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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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