Princípio de funcionamento do inversor de frequência variável (VFD)
Histórico de Drives de Frequência Variável (VFD)
Quando Tesla introduziu pela primeira vez o motor de indução trifásico de corrente alternada (AC) em 1888, ele sabia que sua invenção era mais eficiente e confiável do que o motor de corrente contínua (DC) de Edison. No entanto, o controle de velocidade do motor CA requer a variação do fluxo magnético ou a alteração do número de pólos no motor. Mesmo décadas depois que o motor de indução ganhou uso generalizado, alterar a frequência para controle de velocidade continuou sendo uma tarefa extremamente difícil – e a construção física do motor impediu que os fabricantes criassem motores com mais de duas velocidades.
Como resultado, os motores CC eram necessários onde o controle preciso da velocidade e a saída de potência significativa eram necessários. Em contraste com os requisitos de controle de velocidade do motor CA, o controle de velocidade do motor CC foi obtido pela inserção de um reostato no circuito de campo CC de baixa potência, o que era viável com a tecnologia disponível. Esses controles simples do motor variavam a velocidade e o torque e foram a maneira mais econômica de fazer isso por várias décadas.
Na década de 1980, a tecnologia de acionamento de motores CA tornou-se confiável e barata o suficiente para competir com o controle tradicional de motores CC. Esses inversores de frequência variável (VFDs) controlam com precisão a velocidade de motores síncronos ou de indução CA padrão. Com VFDs, o controle de velocidade com torque total é alcançado de 0 rpm até a velocidade nominal máxima e, se necessário, acima da velocidade nominal com torque reduzido. Os VFDs manipulam a frequência de sua saída retificando uma corrente CA de entrada em CC e, em seguida, usando a modulação de largura de pulso de tensão para recriar uma forma de onda de saída de corrente e tensão CA. No entanto, esse processo de conversão de frequência causa perda de 2% a 3% como calor no VFD – energia calórica que deve ser dissipada. O processo também produz picos de sobretensão e distorções de corrente harmônica.
Tipos de acionamento de frequência variável
Existem três tipos comuns de VFDs. A inversão da fonte de corrente (CSI) tem sido usada com sucesso em processamento de sinais e aplicações de energia industrial. Os VFDs CSI são o único tipo que possui capacidade de energia regenerativa. Em outras palavras, eles podem absorver o fluxo de energia de volta do motor para a fonte de alimentação. Os VFDs CSI fornecem uma forma de onda de corrente muito limpa, mas exigem indutores grandes e caros em sua construção e causam cogging (movimento pulsante durante a rotação) abaixo de 6 Hz.
Os inversores de inversão da fonte de tensão (VSI) têm um fator de potência ruim, podem causar o travamento do motor abaixo de 6 Hz e não são regenerativos. Conseqüentemente, as unidades CSI e VSI não têm sido amplamente utilizadas.
Os VFDs de modulação por largura de pulso (PWM) são mais comumente usados na indústria devido ao excelente fator de potência de entrada devido à tensão de barramento CC fixa, sem cogging do motor, maior eficiência e menor custo. Um VFD PWM usa uma série de pulsos de tensão de diferentes comprimentos para simular uma onda senoidal.
Idealmente, os pulsos são cronometrados de modo que a integral média do tempo do acionamento produza uma senóide perfeita. O método atual de escolha para produzir esta forma de onda executa uma onda triangular e uma onda senoidal através de um comparador e emite um pulso de tensão sempre que o valor da onda senoidal for maior que a onda triangular.
O componente elétrico atual escolhido para gerar o pulso de tensão é o transistor bipolar de porta isolada (IGBT), embora os retificadores controlados por silício (SCRs) também possam funcionar. Em um futuro próximo, transistores de porta aprimorados por injeção (IEGTs) serão usados para realizar essa tarefa. Muito mais a longo prazo, os memristores provavelmente se tornarão o componente de escolha para essa tarefa.
Noções básicas de inversores de frequência variável:
O que é um VFD?
Um inversor de frequência variável (VFD) é um tipo de controlador de motor que aciona um motor elétrico variando a frequência e a tensão fornecidas ao motor elétrico. Outros nomes para um VFD são inversor de velocidade variável, inversor de velocidade ajustável, inversor de freqüência ajustável, inversor de CA , microdrive e inversor .
A frequência (ou hertz) está diretamente relacionada à velocidade do motor (RPMs). Em outras palavras, quanto mais rápida a frequência, mais rápido os RPMs vão. Se uma aplicação não exigir que um motor elétrico funcione em velocidade máxima, o VFD pode ser usado para diminuir a frequência e a tensão para atender aos requisitos da carga do motor elétrico. À medida que os requisitos de velocidade do motor da aplicação mudam, o VFD pode simplesmente aumentar ou diminuir a velocidade do motor para atender aos requisitos de velocidade.
Como funciona um Drive de Frequência Variável?
O primeiro estágio de um inversor de frequência variável, ou VFD, é o conversor. O conversor é composto por seis diodos, que são semelhantes às válvulas de retenção usadas em sistemas de encanamento. Eles permitem que a corrente flua em apenas uma direção; a direção mostrada pela seta no símbolo do diodo. Por exemplo, sempre que a tensão da fase A (a tensão é semelhante à pressão nos sistemas de encanamento) é mais positiva do que as tensões da fase B ou C, esse diodo abrirá e permitirá que a corrente flua. Quando a fase B se torna mais positiva que a fase A, então o diodo da fase B abrirá e o diodo da fase A fechará. O mesmo vale para os 3 diodos no lado negativo do barramento. Assim, obtemos seis “pulsos” de corrente à medida que cada diodo abre e fecha. Isso é chamado de “VFD de seis pulsos”, que é a configuração padrão para os atuais inversores de frequência variável.
Vamos supor que o inversor esteja operando em um sistema de alimentação de 480 V. A classificação de 480 V é “rms” ou raiz quadrada média. Os picos em um sistema de 480V são 679V. Como você pode ver, o barramento CC do VFD tem uma tensão CC com uma ondulação CA. A tensão funciona entre aproximadamente 580V e 680V.
Podemos nos livrar da ondulação AC no barramento DC adicionando um capacitor. Um capacitor opera de maneira semelhante a um reservatório ou acumulador em um sistema de encanamento.
Este capacitor absorve a ondulação CA e fornece uma tensão CC suave. A ondulação CA no barramento CC é normalmente inferior a 3 Volts. Assim, a tensão no barramento CC torna-se “aproximadamente” 650 VCC.
A tensão real dependerá do nível de tensão da linha CA que alimenta o inversor, do nível de desequilíbrio de tensão no sistema de potência, da carga do motor, da impedância do sistema de potência e de quaisquer reatores ou filtros harmônicos no inversor.
O conversor de ponte de diodo que converte CA para CC, às vezes é chamado apenas de conversor. O conversor que converte a CC de volta para CA também é um conversor, mas para distingui-lo do conversor de diodo, geralmente é chamado de “inversor”. Tornou-se comum na indústria referir-se a qualquer conversor DC-AC como um inversor.
Observe que em um VFD real, as chaves mostradas seriam transistores ou tiristores.
Quando fechamos uma das chaves superiores do inversor, essa fase do motor é conectada ao barramento CC positivo e a tensão nessa fase se torna positiva. Quando fechamos uma das chaves inferiores do conversor, essa fase é conectada ao barramento CC negativo e se torna negativa. Assim, podemos fazer com que qualquer fase do motor se torne positiva ou negativa à vontade e, assim, podemos gerar qualquer frequência que desejarmos. Assim, podemos fazer qualquer fase ser positiva, negativa ou zero.
A onda senoidal azul é mostrada apenas para fins de comparação. O drive não gera esta onda senoidal.
Observe que a saída do VFD é uma forma de onda “retangular”. Os VFDs não produzem uma saída senoidal. Esta forma de onda retangular não seria uma boa escolha para um sistema de distribuição de uso geral, mas é perfeitamente adequada para um motor.
Se quisermos reduzir a frequência do motor para 30 Hz, simplesmente alternamos os transistores de saída do inversor mais lentamente. Mas, se reduzirmos a frequência para 30Hz, também devemos reduzir a tensão para 240V para manter a relação V/Hz. Como vamos reduzir a tensão se a única tensão que temos é 650VDC?
Isso é chamado de Modulação de Largura de Pulso ou PWM. Imagine que pudéssemos controlar a pressão em uma linha de água ligando e desligando a válvula em alta velocidade. Embora isso não seja prático para sistemas de encanamento, funciona muito bem para VFDs. Observe que durante o primeiro meio ciclo, a tensão está ligada metade do tempo e desligada metade do tempo. Assim, a tensão média é metade de 480V ou 240V. Ao pulsar a saída, podemos atingir qualquer tensão média na saída do VFD.
Reduzir o consumo de energia e os custos de energia
Se você tem uma aplicação que não precisa ser executada em velocidade máxima, você pode reduzir os custos de energia controlando o motor com um inversor de frequência, que é um dos benefícios dos inversores de frequência variável. Os VFDs permitem que você combine a velocidade do equipamento acionado por motor com o requisito de carga. Não há outro método de controle de motor elétrico CA que permita fazer isso.
Os sistemas de motores elétricos são responsáveis por mais de 65% do consumo de energia na indústria hoje. A otimização de sistemas de controle de motores por meio da instalação ou atualização de VFDs pode reduzir o consumo de energia em suas instalações em até 70%. Além disso, a utilização de VFDs melhora a qualidade do produto e reduz os custos de produção. Combinando incentivos fiscais de eficiência energética e descontos de serviços públicos, o retorno do investimento para instalações VFD pode ser de apenas 6 meses.
Aumente a produção por meio de um controle de processo mais rígido
Ao operar seus motores na velocidade mais eficiente para sua aplicação, ocorrerão menos erros e, assim, os níveis de produção aumentarão, o que gera maiores receitas para sua empresa. Em transportadores e esteiras, você elimina os solavancos na partida, permitindo um alto rendimento.
Prolongue a vida útil do equipamento e reduza a manutenção
Seu equipamento durará mais e terá menos tempo de inatividade devido à manutenção quando controlado por VFDs, garantindo a velocidade ideal de aplicação do motor. Devido ao controle ideal do VFD da frequência e tensão do motor, o VFD oferecerá melhor proteção para seu motor contra problemas como sobrecargas eletrotérmicas, proteção de fase, subtensão, sobretensão, etc. Quando você inicia uma carga com um VFD, você não sujeitará o motor ou a carga acionada ao “choque instantâneo” da partida da linha, mas pode dar partida suavemente, eliminando assim o desgaste da correia, engrenagem e rolamento. Também é uma excelente maneira de reduzir e/ou eliminar o golpe de aríete, pois podemos ter ciclos de aceleração e desaceleração suaves.