quinta-feira, 29 de julho de 2010

INVERSORES & SOFT-STARTER

MUDANÇAS DE VELOCIDADE (motor de indução trifásico)

A velocidade do motor é dependente da velocidade do campo girante. Desta forma a velocidade do motor pode então ser alterada através da mudança:

• do número de pólos (por exemplo, motores de dois enrolamentos);
• do escorregamento do motor (por exemplo, motor com rotor bobinado);
• da freqüência, f, da alimentação do motor.


INVERSORES DE FREQUÊNCIA – DESCRIÇÃO DO FUNCIONAMENTO.

Desde meados da década de 60, os conversores de freqüência têm passado por várias e rápidas mudanças, principalmente pelo desenvolvimento da tecnologia dos microprocessadores e semicondutores e a redução dos seus preços. Entretanto, os princípios básicos dos conversores de freqüência continuam o mesmo.

Um inversor de freqüência é um dispositivo capaz de gerar uma tensão e freqüência trifásica ajustáveis, com a finalidade de controlar a velocidade de um motor de indução trifásico.

CURVA V/F

Como vimos anteriormente, se variarmos a frequência da tensão de saída no inversor , alteramos na mesma proporção, a velocidade de rotação do motor.

Normalmente, a faixa de variação de frequência dos inversores fica entre 0,5 e 400 Hz, dependendo da marca e modelo. (Obs: para trabalhar em frequências muito altas, o motor deve ser “preparado”). A função do inversor de frequência, entretanto, não é apenas controlar a velocidade de um motor AC. Ele precisa manter o torque (conjugado) constante para não provocar alterações na rotação quando o motor estiver com carga. Um exemplo clássico desse problema é em uma máquina operatriz. Imaginem um inversor controlando a velocidade de rotação de uma placa (parte da máquina onde a peça a ser usinada é fixada) de um torno. Quando introduzimos a ferramenta de corte, uma carga mecânica é imposta ao motor, que deve manter a rotação constante. Caso a rotação se altere, a peça pode apresentar um mau acabamento de usinagem. Para que esse torque realmente fique constante, por sua vez, o inversor deve manter a razão V/F (Tensão / Frequência) constante. Isto é, caso haja mudança de frequência, ele deve mudar (na mesma proporção) a tensão, para que a razão se mantenha, como por exemplo:

F = 50Hz

V = 300V

V/F = 6

• Situação 1:

O inversor foi programado para enviar 50 Hz ao motor, e sua curva V/F está parametrizada em 6. Automaticamente, ele alimenta o motor com 300 V;

F = 60Hz

V = 360V

V/F = 6

• Situação 2:

O inversor recebeu uma nova instrução para mudar de 50 Hz para 60 Hz. Agora a tensão passa a ser 360 V e a razão V/F mantém-se em 6. Acompanhe a curva mostrada na figura abaixo:



O valor de V/F pode ser programado (parametrizado) em um inversor, e seu valor dependerá da aplicação. Quando o inversor necessita de um grande torque, porém não atinge velocidade muito alta, atribuímos a ele o maior V/F que o equipamento puder fornecer, e desse modo ele terá um melhor rendimento em baixas velocidades, além de alto torque. Já no caso em que o inversor deva operar com altas rotações e com torques não tão altos, parametrizamos um V/F menor e encontraremos o melhor rendimento para essa outra situação. Mas, como o inversor pode mudar a tensão V se ela é fixada no barramento DC, através da retificação e filtragem da própria rede?

O inversor altera a tensão V oriunda do barramento DC, através da modulação por largura de pulso (PWM). A unidade lógica, além de distribuir os pulsos aos IGBT's do modo já estudado, também controla o tempo em que cada IGBT permanece ligado (ciclo de trabalho).

Quando V tem que aumentar ,os pulsos são “alargados” (maior tempo em 0N)
Quando V tem que diminuir, os pulsos são “estreitados”.

Dessa forma, a tensão eficaz entregue ao motor pode ser controlada. A frequência de PWM também pode ser parametrizada, e geralmente encontrasse entre 2,5 kHz e 16 kHz. Na medida do possível, devemos deixa-lá próxima do limite inferior pois assim diminuímos as interferências eletromagnéticas geradas pelo sistema (EMI).

INVERSOR VETORIAL

Podemos classificar os inversores em dois tipos: inversores escalares e vetoriais. Os escalares e vetoriais possuem a mesma estrutura de funcionamento, mas a diferença esta no modo em que o torque é controlado. Nos inversores escalares, como dissemos anteriormente, a curva V/F é fixada (parametrizada), tomando como base o tipo de regime de trabalho em que o inversor irá operar. Existe, porém, uma condição problemática que é justamente o ponto crítico de qualquer sistema de acionamento AC: as baixas rotações. O sistema AC não consegue um bom torque com velocidades baixas, devido ao próprio rendimento do motor AC. Para compensar esse fenômeno, desenvolveu-se o inversor de freqüência vetorial. Muito mais caro e complexo que o escalar, ele não funciona com uma curva V/F pré- fixada (parametrizada).
Na verdade ele varia tensão e frequência, de modo a otimizar o torque para qualquer condição de rotação (baixa ou alta). É como se ficássemos parametrizando a cada ms, uma nova curva V/F para cada nova situação. O inversor vetorial controla V/F através das correntes de magnetização e rotórica do motor. Normalmente um tacômetro, ou um encoder é utilizado como sensores de velocidade, formando uma "malha fechada" de controle de velocidade. Existem, porém os inversores vetoriais “sensorless”, que não utilizam sensores de velocidade externos.


INSTALAÇÃO DO INVERSOR

Feito essa pequeno estudo da estrutura funcional do inversor, vamos mostrar como instalá-lo. A figura 1 mostra a configuração básica de instalação de um inversor de frequência. Existe uma grande quantidade de fabricantes, e uma infinidade de aplicações diferentes para os inversores.
Portanto o esquema da figura 1 refere-se à versão mais comum. Sensores e chaves extras, com certeza, serão encontrados em campo, mas a estrutura é a mesma. Os terminais identificados como: R, S, e T (ou Ll, L2, e L3), referem-se à entrada trifásica da rede elétrica. Para pequenas potências, é comum encontrarmos inversores com a entrada monofásicos (porém a saída continua sendo trifásica).



Para diferenciar a entrada da rede para a saída do motor, a saída (normalmente) vem indicada por: U, V e W.

Além da potência, temos os bornes de comando. Cada fabricante possui sua própria configuração, portanto, para saber "quem é quem" temos de consultar o manual de respectivo fabricante. De qualquer maneira, os principais bornes são as entradas (analógicas ou digitais), e as saídas (geralmente digitais).


OS "DEZ MANDAMENTOS" DA INSTALAÇÃO DO INVERSOR DE FREQUÊNCIA


1. Cuidado! Não há inversor no mundo que resista à ligação invertida de entrada da rede elétrica (trifásica ou monofásica), com a saída trifásica para o motor.

2. O aterramento elétrico deve estar bem conectado, tanto ao inversor como ao motor. O valor do aterramento nunca deve ser maior que 5Ω (norma IEC536), e isso pode ser facilmente comprovado com um terrômetro, antes da instalação.

3. Caso o inversor possua uma interface de comunicação (RS 232, ou RS 485) para o PC, o tamanho do cabo deve ser o menor possível.

4. Devemos evitar ao máximo, misturar (em um mesmo eletroduto ou canaleta), cabos de potência (rede elétrica, ou saída para o motor) com cabos de comando (sinais analógicos, digitais, RS 232, etc...).

5. O inversor deve estar alojado próximo a “orifícios” de ventilação, ou, caso a potência seja muito alta, deve estar submetido a uma ventilação (ou exaustão). Alguns inversores já possuem um pequeno exaustor interno.

6. A rede elétrica deve ser confiável, isto é, jamais ultrapassar variações de +ou- 10% em sua amplitude.

7. Sempre que possível, utilizar os cabos de comando devidamente blindados.

8. Os equipamentos de controle (PLC, CNC, PC, etc...), que funcionarem em conjunto com o inversor, devem possuir o "terra" em comum. Normalmente, esse terminal vem indicado pela referência “PE” (proteção elétrica), e sua cor é amarela e verde (ou apenas verde).

9. Utilizar sempre parafusos e arruelas adequadas para garantir uma boa fixação ao painel. Isso evitará vibrações mecânicas. Além disso, muitos inversores utilizam o próprio painel em que são fixados como dissipador de calor. Uma fixação pobre, nesse caso, causará um aquecimento excessivo (e possivelmente sua queima).

10. Caso haja contatores e bobinas agregadas ao funcionamento do inversor, recomenda-se utilizar sempre supressores de ruídos elétricos (circuitos RC para bobinas AC, e diodos para bobinas DC). Essas precauções não visam apenas melhorar o funcionamento do inversor, mas evitar que ele interfira em outros equipamentos ao seu redor O inversor de frequência é, infelizmente, um grande gerador de EMI (interferências eletromagnéticas), e, caso não o instalarmos de acordo com as orientações acima, poderemos prejudicar toda a máquina (ou sistema) ao seu redor. Basta dizer que, para um equipamento atender o mercado europeu, a certificação CE (Comunidade Européia ) exige que a emissão eletromagnética chegue a níveis baixíssimos (norma IEC 22G - WG4 (CV) 21).


PARAMETRIZAÇÃO

Para que o inversor funcione a contento, não basta instalá-lo corretamente. É preciso "informar" a ele em que condições de trabalho irá operar. Essa tarefa é justamente a parametrização do inversor. Quanto maior o número de recursos que o inversor oferece, tanto maior será o número de parâmetros disponíveis. Existem inversores com tal nível de sofisticação, que o número de parâmetros ultrapassa a marca dos 900!


DIMENSIONAMENTO

Como posso saber: qual é o modelo, tipo, e potência do inversor para a minha aplicação?

Bem, vamos responder a essa pergunta em três etapas:

Capacidade do inversor:

Para definirmos o “tamanho” do inversor temos de saber qual a corrente do motor (e qual carga) ele acionará. Normalmente se escolhe um inversor com uma capacidade de corrente igual ou um pouco superior à corrente nominal do motor. A tensão, tanto do inversor quanto do motor deve ser igual a da rede de alimentação.

Tipo de inversor:

A maioria dos inversores utilizados são do tipo escalar. Só utilizamos o tipo vetorial em duas ocasiões: extrema precisão de rotação, torque elevado para rotação baixa ou zero (ex: guindaste, pontes rolantes, elevadores, etc...).

Modelo e fabricante :

Para escolher o modelo, basta consultarmos os catálogos dos fabricantes, e procurar um que atenda as seguintes características mínimas necessárias:
Quanto ao fabricante, o preço e qualidade desejada devem determinar a escolha.
Apenas como referência ao leitor os mais encontrados na indústria são:
Siemens, Weg, Telemecanique, Allen Bradley, ABB, Cuttler Hammer e Danfoss.


SOFT-STARTER

Soft-Starters são equipamentos eletrônicos destinados ao controle da partida de motores elétricos de corrente alternada. Quando partimos um motor através da conexão direta da fonte de alimentação com valores nominais, inicialmente ele drena a corrente de rotor bloqueado (IRB) e produz um torque de rotor bloqueado (TRB). Assim que o motor acelera a corrente cai e o torque aumenta antes de cair para seus valores nominais na velocidade nominal. Ambos, a magnitude e o formato das curvas de torque e corrente dependem do projeto do motor.


Motores com características de velocidade máxima quase idênticas podem ter diferenças grandes na capacidade de partida. As correntes de partida variam de 5 a 9 vezes a corrente nominal. Torques de rotor bloqueado variam desde 0,7 a 2,3 do torque nominal. As características de tensão, corrente e torques máximos formam o conjunto de limites que uma partida com tensão reduzida pode administrar. Quando uma tensão reduzida de partida é utilizada, o torque de partida do motor é reduzido de acordo com a seguinte fórmula.


A corrente de partida pode ser reduzida até o ponto onde o torque de partida continue excedendo o torque resistente (carga). Abaixo desse ponto o motor cessará a aceleração e o motor / carga não atingirá a velocidade nominal. Os tipos mais comuns para redução da tensão de partida são:

1. Partidas estrela / triângulo
2. Partidas com auto transformador
3. Partidas com resistência primária.
4. Soft Starters.

A partida estrela triângulo é a mais barata das formas de partida com tensão reduzida, entretanto sua performance é limitada. As duas limitações mais importantes são:

1. Não existe controle sobre a limitação do torque e da corrente de partida que são fixos em 1/3 do nominal.

2. Existem normalmente grandes transientes de corrente e torque quando há mudança da estrela para o triângulo. Isso causa estresse mecânico e elétrico. O auto transformador oferece melhor controle da partida, entretanto a tensão continua sendo aplicada em passos.

Algumas limitações do auto trafo são:

1. Transientes de torque causados pelos passos de tensão.

2. Número limitado de tapes restringe a possibilidade de selecionar a corrente
ideal de partida.

3. Altos custos para partidas freqüentes ou pesadas.

4. Não consegue fornecer uma solução efetiva para partidas com características variáveis. Por exemplo, uma correia transportadora pode ser partida vazia ou com carga. O auto transformador só pode ser otimizado para uma situação.

Partida com resistência primária (rotor bobinado) também oferece grandes vantagens sobre a partida estrela triangulo. Porém, eles possuem algumas características que reduzem sua efetividade, quais sejam:

1. Dificuldade para otimizar a partida no comissionamento pois a resistência deve ser calculada quando a partida é fabricada e não é facilmente alterada depois.

2. Baixa performance com partidas freqüentes, pois a resistência muda seus valores com o aquecimento. Um período longo de resfriamento é necessário entre as partidas.

3. Baixa performance em partidas longas e pesadas, pois a resistência muda seus valores com o aquecimento.

4. Não consegue fornecer uma solução efetiva para partidas com características variáveis.

As soft starters são os equipamentos mais avançados para redução de tensão na partida. Elas oferecem melhor controle sobre a corrente e o torque assim como podem incorporar funções avançadas para proteção do motor e ferramentas de interface.

1. Controle simples e flexível sobre a corrente e o torque de partida.
2. Controle suave da tensão e da corrente, livre de passos ou transientes.
3. Capaz de partidas freqüentes.
4. Capaz de gerenciar partidas com características variáveis.
5. Controle Soft stop (parada suave) para aumentar o tempo de parada dos
motores.
6. Controles para freio para reduzir o tempo de parada dos motores.

Tipos de controle de Soft-Starters

O termo soft starter é aplicado a uma gama de tecnologias. Essas tecnologias estão todas relacionadas com a partida suave de motores, mas existem diferenças significativas entre os métodos e os benefícios que os acompanham. Os soft starters podem ser divididos em da seguinte maneira:

• Controladores de torque
• Controladores de tensão em malha aberta.
• Controladores de tensão em malha fechada.
• Controladores de corrente em malha fechada.

Controladores de torque promovem apenas a redução do torque de partida. Dependendo do tipo, eles podem controlar apenas uma ou duas fases. Como conseqüência não existe controle sobre a corrente de partida como é conseguido com os tipos mais modernos de soft-starter. Controladores de torque com apenas uma fase devem ser utilizados com contator e rele de sobrecarga. Eles são apropriados para aplicações pequenas. O controle trifásico deve ser usado para partidas freqüentes ou com cargas de alta inércia, pois os controladores monofásicos causam um aquecimento extra na partida. Isso acontece pois a tensão nas bobinas que não são controladas ficam sob a tensão nominal. Essa corrente circula por um período maior do que durante uma partida direta resultando num sobre aquecimento do motor.

Controladores com duas fases devem ser usados com um rele de sobrecarga mas podem parar e partir o motor sem um contator, entretanto a tensão continua presente no motor mesmo que ele não esteja rodando. Se instalado dessa maneira é importante assegurar medidas de segurança.

Controladores de tensão em malha aberta controlam todas as três fases e tem todos os benefícios fornecidos pelos soft-starters. Esses sistemas controlam a tensão aplicada no motor de maneira pré-configurada e não tem nenhuma realimentação de corrente. A performance da partida é conseguida configurando-se parâmetros como tensão inicial, tempo de rampa e tempo de rampa duplo. A parada suave também está disponível.

Controladores de tensão em malha aberta também devem ser usados com reles de sobre carga e com contatores se requerido. Dessa forma são componentes que devem estar agregados a outros componentes para formar um sistema de partida do motor. Controladores de tensão em malha fechada são uma variante do sistema de malha aberta. Eles recebem realimentação da corrente de partida do motor e usam essa informação para cessar a rampa de partida do motor quando a
corrente de limite configurada pelo usuário é atingida. O usuário tem as mesmas configurações do sistema de malha aberta com a adição do limite de corrente.
A informação da corrente do motor também é normalmente utilizada para fornecer uma variedade de proteções baseadas na corrente. Essas funções incluem, sobre carga, desbalanceamento de fases, sub corrente, etc. Esses são sistemas completos de partida fornecendo ambos, controle sobre a partida / parada e proteções para o motor.

Controladores de corrente em malha fechada é o mais avançado de todos. Diferentemente do sistema de tensão em malha fechada eles usam a corrente como referência principal. As vantagens dessa aproximação são controle preciso da corrente de partida e fácil ajuste. Muitos ajustes do usuário podem ser feitos automaticamente por sistemas baseados em corrente.


Correção do fator de potência.

Se for necessária a correção estática do fator de potência, os capacitores devem ser instalados do lado da alimentação do soft-starter.

Consultor: Prof. Jeyson Berlanda

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