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Para escolher um inversor de freqüência que melhor atenda uma aplicação, quase sempre esquecemos de especificar algum recurso de parametrização do produto que estamos adquirindo.

Para escolher um inversor de freqüência que melhor atenda uma aplicação, quase sempre esquecemos de especificar algum recurso de parametrização do produto que estamos adquirindo. Mas, hoje em dia, diversas funções estão presentes nas ofertas dos fabricantes, e algumas delas podem ser a solução da automação que desejamos realizar, além do que o acionamento do motor deve acontecer com a melhor qualidade possível e, para tal, devemos ajustar os inversores para um desempenho ótimo.


É essencial que a solução de uma determinada necessidade seja bem entendida e que, com a utilização dos recursos de programação, seja possível traduzir esta necessidade em valores introduzidos no inversor ou, até mesmo, ativar ou não algum recurso. Inicialmente devemos entender os três tipos básicos de parâmetros que temos a nossa disposição:

Parâmetros LISTA

Este tipo de parametrização permite selecionar vários itens. Geralmente uma série de opções é listada e dependendo de um valor numérico, a escolha é feita de como deve ser o comportamento do inversor. Por exemplo, os tipos de parada que um inversor pode realizar, basicamente são três (inércia, rampa e injeção de CC). Optar por um ou outro é uma questão de somente entrar com um determinado valor oferecido numa lista de valores possíveis.

Parâmetros de Bit

Esta modalidade possui bits individuais relacionados a características ou condições. Se o bit for 0, a característica está desligada ou a condição é falsa. Se o bit for 1, a característica está ligada ou a condição é verdadeira. Às vezes, num mesmo parâmetro existem vários bits para serem configurados. Em outros modelos, a programação destes bits é feita por uma série de parâmetros diferentes, mas as opções são somente entrar com os valores 1 ou 0.

Parâmetros Numéricos

Aqui o parâmetro possui um valor numérico único (por exemplo, 0,1 V). São parâmetros onde ajustamos valores de grandezas elétricas, como corrente, velocidade, tensão, tempo, percentuais, ganhos, entre outros.

Outro detalhe que deve ser levado em consideração é a maneira como cada fabricante implementa a digitação destes parâmetros, o conforto do display para apresentá-los ao usuário (certamente um display em LCD é muito melhor do que aquele em LED vermelho), a organização em menus e a maneira de acessar um determinado parâmetro são tópicos importantes para avaliarmos um produto, pois na hora da programação nem sempre dispomos de tempo para analisarmos o que estamos programando e o rápido acesso a uma rampa de aceleração ou alterar a configuração de uma E/S deve ser prioritário para reduzirmos o tempo de parada.

Em alguns casos os fabricantes dispõem de rotinas ou macros que nos permitem acessar um conjunto básico de itens que são rapidamente programados, permitindo ao usuário dispor do produto sem grande conhecimento, pois o objetivo deve ser a imediata colocação em funcionamento.


Medição

Os primeiros parâmetros que devemos observar são os de medição. Diversas grandezas elétricas e operacionais podem ser visualizadas nos inversores e quanto mais informações pudermos extrair do produto, mais rápido poderemos avaliar uma parada, um defeito ou readaptá-lo a uma nova condição.

O que é indispensável verificarmos no produto é: corrente do motor, tensão de saída, tensão do barramento CC e a velocidade do motor. A corrente é talvez a medição mais crítica, pois ela determina se algum problema está acontecendo com o motor ou serve como indicação de que o motor está efetivamente rodando (quando não podemos visualizar o acionamento do local onde estamos ajustando o inversor). Resumindo, ela deve acompanhar a velocidade de forma diretamente proporcional para a maioria das máquinas e com proporção quadrática para bombas e ventiladores.

A tensão é outra variável que também deve ser monitorada, mas cabe diferenciar que duas informações de tensão são indicadas: tensão de saída e tensão do barramento CC. A primeira deve ser proporcional à velocidade do motor, visto que o princípio básico de operação dos inversores é manter a relação tensão/freqüência constante, portanto se reduzirmos a velocidade pela metade, a tensão de saída também deverá reduzir-se por igual. Essa observação nos ajuda a perceber se o controle interno do inversor está acontecendo de forma correta e se estamos trabalhando na tensão nominal do motor (que só deve acontecer quando acionamos a 60 Hz). Assim, a tabela 1 pode nos dar uma indicação se estamos acionando o motor corretamente, levando-se em consideração as tensões usuais de trabalho.



Quando as duas informações são mostradas ao mesmo tempo pelo produto, fica bem mais fácil alterar a relação tensão-freqüência e visualizar o efeito da nova programação. Esta alteração pode ter o propósito de aumentar o conjugado gerado pelo motor, principalmente em baixas rotações, e acompanhar a modificação em tempo real pode tornar a tarefa mais eficiente.


A outra tensão importante que devemos observar é a tensão do barramento CC, pois muito do estado do inversor e da condição de trabalho da máquina pode ser diagnosticado por este parâmetro, usualmente esquecido por quem depende de um inversor para atingir a produção industrial.

Para cada tensão de alimentação industrial existe uma tensão do barramento CC correspondente, pois uma é transformada na outra através de uma ponte retificadora trifásica sem controle. Este tipo de ponte, também conhecida como ponte retificadora de seis pulsos, converte as três tensões do circuito trifásico numa tensão ondulada composta basicamente dos valores de pico das senóides de entrada, cujo valor está acima da tensão do barramento CC, pois neste estágio precisam carregar um banco de capacitores interno. É nestes capacitores que são medidos os valores informados nos displays. A tabela 2 mostra os valores típicos.



Basicamente, quando a tensão do barramento CC está muito abaixo destes valores, poderemos investigar alguns prováveis problemas: a rede elétrica está com uma forte queda de tensão ou está faltando uma fase na entrada do inversor; algum diodo da ponte retificadora não está funcionando corretamente; os capacitores internos do inversor estão com defeito. Para os três casos uma inspeção deve ser feita por um técnico.

Quando a tensão do barramento CC está muito alta também devemos observar se a tensão de alimentação está alta também, mas caso esta sobretensão no barramento CC se apresentar no momento da desaceleração o problema fundamental é que o motor de indução está com escorregamento negativo e devolvendo energia ao inversor. Como ela não chega até a rede elétrica, devido à retificação com diodos, fica armazenada nos capacitores internos. A análise da aplicação deve ser feita e algum procedimento técnico deve ser realizado para diminuir este efeito.


Vários outros parâmetros podem ser lidos nos inversores mais sofisticados e podem ser inclusive monitorados via rede Ethernet para avaliação e análise do acionamento, chegando até a levantamento de dados estatísticos para analise de produção e manutenção. Abaixo uma breve lista de alguns deles com uma explicação das vantagens de se medi-los:

Corrente de torque e magnetização - Além da corrente principal, poder monitorar os dois componentes permite serem avaliadas as condições de desgaste do motor, taxa de carregamento no eixo mecânico do motor, perdas e até mesmo funcionar como uma indicação do peso carregado por algum tipo de acionamento vertical (elevador, ponte rolante, entre outros).

Freqüência Comandada – Diferente da freqüência de saída, este parâmetro pode nos informar se há algum problema no dispositivo que comanda a referência de velocidade e auxiliar na detecção da razão do motor não atingir a velocidade esperada: se é função deste dispositivo ou é um problema interno do inversor.

Potência, fator de potência e kWh consumido – Com estes dados podemos avaliar o consumo energético de uma máquina ou processo e ajustá-lo para uma redução.

Valor das entradas analógicas – Em produtos mais sofisticados podemos dispor da informação de quantos mA ou volts o inversor está recebendo nas suas entradas analógicas e assim monitorar remotamente o estado dos sensores envolvidos na automação. Ou até mesmo, verificar se o sinal no valor correto está chegando ao inversor e, caso contrário, saber que o inversor não atinge a velocidade desejada porque o sensor não está enviando o sinal no valor esperado.

Estado das entradas digitais – Com este recurso pode-se checar se um determinado sinal elétrico vindo da automação da máquina está chegando ou não na entrada digital. Trata-se de uma série de 1 e 0 mostrando qual entrada está recebendo sinal e qual não está. Geralmente esta é a razão do inversor não acionar o motor, quando esperamos que ele o faça.

Ajuste de parâmetros

Existe um pacote básico de funções que todo inversor dispõe e geralmente é disposto em conjunto para facilitar o acesso, pois são as mais usadas e que freqüentemente são necessárias para adaptarmos o acionamento à necessidade da máquina:

• Rampa de aceleração e desaceleração;
• Velocidade mínima e máxima;
• Corrente e tensão do motor;
• Referência de velocidade;
• Fonte de partida (liga/desliga);
• Tipo de parada (inércia, rampa, injeção de CC)


Estes parâmetros devem ser localizados no manual e observados como se implementa a mudança dos valores de fábrica (default) para que o motor e a máquina possam trabalhar da maneira desejada. Seus limites de programação também devem ficar bem claros e deve ser verificado se a máquina pode aceitar alguma condição que pode ser colocada no inversor, mas acarretará em mau funcionamento ou até mesmo trazer risco de vida ao operador. Uma rampa de desaceleração muito curta pode danificar a parte mecânica da máquina, aumentando os riscos de um acidente, ou um limite muito baixo de velocidade pode trazer um sobreaquecimento do motor ou operação de uma bomba/ventilador em condições de pouca eficiência.

Devem ser inseridos os valores nominais de tensão e corrente do motor acionado, principalmente se o mesmo não for da potência nominal do inversor, pois a proteção térmica realizada pelos inversores não se adapta automaticamente, ela depende da informação digitada pelo técnico. Em caso de acionamento vetorial com extrema precisão, esta informação é necessária para garantir a qualidade do acionamento. Em conjunto com o teste de auto-sintonia que os inversores podem realizar, é impossível obter a qualidade informada pelos manuais.

Também é preciso ter muito cuidado quando programar a velocidade máxima acima de 60 Hz, pois a relação tensão/freqüência se perde e diversos problemas podem aparecer. Apesar dos fabricantes anunciarem um limite de 300, 400 ou até mesmo 500 Hz, eles são usados em aplicações especiais e com uma análise mais profunda do que deve ser ajustado no produto.

Quanto às rampas de aceleração/ desaceleração, seus ajustes devem ser os mais naturais possíveis, ou seja, é necessário programar para que a aceleração natural da máquina com relação a sua inércia não se altere. Caso a máquina realize uma partida direta antes da colocação do inversor, toma-se o tempo natural que ela leva do estado de repouso até sua velocidade máxima e programa-se este tempo no produto usado. Se desejar um tempo menor, deve ser considerada a possibilidade de usar um motor de potência maior, pois um conjugado maior será necessário para realizar tal tarefa.

Na desaceleração um outro parâmetro está relacionado: o tipo de parada. A rampa de desaceleração só será funcional caso ajustemos uma parada por rampa ou uma parada com injeção CC, onde o inversor desacelera a máquina de forma controlada, durante o tempo pré-estabelecido e depois injeta corrente contínua para realizar uma frenagem rápida do motor. No caso de escolher uma parada por inércia o tempo ajustado no parâmetro “rampa de desaceleração” não será considerado. Novamente aqui é importante desacelerar dentro de um tempo natural da máquina para evitar problemas com a inércia e a regeneração por parte do motor.


Há várias maneiras de enviar a ordem de marcha ao inversor. Dentre as opções estão o teclado integrado ao produto, sinal digital nos terminais auxiliares, comando serial através de uma rede (por exemplo, Ethernet), limite de sinal analógico. O usuário deve informar ao inver- sor qual a maneira que ele pretende comandar o inversor. Geralmente, os produtos disponíveis no mercado possuem os botões de liga/desliga, além do comando de reversão. Caso se pretenda comandar por sinais digitais externos, é necessário programar quais entradas serão destinadas a estas funções (em alguns produtos estas entradas são fixadas na fábrica e não permitem alteração). Deve ser determinado também se o comando será de dois ou três fios.

Quando a opção desejada for enviar as ordens de marcha através de uma rede serial industrial (existem várias com esta possibilidade), todo um detalhamento técnico deve ser analisado, mas basicamente devem ser verificados o protocolo de comunicação, a velocidade de transmissão, a disponibilidade de comunicação do produto adquirido, a programação do supervisório ou CLP, como será implementado este tipo de comando na rede escolhida, quantos inversores podem colocados na rede, entre outros aspectos. Não se deve esquecer que, neste tipo de rede, as possibilidades de informação e controle aumentam muito, pois há a flexibilidade de mudanças e reprogramação on-line.

Existe em alguns modelos uma função chamada sleep-wake mode, que pode ser traduzido por modo dormir-acordar. Com este comando é enviado ao inversor somente um sinal analógico, digamos de 4 – 20 mA, onde a velocidade mínima será, com o sinal, de 4 mA e a velocidade máxima de 20 mA. Entretanto, se ajustamos no inversor um limite mínimo de sinal analógico onde, caso o sinal do sensor ultrapasse para baixo este limite (abaixo de 8 mA, por exemplo), ele parará o motor, voltando a girá-lo somente quando um outro limite maior for superado (acima de 12 mA). Desta forma, o controle de velocidade e o de liga e desliga são realizados pelo mesmo método.

Quando os inversores de freqüência se tornaram mais populares no mercado brasileiro, o hábito dos profissionais da área era somente determinar o método e a hora em que se ligava e desligava o motor. Uma nova preocupação passou a fazer parte do trabalho do técnico, a referência de velocidade. Muitos se perguntaram como fazer o inversor atingir e variar a velocidade desejada para execução de sua tarefa. Há vários métodos para informarmos ao inversor qual a velocidade que ele deve rodar o motor. Novamente, a opção inicial é o teclado integrado que dispõe de um potenciômetro no display, previamente regulado para trabalhar entre as velocidades mínimas e máximas. Porém, também é permitido alterar para as entradas analógicas e é necessário determinar qual a entrada usada (em caso do produto ter mais de uma entrada analógica), qual o tipo de sinal elétrico (4 – 20 mA, 0 – 10 Vcc, 0- 5 Vcc), se o sinal será unipolar ou bipolar, se o trabalho será feito com a raiz quadrada do sinal analógico, soma dos dois sinais ou com a média deles. Ainda podemos usar o comando via rede serial para determinarmos a velocidade, com a vantagem de que podemos ter uma confirmação do inversor se ela foi atingida ou não.


Parâmetros avançados

Alguns dos parâmetros avançados são: controle PID, velocidades pré-selecionadas, jog, passos lógicos, repartida automática, ride-through e retomada de velocidade, além da daptação da curva V/Hz . No controle PID ajusta-se os três ganhos para que o inversor corrija uma variável e ela permaneça sempre num valor desejado. Toda vez que a variável, por condições operacionais, se distanciar do valor desejado o inversor aumenta (ou diminui) a velocidade do motor para que o sistema acionado se estabilize neste valor. A malha de controle PID é usada para manter uma grandeza de um determinado processo (PV) num valor desejado (set-point). Estas grandezas podem ser pressão, vazão, temperatura, tensão mecânica, velocidade linear de várias esteiras transportadoras, etc.

A malha PID trabalha subtraindo o retorno PID (feedback) de uma referência e então gera um erro. A malha reage a este erro, baseado nos ganhos ajustados, e gera uma freqüência de saída para o motor para reduzir ou aumentar a velocidade. Muitas vezes é necessário que o produto adquirido tenha duas entradas analógicas para a realização do controle PID.

O controle proporcional (P) ajusta a saída de acordo com o tamanho do erro (erro maior = proporcionalmente correção maior). Com o controle proporcional sempre haverá erro, pois o retorno e a referência nunca serão iguais.

O controle integral (I) ajusta a saída, baseado na duração do erro (quanto mais tempo o erro estiver presente, mais ele tenta corrigi-lo). O controle integral é uma rampa de correção da saída. Este tipo de controle nos dá um efeito suavizador na saída e continuará até quando o erro zero for alcançado. Sozinho, o controle integral é lento para a maioria das aplicações e, então, é combinado com o controle proporcional (PI).


O controle derivativo (D) ajusta a saída de acordo com a velocidade da mudança do erro que, por si só, tende a ser instável. Quanto mais rápido o erro muda, maior a mudança na saída. O controle derivativo geralmente não é utilizado, mas quando é, quase sempre combinado com o proporcional e o integral (PID). O funcionamento desta regulação acontece quando estes três controles atuam simultaneamente, conforme a figura 1. Este recurso é muito usado em bombas e ventiladores que controlam as variáveis de uma planta industrial.



Em alguns casos, apesar do inversor acionar o motor em qualquer velocidade entre 0 e 60 Hz, é preciso que somente algumas velocidades pré-selecionadas estejam disponíveis ao operador, para evitar que a máquina funcione de maneira indevida. Assim, é possível determinar as velocidades que devem ser operadas, memorizando-as no inversor e definindo as entradas digitais que receberão os sinais no momento correto. Através de uma combinação binária destes sinais, o inversor é informado com qual velocidade deve trabalhar.

Desta maneira a referência de velocidade é realizada pela combinação destes sinais e evita-se o uso de potenciômetros ou sinais analógicos para não atrapalhar a operação. Nota-se que até as rampas de aceleração e desaceleração podem ser reprogramadas em alguns casos. Cada modelo também atende a uma quantidade diferente de velocidades pré-programadas. Este recurso é muito usado em indústrias de bebidas onde cada vasilhame tem um tamanho específico e a esteira transportadora deve movimentá-los de forma única para cada tamanho durante o enchimento, sem ocorrer oscilações, caso contrário o vasilhame pode não encher completamente ou pode transbordar. Veja na tabela 3 algumas combinações existentes no mercado.




Certas máquinas solicitam um posicionamento de uma parte da máquina no local específico e atingir este objetivo com a programação da rampa de desaceleração pode ser impossível. Neste caso um recurso chamado de jog entra em ação. Uma entrada digital é parametrizada e uma velocidade é memorizada no inversor para a realização desta função. Nos modelos mais sofisticados existe até uma rampa de aceleração/desaceleração diferente e, toda vez que o operador envia um sinal nesta entrada (através de uma boto- eira, por exemplo), o inversor aciona o motor nesta velocidade, enquanto o sinal permanecer. Desta forma, a colocação da máquina na posição correta pode ser alcançada. Pontes rolantes, elevadores, embaladoras, esteiras transportadoras são beneficiadas com esta função.

A função jog já existe há muito tempo nos inversores e, recentemente, ela evoluiu para outras características mais elaboradas como um perfil de velocidade ou posicionamento, com até seis ou oito passos lógicos que realizam a parada no ponto correto de forma automática, desde que estes pontos se repitam durante todo o funcionamento da máquina. Este perfil é completamente memorizado no inversor e após um comando de marcha, as velocidades se alternarão de acordo com a duração do passo anterior ou quando um determinado sinal atingir uma determinada entrada digital, o acionamento evoluirá de um passo ao outro. Na figura 2 é mostrado um exemplo de perfil operacional totalmente programado no inversor, dispensando o uso de um CLP, o que reduz o custo da implementação do sistema de acionamento e automação.



Quando um inversor desarma por alguma falha, geralmente um técnico de manutenção é chamado. Porém, muitas vezes, a falha é temporária e sua causa não existe mais. Tal fato pode causar uma enorme perda de produção, pois até o técnico identificar e ter certeza de que pode recolocar a máquina em funcionamento muito tempo já se passou. Prevendo este tipo de situação existe em praticamente todas as marcas de inversor uma função chamada de “repartida automática” na qual, através de dois parâmetros ajusta-se a quantidade de vezes que o inversor tentará reiniciar o acionamento e o tempo que ele levará entre uma tentativa e outra. Isto deve ajustado pelo usuário, pois vem desabilitado de fábrica. Poços de petróleo que normalmente são muito espalhados numa região geográfica se beneficiam bastante deste recurso. Deve-se tomar cuidado, pois em algumas situações não são desejadas estas características, a fim de evitar acidentes com pessoas.


Outra situação em que uma falha breve pode parar a máquina por um tempo indeterminado é a queda de energia. Para evitar esta situação também foram adicionadas duas funções que permitem adaptar o inversor. Trata-se da ride-through e a retomada de velocidade. No primeiro, é ajustado um tempo durante o qual, mesmo com a queda de energia, o inversor mantém o motor rodando (cada modelo possui uma faixa de tempo própria em função de suas características). O segundo verifica a velocidade mecânica do motor (mesmo que fora da velocidade de operação), acionando o motor nesta velocidade inicialmente e depois o traz à rotação até o ponto de operação de forma gradual. Com isso, além da parada por uma causa momentânea, também é evitada a reaceleração da máquina de forma suave, sem prejuízo a produção. Bombas, ventiladores e máquinas têxteis se beneficiam muito com estas características.

Um ajuste existente há muito tempo é o da adaptação da curva V/Hz. A finalidade deste recurso é impor um conjugado maior ao motor em baixas velocidades. Como já explicado, temos tensões de saída específicas para cada velocidade comandada. A técnica para variar a velocidade do motor e obter o conjugado nominal é manter a relação tensão/freqüência constante. Porém, quando é necessário aumentar o conjugado em baixas velocidades, principalmente abaixo de 30 Hz, isso só é possível com a mudança desta relação, colocando um pouco mais de tensão numa determinada velocidade. Se o conjugado varia com o quadrado da tensão (um aumento de 10 % na tensão, por exemplo), em 15 Hz, ao invés de 110 V na saída (para uma tensão nominal de 440 V), o inversor geraria uma tensão de 121 V e o conjugado aumentaria para (1,1) 2 = 1,21, ou seja, 121 %.

Este ajuste pode ser feito manualmente através de uma série de parâmetros, no caso do controle escalar, ou automaticamente pelo controle vetorial. Para ambos, a figura 3 ilustra o relacionamento entre tensão e freqüência, bem como o resultado da alteração que pode ser realizada.




Considerações finais

A lista de funções apresentadas não é a mais completa, considerando que os recursos parametrizáveis são cada vez mais detalhados nas linhas de produtos ofertados pelos fabricantes. A escolha correta do equipamento deve ser feita em função destes recursos, pois eles não estão presentes em todos os modelos. Por outro lado, a evolução do inversor de freqüência e a competitividade comercial impulsionam os fabricantes a agregarem opções nos equipamentos de mercado, que os coloquem mais próximos das necessidades de seus clientes, por isso novos parâmetros aparecem todo ano.

A escolha do produto adequado para a aplicação deve englobar a análise destes recursos, pois isso pode trazer facilidades para sua instalação, melhor adaptação a variações que uma máquina ou processo pode exigir e até uma redução de custos inicialmente planejados, pois dispensa a aquisição de mais componentes de uma automação.

*Originalmente publicado na revista Mecatrônica Atual - Ano 6 - Edição 32 - Fev/Mar/07