Baixe o app para aproveitar ainda mais
Prévia do material em texto
INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SANTA CATARINA CAMPUS CHAPECÓ CURSO TÉCNICO EM ELETROELETRÔNICA Módulo IV - Comandos Industriais II Chaves de Partida Suave Soft-Starter e Inversor de Freqüência Janeiro 2009 INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SANTA CATARINA CAMPUS CHAPECÓ CURSO TÉCNICO EM ELETROELETRÔNICA Módulo IV - Comandos Industriais II Chaves de Partida Suave Soft-Starter e Inversor de Freqüência Material instrucional especialmente elaborado pelo Prof. Jacson Rodrigo Dreher, para uso exclusivo do CEFET/SC, Unidade de Chapecó. Janeiro 2009 INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SANTA CATARINA CAMPUS CHAPECÓ CURSO TÉCNICO EM ELETROELETRÔNICA MÓDULO IV COMANDOS INDUSTRIAIS II PROF. JACSON R. DREHER 2 Sumário 1. INTRODUÇÃO ............................................................................................ 4 1.1. O Motor de Corrente Alternada............................................................ 4 1.1.1. O motor CA assíncrono ................................................................ 4 1.2. Sistemas de Partida Eletromecânica ................................................... 7 1.2.1. Partida direta................................................................................. 7 1.2.2. Partida estrela-triângulo................................................................ 8 1.2.3. Partida com autotransformador..................................................... 9 2. SOFT-STARTER....................................................................................... 11 2.1. Princípio de Funcionamento .............................................................. 13 2.1.1. Uma fase controlada................................................................... 13 2.1.2. Duas fases controladas .............................................................. 14 2.1.3. Três fases controladas................................................................ 15 2.2. Principais Funções da Soft-Starter..................................................... 15 2.2.1. Rampa de tensão........................................................................ 16 2.2.2. Pulsos de tensão de partida (kick start) ...................................... 17 2.2.3. Limitação de corrente ................................................................. 17 2.2.4. Rampa de tensão na desaceleração .......................................... 18 2.3. Proteções........................................................................................... 18 2.3.1. Sobrecorrente imediata na saída................................................ 18 2.3.2. Subcorrente imediata.................................................................. 19 2.3.3. Outros parâmetros ...................................................................... 20 2.4. Descrição dos Parâmetros................................................................. 20 3. INVERSOR DE FREQÜÊNCIA ................................................................. 21 3.1. Introdução .......................................................................................... 21 3.2. Princípio de Funcionamento do Inversor de Freqüência.................... 21 3.2.1. Modulação PWM......................................................................... 23 3.3. Curva Tensão/Freqüência.................................................................. 27 3.4. Inversor Escalar ................................................................................. 29 3.5. Inversor "Vetorial" de Tensão ............................................................ 29 3.6. Inversores Vetoriais de Fluxo............................................................. 30 3.7. Diferenças entre Inversores Escalares e Vetoriais de Fluxo.............. 31 3.8. Blocos do Inversor de Freqüência...................................................... 31 3.8.1. 1º Bloco - CPU............................................................................ 32 3.8.2. 2º Bloco - IHM............................................................................. 32 3.8.3. 3° Bloco – Interfaces....................... ............................................ 32 3.8.4. 4º Bloco - Etapa de potência....................................................... 33 3.9. Sistemas de Entrada e Saída de Dados ............................................ 33 3.9.1. Interface homem máquina (IHM) ................................................ 33 3.9.2. Entradas e saídas analógicas..................................................... 34 3.9.3. Entradas e saídas digitais........................................................... 34 3.9.4. Interface de comunicação serial ................................................. 34 3.10. Formas de Variação de Velocidade em um Inversor de Freqüência 34 3.10.1. Acionamento pela IHM................................................................ 35 3.10.2. Acionamento pelas entradas digitais .......................................... 35 INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SANTA CATARINA CAMPUS CHAPECÓ CURSO TÉCNICO EM ELETROELETRÔNICA MÓDULO IV COMANDOS INDUSTRIAIS II PROF. JACSON R. DREHER 3 3.10.3. Acionamento pela função multispeed ......................................... 35 3.10.4. Acionamento pelas entradas analógicas .................................... 36 3.11. Como Instalar Um Inversor de Freqüência..................................... 37 3.11.1. Regras para a Instalação do Inversor de Freqüência ................. 40 3.12. Parametrizando um Inversor de Freqüência .................................. 42 3.13. Dimensionamento........................................................................... 42 3.13.1. Capacidade do inversor .............................................................. 42 3.13.2. Tipo de inversor .......................................................................... 43 3.13.3. Modelo e fabricante .................................................................... 43 4. SOFT-STARTER X INVERSOR DE FREQÜÊNCIA ................................. 44 INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SANTA CATARINA CAMPUS CHAPECÓ CURSO TÉCNICO EM ELETROELETRÔNICA MÓDULO IV COMANDOS INDUSTRIAIS II PROF. JACSON R. DREHER 1. INTRODUÇÃO 1.1. O Motor de Corrente Alternada Para melhor entendermos o inversor de freqüência temos que fazer uma previa sobre o funcionamento do motor de corrente alternada. Por que motor de corrente alternada? Nos processos de automação industrial a tecnologia em corrente continua praticamente deixou de existir. É fato que ela ainda pode ser encontrada em equipamentos antigos, mas seus dias estão contados: a tecnologia em CA e mais barata versátil e de maior confiabilidade. Existem vários tipos de motor CA no mercado (síncrono, assíncrono, universal, servo-motores, etc). Vantagens na utilização do MIT: - Construção simples; - pouca manutenção; - custo reduzido; - vida útil prolongada; - facilidade de manobra; - fabricado para frações de potência até centenas de H.P. Desvantagens na utilização do MIT: -para altas potências exige dispositivos de partida; -alto custo na recuperação do motor. 1.1.1. O motor CA assíncrono A Figura 1 mostra a estrutura do motor CA simplificada. O motor de indução trifásico se divide em duas partes principais; o estator e o rotor. A carcaça, o terceiro elemento do motor, serve apenas para sustentar o estator e o rotor, não tem função elétrica. O estator é a parte fixa do motor. É construído de material ferromagnético de alta permeabilidade. O estator é construído por um pacote de lâminas, possuindo na parte interna as ranhuras. Além de alojar as ranhuras tem a função de conduziro campo magnético criado pelos enrolamentos que estão alojados nas ranhuras. INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SANTA CATARINA CAMPUS CHAPECÓ CURSO TÉCNICO EM ELETROELETRÔNICA MÓDULO IV COMANDOS INDUSTRIAIS II PROF. JACSON R. DREHER 5 O rotor é a parte móvel do motor. Também construída de material ferromagnético de alta permeabilidade. O rotor tem a função de: transmitir a energia mecânica no eixo, alojar as ranhuras para os enrolamentos rotóricos e compor o circuito magnético, facilitando a circulação do campo magnético. No caso do motor CA assíncrono o rotor não tem bobinas. Chamamos isso de rotor em curto-circuito ou ”gaiola de esquilo”. Figura 1 - Estrutura básica de um motor CA O principio de funcionamento pode ser visto na Figura 2. Basicamente o que temos é um campo girante que induz uma corrente no rotor. Como este está em curto- circuito, um campo eletromagnético cria-se ao seu redor e é atraído pelo campo. Analogamente é como um imã permanente atraindo um objeto metálico sobre a mesa. Figura 2 - Campo girante no motor CA Assíncrono INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SANTA CATARINA CAMPUS CHAPECÓ CURSO TÉCNICO EM ELETROELETRÔNICA MÓDULO IV COMANDOS INDUSTRIAIS II PROF. JACSON R. DREHER 6 ”Mas por que o nome assíncrono?” No ambiente industrial a maior parte da rede elétrica e trifásica. Em uma rede deste tipo temos três senóides defasadas de 120º elétricos uma da outra conforme Figura 3. A própria natureza da tensão, portanto, causa o campo girante entre os pólos. Figura 3 - Corrente alternada trifásica Obviamente a velocidade com que esse campo gira e proporcional à freqüência da rede elétrica. O fato é que sob carga temos uma forca contrária atuando no rotor, afinal ele está movimentando uma carga mecânica. Isso cria um fenômeno chamado escorregamento, ou seja, a velocidade do campo girante é sempre maior que a velocidade de rotação do rotor uma vez que ele esta sendo atrasado devido à forca necessária para provocar tal movimento. Sendo assim quanto maior o torque exigido no motor maior será o atraso em relação ao campo girante. Dai o nome motor assíncrono. Mesmo girando em vazio sem carga a própria massa do rotor e os atritos com os rolamentos já provocam um torque resistente e uma conseqüente ”assincronia” entre a velocidade do campo girante e o rotor. Bem, o fato é que há ”n” parâmetros a serem considerados em um motor elétrico. Por hora vamos nos concentrar apenas em dois deles: a velocidade de rotação e a potência. A velocidade do motor CA pode ser calculada pela formula. 120. f n p = onde: n = velocidade de rotação em rpm; INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SANTA CATARINA CAMPUS CHAPECÓ CURSO TÉCNICO EM ELETROELETRÔNICA MÓDULO IV COMANDOS INDUSTRIAIS II PROF. JACSON R. DREHER 7 f = freqüência da rede de alimentação; p= numero de pólos; Podemos concluir então que a velocidade é diretamente proporcional a freqüência de alimentação e inversamente ao número de pólos. A fórmula, entretanto, e válida apenas para o motor em vazio, ou seja, sem carga. A medida que colocamos um torque resistente ao seu eixo sua velocidade tende a cair. A potência elétrica do motor é o produto da tensão de alimentação pela corrente e pelo fator de potência. Para um motor monofásico teremos: . .cosP U I ϕ= Para um motor trifásico: 3. . .cosP U I ϕ= O fator de potência é uma característica construtiva do motor. Este é um dado que deve vir expresso no catálogo e até no próprio motor e seu valor médio encontra- se entre 0,85 a 0,95 (sempre menor do que um). A potência mecânica é o produto do seu torque (Newton x metro) pela velocidade de rotação. Normalmente ela e expressa em HP. Para converter Watts em HP basta fazer uma regra de três sendo: 1 HP = 746W. Algumas vezes utiliza-se também o CV e neste caso temos: 1 CV = 736W. 1.2. Sistemas de Partida Eletromecânica É fato de que ainda hoje encontramos em campo vários sistemas de partida que utilizam contatores como elementos chaveadores. Antes de iniciarmos nossos estudos sobre soft-starters, vamos a uma prévia sobre eles. 1.2.1. Partida direta O primeiro e mais simples sistema é o de partida direta ilustrado na Figura 4. Nele o motor é ligado de uma sé vez na rede elétrica. A corrente de partida pode atingir mais de seis vezes a corrente nominal. Caso a carga mecânica tenha alta inércia, este valor pode perdurar por vários segundos, até o motor atingir sua rotação nominal. A rede elétrica bem como os equipamentos a ela ligados deve suportar esse INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SANTA CATARINA CAMPUS CHAPECÓ CURSO TÉCNICO EM ELETROELETRÔNICA MÓDULO IV COMANDOS INDUSTRIAIS II PROF. JACSON R. DREHER 8 transiente. Para motores com potência acima de 3 CV (aproximadamente 2208 W) isso não e uma tarefa fácil. Figura 4 - Partida direta. 1.2.2. Partida estrela-triângulo A técnica da partida estrela-triângulo é simples e pode ser vista na Figura 5. Trata-se de alterar o fechamento das bobinas internas do motor inicialmente em estrela (Y) para triangulo (∆). Um relé temporizador é regulado de modo que o tempo seja suficiente para vencer a inércia. O motor parte com tensão reduzida, uma vez que ligado em estrela, a tensão em cada bobina é 3 vezes menor que a tensão da rede. Após o tempo de partida, as bobinas são fechadas em triângulo (ou fechamento delta) onde então toda a tensão é aplicada a cada conjunto de bobinas. Na verdade esse sistema divide um grande pico de corrente de partida em dois menores, sendo um de duas a três vezes a corrente nominal para partida em estrela e o segundo de mesma magnitude para mudança de estrela para delta. INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SANTA CATARINA CAMPUS CHAPECÓ CURSO TÉCNICO EM ELETROELETRÔNICA MÓDULO IV COMANDOS INDUSTRIAIS II PROF. JACSON R. DREHER 9 Figura 5 - Partida estrela-triângulo. 1.2.3. Partida com autotransformador A Figura 6 ilustra o esquema da partida com autotransformador. Nesse caso o motor é ligado a um tap, que pode ser de 50%, 65% e 80% da tensão nominal da rede. Apos vencida a inércia, o motor é ligado diretamente. No instante da partida os contatores K2 e K3 fecham-se, enquanto K permanece aberto. Desta maneira o motor parte com tensão reduzida oriunda do tap. Apos a inércia da partida K2 e K3 abrem e K1 liga o motor à rede. Essa transição pode ser feita manualmente, através de botoeiras ou automaticamente com reles temporizadores. INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SANTA CATARINA CAMPUS CHAPECÓ CURSO TÉCNICO EM ELETROELETRÔNICA MÓDULO IV COMANDOS INDUSTRIAIS II PROF. JACSON R. DREHER 10 Figura 6 - Partida com autotransformador INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SANTA CATARINA CAMPUS CHAPECÓ CURSO TÉCNICO EM ELETROELETRÔNICA MÓDULO IV COMANDOS INDUSTRIAIS II PROF. JACSON R. DREHER 2. SOFT-STARTER Com a redução do preço dos componentes estáticos de potência (tiristores,SCRs, etc.) utilizar um sistema de partida suave para motores elétricos de indução tornou-se uma alternativa mais econômica e eficaz. O soft-starter é um equipamento eletrônico, dedicado a partida de motores elétricos de indução e totalmente em estado sólido. A filosofia de funcionamento do soft-starter é, assim como os sistemas eletromecânicos, reduzir a tensão inicial de partida. Como o torque e proporcional a corrente e essa a tensão, o motor parte com torque reduzido. A figura 7 mostra um comparativo da corrente de partida entre as partidas direta, estrela - triângulo e soft- starter. Figura 7 - Comparativo da corrente entre partidas d e motoresde indução A alimentação do motor, quando é colocado em funcionamento, é feita por aumento progressivo da tensão, o que permite uma partida sem golpes e reduz o pico de corrente. Isso é obtido por intermédio de um conversor com tiristores. A subida progressiva da tensão pode ser controlada pela rampa de aceleração ou depende da corrente de limitação ou ligada a esses dois parâmetros. Assim o soft- starter assegura: • O controle das características de funcionamento, principalmente os períodos de partida e de parada; INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SANTA CATARINA CAMPUS CHAPECÓ CURSO TÉCNICO EM ELETROELETRÔNICA MÓDULO IV COMANDOS INDUSTRIAIS II PROF. JACSON R. DREHER 12 • A proteção térmica do motor e do controlador; • A proteção mecânica da máquina movimentada por supressão dos golpes e redução das correntes de partida. Geralmente as soft-starter’s têm ajuste de rampa de aceleração. Esse ajuste, conforme podemos ver na Figuras 8 e 9, pode ser feito via potenciômetro ou IHM (Interface Homem Máquina). Figura 8 - Ajustes do soft-starter Figura 9 - Ajustes do soft-starter pela IHM INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SANTA CATARINA CAMPUS CHAPECÓ CURSO TÉCNICO EM ELETROELETRÔNICA MÓDULO IV COMANDOS INDUSTRIAIS II PROF. JACSON R. DREHER 13 2.1. Princípio de Funcionamento O princípio de funcionamento está baseado na utilização de SCR’s (tiristores) na configuração antiparalelo, que é comandada por uma placa eletrônica de controle, a fim de ajustar a tensão de saída conforme a programação feita pelo usuário. Variando o ângulo de disparo do circuito de potência constituído por SCR’s, variamos o valor eficaz de tensão aplicada ao motor. Figura 10 - Forma de onda aplicada ao motor na part ida. Ao contrário do que muitos pensam nem todo soft-starter controla as três fases. Vamos estudar três possibilidades. 2.1.1. Uma fase controlada Há modelos no mercado que controlam apenas uma das três fases na partida. Com certeza esses modelos são mais baratos, porém, por razoes óbvias mais limitados. A fase controlada, aliás, é de fato controlada apenas na janela de tempo de partida. Quando o motor atinge a rotação nominal, o soft-starter funciona como um contator, ligando-o diretamente a rede elétrica. A única função que permanece nessa situação, é a de proteção térmica. A Figura 11 ilustra nosso primeiro tipo onde apenas a fase R é controlada através de um circuito que adianta ou atrasa o ângulo de disparo, e cujos pulsos de disparo são enviados a um TRIAC. Notem que a medida que o tempo passa (inércia sendo vencida) o ângulo de disparo vai diminuindo. Conforme o ângulo de disparo reduz, o de condução aumenta, permitindo que uma maior parcela da senóide chegue a carga. Então, com maior tensão temos maior corrente e consequentemente mais torque. INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SANTA CATARINA CAMPUS CHAPECÓ CURSO TÉCNICO EM ELETROELETRÔNICA MÓDULO IV COMANDOS INDUSTRIAIS II PROF. JACSON R. DREHER 14 Figura 11 - Motor trifásico com uma faze controlada na partida 2.1.2. Duas fases controladas Essa é a arquitetura mais popular no mercado. A Figura 12 ilustra como R e T são controladas enquanto S vai direto a motor. O circuito de controle não foi mostrado, pois é comum a esses modelos mudando apenas sua complexidade, em função do número de pulsos de disparo necessário para cada arquitetura. Figura 12 - Motor trifásico com duas fazes controla das na partida INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SANTA CATARINA CAMPUS CHAPECÓ CURSO TÉCNICO EM ELETROELETRÔNICA MÓDULO IV COMANDOS INDUSTRIAIS II PROF. JACSON R. DREHER 15 2.1.3. Três fases controladas A última e melhor arquitetura, onde as três fases R S e T são controladas, pode ser vista na figura 13. Esse é o melhor soft-starter em termos de performance, uma vez que temos o controle mais preciso e maior simetria entre as potências nas três fases. Figura 13 – Motor trifásico com três fases controla das. 2.2. Principais Funções da Soft-Starter As chaves soft-starter também apresentam funções programáveis que permitem configurar o sistema de acionamento de acordo com as necessidades do usuário. O comando dos tiristores é feito por um microprocessador que fornece as seguintes funções: • Controle das rampas de aceleração e desaceleração; • Limitação de corrente ajustável; • Conjugado na partida; • Frenagem por injeção de corrente contínua; • Proteção do acionamento por sobrecarga; • Proteção do motor contra aquecimentos devido a sobrecargas ou partidas demasiadamente freqüentes; • Detecção de desequilíbrio ou falta de fases e de defeitos nos tiristores; INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SANTA CATARINA CAMPUS CHAPECÓ CURSO TÉCNICO EM ELETROELETRÔNICA MÓDULO IV COMANDOS INDUSTRIAIS II PROF. JACSON R. DREHER 16 2.2.1. Rampa de tensão As chaves de partida estáticas podem ser ajustadas de forma a ter uma tensão inicial de partida adequada, responsável pelo torque inicial que aciona a carga. Ao fazer o ajuste da tensão de partida num valor Vp e um temo de partida Tp, a tensão cresce do valor Vp até atingir a tensão de linha do sistema, em um intervalo de tempo Tp, também parametrizável. Figura 14 - Rampa de aceleração da soft-starter Quando ajustamos um valor de tempo de rampa e de tensão de partida, não significa que o motor acelera de zero até a sua rotação nominal no tempo definido no ajuste. Isso depende também das características dinâmicas do sistema motor/carga. O valor de tensão e o tempo de rampa são valores ajustáveis dentro de uma faixa que pode variar conforme o fabricante. Não existe regra que possa ser aplicada para definir o valor de tempo a ser ajustado e o melhor valor de tensão inicial para que o motor possa garantir a aceleração de carga. O valor de tensão de partida deve ser ajustado de acordo com o tipo de carga que é acionada. Bombas Para esta aplicação, a tensão de partida não deve receber um ajuste elevado, a fim de evitar o fenômeno de golpe de aríete, que se traduz pela pressão da coluna de liquido durante os processos de partida e parada. Ventiladores INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SANTA CATARINA CAMPUS CHAPECÓ CURSO TÉCNICO EM ELETROELETRÔNICA MÓDULO IV COMANDOS INDUSTRIAIS II PROF. JACSON R. DREHER 17 O valor da tensão de partida deve ser baixo o suficiente para permitir um torque adequado a carga. O ajuste do tempo de partida não deve ser muito curto. Pode-se usar limitação de corrente de partida para estender o tempo de partida. 2.2.2. Pulsos de tensão de partida (kick start) É uma função chamada de pulso de tensão de partida com um valor ajustável. É aplicado em cargas de elevada inércia que, no momento da partida, exigem esforço extra do acionamento em função do alto conjugado resistente. Na prática, o pulso de tensão de partida deve ser ajustado entre 75% e 90% da tensão do sistema e o tempo do pulso de tensão deve ser ajustado entre 100 e 300 milissegundos, dependendo do tipo de carga a ser acionada. Essa função deve ser usada em casos em que ela seja estritamente necessária, pois ao acionar a função pulso de tensão de partida, a atuação da limitação de corrente de partida não ocorre. Figura 15 - Pulso de tensão na partida. 2.2.3. Limitação de corrente Na maioria dos casos em que a carga apresenta uma inércia elevada, é utilizada essa função, que faz com que o sistema rede/soft-starter forneça ao motor somente a corrente necessária para que seja executada a aceleração da carga. Esse recurso garante um acionamento realmente suave. A limitação de corrente também é muito utilizada na partidade motores cuja carga apresenta um valor mais elevado de inércia. INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SANTA CATARINA CAMPUS CHAPECÓ CURSO TÉCNICO EM ELETROELETRÔNICA MÓDULO IV COMANDOS INDUSTRIAIS II PROF. JACSON R. DREHER 18 2.2.4. Rampa de tensão na desaceleração A parada do motor pode ser por inércia, onde o soft-starter leva a tensão de saída a zero, como também por parada suave. Na parada controlada, a soft-starter reduz gradualmente a tensão na saída até um valor mínimo em um tempo predefinido. Figura 16 - Rampa de tensão de desaceleração. 2.3. Proteções Além da partida de motores os soft-starter’s também podem garantir ao motor a proteção necessária. Assim, quando uma proteção atua, é emitida uma mensagem de erro correspondente para permitir ao usuário visualizar o ocorrido. 2.3.1. Sobrecorrente imediata na saída Ajusta o máximo valor de corrente que a soft-starter permite conduzir para o motor por período de tempo pré-ajustado. INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SANTA CATARINA CAMPUS CHAPECÓ CURSO TÉCNICO EM ELETROELETRÔNICA MÓDULO IV COMANDOS INDUSTRIAIS II PROF. JACSON R. DREHER 19 Figura 17 - Sobrecorrente imediata na saída. 2.3.2. Subcorrente imediata Ajusta o mínimo valor de corrente que o soft-starter permite conduzir para o motor por período de tempo pré-ajustado. Essa função é utilizada para proteção de cargas que não possam operar em vazio, como por exemplo, sistemas de bombeamento. Figura 18 - Subcorrente imediata INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SANTA CATARINA CAMPUS CHAPECÓ CURSO TÉCNICO EM ELETROELETRÔNICA MÓDULO IV COMANDOS INDUSTRIAIS II PROF. JACSON R. DREHER 20 2.3.3. Outros parâmetros Além dos parâmetros já citados, a soft-starter possui diversas proteções, dependendo do fabricante do equipamento, como por exemplo: sobre temperatura dos tiristores, seqüência de fase invertida, falta de fase na rede, falta de fase no motor, etc. 2.4. Descrição dos Parâmetros Os parâmetros são agrupados de acordo com as suas características e particularidades, conforme apresentados em seguida: Parâmetros de leitura: variáveis que podem ser visualizadas no display, mas não podem ser alteradas pelo usuário, como por exemplo: tensão, corrente, potência ativa, etc. Parâmetros de regulação: são os valores ajustáveis a serem utilizados pelas funções da soft-starter, como por exemplo: tensão inicial, tempo de rampa de aceleração, tempo de rampa de desaceleração. Parâmetros de configuração: definem as características da soft-starter, as funções as serem executadas, bem como as estradas e saídas, como por exemplo: parâmetros de relés de saída e das entradas da soft-starter. Parâmetros do motor: define as características nominais do motor, como por exemplo: ajuste da corrente do motor, fator de serviço. INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SANTA CATARINA CAMPUS CHAPECÓ CURSO TÉCNICO EM ELETROELETRÔNICA MÓDULO IV COMANDOS INDUSTRIAIS II PROF. JACSON R. DREHER 3. INVERSOR DE FREQÜÊNCIA 3.1. Introdução A algum anos, para se ter um controle preciso de velocidade eram utilizados motores de corrente contínua. Entretanto, isso acarretava em diversos problemas como custo do motor, necessidade de retificação da tensão e manutenção. Com os avanços da eletrônica de potência e com as necessidades de aumento de produção surgiu uma série de equipamento na área de automação. O inversor de freqüência é um dos equipamentos. Versátil e dinâmico que permitiu o uso de motores de indução para controle de velocidade em substituição aos motores de corrente contínua. 3.2. Princípio de Funcionamento do Inversor de Freq üência O método mais eficiente de controle de velocidade de motores de indução trifásicos, com menos perdas no dispositivo responsável pela variação da velocidade consiste na variação da freqüência da fonte alimentadora através de conversores de freqüência. O inversor de freqüência também chamado por alguns fabricantes de conversor de freqüência é um equipamento capaz de controlar a velocidade e torque de motores de corrente alternada. Esse equipamento pode ter várias filosofias de controle e várias potências. Nesse capítulo vamos falar de inversor mais básico conhecido como inversor de freqüência escalar. Independentemente do fabricante e até modelo, a estrutura básica do inversor é a mesma, conforme ilustra a Figura 19. O que muda significativamente de um tipo para outro é a filosofia de controle. INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SANTA CATARINA CAMPUS CHAPECÓ CURSO TÉCNICO EM ELETROELETRÔNICA MÓDULO IV COMANDOS INDUSTRIAIS II PROF. JACSON R. DREHER 22 Figura 19 - Estrutura básica de um inversor de freq üência trifásico Podemos notar que a rede AC é retificada logo na entrada. Através de um capacitor (filtro) forma-se um barramento de tensão contínua (barramento DC) ou circuito intermediário. A tensão DC alimenta seis IGBT’s (transistor bipolar de gate isolado). VredeVDC .41,1= Os IGBT’s são chaveados três a três formando uma tensão alternada na saída U,V e W defasadas de 120º elétricos exatamente como a rede. A única diferença e que ao invés de uma senóides temos uma forma de onda quadrada. Portanto o motor elétrico AC alimentado por um inversor tem em seus terminais uma onda quadrada de tensão. Conforme veremos, isso não afeta muita sua performance. ”Mas como uma tensão DC pode tornar-se AC?” Nada melhor que um exemplo prático para responder esta questão. Embora a grande maioria dos inversores de freqüência encontrados no mercado sejam trifásicos, para fins didáticos, nós utilizaremos um modelo monofásico. “Afinal, o que é corrente alternada?” A corrente alternada é uma corrente que muda de sentido periodicamente. Ou seja, hora vai do positivo para o negativo, hora ao contrário. A Figura 20 ilustra um diagrama de blocos de um inversor monofásico. A diferença para o trifásico, é que ele possui apenas quatro transistores “chaveadores” na saída. Mas o principio de funcionamento é o mesmo. O funcionamento é simples: a tensão da rede é retificada e filtrada formando um barramento DC. De um lado da ponte de transistores temos um pólo positivo e do outro negativo. Imaginem que a lógica de controle representada agora como apenas um bloco envie pulsos de disparo para os transistores na seguinte ordem: hora TR1 e INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SANTA CATARINA CAMPUS CHAPECÓ CURSO TÉCNICO EM ELETROELETRÔNICA MÓDULO IV COMANDOS INDUSTRIAIS II PROF. JACSON R. DREHER 23 TR4 conduzem ficando TR2 e TR3 em corte; ora TR2 e TR3 em condução e TR1 e TR4 no corte, conforme mostra figura 11. Figura 20 - Condução dos transistores Reparem que no primeiro comando a corrente circula pelo motor no sentido de A para B. Já na segunda situação a corrente circula no sentido oposto, ou seja, de B para A. Esta feita uma corrente alternada através de um barramento DC. O mesmo vale para circuitos trifásicos, basta a lógica de controle obedecer a uma seqüência correta de disparo. Em circuitos trifásicos os transistores são disparados três a três sendo sempre dois na parte superior da ponte de IGBT’s e um na inferior e vice-versa. O circuito que comanda os IGBT’s é o elemento responsável pela geração dos pulsos de controle dos transistores de potência. Atuando sobre a taxa de variação do chaveamento dos transistores, controla-se a tensão e freqüência do sinal gerado. Isso permite ao conversor até ultrapassar a freqüência da rede. O método de modulação PWM (Pulse With Modulation) fornece ao motor uma corrente senoidal a partir de chaveamentos na faixa de 2KHz. Figura 21 - Modulação PWM 3.2.1. ModulaçãoPWM INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SANTA CATARINA CAMPUS CHAPECÓ CURSO TÉCNICO EM ELETROELETRÔNICA MÓDULO IV COMANDOS INDUSTRIAIS II PROF. JACSON R. DREHER 24 Agora que já temos uma boa idéia do motor de corrente alternada vamos a outro conceito fundamental para entendermos o inversor: a técnica de PWM, que significa ”pulse width modulation”. Se traduzirmos a sigla PWM para português temos ”modulação por largura de pulso”. Ela é uma técnica de controle de potência, tensão ou corrente através da largura do pulso de excitação, oriundos dos sistemas de controle. Esse controle e feito através do seu ciclo de trabalho (Duty Cycle). O ciclo de trabalho é uma característica de um sinal quadrado, que representa a porcentagem ativa do seu período. Podemos entender melhor o processo através da Figura 22. Nela notamos três sinais cuja forma de onda é quadrada. A amplitude dos três também é a mesma, igual a 5 Vcc. Como os três têm mesmo período então a freqüência tem o mesmo valor para todos (f =1/T ). Se os sinais têm a mesma forma de onda, mesma amplitude e mesma freqüência, qual a diferença entre eles? O ciclo de trabalho. Figura 22 - Ciclo de trabalho O primeiro sinal tem o seu ciclo divido em duas partes iguais: metade ”ativa” e metade ”desativada”. Nesse caso temos um ciclo de trabalho de 50% ou 0,5. Já na segunda situação apenas 30% do total do período esta em ”ON”, portanto temos um ciclo de trabalho igual a 30%. E finalmente na terceira situação um ciclo de 70%. ”E para que isso serve?”. Podemos controlar a tensão sob uma carga através desta técnica. Imaginem ainda, com base no exemplo anterior, que o sinal de ciclo de trabalho de 50% fosse aplicado a uma lâmpada, o de 30% em outra e o de 70% em uma terceira (todas com as mesmas características). A primeira lâmpada teria um brilho médio, a segunda pouco brilho e a terceira seria a mais brilhante. INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SANTA CATARINA CAMPUS CHAPECÓ CURSO TÉCNICO EM ELETROELETRÔNICA MÓDULO IV COMANDOS INDUSTRIAIS II PROF. JACSON R. DREHER 25 Como isso aconteceu se não variamos a amplitude? A resposta a esta pergunta é justamente a razão de ser da técnica de controle da potência através da largura de pulso e não da amplitude. Em outras palavras, variamos sim a tensão, mas a eficaz e não a tensão da fonte de alimentação. Esta permanece invariável. Com a técnica de PWM então podemos alterar a tensão eficaz na carga sem alterar a tensão na fonte. Como isto pode ser feito na prática? A Figura 23 mostra um amplificador operacional em malha aberta (sem realimentação). Desta maneira ele se comporta como um comparador de tensão. Em sua saída como o ganho é infinito, ou temos toda a tensão da fonte (+ Vcc) ou nada (0 Volt terra). Depende apenas de qual sinal tem maior amplitude em determinado momento. Conforme se pode observar tem-se um sinal dente de serra na entrada inversora e um sinal perfeitamente contínuo fixo na entrada não inversora (também conhecida como entrada de referencia). Figura 23 - Técnica PWM O resultado é que entre to e t1 a tensão na entrada não inversora é maior que a inversora levando a saída do AmpOp para saturação (+ Vcc). Já entre t1 e t2 a tensão dente de serra supera a referencia levando agora a saída a zero Volt. Ou seja, a saída do circuito é função da comparação entre os sinais e a largura do pulso depende do nível da tensão CC de referência. Na Figura 24 aumentou-se o valor da entrada não inversora e consequentemente a largura do pulso também, uma vez que se modificou o ponto de intersecção entre o sinal dente de serra e o de referência. INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SANTA CATARINA CAMPUS CHAPECÓ CURSO TÉCNICO EM ELETROELETRÔNICA MÓDULO IV COMANDOS INDUSTRIAIS II PROF. JACSON R. DREHER 26 Figura 24 - Modulação PWM Se for mantida a inclinação da rampa de subida do sinal dente de serra, pode- se controlar a largura do pulso de saída através de uma tensão CC de referência. A Figura 25 mostra uma sugestão de como isto pode ser feito utilizando dois CI’s bem famosos: o 555 e o 741. É fato que este PWM não é tão preciso, visto que a forma dente de serra no 555 é um pouco diferente de uma rampa, porém funciona bem para aplicações não criticas. Os valores de C1, RA e RB dependem da freqüência de PWM desejada. Apenas como parâmetro para fontes chaveadas ela varia de 20 kHz a 50 khz. Já para inversores, de 25 kHz a 16 Khz. Figura 25 - Exemplo de circuito PWM Desde meados da década de 60, os conversores de freqüência tem passado por várias e rápidas mudanças, principalmente pelo desenvolvimento da tecnologia INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SANTA CATARINA CAMPUS CHAPECÓ CURSO TÉCNICO EM ELETROELETRÔNICA MÓDULO IV COMANDOS INDUSTRIAIS II PROF. JACSON R. DREHER 27 dos microprocessadores e semicondutores e a redução dos seus preços. Entretanto, os princípios básicos dos conversores de freqüência continuam o mesmo. 3.3. Curva Tensão/Freqüência Para os leitores que estão se perguntando: ”Por que tive que ler toda uma teoria sobre PWM?” Chegou a hora da resposta. O inversor que estamos analisando é denominado ”escalar”. Há um outro tipo para aplicações mais criticas onde a precisão e alto torque em velocidades muito baixas são necessários, chamado “vetorial”. Para que o torque se mantenha constante diante de uma variação de carga no eixo do motor, a razão tensão pela freqüência de alimentação também deve permanecer constante. Por exemplo: Imaginem que um motor AC está sendo acionado com 200 Vca em 60 Hz. Se dividirmos tensão pela freqüência (V /f) teremos: 220/60 = 3,7(aproximadamente). Esta então é a constante V/f. Pois bem, vamos supor que façamos uma redução de velocidade proporcional a 15 Hz. Para que não haja variação no torque, a tensão deve ser reduzida na mesma proporção a fim de manter V/f constante. Assim a nova tensão será: 3,7 55,5 15 V V Vca= ⇒ = Pode parecer estranho ter que reduzir a tensão para manter constante o torque. A Figura 25 mostra um exemplo de curva V/f na qual podemos observar que na pratica há limites para se manter o torque constante. No exemplo o torque e constante apenas entre os pontos A e B. Para freqüências menores que 5 Hz o motor nem gira, pois não há tensão suficiente para fazê-lo. Já para freqüências acima de 60 Hz a tensão de alimentação nominal permanece constante mesmo se aumentarmos a freqüência. Embora seja possível aumentar a velocidade do motor, seu torque sofrerá alterações segundo a variação de carga. Resumindo, fora da região limitada pelos pontos A e B o torque não pode ser considerado constante. INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SANTA CATARINA CAMPUS CHAPECÓ CURSO TÉCNICO EM ELETROELETRÔNICA MÓDULO IV COMANDOS INDUSTRIAIS II PROF. JACSON R. DREHER 28 Figura 26 - Curva V/f A função do inversor escalar é tentar manter a curva V/f o mais invariável possível. Como a tensão no barramento DC é fixa a única forma de aumentarmos ou reduzirmos a tensão de alimentação do motor segundo uma variação na freqüência é através da técnica de PWM. Lembre-se: A largura do pulso pode controlar a tensão eficaz na carga sem alterar a tensão da fonte. Quando é solicitado um aumento de velocidade (freqüência) a largura do pulso de saída e aumentada de forma a manter V/f invariável. Já quando reduzimos a freqüência, a largura do pulso e reduzida pela mesma razão. O inversor de freqüência possibilita o controle do motor CA variando a freqüência, mas também realiza a variação da tensão de saída para que seja respeitada a Característica V/F (Tensão/Freqüência) do motor, para não produzir aquecimento excessivo quando o motor operaem baixas rotações. Em freqüências de operação acima da nominal, para a qual o motor foi fabricado, também se produz perda de torque já que se está trabalhando na região chamada de enfraquecimento, ou seja, existe aumento da freqüência sem que se possa aumentar a tensão de saída do inversor, devido a tensão de saída igualar-se ao valor da tensão de alimentação. Destinados inicialmente a aplicações mais simples, os inversores de freqüência são atualmente encontrados nos mais diversos usos, desde o acionamento de bombas até complexos sistemas de automação industrial. Grande parte das aplicações como bombas, ventiladores e máquinas simples, necessitam apenas de variação de velocidade e partidas suaves, sendo atendidas plenamente com o uso de inversores com tecnologia Escalar ou V/F. Algumas aplicações entretanto, como elevadores, guinchos, bobinadeiras e máquinas operatrizes necessitam além da variação de velocidade o controle de INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SANTA CATARINA CAMPUS CHAPECÓ CURSO TÉCNICO EM ELETROELETRÔNICA MÓDULO IV COMANDOS INDUSTRIAIS II PROF. JACSON R. DREHER 29 torque, operações em baixíssimas rotações e alta velocidade de resposta, sendo atendidas por inversores com tecnologia Vetorial de Fluxo. 3.4. Inversor Escalar Em linhas gerais, podemos dizer que os inversores escalares são fontes de alimentação com valores de tensão/freqüência pré-determinados dentro de toda a faixa de variação de velocidade. Existem curvas V/F prontas, destinadas as aplicações mais comuns, como curvas quadráticas para bombas e ventiladores e curvas com alto torque de partida. Também existe a possibilidade de programação dos valores da curva V/F possibilitando a sua adaptação a cargas especiais. Considerando-se que o torque no eixo do motor é proporcional à relação V/F, os inversores escalares irão disponibilizar ao motor torques pré-determinados, não compensando as necessidades de torques adicionais requeridas por determinadas aplicações. A compensação de torque principalmente em baixas rotações é normalmente realizada através da programação da curva V/F. Se elevamos o valor da relação V/F, elevando-se, portanto a disponibilidade de torque no motor. Tal efeito é normalmente denominado de Reforço de Torque para baixas rotações, ou Torque Boost em inglês. 3.5. Inversor "Vetorial" de Tensão Alguns inversores escalares possuem um algoritmo incorporado ao software o qual aumenta a tensão independentemente da freqüência, de forma a compensar "em parte" as solicitações de torque do motor, este sistema é normalmente denominado de Controle Vetorial da Tensão. Apesar da Curva V/F ser pré-fixada, os inversores escalares dispõem de funções adicionais capazes de influir sobre a curva V/F, hora sobre o valor da tensão, hora sobre o valor da freqüência, proporcionando melhor desempenho do motor. Funções como a de compensação de Escorregamento, aumentam a freqüência de saída na mesma proporção da elevação de corrente de motor, acima da corrente de vazio, compensando a queda de velocidade devido ao escorregamento. INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SANTA CATARINA CAMPUS CHAPECÓ CURSO TÉCNICO EM ELETROELETRÔNICA MÓDULO IV COMANDOS INDUSTRIAIS II PROF. JACSON R. DREHER 30 Funções como a de Economia de Energia, reduzem a tensão de saída do inversor quando a carga é reduzida melhorando a eficiência do motor e economizando energia elétrica. 3.6. Inversores Vetoriais de Fluxo Os Inversores Vetoriais de Fluxo produzem uma saída trifásica com tensão(V) e freqüência (F) controladas independentemente, não seguindo uma curva V/F pré- fixada. A idéia é manter o fluxo magnético do motor constante e controlar diretamente o torque do eixo do motor controlando-se a corrente retórica do mesmo. Os Inversores Vetoriais de Fluxo possuem dois controladores, um controla a corrente de magnetização e o outro a corrente do motor. O torque no motor será imposto e controlado diretamente, ao contrário dos Inversores Escalares onde o torque é conseqüência do escorregamento do motor. Os inversores Vetoriais de Fluxo estão divididos em duas categorias: com e sem realimentação. A realimentação ou "Feedback", permite "enxergar" o movimento do eixo do motor possibilitando controlar a velocidade com alta precisão e também o torque em velocidade zero. A operação com realimentação é também conhecida como controle de malha fechada e sem realimentação como controle de malha aberta. A realimentação é realizada utilizando um gerador de pulsos, também conhecido com "Encoder". Alguns equipamentos permitem a utilização dos dois modos, sendo necessário uma placa opcional para a operação de malha fechada. A operação de malha aberta, ou sem realimentação é também conhecida como "Sensorless", nesse caso o algoritmo de controle torna-se mais complexo, pois o inversor deve calcular através de artifícios matemáticos a velocidade real e o escorregamento do motor. A operação sem realimentação possui desempenho inferior à operação com realimentação. Os Inversores Vetoriais de Fluxo necessitam da programação de todos os parâmetros do motor como, resistências elétricas, indutâncias, correntes nominais do rotor e estator, dados esses normalmente não encontrados com facilidade. Para facilitar o set-up, alguns inversores dispõem de sistemas de ajustes automáticos também conhecidos como "Auto-tunning", não sendo necessário a pesquisa de dados sobre o motor. INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SANTA CATARINA CAMPUS CHAPECÓ CURSO TÉCNICO EM ELETROELETRÔNICA MÓDULO IV COMANDOS INDUSTRIAIS II PROF. JACSON R. DREHER 31 3.7. Diferenças entre Inversores Escalares e Vetori ais de Fluxo A principal diferença entre os inversores Escalares e Vetoriais de Fluxo deve- se a capacidade dos inversores vetoriais de fluxo de imporem o torque necessário ao motor, de forma precisa e rápida permitindo uma elevada velocidade de resposta dinâmica a variações bruscas de carga. Com Invasores Escalares é necessária a queda de velocidade para aumento do torque, ou seja, o torque produzido no motor é proporcional ao escorregamento. Nos inversores Vetoriais de Fluxo não existe praticamente redução de velocidade para aumento do torque, visto que o inversor irá impor uma tensão e uma freqüência adequada para compensar a queda de velocidade e impor o torque necessário à carga. Em algumas aplicações é necessário que o motor trabalhe com folga de tensão visto que os inversores vetoriais de fluxo impõem o torque elevando a tensão sobre o motor. Caso a velocidade de trabalho seja a nominal e a regulação seja crítica, é necessário utilizar um motor com tensão nominal menor que a rede, como forma de obter-se a folga necessária para a regulação. 3.8. Blocos do Inversor de Freqüência Figura 27 - Diagramas de blocos do inversor de freq üência INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SANTA CATARINA CAMPUS CHAPECÓ CURSO TÉCNICO EM ELETROELETRÔNICA MÓDULO IV COMANDOS INDUSTRIAIS II PROF. JACSON R. DREHER 32 3.8.1. 1º Bloco - CPU A CPU (Unidade Central de Processamento) de um inversor de freqüência pode ser formada por um microprocessador ou por um microcontrolador. Isso depende apenas do fabricante. De qualquer forma, é nesse bloco que todas as informações (parâmetros e dados do sistema) estão armazenadas, visto que também uma memória está integrada a esse conjunto. A CPU não apenas armazena os dados e parâmetros relativos ao equipamento, como também executa a função mais vital para o funcionamento do inversor: geração dos pulsos de disparo, por meio de uma lógica de controle coerente para os IGBT's. 3.8.2. 2º Bloco - IHM O segundo bloco é a IHM (Interface Homem Máquina). E através desse dispositivo que podemosvisualizar o que está ocorrendo no inversor (display) e parametrizá-lo de acordo com a aplicação (teclas). Na figura 28, temos um detalhe da IHM de um inversor CFW 08 Plus. Figura 28 - IHM de um inversor CFW-08 WEG. Com essa IHM podemos visualizar diferentes grandezas do motor, como: tensão, corrente, freqüência, status de alarme, entre outras funções. É também possível visualizar o sentido de giro, verificar o modo de operação (local ou remoto), ligar ou desligar o inversor, variar a velocidade, alterar parâmetros e outras funções. 3.8.3. 3° Bloco – Interfaces A maioria dos inversores pode ser comandada por dois tipos de sinais: analógicos ou digitais. Normalmente, quando queremos controlar a velocidade de rotação de um motor AC no inversor, utilizamos uma tensão analógica de comando. INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SANTA CATARINA CAMPUS CHAPECÓ CURSO TÉCNICO EM ELETROELETRÔNICA MÓDULO IV COMANDOS INDUSTRIAIS II PROF. JACSON R. DREHER 33 Essa tensão se situa entre 0 a 10 Vcc. A velocidade de rotação (RPM) é proporcional ao seu valor, por exemplo: 1 Vcc = 1000 RPM, 2Vcc = 2000 RPM. Para inverter o sentido de rotação, basta inverter a polaridade do sinal analógico (de 0 a 10 Vcc sentido horário e -10 a 0 Vcc sentido anti-horário). Este é o sistema mais utilizado em máquinas e ferramentas automáticas, sendo que a tensão analógica de controle é proveniente do controle numérico computadorizado (CNC). Além da interface analógica, o inversor possui entradas digitais. Com um parâmetro de programação, podemos selecionar a entrada válida (analógica ou digital). 3.8.4. 4º Bloco - Etapa de potência A etapa de potência é constituída por um circuito retificador, que alimenta (através de um circuito intermediário denominado "barramento DC") o circuito de saída inversor (módulo IGBT). 3.9. Sistemas de Entrada e Saída de Dados O sistema de entrada e saída de dados é composto por dispositivos responsáveis pela interligação entre o homem e a máquina. São dispositivos por onde o homem pode introduzir informações na máquina ou por onde a máquina pode enviar informações ao homem. Para os conversores de freqüência, podemos citar os seguintes dispositivos: 3.9.1. Interface homem máquina (IHM) É um dispositivo de entrada/saída de dados, em que o operador pode entrar com os valores dos parâmetros de operação do conversor, como: ajuste de velocidade, tempo de aceleração/ desaceleração etc. Também pode ter acesso aos dados de operação do conversor, como: velocidade do motor, corrente, indicação de erro, etc. INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SANTA CATARINA CAMPUS CHAPECÓ CURSO TÉCNICO EM ELETROELETRÔNICA MÓDULO IV COMANDOS INDUSTRIAIS II PROF. JACSON R. DREHER 34 3.9.2. Entradas e saídas analógicas São os meios de controlar e ou monitorar o conversor através de sinais eletrônicos analógicos, isto é, sinais em tensão (0 a 10 Vcc) ou em corrente (0 a 20 mA, 4 a 20 mA) e que permitem basicamente fazer o controle de velocidade (entrada) e leituras de corrente ou velocidade (saída). 3.9.3. Entradas e saídas digitais São os meios de controlar e ou monitorar o conversor através de sinais digitais discretos, como chaves liga/desliga. Esse tipo de controle permite basicamente ter acesso a funções simples, como: seleção de sentido de rotação, bloqueio, seleção de velocidades, etc. 3.9.4. Interface de comunicação serial Esse meio de comunicação permite que o conversor seja controlado ou monitorado a distância por um computador central. Essa comunicação é executada por pares de fios, podendo ser conectados vários conversores a um computador central ou operado por CLP, por redes industriais (fieldbus, modbus, profibus), RS- 232 ou RS-485, entre outras. O conversor de freqüência permite o acionamento de motores de indução com freqüências de 1 a 60 Hz com um torque constante, sem aquecimentos anormais nem vibrações fora de ordem. Também possui outras vantagens que estão enumeradas a seguir: • Rendimento de 90% em toda a faixa de velocidade; • Fator de potência de aproximadamente 96%; • Acionamento de cargas de torque constante ou variável; • Faixa de variação de velocidade; • Partida e desligamento suave (rampa). 3.10. Formas de Variação de Velocidade em um Invers or de Freqüência INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SANTA CATARINA CAMPUS CHAPECÓ CURSO TÉCNICO EM ELETROELETRÔNICA MÓDULO IV COMANDOS INDUSTRIAIS II PROF. JACSON R. DREHER 35 A principal função de um conversor de freqüência é a variação de velocidade em um motor elétrico. Existem algumas formas de promover essa variação de velocidade. A seguir, estão enumeradas as principais maneiras de realizar essa variação de velocidade pelo inversor de freqüência: 3.10.1. Acionamento pela IHM Uma das maneiras de realizar o controle de velocidade de um inversor de freqüência é o acionamento pelas teclas da IHM. Para tal, deve-se colocar o inversor em modo local, e pelo teclado, pode-se incrementar e decrementar a velocidade do motor localmente, bem como inverter o sentido de giro do motor. 3.10.2. Acionamento pelas entradas digitais Em uma aplicação industrial, torna-se inviável o acionamento de um inversor localmente direto nas teclas de sua IHM. Assim, a grande maioria das aplicações com inversores de freqüência é realizada por meio de comandos remotos. Para isso, deve- se colocar o inversor em modo de acionamento remoto e, por meio de botões externos, acionar ou desativar o motor e ainda inverter o seu sentido de giro. 3.10.3. Acionamento pela função multispeed O multispeed é utilizado quando se deseja até oito velocidades fixas pré- programadas. Permite o controle da velocidade de saída relacionando os valores definidos por parâmetros, conforme a combinação lógica das entradas digitais programadas para multispeed. Para a ativação da função multispeed, primeiramente é preciso fazer com que a fonte de referência seja dada pela função multispeed, colocar o inversor em modo remoto e programar uma ou mais entradas digitais para multispeed, conforme tabela apresentada em seguida: Tabela 1 - Variação de velocidade com a função mult ispeed. D12 D13 D14 Ref. de freqüência Aberta Aberta Aberta P124 Aberta Aberta 0V P125 Aberta 0V Aberta P126 INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SANTA CATARINA CAMPUS CHAPECÓ CURSO TÉCNICO EM ELETROELETRÔNICA MÓDULO IV COMANDOS INDUSTRIAIS II PROF. JACSON R. DREHER 36 Aberta 0V 0V P127 0V Aberta Aberta P128 0V Aberta 0V P129 0V 0V Aberta P130 0V 0V 0V P131 A função multispeed tem como vantagem a estabilidade das referencias pré- programadas e também garante a imunidade contra ruídos elétricos. A figura seguinte exibe um gráfico aplicado ao inversor CFW 08 WEG. Figura 29 - Gráfico da variação de velocidade pelo comando multispeed 3.10.4. Acionamento pelas entradas analógicas Em muitas aplicações industriais, deseja-se um controle da velocidade do motor desde 0% a 100%. Como vimos anteriormente, esse controle não é possível se utilizarmos entradas digitais. Para efetuarmos esse tipo de controle, pode-se trabalhar com as entradas analógicas do inversor por meio de sinais de tensão (0 a 10 Vcc) ou de sinais de corrente (4 a 20 mA). Esse acionamento pode ser realizado de duas maneiras: Pelo potenciômetro: o inversor de freqüência possui em seus bornes uma fonte de 10Vcc, assim, pode-se conectar um potenciômetro na configuração de divisor de tensão para aplicar uma tensão variável de 0 a 10 Vcc. Pela fonte de tensão ou corrente externas: esse tipo de configuração é um dos mais utilizados quando se quer controlar a velocidade do inversor remotamente. O INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIADE SANTA CATARINA CAMPUS CHAPECÓ CURSO TÉCNICO EM ELETROELETRÔNICA MÓDULO IV COMANDOS INDUSTRIAIS II PROF. JACSON R. DREHER 37 fornecimento de tensão ou corrente é feito por um controlador externo, como um controlador lógico programável (CLP) ou um controlador industrial. 3.11. Como Instalar Um Inversor de Freqüência A única regra comum a todos os modelos e aplicações é tomar cuidado para não confundir os bornes de entrada de energia (R, S e T); com a saída para o motor (U, V e W). Com exceção desta regra o restante da instalação dependerá do modelo e da aplicação. Para concretizar melhor a idéia vamos a um exemplo prático no qual utilizamos um inversor da WEG modelo CFW 08. Podemos notar através da figura 30 que temos três conexões, sendo dois barramentos (o de potência e o de comando) e um ponto de aterramento. A Figura 31 detalha o barramento de potência. Vejam que os pontos de entrada e saída estão bem definidos. Jamais os inverta isto, é fatal para o dispositivo. Figura 30 - Inversor WEG CFW 08 Figura 31 - Inversor CFW 08- barramento de potência Uma vez conectada a rede e a saída para o motor, temos o barramento de comando. É justamente nessa parte que podemos encontrar muitas variações, porém, de posse do manual do fabricante e do projeto tudo fica fácil. A Figura 32 mostra a INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SANTA CATARINA CAMPUS CHAPECÓ CURSO TÉCNICO EM ELETROELETRÔNICA MÓDULO IV COMANDOS INDUSTRIAIS II PROF. JACSON R. DREHER 38 tabela descritiva da função de cada borne no conector de controle (Xc1) deste inversor. Na Figura 33 temos um exemplo de acionamento por controle remoto (distante do aparelho). A chave S1 controla o sentido de giro do inversor (horário / anti-horário). A chave S2 é o Reset. A chave S3 comanda parar / girar; e a R1 é um potenciômetro que ajusta a velocidade do motor através de uma tensão DC de controle. Esta tensão, aliás, é típica e varia de 0 a 10 Vcc. Figura 32 - Bornes do conector XC INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SANTA CATARINA CAMPUS CHAPECÓ CURSO TÉCNICO EM ELETROELETRÔNICA MÓDULO IV COMANDOS INDUSTRIAIS II PROF. JACSON R. DREHER 39 Figura 33 - Exemplo 1 de conexão A Figura 34 mostra outro exemplo. Agora S1 liga o motor S2 desliga e S3 comanda o sentido de giro. A Figura 35 ilustra outra possibilidade sendo: S1 aberta = parar, S1 fechada = avanço, S2 aberta = parar, S2 fechada = retorno. Enfim temos n modos de se ligar o comando de um inversor. Finalmente a Figura 36 nos mostra uma instalação genérica e seus devidos cuidados como filtro de linha e aterramento. Figura 34 - Exemplo 2 de conexão INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SANTA CATARINA CAMPUS CHAPECÓ CURSO TÉCNICO EM ELETROELETRÔNICA MÓDULO IV COMANDOS INDUSTRIAIS II PROF. JACSON R. DREHER 40 Figura 35 - Exemplo 3 de conexão Figura 36 - Exemplo de conexão genérica 3.11.1. Regras para a Instalação do Inversor de Freqüência 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. INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SANTA CATARINA CAMPUS CHAPECÓ CURSO TÉCNICO EM ELETROELETRÔNICA MÓDULO IV COMANDOS INDUSTRIAIS II PROF. JACSON R. DREHER 41 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). 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) 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 freqüência 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 INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SANTA CATARINA CAMPUS CHAPECÓ CURSO TÉCNICO EM ELETROELETRÔNICA MÓDULO IV COMANDOS INDUSTRIAIS II PROF. JACSON R. DREHER 42 certificação CE (Comunidade Européia) exige que a emissão eletromagnética chegue a níveis baixíssimos (norma IEC 22G - WG4 (CV) 21). 3.12. Parametrizando um Inversor de Freqüência Cada borne para se tornar ativo ou não deve ser parametrizado (programado). Se o inversor não for informado através de um parâmetro que a velocidade de rotação do motor deve ser controlada através de 0 a 10 Vcc no borne 6, por exemplo, o equipamento obedecerá ao comando local da IHM (Interface Homem Máquina) no painel, visto que esta á a programação “default” (de fábrica). Portanto além de instalado o inversor deve ser “programado” (parametrizado de acordo com cada aplicação específica). Consultando o manual do aparelho o leitor poderá confirmar como esta tarefa é simples de ser feita. Entretanto é difícil discorrer sobre este assunto em um único capítulo pois cada fabricante tem sua própria lógica. Se servir de consolo entender como se faz a parametrização de um inversor, na grande maioria dos casos e mais fácil do que programar um vídeo cassete. Basta ler o manual com atenção. 3.13. 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: 3.13.1. 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. Exceto em aplicações severas onde o número de partidas é muito grande ou tem que trabalhar muitas horas ininterruptas. A tensão, tanto do inversor quanto do motor deve ser igual a da rede de alimentação. INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SANTA CATARINA CAMPUS CHAPECÓ CURSO TÉCNICO EM ELETROELETRÔNICA MÓDULO IV COMANDOS INDUSTRIAIS II PROF. JACSON R. DREHER 43 3.13.2. Tipo de inversor A maioria dos inversores utilizados é do tipo escalar. Só utiliza-se o tipo vetorial em duas ocasiões: extremaprecisão de rotação, torque elevado para rotação baixa ou zero (ex: guindaste, pontes rolantes, elevadores). 3.13.3. 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. INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SANTA CATARINA CAMPUS CHAPECÓ CURSO TÉCNICO EM ELETROELETRÔNICA MÓDULO IV COMANDOS INDUSTRIAIS II PROF. JACSON R. DREHER 44 4. SOFT-STARTER X INVERSOR DE FREQÜÊNCIA Não confunda soft-starter com inversor de freqüência. São equipamentos com estrutura e funcionalidade distintas. Enquanto o inversor é projetado para controlar a velocidade e torque do motor ao longo do seu funcionamento o soft-starter é capaz apenas de controlar sua partida e sua frenagem. É fato que, para motores pequenos (menos de 3 CV) um inversor de freqüência pode até assemelhar-se em custo a um soft-starter e, portanto, mostrar-se como uma vantagem a medida que também pode oferecer uma rampa de partida e frenagem. Essa relação, entretanto, desaparece quando tratamos de motores com maior potência. Comparem por exemplo o preço de um soft-starter com potência de 50 CV e um inversor de freqüência de 50 CV. Resumindo temos que os sistemas de partida suave (soft-starters) são equipamentos eletrônicos destinados à partida e frenagem de motores elétricos de indução. Eles variam em arquitetura (número de fases controladas) e em recursos (presença ou não de IHM). Sua técnica de operação é reduzir a tensão da rede e dessa forma reduzir o torque inicial até que a inércia do motor mais a carga mecânica sejam vencidas. Ele não deve ser confundido com o inversor de freqüência uma vez que sua estrutura função e custo são diferentes. Sua instalação assemelha-se a um contator, papel que exerce apos a rotação nominal do motor.
Compartilhar