Motor CC: Saiba como Funciona e de que forma Especificar.

Um motor cc nada mais é do que um motor alimentado por corrente contínua (CA), sendo esta alimentação proveniente de uma bateria ou qualquer outra de alimentação CC. A sua comutação (troca de energia entre rotor e estator) pode ser através de escovas (escovado) ou sem escovas (brushless) e com relação a velocidade, o motor cc pode ser controlado apenas variando a sua tensão, diferentemente de um motor elétrico de corrente alternada (CA) cuja a velocidade é variada pela frequência. Vejamos mais a frente como funciona este tipo de motor.

Como explicado, os motores elétricos CA necessitam de uma mudança na frequência caso houver a necessidade de variar sua velocidade, envolvendo assim um controle de velocidade mais complexo e dispendioso. Por outro lado, o motor cc precisa apenas de uma mudança no nível de tensão para que possamos variar sua velocidade- Assim, ele torna-se mais adequado para equipamentos alimentados por níveis de tensão de 24 Vcc ou 12 Vcc como no caso dos automóveis, ou aplicações industriais que exigem um controle fino de velocidade.

Ao selecionar um motor cc, é fundamental que você identifique as principais especificações de desempenho, além dos requisitos de potência e tamanho. Também é importante considerar os requisitos ambientais para a sua aplicação.

Este artigo foi escrito de forma a explicar como o motor cc funciona e  visa facilitar o processo de seleção de motores elétricos de corrente contínua. Assim, após entender os conceitos envolvidos no funcionamento, vamos poder analisar quais são as características importantes para a correta especificação de um motor CC.

1 – Como Funciona o Motor CC?

Um motor CC é composto por um eixo acoplado ao rotor que é a parte girante do motor. Na Figura 1, o estator é composto por um ímã e o comutador tem a função de transferir a energia da fonte de alimentação ao rotor. Na Figura 1 é também é possível observar as partes que compõem um motor CC.

1.1 – O Princípio de Funcionamento

Na Figura 2, o estator é constituído pelos ímãs (norte e sul) e o rotor é representado por uma bobina que é alimentada pelo comutador em que circula uma corrente I.

O princípio básico de funcionamento do motor CC é o seguinte: “Sempre que um condutor conduzindo uma corrente elétrica (em vermelho) é colocado em um campo magnético (em azul), este condutor experimenta uma força mecânica (em verde)” gerando o torque e o giro do eixo do motor.

1.2 – A Corrente

Ao alimentar o comutador com tensão CC, é gerada uma corrente contínua que é transferida para a bobina através do contato das escovas do comutador com esta bobina. Assim, a função do comutador é ser o elo entre a fonte de alimentação e o rotor do motor CC e ele é composto por escovas condutoras que fazem o contato com o eixo girante do motor CC. Aqui, chamamos a corrente que circula pela bobina de I.

1.3 – O Campo Magnético

O campo magnético é gerado entre os pólos norte e sul do ímã e possui um sentido partindo do norte para o sul. O torque que vai impulsionar a bobina e por sua vez o rotor, como podemos observar na Figura 5 será proporcional ao campo magnético entre os ímãs. A densidade de fluxo magnético é chamada aqui de B.

1.4 -A Força e o Torque

A direção da força mecânica é dada pela regra da mão esquerda de Fleming e sua magnitude é dada por:

F = ILB, onde:

·         B = densidade de fluxo magnético,

·         I = corrente da bobina,

·         L = comprimento do condutor no campo magnético

2 – Especificação de um Motor CC

2.1 – Especificações Básicas ou Primárias

Existem três fatores principais que você precisa levar em consideração quando for selecionar um Motor CC: A velocidade, o torque e a tensão. Sabendo estas três especificações, você será capaz de saber qual o motor e fabricante atenderá suas necessidades.

Velocidade do eixo: Um motor CC aplica uma tensão (V) para rodar um eixo a uma velocidade de rotação proporcional (ω). As especificações de velocidade do eixo geralmente se referem à velocidade sem carga, que é a velocidade máxima que o motor pode alcançar quando não há torque aplicado. Tipicamente, a velocidade do eixo é dada em rotações ou rotações por minuto (RPM). Estas rotações ou revoluções também podem ser representadas em radianos por segundo (rad/s) e para cálculos numéricos, o valor em radianos pode ser mais conveniente. A seguinte fórmula descreve a relação entre radianos por segundo e rotações ou rotações por minuto.

ω_rad/s = ω_rpm · (2π/60)

Para um motor CC ideal (que não possui perdas), a velocidade rotacional é proporcional à tensão fornecida, sendo:

ω = j · V

onde j é uma constante de proporcionalidade, dada em rad/(s.V).

Torque de saída: A rotação do eixo gera uma força de rotação chamada torque (τ). O torque é dado em unidades de força-distância (lb-ft, oz-in, N-m, etc.) ele pode ser de dois tipos: torque de partida ou torque contínuo. O torque de partida é o τ no qual a velocidade do eixo é zero ou o motor está parado. Já o torque contínuo é o máximo τ em condições normais de funcionamento. 

Observe abaixo pela fórmula que o torque (τ) de um motor CC é proporcional à corrente de indução (I), sendo que neste caso temos a constante de torque (k). A seguinte equação descreve as relações entre torque e corrente.

τ = k · I   ou   I = τ / k

A importância da constante de torque é evidenciada na equação acima. Para um dado torque, um valor alto de k limita a corrente a um valor baixo. Esta é uma medida de eficiência, uma vez que um menor consumo de corrente significa menor dissipação de energia (calor). Conhecendo a constante de torque e o torque produzido podemos calcular a corrente através da armadura, que é utilizada para sabermos a classificação de temperatura (como será mostrado mais adiante). Como o toque é proporcional à velocidade, podemos traçar um gráfico de torque x velocidade conforme Figura 7:

Tensão disponível: Os motores de corrente contínua podem ser projetados para operar a uma tensão específica caso houver a necessidade. No entanto sempre devemos observar a disponibilidade de fonte de alimentação adequada para cada aplicação. As fontes de alimentação mais comuns no mercado são 12Vcc e 24Vcc, mas é comum conversores que realizam a retificação de tensões em 110V e 220V a fim de fornecer qualquer nível de tensão necessário para a sua aplicação. Não se esqueça que como a velocidade depende da tensão, a alimentação poderá ser um limitante caso não for feita uma especificação adequada do motor CC.

2.2 – Especificações Derivadas ou Secundárias

As folhas de dados dos motores CC também possuem parâmetros que são derivados ou relacionados com os requisitos fundamentais (tensão, velocidade e torque). Podemos citar:

Potência de saída: Uma especificação comum e importante é a potência nominal de saída (Po) que representa o produto do torque pela velocidade do motor. Na forma de equação, a potência de saída é dada por:

Po = τ · ω

A potência máxima de saída ocorre quando o motor está em 50% da velocidade sem carga e 50% do torque de parada e muitos fornecedores especificam a potência de saída em termos de CV ou HP. Lembre-se que para converter um valor calculado de potência de unidades de watts (W) para unidades de HP, divida a potência em Watts por 746.

Dissipação de potência: A corrente produzida em um motor de corrente contínua aquece o mesmo e cria uma potência dissipada (Pdis). A valor de Pdis está relacionado com a resistência total do sistema (RT), que é a resistência de todo o conjunto do motor incluindo as perdas por atrito no estator (Rstator) e no rotor (Rrotor). Através da corrente do motor, podemos calcular a dissipação de potência e, por sua vez, o aumento da temperatura do rotor (ΔT) devido à rotação. A partir de ΔT, a temperatura total do motor (TM) pode ser calculada pela adição da temperatura ambiente (Tamb). As seguintes equações ilustram os passos utilizados para calcular a temperatura final do motor:

P_dis = I²R_T

R_T = R_rotor + R_stator (exceto para o motor cc de íma permanente)

ΔT = P_dis(R_tot)

T_M = Tamb + ΔT

2.3 – Parâmetros de Construção

A adequação de um motor CC para uma aplicação também depende da sua construção, outro aspecto do processo de seleção. Existem vários tipos diferentes de motores de corrente contínua, cada um dos quais oferece vantagens e desvantagens com base na sua construção. Vejamos abaixo as características de cada um no que tange à construção:

Os Motores de Derivação apresentam variação mínima de velocidade através da faixa de carga e podem ser configurados para potência constante em uma faixa de velocidade ajustável. Eles são usados para aplicações onde há necessidade de controle preciso de velocidade e torque. Na Figura abaixo você pode ver uma curva típica de velocidade x torque para um motor de derivação, onde o torque permanece relativamente constante em uma grande faixa de velocidade.

Os Motores Bobinados em Série exibem altos torques de partida para cargas permanentemente conectadas que são necessárias a fim de evitar danos em condições de alta velocidade. Estes motores desenvolvem um grande torque e podem ser operados a baixas velocidades. Eles são mais adequados para aplicações industriais pesadas que exigem cargas maiores movendo-se lentamente ou cargas mais leves movendo-se rapidamente. Abaixo, podemos ver uma curva típica de velocidade x torque para motores com bobina em série:

Os Motores Bobinados Compostos são projetados com bobinas derivadas compostas para aplicações de velocidade constante que requerem torque mais elevado. Eles são freqüentemente usados onde a carga primária requer um torque de partida alto e a velocidade ajustável não é necessária. As aplicações incluem elevadores, guindastes e equipamentos para lojas industriais. Abaixo podemos ver uma curva típica de velocidade x torque para os motores de bobina compostos, combinando características de derivação em série:

Motores CC de ímã permanente possuem um ímã permanentemente embutido em sua montagem (no estator). Eles oferecem velocidade constante com carga variável (escorregamento zero) e excelente torque de partida. Comparado com os outros tipos, a construção de ímã permanente proporciona maior eficiência e menores ajustes de velocidade. Abaixo podemos ver uma curva de velocidade para motores de ímã permanente, com proporcionalidade de torque e velocidade linear.

Motores CC com armadura em forma de disco, também chamados de “panquecas” ou “discos impressos”, utilizam rotores planos movidos por um campo magnético alinhado axialmente. Sua construção fina permite baixa inércia, resultando em alta aceleração. Esses motores são bons para aplicações que exigem uma rá PID a inicialização e desligamento enquanto acoplados a uma carga constante, como em um veículo elétrico. Veja abaixo o desenho de uma armadura a disco:

Os Motores CC sem Núcleo e sem ranhura incorporam um enrolamento cilíndrico que está fisicamente fora de um conjunto de ímãs permanentes. Devido ao fato do enrolamento ser laminado e não existir gaiola de ferro, motores cc sem núcleo possuem inércia muito menor. Possuem alta aceleração, eficiência e excelente controle de velocidade com pouca ou nenhuma vibração. Eles são comumente usados como servo motor para aplicações de controle de processo.

Comutação

A comutação do motor de CC pode ser com ou sem escovas (brushless), sendo que cada tipo oferece vantagens específicas.

Os motores elétricos escovados usam escovas de contato que se conectam com o comutador para alimentar o rotor. A construção escovada é menos onerosa do que o motor sem escovas e o controle é mais simples e barato. Outra característica é que o escovado pode operar em ambientes extremos devido à sua ausência interna de componentes eletrônicos. Por outro lado, motores escovados exigem manutenção periódica para substituição das escovas desgastadas.

Os motores sem escovas ou Brushless usam um ímã permanente incorporado no conjunto do rotor. Eles podem usar um ou mais dispositivos de Efeito Hall para detectar a posição do rotor  e uma eletrônica de acionamento associada a ele controla a rotação do eixo (velocidade). Os motores Brushless são similares aos motores CA, mas são comutados eletronicamente (ESM) de modo que possam ser alimentados em CC.

A comutação sem escovas (Brushless) é mais eficiente, requer menos manutenção, gera menos ruído e tem uma maior densidade de potência e faixa de velocidade se comparado ao motor de comutação escovada. No entanto, a eletrônica dos motores brushless geralmente contribuem para o seu custo de aquisição, que também possuem maior complexidade e maiores limitações ambientais.

2.4 – Tamanho e Considerações Ambientais

Ao selecionar motores de corrente contínua, você deve considerar também o design e os fatores ambientais como veremos a seguir:

2.4.1 – Considerações de dimensionamento

Se um motor CC tiver que se encaixar em um espaço ou satisfazer uma exigência de peso, então as características físicas podem ser fatores de seleção importantes. A configuração do eixo e o redutor, caso for aplicado também são considerações que devem receber atenção.

A configuração do eixo determina como o motor é montado e conectado ao sistema que ele irá acionar e é essencial sua correta seleção de forma com que ele seja compatível com o sistema. A seleção ideal do eixo aumenta a eficácia e pode economizar tempo e custo durante a montagem. As configurações podem incluir tipos côncavos, redondos, quadrados, sextavados, ranhurados, em degrau ou parafusos.

A redução ou redutor é usada no motor CC para aumentar ou reduzir a velocidade do eixo mecanicamente. Utilizando o redutor, o motor tende a ter volume ou peso menor. Os tipos de redutores que são usados em motores elétricos de corrente contínua podem incluir redutores de engrenagem, planetários, sem-fim ou cônicos.

2.4.2 – Considerações ambientais  

Finalmente, ao selecionar o motor de corrente contínua, você pode ter que considerar as condições ambientais ou requisitos de aplicação quando da utilização do produto.

A temperatura de operação deve ser considerada quando se utiliza algum equipamento eletrônico sensível ou quando o ambiente não está à temperatura de 40°C, ou ainda quando o ambiente for sensível à dissipação de calor do motor. Mecanismos de refrigeração adicionais podem ser instalados para neutralizar o aquecimento excessivo do motor ou do ambiente circundante.

A proteção contra corrosão deve ser considerada em ambientes onde o motor está exposto a radiação, poeira ou substâncias perigosas que possam degradar o motor. O invólucro e os materiais apropriados do motor podem ser selecionados para assegurar proteção contra a contaminação.

A proteção da água deve ser considerada quando um motor for operar exposto à água. Os níveis de proteção vão desde a proteção contra gotejamento vertical mínimo até à submersão total sob pressão.

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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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O que faz o Inversor de Frequência e como Especificar?

O inversor de frequência variável (conhecido como VFD em inglês) é um tipo de controlador que tem a função de acionar um motor elétrico e ao mesmo tempo variar a freqüência e a tensão que é fornecida ao motor com o objetivo de controlar a sua velocidade e potência consumida. Outros nomes para um VFD que podemos encontrar no mercado são: drive de velocidade variável, drive ajustável da velocidade, drive de frequência ajustável, drive CA (corrente alternada), microdrive ou simplesmente inversor.

Quando falamos de motores elétricos de indução ou corrente alternada, a frequência (medida em Hertz) está diretamente relacionada às Rotações Por Minuto (RPMs) de um motor. Em outras palavras, quanto maior a freqüência, mais rápido os RPMs ou maior a velocidade de rotação do motor. Como sabemos, no Brasil, as concessionárias de energia elétrica fornecem energia alternada com uma frequência de 60Hz e por outro lado, a maior parte dos motores elétricos encontrados nas indústrias e que consomem esta energia possuem rotação nominal de 3600 RPM. No entanto, se uma aplicação qualquer não requerer um motor elétrico funcionando na velocidade cheia de 3600 RPM, o que é muito comum, você tem três alternativas: ou utilizar um redutor mecânico ou utilizar o inversor de frequência, ou utilizar ambos. No caso de utilizarmos o inversor de frequência, ele poderá ser configurado para gerar uma rampa de descida, reduzindo a freqüência e a tensão para que o motor opere conforme os requisitos da carga (velocidade e tensão desejada).

Uma característica importante do inversor é que à medida que os requisitos de velocidade do motor em uma determinada aplicação mudam, o inversor de frequência pode simplesmente subir ou descer a velocidade do motor a fim de atender as novas exigências de operação, o que não seria possível utilizando apenas um redutor mecânico.

1 – Como um Inversor de Frequência Variável Funciona?

O primeiro estágio de um inversor de frequência é o conversor. Um conversor trifásico é composto de seis diodos, que por analogia a um sistema hidráulico, são semelhantes às válvulas de retenção utilizadas em encanamentos. Assim, eles permitem que a corrente flua em apenas uma direção que é exatamente a direção mostrada pela seta no símbolo de diodo. Por exemplo, sempre que a tensão da fase A (tensão é semelhante à pressão em sistemas de encanamento) é mais positiva do que as tensões da fase B ou C, então esse diodo se abrirá e permitirá que a corrente flua.

Por outro lado, quando a fase B se tornar mais positiva do que a fase A, então é o diodo da fase B que será aberto e o diodo de fase A fechado. O mesmo é verdadeiro para C e também para os 3 diodos no lado negativo do barramento. Assim, obtemos seis “pulsos” de correntes à medida que cada diodo abre e fecha. Isso é chamado de “retificador ou conversor de seis pulsos”, que é a configuração padrão para as atuais unidades de freqüência variável.

Figura 1 – Conversor de 6 Pulsos que compõe um inversor de frequência

Agora, vamos supor que o conversor está operando em um sistema de alimentação de 480V. Pela teoria de circuitos elétricos, a classificação de 480V é com relação a “RMS” ou raiz média quadrada sendo que o pico de tensão em um sistema de 480V é de 679V. Sendo assim, o barramento DC do conversor tem uma tensão DC com uma ondulação AC sendo que a tensão varia entre aproximadamente 580V e 680V.

Figura 2 – Barramento DC de um inversor de frequência

Podemos nos livrar da ondulação CA no barramento DC adicionando um capacitor conforme Figura 2. Um capacitor opera de forma semelhante a um reservatório ou acumulador em um sistema de encanamento. Este capacitor absorve a ondulação de corrente alternada e fornece uma tensão contínua DC com uma pequena ondulação CA no barramento DC que tipicamente é menor do que 3 Volts. Assim, a tensão no barramento DC torna-se “aproximadamente” 650VDC contínua. É claro que isto é na teoria e que a tensão real dependerá do nível de tensão da linha de alimentação AC, do nível de desequilíbrio de tensão no sistema de potência, da carga do motor, da impedância do sistema de alimentação e de quaisquer reatores ou filtros harmônicos que houver no conversor.

O conversor de ponte a diodo que converte AC para DC muitas vezes é apenas referido como um conversor. Por outro lado, o conversor que faz o contrário, ou seja, que converte o DC de volta em AC é também um conversor. Sendo assim, para distingui-lo do conversor a diodo, ele geralmente é referido como um “inversor”. Justamente por este motivo, tornou-se comum na indústria referir-se a qualquer conversor DC-AC como um inversor.

Figura 3 – Circuito de um inversor de frequência

Analisando a Figura 3 acima, temos o seguinte: quando fechamos um dos interruptores superiores no inversor (lado direito da Figura 3), essa fase do motor é conectada ao barramento CC positivo e a tensão nessa fase torna-se positiva. Por outro lado, quando fechamos um dos comutadores inferiores no inversor, essa fase é conectada ao barramento DC negativo e torna-se negativa. Assim, podemos fazer qualquer fase no motor tornar-se positiva ou negativa da maneira que desejarmos e gerar qualquer freqüência que depende somente da velocidade da abertura e fechamento dos interruptores. Resumindo, podemos fazer qualquer fase ser positiva, negativa ou zero conforme é possível visualizar na Figura 4.

Figura 4 – Chaveamento por fase

Observe que no caso do chaveamento alternado dos interruptores, a saída do inversor de frequência é uma forma de onda “retangular” pois ele não produz uma saída senoidal. Esta forma de onda retangular não seria uma boa escolha para um sistema de distribuição de uso geral, mas pode ser perfeitamente adequado para um motor. No entanto, se quisermos reduzir a freqüência do motor para 30 Hz, podemos mudar o comando de chaveamento dos interruptores (que vamos chamar a partir de agora de transistores de saída) do inversor para que eles operem mais lentamente. Na teoria, se reduzimos a freqüência para 30Hz, então devemos também reduzir a tensão para 240V a fim de manter a relação V/Hz.

Assim surge a seguinte pergunta: Como reduzir a tensão se a única tensão que temos é a de 650Vdc? Isso é possível aplicando-se a técnica chamada de Modulação de Largura de Pulso ou PWM. Imagine que poderíamos controlar a pressão em uma linha de água abrindo e fechando a torneira a uma velocidade alta. Enquanto isso não seria prático para sistemas de encanamento, ele funciona muito bem para um inversor de frequência. Veja a animação abaixo:

Na imagem acima, observe que se colocarmos um pulso metade do tempo ligado e a outra metade de tempo desligado, teremos uma tensão média na saída equivalente à metade da entrada. Assim, se tivermos 480V na entrada, a saída será 240V. Veja que pulsando os comandos, podemos atingir qualquer tensão média na saída do inversor de frequência.

Agora observe que à medida que o pulso varia a sua largura, a tensão no diodo também varia. Se o pulso fica mais tempo ligado do que desligado, a tensão e a carga no LED aumenta e ela diminuirá caso a largura do pulo ligado for menor do que a dele desligado. Se imaginarmos isto variando positivamente e negativamente, teremos exatamente o que o inversor de frequência faz. Veja a animação abaixo:

Se pegarmos o ciclo positivo da senoide e observarmos a partir do início, você verá que a largura do pulso vai aumentando à medida que chega ao pico (totalmente ligado). A partir daí ele vai diminuindo até se desligar (momento que atinge o valor 0). A energia liberada consequentemente vai seguindo esta regra e no final temos uma senoide (linha vermelha). Quanto maior a quantidade de pulsos, mais perfeita será esta senoide.

Figura 5 – Modulação PWM de um Inversor de Frequência

Veja as Imagens abaixo para entender as diferentes partes que compõem um inversor de frequência:

Figura 5 – Componentes de um Inversor de Frequência

2 – Por que devo Utilizar um Inversor de Frequência?

2.1 – Reduzir o Consumo de Energia e os Custos de Energia

Se você tem um sistema que não precisa ser executado em velocidade máxima, então você pode reduzir os custos de energia controlando o motor com uma unidade de freqüência variável, um dos benefícios do inversor de frequência. Ele permite que você combine a velocidade do equipamento motorizado com a exigência de carga e não há nenhum outro método de controle de motor elétrico AC que permite que você faça isso. Os sistemas de motor elétrico são responsáveis por mais de 65% do consumo de energia na indústria hoje e a otimização de sistemas de controle de motores através da instalação ou atualização para inversores de frequência pode reduzir o consumo de energia em sua instalação em até 70%. Além disso, a utilização de inversores melhora a qualidade do produto e reduz os custos de produção. Combinando incentivos fiscais de eficiência energética, descontos na conta de energia e retornos sobre o investimento nas instalações, a aplicação de inversores de frequência pode proporcionar um retorno em pouco menos de 6 meses.

2.2 – Aumente a Produção com um Controle de Processo Adequado

Ao operar seus motores com a velocidade mais adequada para sua aplicação, haverá menos erros e desgastes. Assim, os níveis de produção aumentarão, o que gera uma receita maior para sua empresa. Você ainda elimina sobrecarga em start-ups dos equipamentos permitindo alta performance e maior durabilidade dos equipamentos.

2.3 – Estenda a Vida Útil do Equipamento e Reduza a Manutenção

Seu equipamento vai durar mais tempo e terá menos tempo de inatividade devido à manutenção quando é controlado por um inversor de frequência que garante a velocidade de aplicação ideal do motor. Devido ao controle ótimo dos inversores de freqüência e tensão do motor, o inversor oferecerá melhor proteção para o seu motor com relação a sobrecargas elétricas, proteção de fase, subtensão, sobretensão, etc. Quando você inicia uma carga com um inversor você não estará submetendo o motor ou a carga acionada ao “pico instantâneo de energia” que ocorre no início da operação e poderá começar de forma suave, eliminando assim o desgaste de correias, engrenagens e rolamentos.

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