Inversores - Bloco diagrama

O que é um inversor de frequência?

O inversor de frequência é o nome popular que damos aos conversor de frequência. É um dispositivo elétrico que converte uma corrente com uma frequência em uma corrente com outra frequência. A tensão é normalmente a mesma antes e depois da conversão de frequência. Os conversores de frequência são normalmente usados ​​para regulação de velocidade de motores usados ​​para acionar bombas e ventiladores.

O nome original dos inversores em Inglês é VFD (Variable Frequency Drive), ou seja Acionadores de Frequência Variável. Ao longo do texto iremos chamar os VFD simplesmente como inversores.

Por exemplo: um ventilador é fornecido com uma corrente de 400 VCA, 50 Hz. Nesta frequência (50 Hz), o ventilador pode funcionar a uma determinada velocidade. Para fazer o ventilador funcionar mais rápido, um conversor de frequência é usado para aumentar a frequência para (por exemplo) 70 Hz. Alternativamente, a frequência pode ser convertida para 40 Hz se o ventilador funcionar mais devagar.

Como funciona o inversor de frequência?

O inversor de frequência converte a energia de entrada (tensão fixa e frequência fixa) para uma tensão e frequência variável para controlar motores de indução CA.

Ele consiste em dispositivos eletrônicos de potência (como IGBT, MOSFET), unidade de controle central de alta velocidade (como um microprocessador, DSP) e dispositivos sensores opcionais, dependendo da aplicação utilizada.

A maioria das aplicações industriais requer velocidades variáveis ​​em condições de pico de carga e velocidades constantes em condições normais de operação. O funcionamento em malha fechada dos inversores mantém a velocidade do motor em um nível constante, mesmo em caso de distúrbios de entrada e carga.

Princípio de funcionamento do inversor de frequência

As duas principais características do conversor de frequência são as velocidades ajustáveis ​​e os recursos de partida/parada suave. Esses dois recursos tornam o inversor um controlador poderoso para controlar os motores CA. O VFD consiste principalmente em quatro seções; esses são retificador, barramento CC, inversor e circuito de controle.

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  • Retificador: É o primeiro estágio de um variador de frequência. Ele converte a energia CA alimentada da rede elétrica em energia CC. Esta seção pode ser unidirecional ou bidirecional com base na aplicação utilizada, como a operação de quatro quadrantes do motor. Ele utiliza diodos, SCRs, transistores e outros dispositivos de comutação eletrônica. Se usar diodos, a potência CC convertida é uma saída descontrolada, enquanto se estiver usando SCR, a potência de saída CC é variada pelo controle de ângulo de disparo. Um mínimo de seis diodos são necessários para a conversão trifásica, então a unidade retificadora é considerada como um conversor de seis pulsos.
  • Barramento CC: A alimentação CC da seção retificadora é entregue ao barramento CC. Esta seção consiste em capacitores e indutores para suavizar contra ondulações e armazenar a energia CC. A principal função do barramento CC é receber, armazenar e fornecer energia CC.
  • Inversor: Esta seção é composta por chaves eletrônicas como transistores, tiristores, IGBT, etc. Ele recebe energia CC do barramento CC e converte em CA que é fornecida ao motor. Ele usa técnicas de modulação como modulação por largura de pulso para variar a frequência de saída para controlar a velocidade do motor de indução.
  • Circuito de controle: Ele consiste em uma unidade microprocessada e executa várias funções como controle, ajuste de configurações do inversor, condições de falha e interfaces de comunicação utilizando protocolos industriais. Ele recebe um sinal de feedback do motor como referência de velocidade atual e, consequentemente, regula a relação entre tensão e frequência para controlar a velocidade do motor.

Benefícios do inversor de frequência

Os inversores (conversores de frequência variável) não apenas oferecem velocidades ajustáveis ​​para aplicações de controle precisas, mas também apresentam mais benefícios em termos de controle de processo e conservação de energia. Alguns destes são dados abaixo.

  • Economia de energia: Mais de 65% da energia é consumida por motores elétricos nas indústrias. A técnica de controle de tensão e frequência para variar a velocidade consome menos energia quando se utiliza a velocidade variável. Uma grande quantidade de energia é conservada quando se utiliza inversores.
  • Controle em malha fechada: O inversor permite o ajuste preciso da velocidade do motor comparando continuamente com a velocidade de referência, mesmo em mudanças nas condições de carga e distúrbios de entrada, como flutuações de tensão da rede.
  • Limite da corrente de partida: O motor de indução consome corrente que é de 6 a 8 vezes a corrente nominal na partida. Comparado aos acionadores convencionais, os inversores oferecem melhores resultados porque fornecem baixa frequência no momento da partida. Devido à baixa frequência, o motor consome menos corrente e essa corrente pode ser ajustada para nunca exceder sua a corrente máxima de partida e na operação.
  • Operação suave: Oferece operações suaves na partida e parada, dessa forma, reduzindo o estresse térmico e mecânico nos motores e acionamentos por correia.
  • Fator de potência: O circuito de correção do fator de potência, embutido no barramento CC do inversor, reduz a necessidade de dispositivos adicionais de correção do fator de potência. O fator de potência para o motor de indução é muito baixo para aplicações particularmente com pouca carga, enquanto a plena carga é de 0,88 a 0,9. O baixo fator de potência resulta em má utilização da energia devido a altas perdas reativas.
  • Instalação fácil: Os inversores pré-programados oferecem uma maneira fácil de conexão e manutenção.

Controle escalar para inversores de frequência

Os métodos escalares para controle de inversores funcionam otimizando o fluxo de energia do motor e mantendo a força do campo magnético constante, o que garante uma produção de torque constante. Frequentemente referido como controle V/Hz ou V/f, os métodos escalares variam tanto a tensão (V) quanto a frequência (f) da potência do motor para manter uma relação fixa e constante entre os dois, de modo que a força do campo magnético é constante, independentemente da velocidade do motor.Inversor - Gráfico V/Hz

A relação V/Hz apropriada é igual à tensão nominal do motor dividida por sua frequência nominal. O controle V/Hz é normalmente implementado sem feedback (ou seja, malha aberta), embora o controle V/Hz de malha fechada — incorporando feedback do motor — seja possível.

O controle V/Hz é simples e de baixo custo, enquanto a implementação em malha fechada aumenta o custo e a complexidade. O controle em malha fechada não é necessário, mas pode melhorar o desempenho do sistema.

A precisão na regulação de velocidade com controle escalar é menor, se comparada ao controle vetorial, portanto, esses métodos não são adequados para aplicações onde é necessário um controle preciso de velocidade. O controle V/Hz de malha aberta é único em sua capacidade de permitir que um inversor controle vários motores e é sem dúvida o método de controle implementado mais comumente.

Controle vetorial para inversores de frequência

O controle vetorial – também conhecido como controle orientado a campo (FOC – Field Oriented Control) – ajusta a velocidade ou o torque de um motor CA controlando os vetores espaciais de corrente do estator, de maneira semelhante (mas mais complicada que) aos métodos de controle CC. O controle orientado a campo usa matemática complexa para transformar um sistema trifásico que depende do tempo e da velocidade em um sistema invariante no tempo de duas coordenadas (d e q).

A corrente do estator em um motor CA é composta por dois componentes: o componente magnetizador (d) da corrente e o componente produtor de torque (q). Com FOC, esses dois componentes de corrente são controlados independentemente (cada um com seu próprio controlador PI). Isso permite que o componente produtor de torque, q, seja mantido ortogonal ao fluxo do rotor para produção máxima de torque e, portanto, controle de velocidade ideal.

Inversor - Controle vetorial

O controle vetorial, ou controle orientado por campo, converte correntes trifásicas em um referencial estacionário em um sistema bifásico (consistindo em um componente de fluxo (d), e um componente produtor de torque (q), com um referencial rotativo. Aqui, a corrente de produção de torque (q) pode ser controlada independentemente para garantir a máxima produção de torque. O sistema é então transformado novamente em um sistema trifásico em um quadro de referência estacionário para saída para o motor.

Assim como os métodos escalares, os métodos de controle vetorial de inversores podem ser em malha aberta ou em malha fechada. O controle vetorial de malha aberta (também conhecido como controle vetorial sem sensor) usa um modelo matemático dos parâmetros operacionais do motor, em vez de usar um dispositivo de feedback físico. O controlador monitora a tensão e a corrente do motor e as compara com o modelo matemático. Em seguida, corrige quaisquer erros ajustando a corrente fornecida ao motor, que ajusta a produção de torque do motor de acordo. Com o controle vetorial sem sentido, é importante ter um modelo matemático muito preciso do motor, e o controlador deve ser ajustado para uma operação adequada.

O controle vetorial de malha fechada usa um encoder para fornecer feedback da posição do eixo e essa informação é enviada ao controlador, que ajusta a tensão fornecida para aumentar ou diminuir o torque. Este é o único método que permite o controle direto do torque em todos os quatro quadrantes de operação do motor para frenagem dinâmica ou regeneração.

Os métodos de controle vetorial são mais complexos que os métodos de controle escalar, mas oferecem benefícios significativos sobre os métodos escalares em algumas aplicações. Por exemplo, o controle vetorial de malha aberta permite que o motor produza alto torque em baixas velocidades e o controle vetorial de malha fechada permite que um motor produza até 200 por cento de seu torque nominal em velocidade zero, útil para manter cargas paradas. O controle vetorial de malha fechada também fornece controle de velocidade e torque muito precisos para aplicações industriais.

Exemplo de aplicação – Bombeamento solar

O inversor de bomba solar é um inversor de alto desempenho e alta eficiência desenvolvido e especialmente projetado para bomba CA no sistema de bombeamento solar.Inversor para bomba solar

O inversor de bomba solar é amplamente utilizado em irrigação, reservatório de água, abastecimento de água rural, piscina e outros projetos de abastecimento de água.

Inversor para bomba solar

O inversor da bomba solar é totalmente automático, sem necessidade de configuração antes de funcionar. A operação e manutenção são fáceis e simplificadas. Com MPPT automático (Maximum Power Point Tracking), a eficiência do inversor pode chegar a 99%. Na presença de nuvens o inversor fica em espera, e quando as nuvens se dissipam o inversor reinicia automaticamente.

Instalação do inversor para bombeamento solar

O inversor solar pode ser instalado na parede ou em um painel elétrico. O inversor irá converter a energia CC diretamente do painel solar e gerar a energia CA para acionar as bombas ou motores.

Inversor para bomba solar

Inversor com display e teclado destacável

Inversor para bomba solar

  • PRG/ESC: Entra ou sai do menu de programação.
  • DATA/ENT: Navega pelos níveis do menu de programação / confirma ajuste dos parâmetros.
  • SHIFT: Seleciona os parâmetros apresentados pelo display, e seleciona o dígito a ser modificado quando se está ajustando parâmetros.
  • RUN: Dá partida no funcionamento do inversor.
  • STOP/RST: Faz parar o inversor. Faz o reset do inversor quando o mesmo está em modo “falha”.
  • QUICK/JOG: Seleção de funções de acordo com P7-01, podendo ser definido como comando ou direção. Seleção de menu: redireciona modos de menu de acordo com PP-03.

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