Curso de Inversores de Frequência
RESUMO
1. Materiais Semicondutores: Dopagem e construção, aplicações em equipamentos industriais na substituição de dispositivos eletromecânicos, como relés e chaves magnéticas.
2. Origem dos Dispositivos: Diodos que conduzem em apenas um sentido. Diodos de potência, ponte retificadora não controlada, retificação e conversão AC para DC.
3. Transistores Operando como Chave: Transistores bipolares de potência, configuração Darlington para maior ganho.
4. Transistor Bipolar de Porta Isolada (IGBT): Aplicação em controles de motores de elevadas correntes.
5. Transistores Unijunção (UJT): Dispositivo semicondutor de três terminais com apenas uma junção PN. É um dispositivo de disparo. Possui um emissor e duas bases (B1 e B2). É um dispositivo utilizando até algumas dezenas de kilohertz, com pulso de descarga forte e pode acionar diversos dispositivos.
6. Transistor Unijunção Programável (PUT): É um dispositivo de quatro camadas, semelhante ao SCR, a diferença é que no PUT, o terminal de gatilho situa-se na região N, próxima ao anodo. A tensão de disparo do PUT é programável (resistores externos). È mais rápido e sensível que o UJT.
7. Transistor de Efeito de Campo (FET): Dispositivo de dois tipos, canal P e canal N. São controlados por tensão ou pelo campo elétrico. A grande vantagem do FET sobre o transistor bipolar é sua altíssima impedância de entrada e baixo ruído.
8. Transistor de Efeito de Campo Metal-Óxido-Semicondutor (MOSFET):Representou um grande avanço tecnológico por ser de fabricação muito simples, ter alto
desempenho e propiciar integração em larga escala, tamanho reduzido e permite que um grande número de transistores sejam produzidos num mesmo circuito integrado.
9. MOSFET de Potência: dispositivo simples de comutação, requerem um mínimo de potência dos circuitos de controle. Podem ser controlados diretamente por microprocessadores.
10. Fototransistor: O príncípio de funcionamento do fototransistor é o mesmo dos fotodiodos, a incidência de luz ou infravermelho nas junções, libera portadores de carga, criando assim uma corrente de saída.
11. Tiristores: Semicondutores de quatro camadas biestáveis, controlados por um pulso de corrente. Os principais tipos são o SCR e o TRIAC.
Aplicação: Em conversores estáticos (pontes retificadoras controladas).
12. Retificador Controlado de Silício (SCR): Tem o comportamento de um diodo retificador controlado pela porta no disparo, para deixar de conduzir a corrente na junção, ela deve cair a zero.
Utilização: na retificação e controle de tensão AC, que alimenta um motor de corrente contínua. Só conduz em um sentido, somente aproveita um ciclo da onda (controle de meia onda). Pode ser utilizados em corrente contínua como chaves estáticas.
13. Semicondutor de Disparo Bidirecional (DIAC): é polarizado em qualquer sentido.
Utilização: Em conjunto com o TRIAC para dispará-lo.
14. TRIAC : Dispositivo equivalente a dois SCR, ligados em oposição, conduz
corrente nos dois sentidos. A corrente controladora deve cair a zero para cessar a condução. Disparo com tensão positiva, e é ligado em série com a carga.
Utilização: Como semicondutor para controle de potência, dimmers de iluminação em CA, deve ser evitados em altas potências e gera muitas frequências harmônicas na rede, devido à comutação.
15. HARMÔNICOS: Até alguns anos atrás as cargas utilizadas em residências e industrias eram ditas lineares, mas atualmente várias cargas eletrônicas vem sendo utilizadas como diversos benefícios, mas os seus efeitos nas redes elétricas vem crescendo e devemos desenvolver métodos para minimizá-los (cargas elétricas não lineares). Além do aproveitamento racional do consumo da energia elétrica.
Frequência Fundamental: É a forma de onda de tensão ou corrente original, de frequência mais baixa e de onde todas as outras são múltiplas (na rede elétrica = 60 Hz).
Frequência harmônica (ou componente harmônica): São as outras formas de onda múltiplas da fundamental. Elas tem a amplitude menor que a fundamental, mas seus efeitos podem ser destrutivos.
EFEITOS DAS HARMÔNIAS
Instantâneos:
• Disparo de tiristores, pois desloca a passagem pelo zero de tensão
• Erros adicionais nos medidores
• Forças eletromecânicas produzidas por correntes instantâneas com harmônicas presentes, provocam vibrações e ruídos acústicos em dispositivos eletromagnéticos;
• Conjugado mecânico pulsante em motores de indução devido a campos girantes adicionais, causando vibrações e maiores perdas por diferentes escorregamentos entre rotor e estes campos
• Interferência em telecomunicações e circuitos de controle.
Longo Prazo:
• Sobreaquecimento de capacitores, provocando disruptura de dielétrico
• Perdas adicionais em tranformadores devido ao aumento do efeito pelicular, histerese e correntes de Foucault.
• Sobreaquecimento de transformadores devido ao aumento do valor rms da corrente
• Sobreaquecimento de cabos e dispositivos de uma instalação elétrica, devido ao aumento da impedância aparente com a frequência.
Grande vilão: Todos os inversores de frequência causam harmônicos devido a natureza do retificador de entrada.
Solução: Instalação de filtros ou banco de filtros.
16. TIPOS DE VARIADORES DE VELOCIDADE DE MOTORES:
Convencional: Por correias
Por redutor de velocidade
Motor com rotor bobinado.
Variador Eletromagnético:
Varia o escorregamento do motor (proporciona grande perda de energia)
Convensor CA/CC:
(controlando a tensão CA por meio eletrônico, um motor CC - Sistema muito caro, tanto o conversor como o motor)
Inversor de frequências:
A fim de controlar a velocidade, proporciona a variação de frequência fornecida ao motor. Existem dois tipos principais:
Vetorial: Quando ocorre a variação da carga (Ex.: esteiras rolantes, bobinas de papel, etc.)
Escolar: Quando a carga é constante (Ex.: motobombas, ventiladores, etc.)
17. INVERSORES OU CONVERSORES DE FREQUÊNCIA:
São utilizados par acionamento e controle de motores de corrente alternada. Aplica-se uma tensão alternada de frequência fixa (60 Hz), a tensão alternada pelo retificador de potência da entrada de energia (ponte retificadora de diodos), em corrente contínua pulsada (onda completa = dois ciclos), o capacitor (ou banco de capacitores) colocados como filtro, transforma a corrente contínua pulsada em contínua pura constante. Esta tensão contínua é conectada ciclicamente aos terminais de saída pelos semicondutores do inversor, que funcionam no modo corte ou saturação (como uma chave estática), o controle é feito pelo circuito de comando de modo a obter um sistema de tensão pulsada, que farão a partida e o controle de rotação e também a parada da carga em questão (motor AC).
Vantagens:
• Comando e controle à distância
• Monitora o funcionamento do motor (torque, velocidade, aceleração, RPM,etc);
• Protege o motor elétrico (falta de fase, sobrecarga, curto circuito, etc)
• Uso em qualquer tipo de motor elétrico de indução monofásico ou trifásico
• Economia de energia (utilização eficiente)
• Reprogramação sem limites
• Recebe uma rede bifásica (2F + T) e fornece trifásico (3F) à carga
• Baixo custo de instalação e manutenção
• Possibilita que os motores sejam acionados suavemente, sem trancos (reduz quebra de elementos de transmissão, como correntes e rodas dentadas.
Utilização: São amplamente utilizados em carga que exijam acionamento e paradas suaves, mas que podem também regular a velocidade e o torque (conjugado) de um motor AC. Tudo isso sem propiciar ao motor:
• Altos conjugados de aceleração
• Altos picos de corrente na partida
• Momentos de enércia na parada.
O inversor de frequência pode ser considerado como uma fonte de tensão alternada com frequência variável.
ESPECIFICAÇÃO DE UM INVERSOR DE FREQUÊNCIA :
• Aplicação
• Tensão nominal
• Corrente nominal Em relação à carga a ser controlada
• Potência e torque (motor)
PROBLEMAS PROPORCIONADOS PELO INVERSOR DE FREQUÊNCIA
• Uso de transistores IGBT, rápidos e confiáveis, mas que geram sinais de harmônicas na rede elétrica;
• Interferência no funcionamento de equipamento elétricos sensíveis;
• Variação do sinal fornecido para o motor quando este estiver longe do inversor (causado por harmônicas); solução: filtros.
PARAMETRIZAÇÃO
É a descrição detalhada da forma operacional do equipamento, em função da carga e do processo. São ajustados por meio de uma interface homem máquina (IHM) situada na parte frontal do inversor de freqüência.
18. CORREÇÃO DO FATOR DE POTÊNCIA:
Definições:
Potência: Capacidade de produzir trabalho na unidade de tempo
Energia: Utilização da potência num intervalo de tempo
Potência Ativa: (KW) é a que realmente produz trabalho útil.
Potência Reativa (KVAr): É a usada para criar o campo eletromagnético das cargas indutivas.
Potência Aparente (KVA): Soma vetorial das potências ativa e reativa, ou seja, é a potência total absorvida pela instalação.
Fator de Potência (coy): É a razão entre potência ativa e aparente Ele indica a eficiência do uso da energia, (cosoº=1), próximo de um.
CONSEQUÊNCIAS DO BAIXO FATOR DE POTÊNCIA
• Acréscimo na conta de energia elétrica por estar operando com baixo fator de potência;
• Limitação da capacidade dos transformadores de alimentação;
• Quedas e flutuações de tensão nos circuitos de distribuição;
• Sobrecarga nos equipamentos de manobra limitando sua vida útil;
• Aumento das perdas elétricas na linha de distribuição pelo efeito Joule;
• Necessidade de aumento de diâmetro dos condutores;
• Necessidade de aumento da capacidade dos equipamentos de manobra e proteção.
CAUSAS DO BAIXO FATOR DE POTÊNCIA
• Motores de indução trabalhando em vazio;
• Motores superdimencionados para sua necessidade de trabalho;
• Transformadores trabalhando à vazio ou com pouca carga;
• Reatores de baixo fator de potência no sistema de iluminação;
• Fornos de indução ou à arco;
• Máquinas de tratamento técnico;
• Máquinas de solda;
• Níveis de tensão acima do valor nominal provocando um aumento no consumo de energia
Como corrigir:
Instalação próximas às instalações de capacitores dos bancos de capacitadores para corrigir o F.P., balanceando as cargas indutivas com as capacitivas (XL = XC), reatância indutiva igual a reatância capacitiva.
Deve ser monitorada constantemente principalmente se as cargas variarem.
