O que faz o Inversor de Frequência e como
Especificar?
O inversor
de frequência variável (conhecido como VFD em inglês) é um
tipo de controlador que tem a função de acionar um motor
elétrico e ao mesmo tempo variar a freqüência e a tensão
que é fornecida ao motor com o objetivo de controlar a sua velocidade e
potência consumida. Outros nomes para um VFD que podemos encontrar no mercado
são: drive de velocidade variável, drive ajustável da velocidade,
drive de frequência ajustável, drive CA (corrente alternada), microdrive ou
simplesmente inversor.
Quando falamos de motores elétricos
de indução ou corrente alternada, a frequência (medida em Hertz) está
diretamente relacionada às Rotações Por Minuto (RPMs) de um motor. Em
outras palavras, quanto maior a freqüência, mais ráPIDo
os RPMs ou maior a velocidade de rotação do motor. Como sabemos, no Brasil, as
concessionárias de energia elétrica fornecem energia alternada com uma
frequência de 60Hz e por outro lado, a maior parte dos motores elétricos
encontrados nas indústrias e que consomem esta energia possuem rotação nominal
de 3600 RPM. No entanto, se uma aplicação qualquer não requerer um motor
elétrico funcionando na velocidade cheia de 3600 RPM, o
que é muito comum, você tem três alternativas: ou utilizar um redutor mecânico
ou utilizar o inversor de frequência, ou utilizar ambos. No
caso de utilizarmos o inversor de frequência, ele poderá ser
configurado para gerar uma rampa de descida, reduzindo a freqüência e a tensão
para que o motor opere conforme os requisitos da carga (velocidade e tensão
desejada).
Uma característica importante do
inversor é que à medida que os requisitos de velocidade do motor em uma
determinada aplicação mudam, o inversor de frequência pode
simplesmente subir ou descer a velocidade do motor a fim de atender as
novas exigências de operação, o que não seria possível utilizando apenas um
redutor mecânico.
1 – Como um Inversor de Frequência
Variável Funciona?
O primeiro estágio de um inversor
de frequência é
o conversor. Um conversor trifásico é composto de seis diodos, que por
analogia a um sistema hidráulico, são semelhantes às válvulas de retenção
utilizadas em encanamentos. Assim, eles permitem que a corrente flua em apenas
uma direção que é exatamente a direção mostrada pela seta no símbolo
de diodo. Por exemplo, sempre que a tensão da fase A (tensão é semelhante à
pressão em sistemas de encanamento) é mais positiva do que as tensões da fase
B ou C, então esse diodo se abrirá e permitirá que a corrente flua.
Por outro lado, quando a fase B se
tornar mais positiva do que a fase A, então é o diodo da fase B que será aberto
e o diodo de fase A fechado. O mesmo é verdadeiro para C e também para os 3
diodos no lado negativo do barramento. Assim, obtemos seis “pulsos” de
correntes à medida que cada diodo abre e fecha. Isso é chamado de “retificador
ou conversor de seis pulsos”, que é a configuração padrão para as atuais
unidades de freqüência variável.
Figura 1 – Conversor de 6 Pulsos que
compõe um inversor de frequência
Agora, vamos supor que o
conversor está operando em um sistema de alimentação de 480V. Pela teoria
de circuitos elétricos, a classificação de 480V é com relação a “RMS” ou raiz
média quadrada sendo que o pico de tensão em um sistema de 480V é de 679V.
Sendo assim, o barramento DC do conversor tem uma tensão DC com uma
ondulação AC sendo que a tensão varia entre aproximadamente 580V e 680V.
Figura 2 – Barramento DC de um inversor
de frequência
Podemos nos livrar da ondulação CA no
barramento DC adicionando um capacitor conforme Figura 2. Um capacitor opera de
forma semelhante a um reservatório ou acumulador em um sistema de encanamento.
Este capacitor absorve a ondulação de corrente alternada e fornece uma tensão contínua
DC com uma pequena ondulação CA no barramento DC que tipicamente é menor
do que 3 Volts. Assim, a tensão no barramento DC torna-se “aproximadamente”
650VDC contínua. É claro que isto é na teoria e que a tensão real dependerá do
nível de tensão da linha de alimentação AC, do nível de desequilíbrio de tensão
no sistema de potência, da carga do motor, da impedância do sistema de
alimentação e de quaisquer reatores ou filtros harmônicos que houver no
conversor.
O conversor de ponte a diodo que
converte AC para DC muitas vezes é apenas referido como um conversor. Por outro
lado, o conversor que faz o contrário, ou seja, que converte o DC de volta em AC
é também um conversor. Sendo assim, para distingui-lo do conversor
a diodo, ele geralmente é referido como um “inversor”. Justamente por este
motivo, tornou-se comum na indústria referir-se a qualquer conversor DC-AC como
um inversor.
Figura 3 – Circuito
de um inversor de frequência
Analisando a Figura 3 acima, temos o
seguinte: quando fechamos um dos interruptores superiores no inversor (lado
direito da Figura 3), essa fase do motor é conectada ao barramento CC positivo
e a tensão nessa fase torna-se positiva. Por outro lado, quando fechamos um dos
comutadores inferiores no inversor, essa fase é conectada ao barramento
DC negativo e torna-se negativa. Assim, podemos fazer qualquer fase no
motor tornar-se positiva ou negativa da maneira que desejarmos e gerar
qualquer freqüência que depende somente da velocidade da abertura e fechamento
dos interruptores. Resumindo, podemos fazer qualquer fase ser positiva,
negativa ou zero conforme é possível visualizar na Figura 4.
Figura 4 – Chaveamento por fase
Observe que no caso do chaveamento
alternado dos interruptores, a saída do inversor de frequência é uma forma
de onda “retangular” pois ele não produz uma saída senoidal. Esta forma de onda
retangular não seria uma boa escolha para um sistema de distribuição de uso
geral, mas pode ser perfeitamente adequado para um motor. No entanto, se
quisermos reduzir a freqüência do motor para 30 Hz, podemos mudar o
comando de chaveamento dos interruptores (que vamos chamar a partir de agora de
transistores de saída) do inversor para que eles operem mais lentamente. Na
teoria, se reduzimos a freqüência para 30Hz, então devemos também reduzir
a tensão para 240V a fim de manter a relação V/Hz.
Assim surge a seguinte pergunta: Como
reduzir a tensão se a única tensão que temos é a de 650Vdc? Isso
é possível aplicando-se a técnica chamada de Modulação de Largura de Pulso
ou PWM. Imagine que poderíamos controlar a
pressão em uma linha de água abrindo e fechando a torneira a uma
velocidade alta. Enquanto isso não seria prático para sistemas de encanamento,
ele funciona muito bem para um inversor de frequência. Veja a animação
abaixo:
Na imagem acima, observe que se
colocarmos um pulso metade do tempo ligado e a outra metade de tempo desligado,
teremos uma tensão média na saída equivalente à metade da entrada. Assim,
se tivermos 480V na entrada, a saída será 240V. Veja que pulsando os comandos,
podemos atingir qualquer tensão média na saída do inversor de frequência.
Agora observe que à medida que o
pulso varia a sua largura, a tensão no diodo também varia. Se o pulso fica mais
tempo ligado do que desligado, a tensão e a carga no LED aumenta e ela
diminuirá caso a largura do pulo ligado for menor do que a dele desligado. Se
imaginarmos isto variando positivamente e negativamente, teremos exatamente o
que o inversor de frequência faz. Veja a animação abaixo:
Se pegarmos o ciclo positivo da senoide e observarmos a partir do início, você verá que a largura do pulso vai aumentando à medida que chega ao pico (totalmente ligado). A partir daí ele vai diminuindo até se desligar (momento que atinge o valor 0). A energia liberada consequentemente vai seguindo esta regra e no final temos uma senoide (linha vermelha). Quanto maior a quantidade de pulsos, mais perfeita será esta senoide.
Figura 5 – Modulação PWM de um Inversor de Frequência
Veja as Imagens abaixo para entender as diferentes partes que compõem um inversor de frequência:
Figura 5 – Componentes de um Inversor de Frequência
2 – Por que devo Utilizar um Inversor de Frequência?
2.1 – Reduzir o Consumo de Energia e os Custos de Energia
Se você tem um sistema que não precisa ser executado em velocidade máxima, então você pode reduzir os custos de energia controlando o motor com uma unidade de freqüência variável, um dos benefícios do inversor de frequência. Ele permite que você combine a velocidade do equipamento motorizado com a exigência de carga e não há nenhum outro método de controle de motor elétrico AC que permite que você faça isso. Os sistemas de motor elétrico são responsáveis por mais de 65% do consumo de energia na indústria hoje e a otimização de sistemas de controle de motores através da instalação ou atualização para inversores de frequência pode reduzir o consumo de energia em sua instalação em até 70%. Além disso, a utilização de inversores melhora a qualidade do produto e reduz os custos de produção. Combinando incentivos fiscais de eficiência energética, descontos na conta de energia e retornos sobre o investimento nas instalações, a aplicação de inversores de frequência pode proporcionar um retorno em pouco menos de 6 meses.
2.2 – Aumente a Produção com um Controle de Processo Adequado
Ao operar seus motores com a velocidade mais adequada para sua aplicação, haverá menos erros e desgastes. Assim, os níveis de produção aumentarão, o que gera uma receita maior para sua empresa. Você ainda elimina sobrecarga em start-ups dos equipamentos permitindo alta performance e maior durabilidade dos equipamentos.
2.3 – Estenda a Vida Útil do Equipamento e Reduza a Manutenção
Seu equipamento vai durar mais tempo e terá menos tempo de inatividade devido à manutenção quando é controlado por um inversor de frequência que garante a velocidade de aplicação ideal do motor. Devido ao controle ótimo dos inversores de freqüência e tensão do motor, o inversor oferecerá melhor proteção para o seu motor com relação a sobrecargas elétricas, proteção de fase, subtensão, sobretensão, etc. Quando você inicia uma carga com um inversor você não estará submetendo o motor ou a carga acionada ao “pico instantâneo de energia” que ocorre no início da operação e poderá começar de forma suave, eliminando assim o desgaste de correias, engrenagens e rolamentos.
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