Acionamentos Elétricos - Inversores Parte 2

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Prof: Alvaro de Medeiros Maciel 
Serão abordados os seguintes aspectos dos inversores 
– Classificação e características dos inversores 
 Controle Escalar 
 Características do controle escalar 
 Considerações finais sobre o controle escalar 
 Controle vetorial 
 Princípios do controle vetorial 
 Características do controle vetorial 
 Controle vetorial em malha aberta (sensorless) 
 Controle vetorial em malha fechada 
Serão abordados os seguintes aspectos dos inversores 
– Descrição dos parâmetros 
 Sistemas de entrada e saída de dados 
 Formas de variação de velocidade em um inversor de 
frequência 
 Acionamento pela IHM 
 Acionamento pelas entradas digitais 
 Acionamento pela função multivelocidades 
(multispeed) 
 Acionamento por potenciômetro eletrônico 
 Acionamento pelas entradas analógicas 
 
Serão abordados os seguintes aspectos dos inversores 
– Descrição dos parâmetros 
 Conexões de entrada e saída do inversor de frequência 
 Diagramas de ligação típicos de um inversor de 
frequência 
 Transferência de configuração pela IHM 
 Os inversores de frequência e a economia de energia 
 Funções parametrizáveis do inversor de frequência 
 Tipos de rampa de aceleração e desaceleração 
Serão abordados os seguintes aspectos dos inversores 
– Descrição dos parâmetros 
 Controle de sobrecarga do motor 
 Limitação de corrente máxima de saída 
 Escolha da frequência de chaveamento 
 Frequências evitadas 
 Rampas de desaceleração 
 Frenagem 
 Frenagem por injeção de corrente contínua 
 Frenagem com dissipação de calor resistiva 
 Frenagem regenerativa 
 Boost de torque manual 
 Ajuste da curva V/F 
 Ciclo automático 
Introdução 
 Controle escalar 
 Controle vetorial 
 Controle de fluxo vetorial  Sistemas avançados de 
maior precisão do torque e velocidade com resposta 
dinâmica 
 Controle orientado pelo campo  Permite as mesmas 
funcionalidades em termos de controle de posição, 
velocidade e torque que as máquinas CC 
 
 
 
 
 C = Conjugado; 
 k1, k2 constantes que dependem do projeto e dos 
materiais do motor; 
 𝐼𝑟 corrente do rotor; 
 𝑓𝑒 frequência da rede; 
 𝛗𝑚 fluxo de magnetização da máquina. 
 
 
 
𝐶 = 𝑘1𝛗𝑚𝐼𝑟 𝛗𝑚 = 𝑘2
𝑉𝑒
𝑓𝑒
 
Controle Escalar 
Controle escalar 
Controle escalar – Características do controle 
escalar 
 
Considerações finais sobre o controle 
escalar 
 Apresenta um custo menor 
 É utilizado em aplicações nas quais não é necessário o 
controle preciso de torque; 
 Extremamente indicado para aplicações onde a 
dinâmica do processo não precisa ser plenamente 
conhecida; 
 Possui precisão de 3% a 5% da rotação nominal em 
sistemas com variação de carga. Em sistemas sem 
variação de carga, a precisão é de aproximadamente 
1%; 
 Controle em malha aberta. 
Controle vetorial – princípios do 
controle vetorial 
Controle vetorial – princípios do 
controle vetorial 
Controle vetorial – princípios do 
controle vetorial 
Lembrando que 
𝑋𝑚 = 𝑗𝜔𝐿𝑚 = 𝑗 2𝜋𝑓𝑒 𝐿𝑚 
E que 
𝐼𝑚 =
𝑉𝑒
𝑗 2𝜋𝑓𝑒 𝐿𝑚
 
Do mesmo modo, temos 
𝐼2 =
𝑠𝑉𝑒
𝑅2
 
 
Controle vetorial – princípios do 
controle vetorial 
Controle vetorial – princípios do 
controle vetorial 
 É necessário conhecer 
 Resistências do rotor e do estator; 
 Indutâncias de dispersão do rotor e do estator; 
 Indutância de magnetização; 
 Curva de saturação (em alguns casos específicos e 
dependente do fabricante). 
Controle vetorial – princípios do 
controle vetorial 
A parte principal de um controle vetorial é o 
conhecimento do modelo do motor, o qual é 
continuamente caracterizado através dos seguintes 
procedimentos: 
  Cálculo, em tempo real, da corrente de produção de torque; 
 Armazenamento das constantes do motor na memória; 
 Medição da corrente do estator e da tensão de fase; 
 Medição da velocidade (através de um enconder) ou por meio de uma estimativa. 
 Calcula em tempo real a corrente de produção de fluxo; 
 Implementa uma malha de controle de velocidade, comparando a 
velocidade real com a referência cuja atuação é sobre o controle do 
torque; 
 Implementa uma malha de controle pela comparação do torque atual, 
calculado à partir da medição da corrente e da velocidade para a 
produção da tensão de referência que gera os pulsos de disparo para o 
conversor. 
Controle vetorial – princípios do 
controle vetorial 
 Pelo grande volume de cálculos e de processamentos 
efetuados no controle vetorial, os inversores com essa 
característica necessitam de blocos de processamento 
consideráveis tais como um DSP; 
 Alguns fabricantes oferecem modelos de motores 
próprios, todos correlacionados a padrões de 
fabricação; 
 Outros inversores possuem recursos de autoajustes, 
para inferir as grandezas que modelam os motores 
controlados. 
Características do controle vetorial – Controle 
vetorial em malha aberta (sensorless) 
Características do controle vetorial – Controle 
vetorial em malha aberta (sensorless) 
 Regulação de velocidade boa: 0,5% 
 Regulação de torque: não existe (malha aberta) 
 Torque de partida: 250% (coloque quase qualquer carga em 
movimento, desde que o conjugado motor seja maior que o 
conjugado resistente); 
 Torque máximo (não aplicado de forma contínua): 250%; 
 O inversor conhece os parâmetros da máquina pelo 
autoajuste ou dados dos fabricantes; 
 Possui melhor desempenho se comparado ao controle 
escalar, principalmente em baixas velocidades. 
Características do controle vetorial – 
Controle vetorial em malha fechada 
Características do controle vetorial – 
Controle vetorial em malha fechada 
 As realimentações são implementadas por sensores de corrente e de posição 
(encoders); 
 O controle é feito pelo efetivo desacoplamento da corrente do estator nas suas 
duas componentes, a corrente de magnetização e a corrente rotóricaca (para 
produção de torque); 
 A malha de controle de velocidade controla a frequência de saída (a qual é 
proporcional à velocidade), ou o nível das tensões de polo de referência; 
 A malha de torque controla a corrente de entrada do motor, que é proporcional 
ao torque; 
 O sinal da diferença entre a velocidade desejada e atual torna-se o valor de 
referência para o controlador. Esse sinal é comparado com o valor de corrente 
do motor e determina se o motor necessita ser acelerado ou desacelerado; 
 Existe uma malha de controle separada para o fluxo de corrente (que é o 
regulador V/F); 
 A composição dos sinais de controle é enviado para o bloco PWM, o qual irá 
gerar os pulsos de disparo e bloqueio dos IGBTs, de forma que a tensão e a 
frequência desejadas sejam geradas para a saída do conversor CC/CA. 
Características do controle vetorial – Controle 
vetorial em malha fechada (vantagens) 
 Elevada precisão de regulação de velocidade: 0,01% a 
0,08%; 
 Ótima performance dinâmica, incluindo variações de 
carga; 
 Controle de torque linear para aplicações de posição ou de 
tração; 
 Operação suave em baixa velocidade, sem oscilações de 
torque, mesmo diante da variação da carga; 
 Regulação de torque: 5% 
 Torque de partida: até 400% 
 Torque máximo (não aplicado continuamente): 400% 
Descrição dos parâmetros 
Parâmetros de leitura (tensão, corrente) 
Parâmetros de regulação (tensão inicial, rampas) 
Parâmetros de configuração (relés de saída e entradas) 
Parâmetros do motor (características nominais do motor) 
Descrição dos parâmetros – sistemas de 
entrada e saída de dados 
 IHM; 
 Entradas e saídas analógicas; 
 Entradas e saídas digitais; 
Interface de comunicação serial (RS 232 e RS 485, CLP, 
redes). 
Formas de variação de velocidade 
em um inversor de frequência - IHM 
Formas de variação de velocidade em um 
inversor de frequência - IHM 
Formas de variação de velocidade em um 
inversor de frequência - IHM 
É preciso colocar o inversor em modo local, e pelo 
teclado incrementar e decrementar a velocidade do 
motor localmente, bem como inverter o sentido de giro 
do motor. 
Formas de variação de velocidade em um inversor de 
frequência – Acionamento pelas entradas digitais 
Esse tipo de acionamento é bastante implementado na 
indústria porque ele possibilita o acionamento remoto, 
desde que o inversor esteja configurado para tal. 
Formas de variação de velocidade em um inversor de 
frequência – Acionamento pela função multivelocidades 
(multispeed) 
 Possibilita configurar um conjunto de velocidades para 
o acionamento do motor; 
 Muito utilizado em processos cuja velocidade depende 
de circunstâncias especiais (como indústrias químicas, 
onde mistura de componentes são executadas); 
 Dependendo do inversor mais de 5 possibilidades de 
velocidades são disponibilizadas 
Formas de variação de velocidade em um inversor de 
frequência – Acionamento pela função multivelocidades 
(multispeed) 
 
Formas de variação de velocidade em um 
inversor de frequência – Acionamento por 
potenciômetro eletrônico 
 Acionamento realizado quando não é necessário 
utilizar as entradas analógicas; 
 Muito utilizado em situações nas quais o inversor é 
controlado através de botoeiras externas conectadas 
nas entradas digitais em um painel local. 
Formas de variação de velocidade em um 
inversor de frequência – Acionamento por meio 
das entradas analógicas 
 São utilizadas quando um ajuste fino de velocidade é 
necessário (por exemplo em processos com ventilação); 
 Esse acionamento pode ser feito por meio de sinais de 
tensão ou de corrente, em duas formas: 
 Potenciômetro: Um potenciômetro como é conectado como 
divisor de tensão fornecendo uma fração de tensão que 
corresponde à velocidade desejada; 
 Pela fonte de tensão ou correntes externas: Bastante utilizado 
quando é necessário que o inversor seja controlado 
remotamente, os CLPs podem ser utilizados para isso. 
Conexões de entrada e saída de um 
inversor de frequência 
 
Diagramas de ligação típicos de um 
inversor de frequência 
 
Diagramas de ligação típicos de um 
inversor de frequência 
 
Diagramas de ligação típicos de um 
inversor de frequência 
 
Transferência de configuração pela 
IHM 
 Idêntica à função copiar e colar dos soft-starters, onde 
o operador salva na memória interna da IHM as 
parametrizações do inversor para que os dados sejam 
colados em um outro inversor. 
Os inversores de frequência e a 
economia de energia 
 Uso dos sensores e transdutores próprios do inversor; 
 Desempenho em malha fechada; 
 Acionamentos sucessivos e programados de forma 
suave e com mínima distorção; 
 Baixos valores de corrente em todo o ciclo de operação, 
se o usuário assim desejar. 
Funções parametrizáveis em um inversor de 
frequência – rampa de aceleração 
 
Funções parametrizáveis em um inversor de 
frequência – controle de sobrecarga do motor 
 
Funções parametrizáveis em um inversor de frequência – 
limitação da corrente máxima de saída 
 
Funções parametrizáveis em um inversor de 
frequência – escolha da frequência de 
chaveamento 
 Compromisso entre o ruído acústico do motor e as 
perdas dos IGBTs; 
 A redução da frequência de chaveamento colabora com 
a redução de instabilidades e ressonância com a rede, 
além de reduzir a interferência eletromagnética na 
rede; 
 
Funções parametrizáveis em um inversor de 
frequência – frequências evitadas 
 Dependendo da aplicação, o inversor pode operar em 
frequências que coincidem com as frequências de 
ressonância mecânicas do processo. Isso eleva o nível 
de vibração e, portanto, deve ser evitado. 
Funções parametrizáveis em um inversor de 
frequência – frequências evitadas 
 
Funções parametrizáveis em um inversor de 
frequência – rampas de desaceleração 
 A frequência das tensões do estator são diminuídas até 
zero, conforme tempo de desaceleração especificada 
pelo usuário. Esse tipo de recurso é empregado quando 
os requisitos de parada não são muito rígidos, é a 
forma mais comumente empregada nos inversores. 
Tipos de frenagens 
 Frenagem por injeção de corrente CC; 
 Frenagem resistiva (ou reostática); 
 Frenagem regenerativa. 
Tipos de frenagens – justificativas 
em termos de carga 
 As formas de frenagens são utilizadas para que o motor 
pare no menor tempo possível; 
 Os inversores proporcionaram implementar os processos 
de frenagens elétricas; 
 Se a frenagem elétrica for comparada com os antigos 
processos de frenagem mecânica muitas vantagens podem 
ser rapidamente elencadas, são elas: 
 Redução dos elementos responsáveis pela frenagem; 
 A velocidade pode ser controlada de uma forma muito mais 
precisa durante o processo de frenagem; 
 Existe a possibilidade da energia dissipada durante o processo 
de frenagem poder ser redirecionada para a rede de 
alimentação. 
 
Frenagem por injeção de corrente 
contínua 
Frenagem por injeção de corrente 
contínua 
 A frenagem CC efetua uma parada rápida; 
 A corrente na frenagem CC, proporcional ao torque de frenagem, pode 
ser ajustada em um valor percentual da corrente nominal do inversor; 
 Reparar que duas fases do motor são alimentadas por corrente CC, isso 
produzirá um campo magnético estacionário no motor; 
 No inversor a sequência de controle das chaves é modificada de forma a 
desligar duas chaves contíguas (um braço do inversor, ver figura do 
slide anterior), as outras duas fases são controladas de modo a garantir 
que o inversor forneça ao motor sinais de corrente contínua; 
 Quando as barras do rotor em gaiola de esquilo cortam o campo 
magnético gerado pela injeção das correntes CC, uma corrente será 
desenvolvida no rotor com amplitude e frequência proporcional à 
velocidade, o que resulta em um torque de frenagem proporcional à 
própria velocidade do eixo do motor. Isso permite uma parada muito 
rápida do motor. 
Frenagem resistiva (ou reostática) 
 Quando um motor está funcionando em regime permanente, o fluxo de 
potência é da rede elétrica para a carga. Nesse caso a carga está na ponta do eixo 
do motor (carga mecânica). As cargas reais possuem uma inércia associada; 
 Na parada da carga, o inversor vai alimentar o estator do motor com uma tensão 
de amplitude e frequência menor e, devido à inércia da carga, o campo 
eletromagnético no interior do motor vai, consequentemente, girar com uma 
velocidade menor; 
 Nessa situação, as tensões induzidas pela reação do motor são maiores que as 
tensões que estão sendo conectadas aos terminais do estator. Isso proporciona 
uma inversão do sentido da corrente do motor, fazendo com que o mesmo 
comece a trabalhar como gerador. Uma parte dessa energia é dissipada no 
próprio motor (em suas resistências internas) e no inversor (notadamente nos 
IGBTs). Os IGBTs possuem diodos, o que implica que uma parte dessa reversão 
do fluxo seja retificada pelos diodos das chaves IGBTs, fazendo com que um 
fluxo adicional de potência acabe sendo direcionada para o barramento CC. 
Esse fluxo adicional invertido faz com que a tensão nos terminais dos 
capacitores do barramento CC suba bastante. Uma solução é conectar um 
resistor em série com o capacitor do barramento CC, fazendo com que a energia 
adicional da frenagem seja dissipada nessa resistência. 
Frenagem regenerativa 
 A frenagem regenerativapermite injetar potência de 
volta à rede; 
 Esse processo é feito em sistemas que substituem os 
retificadores de entrada não controlados a diodos por 
retificadores totalmente controlados; 
 O retificador totalmente controlado coleta a energia 
oriunda da frenagem e a injeta na rede de alimentação.