Automatização com comandos

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Automatização com comandos
eletrônicos
Você vai entender os conceitos da eletrônica de potência, o princípio de funcionamento dos inversores de
frequência e os principais tipos e aplicações dos inversores de frequência.
Prof. Raphael dos Santos
1. Itens iniciais
Propósito
Apresentação dos conceitos fundamentais da eletrônica de potência e os principais dispositivos aplicados
nessa área. Discussão do princípio de funcionamento dos inversores de frequência, sua classificação e
principais aplicações. Esses são tópicos importantes para que o profissional saiba lidar com sistemas
automáticos no cotidiano.
Objetivos
Reconhecer os conceitos fundamentais da eletrônica de potência.
Analisar o princípio de funcionamento dos inversores de frequência.
Reconhecer os principais tipos e diferentes aplicações dos inversores de frequência.
Introdução
Olá! Antes de começarmos, assista ao vídeo e compreenda a importância da eletrônica de potência nos
processos industriais.
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1. Conceitos fundamentais da eletrônica de potência
Dissipadores de calor aplicados em eletrônica de potência
Os diferentes dispositivos aplicados à eletrônica de potência.
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A eletrônica de potência
Assista ao vídeo e entenda os conceitos fundamentais da eletrônica de potência, as vantagens de sua
utilização e quais dispositivos são exemplos desse tipo de potência.
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A eletrônica de potência é o ramo da Engenharia Elétrica que lida com elevados níveis de tensões e correntes
para fornecer energia a uma variedade de necessidades. A geração e a distribuição de energia, até o controle
preciso e eficiente de motores, são aplicações usuais da eletrônica de potência.
Os avanços tecnológicos nos dispositivos semicondutores de potência permitiram o
desenvolvimento de dispositivos mais novos, como os transistores de efeito de campo, diodos de
potência, tiristores, entre outros elementos.
Esses dispositivos têm características superiores em termos de tolerância ao aquecimento, o que permite sua
operação em alta tensão, alta corrente, gerenciamento térmico e eficiência. Esse aprimoramento permitiu o
avanço no uso generalizado da eletrônica de potência, mesmo em áreas mais sensíveis ao ruído, substituindo
as fontes de alimentação lineares com perdas e os reguladores de tensão.
A principal vantagem desses dispositivos é a capacidade de
suportar elevados níveis de tensão e de corrente em
comparação aos dispositivos convencionais. Assim, os
sistemas podem ser projetados para elevados níveis de
tensão, permitindo a redução da corrente e melhoria da
eficiência, mantendo a potência fornecida. 
Além disso, esses dispositivos podem operar em
frequências de comutação mais altas, o que reduz o
tamanho dos componentes passivos, tornando os sistemas
compactos.
Como vantagem adicional, pode-se considerar a capacidade desses sistemas em lidar com temperaturas mais
altas simplificando os projetos térmicos.
Algumas aplicações bastante comuns para os circuitos empregados na eletrônica de potência são:
Retificadores AC para DC;
Conversores DC para DC – alterações nos níveis de sinais contínuos;
Inversores;
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Conversores cíclicos;
Chaves estáticas.
Entre os dispositivos semicondutores de potência fundamentais para o funcionamento dos circuitos de
eletrônica de potência, podemos citar:
Diodos de potência.
Transistores de potência.
Tiristores.
SCRs e IGBTs.
Diodos de potência
Confira no vídeo as características dos diodos de potência, suas particularidades, bem como suas
representações.
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Os diodos são dispositivos semicondutores que funcionam como chaves eletrônicas. Em sua operação podem
atuar como chaves abertas ou chaves fechadas, dependendo da sua condição de polarização.
Os diodos semicondutores convencionais são dispositivos compostos por dois materiais dopados (tipo P e
tipo N) para apresentar características entre os materiais isolantes e condutores.
Entenda as diferenças:
1
Materiais semicondutores do tipo P
São dopados com impurezas receptoras, ou seja, lacunas ou buracos que são capazes de aceitar
cargas elétricas que sejam injetadas no material.
2
Materiais semicondutores do tipo N
São materiais dopados com impurezas injetoras de elétrons. Essas impurezas inserem elétrons
livres no material, aumentando a condutividade elétrica desses materiais.
Nos diodos de potência, diferentemente dos semicondutores convencionais, existe uma terceira camada N
que garante ao diodo de potência uma tolerância maior às tensões aplicadas.
Sendo assim, a diferença entre o diodo semicondutor, utilizado para a eletrônica, e o diodo semicondutor de
potência está nos níveis de tensão e corrente suportados. Veja as ilustrações das camadas que formam um
diodo semicondutor de eletrônica e um diodo semicondutor de potência:
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Representação das camadas semicondutoras de diodos: (A) semicondutor e (B)
diodo de potência.
Agora, observe as imagens de diodos semicondutores de eletrônica e de potência:
(A) Semicondutor.
(B) Potência.
Apesar de apresentarem características diferentes, diodos semicondutores convencionais e diodos de
potência apresentam o mesmo símbolo:
Símbolo de um diodo.
Para que o diodo semicondutor entre em condição de condução (chave fechada) basta que seja colocado em
condição de polarização direta (ânodo mais positivo que o cátodo), com uma diferença de potencial entre eles
que depende do material do qual o diodo é construído:
Silício
0,7V.
Germânio
0,3V.
No entanto, caso o diodo seja colocado em condição de polarização reversa (cátodo mais positivo que o
ânodo), ele se comportará como uma chave aberta.
Entre as características elétricas de um diodo podemos destacar:
Tensão de pico reversa
A tensão de pico reversa (inverse peak voltage – PIV) é a tensão suportada pelo diodo quando
polarizado reversamente. Durante a polarização reversa, o diodo funciona como uma chave aberta,
não conduzindo corrente. Dessa maneira, toda a tensão fornecida pela fonte de alimentação é
aplicada sobre o diodo semicondutor. Para diodos de potência, os valores nominais de tensão de pico
inversa são de dezenas ou milhares de volts.
Corrente direta máxima
Para entrar em condução, o diodo semicondutor precisa ser polarizado diretamente (ânodo mais
positivo que o catodo). A corrente máxima suportada (com segurança) por um diodo de potência,
quando em condução, varia de alguns poucos até centenas de ampères.
Retificador controlado de silício
Confira no vídeo os conceitos fundamentais sobre retificadores controlados de silício, bem como suas
representações e polarizações.
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O retificador controlado de silício (SCR) é o controlador elétrico de potência de uso mais comum. Consiste em
um dispositivo semicondutor formado por quatro materiais semicondutores e três terminais.
Além dos terminais de ânodo e cátodo, similares aos que um diodo convencional apresenta, o SCR possui um
terminal de habilitação que lhe permite entrar em condição de condução.
Ele se comporta como um diodo retificador que precisa de um pulso de corrente, além da condição de
polarização direta, para entrar em condição de condução.
Observe a representação de um SCR:
Representação de um SCR.
Na situação de polarização reversa (condição de bloqueio), a corrente reversa varia de poucas centenas de
microampères até algumas centenas de miliampères, intensidade de corrente desprezível quando comparada
com a corrente de condução direta do circuito.
Na polarização direta com bloqueio, a condição de bloqueio direto de um SCR pode ocorrer:
Quando o componente é colocado em condição de polarização direta e nenhum disparo de habilitação
é colocado no gatilho.
Quando uma tensão de polarização direta,inferior a tensão limite do componente, é colocada no SCR.
Saiba mais
Caso a tensão de polarização seja menor do que a tensão mínima necessária para que o SCR entre em
condição de disparo forçado e não haja corrente de disparo, o SCR é capaz de suportar tensões de
algumas centenas de Volts. 
Veja a seguir as formas de disparo de um SCR:
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1Disparo por sobretensão
Quando a tensão sobre o SCR ultrapassa o valor da tensão de bloqueio direto limite do SCR,
condição conhecida como disparo forçado ou breakover voltage, o dispositivo entrará em condução,
mesmo que não seja aplicado um pulso de corrente no gatilho. A desvantagem desse método é a
possibilidade de danos ao dispositivo.
2
Disparo por variação de tensão
Caso a tensão aplicada sobre o SCR varie de maneira brusca e muito intensa (de 0 V para um valor
elevado de tensão), uma corrente de avalanche (muito intensa) será provocada sobre o dispositivo e
iniciará sua condução, mesmo que não haja pulso no gatilho.
3
Tensão de polarização direta
Tensão colocada sobre o SCR. Um disparo de habilitação é colocado no gatilho.
Uma maneira de evitar que um disparo por variação de tensão acidental ocorra em um SCR é a utilização do
circuito de proteção a seguir.
Circuito de proteção snubber.
Esse circuito impede que a variação de tensão sobre o SCR ocorra bruscamente, evitando assim seu disparo
acidental.
Diferentemente da condição de disparo, o bloqueio de um SCR não pode ser feito apenas com a remoção do
pulso de disparo.
São necessários alguns métodos bem específicos para que o dispositivo deixe de conduzir, veja:
Bloqueio natural
Consiste na redução da corrente que atravessa o SCR para um valor inferior à corrente de
manutenção de condução (holding current) até que ela seja nula.
Bloqueio forçado
Exige que a corrente que atravessa o SCR seja colocada em um valor inferior à corrente de
manutenção e uma tensão de polarização reversa seja aplicada sobre o dispositivo.
Desenergização
Consiste na interrupção da tensão de alimentação do SCR, levando ao bloqueio do dispositivo.
Outros dispositivos da eletrônica de potência
Assista ao vídeo e conheça os dispositivos TRIAC, DIAC, transistores MOSFET, bipolar de junção e de porta
isolada.
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TRIAC
Consiste basicamente em dois SCRs conectados em antiparalelo, veja:
Símbolo TRIAC.
Imagem de um TRIAC.
Uma vantagem na utilização do TRIAC é a capacidade de funcionar como dois SCRs. Isso torna possível
controlar o fluxo de corrente nos dois sentidos em um circuito.
De maneira similar ao SCR, a condição de polarização e um pulso no gatilho fazem com que o TRIAC entre em
condução.
Entre algumas aplicações para o TRIAC podemos citar:
Controle em onda completa, que possibilita o controle de uma tensão alternada sobre uma carga (tanto
no ciclo positivo como no ciclo negativo).
Controle de potência em uma carga.
DIAC
É um dispositivo que atua como dois diodos semicondutores em antiparalelo:
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Símbolo de um DIAC.
Imagem de um DIAC.
Ele possibilita o controle da condução de corrente em um circuito nos dois sentidos da tensão (similar a um
TRIAC), mas sem a necessidade de um pulso de habilitação, atuando como uma chave bidirecional.
Transistores
Os transistores são dispositivos semicondutores que podem ser utilizados como chaves eletrônicas ou
amplificadores.
A definição do comportamento do transistor é feita de acordo com o seu circuito de polarização.
Transistor bipolar de junção (TBJ)
O TBJ é um dispositivo semicondutor formado pela junção tripla dos semicondutores: tipo P e tipo N,
formando os transistores bipolares: PNP ou NPN.
Os transistores são utilizados como chaves eletrônicas ou amplificadores de sinais. Isso pode ser feito devido
à capacidade que os transistores possuem de trabalhar em três regiões distintas, que variam com a sua
polarização: corte, saturação e ativa.
O controle da operação do transistor bipolar é feito por sua corrente de base:
Na região de corte, o transistor funciona como um circuito aberto (chave aberta) e não permite a
passagem de corrente.
Na região de saturação, ele funciona como um curto-circuito (chave fechada) e possui um caminho de
baixa resistência para a corrente.
A região ativa é onde o transistor atua como um amplificador.
Os transistores como amplificadores apresentam ganhos (hfe ou β) entre 15 e 100. A tensão máxima que pode
ser aplicada sobre um transistor é de 700 V e a corrente máxima de coletor é de 800 A. A tensão de bloqueio
reversa varia em torno de 20V.
Veja um transistor de potência:
Imagem de um transistor.
Contudo, os TBJs são empregados em circuitos eletrônicos. Para utilização em circuitos de potência são
empregados: MOSFETs ou IGBTs.
Transistor MOSFET
São transistores de chaveamento rápido controlados por tensão, não por corrente. Os MOSFETs são
extensamente utilizados em fontes chaveadas de alta frequência e são muito mais rápidos no chaveamento do
que TBJs, mas como ponto negativo, apresentam quedas de tensão maiores que os TBJs. Por possuírem
valores elevados de tensão e de corrente nominais, os MOSFETs são empregados em circuitos aplicados em
eletrônica de potência. 
Transistores bipolares de porta isolada (IGBT)
Os IGBTs unem características do TBJ e dos MOSFETs e apresentam uma queda de tensão similar aos TBJs
com a rapidez de chaveamento dos MOSFETs. Entretanto, sua tensão de polarização reversa é
consideravelmente menor que a dos MOSFETs (menor que 10V).
Observe um IGBT:
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Imagem de um IGBT.
Verificando o aprendizado
Questão 1
Os dispositivos retificadores semicondutores de potência representaram um avanço significativo para os
processos industriais. Esses elementos permitiram o uso de circuitos em condições de tensão e de corrente
muito maiores que os dispositivos eletrônicos convencionais. Entre esses dispositivos, destacam-se os diodos
que, por suas características de funcionamento, podem atuar como
A
resistores.
B
amplificadores.
C
fusíveis.
D
chaves.
E
fontes de alimentação.
A alternativa D está correta.
Os diodos retificadores de potência são dispositivos semicondutores que podem ser polarizados para atuar
como chaves eletrônicas, abrindo ou fechando um contato eletrônico quando polarizados direta ou
reversamente.
Questão 2
Alguns dispositivos eletrônicos são dimensionados para atuar como chaves de potência em circuitos
eletrônicos empregados em processos industriais. Um exemplo é o MOSFET. Esse transistor de chaveamento
rápido pode operar em níveis elevados de tensões e de correntes, além das intensidades convencionais e de
ser controlados por
A
tensão.
B
corrente.
C
potência.
D
resistência.
E
capacitância.
A alternativa A está correta.
Os transistores de potência do tipo MOSFET são dispositivos semicondutores construídos para operar em
níveis mais elevados de tensão e de corrente do que os dispositivos convencionais. São controlados por
tensão, não por corrente, como os TBJs.
2. Os princípios de funcionamento dos inversores de frequência
Inversores de frequência na operação de motores
industriais
Assista ao vídeo e entenda como os inversores de frequência são utilizados na operação das máquinas
industriais.
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Os inversores de frequência
Confira no vídeo o princípio de funcionamento, a seção retificadora e quais as vantagens dos motores
trifásicos em comparação aos monofásicos.
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Um inversor de frequência é um dispositivo eletrônico capaz de transformar corrente (ou tensão) elétrica
alternada fixa em corrente (ou tensão) elétrica alternada variável.
Essa variação permite o controle da potência consumida (velocidade, torque etc.) pela carga através da
variação da frequência entregue pela rede.
Um inversor de frequência é um dispositivo capaz de promover uma mudança na frequência dos contatos de
um motor e uma variação em sua velocidadede rotação. Assim, um inversor atua mudando a frequência da
entrada do motor – caso a frequência seja maior, consequentemente a velocidade do motor será maior; caso
seja menor, a velocidade também será menor.
Por esse motivo, os inversores de frequência são capazes de proporcionar um controle mais avançado dos
motores, sendo amplamente empregados nas partidas dos motores na indústria.
Princípio de funcionamento
Um inversor de frequência altera a frequência e a magnitude da tensão de saída para variar a velocidade, a
potência e o torque de um motor de indução conectado para atender às condições de carga.
Eles convertem um sinal senoidal de amplitude fixa em um sinal modulado por largura de pulso (PWM),
possibilitando assim a variação da velocidade no motor.
Nos processos industriais, inúmeras aplicações podem ser beneficiadas com uma velocidade variável nos
motores, como redução no consumo de corrente, partida gradual (em rampa), entre outras.
Um inversor de frequência típico consiste em três seções elementares: retificação, filtragem e inversão.
Observe um inversor de frequência:
Representação diagramática de um inversor de frequência.
Seção retificadora
Consiste em um conjunto de chaves de ação rápida que convertem uma fonte de tensão alternada de entrada
em uma tensão contínua pulsante.
Como é difícil alterar a frequência de uma onda senoidal alternada (CA), a primeira seção do inversor de
frequência é responsável por converter a onda alternada em contínua (CC), tendo em vista ser mais fácil
manipular sinais contínuos.
O circuito retificador usa uma ponte de diodos para limitar o deslocamento da onda senoidal CA em apenas
uma direção:
Sinal retificado na saída do circuito retificador trifásico ponte completa.
O resultado é a forma de onda alternada inicial totalmente retificada interpretada pelo circuito de corrente
contínua como uma forma de onda em corrente contínua pulsante.
Os conversores de frequência trifásicos podem receber três fases de entrada alternada separadas e convertê-
las em uma única saída contínua.
Saiba mais
A maioria dos conversores de frequência trifásicos também pode aceitar alimentação monofásica (230 V
ou 460 V), mas, como há apenas duas conexões de entrada, a saída do conversor de frequência (HP)
deve ser reduzida porque a corrente contínua produzida é reduzida proporcionalmente. Contudo, os
verdadeiros conversores de frequência monofásicos (aqueles que controlam motores monofásicos)
utilizam uma entrada monofásica e produzem uma saída CC proporcional à entrada. 
Existem algumas razões pelas quais os motores trifásicos são mais populares na indústria do que seus
equivalentes monofásicos quando se trata de operação de velocidade variável.
Os motores trifásicos oferecem uma faixa de potência muito mais ampla, na medida em que as intensidades
de tensão e de corrente são superiores as dos monofásicos. Além disso, possuem a capacidade de iniciar os
movimentos de rotação por conta própria. Os motores monofásicos, no entanto, geralmente requerem alguma
intervenção externa para iniciar sua rotação.
Etapa de filtragem
Confira no vídeo as principais características dos filtros ativos e passivos e o princípio de funcionamento de
cada um.
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A segunda etapa, conhecida como filtragem, não é empregada em todos os inversores de frequência, visto
que não contribui diretamente para a variação da frequência do sinal. Contudo, está sempre presente em
inversores de frequência de alta qualidade, como aqueles fabricados especificamente para uso em operações
onde a qualidade da filtragem é um parâmetro importante.
Essa etapa de filtragem utiliza capacitores e indutores para “filtrar” (remover) a tensão CA residual (também
denominada de ripple) da componente contínua produzida antes de o sinal ser enviado para o inversor.
Princípio de funcionamento
Um filtro é um circuito eletrônico que tem a capacidade de deixar passar certa faixa de frequências e bloquear
(ou atenuar) outras faixas. É usado para filtrar frequências específicas de um sinal (geralmente faixas de
frequências indesejáveis e que possam contaminar o sinal que se deseja obter ao final do circuito).
Existem diferentes tipos de filtros, como digitais e analógicos, ativos e passivos, lineares e não lineares,
passa-baixa, passa-alta, passa-banda etc. Eles são usados no processamento de sinais, como: remoção de
ruído de um sinal, e extração de uma mensagem de um sinal transmitido dentro de uma portadora, entre
outras aplicações.
Filtro ativo
É projetado utilizando-se componentes ativos, como amplificador operacional e transistor.
Os componentes ativos são especificamente aqueles dispositivos que precisam de fontes de alimentação
externas para funcionar. Em geral, são semicondutores que precisam de energia para operar de forma
adequada.
Observe um amplificador operacional:
Imagem de um amplificador operacional.
Os filtros ativos são usados em combinação com resistores e capacitor (elementos passivos) para operar de
maneira específica. Eles são capazes de fornecer um ganho de potência. No entanto, sua montagem pode ser
considerada complexa em comparação com filtros passivos.
Veja o diagrama de um filtro ativo:
Diagrama de um filtro ativo baseado em amplificador operacional.
Como os filtros ativos usam componentes ativos, eles precisam de uma fonte de alimentação externa para
operar. O sinal na saída do circuito já é filtrado e pode sair amplificado, não requerendo nova etapa de
amplificação.
Cabe destacar que o ganho desse circuito pode ser modificado, variando-se determinado parâmetro do
circuito durante a sua operação.
Atenção
Os circuitos do tipo amplificadores operacionais possuem impedância de entrada muito alta e
impedância de saída muito baixa. Portanto, o filtro ativo não tem problema de efeito de carregamento em
sua origem e na carga (o efeito de carregamento consiste na variação da tensão em um ponto do circuito
provocada, por exemplo, pela conexão de um equipamento). Além disso, variar a carga não afeta o
desempenho do filtro porque, devido à elevada impedância, a carga é isolada da fonte. 
A desvantagem de um filtro ativo é a necessidade de uma fonte externa. O desempenho do filtro depende da
integridade da fonte externa. Os componentes ativos usados em filtros ativos têm largura de banda limitada
(faixa de frequência limitada). Portanto, eles não são adequados para filtrar sinais de alta frequência. Eles
também são mais suscetíveis a danos causados por grandes correntes.
Filtro passivo
Ele utiliza apenas componentes passivos, como resistores, capacitores e indutores, em seu princípio de
funcionamento. Exemplos de elementos indutivos passivos são:
Resistor.
Capacitor.
Indutor.
O design do filtro passivo é muito simples e muito barato quando comparado com os filtros ativos. Não
necessita de uma fonte de alimentação externa para operar e, por isso, não fornece ganho de potência. Dessa
maneira, após a filtragem do sinal, uma etapa de amplificação pode ser necessária para tratamento do sinal.
Cabe destacar que a possibilidade de uso de um elemento indutivo (indutor) torna esses circuitos capazes de
suportar altas correntes.
Os componentes passivos podem lidar com frequências muito altas. Como resultado, filtros passivos são
usados para aplicações de alta frequência. Contudo, não são adequados para aplicações de frequências muito
baixas. Nesses casos, o valor da indutância deve ser aumentado, o que requer um indutor mais volumoso e,
consequentemente, um aumento no tamanho e no custo do filtro.
A resistência de carga está diretamente conectada ao circuito (e não isolada como nos filtros ativos) e afeta a
resistência geral do filtro. Portanto, qualquer alteração no resistor de carga afeta suas características
elétricas. As impedâncias de entrada e de saída são limitadas, sendo seu desempenho afetado pelo efeito de
carregamento.
Como os componentes passivos consomem energia do sinal de entrada, o filtro passivonão fornece ganho de
potência e o sinal de saída tem uma magnitude menor que a entrada. Sendo assim, podem requerer
amplificação após a filtragem.
Observe um exemplo de filtro passivo:
Diagrama de um filtro passivo.
Tipos de filtros
Os filtros passivos podem ser divididos da seguinte forma:
Filtro passa-baixa
Remove ou atenua as frequências mais altas em
circuitos como amplificadores de áudio; dá a
resposta de frequência necessária para o
circuito amplificador.
Filtro passa-alta
Remove ou atenua as frequências mais baixas
em amplificadores, especialmente
amplificadores de áudio. Pode ser chamado de
circuito bass cut.
Filtro passa-banda
Permite que apenas uma banda de frequências
passe, enquanto rejeita sinais em todas as
frequências acima e abaixo dessa banda.
Filtro rejeita-banda
Permite a passagem apenas de uma faixa
específica de frequências entre um valor
mínimo e um valor máximo (comportamento
oposto ao do filtro passa-banda).
Seção inversora
A modulação por largura de pulso
Assista ao vídeo e entenda como funciona a modulação PWM, também veja alguns exemplos desse tipo de
modulação.
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A saída do inversor não é uma onda senoidal verdadeira, mas uma aproximação baseada nos princípios da 
modulação por largura de pulso (PWM).
Normalmente, uma tensão contínua permanece constante em algum valor acima ou abaixo de zero. A
modulação de largura de pulso transforma um sinal digital em um sinal analógico, alterando o tempo em que
permanece ligado e desligado.
Veja um exemplo da influência de um sinal PWM em um sinal analógico:
Relação entre um sinal PWM e um sinal analógico.
Nessa imagem, é possível observar que o sinal senoidal produzido depende da largura de cada pulso do sinal
PWM. Quanto mais largo o pulso, mais intenso é o sinal.
O termo ciclo de trabalho (duty cycle) é usado para descrever a porcentagem ou proporção de quanto tempo
ele permanece ligado em comparação com o tempo desligado. Normalmente, os dispositivos que podem
produzir uma saída PWM têm uma taxa de atualização muito alta para garantir que a potência média “pareça”
constante para uma carga.
A modulação PWM é a tecnologia predominante nos inversores. Uma matriz de chaves de ação
rápida na seção do inversor produz pulsos de tensão em uma magnitude constante proporcional à
tensão contínua.
Em um inversor de frequência trifásico, existem seis chaves com um par de chaves para cada fase. Em cada
par de chaves, uma chave gera a componente positiva da onda senoidal e a segunda gera a componente
negativa da onda senoidal a partir da tensão do sinal contínuo.
Quanto mais tempo o interruptor estiver "ligado", maior será a tensão de saída; inversamente, quanto mais
tempo o interruptor estiver "desligado", menor será a tensão de saída.
Essa duração de tempo para cada pulso é chamada de largura de pulso. A duração/ intervalo de tempo desses
pulsos de tensão contínua positivos e negativos determinam a tensão e a frequência de saída do sinal
alternado.
Agora veja um exemplo de sinal senoidal na saída de um inversor:
Sinal senoidal na saída de um inversor de frequência.
A velocidade com que as chaves de um inversor podem ligar e desligar é chamada de frequência portadora.
Quando a frequência da portadora é aumentada, a saída associada pode ter uma resolução muito maior,
resultando em uma forma de onda de saída mais suave com menos ondulação/distorção.
Essa saída mais suave pode melhorar o desempenho do torque do motor em baixa velocidade e diminuir o
ruído audível da laminação do motor. Além disso, a comutação mais rápida tem o potencial de melhorar o
controle de saída do inversor.
Verificando o aprendizado
Questão 1
Os acionamentos de cargas industriais possuem características específicas que tornam necessário o uso de
periféricos capazes de fornecer tensões e corrente de alimentação com características próprias para o melhor
funcionamento das cargas. Os dispositivos capazes de transformar uma tensão/corrente alternada fixa em
tensão/corrente alternada variável são denominados
A
inversores de frequência.
B
retificadores.
C
filtros passa-alta.
D
filtros passa-baixa.
E
SCRs.
A alternativa A está correta.
Os inversores de frequência são equipamentos eletrônicos capazes de transformar tensões e correntes
alternadas fixas em tensões e correntes alternadas variáveis por meio de processos de retificação,
filtragem e inversão, modificando as características dos sinais de alimentação desses dispositivos.
Questão 2
Os inversores de frequência são dispositivos de grande uso nos processos produtivos industriais, sendo
empregados em circuitos de acionamento diversificados. São formados, basicamente, por seções que
permitem o tratamento do sinal de alimentação (tensão e corrente) para garantir uma frequência ou potência
específica. A seção que permite a conversão do sinal alternado em contínuo é denominada
A
filtro passa-baixa.
B
retificadora.
C
inversor.
D
filtro passa-lata.
E
filtro passa-baixa.
A alternativa B está correta.
A seção do retificador é responsável pela transformação do sinal alternado em contínuo por meio de
circuitos de chaveamento em ponte, acionados de acordo com a necessidade de frequência ou potência da
carga.
3. Principais tipos e aplicações dos inversores de frequência
Visão geral dos inversores de frequência
Assista ao vídeo e compreenda como se dá a redução no consumo energético utilizando inversores de
frequência.
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Classificação dos inversores de frequência
Assista ao vídeo e compreenda o que são inversores de frequência, com controle escalar e controle vetorial.
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As cargas que utilizam a modulação PWM em sua partida possuem diferentes níveis de desempenho
baseados em estratégias de controle e topologias empregadas. Os tipos básicos de controle desenvolvido
pelos inversores são:
Controle escalar
Fornece uma frequência variável para as cargas, permitindo o controle de velocidade e de torque de
maneira simples.
Controle vetorial
Fornece uma regulação de velocidade melhor que a do controle escalar. Assim, esse tipo de controle
possui a capacidade de produzir um torque de partida elevado.
Controle de fluxo vetorial
Apresenta um controle mais preciso do torque e da velocidade com resposta dinâmica.
Controle orientado
Possibilita a manutenção da velocidade e do torque disponíveis ao motor em corrente alternada. Essa
manutenção das características do motor possibilita que um motor em corrente alternada apresente
uma característica bastante parecida com a dos motores de corrente contínua.
Inversor com controle escalar
O inversor que emprega o controle escalar também é denominado volts/hertz. Nesse tipo de controle, o
inversor impõe ao motor uma relação constante entre a tensão de alimentação e a frequência de rotação.
Assim, esse controle realizado pelo inversor tem como propósito manter essa relação entre tensão e
frequência constante (Velocidade/frequência = constante), fazendo com que o motor trabalhe com um fluxo
constante.
É importante destacar que a aplicação desse tipo de controle é recomendada quando não são necessárias
variações bruscas (rápidas) no torque ou na velocidade.
Observe agora a relação entre a tensão do motor e sua frequência quando um controle escalar é imposto ao
motor:
Relação entre a tensão e a frequência de um motor com controle escalar.
É possível observar que a relação entre a tensão e a frequência permanece constante:
Essa relação se mantém estável até que a tensão nominal do motor (tensão operacional) seja atingida. Após
esse valor, a tensão para de aumentar mesmo com o aumento da frequência. Tal característica é fundamental
para evitar que os enrolamentos do motor se danifiquem.
O controle escalar é recomendado para sistemas que exigem controle da velocidade do motor, mas sem a
necessidade de controle do torque desenvolvidopela carga.
Cabe destacar que essa implementação é mais simples que o controle vetorial, exigindo apenas que as cargas
utilizadas possuam características normais e sem a necessidade de um sistema de realimentação.
Para o controle escalar seguindo a relação tensão/frequência, é utilizada a referência de velocidade através de
uma fonte externa. 
Agora, observe um diagrama em blocos que representa a troca de informações dentro desse tipo de controle:
Diagrama em blocos do sistema de controle escalar.
É possível observar que também é realizado o monitoramento da corrente aplicada sobre os enrolamentos do
motor. Essa realimentação é importante porque torna possível alterar as características de funcionamento do
motor, caso o limite de corrente seja ultrapassado.
Sendo assim, o monitoramento da corrente é feito para preservar a integridade do motor e não para controle
da carga, restringindo-se às seguintes tarefas:
Proteger o motor de sobrecargas de corrente.
Proteger os circuitos envolvidos no acionamento da carga.
Estabelecer o limite de operação do sistema, reduzindo a frequência do motor caso valores de corrente
acima do limite estabelecido sejam colocados nos enrolamentos.
O bloco tensão/frequência realiza a conversão entre a corrente da referência na relação necessária,
tornando possível manter a razão sob controle.
Por fim, pode-se incorporar um bloco de compensação de escorregamento. Esse bloco tem por propósito
ajustar os parâmetros de funcionamento do motor caso ocorram mudanças na carga, melhorando o controle
de velocidade. Essa estratégia de controle não é recomendada em aplicações nas quais:
São necessárias elevadas performances da carga.
A velocidade é muito baixa.
Há controle direto do torque e da frequência do motor.
Inversor com controle vetorial
O controle vetorial tornou-se possível com o desenvolvimento da eletrônica industrial de potência e dos
dispositivos semicondutores. Essa estratégia de controle é indicada para casos em que:
Uma alta performance é necessária.
A dinâmica da carga precisa ser considerada.
Deve haver alta precisão na regulação da velocidade.
Um inversor de frequência controlado por vetor não controla um motor CA usando uma relação tensão/
frequência, mas variando a frequência e a tensão de entrada do motor.
Uma vantagem desse método é o controle de torque ideal. Os inversores de frequência controlados por
vetores também oferecem outras vantagens:
Motores trifásicos são capazes de fazer partidas diretas em alta velocidade.
Ajustes de velocidade podem ser controlados mais de perto.
Nos motores de indução em corrente alternada, a corrente de produção do campo magnético girante e a
corrente efetivamente transferida para o torque do rotor (capaz de promover a rotação do eixo) são internas
ao motor e não podem ser medidas externamente nem controladas separadamente. Contudo, a soma vetorial
das duas promove a corrente no estator, que pode ser mensurada.
Dessa forma, é realizado um cálculo da corrente necessária para a produção do torque exigido pela máquina
e, a partir dessa informação, é calculada a corrente do estator e a corrente do campo magnético.
Daí a denominação de controle vetorial, tendo em vista que a corrente que circula no estator do motor de
indução pode ser dividida em dois componentes: corrente do fluxo e corrente do torque.
Por essa razão, o controle vetorial do motor é mais difícil que o controle em corrente contínua. A estratégia do
controle vetorial é calcular a corrente de cada vetor e permitir seu controle, com o objetivo de manter o fluxo
de corrente no motor constante.
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Atenção
Quando o motor opera sem carga, a corrente toda é aplicada no estator, sendo necessária somente para
compensar perdas por atrito e ventilação, sem necessidade de compensação das variações de carga
(inexistente). 
Existem vantagens e desvantagens no uso de inversores de frequência com controle vetorial em comparação
ao acionamento de motores de corrente contínua. Veja:
Emprego do controle vetorial é mais complexo e mais caro.
Uso de um encoder para monitorar a velocidade do eixo do motor.
Utilização de frenagem regenerativa é mais difícil em sistemas com inversores de frequência do que em
motores de corrente contínua.
Diagrama em blocos do sistema de controle vetorial.
Aplicações dos inversores de frequência
Assista ao vídeo e entenda sobre controle de um sistema de ventilação com acionamento direto, com
acionamento com inversor e sobre distribuição de carga.
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Os inversores de frequência são amplamente utilizados no acionamento de cargas elétricas ou
eletromecânicas. Entre as vantagens incorporadas pelos inversores ao acionamento de cargas, podemos
destacar redução no consumo energético, controle de torque, controle de velocidade, entre outras.
Controle de um sistema de ventilação
Considere um sistema de ventilação industrial. Um ventilador consiste em um sistema eletromecânico em que
um motor é responsável por promover a rotação de um eixo conectado a uma hélice. Sendo assim, de maneira
similar ao que ocorre com os motores elétricos, o uso de inversores de frequência em sistemas de ventilação
pode apresentar vantagens como:
 
Proteção contra sobrecarga de corrente (e, consequentemente, superaquecimento) do inversor e do
motor.
Ajuste automático de velocidade.
Possibilidade de controle em malha fechada (com realimentação).
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Desenvolvimento de lógicas de acionamento que incorporem comandos como parada de emergência,
acionamento forçado etc.
Economia de energia.
A visualização dessas vantagens pode ser mais fácil com uma comparação entre os circuitos de acionamento
direto e os circuitos com inversores.
Acionamento direto
Em um circuito de acionamento direto, a carga (nesse caso o ventilador) é conectada diretamente na rede
elétrica por meio de um comando manual. Nesse caso, a partida do motor já ocorrerá em sua velocidade
nominal, ou seja, a energização por meio do acionamento manual levará a carga a seu funcionamento com
velocidade máxima.
A regulagem (redução) na velocidade só pode ser realizada por meio de dispositivos de consumo de energia,
ou seja, periféricos que possam ser ligados entre a fonte e o ventilador de maneira a consumir parte da
energia a ser entregue pela fonte.
Essa restrição é caracterizada como uma perda de carga, tendo em vista que não houve redução do consumo
da fonte, mas apenas uso de um dispositivo adicional para consumir aquela energia excedente.
Um exemplo bastante comum consiste na utilização de dispositivos denominados dampers, veja:
Diagrama da ligação direta de um ventilador com damper de saída.
Os dampers de exaustão são basicamente dispositivos mecânicos que podem ser utilizados para restringir a
passagem do ar. Dessa maneira, é possível limitar a quantidade de ar na saída ou na entrada dos ventiladores.
Contudo, vale destacar que o uso de um damper ou de uma válvula de regulagem não implica redução do
consumo energético. Na prática, ocorre apenas o descarte de parte do trabalho produzido (joga-se fora ou
bloqueia-se parte do ar impulsionado pelo ventilador).
Acionamento com inversor
No acionamento de um ventilador com inversor, os controles de velocidade, frequência, torque, consumo
energético etc. podem ser realizados pelo inversor de frequência. Dessa maneira, é possível remover o
damper ou a válvula de regulagem e considerar que o próprio inversor será responsável por realizar essa
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função. Nesse caso, existe efetivamente uma redução no consumo de energia, tendo em vista que o trabalho
gerado não será desperdiçado.
Veja agora uma ilustração da ligação de um ventilador com um inversor de frequência:
Diagrama da ligação de um ventilador por meio de um inversor de frequência.
Distribuição de carga
No uso de gruas giratórias, os motores são mecanicamente acoplados e precisam trabalhar com a mesma
velocidade, para que possam realizar umadivisão adequada de cargas.
Assim, cada motor deve ser controlado individualmente por um inversor, para melhorar a distribuição da carga
entre os motores e possibilitar seu funcionamento de maneira conjugada.
Com os dois motores sendo operados por inversores, o uso de blocos de compensação de escorregamento
permite essa operação de forma síncrona, proporcionando uma variação da velocidade baseada na
informação do conjugado, com o mesmo efeito de escorregamento para ambos. 
Veja um exemplo de distribuição de cargas:
Diagrama da ligação de uma grua giratória com dois motores.
Verificando o aprendizado
Questão 1
Os inversores de frequência podem ser classificados em tipos básicos de acordo com seu princípio de
funcionamento e a relação entre a carga e a fonte de alimentação. O tipo de controle que estabelece uma
relação constante entre a tensão de alimentação e a frequência do sinal de saída é denominado
A
controle vetorial.
B
controle de fluxo vetorial.
C
controle de campo orientado.
D
controle escalar.
E
controle vetorial escalar.
A alternativa D está correta.
O controle escalar é responsável por fornecer uma frequência variável para a carga proporcional ao sinal de
alimentação, mantendo uma relação constante entre as duas variáveis.
Questão 2
Os inversores de frequência possuem diversas aplicações industriais, por exemplo, no controle do sistema de
ventilação de um processo industrial. Entre as vantagens, podemos citar a remoção dos dampers, tendo em
vista que os inversores de frequência permitem
A
o controle da velocidade e da frequência dos motores dos ventiladores.
B
ligar e desligar os motores manualmente.
C
variar a velocidade, mas não a frequência dos motores.
D
variar a frequência, mas não a velocidade dos motores.
E
conectar e desconectar os dampers quando necessário.
A alternativa A está correta.
A utilização dos inversores permite modificar a frequência e a velocidade dos motores de acordo com as
especificações dos sistemas industriais, modificando sua frequência e velocidade quando necessário.
4. Conclusão
Considerações finais
Discutimos os conceitos referentes aos circuitos eletrônicos de potência e inversores de frequência
empregados nos processos industriais. Vimos os circuitos eletrônicos de potência e seus dispositivos mais
comuns. Foram apresentados os diodos de potência e DIACs, que não necessitam de disparos, e os TRIACs e
SCRs, que, além das condições de polarização, necessitam de disparos nos gatilhos. Modos de disparo,
bloqueio e parâmetros importantes a ser considerados no uso desses dispositivos foram cuidadosamente
discutidos.
Apresentamos os conceitos básicos dos inversores de frequência, incluindo seu funcionamento e as partes
que compõem os inversores de frequência convencionais. Foram discutidas as etapas de retificação
responsáveis pela conversão do sinal alternado em contínuo pulsante; a filtragem (incluindo-se os filtros ativos
e passivos) responsável pela redução dos efeitos oscilantes remanescentes da etapa de retificação (ripple); e
a etapa de inversão, que transforma o sinal contínuo em sinal alternado por meio de técnicas de modulação e
chaveamento.
Apresentamos as classificações dos inversores com especial atenção aos inversores escalares, que permitem
uma relação constante entre a frequência e a tensão fornecidos a carga e os inversores vetoriais que
permitem um controle dinâmico da alimentação fornecida para a carga. Também foram discutidos casos de
aplicação, como o controle de um sistema de ventilação e um sistema de controle e distribuição de carga do
tipo grua conjugada com bloco de escorregamento de carga.
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Para encerrar, ouça algumas respostas a dúvidas sobre automatização com comandos elétricos.
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Os filtros ativos apresentam diversas aplicações nos circuitos eletrônicos e sistemas industriais. Em seu
funcionamento são empregados dispositivos como os amplificadores operacionais que, além de permitirem o
desenvolvimento de filtros ativos, podem ser empregados em circuitos amplificadores, diferenciadores e
integradores. Para conhecer mais sobre os amplificadores operacionais, consulte as obras Acionamentos
elétricos, de Claiton Moro Franchi, e Comandos elétricos de sistemas pneumáticos e hidráulicos (Automação),
de Ilo da Silva Moreira.
Referências
ALVES, R. N. C. Análise e implementação de técnicas de modulação em largura de pulso para uso em
inversores trifásicos. 1998. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica) – Universidade Federal da Paraíba,
Campina Grande, 1998.
 
BRAGA, N. C. Semicondutores de potência. São Paulo: Newton C. Braga, 2014.
 
FRANCHI, C. M. Inversores de frequência: teoria e aplicações. Rio de Janeiro: Saraiva Educação SA, 2009.
 
GERMANOS, R. A. C et al. Inversores de potência: conceitos teóricos e demonstração experimental. Revista
Brasileira de Ensino de Física, v. 42, 2020.
 
HART, D. W. Eletrônica de potência: análise e projetos de circuitos. São Paulo: McGraw Hill Brasil, 2016.
 
RASHID, M. H. Eletrônica de potência: dispositivos, circuitos e aplicações. São Paulo: Pearson Universidades,
2014. p. 48.
 
SILVEIRA, S. A. da. A noção de modulação e os sistemas algorítmicos. Paulus: Revista de Comunicação da
FAPCOM, v. 3, n. 6, 2019.
	Automatização com comandos eletrônicos
	1. Itens iniciais
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