Tudo que você precisa saber sobre Inversores de Frequência

Nos últimos tempos, foi evidenciado que grande parte dos problemas industriais são resolvidos através de soluções tecnológicas.

A tecnologia como recurso de saída para as adversidades industriais ganhou um propósito mais forte ainda com a presença da automação industrial que, por sua vez, também está em constante desenvolvimento.

Em outras palavras, a relação entre a tecnologia desenvolvida para atender as necessidades industriais e o desenvolvimento da automação industrial, ocorre em paralelo e contribui para o crescimento uma da outra.

Ainda neste contexto, tem-se diversos exemplos de tecnologias industriais que foram desenvolvidas para agregar valor nos processos industriais através da automação, como é o caso dos inversores de frequência.

Apesar deste dispositivo eletrônico fornecer benefícios a motores elétricos trifásicos, visto a sua principal função, diversos processos industriais são também beneficiados, em segundo plano.

Embora também este dispositivo seja comum no âmbito industrial, há uma certa dificuldade em encontrar assuntos diversos relacionados ao mesmo e que estejam compilados em um só texto, o que claramente é uma barreira para aqueles que desejam aprender sobre.

Por isso, este texto traz tudo o que você precisa saber sobre inversores de frequência, desde a teoria até as limitações e dicas de usos práticos. Assim, você pode dedicar toda a sua leitura apenas a um texto, para que suas dúvidas sejam sanadas.

Você quer perder essa chance de agregar conhecimento? Acho que não. Então aprecie este texto até o final.

O que é o inversor de frequência

Dentre os dispositivos eletrônicos utilizados na indústria, o inversor de frequência está entre aqueles que não oferecem medições e monitoramento.

Além disso, é importante dizer que o inversor de frequência recebe também outros nomes, como: driver de frequência, variador de frequência, conversor de frequência, drive de velocidade variável, entre outros.

O inversor, na verdade, proporciona um controle de velocidade no motor elétrico trifásico e, por isso, tem-se o benefício de ter um motor elétrico com uma rotação menor ou maior (pouco maior, falaremos sobre abaixo, nas “restrições”) do que a normalmente oferecida pelo mesmo.

Acredite, isso é algo que agrega um valor imenso às possibilidades da automação industrial.

Para entender como o dispositivo executa tal função, é necessário conhecer os seus componentes internos.

O que compõe um inversor de frequência

Entre as etapas de conhecer o que é o inversor de frequência e conhecer como este funciona, é importante incluir quais os seus componentes internos e as suas respectivas funções.

Isso contribui muito para a fixação da teoria neste começo e, para isso, destacamos abaixo os seus principais componentes internos.

• • Ponte retificadora: composta por uma série de diodos ou tiristores que transformam o sinal senoidal da rede elétrica em um sinal retificado, excluindo a parte negativa desse ciclo senoidal e permitindo apenas o sinal positivo do mesmo;

• Circuito de filtragem (capacitores): os capacitores suavizam as ondulações remanescentes e indesejáveis, resultando em uma tensão contínua mais estável;

• • Ponte inversora ou inversor: através de transistores IGBT (semicondutores de potência que combinam as características de chaveamento apresentadas pelos transistores bipolares com alta impedância dos mosfets) que recebem um sinal quase DC, o sinal é convertido para um sinal modulado através da largura de pulso (PWM).
  • Filtros CC: barramentos compostos pela associação de  capacitores e indutores para transformar o sinal em um que seja próximo de um sinal DC, acrescendo a tensão de pico;

• Circuito de controle: monitora sinais de entrada, que pode ser torque, velocidade ou posição, e controla os transistores do inversor para produzir a saída em corrente alternada (CA) com a frequência e tensão de interesse. Além disso, o circuito de controle abrange funções de proteção, como superaquecimento ou sobrecarga. 

Motores elétricos trifásicos

Nota-se que este texto reforça muito o uso de inversores de frequência em motores elétricos trifásicos. Mas o que seria esse e por que o motor elétrico trifásico?

Bem, o motor elétrico trifásico, como pode ser notado, é um motor elétrico que funciona por meio de três fases de corrente alternada.

Esse motor é síncrono ou de indução e, além de fazer parte dos atuadores elétricos, é constituído por rotor, carcaça e estator.

Esses motores oferecem condições melhores de operação se comparados com os motores monofásicos, visto o seu maior rendimento, potências maiores e a sua partida não necessita de auxílio.

Por isso e muitos outros motivos, um sistema trifásico é a forma preferida de se obter geração, transmissão e distribuição de energia elétrica em corrente alternada.

Inclusive, é o tipo de motor preferido para ser utilizado na indústria, para fornecer movimento a bombas e outros maquinários.

Em relação a inversores de frequência, esses não servem para controlar a velocidade de motores elétricos monofásicos.

Como o Inversor de Frequência funciona

Assim como já foi dito, o inversor de frequência atua na velocidade do motor elétrico, que por sua vez, fornece movimento a máquinas acopladas, tais como bombas, compressores, entre outros.

Isso torna-se possível através da conversão de sinal da corrente alternada (CA) da rede elétrica para corrente contínua (CC) e da posterior conversão em CA (de largura modulada) novamente.

E, para relembrar a explicação dos seus componentes, a variação da largura de pulso do sinal permite a alteração da frequência do motor, o que está totalmente ligado ao controle da velocidade e do torque do motor.

Além disso, com a programação de um PLC, a frequência de operação do motor pode ser modificada de acordo com as necessidades do processo, ao longo das suas diferentes etapas.

Quais os diferentes tipos de inversores de frequência

Ao pesquisar sobre inversores de frequência na internet, os resultados irão lhe levar para dois possíveis tipos de dispositivos, os quais são o inversor escalar e o inversor vetorial.

Ainda que você encontre modelos de inversores que fornecem a funcionalidade escalar e vetorial em um só dispositivo, os seus conceitos e diferenças não devem ser desprezados, visto as suas respectivas importâncias e limitações.

Afinal, o fato de que o inversor vetorial seja mais complexo e superior ao escalar, não elimina a possibilidade do inversor escalar ser o mais adequado para determinada aplicação.

Por este motivo, apresentamos agora os dois tipos de inversores, bem como as suas limitações e características.

Inversor de frequência escalar

Pode-se dizer que o inversor escalar se destaca por ser mais barato e descomplicado, e isso, é claro, é reflexo de um funcionamento básico, mas eficiente para determinadas aplicações.

Este inversor ajusta a frequência da corrente elétrica de entrada sem que haja o controle da forma de onda de corrente, isto é, a relação de fase entre a tensão e a corrente não é controlada.

Além disso, pode-se dizer que este tipo de inversor de frequência carrega consigo as seguintes características:

• Relação de tensão e frequência linear proporcionais, o que implica em uma tensão de saída máxima para uma frequência máxima do motor;
• Torque constante consequente da relação linear de tensão e frequência, o que torna o inversor inapropriado para situações em que é necessário o ajuste de torque em função da carga;
• Configuração nada complexa e intuitiva, visto as limitações apresentadas acima;
• Baixo consumo de energia conseguinte, também, da relação entre a frequência e tensão;
• Resposta dinâmica mais lenta, o que torna desinteressante o seu uso para situações em que há necessidade de uma resposta complexa de velocidade e frenagem.

Aplicações para inversores escalares

As aplicações destinadas ao inversor escalar são aquelas que são coerentes com as suas características, como o torque constante.

Desse modo, segue abaixo alguns exemplos de aplicação industrial em que são característicos de torque constante:

• Acionamento multimotores;
• Bomba centrífuga;
• Ventiladores.

Inversor de frequência vetorial

Diferente do inversor de frequência escalar, o inversor de frequência vetorial é utilizado para aplicações mais complexas, visto que este dispositivo controla a relação de fase entre a frequência e a tensão.

Além disso, o inversor vetorial faz o controle preciso, de forma vetorial, das correntes de fluxo e de magnetização do motor.

Resumidamente, podemos dissertar sobre o inversor vetorial citando as seguintes características:

• Com isso, tem-se uma relação não linear entre a tensão e a frequência;
• Torque variável para a mesma faixa de velocidade do motor;
• Programação complexa, devido a precisão nas possíveis variáveis de controle do dispositivo;
• Pode ser retroalimentado (malha fechada) ou não retroalimentado (sensorless – malha aberta) com informações de sensores;
• Permite análise constante de performance, temperatura, corrente, entre outros;
• Maior consumo de energia devido às possíveis variáveis a serem controladas e os sensores utilizados para tal função;

Aplicações para inversores vetoriais

Em contrapartida ao inversor escalar, o inversor vetorial é designado para operações onde é interessante controlar o torque para faixas de velocidade distintas.

Portanto, segue alguns exemplos de onde este inversor pode ser aplicado:

• Esteiras de transporte – carga variável e, portanto, o torque;
• Guincho – análogo à explicação acima;
• Desfibrador de cana.

Inserção de parâmetros no inversor de frequência

Para saber como incluir os parâmetros no inversor de frequência (rendimento, tensão, fator de potência, rotação, entre outros) que correspondem aos dados de placa do motor, devemos fazer os seguintes passos:

• Realizar a leitura dos dados da placa do motor elétrico trifásico. Esta placa refere-se àquela “etiqueta” metálica presente no motor;
• Pegue o manual do inversor e veja qual o código que será apresentado no display e que refere a cada um desses parâmetros a serem inseridos;
• Certifique-se da possibilidade do seu inversor conter diferentes aplicabilidades (controle escalar ou controle vetorial). Escolha a de interesse;
• Insira, para cada um dos diferentes códigos do inversor, os respectivos valores de rendimento do motor, tensão nominal do motor, corrente nominal do motor, rotação do motor (rpm), frequência do motor (normalmente 60 Hz no Brasil), potência nominal do motor e fator de potência, que são encontrados na placa do motor elétrico;
• O rendimento do motor elétrico é importante para o controle de velocidade correto do inversor de frequência. Caso seja inserido o valor incorreto ou impreciso, ocorre o cálculo incorreto da compensação de escorregamento e, portanto, na imprecisão do controle de velocidade do motor elétrico trifásico.

Criatividade e relações entre inversores

Um ponto importante que deve ser dito, é que é possível relacionar o funcionamento de mais de um inversor de frequência.

Por exemplo, em uma máquina que é guiada por esteira ou por guias lineares e acionado por motores elétricos trifásicos, por exemplo, é possível relacionar a velocidade de deslocamento linear com a velocidade de outra função da máquina, como a de rotacionar um aro para enfaixar (envolver) um produto, como uma embalagem ou ainda um deslocamento linear vertical para corte.

Assim, se devidamente calculado, pode-se obter uma relação de que, para um deslocamento linear de interesse, tem-se uma rotação de uma máquina de enfaixar que corresponde, finalmente, ao passo de enfaixamento de interesse.

Com esse pequeno e simples exemplo que faz alusão às máquinas que são encontradas no mercado, ressaltamos que há a possibilidade de relacionar os diferentes inversores para um objetivo final.

Recursos adicionais em inversores

Os inversores encontrados no mercado podem lhe fornecer mais do que a sua função básica, ou seja, você pode se deparar com recursos adicionais que podem ser relevantes para a sua aplicação.

Desta forma, listamos alguns recursos adicionais que podem ser interessantes para o seu escopo de trabalho. Confira-os abaixo.

• Proteções

Os inversores podem proteger o seu sistema motor-inversor utilizando relés eletrônicos, entre outros dispositivos. Com isso, é possível obter as seguintes proteções:

• Proteção contra sobrecorrente: O inversor é desligado ou tem a sua potência reduzida ao detectar correntes acima dos níveis seguros, de forma que o motor e o inversor sejam protegidos;
• Proteção contra sobretensão e subtensão: O inversor protege o motor e o inversor contra picos ou quedas de tensão na rede elétrica;
• Proteção contra superaquecimento: O inversor pode contar com sensores que monitoram a temperatura do inversor e do motor. Caso o sistema detecte superaquecimento, a carga reduz ou é desligado;
• Proteção contra curto-circuito: Detecta e reage rapidamente para evitar danos ao inversor e ao motor em caso de curto-circuito;
• Proteção contra falta de fase: Detecta a falta de uma fase de alimentação e protege o sistema de operação inadequada ou danos;
• Proteção contra sobrecarga térmica: Impede que o motor opere acima de sua capacidade térmica por longos períodos.

• Alertas e diagnósticos

Além de detectar problemas, os inversores podem ser capazes de emitir alarmes de diversos tipos. Além disso, alguns inversores podem armazenar as falhas em histórico, para que este seja utilizado para análise de padrões.

• Alarmes e avisos programáveis: Alertas visuais e sonoros que notificam o operador sobre condições anormais, como sobrecarga, aquecimento excessivo ou problemas de comunicação;
• Detecção de falhas: Identificação de falhas específicas por sistema interno de diagnóstico, permitindo que os operadores tomem medidas corretivas rapidamente;
• Registro de falhas: Armazena os eventos de falha mais recentes, facilitando o diagnóstico e a manutenção do sistema.

• Recursos de monitoramento e controle

Muitos inversores possibilitam o monitoramento em sua própria interface ou em computadores conectados.

De modo geral, os inversores podem  lhe proporcionar os seguintes recursos para monitoramento:

• Gráficos de desempenho: Muitos inversores têm telas ou sistemas que exibem gráficos de desempenho em tempo real, como curvas de velocidade, corrente e torque, permitindo ajustes finos;
• Histórico de dados: Registro de dados operacionais como consumo de energia, temperatura e número de partidas e paradas, permitindo análises detalhadas de desempenho ao longo do tempo;
• Monitoramento remoto: Conectividade via protocolos como Modbus, Ethernet/IP ou Profibus, permitindo o controle e monitoramento remoto de parâmetros do inversor.

• Funções de controle avançado

Inversores podem lhe proporcionar funções avançadas e que podem variar de acordo com o tipo de inversor (escalar ou vetorial).

• Controle vetorial (V/F e FOC): Oferece controle preciso de torque e velocidade, particularmente útil em aplicações que exigem alta precisão, como guinchos e extrusoras;
• Controle de torque: Ajusta automaticamente o torque do motor para se adequar à carga, melhorando o desempenho e a eficiência;
• Economia de energia (ECO mode): Reduz o consumo de energia ajustando automaticamente a operação do motor em função da carga;
• PID integrado: Controladores PID (Proporcional-Integral-Derivativo) integrados permitem que o inversor ajuste a saída de acordo com as condições variáveis do processo, mantendo o controle fino de variáveis como pressão ou temperatura.

• Recursos de interface com o usuário

Os inversores podem proporcionar uma navegação mais simples e intuitiva, para que você tenha total controle sobre os ajustes.

• Display gráfico ou touchscreen: Interfaces modernas com telas LCD ou touch facilitam a programação, monitoramento e diagnóstico;
• Assistente de inicialização: Programas de assistente que ajudam a configurar o inversor com base em parâmetros comuns, simplificando o processo de comissionamento;
• Controle via app mobile: Alguns inversores possuem conectividade Bluetooth ou Wi-Fi, permitindo monitoramento e controle via aplicativos para smartphone ou tablet;

• Segurança funcional

Nota-se que as funcionalidades mais avançadas podem ter relação com o tipo de inversor mais complexo – vetorial.

• Parada segura (Safe Torque Off, STO): Funcionalidade que desliga o torque do motor sem desconectar o inversor da alimentação, cumprindo os requisitos de segurança para paradas de emergência.
• Bloqueio de programação: Protege a configuração do inversor contra alterações não autorizadas.

• Recursos para eficiência

Diversos inversores proporcionam recursos que proporcionam uma operação mais eficiente.

• Bypass integrado: Em alguns casos, o inversor pode incluir um bypass automático para permitir a operação direta do motor da rede elétrica, reduzindo a complexidade do sistema.
• Autoajuste do motor: O inversor pode realizar ajustes automáticos com base nas características do motor para otimizar a operação.

• Comunicação e Integração

Você pode considerar o tipo de protocolo de comunicação que deseja para o seu inversor.

• Protocolos de comunicação: Integração com sistemas de automação através de diversos protocolos industriais, como CANopen, Modbus RTU/TCP, Profibus, Profinet, Ethernet/IP, entre outros.
• Webserver integrado: Permite o acesso remoto ao inversor através de uma interface web, facilitando a visualização de parâmetros e diagnósticos sem necessidade de software adicional.

Restrições

Como se sabe, o inversor de frequência atua no motor elétrico trifásico para ajustar a sua velocidade, para mais ou para menos, de modo que o usuário possa desfrutar de uma velocidade que difere da oferecida pelo fabricante do motor.

Contudo, é necessário observar que as rotações menores do que a nominal, não são prejudiciais para o seu motor.

Já as rotações superiores à oferecida pelo motor elétrico, pode ser um problema.

Como os motores elétricos trifásicos são projetados considerando limites superiores de velocidade, tensão, corrente, entre outros, que não podem ser excedidos, vemos aí que o inversor de frequência deve ser utilizado com responsabilidade.

Por isso, tem-se uma velocidade máxima de aplicação do inversor de frequência, de modo que o mesmo não prejudique a integridade do motor.

Manutenção de inversores frequência

Para realizar a manutenção em inversores de frequência, daremos passos gerais e que podem variar de acordo com o modelo do dispositivo, bem como a sua necessidade. 

Além disso, é importante também dizer que é imprescindível envolver profissionais capacitados para realizar tal manutenção, bem como ter o manual do dispositivo em mãos.

• Desenergização: antes de mais nada, desenergizar o inversor de frequência, desconectando a alimentação principal do motor elétrico e certifique-se do realizado;
• Inspeção visual: observe se não há danos, cabos soltos ou desgastados, conectores queimadores que fujam do aspecto normal;
• Limpeza: remova poeira e sujeira através de ar comprimido ou aspirador de pó. É importante para que os ventiladores e dissipadores de calor sejam efetivos;
• Teste de funcionamento: execute testes para promover o funcionamento básico do dispositivo e veja se o motor elétrico responde aos comandos do dispositivo;
• Revisão dos parâmetros: certifique-se de que os parâmetros estão inseridos corretamente no inversor. Consulte a placa do motor elétrico;
• Atualização de firmware: procure saber se há atualizações disponíveis para o inversor e, se aplicável, atualize-o;
• Medições elétricas: Utilize instrumentos de medição para verificar a condição da rede elétrica. Para isso, certifique-se também de que o seu medidor esteja com boa reprodutibilidade e repetibilidade;
• Certificação: pesquise a última vez que o dispositivo sofreu manutenção e entre em contato com o manutentor. Para que isso ocorra fluidamente, registre sempre as manutenções realizadas;

Com isso, damos fim a um conteúdo que é rico em informação. Aqui, podemos considerar os benefícios, limitações e até mesmo dicas de como utilizar um inversor de frequência.

É claro, torna-se imprescindível adequar cada uma das dicas e informações acima para a sua realidade fabril.

Já para garantir um dispositivo que contenha um funcionamento exemplar, damos a última dica: confira os nossos inversores de frequência no nosso site.

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