Já alguma vez se perguntou como funcionam os conversores de frequência e porque são essenciais nos sistemas eléctricos modernos? Este artigo analisa 40 perguntas frequentes sobre conversores de frequência, esclarecendo as suas funções, diferenças nas técnicas de modulação e aplicações práticas. Ficará a conhecer o seu impacto no desempenho do motor, na eficiência energética e na segurança operacional. Quer seja um engenheiro experiente ou apenas curioso, este guia abrangente irá melhorar a sua compreensão destes dispositivos vitais.
Um conversor de frequência é um dispositivo elétrico que ajusta a frequência de uma fonte de alimentação utilizando dispositivos semicondutores de potência para ligar e desligar. Pode desempenhar várias funções, incluindo arranque suave, regulação da velocidade de conversão de frequência, aumento da precisão operacional, ajuste do fator de potência e proteção contra sobrecorrente, sobretensão e sobrecarga.
PWM significa Modulação da Largura de Impulso e é uma técnica para ajustar a saída e a forma de onda alterando a largura dos impulsos num comboio de impulsos.
PAM significa Pulse Amplitude Modulation (Modulação de Amplitude de Impulso) e é um método de ajustar o valor de saída e a forma de onda alterando a amplitude dos impulsos num comboio de impulsos de acordo com uma lei específica.
O circuito principal de um conversor de frequência pode ser classificado, em termos gerais, em dois tipos:
O conversor de frequência do tipo tensão converte a fonte de tensão DC em AC. O filtro do circuito CC neste tipo de conversor de frequência é um condensador.
O conversor de frequência em modo de corrente, por outro lado, converte a fonte de corrente DC em AC. O filtro de circuito DC neste tipo de conversor de frequência é um indutor.
O binário eletromagnético de um motor é gerado pela interação entre a corrente e o fluxo magnético. É crucial manter a corrente dentro do valor nominal para evitar o sobreaquecimento do motor.
Se o fluxo magnético diminuir, o binário eletromagnético também diminuirá, levando a uma redução da capacidade de carga do motor.
Como se pode ver na fórmula E=4,44KFNΦ, durante a regulação da velocidade de frequência variável, o circuito magnético do motor muda significativamente com a frequência de funcionamento fX, o que pode facilmente causar a saturação do circuito magnético, levando a uma grave distorção da forma de onda da corrente de excitação e a uma corrente de pico elevada.
Para evitar um campo magnético fraco e a saturação magnética, é importante alterar a frequência e a tensão em proporção, ou seja, controlar a tensão de saída do conversor de frequência enquanto se altera a frequência para manter um determinado nível de fluxo magnético no motor.
Este modo de controlo é normalmente utilizado em conversores de frequência economizadores de energia para ventiladores e bombas.
Quando a frequência diminui (a baixa velocidade), se for mantida a mesma potência de saída (potência constante), a corrente aumentará. No entanto, se for mantida a condição de um determinado binário (binário constante), a corrente permanece praticamente inalterada.
O conversor de frequência é utilizado durante o funcionamento, aumentando gradualmente a frequência e a tensão do motor. A corrente de arranque é limitada a menos de 150% da corrente nominal (variando entre 125% e 200% consoante os diferentes modelos).
Em contrapartida, ao arrancar diretamente com uma fonte de alimentação de frequência, a corrente de arranque pode atingir 6 a 7 vezes a corrente nominal, causando impacto mecânico e elétrico.
Ao utilizar o conversor de frequência, o processo de arranque torna-se mais suave, com uma corrente de arranque de 1,2 a 1,5 vezes a corrente nominal e um binário de arranque de 70% a 120% do binário nominal.
Para conversores de frequência com função de aumento automático de binário, o binário de arranque excede 100% e permite o arranque com carga total.
À medida que a frequência diminui, a tensão (V) também diminui proporcionalmente. Esta relação entre V e f foi explicada anteriormente na resposta 4.
A relação proporcional entre V e f é pré-determinada com base nas características do motor. Tipicamente, várias opções de características são armazenadas no dispositivo de memória (ROM) do controlador e podem ser seleccionadas através de um interrutor ou seletor.
Quando a tensão é reduzida na proporção em que a frequência diminui, o binário de terra gerado a baixa velocidade tende a diminuir, uma vez que a impedância CA se torna menor e a resistência CC permanece inalterada.
Para obter um determinado binário de arranque a baixa frequência, a tensão de saída deve ser aumentada. Esta compensação é conhecida como arranque melhorado.
Pode ser conseguido através de vários métodos, incluindo um método automático, seleccionando um modo V/f ou ajustando um potenciómetro.
Embora a potência ainda possa ser emitida abaixo de 6Hz, a frequência mínima utilizável é de cerca de 6Hz, tendo em conta factores como aumento da temperatura do motorO motor pode produzir o binário nominal, o binário de arranque e outras condições. Com esta frequência, o motor pode produzir o binário nominal sem causar problemas de aquecimento significativos.
A frequência de saída efectiva (frequência de arranque) do conversor de frequência varia entre 0,5 e 3 Hz, dependendo do modelo.
Normalmente, não. Quando a tensão é superior a 60Hz (também existem modos acima de 50Hz), apresenta uma caraterística de potência constante, exigindo o mesmo binário a alta velocidade.
O dispositivo do motor utilizado está equipado com um detetor de velocidade (PG) que alimenta o dispositivo de controlo com a velocidade real para controlo, referido como um "circuito fechado". Por outro lado, um dispositivo motor sem operação PG é chamado de "circuito aberto".
A maioria dos conversores de frequência funciona em modo de circuito aberto, embora algumas máquinas ofereçam a opção de feedback PG.
O modo de controlo em circuito fechado sem sensor de velocidade calcula a velocidade real do motor utilizando um modelo matemático pré-determinado e o fluxo magnético, formando efetivamente um controlo em circuito fechado com um sensor de velocidade virtual.
Num sistema de circuito aberto, mesmo que o conversor de frequência produza uma frequência específica, a velocidade do motor pode mudar dentro do intervalo da taxa de escorregamento nominal (1% a 5%) quando está a funcionar com uma carga.
Para aplicações que requerem uma elevada precisão de regulação da velocidade e que exigem que o motor funcione próximo da velocidade especificada, mesmo que a carga mude, pode ser utilizado um conversor de frequência com função de feedback PG (como caraterística opcional).
O conversor de frequência com função de feedback PG melhora a precisão. No entanto, a precisão da velocidade depende tanto da precisão do PG como da resolução da frequência de saída do conversor de frequência.
Se o tempo de aceleração especificado for demasiado curto e a frequência de saída do conversor de frequência mudar muito mais rapidamente do que a alteração da velocidade (frequência angular eléctrica), o conversor de frequência pode disparar e deixar de funcionar devido a sobreintensidade, o que se designa por perda de carga.
Para evitar a paragem e assegurar que o motor continua a funcionar, é necessário monitorizar a corrente e controlar a frequência.
Se a corrente de aceleração se tornar demasiado elevada, a taxa de aceleração deve ser reduzida em conformidade. O mesmo se aplica durante a desaceleração.
A combinação destas acções é conhecida como a função de paragem.
A aceleração e a desaceleração podem ser especificadas separadamente. Isto é adequado para uma aceleração de curta duração e uma desaceleração lenta, ou para pequenas máquinas-ferramentas em que o tempo de batimento da produção tem de ser rigorosamente definido.
No entanto, para transmissões de ventilador e outras aplicações com tempos de aceleração e desaceleração longos, os tempos de aceleração e desaceleração podem ser especificados em conjunto.
Se a frequência de comando do motor for reduzida durante o funcionamento, o motor torna-se um gerador assíncrono e actua como um travão, conhecido como travagem regenerativa (eléctrica).
A energia gerada pelo motor durante a travagem regenerativa é armazenada no condensador do filtro do conversor de frequência.
No entanto, a força de travagem regenerativa de um conversor de frequência geral é limitada a cerca de 10% a 20% do binário nominal devido à relação entre a capacidade do condensador e a tensão suportável.
Com a utilização de uma unidade de travagem opcional, a força de travagem regenerativa pode ser aumentada para 50% a 100%.
As funções de proteção podem ser divididas em duas categorias:
(1) Executa automaticamente acções de correção após a deteção de um estado anormal, como a prevenção de paragens por sobreintensidade e a prevenção de paragens por sobretensão de regeneração.
(2) Bloqueia o sinal de controlo PWM do dispositivo semicondutor de potência após a deteção de uma anomalia, provocando a paragem automática do motor. Os exemplos incluem corte de sobrecorrente, corte de sobretensão de regeneração, sobreaquecimento da ventoinha de arrefecimento do semicondutor e proteção contra falha de energia instantânea.
Quando é utilizada uma embraiagem para ligar a carga, o motor passa subitamente de um estado sem carga para uma área com uma elevada taxa de escorregamento no momento da ligação. O grande fluxo de corrente resultante faz com que o conversor de frequência dispare devido a sobrecorrente, impedindo o funcionamento.
Quando o motor arranca, flui uma corrente de arranque proporcional à sua capacidade, causando uma queda de tensão no transformador no lado do estator do motor. Se o motor tiver uma grande capacidade, esta queda de tensão pode ter um impacto significativo.
Um conversor de frequência ligado ao mesmo transformador pode detetar uma subtensão ou desencadear uma paragem instantânea. Consequentemente, a função de proteção (IPE) pode ser activada, provocando a paragem do funcionamento.
Para conversores de frequência controlados digitalmente, mesmo que o comando de frequência seja um sinal analógico, a frequência de saída é definida em incrementos. A unidade mais pequena deste incremento é designada por resolução de conversão de frequência, que é tipicamente de 0,015 a 0,5Hz.
Por exemplo, se a resolução for 0,5 Hz, a frequência pode ser alterada em incrementos de 0,5 Hz, como de 23 Hz para 23,5 Hz e 24,0 Hz, fazendo com que o motor também funcione em incrementos.
Isto pode criar problemas em aplicações que exijam um controlo contínuo do enrolamento. Nestes casos, recomenda-se uma resolução de cerca de 0,015Hz. Com esta resolução, uma diferença de uma fase num motor de 4 fases é inferior a 1R/min, proporcionando uma precisão suficiente. Note-se que a resolução especificada para alguns modelos pode não corresponder à resolução de saída efectiva.
O efeito de arrefecimento do conversor de frequência é considerado na conceção da sua estrutura interna e traseira. A ventilação adequada também depende da orientação da unidade.
Por conseguinte, recomenda-se que as unidades do tipo painel e as unidades montadas na parede sejam instaladas verticalmente sempre que possível.
O arranque de um motor a uma frequência muito baixa é possível, mas se a frequência especificada for elevada, é semelhante ao arranque direto com uma fonte de alimentação de frequência de potência. Isto resultará numa corrente de arranque elevada (6 a 7 vezes a corrente nominal), provocando o disparo do conversor de frequência devido a sobreintensidade e impedindo o arranque do motor.
Os seguintes itens devem ser tidos em conta quando se opera acima de 60Hz:
(1) Assegurar que as máquinas e os dispositivos possam funcionar a essa velocidade, tendo em conta factores como a resistência mecânica, o ruído e as vibrações.
(2) Quando o motor atinge a gama de potência de saída constante, o seu binário de saída deve ser suficiente para manter o funcionamento. Note-se que a potência de saída do ventilador, da bomba e de outros veios aumenta proporcionalmente ao cubo da velocidade, pelo que é necessário ter cuidado quando a velocidade aumenta.
(3) Considerar o impacto na vida útil dos rolamentos.
(4) Para motores de capacidade média ou superior, especialmente motores de 2 pólos, é importante consultar o fabricante antes de operar acima de 60Hz.
Ao utilizar um redutor, há que ter em conta vários aspectos, em função da sua estrutura e método de lubrificação.
Nas estruturas de engrenagens, deve ser considerado um limite máximo de 70 a 80 Hz.
Quando se utiliza lubrificação a óleo, o funcionamento contínuo a baixa velocidade pode causar danos na engrenagem.
Basicamente, não. Para motores monofásicos com um tipo de arranque por interrutor do regulador, o enrolamento auxiliar pode queimar na gama de regulação de velocidade abaixo do ponto de funcionamento.
No arranque do condensador ou no modo de funcionamento do condensador, podem ocorrer explosões do condensador.
A fonte de alimentação dos conversores de frequência é tipicamente trifásica, mas para pequenas capacidades, pode também ser utilizada uma fonte de alimentação monofásica.
A eficiência de um conversor de frequência depende de vários factores, incluindo o modelo, o estado de funcionamento e a frequência de utilização. É difícil dar uma resposta definitiva.
No entanto, estima-se que a eficiência dos conversores de frequência que funcionam abaixo de 60Hz é de aproximadamente 94% a 96%. Este valor pode ser utilizado como base para o cálculo das perdas.
É importante notar que o consumo de energia pode ser mais elevado se se considerar a perda durante a travagem.
A conceção de um painel de operações eficaz é também crucial e deve ser objeto de uma atenção especial.
Geralmente, o motor é arrefecido por um ventilador externo instalado no eixo ou por pás no anel da extremidade do rotor.
Se a velocidade for reduzida, o efeito de arrefecimento também diminuirá, tornando-o incapaz de lidar com o mesmo nível de calor que teria durante o funcionamento a alta velocidade.
Para evitar isto, é necessário reduzir o binário de carga a baixa velocidade, utilizar um conversor de frequência de elevada capacidade em combinação com o motor ou escolher um motor especial concebido para funcionamento a baixa velocidade.
A fonte de energia para o circuito de excitação do travão deve ser retirada do lado de entrada do conversor de frequência.
Se o travão engatar enquanto o conversor de frequência ainda está a produzir energia, pode resultar num corte por sobreintensidade.
Para evitar isto, é importante assegurar que o travão só engata depois de o conversor de frequência ter parado de produzir energia.
No que diz respeito ao impacto do condensador do conversor de frequência no fator de potência efetivo após a remoção do conversor de frequência, devem ser tomadas medidas para melhorar o fator de potência causado pela corrente que flui para o condensador do conversor de frequência.
Embora o conversor de frequência seja um dispositivo estático, também inclui componentes consumíveis, tais como condensadores de filtro e ventiladores de arrefecimento.
Com uma manutenção adequada, é de esperar que estes componentes tenham uma vida útil superior a 10 anos.
Para modelos de pequena capacidade com ou sem ventoinhas de arrefecimento:
Nos modelos com ventiladores, o ar flui de baixo para cima, pelo que é importante não colocar qualquer equipamento mecânico que possa obstruir a aspiração e a exaustão nas partes superior e inferior do local onde o conversor de frequência está instalado.
Além disso, também é importante evitar colocar componentes sensíveis ao calor por cima do conversor de frequência.
Em caso de falha do ventilador, o conversor de frequência é protegido pela deteção de paragem do ventilador elétrico ou pela deteção de sobreaquecimento do ventilador de arrefecimento.
No caso do condensador utilizado como condensador de filtro, a sua capacidade eletrostática diminui gradualmente com o tempo.
Recomenda-se a medição regular da capacidade eletrostática e a avaliação da sua vida útil com base no facto de ter atingido 85% da capacidade nominal do produto.
Normalmente, o condensador deve ser armazenado num recipiente em forma de disco.
No entanto, os contentores em forma de disco totalmente fechados podem ser bastante grandes, ocupam uma quantidade significativa de espaço e são relativamente caros.
Para resolver estes problemas, podem ser adoptadas as seguintes medidas:
(1) A conceção do disco deve ter em conta os requisitos de dissipação de calor do dispositivo;
(2) Podem ser utilizadas alhetas de alumínio e um líquido de arrefecimento com alhetas para aumentar a área de arrefecimento.
Para reduzir a interferência harmónica de ordem superior na corrente de entrada e melhorar o fator de potência da fonte de alimentação de entrada.
O filtro sinusoidal permite que o conversor de frequência funcione com um cabo de motor longo e também é adequado para circuitos que incluem um transformador intermédio entre o conversor de frequência e o motor.
O valor da resistência do potenciómetro fornecido com o conversor de frequência situa-se normalmente na gama de 1K Ω a 10K Ω.
(1) Interferência de radiação;
(2) Interferências por condução.
No caso dos sinais de interferência transmitidos por radiação, estes podem ser eficazmente reduzidos através do encaminhamento e proteção adequados da fonte de radiação e da linha perturbada.
Os sinais de interferência transmitidos através da linha podem ser tratados através da adição de filtros, reactores ou anéis magnéticos nos lados de entrada e saída do conversor de frequência.
Os métodos e precauções específicos para reduzir as interferências são os seguintes
(1) As linhas de sinal e de eletricidade devem ser cruzadas ou agrupadas verticalmente.
(2) Evitar ligar fios feitos de diferentes metais um ao outro.
(3) A camada de blindagem deve ser corretamente ligada à terra e a ligação à terra deve ser contínua e fiável ao longo de todo o seu comprimento.
(4) Nos circuitos de sinal, deve ser utilizado um cabo blindado de par entrançado.
(5) O ponto de ligação à terra da camada de proteção deve estar o mais afastado possível do conversor de frequência e separado do ponto de ligação à terra do conversor de frequência.
(6) Pode ser utilizado um anel magnético na linha de alimentação de entrada e na linha de saída do conversor de frequência.
O método específico de utilização de um anel magnético é o seguinte: A linha de entrada pode ser enrolada quatro vezes na mesma direção, enquanto a linha de saída pode ser enrolada três vezes na mesma direção.
É importante manter o anel magnético o mais próximo possível do conversor de frequência durante o enrolamento.
(7) Além disso, para evitar interferências, podem ser aplicadas medidas de proteção e outras medidas anti-interferência aos equipamentos e instrumentos perturbados.
A potência consumida pela correia transportadora é diretamente proporcional à sua velocidade.
Por conseguinte, se pretender operar a 80Hz, a potência do conversor de frequência e do motor deve ser aumentada proporcionalmente, o que significa um aumento de 60% da capacidade de 50Hz. Isto significa que a capacidade do conversor de frequência e do motor deve ser aumentada em 60%.
No controlo VVC (Tensão Variável e Frequência Variável), o circuito de controlo utiliza um modelo matemático para calcular a excitação ideal do motor em resposta a alterações na carga do motor e compensa a carga em conformidade.
Além disso, o circuito de controlo incorpora um método PWM síncrono de 60° implementado num ASIC (Application-Specific Integrated Circuit) que determina o tempo de comutação ideal para os dispositivos semicondutores do inversor (IGBTs).
O circuito geral de uma fonte de alimentação de frequência variável é composto por componentes como corrente constante CA e filtros CA, resultando em formas de onda de tensão e corrente de saída de onda sinusoidal pura que se assemelham muito a uma fonte de alimentação CA ideal.
É capaz de gerar a tensão e a frequência da rede para qualquer país do mundo.
Por outro lado, o conversor de frequência é constituído por componentes como a corrente alternada constante AC (onda de modulação) e outros circuitos. O nome padrão para este dispositivo é regulador de frequência variável.
No entanto, a forma de onda da tensão de saída do conversor de frequência é uma onda quadrada de impulsos com numerosos componentes harmónicos. A tensão e a frequência mudam proporcionalmente ao mesmo tempo e não podem ser ajustadas independentemente, tornando-as inadequadas para utilização como fonte de alimentação.
Normalmente, só é utilizado para regular a velocidade de um motor assíncrono trifásico.
Como fundador da MachineMFG, dediquei mais de uma década da minha carreira à indústria metalúrgica. A minha vasta experiência permitiu-me tornar-me um especialista nos domínios do fabrico de chapas metálicas, maquinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou constantemente a pensar, a ler e a escrever sobre estes assuntos, esforçando-me constantemente por me manter na vanguarda da minha área. Deixe que os meus conhecimentos e experiência sejam uma mais-valia para a sua empresa.
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