Você já se perguntou como funcionam os conversores de frequência e por que eles são essenciais nos sistemas elétricos modernos? Este artigo analisa 40 perguntas frequentes sobre conversores de frequência, esclarecendo suas funções, diferenças nas técnicas de modulação e aplicações práticas. Você aprenderá sobre o impacto deles no desempenho do motor, na eficiência energética e na segurança operacional. Seja você um engenheiro experiente ou apenas um curioso, este guia abrangente aumentará sua compreensão sobre esses dispositivos vitais.
Um conversor de frequência é um dispositivo elétrico que ajusta a frequência de uma fonte de alimentação usando dispositivos semicondutores de potência para ligar e desligar. Ele pode executar várias funções, incluindo partida suave, regulagem da velocidade de conversão de frequência, aumento da precisão operacional, ajuste do fator de potência e proteção contra sobrecorrente, sobretensão e sobrecarga.
PWM significa Pulse Width Modulation (modulação por largura de pulso) e é uma técnica para ajustar a saída e a forma de onda alterando a largura dos pulsos em um trem de pulsos.
PAM significa Pulse Amplitude Modulation (Modulação de amplitude de pulso) e é um método de ajustar o valor de saída e a forma de onda alterando a amplitude dos pulsos em um trem de pulsos de acordo com uma lei específica.
O circuito principal de um conversor de frequência pode ser classificado em dois tipos:
O conversor de frequência do tipo tensão converte a fonte de tensão CC em CA. O filtro do circuito CC nesse tipo de conversor de frequência é um capacitor.
O conversor de frequência de modo de corrente, por outro lado, converte a fonte de corrente CC em CA. O filtro de loop CC nesse tipo de conversor de frequência é um indutor.
O torque eletromagnético de um motor é gerado pela interação entre a corrente e o fluxo magnético. É fundamental manter a corrente dentro do valor nominal para evitar o superaquecimento do motor.
Se o fluxo magnético diminuir, o torque eletromagnético também diminuirá, levando a uma redução na capacidade de carga do motor.
Como visto na fórmula E=4,44KFNΦ, durante a regulagem de velocidade de frequência variável, o circuito magnético do motor muda significativamente com a frequência de operação 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 alta corrente de pico.
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 altera a frequência para manter um determinado nível de fluxo magnético no motor.
Esse modo de controle é comumente usado em conversores de frequência que economizam energia para ventiladores e bombas.
Quando a frequência diminui (em baixa velocidade), se a mesma potência de saída for mantida (potência constante), a corrente aumentará. Entretanto, se a condição de um determinado torque for mantida (torque constante), a corrente permanecerá praticamente inalterada.
O conversor de frequência é utilizado durante a operação, aumentando gradualmente a frequência e a tensão do motor. A corrente de partida é limitada a menos de 150% da corrente nominal (variando de 125% a 200%, dependendo dos diferentes modelos).
Por outro lado, ao dar partida diretamente com uma fonte de alimentação de frequência de potência, a corrente de partida pode atingir de 6 a 7 vezes a corrente nominal, causando impacto mecânico e elétrico.
Ao usar o acionamento do conversor de frequência, o processo de partida se torna mais suave, com uma corrente de partida de 1,2 a 1,5 vezes a corrente nominal e um torque de partida de 70% a 120% do torque nominal.
Para conversores de frequência com função de aprimoramento automático de torque, o torque de partida excede 100% e permite a partida com carga total.
À medida que a frequência diminui, a tensão (V) também diminui proporcionalmente. Essa relação entre V e f foi explicada anteriormente na resposta 4.
A relação proporcional entre V e f é predeterminada com base nas características do motor. Normalmente, várias opções de características são armazenadas no dispositivo de memória (ROM) do controlador e podem ser selecionadas por meio de uma chave ou botão giratório.
Quando a tensão é reduzida proporcionalmente à diminuição da frequência, o torque de aterramento gerado em baixa velocidade tende a diminuir à medida que a impedância CA se torna menor e a resistência CC permanece inalterada.
Para obter um determinado torque de partida em baixa frequência, a tensão de saída deve ser aumentada. Essa compensação é conhecida como partida aprimorada.
Isso pode ser obtido por meio de vários métodos, incluindo um método automático, a seleção de um modo V/f ou o ajuste de um potenciômetro.
Embora a potência ainda possa ser emitida abaixo de 6 Hz, a frequência mínima utilizável é de cerca de 6 Hz, considerando fatores como aumento da temperatura do motortorque inicial e outras condições. Nessa frequência, o motor pode produzir o torque nominal sem causar problemas significativos de aquecimento.
A frequência de saída real (frequência inicial) do conversor de frequência varia de 0,5 a 3 Hz, dependendo do modelo.
Normalmente, não. Quando a tensão está acima de 60 Hz (também há modos acima de 50 Hz), ela apresenta uma característica de potência constante, exigindo o mesmo torque em alta velocidade.
O dispositivo do motor usado é equipado com um detector de velocidade (PG) que retroalimenta a velocidade real para o dispositivo de controle para controle, chamado de "loop fechado". Por outro lado, um dispositivo motor sem operação de PG é chamado de "loop aberto".
A maioria dos conversores de frequência opera em um modo de loop aberto, embora algumas máquinas ofereçam a opção de feedback PG.
O modo de controle de malha fechada sem sensor de velocidade calcula a velocidade real do motor usando um modelo matemático predeterminado e o fluxo magnético, formando efetivamente um controle de malha fechada com um sensor de velocidade virtual.
Em um sistema de malha aberta, mesmo que o conversor de frequência emita uma frequência específica, a velocidade do motor pode mudar dentro da faixa da taxa de escorregamento nominal (1% a 5%) quando ele estiver funcionando com uma carga.
Para aplicações que exigem alta precisão de regulagem de velocidade e requerem que o motor opere próximo à velocidade especificada, mesmo que a carga mude, um conversor de frequência com função de feedback PG pode ser usado (como um recurso opcional).
O conversor de frequência com função de feedback PG melhora a precisão. Entretanto, a precisão da velocidade depende tanto da precisão do PG quanto da resolução da frequência de saída do conversor de frequência.
Se o tempo de aceleração especificado for muito curto e a frequência de saída do conversor de frequência mudar muito mais rapidamente do que a mudança na velocidade (frequência angular elétrica), o conversor de frequência poderá disparar e parar de funcionar devido à sobrecorrente, o que é chamado de estol.
Para evitar a parada e garantir que o motor continue funcionando, é necessário monitorar a corrente e controlar a frequência.
Se a corrente de aceleração ficar muito alta, a taxa de aceleração deve ser reduzida de acordo. O mesmo se aplica durante a desaceleração.
A combinação dessas ações é conhecida como função de paralisação.
A aceleração e a desaceleração podem ser especificadas separadamente. Isso é adequado para aceleração de curta duração e desaceleração lenta, ou para pequenas máquinas-ferramentas em que o tempo de batimento da produção precisa ser estritamente definido.
No entanto, para transmissões de ventilador e outras aplicações com longos tempos de aceleração e desaceleração, os tempos de aceleração e desaceleração podem ser especificados juntos.
Se a frequência de comando do motor for reduzida durante a operação, o motor se tornará um gerador assíncrono e atuará como um freio, conhecido como frenagem regenerativa (elétrica).
A energia gerada pelo motor durante a frenagem regenerativa é armazenada no capacitor do filtro do conversor de frequência.
No entanto, a força de frenagem regenerativa de um conversor de frequência geral é limitada a cerca de 10% a 20% do torque nominal devido à relação entre a capacidade do capacitor e a tensão suportável.
Ao usar uma unidade de freio opcional, a força de frenagem regenerativa pode ser aumentada para 50% a 100%.
As funções de proteção podem ser divididas em duas categorias:
(1) Executa automaticamente ações de correção após a detecção de um estado anormal, como prevenção de paralisação por sobrecorrente e prevenção de paralisação por sobretensão de regeneração.
(2) Bloqueia o sinal de controle PWM do dispositivo semicondutor de potência após detectar uma anormalidade, fazendo com que o motor pare automaticamente. Os exemplos incluem corte de sobrecorrente, corte de sobretensão de regeneração, superaquecimento do ventilador de resfriamento do semicondutor e proteção contra falha de energia instantânea.
Quando uma embreagem é usada para conectar a carga, o motor passa repentinamente de um estado sem carga para uma área com uma alta taxa de escorregamento no momento da conexão. O grande fluxo de corrente resultante faz com que o conversor de frequência desarme devido à sobrecorrente, impedindo a operação.
Quando o motor der partida, uma corrente de partida proporcional à sua capacidade fluirá, causando uma queda de tensão no transformador no lado do estator do motor. Se o motor tiver uma grande capacidade, essa queda de tensão pode ter um impacto significativo.
Um conversor de frequência conectado ao mesmo transformador pode detectar uma subtensão ou acionar uma parada instantânea. Como resultado, a função de proteção (IPE) pode ser ativada, causando a interrupção da operação.
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 menor unidade desse incremento é chamada de resolução de conversão de frequência, que normalmente é de 0,015 a 0,5 Hz.
Por exemplo, se a resolução for de 0,5 Hz, a frequência poderá 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 opere em incrementos.
Isso pode criar problemas para aplicações que exigem controle contínuo do enrolamento. Nesses casos, recomenda-se uma resolução de cerca de 0,015Hz. Com essa resolução, a diferença de um estágio em um motor de 4 estágios é menor que 1R/min, o que proporciona precisão suficiente. Observe que a resolução especificada para alguns modelos pode não corresponder à resolução de saída real.
O efeito de resfriamento do conversor de frequência é considerado em seu projeto de estrutura interna e traseira. A ventilação adequada também depende da orientação da unidade.
Portanto, recomenda-se instalar unidades do tipo painel e unidades montadas na parede verticalmente sempre que possível.
É possível dar partida em um motor com frequência muito baixa, mas se a frequência especificada for alta, será semelhante à partida direta com uma fonte de alimentação de frequência de potência. Isso resultará em uma grande corrente de partida (6 a 7 vezes a corrente nominal), fazendo com que o conversor de frequência desarme devido à sobrecorrente e impedindo a partida do motor.
Os itens a seguir devem ser levados em consideração ao operar acima de 60 Hz:
(1) Certifique-se de que as máquinas e os dispositivos sejam capazes de operar nessa velocidade, levando em conta fatores como resistência mecânica, ruído e vibração.
(2) Quando o motor atinge a faixa de potência de saída constante, o torque de saída deve ser suficiente para manter a operação. Observe que a potência de saída do ventilador, da bomba e de outros eixos aumenta proporcionalmente ao cubo da velocidade, portanto, tenha cuidado quando a velocidade aumentar.
(3) Considere o impacto na vida útil do rolamento.
(4) Para motores com capacidade média ou superior, especialmente motores de dois polos, é importante consultar o fabricante antes de operar acima de 60 Hz.
Ao usar um redutor, várias questões devem ser levadas em conta, dependendo de sua estrutura e método de lubrificação.
Em estruturas de engrenagens, deve ser considerado um limite máximo de 70 a 80 Hz.
Ao usar lubrificação a óleo, a operação contínua em baixa velocidade pode causar danos à engrenagem.
Basicamente, não. Para motores monofásicos com partida por chave reguladora, o enrolamento auxiliar pode queimar na faixa de regulagem de velocidade abaixo do ponto de operação.
No modo de partida do capacitor ou de operação do capacitor, podem ocorrer explosões do capacitor.
A fonte de alimentação para conversores de frequência é normalmente trifásica, mas para pequenas capacidades, a fonte de alimentação monofásica também pode ser usada.
A eficiência de um conversor de frequência depende de vários fatores, incluindo o modelo, o estado operacional e a frequência de uso. É difícil fornecer uma resposta definitiva.
Entretanto, estima-se que a eficiência dos conversores de frequência que operam abaixo de 60 Hz seja de aproximadamente 94% a 96%. Isso pode ser usado como base para o cálculo de perdas.
É importante observar que o consumo de energia pode ser maior quando se considera a perda durante a frenagem.
O projeto de um painel de operação eficaz também é crucial e deve receber atenção cuidadosa.
Em geral, o motor é resfriado por um ventilador externo instalado no eixo ou por lâminas no anel da extremidade do rotor.
Se a velocidade for reduzida, o efeito de resfriamento também diminuirá, tornando-o incapaz de lidar com o mesmo nível de calor que teria durante a operação em alta velocidade.
Para evitar isso, é necessário reduzir o torque de carga em baixa velocidade, usar um conversor de frequência de alta capacidade em combinação com o motor ou escolher um motor especial projetado para operação em baixa velocidade.
A fonte de energia para o circuito de excitação do freio deve ser obtida do lado de entrada do conversor de frequência.
Se o freio for acionado enquanto o conversor de frequência ainda estiver emitindo energia, isso poderá resultar em um corte de sobrecorrente.
Para evitar isso, é importante garantir que o freio seja acionado somente depois que o conversor de frequência tiver parado de produzir energia.
Com relação ao impacto do capacitor 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 capacitor do conversor de frequência.
Embora o conversor de frequência seja um dispositivo estático, ele também inclui componentes consumíveis, como capacitores de filtro e ventiladores de resfriamento.
Com a manutenção adequada, pode-se esperar que esses componentes tenham uma vida útil de mais de 10 anos.
Para modelos de pequena capacidade com ou sem ventiladores de resfriamento:
Nos modelos com ventiladores, o ar flui de baixo para cima, portanto, é importante não colocar nenhum equipamento mecânico que possa obstruir a sucção 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 acima do conversor de frequência.
No caso de falha do ventilador, o conversor de frequência é protegido pela detecção de parada do ventilador elétrico ou pela detecção de superaquecimento no ventilador de resfriamento.
No caso do capacitor usado como capacitor de filtro, sua capacidade eletrostática diminui gradualmente com o tempo.
Recomenda-se medir regularmente a capacidade eletrostática e avaliar sua vida útil com base no fato de ter atingido 85% da capacidade nominal do produto.
Normalmente, o capacitor deve ser armazenado em um recipiente em forma de disco.
No entanto, os contêineres em forma de disco totalmente fechados podem ser bem grandes, ocupam uma quantidade significativa de espaço e são relativamente caros.
Para resolver esses problemas, as seguintes medidas podem ser tomadas:
(1) O design do disco deve levar em conta os requisitos de dissipação de calor do dispositivo;
(2) Aletas de alumínio e um líquido de arrefecimento com aletas podem ser usados para aumentar a área de resfriamento.
Para reduzir a interferência harmônica de alta ordem na corrente de entrada e melhorar o fator de potência da fonte de alimentação de entrada.
O filtro senoidal permite que o conversor de frequência funcione com um cabo de motor longo e também é apropriado para circuitos que incluem um transformador intermediário entre o conversor de frequência e o motor.
O valor da resistência do potenciômetro fornecido com o conversor de frequência normalmente está na faixa de 1K Ω a 10K Ω.
(1) Interferência de radiação;
(2) Interferência conduzida.
No caso de sinais de interferência transmitidos por radiação, eles podem ser reduzidos de forma eficaz com o roteamento e a blindagem adequados da fonte de radiação e da linha afetada.
Os sinais de interferência transmitidos pela linha podem ser tratados com a adição de filtros, reatores ou anéis magnéticos nos lados de entrada e saída do conversor de frequência.
Os métodos e as precauções específicos para reduzir a interferência são os seguintes:
(1) As linhas de sinal e de energia devem ser cruzadas ou agrupadas verticalmente.
(2) Evite conectar fios feitos de diferentes metais um ao outro.
(3) A camada de blindagem deve ser aterrada adequadamente e o aterramento deve ser contínuo e confiável em todo o seu comprimento.
(4) Um cabo blindado de par trançado deve ser usado nos circuitos de sinal.
(5) O ponto de aterramento da camada de blindagem deve estar o mais longe possível do conversor de frequência e separado do ponto de aterramento do conversor de frequência.
(6) Um anel magnético pode ser usado na linha de energia de entrada e na linha de saída do conversor de frequência.
O método específico para usar 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 implementadas medidas de blindagem e outras medidas anti-interferência para equipamentos e instrumentos perturbados.
A energia consumida pela correia transportadora é diretamente proporcional à sua velocidade.
Portanto, se você deseja operar a 80 Hz, a potência do conversor de frequência e do motor deve ser aumentada proporcionalmente, o que significa um aumento de 60% em relação à capacidade de 50 Hz. Isso significa que a capacidade do conversor de frequência e do motor deve ser aumentada em 60%.
No controle VVC (Variable Voltage and Variable Frequency), o circuito de controle utiliza um modelo matemático para calcular a excitação ideal do motor em resposta às mudanças na carga do motor e compensa a carga de acordo.
Além disso, o circuito de controle incorpora um método PWM síncrono de 60° implementado em um 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 de componentes como corrente constante CA e filtros CA, resultando em formas de onda de tensão e corrente de saída de onda senoidal pura que se assemelham muito à fonte de alimentação CA ideal.
Ele é capaz de gerar tensão e frequência de rede para qualquer país do mundo.
Por outro lado, o conversor de frequência é formado por componentes como corrente alternada constante (onda de modulação) e outros circuitos. O nome padrão para esse dispositivo é regulador de frequência variável.
Entretanto, a forma de onda da tensão de saída do conversor de frequência é uma onda quadrada de pulso com vários componentes harmônicos. A tensão e a frequência mudam proporcionalmente ao mesmo tempo e não podem ser ajustadas independentemente, tornando-as inadequadas para uso como fonte de alimentação.
Normalmente, ele é usado apenas para regular a velocidade de um motor assíncrono trifásico.
Como fundador do MachineMFG, dediquei mais de uma década de minha carreira ao setor de metalurgia. Minha vasta experiência permitiu que eu me tornasse um especialista nas áreas de fabricação de chapas metálicas, usinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou sempre pensando, lendo e escrevendo sobre esses assuntos, esforçando-me constantemente para permanecer na vanguarda do meu campo. Permita que meu conhecimento e experiência sejam um trunfo para sua empresa.
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