Frenagem de motores utilizadas em inversores de frequência.

Nesta postagem apresentaremos técnicas de frenagem de motores utilizadas em inversores de frequência e demonstrar que dependendo das características da carga acionada, a substituição de um sistema de frenagem dissipativa por um sistema regenerativo, torna-se uma opção muito interessante e com retorno relativamente rápido de investimento.

Tratando-se de inversores de frequência no controle de velocidade de motores, ações do tipo: desacelerar, parar e mudar de rotação requer antes de tudo um mecanismo de frenagem eficiente.

Frenagem, nada mais é do que a remoção da energia absorvida pelo motor durante o processo de aceleração.

Partindo da rotação zero, o eixo encontra-se obviamente parado e por inércia tende a ficar assim. Para romper esta barreira e elevar a rotação até um valor desejado, o inversor entrega determinada quantia de energia elétrica, que é então convertida em energia mecânica no eixo do motor. Produzindo assim a rotação desejada.

Uma vez acionado, para o motor retornar ao repouso é preciso frenar o eixo. No momento da frenagem, parte da energia entregue - que agora se encontra na forma de energia mecânica - ou é convertida em calor ou se transforma novamente em eletricidade e é devolvida para o inversor.

Quando o rotor de um motor a indução gira com velocidade menor que a frequência aplicada, ele transforma energia elétrica em energia mecânica, A este processo denomina-se “motorização”. Quando o rotor gira mais rápido que a velocidade de sincronismo definida pelo inversor - durante uma rampa, o motor passa então a transformar a energia mecânica absorvida em energia elétrica.

Em função deste comportamento - que depende das características da carga e do tipo de frenagem escolhido - necessitamos de um dispositivo ou técnica que seja capaz, para quando necessário, desviar a energia excedente e impedir a sobre tensão no barramento CC do inversor. A este procedimento damos o nome de frenagem.

Sobre o ato de frenar, duas considerações importantes precisam ser feitas: Como remover esta energia? E o que fazer com ela?

Podemos desviá-la de maneira mecânica ou elétrica, podendo ser diretamente convertida em calor, ou reaproveitada em equipamentos específicos para regeneração de energia.

FORMAS DE DESVIO

Desvio Mecânico

Através de um dispositivo mecânico, composto por um atuador e pastilhas de freio, sempre que for necessário parar o eixo do motor, as pastilhas são acionadas, e toda a energia mecânica do eixo se converte em calor nas pastilhas.

Desvio Elétrico

Neste caso, a energia mecânica contida no motor é convertida em energia elétrica, e nesta condição, ou é dissipada em forma de calor sobre resistores especiais e também no próprio motor, ou é regenerada e devolvida para a rede de alimentação C.A.

Desta forma se diz que quando o resultado da frenagem é convertido em calor, o método empregado é do tipo dissipativo; e quando o seu resultado é a geração de energia elétrica, o método é do tipo regenerativo. [3]

 

FATORES A SEREM OBSERVADOS NA ESCOLHA DE UM MÉTODO DE FRENAGEM.

Primeiramente devemos salientar que na escolha de um inversor de frequência para controle de um motor de indução, e por consequência, na escolha do método de frenagem, o foco principal deve ser exclusivamente as exigências requeridas pela aplicação em que o motor será utilizado. Ficando, portanto em segundo plano, observar se existe ou não possibilidade de reaproveitar parte da energia entregue ao conjunto inversor/motor/carga.

Considerando isto, os principais fatores a serem observados são:

a) Quantidade de frenagem necessária em cada ciclo de operação;

b) Qualidade do controle da frenagem exigida; e por último,

c) Tempo de resposta entre uma ação e outra.

Assumindo que a frenagem do tipo mecânica não oferece outra opção senão converter esta energia em calor, vamos nos limitar em estudar somente a respeito da frenagem elétrica.

 

FRENAGEM ELÉTRICA

Frenagem por injeção de CC (DC injection braking)

Através da injeção de corrente contínua no estator do motor, um campo magnético fixo é criado. Este se opõe ao movimento do eixo, que por sua vez tende a diminuir a sua rotação. Este procedimento resulta em calor, que é então dissipado pelo próprio motor.

Deve, portanto, ser utilizado de maneira intermitente, e com um rigoroso controle do tempo de inserção da corrente, afim de não danificar precocemente o motor. Como vantagem, dispensa a aquisição de hardware adicional.

 

Frenagem por Fluxo (Flux Braking)

Nesta técnica a corrente de fluxo é elevada quase ao valor da corrente nominal, aumentando assim as perdas no motor. Da mesma maneira que na injeção de CC, a energia do eixo é convertida em calor e dissipada pelo próprio motor. De mesmo modo, requer cautela e uso intermitente para não danificar o motor, e sua vantagem também reside no fato de não exigir hardware adicional.

Frenagem Dissipativa (Dinâmica)

Assim que o inversor começar a diminuir a velocidade do motor, por inércia imposta pela carga, o eixo tende a continuar na mesma rotação. Em função disto, o motor se comporta como um pequeno gerador devolvendo energia elétrica ao inversor.

A magnitude desta energia é diretamente proporcional à derivada da desaceleração do eixo que, por sua vez, está intimamente ligada com a inércia e energia mecânica (cinética) armazenada pelo conjunto carga/motor.

Este processo faz com que a tensão do barramento CC do inversor suba, e possa assumir valores acima do limite de segurança suportado pelo inversor. Em função disto, o inversor monitora o valor da tensão do barramento CC e sempre que esta ultrapassar os valores pré-definidos, ele gera um comando para um módulo extra, comumente chamado de “Braking Unit”. Este tem por função comutar em paralelo com os capacitores do barramento CC, um resistor especial. Desta forma, toda energia “extra” é por ele desviada, e dissipada por efeito Joule.

Esta técnica é muito eficiente, consegue atingir elevados torques de frenagem, e apesar de ser uma solução simples, sua resposta dinâmica é muito satisfatória.

Em contrapartida, existe o custo adicional para compra e instalação dos dois dispositivos necessários: o módulo de comutação (braking unit) e o resistor de dissipação. E além de toda a energia mecânica ser dissipada em forma de calor - sem nenhum benefício, a quantidade de frenagem em ciclo contínuo é limitada em função da capacidade de dissipação do resistor.

 

Frenagem Regenerativa

Nesta configuração, toda a energia gerada pelo motor no momento da frenagem, também é desviada para um módulo extra. Neste, a energia recebida é regenerada, sincronizada e devolvida para a rede de alimentação principal.

Este sistema de frenagem é, sem dúvida, o mais caro se comparado somente o custo de aquisição e instalação perante aos demais. Porém, é altamente eficiente e além de ser a melhor solução para ciclos de frenagem contínua, ela proporciona economia de energia elétrica.

Entretanto, seu emprego somente se torna viável quando instalado em cargas que tenham características regenerativas consideráveis.

 

CARGAS REGENERATIVAS

Teoricamente, a grande maioria das cargas acionadas por motores de indução comandados por inversores de frequência forma um conjunto com características regenerativas que, em maior ou menor magnitude, devolvem energia para o inversor no momento da desaceleração.

Como a magnitude desta energia devolvida é diretamente proporcional à energia mecânica (cinética) absorvida pelo conjunto carga/motor, somente cargas com grande potencial de absorção desta energia, são consideradas como cargas regenerativas. E, portanto, aplicações onde à possibilidade de um sistema de frenagem regenerativa se torna tanto economicamente como tecnicamente viável.

Exemplos de cargas que podem ser regenerativas são:

a) Elevadores de grande porte;

b) Bomba centrífuga;

c) Pontes rolantes;

d) Esteiras de transportes;

e) Grandes máquinas de usinagem.

De modo geral, aplicações que requerem a elevação, transporte de cargas pesadas, ou processos de relativa inércia com taxas de frenagem bruscas, são fortes candidatas a serem regenerativas.

 

FRENAGEM DISSIPATIVA X REGENERATIVA

Como exemplo, vamos utilizar uma determinada aplicação onde a potência média manipulada pelo conjunto inversor/motor/carga é da ordem de 75kW/h.

O processo consiste em elevar cargas extremamente pesadas a certa altura por uma ponte rolante, e reposicioná-las em lugares diferentes. Sendo, portanto um exemplo clássico de carga regenerativa.

No momento da desaceleração, observou-se que era requerido 80% do torque máximo, durante 20% do ciclo de operação. Neste caso, a solução tradicional seria utilizar um freio dissipativo e desviar toda a energia devolvida pelo motor no momento da desaceleração em um resistor.

Entretanto, face ao grande potencial regenerativo e a considerável potência manipulada, a substituição do sistema tradicional por um sistema de frenagem regenerativa, pode reaproveitar parte da energia consumida pelo inversor/motor e tornar-se uma proposta interessante.

SOLUÇÃO POR FRENAGEM DISSIPATIVA (DINÂMICA)

Juntando os dados de placa do motor com a inércia da carga, relação da caixa redutora, perfil de velocidade, torque, potência total da aplicação e ciclo de frenagem requerido, calcula-se a inércia total do sistema.

Através deste parâmetro, chega-se ao valor do pico máximo de potência devolvida ao inversor no momento da frenagem. Este valor servirá de base para determinar o valor ôhmico do resistor de freio, bem como a capacidade de comutação do módulo de chaveamento (braking unit).

Em seguida, deve-se ajustar no inversor, o parâmetro que define o máximo percentual de sobre passagem do valor nominal da tensão do barramento CC.

Feito isso, sempre que a tensão no barramento exceder o limite ajustado - em função de uma frenagem - um comando é gerado, e o módulo de frenagem comutará o resistor calculado, em paralelo como os capacitores do barramento CC. Com isso toda a energia “extra” será dissipada em forma de calor - devido ao efeito Joule-, evitando assim danos ao inversor.

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