INVERSOR DE FRÊQUENCIA

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Disciplina: Automação
Professor: Landson Victor
INTRODUÇÃO
PROF: LANDSON VICTOR
Atualmente, a necessidade de aumento de produção e diminuição de custos, se fez dentro deste cenário surgir a automação, ainda em fase inicial no Brasil, com isto uma grande infinidade de equipamentos foram desenvolvidos para as mais diversas variedades de aplicações e setores industriais, um dos equipamentos mais utilizados nestes processos conjuntamente com o CLP é o Inversor de Frequência, um equipamento versátil e dinâmico, vamos expor agora o princípio básico do inversor de frequência.
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INVERSOR DE FREQUÊNCIA
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O inversor de frequência é um equipamento eletrônico capaz de realizar com precisão a variação da velocidade de giro de motores elétricos trifásicos. O nome inversor de frequência é dado por conta da sua maneira de atuação, ele realiza a mudança da velocidade de giro de vários tipos de motores elétricos, com a possibilidade de deixar dentro do padrão do motor, e no seu valor mínimo e máximo suportado.
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INVERSOR DE FREQUÊNCIA
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Basicamente um inversor de frequência é um dispositivo capaz de gerar uma tensão e frequência trifásicas ajustáveis, com a finalidade de controlar a velocidade de um motor de indução trifásico.
Pode ser aplicado em: 
Bombas centrífugas
Bombas dosadoras de processo
Ventiladores / Exaustores
Agitadores / Misturadores
Esteiras transportadoras
Mesas de rolos
Secadores
Filtros rotativos
Máquinas de corte e solda
Multimotores
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FUNCIONAMENTO
O Inversor de Frequência funciona para fazer a alteração da frequência da rede que alimenta o motor, fazendo com que o motor siga frequências diferentes das fornecidas pela rede, que é sempre constante. Dessa maneira, podemos facilmente alterar a velocidade de rotação do motor de modo muito eficiente com o uso do inversor de frequência. 
Os inversores de frequência são projetados para realizar o controle e modificar a velocidade de motores elétricos e tem a possibilidade de ser utilizado em equipamentos das mais diversas áreas da indústria, como extrusoras, bombas centrífugas, rebobinadoras de papel, ventiladores, entre muitos outros.
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FUNCIONAMENTO
O inversores de frequência são aparelhos capazes de gerar uma tensão em frequência trifásicas ajustáveis, com o intuito de controlar a velocidade de um motor de indução trifásico. Estes motores quando alimentados diretamente da rede de distribuição de energia elétrica tem uma característica de velocidade constante. 
Porém, existem vários equipamentos e máquinas cujos processos requerem algum tipo de movimento controlado, tais como, a velocidade de rotação de uma motobomba, neste caso é possível manter a pressão e a vazão desejada constante.
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FUNCIONAMENTO
Todo motor acionado por inversor de frequências oferece, entre outras, a vantagem de economizar energia e impulsionar o desempenho de máquinas e equipamentos. Reduz potencialmente o pico de corrente na partida do motor proporcionando maior vida útil e menor manutenção.
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EXEMPLO
Para que fique mais claro, vamos encontrar em rpm a velocidade síncrona em um motor de indução trifásico, como quatro polos, ligado a uma rede de alimentação de 220 volts e frequência de 60Hz. Para encontrar a velocidade síncrona do motor basta substituir os valores que temos na fórmula, como mostra a resolução na imagem abaixo:
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Podemos ver que se mudar a frequência, podemos controlar a velocidade do motor. 
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FUNCIONAMENTO
O inversor de frequência é na maioria das vezes composto de retificador (AC para DC), filtro, inversor (DC para AC), unidade de frenagem, unidade de disco, unidade de detecção e unidade de processamento.
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FUNCIONAMENTO
Seção Retificadora: Os seis diodos retificadores situados no circuito de entrada do inversor, retificam a tensão trifásica da rede de entrada (L1, L2 e L3). 
Seção barramento: Aqui é possível encontrar um filtro composto por capacitores e indutores, que são responsáveis por filtrar o sinal de corrente e tensão pulsante. Após passar pelo filtro o sinal pulsante se torna contínuo e tanto a tensão quanto a corrente elétrica ficam com uma ondulação mínima.
Seção Inversora: A tensão retificada DC é novamente convertida em Trifásica AC. Os transistores IGBT chaveiam várias vezes por ciclo, gerando um trem de pulsos com largura variável senoidalmente (PWM). Esta saída de tensão pulsada, sendo aplicada em um motor (carga indutiva), irá gerar uma forma de onda de corrente bem próxima da senoidal através do enrolamento do motor.
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COMPOSIÇÃO
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BLOCOS
BLOCO – Etapa de potência
	 A etapa de potência é constituída por um circuito retificador, que alimenta ( através de um circuito intermediário chamado “barramento DC”), o circuito de saída inversor (módulo IGBT). 
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BLOCOS
BLOCO – CPU
 	A unidade central de processamento de um inversor de frequência pode ser formada por um micro processador ou por um micro controlador (CLP). 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 equipamentos, como também executa a função mais vital para o funcionamento do inversor: Geração dos pulsos de disparo, através de uma lógica de controle coerente, para os IGBT’s. 
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BLOCOS
BLOCO – IHM
 	O segundo bloco é o IHM (interface Homem máquina). É através desse dispositivo que podemos visualizar o que está ocorrendo no inversor (display), e parametrizá-lo de acordo com a aplicação (teclas).
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BLOCOS
BLOCO – Interfaces 
	A maioria dos inversores pode ser comandada através de 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. Essa tensão se situa entre 0 á 10 Vcc. A velocidade de rotação (RPM) será 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 á 10 Vcc sentido horário, e –10 á 0 Vcc sentido anti-horário). Esse é sistema mais utilizados em maquinas-ferramenta automáticas, sendo que a tensão analógica de controle é proveniente do controle numérico computadorizado (CNC). Além da interface analógica, o inversor possui entradas digitais. Através de um parâmetro de programação, podemos selecionar qual entrada é válida (Analógica ou digital).
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IGBT
O nome IGBT, é uma sigla que significa “Insulated Gate Bipolar Transistor” ou, em português Transistor Bipolar de Porta Isolada. O IGBT é um semicondutor de potência que alia as características de chaveamento dos transistores bipolares com a alta impedância dos MOSFETs apresentando baixa tensão de saturação e alta capacidade de corrente. O IGBT destaca-se por possuir alta eficiência e rápido chaveamento.
O bloco básico de construção de um inversor de tensão usando IGBT’s é apresentado no esquema abaixo:
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PWM
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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:
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PWM
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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 istovariando positivamente e negativamente, teremos exatamente o que o inversor de frequência faz. Veja a animação abaixo:
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IGBT
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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.
A função do inversor de freqüência, 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. 
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CURVA V/F
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 
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CURVA V/F
• 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. O valor de V/F pode ser programado (parametrizado) em um inversor, e seu valor dependerá da aplicação. F = 50Hz V = 300V V/F = 6 
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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! 
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PRINCIPAIS PARÂMETROS:
Liberação de alteração de parâmetros: • Ajuste = 0 : somente os parâmetros P001 a P009 podem ser alterados. • Ajuste = 1 : os parâmetros P001 a P009 podem ser alterados e todos os demais podem ser somente lidos. • Ajuste = 2 : todos os parâmetros podem ser alterados porém P009 retorna automaticamente a 0 na próxima vez que o inversor for desenergizado. • Ajuste = 3 : todos os parâmetros podem ser alterados indefinidamente. Esse parâmetro é uma proteção contra "curiosos". Para impedir que alguém, inadvertidamente, altere algum parâmetro da máquina, utiliza-se um ajuste específico como proteção. 
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PRINCIPAIS PARÂMETROS:
Parâmetro de Tensão nominal do motor: Esse parâmetro existe na maioria dos inversores comerciais, 1embrando que não necessariamente como P084, e serve para informarmos ao inversor qual é a tensão nominal em que o motor irá operar. Suponha que o motor tenha tensão nominal 220VCA. 
Parâmetro de Corrente nominal do motor: Esse parâmetro determina o valor de corrente que será utilizado nos cálculos que serão feitos pelo inversor, como por exemplo para protegê-lo de sobrecargas. 
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PRINCIPAIS PARÂMETROS:
Parâmetro Frequência mínima de saída: Esse parâmetro determina a velocidade mínima do motor. Pode variar de 0,0Hz a 650Hz, porém deve ser sempre menor que a frequência máxima. 
Parâmetro Frequência máxima de saída: Esse parâmetro determina a velocidade máxima do motor. Pode variar de 0,0Hz a 650Hz, porém deve ser sempre maior que a frequência mínima. 
Parâmetro Frequência de JOG: JOG (impulso) é um recurso que faz o motor girar com velocidade bem baixa. Isso facilita o posicionamento de peças antes da máquina funcionar em seu regime normal. Por exemplo: Encaixar o papel em uma bobinadeira, antes do papel ser bobinado efetivamente. 
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PRINCIPAIS PARÂMETROS:
Parâmetro Tempo de partida (rampa de aceleração). Esse parâmetro indica em quanto tempo deseja-se que o motor chegue a velocidade programada, estando ele parado. Pode variar de 0 a 650 segundos. Você pode pensar: "Quanto mais rápido melhor". Mas, caso o motor esteja conectado mecanicamente a cargas pesadas ( Ex: placas de tornos com peças grandes, guindastes, etc...), uma partida muito rápida poderá “desarmar" disjuntores de proteção do sistema. Isso ocorre, pois o pico de corrente, necessário para vencer a inércia do motor, será muito alto. Portanto, esse parâmetro deve respeitar a massa da carga, e o limite de corrente do inversor. 
Parâmetro Tempo de parada (rampa de desaceleração). O inversor pode produzir uma parada gradativa do motor. Essa facilidade pode ser parametrizada variando de 0 a 650 segundos, e, como a anterior, deve levar em consideração a massa (inércia) da carga acoplada. 
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PRINCIPAIS PARÂMETROS:
Parâmetro de Tipo de referência de entrada: • Ajuste = 0 a entrada significativa é digital. • Ajuste = 1 a entrada significativa é analógica. • Ajuste = 2 a velocidade é fixada dependendo da programação das entradas binárias em outros parâmetros. Esse parâmetro diz ao inversor como vamos controlar a velocidade do motor. Caso esteja em 1 , a velocidade será proporcional a tensão analógica de entrada. A entrada digital será ignorada. Caso o parâmetro esteja em 0, a velocidade será controlada por um sinal digital (na entrada digital), e o sinal analógico não mais influenciará. 
Parâmetro de Frequência de chaveamento PWM: Esse parâmetro determina a frequência de PWM do inversor. Para este modelo, a mesma pode ser 2KHz, 4KHz, 8KHz ou 16KHz. 
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PRINCIPAIS PARÂMETROS:
Parâmetro de Tipo de referência de entrada: • Ajuste = 0 a entrada significativa é digital. • Ajuste = 1 a entrada significativa é analógica. • Ajuste = 2 a velocidade é fixada dependendo da programação das entradas binárias em outros parâmetros. Esse parâmetro diz ao inversor como vamos controlar a velocidade do motor. Caso esteja em 1 , a velocidade será proporcional a tensão analógica de entrada. A entrada digital será ignorada. Caso o parâmetro esteja em 0, a velocidade será controlada por um sinal digital (na entrada digital), e o sinal analógico não mais influenciará. 
Parâmetro de Frequência de chaveamento PWM: Esse parâmetro determina a frequência de PWM do inversor. Para este modelo, a mesma pode ser 2KHz, 4KHz, 8KHz ou 16KHz. 
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OUTRAS VANTAGENS
Aumenta a vida útil dos motores elétricos
Reduz a quantidade de ruído dos sistemas
 Simplifica o controle dos motores de indução
 Evita partidas extremamente bruscas nos motores
 Substitui os variadores mecânicos e eletromecânicos
 Proporciona uma melhor automação dos processos industriais
 Aumenta a vida útil dos sistemas mecânicos ligados aos motores
 Dispensa o uso de outros sistemas para partida dos motores elétricos
 Proporciona uma instalação relativamente simples e com menor quantidade de cabos
 Em caso de bombas ou compressores, o inversor proporciona melhor regulação da pressão e vazão
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