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O que fazer se o inversor de freqüência que prometia resolver todos os nossos problemas, está “dando problema”? Ler este artigo, talvez ajude um pouco antes de entrar em contato com a engenharia do produto ou chamar a assistência técnica

Tipo de inversor


- Quando adquirir um inversor de freqüência vetorial e quando deve-se adquirir um e inversor escalar?


A escolha do controle a ser aplicado está muito relacionado ao desempenho desejado pela carga acionada pelo motor (a carga manda...); não há uma regra específica. O que vale é compreender o que a tecnologia escalar difere da tecnologia vetorial.

O controle escalar está baseado no fato de ser manter o fluxo constante em valor máximo, para se garantir torque máximo. A tecnologia vetorial, de modo resumido, responde a necessidade real de torque imediato do motor. Com certeza a segunda possui maior custo a ser implementado, devido aos tipos de processadores (microcontroladores dedicados ou DSP's - processador digital de sinais) utilizados no controle. A aplicação de ambas depende muito do conhecimento da carga. De um modo mais simples, quando se necessita de controle do torque e velocidade durante todo o processo, como em sistemas de elevação e transporte preciso, ou bobinamento de materiais, a melhor saída é a utilização de inversor vetorial. Nos demais casos, um inversor escalar corretamente parametrizado pode resolver o problema.

- Qual a diferença entre conversor de freqüência e inversor de freqüência?


Tecnicamente nenhuma, apenas questão de semântica. Os primeiros equipamentos de controle de velocidade de motores assíncronos trifásicos tentavam (e ainda tentam) imitar o desempenho dos motores de corrente contínua. Assim, até no nome começaram a copiar os termos, logicamente como se faz em qualquer novo desenvolvimento, tenta-se utilizar aquilo que já está construído para se construir em cima. Os dispositivos que controlavam os motores de corrente contínua são denominados conversores de potência. Então os primeiros controladores de velocidade de motores assíncronos foram denominados de “Conversores de Freqüência”. Mas, com o passar do tempo para tentar minimizar as dúvidas e maximizar as diferenças entre as tecnologias, optou-se por utilizar um nome mais coerente.

Para tanto foi enfatizada a principal parte do “conversor do motor de corrente alternada” que é o inversor propriamente dito. De uma certa forma, é o mesmo nome que se aplica em inglês: Inverter. Para se ter uma idéia, os mesmos equipamentos são denominados de modo geral em inglês como ASD (Adjustable Speed Drive), VFD (Variable Frequency Drive), AFD (Adjustable Frequency Drive), VSD (Variable Speed Drive), Inverter Drive e Frequency Converter. Em espanhol temos o termo Convertidor de Frequencia.


Potência

- Basta saber a potência de um motor, ir em um fabricante e escolher um inversor de acordo com a faixa de trabalho? Em caso negativo, que outros critérios técnicos referente à potência podem ser avaliados no momento que um técnico pretende especificar um inversor de freqüência? Sabe-se, por exemplo, que são necessários cuidados quando especifica-se um inversor de freqüência para um motor que tenha um redutor acoplado.

A questão pode ser melhor colocada da seguinte forma: quais dados são necessários para se especificar um inversor de freqüência?

- potência do motor
- tensão de alimentação
- número de partidas por hora
- tipo de carga a ser acionada
- ciclo de trabalho
- eficiência e taxa de redução do reduto acoplado ao conjunto
- número de pólos do motor
- velocidade máxima de trabalho do conjunto mecânico

Estas são as mínimas informações para se realizar uma especificação, evitando super-dimensionamentos e conseqüentemente o encarecimento do produto.

Quanto ao fato de utilizar um inversor sobre motor acoplado a redutor é bom tomar muito cuidado. Um dos principais cuidados a serem tomados giram em torno das rampas de aceleração/desaceleração do conjunto, sendo a especificação uma questão que deve ser analisada globalmente, isto é, o redutor também é entendido como carga pelo acionamento.

Redes de Comunicação

- É necessário verificar se o inversor de freqüência desejado possui portas de comunicação de acordo com a rede existente na empresa, ou já existem conectores para qualquer tipo de interface?


Sem dúvida, isto é importante. Atualmente, espera-se que processos automatizados tenham a habilidade de informar sobre seu funcionamento, eficiência, estado do dispositivo, entre outros aspectos que possibilitam ao gerenciador do processo o total controle. O sistema em rede ainda garante grande eficiência nos aspectos de minimização de ações de reparo (o equipamento avisa quando está em situação crítica), além da possibilidade de receber seus comandos de várias fontes.


- Existem redes de comunicação mais indicadas para a interface com sistemas de controles?

As guerras das interfaces ressaltam suas próprias vantagens e as desvantagens dos concorrentes. As mais usuais são ModBus, Profibus, DeviceNet, Interbus...mas não existe uma ideal. O ideal mesmo é tentar utilizar o menor número de redes possível em um mesmo processo.

A aplicação da rede também deve ser considerada quanto ao número máximo de componentes a ela ligada (dispositivos) e a velocidade da mesma. Por exemplo, no padrão MODBUS convencional, pode-se ter 32 nós com 38400bps. Já em Profibus pode-se conectar 31 nós e alguns equipamentos “conversam” em até115200bps. Este valores podem ser alterados em alguns casos, otimizando o sistema.

Mutli-motor

- Um inversor de freqüência é único para um motor, ou em outras palavras: É possível controlar mais de um motor com apenas um inversor de freqüência. Em caso positivo, que tipo de inversor deve ser procurado? Esse tipo de ligação é aconselhável?

Depende da aplicação. A utilização de sistema multi-motor - acionar vários motores com um único inversor - é uma situação corriqueira em que muitos esquecem de cuidados que no final, limitam a vida útil do motor e do inversor. É interessante que ao se utilizar um único inversor com vários motores:

- Os motores sejam iguais quanto ao número de pólos, escorregamento, tensão, potência e eficiência.

- A somatória das potências envolvidas não supere a 80% da potência do inversor a ser instalado.

- Cada motor tenha um equipamento individual de proteção contra sobre-carga (relê térmico, relê térmico eletrônico ou sonda térmica) e as mesmas sejam todas ligadas ao inversor de modo que se houver um estado de falha em algum dos motores instalados juntos, o inversor seja desenergizado. Outro detalhe é que se deve respeitar o perímetro de cabeamento máximo que o equipamento permite (na maior parte dos produtos de mercado não são maior que 100 metros). A medida é para evitar falhas provocadas por efeito de capacitâncias parasitas.

- Possivelmente é interessante incluir um indutor na saída do inversor, ou mesmo um indutor no link DC para minimizar os efeitos das correntes de inrush (correntes de carga nos capacitores) no inversor.


Kits

- Há uma série de kits (resistores, filtros, placas de conexão, terminais, etc) que são oferecidos por fabricantes, o que deve encarecer muito o custo do equipamento. Se a intenção principal de um usuário for variar a velocidade e torque de um motor, é possível dispensar toda a parafernália de kits que são oferecidos por fabricantes?


- A resposta pode ser repetitiva, mas cada caso necessita um estudo da aplicação da carga. Se tomarmos o exemplo de sistemas que necessitam rápida frenagem em alta inércia, lembrando que a inércia se opõem a variação da aceleração/desaceleração da carga, tem-se a necessidade presente da utilização de módulos e resistências de frenagem. Em certos casos, a corrente de trabalho ficará muito abaixo da nominal do inversor o que leva a muitos técnicos a questionarem por que este dispositivo está “tão sobre-dimensionado”. Esta dúvida verdadeiramente desaparece quando se analisa o caso no momento da desaceleração da carga. Assim, não somente o sobre-dimensionamento se justifica, bem como a instalação do módulo de frenagem dissipativa e os devidos resistores. Atentando para o fato de nunca se misturar equipamentos de marcas diferentes (inversor do fabricante “A” com módulo de frenagem do fabricante “B”). Pode parecer estranho este comentário, mas infelizmente esta é uma atitude não pouco comum no mercado Brasileiro.

Outra necessidade é o preciso controle da velocidade. Para isto é fundamental a presença de um gerador de pulso, que pode ser um encoder incremental, preso ao eixo motor enviando informação da velocidade real ao inversor. Isto se aplica normalmente a inversores Vetoriais quando controlam torque ou velocidades extremamente baixas (menor que 1 rpm). Na maior parte dos inversores, será então necessário a inserção de placa sobressalente para a leitura do encoder pelo inversor.

A preocupação com problemas de interferência eletromagnética é justificada, pelos problemas conhecidos e também pela obrigação das normas que as regem, conhecidas como diretivas de baixa tensão quanto a compatibilidade eletromagnética, sendo algumas delas: EN61800-3, EN610004-2, EN61000-4-3, EN61000-4-6, EN61000-4-8, EN55011, entre outras.


- Como se calcula uma resistência para frenagem de um motor com inversor?

Um modo geral, que pode ser utilizado (mas consultem os específicos fabricantes), pode ser dado pelo exemplo a seguir:

- dado um motor trifásico assíncrono de 20cV, quatro pólos com velocidade nominal de 1760 rpm, possuindo inércia (J) de 0,0803 kgm2 sendo a inércia do conjunto a ser movido igual ao do motor (pode ser de um acoplamento com redução), qual é o tempo mínimo de frenagem e o ciclo de trabalho para se aplicar com um inversor?

Em primeiro lugar, vamos calcular a energia cinética da frenagem:
ecin = 0,011 x 0,0803 x (1760)2 = 2736Ws
A constante 0,011 vem de: (2r/60) rad/s

A potência instantânea não deve ser maior que a potência do resistor de frenagem. Portanto, um valor acima do calculado deve ser previsto. Por exemplo, os inversores

Delta em seu manual, encontramos:

inversor VFD150B23A (inversor Delta 20cV/220V) -> resistor de frenagem: 3kW/10

Chamando de PR a potência do resistor, o número de frenagem por minuto pode ser dado:

fren/s = PR/ecin = 3000/2736 = 1,097/s
fren/min = fren/s x 60 = 66/min

O tempo mínimo de parada é dado por:

tmin = ecin/Pmotor = 2736W/(20 x 736W) = 0,19s, para o torque nominal do motor.


Manutenção

- Muitos usuários reclamam que algumas marcas de inversores de freqüência vivem queimando o componente chamado IGBT. Como o usuário pode saber se não está adquirindo um inversor que pode ter esse tipo de problema?


O IGBT é o coração dos sistema de potência do inversor (figura 1). Fazendo uma simples comparação, o módulo IGBT está para o inversor assim como o motor a combustão interna está para um carro. O que ocorre, e como tudo na vida física, é que a vida útil do componente não é eterna, além de ficar comprometida quando ocorrem maus usos devidos a desconhecimento das características do equipamento ou esforços além dos permitidos ao componente.



Isto é muito comum, principalmente porque o conjunto inversor-motor elétrico responde aos esforços solicitados. Por exemplom se um inversor é solicitado 10% a mais em sua carga (corrente) na sua utilização diária, seu tempo de vida útil é reduzido a 75%. Cuidados quanto ao tipo de proteção (fusíveis ultra-rápidos bem dimensionados), acomodação do equipamento (em painel fechado e ventilado), aterramento adequado e inspeção periódica asseguram uma maior vida útil do dispositivo.

Outros problemas comuns são erros de dimensionamento, não considerando o número de manobras/hora e o tipo de carga no momento da especificação do produto. A consulta ao departamento de engenharia do fabricante do inversor que se deseja adquirir, pode na maior parte dos casos evitar estes problemas.


- Caso um usuário faça uma escolha errada de um inversor, é possível comprometer o funcionamento do motor? De que forma? Como resolver?

A resposta é um grande sim. A única saída é a troca do equipamento. Os servo-motores, inversores de freqüência, conversores de potência e soft-starters são equipamentos altamente críticos, pois acionam cargas em altíssimas velocidades e rápidas acelerações. Buscar ajuda técnica especializada é no mínimo inteligente.

- Motor em qualquer estado de conservação pode receber um inversor de freqüência? Existe algum ponto de má conservação do motor que pode comprometer o desempenho de um inversor de freqüência?

A tensão de saída de um inversor de freqüência é chaveada em pulso de alta freqüencia. Assim se a isolação do motor não estiver em condições satisfatórias, ou se o mesmo já ter sido rebobinado sem respeito aos padrões mínimos de isolação - como impregnação a vácuo ou isoladores de baixa qualidade - o mesmo entrará em curto-circuito. Outra situação se encontra ao aplicar inversor em motor de anéis em curto. Tem-se aí o problema de que a resposta do motor na partida irá demorar mais que o normal (2 segundos ao invés dos normais 200ms), pois o mesmo levará mais tempo para criar campo no entreferro.

- No geral, o local onde será instalado um inversor de freqüência requer os mesmos cuidados que demais equipamentos eletrônicos industriais, ou requer algum cuidado especial?

Aterramento é importante. Acondicionar o mesmo sob carenagem ou painel também. Instalar fusível de proteção apropriado que no caso é o de ação ultra-rápida é fundamental. É falso o argumento de que disjuntores rápidos são eficientes na proteção em sistemas de estado sólido.

Manter condições normais de temperatura e umidade no ambiente no qual o inversor está instalado. Separar os cabos de potência e os de sinais e controle de qualquer equipamento, inversor ou não, pode evitar grandes dores de cabeça na instalação ou manutenção.

Outro fato simples é garantir que a alimentação seja a mais constante possível e os cabos bem dimensionados, evitando-se perdas por efeito Joule, o que limita a atuação do inversor.

Na prática o principal cuidado com inversores de freqüência é respeitar suas limitações. Uma boa olhada no manual antes de efetuar a instalação pode ser suficiente.


Versatilidade

- Hoje existe uma tendência mundial de incorporação de funções de CLP na programação de inversores de freqüência. Esta é uma das principais revoluções desse equipamento na atualidade? Em caso positivo, dê exemplos de aplicações onde seja possível programar máquinas apenas a partir de um inversor? Ou em caso negativo, quais são as principais tendências de evolução do inversor de freqüência?

As chamadas funções PLC, como ciclos de velocidades, contadores internos, saídas auxiliares digitais temporizadas e de função pré-programada são sem dúvida, implementações que facilitam a aplicação do produto. Contudo, é interessante conhecer as possibilidades que o produto oferece, pois em muitos casos um inversor bem especificado evita a necessidade de agregar outros equipamentos como relês inteligentes, temporizadores, contadores de pulso entre outros.

Opinar sobre a principal revolução sobre qualquer equipamento é muito subjetivo. Contudo sem sombra de dúvida, algumas inserções tecnológicas nos inversores, contribuem muito para sua melhor aplicação no mercado:

- Controle PID incorporado para processos contínuos: principalmente aplicados a controles de fluxo de líquidos ou gases quando o mesmo é acionado por um motor assíncrono, e conseqüentemente por um inversor de freqüência.

- Redes de comunicação: Não importa o tamanho do inversor, presença de algum tipo de sistema incorporado, ou acessórios aplicados. Redes de comunicação são fundamentais para um equipamento do porte de um inversor.

- Sistema multi-velocidade:
qualquer inversor de mercado possui e nínguem dá importância. Imagine se não tivesse esta possibilidade, o impacto dos inversores do mercado seria bem menor.

- Funções de PLC:
este é um das incorporações que permitem ao equipamento ser aplicado sem auxílio de outros acessórios internos. Em algumas marcas estas funções são padrões sem a necessidade de acessórios. Em outras, vale a pena adquirir a placa PLC, que sai mais em conta do que utilizar um PLC externo em alguns casos.

- Auto-sintonização: principalmente em inversores vetoriais, conhecer parâmetros de resistências estatórica, resistência rotórica, indutância de magnetização, perdas no cobre e no ferro, o vetor de fluxo magnético do rotor, entre outras, é fundamental para um perfeito ajuste de parâmetros. Como os mesmos variam de motor para motor, mesmo em motores que tenham as mesmas características de potência e velocidade, a utilização de algoritmos de estimação para levantamento de parâmetros é fundamental. Um bom inversor consegue “descobrir” estes parâmetros com excelente precisão.

- Entrada pulsada: alguns inversores de mercado (como o V7 da Yaskawa ou o VFD-V da Delta) possuem entradas rápidas incorporadas. Isto permite que o inversor siga pulsos quando estiver em malha fechada (atuação semelhante aos servo-motores em modo posicionamento).

Quanto as tendências de mercado, temos ações que se passam, principalmente devido a atividade acadêmica na área de controle soluções em controle robusto, que atuam de modo a manter o acionamento imune a variações de carga, sistemas neuro-fuzzy na estimação dos parâmetros de controle e, controle adaptativo que será aplicado para solução de problemas de proteção do inversor (auto-proteção). Na parte de potênciado equipamento, a evolução já presente se encontra nos inversores de saída multi-nível. Na entrada de alimentação do inversor a tendência é utilizar equipamentos que tragam menor interferência eletromagnética tanto conduzida quanto irradiada, melhorando a eficiência no consumo de energia.

Melhorar a interface entre o usuário leigo e o equipamento (o que já é uma realidade dentro dos centros de desenvolvimento de produto) é a próxima revolução do mercado de inversores, principalmente porque estes deixarão o chão de fábrica indo atuar nos dispositivos residenciais.

*Originalmente publicado na revista Mecatrônica Atual - Nº22 - Jul/05