Introdução
Os inversores de frequência são equipamentos eletrônicos que possibilitam obter controle sobre a velocidade de motores elétricos de corrente alternada por meio da conversão dos valores fixos, de tensão e de frequência da rede, em valores variáveis.
A maioria dos inversores de frequência utilizados para controlar a velocidade de motores elétricos trifásicos CA são desenvolvidos de acordo com duas topologias:
- Inversores sem um circuito intermediário conhecidos como inversores diretos;
- Inversores com um circuito intermediário variável ou fixo.
Estes circuitos intermediários podem ser em CC ou CA e são conhecidos como inversores com fonte de corrente ou inversores com fonte de tensão.
Os inversores com circuitos intermediários oferecem inúmeras vantagens sobre os inversores sem este circuito, por exemplo, o inversor com circuito intermediário permite um melhor controle sobre a potência reativa e uma redução de harmônicas, além de não existir uma limitação com relação à frequência de saída (existe uma limitação nos sistemas de controle e nos componentes usados).
Características internas de funcionamento
Podemos dividir o inversor de frequência em quatro partes principais:
- O retificador recebe a tensão alternada da rede e a retifica, realizando assim o primeiro passo do processo de trabalho interno do inversor – a fim de se obter o controle da velocidade do motor – pela criação de fases com frequência variável, de acordo com a necessidade do processo.
- O circuito intermediário é o responsável por receber a tensão retificada, armazená-la e disponibilizá-la para a próxima parte do processo. Essa parte também é responsável pela troca de reativo entre o inversor e motor em momentos de sobre conjugado.
- O inversor por sua vez pega esta tensão contínua e a converte novamente para uma tensão alternada só que agora, variável de acordo com a velocidade selecionada em Hz, pelo usuário do inversor.
- O circuito de controle é responsável pelo controle de todo este processo.
Retificador
A tensão de alimentação geralmente aplicada para alimentar o inversor, possui uma frequência fixa e pode ser trifásica ou monofásica.
Na figura acima estão ilustradas as formas de onda das tensões monofásicas e trifásicas X tempo, onde o tempo é o foco principal, pois para variar a velocidade de um motor o inversor tem que variar a sua frequência da tensão de alimentação.
No Brasil, a frequência padrão da rede de alimentação é 60Hz, o que significa que durante 1 segundo temos 60 ondas completas na rede, sendo assim, se ligarmos um motor direto na rede, ele funcionará em uma velocidade fixa de 60Hz.
O retificador consiste em um circuito com diodos ou tiristores ou uma combinação destes 2 dispositivos. O retificador construído somente com diodos é um retificador não-controlado e o retificador construído com tiristores é um dispositivo controlado, e, se o retificador é construído com ambos, teremos um semi-controlado.
Retificadores não-controlados
Os diodos são componentes semicondutores que permitem a passagem da corrente em apenas um sentido: do anodo (A) para o catodo (K). Devido a sua característica de funcionamento, se inserirmos uma tensão alternada sobre um diodo, essa tensão será convertida em uma tensão contínua pulsante.
Retificadores controlados
Nos retificadores controlados são substituídos os diodos por tiristores. Assim como os diodos, os tiristores permitem a passagem da corrente em apenas um sentido, porém, os tiristores têm um terceiro terminal chamado de gate ou porta (G) que deve ser comandado por sinal antes do tiristor conduzir. Quando uma corrente passa pelo tiristor, este irá conduzi-la até que a corrente atinja um valor nulo. O sinal para o gate é o sinal de controle a do tiristor, que é um atraso de tempo, expresso em graus. O valor em graus representa o atraso entre a passagem da tensão por zero e o instante em que o tiristor inicia sua condução.
O retificador controlado tem basicamente a mesma configuração do retificador não-controlado com exceção que os tiristores são controlados.
Comparado com o retificador não-controlado, o retificador controlado causa maiores perdas e distúrbios na rede de alimentação porque o retificador drena uma corrente reativa maior caso o tiristor conduza por um curto período de tempo, entretanto, a vantagem dos retificadores controlados é que eles eliminam o circuito de pré-carga dos capacitores com resistor e relés/contatores.
Circuito intermediário
O circuito intermediário é responsável por analisar a tensão pulsante que é fornecida pelo retificador. Num retificador controlado a tensão é constante numa dada frequência e fornecida ao inversor como uma tensão contínua pura com amplitude variável, já com o retificador não- controlado, a tensão na entrada do conversor é uma tensão contínua com amplitude constante.
Inversor
Nos inversores com circuitos intermediários de tensão constante ou variável existem seis componentes chaveadores, e, independentemente do tipo de semicondutor utilizado, a função é basicamente a mesma: gerar uma tensão alternada na saída do inversor de frequência para o motor.
O circuito de controle chaveia os semicondutores utilizando as mais diversas técnicas de modulação, mudando dessa forma, a frequência de saída do inversor.
A primeira técnica trabalha com tensão ou corrente variável no circuito intermediário.
Os intervalos em que os semicondutores individualmente são conduzidos são colocadas numa sequência que é usada para se obter as frequências de saída desejadas.
Essa sequência de chaveamento é controlada pela amplitude da tensão ou corrente do circuito intermediário. Utilizando-se um oscilador controlado por tensão, a frequência sempre obedece a amplitude da tensão. Esse tipo de inversor é chamado de PAM (Pulse Amplitude Modulation ou Modulação por Amplitude de Pulso).
A outra principal técnica usa um circuito intermediário de tensão constante. A tensão no motor é conseguida aplicando-se a tensão do circuito intermediário por períodos mais longos ou mais curtos.
A frequência é modificada pela variação dos pulsos de tensão ao longo do eixo do tempo – positivamente para meio período e negativamente para o outro meio período. Como a técnica muda a largura dos pulsos de tensão, ela é chamada de PWM (Pulse Width Modulation ou Modulação por Largura de Pulso). A PWM é a técnica mais utilizada no controle dos inversores.
Circuito de controle
O circuito de controle é responsável por quatro tarefas essenciais para o pleno funcionamento do inversor de frequência. Estas quatro tarefas são:
- Controlar os semicondutores do inversor de frequência;
- Troca de dados entre o inversor de frequência e os periféricos;
- Verificar e reportar mensagens de falha;
- Cuidar das funções de proteção do conversor de frequência e do motor.
Os microprocessadores têm aumentado sua capacidade de processamento e velocidade, aumentando significativamente o número de aplicações possíveis aos inversores de frequência e reduzindo o número de cálculos necessários a sua aplicação.
Com os microprocessadores o processamento é integrado dentro do inversor de frequência tornando o próprio, capaz de determinar o melhor padrão de chaveamento para cada estado de operação.
Neste artigo, o meu objetivo foi transmitir a ideia básica do funcionamento dos Inversores de Frequência de maneira didática e com linguagem acessível, principalmente, para aguçar o leitor do Blog da Energia a aprofundar os seus conhecimentos no assunto. Para mais informações sobre Inversores de Frequência, entre em contato com a Metrum por meio dos seus canais de comunicação e não se esqueça de acompanhar as nossas próximas edições.
