assíncrono e fornece um torque de frenagem. Em outras palavras, quando o escorregamento torna-se negativo, isto é, quando a velocidade síncrona (ou freqüência estatórica aplicada pelo inversor) torna-se menor do que a velocidade do motor (velocidade rotórica), o torque gerado pelo motor torna-se negativo e este é frenado. Neste estado o motor opera como gerador com a energia cinética (do motor e da carga) convertida em energia elétrica que é transmitida ao circuito intermediário (DC), através da ponte de transistores, como energia que é consumida através de um módulo de frenagem reostática. A potência da frenagem é função do tempo de desaceleração, da inércia das massas em movimento e do torque resistente. Uma parte da energia de frenagem é dissipada em perdas no motor, e o restante deverá ser dissipada de alguma forma. Os inversores de freqüência apresentam a opção de utilização de módulos de frenagem reostática, que são bancos de resistores controlados eletronicamente e conectados ao circuito intermediário (DC) que permite se obter até um torque de frenagem próximo ao torque nominal do motor, assegurando a dissipação da energia de frenagem nestas resistências externas.

5.3 Frenagem por injeção de corrente contínua

Este tipo de frenagem do motor é conseguida aplicando-se no seu estator uma tensão contínua. Esta é obtida pelo disparo dos transistores do inversor, não necessitando nenhum dispositivo adicional. Este tipo de frenagem é útil quando se deseja a parada do motor (freio) apenas, diferentemente da frenagem reostática que pode ser utilizada para reduzir a velocidade, mas mantendo-se o motor girando. O torque de frenagem pode ser ajustado de acordo com a aplicação, através do tempo de injeção de corrente contínua e do nível de tensão DC aplicada no motor.

Na prática, a frenagem DC tem sua aplicação limitada devido ao fato de que toda a energia de frenagem é dissipada no próprio motor, podendo causar sobreaquecimento excessivo no mesmo. Assim, para não comprometer a vida útil do motor, utiliza-se a frenagem DC com tensões contínuas limitadas a aproximadamente 20% da tensão nominal AC do motor.

6 Harmônicas

Page 15: Curso de Inversores de Frequencia

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O matemático Fourier mostrou que é possível representar uma forma de onda periódica por uma série de componentes harmônicas. Desta forma, qualquer tensão ou corrente periódica em um sistema de potência pode ser representada pela série de Fourier. Além disso, ele mostrou que a série pode ser encontrada, supondo que a forma de onda pode ser expressa por uma função matemática. Se a forma de onda f(t) é periódica, com período T, então ela pode ser aproximada como

Onde a0 representa o valor DC da forma de onda, a1 a an são coeficientes de amplitude e θ1 a θn são coeficientes de fase da série de Fourier. Quanto maior o valor de n melhor será a aproximação.

Alguns efeitos provocados pelas correntes harmônicas são:

• Aumento da corrente eficaz;

• Maior aquecimento dos cabos e alimentação do inversor;

• Aumento do aquecimento de transformadores e redução de sua vida útil;

• Risco de ressonância com banco de capacitores;

• Ruptura de dielétricos;

• Aumento da queda de tensão na instalação;

• Piora do fator de potência;

• Distorção da tensão que alimenta outras cargas;

• Disparo indevido de fusíveis e disjuntores ;

• Maior perda de energia nos cabos de alimentação (devido ao efeito skin);

• Aumento de perda e torques pulsantes no motor;

• Aumento da corrente do neutro.

Algumas soluções possíveis para redução de harmônicos:

• Reator na entrada AC;

• Reator no barramento DC do inversor;

• Filtro passivo (passa-baixa ou sintonizado).

7 Compatibilidade eletromagnética

A radiação eletromagnética que afeta adversamente o desempenho de equipamentos eletro-eletrônicos é conhecida geralmente por EMI, ou Interferência Eletromagnética. Muitos tipos de circuitos eletrônicos são suscetíveis a EMI e devem ser protegidos para assegurar seu correto funcionamento. Da mesma forma, emissões irradiadas desde dentro dos equipamentos eletrônicos podem prejudicar o funcionamento dos mesmos ou de outros equipamentos que se encontrem perto destes. Para assegurar o correto funcionamento de equipamentos eletrônicos, as emissões eletromagnéticas produzidas por equipamentos comerciais não devem exceder níveis fixados por organizações que regulamentam este tipo de produtos.

A radiação eletromagnética são ondas eletromagnéticas formadas por dois campos: um campo elétrico (“E”) e um campo magnético (“H”) que oscilam um a 90 graus do outro. A relação de “E” para “H” é chamada a impedância de onda. Um dispositivo que opera com alta tensão e baixa corrente gera ondas de alta impedância (campos “E”). Reciprocamente, se um dispositivo opera com correntes elevadas comparado a sua voltagem, gera campos de baixa impedância (campo “H”).

Page 16: Curso de Inversores de Frequencia

16

A importância da impedância de onda é posta em evidência quando uma onda de EMI encontra um obstáculo tal como uma proteção de metal. Se a impedância da onda é muito diferente da impedância natural da proteção, a maior parte da energia é refletida e a energia restante é transmitida e absorvida através da superfície.

As emissões eletromagnéticas (EMI) da maioria dos equipamentos comerciais são tipicamente de alta freqüência e alta impedância. A maior parte do campo emitido é do tipo “E”. Os metais possuem baixa impedância por causa de sua alta condutividade. É assim que as ondas eletromagnéticas produzidas por campos “E” são refletidas por proteções de metal. Contrariamente, ondas de baixa impedância (campo H dominante) são absorvidas por uma proteção de metal.

Para proteger os equipamentos é necessário fazer uma blindagem. Entende-se por blindagem a utilização de materiais condutivos para absorver e/ou refletir a radiação eletromagnética, causando uma abrupta descontinuidade no caminho das ondas. Como já foi comentado para ondas de baixa freqüência a maior parte da energia é refletida pela superfície da blindagem, enquanto que a menor parte é absorvida. Para ondas de alta freqüência geralmente predomina a absorção.

O desempenho da blindagem é uma função das propriedades e configuração do material empregado (condutividade, permeabilidade e espessura), da freqüência, e da distância da fonte de radiação à proteção (blindagem).

8 Aterramento e Blindagem

O aterramento de um equipamento é de extrema importância para o seu correto funcionamento, devido a segurança e a blindagem eletromagnética.

Todas as partes condutoras de um equipamento elétrico que podem entrar em contato com o usuário, devem ser aterradas para proteger os mesmos de possíveis descargas elétricas. Quando um equipamento está corretamente aterrado, todas as partes condutoras que podem entrar em contato com o usuário tem que ter uma diferença de potencial de zero volts a respeito do aterramento.

A blindagem dos equipamentos é realizada normalmente com placas metálicas formando um gabinete ou caixa. Estas devem estar ligadas umas as outras através de materiais condutores e todas corretamente aterradas.

Todo equipamento que gera ondas EMI (exemplo: transistores chaveando cargas a alta freqüência e com altas correntes – inversores) devem possuir blindagem eletromagnética e esta deve estar corretamente aterrada. Principalmente quando são utilizados em conjunto com outros equipamentos eletrônicos.

Blindagens eletromagnéticas típicas:

Gabinetes metálicos utilizados em equipamentos eletrônicos provêem bons níveis de blindagem eletromagnética, a qualidade desta blindagem depende do tipo de metal e espessura utilizada na fabricação dos gabinetes. Plástico e outros materiais não condutores, quando utilizados como gabinetes, podem ser metalizados com pinturas condutivas, camadas de filme metálico, etc.

Portas, aberturas, janelas, painéis de acesso, e outras aberturas em gabinetes são um caminho de entrada e saída das EMIs. Sendo assim é necessário projetar adequadamente este tipo de aberturas para minimizar a radiação emitida e absorvida.

9 Características do inversor de freqüência

9.1 Compensação de escorregamento

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cada motor tem seu escorregamento específico dependendo da carga e da temperatura de trabalho. Através desta função, as variações de velocidade de giro do motor, causadas por variações de carga, poderão ser reduzidas, porém esta compensação não elimina completamente o efeito do escorregamento, pois funciona em malha aberta.

A compensação do escorregamento é empregada para manter a velocidade constante independente de mudanças na carga, atuando como um controle de velocidade em malha aberta. Assim, a freqüência de saída do inversor aumenta ou diminui conforme a corrente do motor varia em função do aumento ou diminuição da carga.

9.2 Partida por rampa de aceleração

O acionamento acelerará seguindo o tempo de aceleração ajustado para a rampa desde que a corrente do motor não ultrapasse os limites parametrizados no conversor.

9.3 Partida boost

Em caso de partida com carga elevada ou para motores com alto torque de partida (categoria H) esta função poderá ser utilizada. A tensão aplicada no motor é inicialmente elevada até que a carga aumente a velocidade, vencendo a inércia 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 freqüência de giro do motor evita picos de corrente e impactos mecânicos na carga.

Este recurso se utiliza para quando é necessário o religamento do motor com o inversor de freqüência mesmo que o motor (ou máquina) ainda esteja em movimento. Para os inversores comuns sem este recurso, o religamento não é possível devido ao fato de que quando o motor ainda encontra-se girando, existe uma magnetização residual que faz com que seja gerada uma tensão nos seus terminais. Com o religamento do inversor, surgem então picos de corrente transitórias que faz com que a proteção contra curto-circuito do inversor atue, bloqueando-o.

9.5 Parada por inércia

Neste tipo de parada o conversor retira a alimentação do motor que pára por inércia, portanto o tempo de parada será diferente para velocidades e cargas diferentes.

9.6 Parada por injeção de corrente contínua

A injeção de corrente contínua permitirá uma frenagem do motor de forma intensa. Geralmente ajustam-se a tensão contínua e seu tempo de aplicação no motor, para proporcionar a frenagem desejada sem aquecer excessivamente o motor.

9.7 Parada por rampa de desaceleração

O acionamento desacelerará seguindo o tempo de desaceleração ajustado para a rampa desde que a corrente regenerativa não ultrapasse a capacidade limite de absorção do conversor.

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9.8 Rampa "S"

A aceleração/desaceleração por rampa "S" é um recurso no qual se permite obter a aceleração/desaceleração de cargas onde se necessita de uma partida/parada de forma mais suave, não ocorrendo choques mecânicos no sistema. A rampa "S" pode ser ajustada em função da aplicação através do software do conversor (parâmetros de programação), onde se define os tempos de aceleração e desaceleração e também o percentual de distorção "S" da curva, conforme descrito na Figura 16.

Figura 16 - Aceleração e desaceleração por rampa "S".

9.9 Rejeição de freqüências críticas

Este recurso se utiliza quando o sistema a ser acionado possui faixas de operação com rotações críticas e que não podem ser utilizadas. Como exemplo, problemas de ressonância mecânica em ventiladores, que causam a vibração excessiva do mesmo, podem causar a destruição de rolamentos e eixos. A rejeição de freqüências críticas é feita através do ajuste da freqüência central e de uma banda em torno desta freqüência a qual o inversor não permitirá acionar o motor, conforme mostra a Figura 17.

Figura 17 - Rejeição de freqüências críticas.

Quando da aceleração ou desaceleração do motor, o inversor atua através das rampas ajustadas, passando pelas freqüências críticas, chegando aos valores desejados. Caso o valor ajustado seja uma freqüência crítica, o inversor irá operar na freqüência imediatamente acima ou abaixo do limite imposto.

9.10 Enfraquecimento de campo

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Um motor padrão para operar em rede de freqüência de 50 ou 60 Hz pode girar a freqüências mais altas quando alimentado por um conversor de freqüência. A velocidade máxima depende do seu balanceamento mecânico e dos rolamentos. Neste caso, como o motor funcionará com enfraquecimento de campo, mostrada graficamente na Figura 18, a máxima velocidade estará limitada pelo torque disponível do motor e pela máxima velocidade periférica das partes girantes do motor (ventilador, rotor, mancais).

Figura 18 - Diminuição do torque em função do aumento da velocidade.

9.11 Regulador PID

Um regulador pode ser descrito como um sistema que lê do processo a variável que se deseja controlar e a compara com o valor de referência desejado, produzindo um sinal de saída que atuará sobre o processo no sentido de diminuir a diferença entre o valor lido e o desejado. O algoritmo de um regulador PID consegue obter erro nulo em regime.

Este regulador pode ser utilizado para controlar diversas variáveis do sistema, como vazão, nível, temperatura, ou pressão, superpondo seu sinal de controle ao controle normal de velocidade do inversor (U/F).

Exemplos de aplicação Controle de vazão em uma tubulação, com realimentação da vazão e com o inversor acionando a motobomba que faz o fluido circular; controle de nível, controle de pressão; controle de temperatura, etc.

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

9.12 Operação em rede

Devicenet, controlnet, Ethernet, DF1, RS-485 são alguns tipos de comunicação serial que podem ser utilizadas para interligar o inversor de freqüência em uma rede. Uma vez que ele cada vez mais faz parte de um sistema de automação e o uso de redes digitais de comunicação se tornou necessário. Deve-se verificar entre as opções do mercado quais atendem melhor as necessidades da aplicação. Caso a rede já exista deve-se verificar a compatibilidade do produto com esta rede. Alguns aspectos devem ser levados em consideração para definir a rede de comunicação:

• Rede existente;

• Maior comprimento possível dos cabos;

• Tipo de cabo usado;

• Alimentação da rede;

• Tempo de resposta;

• Máximo número de dispositivos em rede;

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• Redundância;

• Implementação da comunicação: softwares especiais, programação dentro de um PLC, envio de dados necessários dentro das regras do protocolo escolhido, manual detalhado, serviços complementares da rede (comunicação mestre-escravo ou produtor-consumidor), protocolo aberto ou fechado, substituição de um inversor defeituoso por outro na rede.

10 Dimensionamento do inversor

Para dimensionar o inversor é necessário saber:

• Aplicação;

• Dados do motor;

• Tensão de alimentação;

• Características dinâmicas (aceleração e frenagem);

• Faixa de velocidade de operação;

• Sistema de acoplamento entre motor e carga (redutor);

• Sobrecargas (na partida ou em operação);

• Ambiente (temperatura, altitude, atmosfera).

10.1 Motores autoventilados

Para a operação com motores autoventilados padrões, é aconselhável a utilização de operação na faixa entre 50% a 100% da rotação nominal, faixa em que o ventilador acoplado ao próprio eixo do motor ainda possui eficiência na refrigeração. Para rotações abaixo de 50%, em caso de cargas com conjugado constante, é necessário o sobredimensionamento da carcaça do motor, ou através do simples aumento da potência nominal do motor, ou então através da fabricação de um motor especial com a carcaça sobredimensionada, a fim de prover a devida refrigeração do motor.

Para o cálculo da carcaça a ser utilizada, deve-se levar em consideração o torque necessário pela carga a ser acionada e a faixa de variação de velocidade. Definindo-se a velocidade mínima de operação, utiliza-se o gráfico mostrado na Figura 19.

Figura 19 – Torque x freqüência.

Pelo valor da freqüência mínima (rotação mínima) necessária à aplicação, utilizando o gráfico, defini-se o valor do conjugado máximo disponível (em p.u.) no motor sem ocorrer sobreaquecimento, utilizando a potência necessária ao acionamento.

Com este valor, defini-se então o novo conjugado do motor (sobredimensionado) que deveria ser utilizado sem sobreaquecimento necessário para acionar a carga.

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Com o conjugado sobredimensionado obtido, define-se através de uma tabela de características de motores padrões, qual o motor que possui este conjugado. Este motor portanto terá a carcaça que permitirá a utilização na faixa de rotações necessária sem o problema de sobreaquecimento, fornecendo o conjugado necessário para acionar a carga.

Pode-se então utilizar este motor diretamente, que estará sobredimensionado em carcaça e também em potência, ou então utilizar um motor que possua esta carcaça sobredimensionada, mas com a potência ajustada ao acionamento, através da bobinagem de enrolamentos em carcaça maior (motor especial).

10.2 Motores com ventilação independente

Com a utilização de motores com ventilação independente, não existirá mais o problema de sobreaquecimento do motor por redução de refrigeração, podendo o mesmo ser dimensionado com a carcaça normal e potência necessária ao acionamento.

Para motores com ventilação independente, o ventilador que era acoplado ao próprio eixo do motor agora é acoplado à um outro motor independente, que geralmente é acoplado ao motor principal por intermédio de uma flange defletora especial (reforçada) que permite o suporte mecânico do motor da ventilação.

10.3 Altitude e temperatura ambiente

A potência admissível de um inversor de freqüência é determinada levando-se em consideração, principalmente, dois fatores:

• Altitude em que o inversor será instalado;

• Temperatura do meio refrigerante;

Conforme a NBR-7094, as condições usuais de serviço, são:

a) Altitude não superior a 1000 m acima do nível do mar;

b) Meio refrigerante (ar ambiente) com temperatura não superior a 40 oC;

Nos casos em que o inversor deva trabalhar com temperatura do ar de refrigeração na potência nominal, maior do que 40 oC e/ou em altitude maior do que 1000m acima do nível do mar, deve-se considerar os seguintes fatores de redução:

EFEITO DA TEMPERATURA AMBIENTE

A redução da potência (corrente) nominal do inversor de freqüência, devido à elevação da temperatura ambiente, acima de 40 oC e limitada a 50 oC, é dada pela relação a seguir e gráfico mostrado na Figura 20.

Fator de redução = 2 % / oC

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Figura 20 - Curva de redução de potência nominal em função do aumento da temperatura.

EFEITO DA ALTITUDE

Inversores funcionando em altitudes acima de 1000 m, apresentam problemas de aquecimento causado pela rarefação do ar e, conseqüentemente, diminuição do seu poder de arrefecimento. A insuficiente troca de calor entre o inversor e o ar circundante, leva a exigência de redução de perdas, o que significa, também redução de potência. Os inversores tem aquecimento diretamente proporcional às perdas e estas variam, aproximadamente, numa razão quadrática com a potência. Segundo a norma NBR-7094, os limites de elevação de temperatura deverão ser reduzidos de 1% para cada 100m de altitude acima de 1000 m. A redução da potência (corrente) nominal do conversor de freqüência, devido à elevação da altitude acima de 1000 m e limitada a 4000 m, é dada pela relação a seguir e gráfico mostrado na Figura 21.

Fator de redução = 1 % / 100m

Figura 21 - Curva de redução de potência nominal em função do aumento da altitude.

11 Instalação

11.1 Rede de alimentação elétrica

Os inversores são projetados para operar em redes de alimentação simétricas. A tensão entre fase e terra deve ser constante, se por algum motivo esta tensão varia, por exemplo pela influência de algum outro equipamento ligado a rede, será necessário colocar um transformador de isolação.

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11.2 Fusíveis

Os inversores geralmente não possuem proteção contra curto-circuito na entrada, sendo assim, é responsabilidade do usuário colocar fusíveis para proteção. Estes são normalmente especificados na documentação técnica.

11.3 Condicionamento da rede de alimentação

Geralmente os inversores podem ser ligados diretamente a rede de alimentação. Existem, no entanto, certas condições que devem ser levadas em conta na instalação de um inversor, sendo necessária a utilização de transformadores isoladores e/ou reatâncias de rede.

Exemplos:

• A rede elétrica experimenta freqüentes flutuações de tensão ou cortes de energia elétrica (transformador isolador / reatância);

• A rede elétrica não tem neutro referenciado ao terra (transformador isolador);

• A rede tem capacitores para correção de fator de potência não conectados permanentemente. Isto significa que o banco de capacitores estará sendo conectado e desconectado da rede permanentemente (reatância de rede). Deve-se levar em conta que a colocação de uma reatância de rede reduz a tensão de alimentação em aproximadamente 2 a 3%.

As reatâncias de rede são utilizadas também para:

• Minimizar falhas no inversor provocadas por sobretensões transitórias na rede de alimentação;

• Reduzir harmônicas;

• Melhorar o fator de potência;

• Aumentar a impedância da rede vista pelo inversor.

11.4 Filtro de rádio-freqüência

Os filtros de rádio freqüência são utilizados na entrada dos inversores para filtrar sinais de interferência (ruído elétrico) gerado pelo próprio inversor, que serão transmitidas pela rede e poderiam causar problemas em outros equipamentos eletrônicos. Na grande maioria dos casos não são necessários pois os inversores WEG já possuem internamente um filtro na entrada que evita problemas causados por Interferência Eletromagnética (EMI). Caso seja necessário, devem ser montados próximos a alimentação do inversor, estando tanto o inversor como o filtro mecanicamente sobre uma placa de montagem metálica aterrada, havendo bom contato elétrico entre a chapa e os gabinetes do filtro e inversor (ver Figura 22).

11.5 Contatores

Com a finalidade de prevenir a partida automática do motor depois de uma interrupção de energia, é necessário colocar um contator na alimentação do inversor ou realizar algum intertravamento no

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comando do mesmo. O contador também permite um seccionamento remoto da rede elétrica que alimenta o inversor.

11.6 Cabos

Os sinais elétricos transmitidos pelos cabos podem emitir radiação eletromagnética e também podem absorver radiação (se comportam como antenas) provocando falsos sinais que prejudicarão o funcionamento do equipamento. É assim que existem cabos especiais com blindagem para minimizar este tipo de interferências.

Se perto do equipamento houver contatores, será necessário instalar supressores de transientes nas bobinas dos contadores. O cabo de conexão do inversor com o motor é uma das fontes mais importantes de emissão de radiação eletromagnética.

Sendo assim é necessário seguir os seguintes procedimentos de instalação:

• Cabo com blindagem e fio-terra, como alternativa pode ser usado eletroduto metálico com fiação comum interna;

• Blindagem ou eletroduto metálico deve ser aterrado conforme Figura 22;

• Separar dos cabos de sinal, controle e cabos de alimentação de equipamentos sensíveis;

• Manter sempre continuidade elétrica de blindagem, mesmo que contatores ou relés térmicos sejam instalados entre conversor e o motor.

Figura 22 - Detalhamento da montagem do inversor de freqüência.

Cabos de Sinal e Controle:

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• Cabo blindado aterrado ou eletroduto metálico aterrado;

• Separação da fiação de potência;

• Caso necessário, cruzamento de cabos, fazê-lo a 90o;

• Caso necessário seguirem na mesma canaleta, usar separador metálico aterrado.

11.7 Aterramento

Aterramento em um Único Ponto

• Filtro + conversor + motor;

• O motor pode também ser aterrado na estrutura da máquina (segurança);

• Nunca utilizar neutro como aterramento;

• Não compartilhe a fiação de aterramento com outros equipamentos que operem altas correntes (motores de alta potência, máquina de solda, etc.);

• A malha de aterramento deve ter uma resistência menor que 10 ohms.

Recomenda-se usar filtros RC em bobinas de contatores, solenóides ou outros dispositivos similares em alimentação AC. Em alimentação DC usar diodo de roda livre.

Conexão de Resistores de Frenagem Reostática

• Cabo com blindagem aterrada ou eletroduto metálico aterrado;

• Separado dos demais.

A rede elétrica deve estar referenciada ao terra (neutro aterrado na subestação).

11.8 Relés térmicos

Os inversores possuem normalmente proteção contra sobrecorrentes que tem como finalidade proteger o motor. Quando mais de um motor é acionado pelo mesmo inversor será necessário colocar um relé térmico de proteção em cada motor. Como o sinal de saída do inversor é chaveado a altas freqüências, podem acontecer disparos nos relés, mesmo sem estes terem atingido a corrente nominal de disparo. Para isto não acontecer é necessário aumentar a corrente de disparo do relé em aproximadamente 10% da corrente nominal do motor.

11.9 Reatância de saída

Quando a distância entre motor e inversor é grande (valor dependente do tipo de motor utilizado) podem ocorrer:

A - Sobretensões no motor produzidas por um fenômeno chamado de onda refletida.

B - Geração de capacitâncias entre os cabos de potência que retornam para o inversor produzindo o efeito de “fuga a terra”, bloqueando o inversor.

Este tipo de problemas pode ser solucionado utilizando uma reatância entre o motor e o inversor. Esta reatância deve ser projetada especialmente para altas freqüências, pois os sinais de saída do inversor possuem freqüências de até 20 kHz.

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11.10 Instalação em painéis - princípios básicos

As fiações blindadas nos painéis devem ser separadas das fiações de potência e comando.

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

Os sinais de encoder e comunicação serial devem ser aterrados conforme orientação específica no manual do equipamento, o qual estará representado no projeto. Os cabos de aterramento de barras de (“0V” e malhas) devem ser maior ou igual a 4 mm2.

Os cabos de saída de potência dos conversores devem ser separados das demais fiações dentro do painel. Quando não é possível, devem cruzar-se a noventa graus.

Os cabos de entrada de sinais de transdutores tipo isoladores galvânicos devem ser separados dos cabos de saída de sinal dos mesmos.

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

Conecte diferentes partes do sistema de aterramento, usando conexões de baixa impedância. Uma cordoalha é uma conexão de baixa impedância para altas freqüências. Mantenha as conexões de aterramento as mais curtas possíveis.

12 Referências

[1] SKVARENINA, Timothy L. The power electronics handbook. Nova Iorque: CRC Press, 2002. [2] RASHID, Muhammad H. Eletrônica de Potência: Circuitos, dispositivos e aplicações. São Paulo:

Makron Books, 1999. 828 p. [3] LANDER, Cyril W. Eletrônica Industrial: Teoria e aplicações. 2. ed. São 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 aplicação de Inversores de freqüência. 3. ed. Jaraguá do Sul: Weg, [200-]. 264 p. [6] WEG. Módulo 2: Variação de velocidade. Jaraguá do Sul: Weg, [200-]. 277 p. [7] WEG. Manual do inversor de freqüência CFW-09. Jaraguá do Sul: Weg, 2006. 361 p. [8] MAGALHÃES, R. C. Inversores: tecnologia, aplicações e uso em controle de processos. InTech

América do Sul. São Paulo, n. 101, p. 31-33, 2008. [9] CASTRO, G. Como especificar um inversor de freqüência? Mecatrônica Atual. São Paulo, ano 4,

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