Inversores de frequência

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Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Mato Grosso
Talya Cristina Vasconcelos
Inversores de Frequência
 Definição, Funcionamento e Aplicações
Primavera do Leste - MT
2018
Sumário
3INVERSORES DE FREQUÊNCIA	�
3FUNCIONAMENTO	�
4BLOCOS DE COMPONENTES	�
8APLICAÇÕES DE INVERSORES DE FREQUÊNCIA	�
8CONTROLE DE VELOCIDADE	�
8SISTEMAS DE BOMBEAMENTO	�
9VENTILAÇÃO	�
10BIBLIOGRAFIA	�
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INVERSORES DE FREQUÊNCIA 
Os inversores de frequência, são dispositivos eletrônicos que convertem a tensão da rede alternada senoidal, para contínua e novamente para CA, mas com amplitude e frequência variáveis (Segundo; Rodrigues, 2015, p. 45).
Como Franchi (2009) explica, esses dispositivos podem variar a velocidade em motores CC e CA. Nos motores CC têm sido utilizados um conversor CA/CC onde um circuito retificador transforma a fonte de corrente alternada trifásica para CC, como mostra a Figura I.
Figura I – Configuração de um dispositivo de variação de velocidade que utiliza motor de corrente contínua:
Fonte: Franchi (2009)
Porém o custo do motor e a necessidade da conversão da tensão eram problemas que haviam de ser enfrentadas, tornando assim, o avanço da eletrônica de Potência um propulsor para o aumento da produção e diminuição dos custos, passando a ser utilizado dispositivos que foram desenvolvidos para a variação de velocidade, em nível industrial os inversores de frequência e os controladores lógicos programáveis (CLP) estão como sendo os mais utilizados. Podendo haver a substituição dos motores CC por motores de indução, levando em conta que os inversores de frequência se tornaram mais dinâmicos e versáteis.
Já os motores CA possuem diversas vantagens em comparação ao CC, podendo citar o custo reduzido (manutenção e equipamento), melhor rendimento, possibilidade de integração por redes industriais de comunicação e a utilização de chaves de parida convencionais ensinadas em sala de aula como (direta, estrela-triângulo, compensadora) e as demais como soft-start, inversores de frequência.
FUNCIONAMENTO 
O inversor de frequência é ligado à rede, podendo ser monofásica ou trifásica, em sua saída um motor, comportando-se como carga que necessita de uma frequência variável. Devido a isso o inversor tem como primeira etapa um circuito retificador, responsável em transformar a tensão alternada em contínua, a segunda etapa, composta de um banco de capacitores eletrolíticos e circuitos de filtragem de alta frequência e finalmente o último estágio composto de transistores IGBTs, capazes de realizar a operação inversa do retificador, ou melhor, transformar a tensão CC para CA com a frequência desejada pela carga (Segundo; Rodrigues, 2015, p. 48), a Figura II mostra analogicamente tudo explicado a cima.
Figura II - Diagrama detalhado das etapas do inversor de frequência:
Fonte: Franchi (2009)
BLOCOS DE COMPONENTES
De acordo com Franchi (2013) os inversores de frequência são compostos por blocos de componentes, e está representado na Figura III ao lado, suas especificações são as seguintes:
- Unidade Central de Processamento (CPU): Tem a função de armazenar as informações e executar a função vital para o funcionamento do inversor, gerando pulsos e disparos por meio de uma lógica de controle coerente, para os IGBTs (Transistores bipolares de porta isolada, do inglês Insulated Gate Bipolar Transistor), para tanto conta com um microprocessador ou um microcontrolador. 
 - Interface Homem Máquina (IMH): Por meio deste, é possível se controlar diferentes grandezas do motor como corrente, sentido de giro, status de alarme, velocidade, frequência, tensão entre outros, e tudo visualizado no visor (display), sendo estes testados no laboratório durante a aula e é representado pela Figura IV. 
- Interfaces: A maioria dos inversores podem ser comandados por sinal analógico ou digital, usa-se a analógica para controlar a velocidade de rotação de um motor CA.
- Sistema de Controle: O sistema de controle pode ser dividido em sistemas de: controle de inversor, leitura de velocidade do motor, leitura de corrente e interfaces que incluem ajustes de parâmetros, entradas digitais e analógicas para receber sinais de controle (partida ou parada), saídas digitais e analógicas para enviar informações de falhas ou até mesmo funcionamento. 
- Bloco inversor: Responsáveis pela inversão da tensão contínua proveniente do link CC num sinal alterado para uma tensão e frequência diferentes os transistores IGBTs.
- Controle de Chaveamento: Para simplificar vamos utilizar a Figura V que mostra o diagrama esquemático do circuito.
Figura V - Diagrama esquemático de um inversor de frequência:
Fonte: Franchi (2009)
Aos terminais de saída pelos tiristores T1 e T6 é conectada uma tensão continua a eles, servindo como uma chave estática no caso de saturação. O controle desses circuitos é feito pelo circuito de comando, com o objetivo de alcançar um sistema de tensão alternada em que frequências que estejam defasadas em 120°, e estas devem ser escolhidas de maneira que permitam que a tensão seja proporcional à frequência para que o fluxo e torque sejam constantes. Como citado anteriormente os transistores de potência é o elemento responsável pela geração de pulsos, essa técnica é confiável, e atua sobre a taxa de variação do chaveamento das bases dos IGBTs, controlando a frequência do sinal trifásico gerado. Como o modulador recebe um sinal de corrente contínua, a frequência e a tensão de saída do modulador para o motor não dependem da rede de alimentação do conversor, permitindo que o conversor ultrapasse a frequência nominal da rede.
- Modulação por largura de pulso (PWM): Pulse Width Modulation, é a técnica de chaveamento de modulação de largura de pulso onde tem como objetivo obter uma tensão de saída mais próxima da senoidal, pois como os transistores trabalham como chaves “ligada” e “desligada” a tensão de sáida é de onda quadrada. Existem diversas técnicas de modulação PWM, mas como exemplo iremos apresentar a mais utilizada, definida pela combinação de uma onda triangular (frequência de chaveamento do inversor) e uma senoidal (sinal que determina a largura dos pulsos) produzindo uma nova tensão de saída, a partir do uso de microprocessador. Esquema representado pelas figuras VI e VII.
Figura VI - Geração do PWM pela combinação de uma onda triangular e uma senoidal:
Fonte: Franchi (2009)
Figura VII - Sinal de saída do gerador de PWM:
 Fonte: Franchi (2009)
Para a representação senoidal o IGBT é chaveado por um curto período de tempo, permitindo que somente uma pequena parcela de corrente chegue até o motor, ele então é ligado por períodos maiores de tempo permitindo então que o motor atinja a corrente nominal e finalmente ele é ligado por curtos períodos de tempo progressivamente, diminuindo a corrente aplicada no motor, esse processo é explicado pela Figura VIII.
Figura VIII - Acionamento dos IGBTs no circuito inversor:
 Fonte: Franchi (2009)
Haverá redução de perdas e pulsações de torque se a corrente de saída PWM for mais senoidal possível, assim teremos formas de onda de tensão e de corrente na saída do inversor, ilustradas na Figura IX.
 Além do mais é importante ressaltar que a parcela negativa das ondas senoidais é gerada pelo chaveamento do IGBT conectado ao valor da tensão CC e de quanto maior for a frequência do chaveamento, mais senoidal será a forma de onda resultante, mesmo que o ruído também seja aumentado, pois ele é proporcional a frequência de chaveamento, como indica a Figura X.
Figura IX – Formas de onda de tensão e de corrente na saída do inversor de frequência:
 Fonte: Franchi (2009)
Figura X - Formas de onda para diferentes frequências de chaveamento:
Fonte: Franchi (2009)
Podemos afirmar então que independente da técnica utilizada, o princípio de funcionamento baseia-se em uma tensão CC no circuito intermediárioe devemos transformar em tensão CA para acionar o motor. Foi mostrado então a técnica mais utilizada nos inversores mais atuais, e como a tensão é fixa no diagrama, devemos então, chavear os transistores de saída pela modulação de largura de pulso para obtermos uma fora de tensão CA sintetiza e de frequência variável.
Os dispositivos de partida que usam PWM como esquema têm diferentes níveis de performance baseados em algoritmos de controle, existem quatro tipos básicos de controle largamente utilizados:
-Escalar (volts/Hz): Proporcionando um controle razoável de velocidade de torque a um baixo custo, provê uma frequência variável aplicações em bombas e ventiladores.
- Controle vetorial sensorless: Fornece melhor regulação de velocidade e tem a capacidade de produzir alto torque de partida.
-Controle de fluxo vetorial: Possibilita mais precisão de torque e velocidade com resposta dinâmica. Recomendável para motor que forneça um controle preciso de torque para uma faixa extensa e condições de operação.
- Controle de campo orientado: permite manter a velocidade e torque disponíveis para motores CA, fornecendo performance de um motor de corrente contínua para motores CA. 
Como ressalta Braga (2018) os blocos básicos têm funções específicas e podem ter configurações levemente diferentes conforme as características elétricas finais desejadas e também a tecnologia usada pelo fabricante.
APLICAÇÕES DE INVERSORES DE FREQUÊNCIA
CONTROLE DE VELOCIDADE
	Franchi (2009, p. 170) estima que dois terços de consumo de eletricidade seja com motores elétricos em acionamentos de máquinas e equipamentos mecânicos. De maneira geral, os dispositivos são para controle de velocidade, tais como: 
- Ajuste da velocidade de um motor elétrico visando à rapidez do processo; 
- Ajuste do torque de um conjunto de acordo com as necessidades do processo e redução do consumo de energia e aumento de eficiência, alguns exemplos são elevadores, máquinas-ferramenta, bombas, tração e outros;
SISTEMAS DE BOMBEAMENTO
Segundo Gerardi o bombeamento pode ser definido (2005, p. 105) “como efeito de adicionar energia a um fluído para movê-lo de um ponto a outro”, podendo então produzir trabalho por consequência da energia. Nos sistemas de Bombeamento, Sousa e Silva (2012), abordam que a utilização dos inversores de frequência é vantajosa em relação a uma válvula pneumática, pois a partir da pesquisa apresentada por eles, há um grande potencial de redução no consumo de energia nas condições de operações que necessitem de variação da vazão, pressão nas tubulações, controle sobre a rotação, partida e desligamento de um motor. 
VENTILAÇÃO
Existem diversas vantagens do uso do inversor de frequência em processos de ventilação como: proteção térmica do inversor e do motor, religamento automático com retomada de velocidade, operação forçada em emergência (extração de fumaça de túnel e configuração dos tipos de parada em caso de falha, sem dizer que como os sistemas de bombeamento, a economia de energia que pode ser obtida com a utilização do inversor de frequência Franchi (2009).
Franchi (2009, p. 172) também explica pela Figura XI a comparação da variação da potência com relação à vazão em um motor acionado por um inversor de frequência e outro sistema por partida direta e válvula de regulação. Como se nota na Figura a baixo, sem o inversor e com 80% da vazão nominal a potência consumida é ainda de 95% da potência nominal, porém com o inversor essa potência consumida baixa para 50% proporcionando então a economia de energia citada acima.
Figura XI: Comparação da variação da potência elétrica com relação à vazão e um motor acionado por um inversor de frequência e outro sistema compartida direta e válvula de regulação:
Fonte: Franchi (2009)
Contatamos então a facilidade para entender a forma como o inversor de frequência funciona e como a Eletrônica de Potência se tornou um aliado, diminuindo o custo e tornando possível que os inversores sejam utilizados em diversas aplicações possibilitando economia de energia sem perder eficiência, pode-se até dizer que empresas ou industrias que após uma análise de custos e eficiência se tornar vantajoso o uso de um inversor para bombeamento, acionamento de motores, ventilação entre outros possuirão uma vantagem no mercado competitivo. 
BIBLIOGRAFIA
Franchi, Claiton Moro. Inversores de Frequência: Teoria e aplicações, -- 2. Ed. – São Paulo: Érica, 2009. 
BRAGA, Newton. Os inversores de frequência (MEC125). Disponível em: <http://www.newtoncbraga.com.br/index.php/automacao-industrialq5443-mec125> acesso em 20 de janeiro de 2018.
SOUSA, Eduardo da Costa; Silva, Victor de Paula. Inversor de frequência e sua contribuição para a eficiência energética em sistemas de bombeamento. Disponível em: <http://www.brasilengenharia.com/portal/images/stories/revistas/edicao609/609_art_inversors.pdf> acesso em 21 de janeiro de 2018.
Segundo, Alan Kardek Rêgo; Rodrigues, Cristiano Lúcio Cardoso. Eletrônica de Potência e os acionamentos elétricos. Disponível em: < http://estudio01.proj.ufsm.br/cadernos/ifmg/tecnico_automacao_industrial/arte_eletronica_de_potencia.pdf> acesso em 21 de janeiro de 2018.
Mascheroni, José M; Lichtblau, Marcos; Gerardi, Denise. Guia de Aplicação/Inversores de Frequência. Disponível em: <http://sidrasul.com.br/wp-content/uploads/2014/09/Guia-de-Aplica%C3%A7%C3%A3o-de-Inversores-de-Frequ%C3%AAncia-WEG-3%C2%AA-Edi%C3%A7%C3%A3o.pdf> acesso em 21 de janeiro de 2018.
Figura III - Blocos componentes do inversor de frequência:
Fonte: Franchi (2009)
Figura IV - IHM de um inversor ltivar 71. (Cortesia:Schneider Eletric):
 Fonte: Franchi (2009)