Inversores de Frequência – Como funciona o coração da indústria?

Os inversores de frequência, ou Variable Speed Drives (VSD), são componentes cruciais no mundo moderno da automação e controle de processos. Eles são a chave para a eficiência energética e o controle preciso de máquinas e motores elétricos. Neste post, vamos mergulhar nos detalhes técnicos e práticos que fazem dos inversores de frequência uma inovação tão valiosa.

O que é um Inversor de Frequência?

Um inversor de frequência é um equipamento eletrônico que converte corrente alternada (CA) da rede elétrica para uma tensão também alternada, no entanto, com amplitude e frequência controladas. A capacidade de produzir sinais CA com amplitude e frequência diferentes da rede, portanto, tornou o inversor de frequência em um sistema essencial para controlar a velocidade, torque, e direção de motores CA em ambientes industriais e em equipamentos domésticos.

Aplicações dos Inversores de Frequência

Os inversores possuem aplicação em diversos setores industriais, além de no entanto estarem presentes em equipamentos comerciais e domésticos. Algumas das principais aplicações são

• Automação e Acionamento Industrial: Para controle de máquinas em ambiente industrial. Alguns dos principais usos consistem em acionamento de bombas, compressores, motores para pontes rolantes, esteiras, laminadores, etc;
• Linha Branca: Alguns eletrodomésticos tem passado a usar inversores para o acionamento de motores, sendo propagandeados como linha inverter. Usos típicos estão em geladeiras, freezers, máquinas de lavar, etc;
• Ar-condicionado: Seja no ambiente industrial, comercial ou domésticos, sistemas de ar-condicionado têm usado os inversores para acionar os compressores de forma eficiente e mais silenciosa.
• Transporte: Em trens e elevadores, para controle suave e eficiente de velocidade e posição.
• Veículos Elétricos – Os veículos elétricos têm se popularizado nos últimos anos. Eles usam inversores para acionar os motores acoplados nas rodas dos veículos e proporcionar a frenagem regenerativa com maior eficiência e controlabilidade.

Estrutura Interna de Inversores de Frequência

Como dito, os inversores de frequência são equipamentos eletrônicos, para conversão CA/CA. Contudo, essa conversão não ocorre diretamente, mas emprega por dois estágios de conversão da energia. A Fig. 2 mostra a estrutura típica de um inversor de frequência, onde os seguintes destacam-se os seguintes componentes:

• Retificador: Usado para converter a tensão CA da rede em uma tensão contínua que alimenta o elo CC. A amplitude da tensão contínua gerada é igual ao valor de pico da linha, ou seja, para uma rede de 220V, a tensão de saída seria 311V, aproximadamente;
• Elo CC: O Elo, ou Link CC, é o ponto de acoplamento do retificador e do inversor. Esse ponto acomoda um grande banco de capacitores que serve para suavizar a forma de onda de tensão na saída do retificador, além disso ele desacopla a dinâmica do circuito de saída e do de entrada;
• Inversor: O conversor que dá nome ao equipamento trata a tensão contínua do elo CC e produz uma tensão alternada na saída, alimentando o motor com um sinal de amplitude e frequência controlados;
• Circuito de Controle: Apesar de não estar explícito na figura, o acionamento do inversor depende de um circuito e uma estratégia de controle. Esse controle pode tentar impor uma certa velocidade no eixo do motor ou ajustar o torque para vencer a inércia de uma carga, porém sem o circuito apropriado para realizar as medições e o ajuste do comando das chaves, o circuito inversor não operaria.

Modulação de Inversores de Frequência

O segredo do funcionamento do inversor de frequência está no uso do inversor (conversor CC/CA) para produzir nos terminais do estator da máquina uma tensão alternada de frequência e amplitude variável. Nas próximas seções vamos discutir como que o controle dessa tensão é feito, contudo, é importante saber que uma técnica de modulação pulsada é necessária para que a tensão de acionamento seja sintetizada.

Ao contrário do que muita gente pode imaginar, a tensão de saída do inversor não é senoidal, como a da rede elétrica, mas uma tensão de formato quadrado que carrega a informação de tensão de acionamento desejada. Como o motor tem uma dinâmica relativamente lenta, a onda de alta frequência acaba sendo filtrada pelo motor e as correntes se tornam senoidais. A modulação PWM é a técnica mais utilizada para comandar os inversores de frequência, podendo ser utilizada como o PWM Senoidal ou PWM Vetorial.

Modulação PWM Senoidal (SPWM)

A modulação PWM Senoidal (SPWM) consiste em se utilizar uma referência senoidal para o modulador PWM por fase do motor. Com isso, cada fase do inversor irá tentar sintetizar um sinal PWM que tem como modulante (informação principal) uma onda senoidal para cada fase, como ilustra a Fig. 3.

Grosso modo, o inversor irá sintetizar uma onda PWM por fase cuja informação fundamental é uma senóide de frequência igual à referência e com uma amplitude dada por:

Onde, ma é o índice de modulação do PWM e VCC é a tensão do Elo CC. Note, porém, que para um elo CC de 311V a máxima tensão senoidal de fase-neutro produzida é de 155V de pico. A tensão de linha (fase-fase) será, portanto, 190Vrms. Ou seja, o SPWM, apesar de simples não permite que o inversor consiga alimentar o motor com uma tensão de 220Vrms a partir de uma rede de 220V. Assim, o SPWM é indicado para sistemas que possam usar um retificador ativo na entrada, ou que alimentem motores com tensões de placa menores do que a rede disponível, por exemplo, uma rede de 440V e motores de 220V.

Modulação por Vetores Espaciais – Space Vector PWM (SVPWM)

A modulação Space Vector (SVPWM) enxerga o inversor como um elemento trifásico, ao contrário do que faz o SPWM, que lida com cada fase individualmente. Nesta técnica, definem-se estados para o comando do inversor, onde cada estado representa uma posição das 6 chaves de potência. Ao todo, um inversor trifásico tradicional apresenta 8 estados. Cada estado produz uma combinação de tensões na saída do inversor, como ilustra a Tabela 1. Van, Vbn e Vcn são as tensões entre as fases de saída do inversor e o neutro do motor.

Cada estado representa um vetor em um plano, sendo que os vetores V0 e V7 são chamados de vetores nulos, pois produzem sobre o motor tensões de fase nulas. Os demais vetores são dispostos no plano com espaçamento de 60°, conforme ilustra a Fig. 4.

Uma vez tendo esta representação, um sistema trifásico senoidal é tratado como um vetor girante no plano de vetores espaciais, onde a amplitude remete o valor de pico das senoides. Assim, a síntese do sistema trifásico consiste em se construir para cada instante de tempo um vetor no plano espacial com a amplitude desejada. Entretanto, em cada instante de tempo o vetor desejado estará num setor delimitado por dois vetores ativos, por exemplo, V1 e V2. Assim, forma-se o vetor de saída com a combinação da aplicação dos dois vetores ativos de cada setor e dos vetores nulos durante um certo período de chaveamento.

O interessante é que o resultado é um vetor girante que no máximo vai ter uma amplitude igual a 0.577 V_CC. Logo, para um Elo CC de 311V, o SVPWM sintetiza tensões de fase de 127Vrms, o que produz uma tensão de linha de 220Vrms.

Como saber mais sobre modulação SPWM e SVPWM

Quer aprender mais sobre essas duas técnicas de modulação? Não deixe de assistir a aula sobre Inversores Trifásicos preparada pelo Canal Eletrônica Geral, onde eu explico com mais detalhes o funcionamento das duas técnicas.

Controle de Inversores: Escalar vs Vetorial

A estratégia de controle utilizada nos inversores de frequência que permite que o equipamento consiga operar um motor CA com frequência variável, porém, sem que isso comprometa sua capacidade de torque. Nos inversores comerciais, as principais estratégias de controle são:

1) Controle Escalar (V/F constante)

Também conhecido como controle V/F (tensão/frequência) constante, o inversor escalar define uma curva constante de tensão de estator x frequência para o acionamento do motor. Ou seja, à medida que a velocidade do motor aumenta, a tensão aplicada no estator também aumenta, na mesma proporção. Assim, o motor atinge sua máxima rotação (nominal) quando a tensão e a frequência de saída do inversor são iguais às especificadas na placa do motor. Normalmente, essa técnica de controle não demanda sensores ou conhecimento do modelo dinâmico do motor, contudo, possui uma resposta dinâmica lenta. Aplicações comuns do controle escalar envolvem acionamento de bombas e ventiladores.

2) Controle Vetorial

O controle vetorial de inversores, também chamado de Field Oriented Control (FOC), é uma técnica bem mais complexa e baseia-se no uso das equações dinâmicas do motor, ou seja, das equações diferenciais eletromecânicas da máquina. Nesta técnica de controle, as correntes de estator são medidas e submetidas a uma mudança de coordenadas, baseadas nas transformadas de Clarke-Park (DQ0). Essa transformação traduz as informações alternadas e trifásicas da corrente em duas informações ortogonais (ou seja, independentes) que contém a parcela da corrente relativa ao fluxo da máquina (magnetização) e ao torque. Sendo bastante simplista, essas transformadas permitem traduzir o comportamento de um motor CA em um motor de corrente contínua, com o circuito de campo e o de armadura separados!

Assim, controladores podem ser usados no eixo de fluxo (direto) e no eixo de torque (quadratura) para permitir que essas variáveis sigam um set-point com precisão, o que também possibilita um controle de velocidade preciso. Dessa forma, o controle vetorial é recomendado para aplicações que requerem alta precisão, como sistemas de posicionamento e controle de torque variável.

Existem duas categorias de inversores vetoriais:

• Com realimentação física de velocidade: Esses inversores medem a velocidade real do motor e ajustam a tensão e a frequência para obter o torque desejado.
• Sem realimentação física de velocidade: Nesse caso, o inversor utiliza algoritmos para estimar a velocidade do motor.

Em resumo, o controle escalar é mais simples e adequado para tarefas básicas, enquanto o controle vetorial oferece maior flexibilidade e precisão. A escolha entre eles depende das necessidades específicas da aplicação

Conclusão

Os inversores de frequência são fundamentais para a automação moderna, oferecendo controle preciso e eficiência energética. Esses inversores são equipamentos que associam um retificador e um inversor, assim eles permitem a conexão com a rede elétrica de um lado e do outro produzir tensões alternadas com amplitude e frequência variável. Com esse ajuste de frequência é possível controlar com precisão tanto a velocidade, quanto o torque do motor e, assim, gerar aplicações de acionamento de motores industriais mais eficazes e inteligentes.