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.

inversor de frequência 6 pulsos

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

Veja o vídeo abaixo para entender melhor como funciona o retificador de 6 pulsos:

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 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.

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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.

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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 2 - Conversor de 6 Pulsos que compõe um inversor de frequência

Figura 3 – Circuito de um inversor de frequência

Analisando a Figura 3 acima, temos o seguinte: quando fechamos um dos interruptores superiores no inversor, 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.

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Figura 4 – Chaveamento por fase

Observe que neste 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:

inversor de frequencia pwm

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:

inversor-de-frequencia-modulacao-positiva-e-negativa

 

 

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 ficar 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.

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Figura 5 – Modulação PWM de um Inversor de Frequência

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

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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 ser dar 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.