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UNIVERSIDADE FEDERAL DO ESPÍRITO SANTO CENTRO TECNOLÓGICO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA PROJETO DE GRADUAÇÃO CONTROLE DE UM MOTOR DE INDUÇÃO TRIFÁSICO ATRAVÉS DE UM INVERSOR ESTÁTICO DE FREQUÊNCIA RÓGER PUZIOL AMARAL VITÓRIA – ES 02/2009 RÓGER PUZIOL AMARAL PROJETO DE GRADUAÇÃO Parte manuscrita do Projeto de Graduação do aluno Róger Puziol Amaral, apresentado ao Departamento de Engenharia Elétrica do Centro Tecnológico da Universidade Federal do Espírito Santo, para obtenção do grau de Engenheiro Eletricista. VITÓRIA – ES 02/2009 RÓGER PUZIOL AMARAL PROJETO DE GRADUAÇÃO COMISSÃO EXAMINADORA: ___________________________________ Prof. Dr. José Denti Filho Orientador ___________________________________ MsC. Jair Adriano Lima Silva Examinador ___________________________________ Msc. Rogério Oliveira de Aguiar Examinador Vitória - ES, 2 de fevereiro de 2009 i DEDICATÓRIA Aos meus pais e irmãos, que me apoiaram e incentivaram a execução desse projeto em todas as suas etapas. ii AGRADECIMENTOS Agradeço imensamente a empresa AR VIX COMÉRCIO E SERVIÇOS LTDA pelo apoio financeiro e profissional fornecido à elaboração desse projeto. Ao meu amigo Jair, pelas dicas e informações de grande valia na formulação dos textos. Ao meu professor e orientador José Denti Filho, pelos ensinamentos, dedicação e paciência fornecidos para a implementação de todo o sistema. iii LISTA DE FIGURAS Figura 1 - Sistema condicionador de ar, do tipo expansão indireta, condensação à ar.16 Figura 2 – Esquemático simplificado da estrutura do Fancoil a ser analisado. ........... 17 Figura 3 – Configuração do processo a ser controlado. .............................................. 18 Figura 4 – Representação gráfica da Primeira Lei dos Ventiladores. ......................... 22 Figura 5 – Característica Tensão x Freqüência............................................................ 25 Figura 6 – Característica Torque x Freqüência............................................................ 26 Figura 7 – Característica Potência x Freqüência. ........................................................ 26 Figura 8 – Esquema de um inversor de freqüência trifásico. ...................................... 27 Figura 9 – Esquema de um inversor (monofásico) de freqüência. .............................. 28 Figura 10 – (a) Sentido da corrente de A para B. (b) Sentido da corrente de B para A. .................................................................................................................................. 28 Figura 11 – Formas de onda da tensão. ....................................................................... 30 Figura 12 – Formação de uma onda PWM. (a) Em tensão de saída máxima. (b) Em tensão de sáida reduzida. (c) Em metade da tensão e metade da freqüência. ........... 31 Figura 13 – Justificativa sobre o uso de onda triangular na geração PWM. ............... 31 Figura 14 – Diagrama de blocos de um inversor de freqüência. ................................. 33 Figura 15 - Esquemático de inclusão de um banco de reatância entre inversor e motor. ........................................................................................................................... 38 Figura 16 – Caminho da corrente parasita circulante. ................................................. 39 Figura 17 – Consequência do desequilíbrio da malha de terra no circuito de controle.40 Figura 18 – a) Esquemático de uma montagem de um toróide. b) Efeito na corrente parasita. ........................................................................................................................ 40 Figura 19 – Curto circuito instantâneo durante o chaveamento de um diodo para outro. ............................................................................................................................ 41 Figura 20 – Esquemático de instalação de reatância de rede na entrada do circuito de alimentação do inversor de frequência. ....................................................................... 42 Figura 21 – Controle PID atuando simultaneamente. .................................................. 48 Figura 22 – Exemplo da passos programados para a função jog. ................................ 49 iv Figura 23 – Exemplo do cabo de potência utiizado para alimentação do motor de indução e inversor de frequência ACS35***. ............................................................. 53 Figura 24 – Exemplo do cabo de controle utilizado para ligação dispositivos de sinais analógicos e e inversor de frequência ACS35***. ............................................ 54 Figura 25 – Exemplo de disjuntores utilizados para proteção elétrica do sistema. a) Circuito de comando. b) Circuito de potência. .................................................. 56 Figura 26 – Exemplo de contatora auxiliar utilizada para automação do sistema. ..... 57 Figura 27 – Exemplo de contatora de potência utilizada para energização do sistema.57 Figura 28 – Exemplo de relé de proteção térmica utilizado no projeto. ...................... 58 Figura 29 – Transdutor de pressão ACI/LP Series. a) Vista lateral esquerda. b) Vista inferior.c) Vista superior. ............................................................................................. 59 Figura 30 – Estrutura do inversor de frequência ACS350***. .................................... 60 Figura 31 – Diagrama geral das ligações do inversor ACS350***. ............................ 61 Figura 32 – Esquema de ligação para as entradas e saídas do modo de controle Standard ABB. ............................................................................................................. 62 Figura 33 – Esquema de ligação para as entradas e saídas do modo de controle 3 - Fios. .............................................................................................................................. 63 Figura 34 – Esquema de ligação para as entradas e saídas do modo de controle Alternar. ....................................................................................................................... 64 Figura 35 – Esquema de ligação para as entradas e saídas do modo de controle Pot Motor. .......................................................................................................................... 65 Figura 36 – Esquema de ligação para as entradas e saídas do modo de controle Manual / Automático. .................................................................................................. 66 Figura 37 – Esquema de ligação para as entradas e saídas do modo de controle PID.67 Figura 38 – Esquema de ligação para as entradas e saídas do modo de controle Binário. ........................................................................................................................ 68 Figura 39 – Console de programação básico. .............................................................. 69 Figura 40 – Esquemático do adaptador fieldbus do inversor de freqüência ACS350***. ................................................................................................................. 73 v Figura 41 – Terminais de potência de entrada e saída do inversor de freqüência ACS350***. ................................................................................................................. 76 Figura 42 – Terminais para entrada e saída dos sinais de comando. ........................... 77 Figura 43 – Configuração de S1 para valores diferentes entre as entradas analógicas.77Figura 44 – Esquema de interligação de potência e comando utilizada. ..................... 78 Figura 45– Instalação física real de potência e comando utilizada no projeto. ........... 80 Figura 46 – Exemplo da divergência entre pulsos de tensão entre condutores adjacentes devido ao rise time. a) Terminal do motor. b) Puso de tensão na primeira espira. c) Pulso de tensão atrasado nas espiras subjacentes. d) Tensão entre condutores adjacentes. ................................................................................................. 85 Figura 47 – Divergências nas definições de rise time: a) NEMA. b) IEC. ................. 86 Figura 48 – Referências normativas IEC 60034. ......................................................... 87 Figura 49– Decibilímetro utilizado para medição do nível de ruído na casa de máquinas do equipamento. .......................................................................................... 90 Figura 50 – Característica Tensão x Frequência fornecidas ao motor pelo inversor de frequência. .................................................................................................................... 93 Figura 51 – Comparação entre o custo energético mensal para funcionamento do motor com inversor de frequência e partida direta. ..................................................... 97 vi LISTA DE TABELA Tabela 1- Distribuição de tensões nas três fases do motor. ......................................... 30 Tabela 2– Combinações para execuções de diferentes velocidades pré-definidas pelos inversores de frequência. .................................................................................... 49 Tabela 3 – Parâmetros e valores utilizados para a configuração do inversor de freqüência ACS350***. ............................................................................................... 82 Tabela 4 – Parâmetros e valores utilizados para a configuração do inversor de freqüência ACS350*** - Continuação. ....................................................................... 83 Tabela 5 – Referências normativas NEMA MG1 – Partes 30 e 31. ............................ 87 Tabela 6 – Regras sugeridas para a utilização de filtros entre motor e inversor de freqüência. .................................................................................................................... 88 Tabela 7 – Parâmetros elétricos medidos em uma variação da rotação do inversor de freqüência. .................................................................................................................... 91 Tabela 8 – Parâmetros elétricos medidos em uma variação da rotação do inversor de freqüência. Continuação. ............................................................................................. 92 Tabela 9 – Potências e demandas obtidas para acionamento direto e com inversor de frequência. .................................................................................................................... 95 Tabela 10 – Custo diário e mensal para acionamento do motor de indução trifásico, acionamentos direto e com inversor de frequência. .................................................... 96 Tabela 11 – Relação dos dispositivos utilizados para a execução do projeto, incluindo o custo total para implantação do sistema. .................................................. 97 vii SIMBOLOGIA Q1: Vazão na condição operacional 1 N1: Rotação na condição operacional 1 H1: Altura de elevação na condição operacional 1 P1: Potência requerida na condição operacional 1 γ1: Peso específico do fluido na condição operacional 1 Q2: Vazão na condição operacional 2 N2: Rotação na condição operacional 2 H2: Altura de elevação na condição operacional 2 P2: Potência requerida na condição operacional 2 γ2: Peso específico do fluido na condição operacional 2 ptotal1: Pressão total do fluido na condição operacional 1 ptotal2: Pressão total do fluido na condição operacional 2 n: Velocidade de rotação mecânica f1: Freqüência fundamental da tensão de alimentação elétrica p: Número de pólos s: Escorregamento T: Torque ou conjugado disponível na ponta do eixo K1: Constante � depende do material e do projeto da máquina Ǿm: Fluxo de magnetização I2: Corrente rotórica K2: Constante � depende do material e do projeto da máquina V1: Tensão rotórica fb: Freqüência base � nominal Vb: Tensão base � nominal Tb: Torque base � nominal P: Potência útil do motor Pb: Potência base � nominal R: Resistência equivalente total do cabo viii ρ: Resistividade do material utilizado L: Comprimento total do cabo S: Área da seção transversal do cabo PMÁX: Potência do resistor r VCC: Tensão do circuito intermediário r: Valor do resistor P3Ǿ: Potência trifásica instantânea consumida pelo motor VL: Tensão de linha eficaz fornecida ao motor IL: Corrente de linha eficaz consumida pelo motor THP: Total de horas do mês em horário de ponta hp: Horas de funcionamento diário em horário de ponta D: Dias úteis do mês THFP: Total de horas do mês fora do horário de ponta hfp: Horas de funcionamento diário fora do horário de ponta M: Dias do mês CT: Custo total aplicado na implantação do projeto rc: Redução no custo energético mensal RT: Retorno do investimento inicial ix SUMÁRIO DEDICATÓRIA........................................................................................................... I AGRADECIMENTOS ...............................................................................................II LISTA DE FIGURAS ............................................................................................... III LISTA DE TABELA ................................................................................................ VI SIMBOLOGIA ......................................................................................................... VII SUMÁRIO ................................................................................................................. IX RESUMO ................................................................................................................ XIII 1 EFICIÊNCIA ENERGÉTICA ...................................................................... 14 1.1 Introdução ......................................................................................................... 14 1.2 Conclusões ........................................................................................................ 15 2 APLICAÇÃO DO SISTEMA ........................................................................ 16 2.1 Introdução ......................................................................................................... 16 2.2 Descrição do sistema condicionador de ar ........................................................ 16 2.3 Conclusões ........................................................................................................ 18 3 ANÁLISE MECÂNICA DO SISTEMA ....................................................... 19 3.1 Introdução ......................................................................................................... 19 3.2 Lei dos Ventiladores ......................................................................................... 19 Percebe-se então uma relação direta entre pressão e vazão nos ventiladores, o que facilita na análise do ponto de operação ótimo para o sistema. .............................. 22 3.3 Conclusões ........................................................................................................ 22 4 INVERSORES DE FREQUÊNCIA ............................................................. 23 4.1 Introdução ......................................................................................................... 23 4.2 Características gerais ........................................................................................23 4.3 Variação da velocidade em motores de indução trifásicos ............................... 23 4.4 Circuito interno ................................................................................................. 27 4.5 Diagrama de blocos ........................................................................................... 32 4.6 Modos de controle ............................................................................................. 34 4.6.1 Controle escalar ....................................................................................... 34 x 4.6.2 Controle vetorial ...................................................................................... 34 4.7 Vantagens na utilização de um inversor de freqüência ..................................... 35 4.8 Cuidados na utilização de um inversor de freqüência ...................................... 36 4.8.1 Corrente de fuga nos cabos ..................................................................... 37 4.8.2 Interferência eletromagnética – EMC ..................................................... 39 4.8.3 Harmônicos: análise do impacto do inversor de freqüência na instalação elétrica .............................................................................................................. 41 4.9 Parâmetros: entendendo o sistema e a utilização .............................................. 43 4.9.1 Ajuste de parâmetros ............................................................................... 44 4.9.2 Parâmetros avançados ............................................................................. 47 4.10 Conclusão ........................................................................................................ 51 5 DISPOSITIVOS UTILIZADOS ................................................................... 52 5.1 Introdução ......................................................................................................... 52 5.2 Motor de indução trifásico ................................................................................ 52 5.3 Cabos de potência ............................................................................................. 52 5.4 Cabos de comando ............................................................................................ 54 5.5 Disjuntores ........................................................................................................ 55 5.6 Contatores ......................................................................................................... 56 5.6.1 Contatora de comando ............................................................................. 57 5.6.2 Contatora de potência .............................................................................. 57 5.7 Relés de sobrecarga ........................................................................................... 58 5.8 Transdutor de pressão ....................................................................................... 59 5.9 Inversor de freqüência ACS350*** .................................................................. 60 5.9.1 Modos de aplicação do inversor de freqüência ACS350*** .................. 61 5.9.1.1 Standard BB ............................................................................... 62 5.9.1.2 Três Fios ..................................................................................... 62 5.9.1.3 Alternar ....................................................................................... 63 5.9.1.4 Pot Motor .................................................................................... 64 5.9.1.5 Manual / Auto ............................................................................. 65 5.9.1.6 Controle PID .............................................................................. 66 xi 5.9.1.7 Controle de Binário .................................................................... 67 5.9.2 Dispositivos e funções opcionais do inversor de freqüência ACS350***68 5.9.2.1 Interface Homem-Máquina - IHM ............................................. 69 5.9.2.2 Adaptador de fieldbus ................................................................ 73 5.9.2.3 Resistências de frenagem ........................................................... 74 5.10 Conclusões ...................................................................................................... 75 6 INSTALAÇÃO E MODO DE CONTROLE DO SISTEMA ..................... 76 6.1 Introdução ......................................................................................................... 76 6.2 Terminas de entrada e saída do inversor de freqüência ACS350*** ............... 76 6.3 Modo de controle: análise e configuração de comando e potência .................. 77 6.4 Configuração dos parâmetros utilizados ........................................................... 80 6.5 Conclusão .......................................................................................................... 83 7 ANÁLISE DO SISTEMA .............................................................................. 84 7.1 Introdução ......................................................................................................... 84 7.2 Influência do inversor de frequência no sistema isolante do motor ................. 84 7.2.1 Rise time .................................................................................................. 85 7.2.1.1 Considerações normativas sobre o rise time .............................. 86 7.2.1.2 Análise do rise time .................................................................... 87 7.2.2 Comprimento do cabo ............................................................................. 88 7.2.3 Mínimo tempo entre pulsos ..................................................................... 89 7.2.4 Frequência de chaveamento .................................................................... 89 7.2.5 Funcionamento com multi-motores ........................................................ 90 7.3 Relação custo x benefício ................................................................................. 91 7.4 Conclusão .......................................................................................................... 98 8 CONCLUSÃO ................................................................................................ 99 APÊNDICE A ........................................................................................................... 100 APÊNDICE B ........................................................................................................... 101 APÊNDICE C ........................................................................................................... 103 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS................................................................... 108 xii xiii RESUMO Com o intuito de se reduzir o consumo de energia elétrica em um sistema, é proposto, utilizando-se de um inversor de frequência, o controle da velocidade de rotação de um ventilador centrífugo pertencente a um equipamento condicionador de ar, do tipo Fancoil, cuja força motriz de potência e torque é um motor de indução trifásico. São definidas as características do sistema, identificando todos os dispositivos utilizados e necessários à implementação do projeto. Paralelamente, é avaliada a relação custo/benefício para a aplicação, aliada ao ganho de precisão no tempo de utilização de uma unidade de filtragem, pertencente ao processo de qualidade do ar interior, também do sistema. Uma análise quantitativa da influência do inversor ao motor é realizada, destacando e comparando os parâmetros mínimos exigidos pelas normatizações e regulamentações vigentes com os adquiridos em medições em campo. 14 1 EFICIÊNCIA ENERGÉTICA 1.1 Introdução Há muito se falava naredução do consumo de energia elétrica no país, mais precisamente daquela proveniente de usinas hidrelétricas. Entretanto, a conscientização da população brasileira a respeito dessa necessidade obteve maior interesse à partir do ano de 2001, quando a escassez de recursos hídricos, aliada com a falta de investimentos nos setores de geração, transmissão e distribuição de energia, proporcionaram o que já havia sido alertado, sem contudo ter sido levado com a devida atenção: a falta de energia elétrica, evidenciada ainda mais com o advento do “Apagão” [1]. A palavra de ordem foi a racionalização do consumo desse bem, até então tido como inesgotável. Além da necessidade de se adquirir novos hábitos que reduzissem o consumo de energia, houve um interesse em adquirir tecnologias que auxiliassem ainda mais nessa redução. E não apenas a procura por produtos energeticamente eficientes foi intensificada. O resultado financeiro obtido com a implantação de estudos e medidas de diminuição do dispêndio de energia mostrou-se muito eficaz em diversos tipos de processos. A área de automação encontrou, portanto, possibilidade de se desenvolver ainda mais, em diversos tipos de aplicações. Levando em consideração a necessidade de se reduzir o consumo de energia elétrica, este projeto propõe a aplicação de um inversor de freqüência para controle da velocidade de rotação de um motor de indução trifásico, que faz parte de um sistema condicionador de ar, do tipo central, cujas condições de trabalho são ininterruptas, visto que atende ao centro cirúrgico do hospital CIAS – Centro Integrado de Atenção à Saúde. A redução de energia é baseada nas relações de similaridade do sistema de ventilação mecânica do sistema e no princípio de funcionamento de um inversor de frequência, propiciando um controle preciso e otimizado na velocidade de rotação do motor de indução trifásico na aplicação do processo alvo. 15 1.2 Conclusões Nesse capítulo foi apresentada uma nova concepção do consumo de energia elétrica no país, e o que o projeto em questão propõe para a redução na utilização desse bem. 16 2 APLICAÇÃO DO SISTEMA 2.1 Introdução Neste capítulo será apresentada uma breve descrição do sistema condicionador de ar, do tipo central, responsável pela climatização ambiente e qualidade do ar interior do hospital Unimed CIAS, diferenciando os principais componentes do ciclo de refrigeração e o objetivo na aplicação do projeto propriamente dito. 2.2 Descrição do sistema condicionador de ar O sistema a ser analisado é do tipo expansão indireta [2]. Trata-se de uma unidade central, responsável por todo o ciclo frigorígeno, normalmente chamada de URL – Unidade Resfriadora de Líquidos. Nesse sistema, ao invés do fluido refrigerante participar diretamente do processo de retirada de calor do local de interesse, esse resfria um fluido, geralmente a água, que circulando através de tubulações, geralmente de aço galvanizado, PAD (Polímero de Alta Densidade) ou PEX (Polietileno Reticulado), próprios para o tipo de utilização, realizam a troca térmica entre o ambiente propriamente dito, por meio de serpentinas na unidade final do sistema, chamados de “Fancoil’s” [2]. Essa unidade é composta por sistemas de climatização e tratamento do ar ambiente, com índices de temperatura, qualidade do ar e umidade controlados. A Figura 1 mostra um esquemático simplificado do funcionamento do sistema. Figura 1 - Sistema condicionador de ar, do tipo expansão indireta, condensação à ar. 17 O Fancoil a ser analisado é composto basicamente de um ventilador centrífugo, responsável pela entrada e saída do ar na unidade, serpentina de cobre, por onde circula a água gelada e, de filtros, responsáveis pela qualidade do ar interior do local. Acoplado ao ventilador centrífugo, por meio de correias, está um motor de indução trifásico, que é a força motriz que o fará movimentar-se. A Figura 2 exemplifica a estrutura propriamente dita. Figura 2 – Esquemático simplificado da estrutura do Fancoil a ser analisado. Como observado na Figura 2, à medida que o ar do ambiente passa pelo filtro, impulsionado pelo ventilador centrífugo, vai eliminando impurezas. Parte dessas impurezas se prendem ao elemento filtrante, o que dificulta o escoamento do fluido, aumentando dessa forma a pressão diferencial que o ar tem que vencer para ultrapassar o filtro. A idéia do projeto baseia-se no controle da rotação do motor de indução trifásico utilizando-se um inversor de frequência, considerando o ventilador centrífugo como uma bomba de ar [3] e obedecendo-se sua característica Pressão x Vazão, aliada a análise da pressão diferencial sobre o filtro. Com isso, além da economia de energia, devido à menor rotação do motor quando o filtro for novo, será também aplicado um melhor aproveitamento da vida útil desse elemento, com precisão do tempo de sua utilização. O diagrama de blocos da Figura 3 mostra a configuração do processo a ser controlado. 18 Figura 3 – Configuração do processo a ser controlado. A característica principal do inversor de frequência utilizado no projeto é a capacidade de variar a velocidade do motor de indução trifásico mantendo o torque nominal. O modo como o inversor de freqüência, aqui também chamado de conversor de freqüência, possui a capacidade de variar a velocidade de um motor de indução trifásico será analisado em capítulos posteriores. 2.3 Conclusões Neste capítulo apresentou-se a estrutura básica do sistema condicionador de ar a ser submetido o projeto, relatando paralelamente os objetivos e benefícios a serem alcançados em sua aplicação. 19 3 ANÁLISE MECÂNICA DO SISTEMA 3.1 Introdução Antes de entrar em detalhes sobre tipos e princípio de funcionamento de um inversor de freqüência, analisar-se-ão as leis de semelhança física que regem o sistema alvo. 3.2 Lei dos Ventiladores Os ventiladores de sistemas de ventilação aplicados no condicionamento de ar (refrigeração, aquecimento, exaustão, filtragem, renovação, diluição de poluentes, etc.) são, geralmente, de baixa pressão, isto é, não transferem energia suficiente para impor uma variação apreciável de densidade do fluido de trabalho (o gás) [3]. Além disso, o fluxo nesses sistemas tem velocidade relativamente baixa. Conseqüentemente, o escoamento do ar (e outros gases) pode ser tratado como se fosse o de um fluido incompressível, o que facilita sobremaneira a análise e a torna similar ao de líquidos em tubulações. Para diferenciarmos entre escoamentos compressíveis e incompressíveis, são tomados como referência os valores de 500 mmCA para a energia específica transferida e, 100 m/s para a velocidade de desaceleração até a estagnação do fluido [3]. Os ventiladores de sistemas de ventilação aplicados no condicionamento de ar possuem valores abaixo dessas referências. As relações de similaridade das máquinas de fluxo para um mesmo equipamento (operando em rotações distintas, com fluidos de pesos específicos distintos) são escritas como: 2 1 2 1 N N Q Q = (1) 2 2 2 1 2 1 N N H H = (2) 3 2 3 1 2 1 2 1 . N N P P γ γ = (3) Onde: Q1: Vazão na condição operacional 1; 20 N1: Rotação na condição operacional 1; H1: Altura de elevação na condição operacional 1; P1: Potência requerida na condição operacional 1; 1γ : Peso específico do fluido na condição operacional 1; Q2: Vazão na condição operacional 2; N2: Rotação na condição operacional 2; H2: Altura de elevação na condição operacional 2; P2 Potência requerida na condição operacional 2 2γ : Peso específico do fluido na condição operacional 2 Entretanto, a altura de elevação não é o conceito usual para representar a energia transferida por ventiladores. É necessário reescrever as relações de similaridadeem termos de pressão total, assim chamadas de as “Leis dos Ventiladores” [4]. São elas: • Primeira Lei dos Ventiladores: A primeira lei dos ventiladores tem por objetivo a determinação da nova curva característica (pressão total x vazão) quando a rotação do ventilador varia (N1≠N2), mas o peso específico padrão se mantém ( 21 γγ = ). Assim, se a rotação varia, variar-se-ão a vazão, a pressão total e a potência . • Segunda Lei dos Ventiladores: A segunda lei dos ventiladores tem por objetivo a determinação da nova curva característica (pressão total x vazão) quando o peso específico do fluido de trabalho é diferente do padão ( 21 γγ ≠ ), mas a vazão constante é a referência no procedimento (Q1=Q2). Se a vazão deve ser constante, a relação de similaridade imposta por (1) estabelece que a rotação também é constante (N1=N2). Da mesma forma, se a rotação é constante, a relação vale também para a altura de elevação (H1=H2) . • Terceira Lei dos Ventiladores: A terceira lei dos ventiladores tem por objetivo a determinação da nova curva característica (pressão total x vazão) 21 quando o peso específico do fluido de trabalho é diferente do padrão ( 21 γγ ≠ ), mas a pressão total constante é a referência no procedimento. Das três leis apresentadas, a que se que se relaciona ao estudo do presente trabalho é a primeira, razão pela qual serão mostradas suas relações de similaridade. Assim, de (1), a nova vazão é dada por: 1 2 12 . N N QQ = (4) A nova relação para a pressão total resultará da similaridade para a altura de elevação. Da similaridade (2), sabe-se que: 2 1 2 2 12 . N N HH = (5) Usando a definição de altura de elevação e de pressão total [4], lembrando-se para o referido caso que γγγ == 21 e, a relação de similaridade para vazão (1), chega-se a similaridade: 2 1 2 2 12 . N N ptotalptotal = (6) Onde: ptotal1: pressão total do fluido na condição operacional 1; ptotal2: pressão total do fluido na condição operacional 2; Para a potência, tem-se: 3 1 3 2 12 . N N PP = (7) A representação gráfica da primeira lei dos ventiladores está mostrada na curva caracterísica da Figura 4. Considera-se o ponto de operação de referência, sobre a curva característica para a rotação N1 e, a curva de eficiência e2. Se a rotação aumenta para N2 (N2>N1), o deslocamento ocorrerá com uma eficiência constante e2 para o ponto II. A vazão Q2, a pressão total ptotal2 e a potência P2 serão calculadas pelas 22 relações acima apresentadas, (4), (6) e (7), respectivamente. Da mesma forma ocorrerá se a rotação diminuir de N1 para N3 (N3<N1). Figura 4 – Representação gráfica da Primeira Lei dos Ventiladores. Percebe-se então uma relação direta entre pressão e vazão nos ventiladores, o que facilita na análise do ponto de operação ótimo para o sistema. 3.3 Conclusões Foi realizada uma breve descrição das leis de semelhanças físicas que regem o comportamento da pressão na saída de um ventilador quando da variação da vazão, ou seja, indiretamente relaciona a rotação do ventilador (ligado ao motor elétrico de indução trifásico) à variação da vazão. 23 4 INVERSORES DE FREQUÊNCIA 4.1 Introdução Nesse capítulo serão descritas as definições e conceitos de um inversor de freqüência, suas características principais, topologias, circuitos e processamentos utilizados, além da análise dos grupos de parâmetros mais abrangentes na atualidade. 4.2 Características gerais Os inversores de frequência são equipamentos eletrônicos cuja função é o controle da velocidade de rotação de motores elétricos a corrente alternada (CA). Os cicloconversores [5] antecederam de certa forma os atuais inversores, visto que eram utilizados para converter 60 Hz da rede elétrica em uma frequência mais baixa. Entretanto, era uma conversão CA-CA, o que difere dos inversores de frequência, já que utilizam conversão CA-CC-CA. Os inversores podem ser classificados pela sua topologia. É dividida em três partes, sendo a primeira para o tipo de retificação de entrada, a segunda para o tipo de controle do circuito intermediário e a terceira para a saída. Independente da topologia utilizada, tem-se agora uma tensão CC no circuito intermediário e, deve-se transformá- la em tensão CA para acionar o motor CA. De todos os tipos de invesores de frequência existentes [6], os mais utilizados são com a topologia tipo PWM (Pulse Width Modulation), razão pela qual será exposto seu princípio de funcionamento. 4.3 Variação da velocidade em motores de indução trifásicos A relação entre a rotação, a freqüência de alimentação, o número de pólos e o escorregamento de um motor de indução obedece à seguinte equação: )1.( .120 1 s p f n −= (8) Onde: n: Velocidade de rotação mecânica (rpm); 24 ƒ1: Freqüência fundamental da tensão de alimentação (Hz); p: Número de pólos; s: Escorregamento. A análise da fórmula mostra que se pode atuar em três parâmetros , no intuito de se variar a velocidade de um motor dessa estrutura: o número de pólos, o escorregamento e, a freqüência da tensão rotórica. Assumindo-se que o número de pólos de um motor CA seja fixo (determinado em sua construção), e que a faixa de variação do escorregamento é pequena, além de causar perdas rotóricas [7], ao variar-se a frequência da tensão de alimentação, varia-se também, na mesma proporção, a velocidade do campo girante [7] e, conseqüentemente, a velocidade mecânica de rotação da máquina. O inversor de freqüência, portanto, pode ser considerado como uma fonte de tensão alternada de freqüência variável. É uma aproximação grosseira, porém, dá uma idéia pela qual chama-se um acionamento CA de “inversor de freqüência”. A função do inversor de freqüência, entretanto, não á apenas controlar a velocidade de um motor CA. Ele precisa manter o torque (conjugado) constante para não provocar alterações na rotação, quando o motor estiver com carga. O torque desenvolvido pelo motor de indução segue a equação: 21 .. IKT mφ= (9) Onde: T: Torque ou conjugado disponível na ponta do eixo (N.m); K1: Constante � Depende do material e do projeto da máquina; mφ : Fluxo de magnetização (Wb); I2: Corrente rotórica (A). E o seu fluxo magnetizante, desprezando-se a queda de tensão ocasionada pela resistência e pela reatância dos enrolamentos estatóricos, vale: 25 1 1 2 . f V Km =φ (10) Onde: K2: Constante � Depende do material e do projeto da máquina; V1: Tensão estatórica (V). Substituindo-se (10) em (9), o valor do torque na ponta do eixo passa a ser representado por: 2 1 1 21 ... If V KKT = (11) Ou seja, admitindo-se que a corrente I2 depende da carga e, que essa é constante (portanto, corrente praticamente fixa), para que esse torque realmente fique invariável, o inversor deve manter a relação V1/f1 constante. Isto é, caso haja mudança de freqüência, ele deve mudar (na mesma proporção) a tensão, para que a razão se mantenha. O motor fornece assim um ajuste contínuo de velocidade e conjugado com relação à carga mecânica. A partir disso e, baseando-se nas equações acima, podem-se obter as seguintes curvas características: • Característica Tensão x Freqüência A variação da relação V1/f1 é feita linearmente até a freqüência base (fb�nominal) do motor. Acima dessa, a tensão é máxima (Vb�igual à nominal) e, permanece constante, havendo então apenas a variação da freqüência aplicada ao enrolamento estatórico do motor, conforme representado pela Figura 5. Figura 5 – Característica Tensão x Freqüência. 26 • Característica Torque x Freqüência Acima da freqüência base, pode-se observar a chamada região de enfraquecimento de campo, pois ali o fluxo decresce com o aumento da freqüência, provocandotambém a diminuição do torque no eixo do motor (como Vb = cte, com o aumento de fb, a relação Vb/fb diminui, reduzindo-se assim o torque, de acordo com a relação (11)). A curva característica que relaciona o torque e a velocidade do motor acionado por inversor de freqüência está representada pela Figura 6. Figura 6 – Característica Torque x Freqüência. • Característica Potência x Freqüência Observa-se assim que, o torque permanece constante até a freqüência base e decresce gradativamente acima desta. Como: nTP .= (12) Onde: P: Potência útil do motor (W). A potência útil do motor cresce linearmente até a frequência base e, permanece constante acima desta, conforme pode ser observado pela Figura 7. Figura 7 – Característica Potência x Freqüência. 27 4.4 Circuito interno Os inversores de freqüência com tensão imposta PWM são atualmente os equipamentos mais empregados para a alimentação de motores de baixa tensão nas aplicações industriais que requerem variação de velocidade. Eles operam como uma interface entre a fonte de energia (rede elétrica) e o motor de indução. O processo de obtenção da tensão e freqüência desejadas por meio de tais equipamentos passa por três estágios, como mostra o diagrama simplificado da Figura 8. Figura 8 – Esquema de um inversor de freqüência trifásico. A primeira etapa do circuito é formada por uma ponte retificadora (onda completa) trifásica e, dois capacitores de filtro. Esse circuito forma uma fonte CC simétrica, pois há um ponto de terra como referência. Tem-se então uma tensão contínua +V/2 (positiva) e uma –V/2 (negativa) em relação ao terra, formando o que chama-se de “barramento CC”. O barramento CC alimenta a segunda etapa, constituída de seis transistores IGBT’s [8] e que, através de uma lógica de controle (terceira etapa), “liga e desliga” os transistores de modo a alternarem o sentido de corrente que circula pelo motor. Para um melhor entendimento de como é possível transformar uma tensão CC em CA, através do chaveamento de transistores em um circuito trifásico, recorre-se a um circuito monofáciso para análise. Observando-se a Figura 9, nota-se que a estrutura de um inversor trifásico é praticamente igual ao modelo monofásico. A primeira etapa é o 28 módulo de retificação e filtragem, que gera uma tensão CC fixa (barramento CC) e, que alimenta 4 transistores IGBT’s. Figura 9 – Esquema de um inversor (monofásico) de freqüência. Supõe-se agora que o circuito da lógica de controle ligue os transistores 2 a 2 na seguinte ordem: 1. Transistores T1 e T4 ligados e, T2 e T3 desligados: Nesse caso, a corrente circula no sentido de A para B, conforme nos mostra a Figura 10a. 2. Transistores T1 e T4 desligados e, T2 e T3 ligados. Nesse caso, a corrente circula no sentido de B para A, conforme nos mostra a Figura 10b. Figura 10 – (a) Sentido da corrente de A para B. (b) Sentido da corrente de B para A. Ao inverter-se o sentido de corrente, a tensão na carga (motor) passa a ser alternada, mesmo estando conectada a uma fonte CC. Caso se aumente a freqüência desses transistores, também eleva-se a velocidade de rotação do motor, e vice-versa. Como os transistores operam como chaves (corte ou saturação), a foma-de-onda de tensão de saída do inversor de freqüência é sempre quadrada. Faça-se agora uma analogia de funcionamento tomando como base o inversor trifásico da Figura 8. A lógica de controle agora precisa distribuir os pulsos de disparos pelos 6 IGBT’s, de modo a formar uma tensão de saída (embora quadrada) alternada e, 29 defasada de 120º uma da outra. Como são 6 transistores e, deve-se ligá-los 3 a 3, existem 8 combinações possíveis, porém apenas 6 serão válidas. A lógica de controle proporcionará as seguintes combinações de pulsos para ativar (ligar) os IGBT’s: • Primeiro tempo: T1, T2, T3; • Segundo tempo: T2, T3, T4; • Terceiro tempo: T3, T4, T5; • Quarto tempo: T4, T5, T6; • Quinto tempo: T5, T6, T1; • Sexto tempo: T6, T1, T2. As possibilidades T1, T3, T5 e T4, T6, T2 não são válidas, pois ligam todas as fases do motor no mesmo potencial. Não havendo diferença de potencial, não haverá energia para movimentar o motor. Portanto, essa é uma condição proibida para o inversor. Utiliza-se como análise uma das condições. As restantes serão análogas. No primeiro tempo tem-se T1, T2 e T3 ligados e, os restantes desligados. O barramento CC possui uma referência central (terra), portanto, +V/2 e –V/2 como tensão CC. Para que o motor CA possa funcionar bem, as tensões de linha Vrs, Vst e Vtr devem estar defasadas de 120º [7]. O fato da forma-de-onda ser quadrada não compromete o funcionamento do motor. Para esse primeiro tempo de chaveamento, obtém-se: • Vrs = +V/2 – V/2 = 0; • Vst = +V/2 – (-V/2) = +V; • Vtr = -V/2 – V/2= -V. Realizando-se as seis condições (tempos) que a lógica de controle estabelece aos IGBT’s, tem-se a seguinte distribuição de tensões nas três fases do motor, como mostra a Tabela 1. 30 IGBT’s VRS VST VTR TEMPOS T1, T2, T3 0 +V -V 1º Tempo T2, T3, T4 -V +V 0 2º Tempo T3, T4, T5 -V 0 +V 3º Tempo T4, T5, T6 0 -V +V 4º Tempo T5, T6, T1 +V -V 0 5º Tempo T6, T1, T2 +V 0 -V 6º Tempo Tabela 1- Distribuição de tensões nas três fases do motor. Passando essa tabela para um diagrama de tempo, obtém-se as três formas-de-onda de tensao, como mostra a Figura 11. Nota-se que as três fases estão defasadas de 120º elétricos, exatamente como a rede elétrica trifásica. Figura 11 – Formas de onda da tensão. Entretanto, resta ainda saber como o inversor poderá mudar a tensão V, se ela é fixada no barramento CC através da retificação e filtragem da própria rede. O inversor altera a tensão V, oriunda do barramento CC, através da modulação PWM. A unidade lógica, além de distribuir os pulsos aos IGBT’s do modo explicado anteriormente, também controla o tempo em que cada IGBT permanece ligado (ciclo de trabalho). Quando V tem que aumentar, os pulos são “alargados” e, quando V tem que diminuir, os pulsos são “estreitados”. Dessa forma, a tensão eficaz [9] entregue ao motor poderá ser controlada. Um método para entender como isso pode ser realizado é tomando-se uma senóide de referência e, através do circuito de controle, compará-la com uma forma de onda triangular, como mostra a Figura 12. O ponto de cruzamento determina o disparo dos 31 transistores. A Figura 12a mostra uma saída máxima e, a Figura 12b mostra uma saída com tensão reduzida, bastando diminuir também a tensão senoidal de referência. O circuito da Figura 12c mostra como uma redução na freqüência da senóide de referência aumenta o número de pulsos em cada meio ciclo. Figura 12 – Formação de uma onda PWM. (a) Em tensão de saída máxima. (b) Em tensão de sáida reduzida. (c) Em metade da tensão e metade da freqüência. A justificativa do uso de uma onda triangular pode ser acompanhada com a Figura 13. Figura 13 – Justificativa sobre o uso de onda triangular na geração PWM. 32 O cruzamento da forma de onda triangular com a senóide de referência produz um pulso de largura b. Reduzindo a senóide de referência pela metade de uma altura, teremos um pulso com largura c. A largura c será a metade de b e a altura do pulso será inalterada (fixada pelo barramento CC), portanto, a área do pulso será dividida com a correspondente redução na altura da senóide de referência. O mesmo pode ser verificado quando aumenta-se a altura da senóide de referência e, correspondentemente a largura do pulso resultante para a. 4.5 Diagrama de blocos A Figura 14 mostra um diagrama de blocos de um invesor de freqüência típico. Entretanto, vale ressaltar que cada fabricante utiliza sua própria tecnologia, porém, esse modelo abrange uma grande parte dos inversores encontrados no mercado atual. Pode-se, então, dividí-loem quatro blocos principais: • Primeiro Bloco – CPU A CPU (Central Processing Unit) ou Unidade Central de Processamento de um inversor de freqüência pode ser formada por um microprocessador ou por um microcontrolador (como o PLC). 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, através de uma lógica de controle coerente, para os IGBT’s. • Segundo Bloco – IHM O segundo bloco é a IHM (Interface Homem-Máquina). É através desse dispositivo que pode-se visualizar o que está ocorrendo no inversor (display) e, parametrizá-lo de acordo com a aplicação. 33 • Terceiro Bloco – Interfaces A maioria dos inversores pode ser comandada através de dois tipos de sinais: analógicos ou digitais. Normalmente, quando a intenção é controlar a velocidade de rotação de um motor CA, utiliza-se uma tensão analógica de comando (0 a 10 Vcc / 4 a 20 mA). A velocidade de rotação (rpm) será proporcional ao seu valor. Para inverter- se o sentido de rotação, basta inverter a polaridade do sinal analógico. Esse é o sistema mais utilizado em máquinas-ferramenta automáticas, sendo que a tensão analógica de controle é proveniente do Controle Numérico Computadorizado (CNC) [10]. Além da interface analógica, o inversor possui entradas digitais. Através de um parâmetro de programação, pode-se selecionar qual entrada é válida (analógica ou digital). • Quarto Bloco – Etapa de Potência A etapa de potência é constituída pelo circuito retificador, que alimenta (através do “barramento CC”) o circuito de saída do inversor (módulo IGBT). Figura 14 – Diagrama de blocos de um inversor de freqüência. 34 4.6 Modos de controle Basicamente existem dois tipos de controle dos inversores de freqüência: o escalar e o vetorial. 4.6.1 Controle escalar O controle escalar baseia-se no conceito original do conversor de freqüência: impõe no motor uma determinada tensão/freqüência, visando manter a relação V/f constante, ou seja, o motor trabalha com fluxo aproximadamente constante. É aplicado quando não há necessidade de respostas rápidas a comandos de torque e velocidade e, é particularmente interessante quando há conexão de múltiplos motores a um único conversor. O controle é realizado em malha aberta e a precisão da velocidade é função do escorregamento do motor, que varia em função da carga, já que a freqüência no estator é imposta. Para melhorar o desempenho do motor nas baixas velocidades, alguns conversores possuem funções especiais como a compensação de escorregamento (que atenua a variação da velocidade em função da carga) e o boost de tensão (aumento da relação V/f para compensar o efeito da queda de tensão na resistência estatórica), de maneira que a capacidade de torque do motor seja mantida [6]. O controle escalar é o mais utilizado devido à sua simplicidade e, devido ao fato de que a grande maioria das aplicações não requer alta precisão e/ou rapidez no controle da velocidade. 4.6.2 Controle vetorial O controle vetorial possibilita atingir um elevado grau de precisão e rapidez no controle do torque e da velocidade do motor. O controle decompõe a corrente do motor em dois vetores: um que produz o fluxo magnetizante e, outro que produz torque, regulando separadamente o torque e o fluxo. O controle vetorial pode ser realizado em malha aberta (“sensorless”) ou em malha fechada (com realimentação). • Com sensor de velocidade: requer a instalação de um sensor de velocidade (um encoder incremental, por exemplo) no motor. Este tipo de controle permite a maior precisão possível no controle da velocidade e do torque, inclusive em rotações zero. 35 • Sensorless: mais simples que o controle com sensor, porém, apresenta limitações de torque, principalmente em baixíssimas rotações. Em velocidades maiores é praticamente tão bom quanto o controle vetorial com realimentação. As principais diferenças entre os dois tipos de controle são que no modo escalar só são consideradas as amplitudes das grandezas elétricas instantâneas (fluxos, correntes e tensões), referindo-as ao estator e, seu equacionamento baseia-se no circuito equivalente do motor, ou seja, são equações de regime permanente. Já no modo vetorial é admitida a representação das grandezas elétricas instantâneas por vetores, baseando-se nas equações espacias dinâmicas da máquina, com as grandezas referidas ao fluxo enlaçado pelo rotor, ou seja, o motor de indução é visto pelo controle vetorial como um motor de corrente contínua [7], havendo regulação independente para torque e fluxo. 4.7 Vantagens na utilização de um inversor de freqüência O número de aplicações para o controle da velocidade de motores de indução têm crescido significamente, tendo em vista as inúmeras vantagens que esse dispositivo proporciona. Dentre elas, podemos citar: • Controle a distância: nos sistemas eletrônicos de variação de velocidade, o equipamento de controle pode situar-se em uma área conveniente, ficando apenas o motor acionado na área de processamento, ao contrário dos sistemas hidráulicos e mecânicos de variação de velocidade; • Redução de custos: partidas diretas ocasionam picos de corrente, que causam danos não apenas ao motor, mas também a outros equipamentos ligados ao sistema elétrico. Conversores de freqüência proporcionam partidas mais suaves, reduzindo custos com manutenção; • Aumento da produtividade: sistemas de processamento industrial geralmente são sobredimensionados na perspectiva de um aumento futuro de produtividade. Inversores possibilitam o ajuste da velocidade operacional mais adequada ao 36 processo, de acordo com os equipamentos disponíveis e a necessidade de produção a cada momento; • Eficiência energética: o rendimento global do sistema de potência depende não apenas do motor, mas também do controle. Os conversores de freqüência apresentam rendimento elevado, da ordem de 97% ou mais. Motores elétricos também apresentam alto rendimento, tipicamente de 70% em máquinas pequenas até 95% ou mais em máquinas maiores operando sob condições nominais. Na variação de velocidade, a potência fornecida pelo motor é variada de maneira otimizada, influenciando diretamente a potência consumida e conduzindo a elevados índices de rendimento do sistema (motor + conversor); • Versatilidade: inversores de freqüência são adequados para aplicações com qualquer tipo de carga. Com cargas de torque variável (pequena demanda de torque em baixas rotações), o controle reduz a tensão do motor compensando a queda de rendimento que normalmente resultaria da diminuição de carga. Com cargas de torque (ou potência) constante, a melhoria de rendimento do sistema provém da capacidade de variar continuamente a velocidade, sem necessidade de utilizar múltiplos motores ou sistemas mecânicos de variação de velocidade (como polias e engrenagens), que introduzem perdas adicionais; • Maior qualidade: o controle preciso de velocidade obtido com conversores resulta na otimização dos processos. O controle otimizado do processo proporciona um produto final de melhor qualidade. 4.8 Cuidados na utilização de um inversor de freqüência Apesar de todas as vantagens e facilidades que os inversores de frequência oferecem, algumas questões causam transtornos em diversas aplicações e, consequentemente, paradas inesperadas, acarretanto prejuízos e, em determinados processos, riscos ao bem estar dos usuários e utilizadores. Alguns procedimentos simples podem ser realizados para garantir a eficácia no sistema e acelerar o processo de aplicação do equipamento. São eles:37 4.8.1 Corrente de fuga nos cabos Uma questão não menos importante na aplicação de inversores de frequência é a relacionada aos cabos de alimentação dos mesmos, especificamente entre o motor e o inversor. A saída de um inversor é um conjunto de sinais quase quadrados variantes no tempo (em alta frequência), segundo o algorítmo PWM que lhe é imposto pelo controlador, conforme a velocidade desejada no processo. Sendo o cabo um elementro passivo [11], observa-se nele uma atuação nos âmbitos resistivo, capacitivo e indutivo: a) Resistivo: a característica intríseca dada pela resistividade do material associada a sua dimensão em distância e área seccional que é, de acordo com a Segunda Lei de Ohm [9], [11]: S L R .ρ = [13] Onde: R: Resistência equivalente total do cabo [Ω]; ρ : Resistividade do material utilizado [Ω.m]; L: Comprimento total do cabo [m]; S: Área da seção transversal do cabo [m2]. b) Indutivo: este aumenta a impedância do cabo com o aumento da frequência da alimentação que lhe é imposta [11]. Utiliza-se desta disponibilidade física para limitar também o crescimento de corrente no sistema, principalmente nas partidas, pois um sistema indutivo limita o crescimento da corrente. c) Capacitivo: cabos longos e paralelos atuam como um grande capacitor [11]. Esse capacitor provoca, eventualmente, atuações incertas dos elementos de proteção devido ao incremento das correntes entre fases de alimentação e também ocasional fuga para terra. Esse problema se torna ainda mais crítico quanto maior a frequência de chaveamento da saída do inversor ou quando são utilizados cabos muito longos, acima de 50 metros e não blindados, ou ainda acima de 100 metros quando blindados. 38 Nessas considerações é preciso observar que, principalmente devido aos efeitos de fugas de correntes capacitivas, além de eventuais spikes [12] (dadas as grandes capacitâncias dos cabos de alimentação), alguns cuidados devem ser tomados. Pode-se atenuar as correntes de fugas e spikes pela simples introdução de reatâncias de carga entre o motor e o inversor. As reatâncias de carga diminuem a rápida variação de tensão provocada pelos efeitos capacitivos [11] [12] eliminando, quase que por completo, os problemas de sobretensão e correntes de fuga. Certamente, provocarão uma determinada queda de tensão entre a saída do inversor e o motor, compreendida entre 0,5% a 3,0%, o que, de qualquer modo, não influenciará no desempenho global do sistema. A reatância de carga deve ser instalada em cada fase de saída do motor, nunca nos condutores de aterramento e, o mais próximo possível do inversor, conforme mostra a Figura 15. Figura 15 - Esquemático de inclusão de um banco de reatância entre inversor e motor. Um método universal utilizado para diminuição dos efeitos de fuga para terra ou curtos entre fases, dados aos aspectos capacitivos, é a diminuição da frequência de chaveamento PWM. O incoveniente é que valores menores de chaveamento, compreendido entre 1,0 KHz a 2,5 KHz, situam-se nas faixas audíveis, o que, dependendo da aplicação, pode ser um incômodo. 39 4.8.2 Interferência eletromagnética – EMC Um dos problemas mais frequentes que ocorre em uma instalação elétrica que alimenta um inversor de frequência é a possibilidade de existir interferência eletromagnética em equipamentos sensíveis, tais como PLC (Programmer Logic Controler) [13], sensores, medidores digitais, etc. Devido ao princípio de funcionamento do conversor, uma tensão do barramento CC de aproximadamente 600 V pode gerar uma corrente de fuga com ordem de grandeza de 3 A, devido a velocidade de chaveamento dos transistores de potência, que pode ser de 200 ns, às vezes até menos, dependendo do fabricante e tipo de utilização [14]. Esta corrente transita pelo circuito, que é formado pelo cabo de saída do inversor, capacitância parasita entre cabos e aterramento, capacitância parasita do motor para a terra, malha de terra, secundário em estrela aterrado do transformador (subestação) que alimenta o inversor e, retornando pelo cabo de força que chega ao inversor, conforme pode ser visualizado pela Figura 16. Figura 16 – Caminho da corrente parasita circulante. Quando essa corrente circula pela malha de terra, provoca um desequilíbrio, acarretando o aparecimento de vários potenciais diferentes ao longo desta malha. Quando realiza-se o aterramento dos equipamentos eletrônicos nessa malha desequilibrada e fecha-se o circuito entre o emissor de sinal (0 – 10 V, 4 – 20 mA, sendor digital, etc.) e o receptor, passa a circular uma pequena corrente entre os dois pontos, que se soma ao sinal. Portanto, o resultado dessa soma de sinais (sinal correto + corrente parasita) provoca o mau funcionamento da automação, o que pode danificar 40 as placas eletrônicas dos dispositivos. A Figura 17 mostra como fica a corrente parasita somada ao sinal correto. Figura 17 – Consequência do desequilíbrio da malha de terra no circuito de controle. Para evitar esta situação, é preciso utilizar filtros no inversor, além de um cabo especial entre inversor e o motor. Usualmente, dois tipos de filtros são empregados. O primeiro localiza-se na saída e também é conhecido como toróide. Trata-se de um anel construído a partir de material ferromagnético, que envolve os cabos trifásicos na saída, sendo que às vezes podem ser enrolados no toróide para aumentar a indutância [15] e, assim, diminuir a corrente que flui pela capacitância parasita. Além de reduzir o valor da corrente, seu valor máximo e frequência se modificam, reduzindo muito o ruído e a perturbação na malha de terra. Deste modo, pode-se manter o equilíbrio no aterramento, além de permitir que os dispositivos eletrônicos funcionem corretamente. A Figura 18 mostra a montagem de um toróide e seu efeito na corrente parasita. Figura 18 – a) Esquemático de uma montagem de um toróide. b) Efeito na corrente parasita. 41 Aliado a esse procedimento, dentro dos inversores tem-se também os capacitores de modo comum, que realizam o trabalho de capturar a corrente parasita e entregá-la ao inversor, evitando assim que circule pelo resto da instalação. Com o conjunto destes dois dispositivos no conversor, pode-se então afirmar que ele possui os filtros de compatibilidade eletromagnética. Entretanto, também é necessário interligar o aterramento do motor com com o do inversor, mantendo assim os dois com o mesmo potencial, permitindo que a corrente parasita circule por dentro do cabo e não pela malha de terra. 4.8.3 Harmônicos: análise do impacto do inversor de freqüência na instalação elétrica As correntes harmônicas são geradas por qualquer carga não-linear presente em uma instalação. A entrada de um inversor possui uma função de tensão e corrente não- linear, isto é, a lei de Ohm [9] é respeitada ponto a ponto, e não como uma função retilínea. Isso deve-se principalmente aos elementos de retificação de entrada (diodos ou tiristores) e aos capacitores no link DC ou circuito intermediário do inversor (barramento CC). Além disso, no momento de chaveameto de um diodo para o outro, um curto instantâneo ocorre na rede, limitado apenas pela reatância dos cabos de alimentação e resistência do corpo do elemento de retificação, como pode ser observado pela Figura 19. Figura 19 – Curto circuito instantâneo durante o chaveamento de um diodo para outro. Essas características tornam um inversor um elemento não linear. Elementos não lineares atuam em uma rede de alimentação contaminando-a com grande número de harmônicas de baixa ordem [16], tais como 3º, 5º, 7º e 9º, distorcendo a alimentação e 42 provocando quedas de tensões harmônicas. Entre os inúmeros problemas gerados pelas hamônicas, pode-se destacar a redução do fator de potência da rede, distorção em corrente e tensãodos sistemas de alimentação, elevada distorção harmônica total (THD) [16], deterioração e destruição dos capacitores de correção de fator de potência (FP) e aumento das perdas Joule nas instalações, principalmente nos cabos e transformadores. Um problema não perceptível, ocasionado pelas harmôncias, é o surgimento de correntes desbalanceadas na linha (fase-fase), ocasionando seu escoamento “via neutro e terra”. Isso torna os neutros carregados, o que é insensato dizer. Em instalações antigas, os neutros não são dimensionados para atender a esse novo contigente de correntes harmônicas, o que leva ao sobreaquecimento, atuação dos elementros de proteção de forma espúria e desbalanceamento da rede. Entretanto, nas instalações mais modernas, é uma tendência do engenheiro-projetista superdimensionar os neutros e terras, partindo do princípio que haverá um incremento no nível de corrente em termos de harmônicos de rede. Um modo de minimizar os efeitos das hamônicas de baixa ordem é a utilização de inversores que possuam em sua entrada retificadores de 12, 18 ou 24 pulsos. Nesse caso, as hamôncias de baixa ordem iniciarão em valores mais altos de frequência, sendo mais fácil de se realizar a atenuação [17]. Outra forma de solução é a inserção de elementos que aumentem a impedância de entrada do circuito de alimentação. Isso pode ser realizado através da instalação de reatâncias de rede em série com o circuito retificador e a fonte de alimentação, como pode ser visto na Figura 20. Figura 20 – Esquemático de instalação de reatância de rede na entrada do circuito de alimentação do inversor de frequência. 43 Essa reatância forçará uma queda de tensão, principalmente nos valores harmônicos, reduzindo a corrente eficaz de entrada, diminuindo o THD e aumentando o FP do conversor. Os valores usuais de queda de tensão situam-se entre 1% a 4%, dependendo da rede de alimentação. Como regra prática, quanto mais próximo do transformador de entrada da instalação, ou mais próximo de bancos de capacitores, mais se deve aproximar de 4% de queda de tensão. 4.9 Parâmetros: entendendo o sistema e a utilização Os inversores de frequência são programados através de configurações iniciais realizadas pelo utilizador, configurações essas chamadas de parâmetros. São dados que fornecem informações de todo o processo ou automação a ser realizada, além da escolha e modo de resposta a cada etapa do sistema. Entretanto, é essencial que a solução de uma aplicação seja bem entendida e que, com a utilização dos recursos de programação, seja possível traduzir esta necessidade em valores introduzidos no inversor ou, até mesmo, ativar ou não algum recurso. No geral, existem três tipos básicos de parâmetros a disposição entre os conversores de frequência. • Parâmetros LISTA: Este tipo de parametrização permite selecionar vários itens. Geralmente uma série de opções é listada e, dependendo de um valor numérico, a escolha é feita de como deve ser o comportamento do inversor. Por exemplo, os tipos de parada que um inversor pode realizar, basicamente são três: inércia, rampa e injeção de corrente contínua (CC). Optar por um ou outro é uma questão de somente entrar com um determinado valor oferecido em uma lista de valores possíveis. • Parâmetros de BIT: Esta modalidade possui bits individuais relacionados a características ou condições. Se o bit for 0, a característica está desligada ou a condição é falsa. Se o bi for 1, a característica está ligada ou a condição é verdadeira. Às vezes, em um mesmo parâmetro, existem vários bits para serem configurados. Em outros modelos, a programação destes bits é feita por uma série de parâmetros diferentes, mas as opções são somente entrar com os valores 1 ou 0. 44 • Parâmetros NUMÉRICOS: Aqui o parâmetro possui um valor numérico único (0,1 V, por exemplo). São parâmetros onde é ajustado valores de corrente, velocidade, tensão, tempo, percentuais, ganhos, entre outros. 4.9.1 Ajuste de parâmetros Existe um pacote básico de funções que todo inversor dispõe e, geralmente, é disposto em conjunto para facilitar o acesso, visto que são as mais usadas e que frequentemente são necessárias para adaptação do acionamento à necessidade da máquina. São elas: • Rampa de aceleração e desaceleração; • Velocidade mínima e máxima; • Corrente e tensão do motor; • Referência de velocidade; • Fonte de partida (liga/desliga); • Tipo de parada (inércia, rampa, injeção de CC); Esses parâmetros devem ser localizados no manual do equipamento e observados como se implementa a mudança dos valores de fábrica (default), para que o motor e o equipamento possam trabalhar da maneira desejada. Os limites de programação também devem ficar bem claros, além de verificar se a máquina pode aceitar alguma condição que pode ser colocada no inversor que acarretará em mau funcionamento ou até mesmo trazer riscos a integridade física dos operadores. Uma rampa de aceleração muito curta pode danificar a parte mecânica da máquina, aumentando os riscos de um acidente, ou um limite muito baixo de velocidade pode trazer um sobreaquecimento do motor ou operação de uma bomba/ventilador em condições de pouca eficiência. Devem ser inseridos os valores nominais de tensão e corrente do motor acionado, pricipalmente se o mesmo não for da potência nominal do inversor, pois a proteção térmica realizada pelos inversores não se adapta automaticamente, ou seja, ela depende da informação digitada pelo utilizador. Em caso de acionamento vetorial com extrema precisão, esta informação é necessária para garantir a qualidade do acionamento. 45 É preciso ter cuidado quando programar a velocidade máxima acima de 60 Hz, pois a relação tensão/frequência se perde e diversos problemas podem acontecer, conforme discutido em 4.3. Apesar dos fabricantes anunciarem um limite de 300, 400 ou até mesmo 500 Hz, eles são usados em aplicações especiais e com uma análise mais profunda do que deve ser ajustado no produto. No quesito rampa de aceleração/desaceleração, os ajustes devem ser os mais naturais possíveis, ou seja, é necessário programar para que a aceleração natural da máquina com relação a sua inércia não se altere. Caso a máquina realize uma partida direta antes da colocação do inversor, toma-se o tempo natural que ela leva do estado de repouso até sua velocidade máxima e programa-se este tempo no inversor utilizado. Caso seja necessário um tempo menor, deve ser considerada a possibilidade de usar um motor de potência maior, pois um conjugado maior será necessário para realizar tal tarefa. Na desaceleração, um outro parâmetro está relacionado: o tipo de parada. A rampa de desaceleração só será funcional caso ajustemos uma parada por rampa ou uma parada com injeção CC, onde o inversor desacelera a máquina de forma controlada, durante tempo pré-estabelecido e depois injeta corrente contínua para realizar uma frenagem rápida do motor. No caso de escolher uma parada por inércia o tempo ajustado no parâmetro “rampa de desaceleração” não será considerado. Novamente aqui é importante desacelerar dentro de um tempo natural da máquina para evitar problemas com inércia e a regeneração por parte do motor. Há várias maneiras de enviar a ordem de marcha ao inversor. Dentre as opções estão o teclado da IHM , sinal digital nos terminais auxiliares, comando serial através de uma rede (por exemplo, Ethernet), limite de sinal analógico. O usuário deve invormar ao inversor qual a maneira que ele pretende comandar o inversor. Geralmente, os produtos disponíveis no mercado possuem os botões de liga/desliga, além do comando de reversão. Caso se pretenda comandar por sinais digitais externos, é necessário programar quais entradas serão destinadas a estas funções (em alguns produtos estas 46 entradas são fixadas na fábrica e não permitem alteração). Deve serdeterminado também se o comando será a dois ou três fios. Quando a opção desejada for enviar as ordens de marcha através de uma rede serial industrial (existem várias com esta possibilidade), todo um detalhamento técnico deve ser analisado, mas basicamente devem ser verificados o protocolo de comunicação, a velocidade de transmição, a disponibilidade de comunicação do dispositivo adquirido, a programação do supervisório ou CLP [13], como será implementado este tipo de comando na rede escolhida, quantos inversores podem ser colocados na rede, entre outros aspectos. É importante saber que, neste tipo de rede, as possibilidades de informação e controle aumentam muito, pois há a flexibilidade de mudanças e reprogramação on-line [18]. Existe em alguns modelos uma função chamada sleep-wake mode [14], que pode ser traduzido por modo dormir-acordar. Com este comando é enviado ao inversor somente um sinal análogico, (4 – 20 mA / 0 – 10 V), onde a velocidade mínima será com o sinal de menor valor (4 mA / 0 V), e a velocidade máxima o de maior valor ( 20 mA / 10 V). Caso seja programado no conversor um limite mínimo de sinal analógico, onde o sinal do sensor ultrapasse para baixo deste limite ( 8 mA / 2 V, por exemplo), ele parará o motor, voltando a girá-lo somente quando um outro limite maior for superado (12 mA / 4 V, por exemplo). Há vários métodos para informar ao inversor qual a velocidade que ele deve rodar o motor. Entre eles pode-se citar o controle local, utilizando-se dos teclados da IHM, e o controle remoto, baseando-se em sinais elétricos analógicos e/ou digitais, referenciando-se aos valores do processo ou automação desejados. Para valores analógicos é necessário determinar qual a entrada a ser utilizada, caso o dispositivo possua mais de uma entrada analógica. É importante análisar e definir qual o melhor tipo do sinal elétrico (4 - 20 mA / 0 – 10 V, etc.) a ser utilizado no sistema. Em alguns modelos é oferecida a possibilidade de realizar operações algébricas com o sinal antes do processamento para controle do motor pelo inversor de frequência, tais como SOMA, SUBTRAÇÃO, MULTIPLICAÇÃO, etc. Ainda pode-se usar o comando via 47 rede serial para determinação da velocidade, com a vantagem de que pode-se ter uma confirmação do inversor se ela foi atingida ou não. 4.9.2 Parâmetros avançados Alidados aos parâmetros descritos anteriormente, algumas funções e algorítimos de maior complexidade são disponibilizados pelos inversores, com o intuito de se maximizar a utilidade no sistema, chamados de parâmetros avançados. São eles: controle PID [19], velocidades pre-selecionadas, jog, passos lógicos, repartida automática, ride-through e retomada de velocidade, além da adaptação da curva V/f. No controle PID, ajusta-se os três ganhos para que o inversor corrija uma variável e ela permaneça sempre num valor desejado. Toda vez que a variável, por condições operacionais, se distanciar do valor desejado, o inversor aumenta ou diminui a velocidade do motor para que o sistema acionado se estabilize neste valor. A malha de controle PID é usada para manter uma grandeza de um determinado processo (PV) em um valor desejado (set-point). Estas grandezas podem ser pressão, vazão, temperatura, tensão mecânica, velocidade linear de várias esteiras transportadoras, etc. A malha PID trabalha subtraindo o retorno PID (feedback) de uma referêcia e então gera um erro. A malha reage a este erro, baseado nos ganhos ajustados, e gera uma frequência de saída para o motor, aumentando ou reduzindo a velocidade. Em algumas aplicações é necessário que o conversor adquirido possua duas entradas analógicas para a realização do controle PID. O controle proporcional (P) ajusta a saída de acordo com o tamanho do erro (erro maior = proporcionalmente correção maior). Com o controle proporcional, sempre haverá erro, pois o retorno e a referência nunca serão iguais. O controle integral (I) ajusta a saída, baseado na duração do erro, ou seja, quanto mais tempo o erro estiver presente, mais ele tenta corrigí-lo. O controle integral é uma rampa de correção da saída. Este tipo de controle nos dá um efeito suavizador na saída e continuará até quando o erro zero for alcançado. Sozinho, o controle integral é lento para a maioria das aplicações e, então, é combinado com o controle proporcional. 48 O controle derivativo (D) ajusta a saída de acordo com a velocidade da mudança do erro que, por si só, tende a ser instável. Quanto mais rápido o erro muda, maior a mudança na saída. O controle derivativo geralmente não é utilizado, mas quando é, quase sempre combinado com o proporcional e o integral (PID). O funcionamento desta regulação acontece quando estes três controles atuam simultaneamente, conforme Figura 21. Este recurso é muito utilizado em bombas e ventiladores que controlam as variáveis de uma planta industrial. Figura 21 – Controle PID atuando simultaneamente. Em alguns casos, apesar do inversor acionar o motor em qualquer velocidade entre 0 e 60 Hz, é preciso que somente algumas velocidades pré-selecionadas estejam disponíveis ao operador, para evitar que a máquina funcione de maneira indevida. Assim, é possível determinar as velocidades que devem ser operadas, memorizando-as no inversor e definindo as entradas digitais que receberão os sinais no momento correto. Através de uma combinação binária destes sinais, o inversor é informado com qual velocidade deve trabalhar. Desta maneira, a referência de velocidade é realizada pela combinação destes sinais, dispensando a utilização de potenciômetros ou sinais analógicos. É importante frizar que até as rampas de aceleração e desaceleração podem ser reprogramadas em alguns casos. Cada modelo de diferentres fabricantes atendem a uma quantidade diferente de velocidades pré-programadas. Este recurso é muito utilizado em indústrias de bebidas onde cada vasilhame tem um tamanho específico, e a esteira transportadora deve movimentá-los de forma única para cada tamanho durante o enchimento, sem ocorrer oscilações, caso contrário o vasilhame pode não encher completamente ou pode transbordar. A Tabela 2 nos mostra algumas combinações que podem existir no mercado. 49 ED1 ED2 ED3 FREQUÊNCIA RAMPAS 0 0 0 Freq 0 ACC1/DC1 1 0 0 Freq 1 ACC1/DEC1 0 1 0 Freq 2 ACC2/DEC2 1 1 0 Freq 3 ACC2/DEC2 0 0 1 Freq 4 ACC1/DC1 1 0 1 Freq 5 ACC1/DEC1 0 1 1 Freq 6 ACC2/DEC2 1 1 1 Freq 7 ACC2/DEC2 Tabela 2– Combinações para execuções de diferentes velocidades pré-definidas pelos inversores de frequência. Certas máquinas solicitam um posicionamento de uma parte da máquina no local específico e atingir este objetivo com a programação da rampa de desaceleração pode ser complicado, até mesmo impossível. Neste caso, um recurso chamado de jog é bastante utilizado. Uma entrada digital é parametrizada e uma velocidade é memorizada no inversor para realização desta função. Nos modelos mais sofisticados, existe até uma rampa de aceleração/desaceleração diferente. Toda vez que é enviado um sinal para essa entrada, o inversor aciona o motor nesta velocidade definida, enquanto o sinal permanecer. Desta forma, a colocação da máquina na posição correta pode ser alcançada. Vale ressaltar que a função jog existe há muit tempo no inversores e, que hoje, ela evoluiu para características elaboradas com um perfil de velocidade ou posicionamento, com até 06 (seis) ou 08 (oito) passos lógicos que realizam a parada no ponto correto de forma automática, desde que estes pontos se repitam durante todo o funcionamento do equipamento. Este perfil é completamente memorizado no inversor e, após um comando de marcha, as velocidades se alternarão de acordo com a duração do passo anterior, ou quando um determinado sinal atingir uma determinada entrada digital fazendo com que o acionamento evolua de um passo a outro. A Figura 22
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