Inversor de Frequencia - Conceito e Tecnicas de Aplicacao

Elaborado por : Gleston F. de Castro

Inversor de FrequenciaConceitos e

Técnicasde aplicação


Conceito- o que é um inversor e para que serve

Conceito – dispositivo eletrônico que transforma energia elétrica CA fixa ( tensão e frequencia ) em energia elétrica CA variável , controlando a potência consumida pela carga.

No caso específico , o inversor de frequencia é utilizado para controlar a rotação de um motor assíncrono ( de indução ) . Isto é alcançado através do controle microprocessado de um circuito típico para alimentação do motor composto de transistores de potência que chaveam rapidamente uma tensão CC , modificando o valor “rms” e o período .

Ao controlar a rotação o motor , flexibilizamos a produção da máquina que é acionada pelo motor de indução.


Vantagens de se usar inversores

? Substituição de variadores mecanicos? Substituição de variadores eletro-magneticos? Automatização e flexibilização dos processos fabris? Comunicação avançada e aquisição de dados? Eliminação de elementos de partida pesada e

complicada? Instalação mais simples.? Aumento da vida útil do maquinário.? Evita choques mecânicos( trancos) na partida.? Redução do nivel de ruido.


Vantagens de se usar inversores

? Excelente regulação de pressão e vazão? Economia de energia ( demanda e consumo).? Lembramos que 51% da energia elétrica gasta na industria

é usada para alimentar os motores.Podemos então ver a importância de se dimensionar corretamente nossos motores e de reduzir ao máximo a potência consumida otimizando os meios de controle e de processo.


Internet

? http://www.ab.com? Drives & Motors? Online Drive manuals? Technical/White Papers? Softwares? http://www.reliance.com? http://www.tecnaut.com.br


Temas abordados

? Princípio de funcionamento? Ruido de modo comum ? Onda refletida? Frenagem e regeneração de energia para a rede? Harmonicos? Proteção elétrica? Controle vetorial


Princípio de funcionamento


Freqüência de chaveamento


Efeito do controle escalar v / Hz num motor de indução


Esquema detalhado do circuito interno de um inversor


Esquema detalhado do circuito interno de um inversor


Princípio de funcionamento

Ao lado vemos o funcionamento para geração de tres tensões defasadas 120 º uma da outra e,abaixo , a corrente de saída do motor


Como especificar um inversor1. Potencia e tensão do motor2. Tipo de máquina ( ventilador , bomba , esteira , elevador , )3. Ciclo de trabalho da máquina ( tempo para partir , rodar e parar )4. Quantidade de operações por hora ( ou minutos , ou dias )5. Tempo de aceleração e desaceleração6. Inércia da máquina7. Velocidade mínima e máxima 8. Comando de 2 fios ou 3 fios 9. Referencia de velocidade ( rede , sinal analógico , velocidade pre-selecionada , “step – logic” ,

velocidade fixa abaixo de 60 Hz , potenciometro )10. Acionará acima de 60 Hz ? Cuidado.11. Tipo de parada ( inercia , rampa , frenagem CC )12. Resistor de frenagem ? Dimensionar ohms e watts .13. Temperatura ambiente 14. Usará contator na entrada ou na saída ?Cuidado com comando .15. Comunicação serial ( devicenet , controlnet , ethernet , DF1, RS485 , )16. Ruído eletromagnético ( o inversor tem marca CE , tem filtros externos )17. Harmonicos ( analisar o impacto do inversor na instalação elétrica )18. Instalação elétrica - Aterramento e blindagem de cabos 19. Montagem em painel existente , novo , dentro de gaveta de CCM ?20. Proteção elétrica ( fusivel , disjuntor , nível de curto – circuito )


Ruído Modo Comum


Problemas que estamos sentindo

? Erros no loop de 4- 20 mA? PLC - erros de comunicação

? RIO? DH+? Device Net? RS232 /RS485

? Ruído Irradiado – o cabo de força entre o inversor e o motor funciona como antena

? Ruído Conduzido – sinais elétricos circulando pelos cabos de força e malha de terra? Sensores ? CLP? Desequilibrio no aterramento


Qual a fonte do problema ?

O tipo de tensão que é gerada nos inversores (PWM ) produz correntes parasitas através das capacitâncias parasitas – pequenas capacitâncias que em 60 Hz não são significativas , mas em altasfrequencias passam a “perturbar” o funcionamento do circuito

Onde estão estas capacitâncias?

Podemos observar na figura abaixo

Cm – capacitância entre os enrolamentos do motor e a terra

Cc –capacitância entre os componentes IGBT e os condutores ou invólucro conectado à terra

Cr – capacitância entre a linha de alimentação e a terra

Cs – capacitância entre os condutores de saída e a terra

Cy –capacitância entre os capacitores de entrada do inversor para eliminação dos ruídos eletromgnéticos( se existirem ) e a terra


Corrente real do motor


Caracterização do problema

Acontece a cada chaveamento dos IGBT’s


Problema Fundamental

70 ns

V LL

6 MHz

I Pico

Tensãosaída

inversor

CorrenteModo

Comum

Considerando uma tensão que muda de 0 até 600Vdc em 200nS temos:

Dv/dt = 600/0,0000002=

3.000.000.000 V/s

Caso a capacitância parasita seja de 1 nF( equivalente a capacitância de 4 metros de cabo 2,5 mm2) chegamos a uma corrente de

I= 0,000000001 X 3.000.000.000 = 3 Ampéres

Fluindo pela resistencia e indutancia da malha de terra é gerado uma queda de tensão , basicamente dada por :

+ RGROUND x I


Condição Existente: dv/dt “Ruído”

PROBLEMA: RUÍDO NO SISTEMA DE TERRA DO CLIENTE

* CAMIINHO DE RETORNO ATRAVÉS DE CAPACITÂNCIA PARASITÁRIA

(i.e.. CAMINHOS DESCONHECIDOS)

* I terra PODE ENCONTRAR ESTES CAMINHOS ATRAVÉS CNC, PLC, E TERRA DE COMPUTADORES

* CORRENTE CONDUZIDA PARA TERRA ? CLIENTE COM PROBLEMA DE RUÍDO EMI

EMI - Interferência Eletromagnética


Ruído na Malha – EFEITO NA INSTALAÇÃO





nÃO ADIANTA BLINDAR SOMENTE O CABO DE SINAL ,POIS ATRAVÉS DA ALIMENTAÇÃO O RUÍDO PODE “ENTRAR” NO SISTEMA AFETADO


Ruído irradiado – efeito antena


Ruído irradiado Efeito localizado dentro do painel


Ruído na Malha – SOLUÇÃO ÓTIMA

CABO DE POTÊNCIA “SHIELDADO” E ISOLADO

TERRASOLUÇÃO: A malha controla o caminho do ruído de HF


Ruído na Malha – SOLUÇÃO EXCELENTE






ATENUAR RUÍDO DA FONTE - TORÓIDES

P/ MOTOR

1 2L1

L1'

5 6

L3

L3'

3 4L2

L2'

7

GND

CABO do INVERSOR

TERRA MALHATERRA MOTOR

P/PE

Efeito do toroide


O QUE OS TORÓIDES FAZEM ?

70 ns

V LL

6 MHz

I PICO1.5 à

50 us

I PICO1/3

SPECTRUM 63 kHz à 200 kHz

Currentecom

NucleoModo

Comum

Tensãosaída

inversor

CorrenteModo

Comum


Filosofia de redução Ruído Modo Comum

1. Praticas de Aterramento? Eliminar espiras com a malha de terra

2. Atenuar ruído da fonte (inversor)? Adcionar toróides (Commum mode choke) na saída do inversor? Adcionar toróides (Commum mode choke) no cabo de rede

3. Cabos de força do inversor longe de equipamentos sensitivos? Usar 4 condutores em cabos “shieldados” ? Usar 4 condutores em eletrodutos

4. Capturar e retornar o ruído para fonte (inversor)? Adcionar capacitores modo comum


Solução Completa

MOTOR

CHASSIS

ATENUAÇÃO RUÍDO C/ COMMON MODE CHOKE

MALHA CAPTURA RUÍDO RETORNANDO P/ DRIVE

L LINK

L LINK

+

+

+

GND

CAPACITORES MODO COMUM

Inversor


Solução Completa


Bandejamento de cabos de saída do inversor

Para evitar interferencias entre os cabos de inversor e outros circuitos .

Para evitar sobreaquecimento , permitir um distanciamento mínimo entre os “pacotes” de cabos

Caso haja cabos de outros circuitos desconectados , providenciar o aterramento destas pontas

Cabos de dois ou mais circuitos de inversores devem ser separados e em caso de desligamento de um inversor , o cabo deve estar bem isolado para não ocorrer acoplamento capacitivo entre os cabos de força dos inversores


CUIDADO COM MERCADO –ESPECIFICAÇÃO TECNICA DENTRO DO DESEJADO


CUIDADO COM MERCADO –ESPECIFICAÇÃO TECNICA DENTRO DO DESEJADO Cuidado ao pedir orçamento !!!


CUIDADO COM INSTALAÇÃO – VÁRIOS INVERSORES “PENDURADOS” NO MESMO TRANSFORMADOR

Aterrar o secundário em estrela de um transformador é uma boa prática de instalação.Sob curto – circuito no secundário,a tensão de qualquer fase para a terra não excederá o valor normal que é suportado pela proteção de sobretensão( MOV ) do inversor.

Este resistor tem sua tensão monitorada para detectar o nível de fuga à terra.Com a adição de diversos inversores no mesmo secundário de um transformador , as correntes de alta frequencia de todos os inversores fluem pelo resistor e podem provocar o acionamento do mecanismo de proteção de fuga à terra .Portanto os cabos que conectam os inversores ao motor devem ser do tipo blindados e compostos de 4 fios.


Instalações de Inversores de Frequência

Onda Refletida


Fenômeno Onda Refletida

? Indentificada primeiramente em 1900 com as linhas de transmissão

? Também conhecida como Onda Estacionária ou Efeito Linha de Transmissão

? Bem documentada em comunicações digitais? Aparecimento com os inversores IGBT ( altas

frequencias de chaveamento ) ? Pode causar picos de tensão no Motor? Poderá causar falha de isolação


A Física

? O cabo entre o Inversor e o Motor, representa uma substancial impedância para os pulso de tensão PWM da saída do Inversor.

? A impedância do cabo é proporcional ao comprimento

Indutância / unid. comprimentoCapacitância / unid. comprimento

? Se a impedância do cabo não está casada com a impedância do motor ---

Onda Refletida OCORRERÁ !!

Z0 =


Efeito Linha de Transmissão

INVERSOR

LINHA A

LINHA B

+

-

FONTE BAIXA Z CAPACITIVO

CABLEZo ENTRE 50 - 200 OHMS PARA

CABO 3 FASES

Zo 1K - 2K OHMS - FASES SEPARADAS

L/CZo = L*C

V = 1

CSG

R1X1

POR FASE MOTOR

X2

Xm R4 S

MOTORZ (60Hz) >> ZoCARGA

POSSIVEL 2x à 4x TENSÃO BARRAMENTO CC

PROBLEMA

* CAPACIDADE DE ISOLAÇÃO MOTOR - AGORA A TENSÃO ATRAVÉS DA PRIMEIRA VOLTA DA BOBINA PODE SER > 1350 VOLTS, AO INVÉS DA TENSÃO TÍPICA ATRAVES DA LINHA DE 10-30 VOLTS

* CAPACIDADE DE ISOLAÇÃO CABO - NECESSITA MAIOR FAIXA DE TENSÃO- VIDA UTIL

* AUMENTO RUÍDO dv/dt NO MOTOR OSCILANDO NO RANGE DE 1 -3MHz


TIpica Saída Vpp Pulse PWM no Motor

0

-1

+1

+2


Qual será a amplitude?

? A velocidade de reflexão(Depende da capacitância & indutância do cabo)

MAIS? O tempo de subida do dispositvo de chaveamento, determina a

distância do cabo na qual a amplitude da onda refletida alcançará a maior amplitude

A amplitude pode chegar a ser 2 - 3 vezes a tensão do barramento CC ( 675VCC X 2 = 1350 Volts típico )


Dependente do tipo de Dispositívo

? GTO - muito baixa = max amplitude muito longas distâncias

? BJT - medio = max amplitude a longas distâncias

? IGBT - muito rápido = max amplitude a pequenas distâncias(3a. geração)

IGBT BJT GTO

??s ??s50-400ns


Falha de Isolação

? Pode aparecer de microscópicos furos? A falha de Isolação pode ser causada por:

? Repetitivas Descargas parciais? Tensão excede a tensão dielétrica do Ar? Degradação é relativamente lenta

? Corona? Tensão ioniza a camada de Ar? Arcos atraves do enrolamento? Falha de isolação é imediata

? Tensão execede isolação elétrica da fiação


O que é destrutivo?

? A força destrutíva depende de 2 fatores? Amplitude da tensão? Tempo de subida da forma de onda

? A maioria dos fabricantes de Motores testam sob as mesmas normas.? [(2 X Tensão nominal) + 1000 Volts ] x 1.25? [(460 X 2) + 1000] x 1.25 = 2.4KV? Alguns testam @ 3-5 KV? Estes NÃO são testes destrutivos porque são realizados

com um tempo de subida muitissimo lento

? Com os IGBT de hoje os tempos de subida de 10-50 ? S1000 Volts pode ser destrutivo, visto que a senoidenormal tem tempo de subida de 4mS .


Onde está o maior risco?

? Quanto menor o Inversor/Motor Maior é o risco.? Baixas potências tipicamente tem altas frequencias de

chaveamento.

? Motores, pequenos, de baixo custo, tem tipicamente:? Pouca isolação - Bolhas são prováveis? Sem papel de “fase” e nas terminações ? Sem papel de “slot”


Sobretensão Motor prevista vs. Distância Cabo

IGBT Risetimes Típico

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

2.2

Ten

são

Mot

or /

Vcc

0 15 30 45 60 76 91

Distancia Cabo [m]

50 ns100 ns

200 ns

trise = 400 ns


O que você pode fazer sobre isso?

? Especificar e comprar motores isolados 1600V

? Manter o motor o mais proximo possível

? Instalar um dispositívo de “proteção”do motor onde necessário

? Usar inversor com controle PWM que reduz os picos de onda refletida , reduzindo de 3 pu para 2 pu.


O tipo de cabo pode influenciar na distância


Proteção do Motor

? Reator na Saída entre inversor & motor? Reduz dv/dt da tensão (aumenta tempo de subida)? Reduz forças destrutivas para uma mesma amplitude? Permite cabos mais longos? Cria uma queda de tensão

? Pode causar redução de torque


Proteção do Motor

? Filtros de Saída? Pode ter sido requerido para reduzir EMI/RFI? Resultado similar ao Reator? Cria uma queda de tensão

? Pode causar redução de torque


O Terminador

? Pequeno? Sem queda de tensão? Minima potência dissipada? Trabalha a qualquer distância de cabo? Mantem forma de onda da corrente? 2 - 3 opções para todas as aplicações? A solução mais efetiva? Resolve preocupações na instalação multi-motor? Trabalha em todos inversores IGBT & BJT


Terminador de Linha

L1

L2

L3

GND

Rx

Rx

Rx

Z0 = Impedância Cabo

Zx = Impedância terminador

Rx = Z0

? ?? ?Zx - Z0

Zx - Z0


Solução

Reator @ Inversor

Reator @ Motor

Inversor

ACMotor

ou

Inversor

Terminador@ Motor

ACMotor


Reator de Linha vs. Terminador A-B

Custo da Solução do Problema Onda Refletida

480 Volt - Potência [ Hp]

1

10

100

1000

Cu

sto

So

;uçã

o

1 10 100 1000

5% Z Reator Linha

3% Z Reator Linha

A-B Terminador Linha


1336 PLUS - 10 HP

1336 PLUS - 10 HP

1.00

1.20

1.40

1.60

1.80

2.00

2.20

2.40

2.60

2.80

1000 VOLTS 1200 VOLTS1600 VOLTS 1336 PLUS 10 hp SEM TERMINAÇÃO1336 PLUS 10 hp REATOR @ DRIVE 1336 PLUS 10 hp REATOR @ MOTOR1336 PLUS 10 hp TERMINADOR

Comprimento do cabo Inversor-Motor (m)

Por

Uni

d. S

obre

tens

ão(V

l-l /

Vbu

s)

0 15 30 46 61 76 91 107 122 137 152 182168


1336 PLUS - 50 HP

1336 PLUS - 50 HP

1.001.201.401.601.802.002.202.402.602.80

1000 VOLTS 1200 VOLTS1600 VOLTS 1336 PLUS 50 hp SEM TERMINAÇÃO1336 PLUS 50 hp REATOR @ INV 1336 PLUS 50 hp REATOR @ MOTOR1336 PLUS 50 hp TERMINADOR

0 15 30 46 61 76 91 107 122 137 152 168 182


Por

Uni

d. S

obre

tens

ão(V

l-l /

Vbu

s)


1336 PLUS - 125 HP

1336 PLUS - 125 HP

1.00

1.20

1.40

1.60

1.80

2.00

2.20

2.40

2.60

2.80


Por

Uni

d. S

obre

tens

ão(V

l-l /

Vbu

s)

1000 VOLTS 1200 VOLTS1600 VOLTS 1336 PLUS 125 hp (100 hp Motor; SEM TERM.1336 PLUS 125 hp(100 hp Motor) REATOR @ INV 1336 PLUS 125 hp (100 hp Motor)

REATOR @ MOTOR1336 PLUS 125 hp (100 hp Motor) TERMINADOR

0 15 30 46 61 76 91 107 122 137 152 182168


1336 PLUS - 250 HP

1336 PLUS - 250 HP

1.00

1.20

1.40

1.60

1.80

2.00

2.20

2.40

2.60

2.80

0 15 30 46 61 76 91 107 122 137 152 168 182

Comprimento de Cabo Inverosr-Motor (m)

Por

Uni

d. S

obre

tens

ão(V

l-l /

Vbu

s)

1000 VOLTS 1200 VOLTS

1600 VOLTS 1336 PLUS 250 hp (200 hp Motor) sem terminação

1336 PLUS 250 hp (200 hp Motor) REATOR @ INV. 1336 PLUS 250 hp (200 hp Motor) REATOR @ MOTOR

1336 PLUS 250 hp (200 hp Motor) TERMINATOR


Frenagem e Regeneração

Inversores de Freqüência


Vamos dar uma paradinha ?

Incorporando uma frenagem no nosso Inversor CA.


Por que precisamos de Frenagem ?

? Para parar ou desacelerar o motor;

? Para mudar o sentido de rotação;

? Para manter o eixo numa posição fixa;

? Para manter tensão num material (gerador de freio).


O que é Frenagem?

? Frenagem é a remoção da energia mecânica (cinética) do sistema.

? Duas considerações durante a Frenagem:?Como remover esta energia??O que fazer com esta energia ?


Cargas RegenerativasDefinições :

? O que são Cargas Regenerativas ?? São cargas que retornam energia para o inversor no momento da

desaceleração. Como a ponte retificadora de entrada dos inversores é unidirecional, a energia de regeneração fica contida no barramentoCC.

? Exemplos de cargas que podem ser Regenerativas :? Elevadores ? Centrífugas? Transportadores em ângulo ? Grandes máquinas de usinagem? Pontes rolantes? Aplicações que requerem elevação de carga

ou frenagens rápidas, em geral são candidatas a regeneração


Como remover esta energia?? Mecanicamente, com um freio mecânico:

? A energia mecânica (cinética) é convertida em calor no freio.

? Eletricamente com um inversor:? A energia mecânica (cinética) é convertida em

energia elétrica.


O que fazer com esta energia?? Retornar a energia para a rede CA.

? Converter a energia em calor:? no motor? num dispositivo elétrico (Ex: resistor)? num dispositivo mecânico (Ex: freio)


Fatores que afetam a escolha de um método de frenagem

? Quantidade de frenagem necessária;? Qualidade do controle da frenagem;? Operação contínua ou intermitente, ciclo de

frenagem;? Tempo de resposta;? Custos (compra, instalação, manutenção);? Parada de emergência (Normas !)? Dissipação de calor? Pode?


Frenagem Elétrica? Por injeção de CC (DC injection braking);

? Por fluxo - maximizando as perdas do motor (Flux braking);

? Frenagem dinâmica;

? Frenagem regenerativa para rede.


Injeção de Corrente Contínua

? A CC cria um campo fixo no motor.? A energia é convertida em calor no motor.? Vantagens:

? Sem hardware adicional? Sem custo adicional

? Desvantagens:? Difícil controlar a quantidade de frenagem? A CC é mantida somente por um certo tempo.

Precisamos conhecer muito bem a aplicação? Para uso intermitente. Cuidado para não danificar o

motor


Frenagem por Fluxo (Flux Braking )

? A corrente de fluxo é aumentada quase no valor da corrente nominal, aumentando assim as perdas no motor.

? A energia é convertida em calor no rotor e no estator.

? Vantagens:? Sem hardware adicional? Sem custo adicional

? Desvantagens:? Usar de maneira intermitente para não

danificar o motor


Frenagem Dinâmica? A energia é retornada no capacitor do

barramento CC.? A energia é dissipada em calor num resistor.? Regula o barramento CC.? Vantagens:

? Possibilidade de paralelar várias unidades para conseguir torque máximo de frenagem

? Resposta dinâmica é limitada pelo inversor.

? Solução simples? Desvantagens:

? Ineficiente para operação contínua (calor)? Tamanho dos resistores varia em função

do cilclo de frenagem? Custo dos resistores


Regeneração para Rede ? A energia é retornada para

rede CA.? Vantagens:

? Altamente eficiente? Melhor solução para

frenagem contínua? Economia de energia

? Desvantagens:? Hardware adicional? Custo de aquisição

1336 REGEN


Oferecemos a Solução de Frenagem Conforme a sua Aplicação

? Gama completa dos vários tipos de frenagens:

? Por injeção de CC

? Frenagem por fluxo

? Frenagem dinâmica

? Regeneração para rede CA


Ponte de entrada do inversorX

Ponte de entrada do 1336Regen

Ponte de diodo

Ponte IGBT

Uni-direcional

Bi-direcional


Opções para reaproveitar esta energia :

Freio Regenerativo (Regen Brake) : Conversor usado para transferir energia proveniente do barramento CC do drive para a reutilização

na linha AC (drive único).

Barramento Regenerativo (Regenerative Bus Supply) : Conversor de Tensão ou Retificador Síncrono Ativo Bi-Direcional para barramento

comum de regeneração (vários drives)


Diagrama em Blocos :

Freio Regenerativo (Regen Break)

ACACDC

DCMotor

ACDC3%

1336… Drive

1336R-1321-

Pre-Charge

Pre-Charge


Diagrama em Blocos :

Barramento Regenerativo (Regenerative Bus Supply)

1336…DC Input Drives

AC

DC10%

1336R-1321-

DC

AC

Pre-Charge

DC

AC

Pre-Charge

DC

AC

Pre-Charge

Pre-Charge

HarmonicFilter

Motor Motor Motor


Inversor com Frenagem DinâmicaFrenagem

Motorizaçãoi

Motor

R1

Inversor CC/CA Barramento CCRetificador

Rede CA

Ud

+

-

4


Exemplo de Circuito para Freio Dinâmico

ToVoltageControl

ToVoltageControl

+ DC Bus

- DC Bus

Fuse

DynamicBrake

Resistor

VoltageDivider

VoltageDivider

ChopperTransistor

FWD

FWD

CrowbarSCR

Bus Caps

Bus CapsChopper Transistor

Voltage Control

ToVoltageDivider

ToVoltageDivider

SignalCommon

Fuse

ToVoltageControl

ToCrowbar

SCRGate


Juntar as informações:

? Dados de placa do motor: HP, kW, Amp, RPM, etc...

? A inércia do motor e da carga em kilogramas-metros2 ou lb-ft2.

? A relação de redução do redutor (entre o motor e a carga).

? O perfil de velocidade, torque e potência da aplicação.

? O ciclo de frenagem.

Primeiro Passo


Exemplo: Perfil de Velocidade, Torque, e Potencia

t

t

t

? (t)

(t)

(t)

T

P

-Pb

t t 4 tt4t1+t321t0

t t 4 tt4t1+t321t0

t t 4 tt4t1+t321t0


Roteiro de Cálculo para Freio Dinâmico

? Calcular a inércia total do sistema.? Calcular a potência máxima (pico) de frenagem.

? Isto vai servir para determinar o valor ohmicodo resistor de freio.

? Calcular a dissipação térmica. ? Isto vai servir para calcular a capacidade de

dissipação térmica do resistor. ? Verificar os limites de aplicação da unidade de

frenagem .


Passo 1 - Inércia Total do Sistema


Passo 2 - Potência Máxima (Pico) de Frenagem


Passo 3 - Valor Máximo do Resistor


Passo 4 - Seleção do Módulo de Frenagem


Passo 5 - Valor Mínimo do Resistor

Escolher o valor do resistor.


Passo 6 - Potência de Dissipação do Resistor


Vamos comparar uma solução com frenagem dinâmica e frenagem regenerativa para rede.

Economia de Energia


? A aplicação requer 80% de torque de frenagem mas durante 50% do tempo.

? Solução tradicional: usar um freio dinâmico e dissipar a energia num resistor.

? Solução proposta: usar uma unidade regenerativa e reaproveitar a energia.

Exemplo de Aplicação


70

180

1200

min -1

Carga(605 kgm 2 )

20 sec

Centrifugação

(498 kgm 2 )

46 sec 30 sec

Descarga

42 sec 20 sec

(305 kgm 2 )

2,5 sec

160,5 sec = 22,4 Ciclos

CentrífugaCentrífuga


Vamos Comparar as Duas Soluções

Frenagem Dinâmica:

Chopper = R$ 5.115,00

Resistor = R$ 4.299,00

Custo Total = R$ 9.414,00

Frenagem Regenerativa:

1336R-78 = R$10.507,00

Reator = R$ 1.126,00

Custo Total = R$ 11.633,00

Diferença de custo em Reais

R$ 11.633,00

- R$ 9.414,00

R$ 2.219,00


Compensa pagar R$ 2.219,00 a mais e usar uma unidade regenerativa ?

? O chopper e o resistor são dimensionados para 75 kW e deverão fornecer um torque de frenagem de 80% durante 50% do tempo.? Vamos calcular a potência desperdiçada em calor:

75 kW x 0,8 x 0,5 = 30 kW

Conforme nossa aplicação….


Ciclo de trabalho : Dois turnos de 8 h/dia, 5 dias/semana

Potência desperdiçada por ano:

30 kW x 16 h x 5 dias x 52 semanas = 124.800 kW hora por ano

Custo do kW h (por exemplo): R$ 0,10

Total anual em R$: 12.480,00 (Desperdiçado).

Total Anual Desperdiçado


Em quanto tempo pagarei meuinvestimento?

Vamos pegar a diferença de custo entre as duas soluções, dividir esta diferença pelo total de energia desperdiçada e multiplicar o resultado por 12 (meses).

Acharemos o tempo que precisaremos para pagar nossa unidade regenerativa.

R$ 2.219,00 = R$ 0,1789

R$ 12.400,00

0,1789 x 12 meses = 2,147 meses

Após este tempo... é só Economia !


HARMÔNICAS HOJEHARMÔNICAS HOJE


Onde podemos encontrar Harmônicas?Onde podemos encontrar Harmônicas??? Na Alimentação CANa Alimentação CA

? Bastante ComentadoIEEE-519 (1992)

? Distorção de TensãoTensão Fase-Fase

? Distorção de Corrente

?? No motor CANo motor CA? Pouco Falado

? Distorção de Tensão

Tensão Fase-Neutro

? Distorção de Corrente


•• O que são Harmônicas? O que são Harmônicas?

•• O que as Harmônicas fazem?O que as Harmônicas fazem?

•• Quais são os maiores Quais são os maiores contribuidorescontribuidores? ?

•• Como determinar se existe problema Como determinar se existe problema com harmônicas. com harmônicas.

•• Como resolver problemas com harmônicas.Como resolver problemas com harmônicas.


Partindo do começoPartindo do começoTensão FundamentalTensão Fundamental

Corrente de LinhaCorrente de Linha

•• Formas de Onda sem distorção descritas pela Formas de Onda sem distorção descritas pela frequênciafrequência fundamentalfundamental

•• Fator de Potência define o tempo de defasagem entre Tensão & CoFator de Potência define o tempo de defasagem entre Tensão & Corrente rrente

Formas de OndasFormas de Ondassem distorçãosem distorção

Defasagem devido aDefasagem devido acomponentes reativoscomponentes reativos


Carga Linear: Corrente e Tensãosão proporcionais.

VAN

IA

Carga não Linear: Corrente e Tensãonão são proporcionais.

VANIA

? Qualquer carga não linear. ? Numa carga não Linear, a corrente não é

proporcional na tensão aplicada.

Carga não -linear


Principais cargas geradoras de harmonicos


1a., 5a., 7a.

1a. + 5a. (-20%) + 7a. (-13%) + 11a. (9%) + 13a. (7%)

1a. + 5a. (-20%) + 7a. (-13%)

1a. + 5a. (-20%)

Somatória das correntes harmonicas


THD - conceito

•• SÉRIE de FOURIER é o método usado para descrever formas de ondSÉRIE de FOURIER é o método usado para descrever formas de onda a

THD – parâmetro para dimensionar ,o grau de distorção que temos numa instalação .Existe dois tipos;

-THD de corrente – gerado pelo produto-THD de tensão – depende da instalação


Instantâneos

Disparos de tiristores no momento errado , pois desloca a passagem pelo zero de tensão .

Erros adicionais nos medidores.

- Forças eletrodinâmicas produzidas por correntes instantâneas com harmônicas

presentes , provocam vibrações e ruídos acústicos em dispositivos

eletromagnéticos.

- Conjugado mecânico pulsante em motores de indução, devido a campos girantes

adicionais , causando vibrações e maiores perdas por diferentes escorregamentos

entre rotor e estes campos.

- Interferência em telecomunicações e circuitos de controle( cabos de força e controle em paralelo ) .

- Disparo de dispositivos de proteção

- Ressonância entre banco de capacitores de correção de fator de potência e indutância inerente de uma instalação elétrica quando sintonizados na frequencia do harmônico .

Aumento da queda de tensão e redução de fator de potência .

Redução do fator de potência

Longo prazo

Sobreaquecimento de capacitores , provocando disruptura de dielétrico.

- Perdas adicionais em transformadores devido ao aumento do efeito pelicular ,

histerese e correntes de Foucalts .

Sobreaquecimento de transformadores devido ao aumento do valor rms da

corrente .

- Sobreaquecimento de cabos e dispositivos de uma instalação elétrica , devido ao

aumento da impedância aparente com a freqüência.

Desgaste excessivo da isolação dielétrica devido a sobretensão sofrida.

Principais Efeitos das correntes harmonicas


F.P. total = Fator de Deslocamento(Displacement P.F) X Fator de Distorção(Distortion P.F.)

? As concessionárias medem o Fator de Potência Total.? A maioria dos fabricantes de inversores falam somente do displacement power factor.

Fator de Potência


? Fator de potência real ? É o não alinhamento da Tensão e Corrente devido a distorção das formas de Onda.

? Fator de potência de deslocamento? Defasagem entre Tensão e Corrente na passagem por zero.

Ambos são importantes e igualmente afetam o fator de potência total

1cosFPD ??

O que é Distortion Power Factor?

FPR < FPD – Maior consumo de energia


Corrente Fase A

Corrente Fase B Corrente Fase C

Componente3ª Harmônica

CORRENTES BALANCEADASCORRENTES BALANCEADAS

1 / 3 da Amplitude,3 vezes a frequência

Regras Estabelecidas 60 Hz:• Linhas com correntes balanceadas, implicam em corrente nula no condutor de Neutro.

Nova Regra com cargas não lineares 60 Hz:• Linhas com correntes balanceadas resultará em corrente no condutor de

Neutro.


Corrente de Neutro não é zero quando existem cargas não lineares, mesmo quando a carga é balanceada. Este é o montivo porque o condutor de terra deve ser maior do que os de fase.

N

30 o

270 o150 o

5 5 ampsamps

5 5 ampsamps

5 5 ampsamps

8.7 8.7 ampsamps

Cargas Não Lineares


Distorção de Tensão transferida para o Ponto de Acoplamento Comum (PAC)DISTORÇÃO DE TENSÃODISTORÇÃO DE TENSÃO

Distorção de Tensão devido a equipamentosnão lineares na planta resulta em um valorentre 1 a 4%, quando estes equipamentoscorrespondem a menos de 30% das cargasda planta.

Distorção de Tensãorefletido para o PACestá entre 0.5 e 2%

O que as Harmônicas fazem?

Uma tensão senoidal pura -queda de tensão distorcida = forma de onda distorcida


Limites da IEEE-519


Qual é o maior contribuinte para Harmônicas?

Harmônicas não são novas....Elas existem em transformadores, motores e capacitores de fp.

Cargas monofásicas não lineares como computadores, reator eletrônico, TVs, VCRs tem mudado o caminhos do fluxo de corrente da fonte para a carga. Cargas trifásicas não lineares como máq. de solda, aquecedores elétricos, Conversores CC, aquecedores de indução podem demandar altos picos de corrente da fonte .


CORRENTECORRENTEFASEFASE

AA BB CC

CC

AA--BB BB--AA CC--AA

TENSÃO VARIÁVELTENSÃO VARIÁVELBUS CCBUS CC

REATORREATORLINHALINHA

BBAA

CC

PONTE PONTE DIODODIODO

TENSÃOTENSÃOFASEFASE--FASEFASE

CORRENTE TRIFÁSICA DE CARGA CORRENTE TRIFÁSICA DE CARGA -- VVI DRIVEVVI DRIVE


Sem reatores, picos Sem reatores, picos de corrente são de corrente são

maiores emaiores ecausam maior stress causam maior stress

PORQUE FUSÍVEIS PORQUE FUSÍVEIS FALHAMFALHAM

CORRENTE CACORRENTE CALINHALINHA


Resumo dos problemas com Resumo dos problemas com harmonicosharmonicos

- Corrente “rms” maior gerando mais perda por efeito joule = I2

R- Maior queda de tensão na instalação- Distorção da onda de tensão que é entregue a outras cargas- Piora do fator de potência real - Aumento da corrente no neutro – desbalanço de tensão entre neutro e terra- Disparo indevido de dispositivos de proteção por dimensionamento sem considerar as correntes harmonicas.


Como se resolve o problema com Como se resolve o problema com harmônicas.harmônicas.

? Procurar onde existam altos valores de corrente instantânea.

? Adicionar ou aumentar a indutancia entre fonte e carga.

? Aumentar a capacidade da fonte de alimentação [cabos, proteção, etc.]

? Uso de filtros especiais para casos mais críticos


Recomendações Recomendações

•Todo AFVDs deveriam ter uma impedância mínima de 3%em série (Reator interno individual ou externo).• Transformadores devem ser dimensionados para carga total em KVA vezes 1.2 para inversores PWM com reatores e 1.5 para inversores PWM sem reatores.


Proteção Elétrica Proteção Elétrica

de um sistema de um sistema

com inversor com inversor


Proteção elétrica com inversor de frequencia

Os dispositivos usados para proteção elétrica geralmente tem o objetivo de eliminar as sobrecorrentes ( curto – circuito e sobrecarga ) que danificam a rede de alimentação do inversor ou o motor.

Geralmente são usados disjuntores ou fusíveis ultra rápidos para realizar esta proteção.Porém o próprio inversor tem de ser dimensionado para suportar o nível de curto – circuito no ponto onde será instalado

O valor de corrente calculada para dimensionar a proteção deve levar em consideração fatores tais como : o valor “rms” da corrente de alimentação , considerando os harmonicos ; valor de pico ao ligar o inversor devido a corrente de pre – carga que de pende de cada fabricante ( a princípio ela não deve ser maior que a corrente nominal )

Algumas proteções são realizados pelo inversores que desligam em microsegundos os transístores IGBT



Proteções elétricas integradas no inversor

Sobrecarga – Limitando o valor “rms” num máximo de 1,5 a 2 vexes o valor nominal

Calculando o aquecimento do motor ( I2t ) instântaneamente , levando em consideração a velocidade do motor , pois em baixas rotações a auto ventilação não permite correntes altas no motor

Notar que um relé térmico tradicional pode não operar corretamente , pois em baixas rotações a corrente do motor , geralmente é menor que a nominal e , num evento de uma sobrecarga , ela se elevará a um nível em que não sensibilizará o rele termico.A proteção interna do inversor é mais apropiada para proteção do motor e da instalação elétrica até o motor.Quando ocorrer o desarme por sobrecorrente deve – se observar se foi devido a aquecimento do motor ou do proprio inversor .

Em caso do inversor , verificar se a circulação de ar está livre ou se o ventilador está funcionando.

Em caso do motor aguardar alguns minutos até o inversor permitir o religamento.Ele , normalmente , aguarda um tempo para resfriamento do motor.Porem isto pode ser “zerado” para que permita a partida imediata do motor – CUIDADO PARA NÃO QUEIMAR O MOTOR



Proteções elétricas integradas no inversor

Curto – circuito- Se um curto acontecer na saída do inversor ( nos terminais do motor ou nos cabos entre inversor – motor) a sobrecorrente é detectada internamente no inversor e um comando para bloquear os IGBT´s é dado. O curto é eliminado em microsegundosprotegendo o inversor . Esta breve corrente é principalmente alimentada pelos capacitores usados com os retificadores e se torna imperceptível pela rede elétrica , conforme descrito na figura abaixo .

Portanto , se torna importante que se dimensione o inversor dentro do nível de curto –circuito no ponto onde está instalado – caso ele não atenda , pode –se colocar um indutor na entrada e/ ou na saída , que além de diminuir os ruídos , ajudam a diminuir o nível de curto . Outra alternativa é colocar fusível na saída do inversor com capacidade de suportar o curto .



Proteções elétricas integradas no inversor – outras funções

Aquecimento do inversor –um sensor é colocado no dissipador traseiro para detectar este aquecimento , e em caso de excesso , desliga o inversor – seu mau funcionamento pode causar o desligamento indevido , necessitando ser trocado.Verificar também , se a ventilação está funcionando corretamente – bloqueio do fluxo de ar ou ventilador danificado podem fazer o inversor parar

Queda de tensão da rede – Esta proteção é necessária para evitar um maufuncionamentodos circuitos de controle e o motor e para evitar a sobrecorrente quando a rede volta a tensão nominal.Geralmente , um valor de tempo de tolerância pode ser ajustado no inversor para evitar desligamentos indevido ( na faixa de alguns segundos – Ride Through)

Sobretensão – é usada para evitar danos aos seus componentes de força .

Falta de fase – Nos inversores trifásicos esta função protege sobrecorrente devido ao funcionamento monofásico . Para o motor evita sobreaquecimento.

Fuga à terra – Proteção quanto a baixa isolação do motor , cabos ou do próprioinversor.Observar que esta medição se dá em alta frequencia e pode causar confusão nas medições de isolação que normalmente são feitas com aparelhos CC ( megôhmetro).Usar cabos e motores mais adequados .



Esquema básico da partida com inversor

Geralmente obtem – se coordenação tipo 2 segundo a norma IEC947

-Não ocorre a perda de ajustes dos equipamentos

-Não estrague a isolação

-A combinação disjuntor – inversor – contator deve poder operar assim que a causa do curto for eliminada

-Permite –se uma leve soldagem dos contatos do contator , sendo separados manualmente .

Para atingir esta condição é necessário consultar as tabelas dos fabricantes

Para inversores observar a pré – carga dos capacitores , mas geralmente ela está dentro dos limites de corrente nominal



Método básico para calculo da corrente do disjuntor ou fusível e do contator

Baseado em.

-Potência mecânica do motor

-Tensão nominal de alimentação

-Recndimento do motor e do inversor

-Permitir uma sobrecarga contínua de 1,1 em torque constante e 1,05 em torque variável

-Harmonicos , visto que a corrente não é senoidal . Seu valor se torna uma função do THD ( distorção harmonica total ) e pode ser dimensionada pela formula

Então , para um THD de 80%, temos I rms = 1,28 I 1 e para um THD de 40 % ( com filtro ) fica

I rms = 1,08 I 1 , dando uma diferença de 18 % (PERDA DE ENERGIA !!!) , gerando um custo maior no equipamento de proteção .

No cálculo total da corrente , considerando todos estes fatores:



Casos especiais

Inversor alimentando motores em paralelo –Neste caso a proteção de sobrecarga não consegue proteger individualmente os motores , sendo necessário colocar reles térmicos individuais ,conforme figura abaixo .Esta aplicação restringe o funcionamento em baixas rotações para evitar sobrecargas que os reles não consigam desarmar.Geralmente é usada em baixas potências .

O inversor deve ser dimensionado para suportar a soma das correntes nominais dos motores e , em caso de partida individual através de contator , a corrente deve ser a soma das correntes de partidas tradicionais dos motores

Há casos em que a proteção interna deve ser desabilitada para manter a continuidade de operação .Neste caso os cabos e contatores devem ser sobredimensionados e proteções extras devem ser estudadas .


CONTROLE VETORIAL

Nem todo controle Vetorial é igual


Conveyor MixerExtruder

Tecnologias Disponíveis

Volts / Hertz SensorlessVector

FieldOriented

Speed Regulator Speed Regulator Torque RegulatorSpeed Regulator

Current LimitAdvanced

Current Limit

High BandwidthCurrent Regulator

Converting


Controle Volts/Hertz

MOTOR

INVERTER

Tensão de Realimentação

CURRENTLIMIT Ref. Frequência

Frequência Elétrica

+ CONTROLETENSÃO

V RefV/Hz Gate

SignalsElec. Freq

Frequência de escorregamento

+

SLIPESTIMATOR

Controle V/Hz

REALIMENTAÇÃO CORRENTE

Ref. Velocid.LIMITE

CORRENTE


Controle V/Hz - Torque vs Rotação

Per UnitTorque


O que é Controle Vetorial ?

? É a habilidade de independentemente controlar o fluxo e o torque, produzindo componentes de corrente no motor com o propósito de obter um torque preciso e o controle de potência.


Representação Vetorial

100%

87%

50%

0

30o 60o 90o 180o360o

Va

Va=50% Va=87% Va=100%

30o60o 90o


Entendendo Controle Vetorial

Reguladores, logicacontrole, e ponteretificadora.

3 Ø AC

ARM CampoCC

Arm Campo

CurrenteTorque

CurrenteFluxo

DC Drive

Reguladores, logicacontrole, e ponteretificadora.

3 Ø AC

CurrenteTorque &Fluxo

Inversor

Drive CA


Modelo Motor CC

Ia = Corrente produz TorqueIf = Corrente produz Fluxo Magnetização

CC

Ia If

Z Z

CC

Ia

If

Carga 1

Carga 2

? ? ? ? ?a*sin (d)


Modelo Motor CA

Iq = Corrente Produção TorqueId = Corrente Produção FluxoIs = Corrente Total do Estator

CA

Is

IdIq

Z

ZZ

CA

Id

Iq

Carga 1

Carga 2

Is

Is

?? K Id * Iq * sin(d)


Porque usar Controle Vetorial?

? Controle Torque

? Controle Velocidade Precisa

? Larga Faixa de operação de velocidade

? Resposta Dinâmica

? Alto Torque de Partida


Tipos de Controle Vetorial

Vetorial de Tensão

? Vetorial de Corrente Regulada? Modelo Baseado em Vetorial de Fluxo? Controle de Campo Orientado


MOTOR

INVERTER

PULSESELECTOR

FLUXCOMPARE

SPEEDREG.

Torque ErrorTorque Reference

Flux ErrorFlux Reference

Speed Ref

Sensorless Direct Torque Control

GateSignals

TORQUECOMPARE

Flux EstimateTorqueEstimate

Velocity Estimate

ADAPTIVEMOTOR

CONTROL

Current Feedback

Switch Conditions

Bus Voltage Feedback

Auto TuneParameters


Flux Vector - Torque vs Velocidade

2

1

Torq

ue

Speed (Hz)1 2 5 10 20 30 40 50 60


High Bandwidth Current Regulator

MOTOR

INVERTER

VOLTAGECONTROL

Voltage Feedback

ADAPTIVECONTROLLER

CURRENTREG.

FLUXREG.

SPEEDREG.

ElectricalFrequency

Auto TuneParameters

Voltage Reference

Current Feedback

Voltage Feedback

Torque Current Ref

Flux I RefFlux Ref

Speed Ref

Slip Frequency

Field Oriented com Realimentação

+

GateSignals

Speed Feedback

+

PG

CURRENTRESOLVER


Vetorial Corrente Controlada

? Modelo Baseado em Flux Vector? Modelo Matemático do Motor é armazenado no inversor

? Parametros típicos do Motor - Resistencia Estator, Resistencia Rotor, Escorregamento, Indutância Estator, Indutancia Rotor, Indutância de Magnetização

? Parametros são estimados e variam com motor? Drive DEVE ser casado com o Motor


? Controle de Campo Orientado? Correntes de Torque e Fluxo são controladas independentementes? Controle Alto-Organizado usa informações mediadas no motor para

determinar o estatus do motor state ao inves de um complicado Modelo Matemático do Motor

? NÃO requer motor especial

? Condições F.O.C.( Field Oriented Control)? Coincidencia de Corrente

? Referência de Corrente e a Realimentação deve ser a mesma? Controle de Fluxo

? Controle de fluxo sem perda de controle em toda faixa de velocidade

Vetorial Corrente Controlada


Controle de Campo Orientado

? Indirect Self Organized Field Oriented Control(Controle de Campo Orientado Alto-Organizado Indirentamente)

? Encoder fornece informações sobre a posição do rotor e velocidade

? Controle Alto Organizado elimina a necessidade de parametrosdetalhados de identificação do motor

? Regulador de Corrente com alto Bandwidth fornece controle independente de Fluxo e Torque

? Controle de Velocidade de Alta Performace

? Compensação da Temperatura do motor

? Auto Tuning


Auto Tuning

? Regulador de Velocidade? Teste Inercia Motor ? Teste Inercia Sistema? Tune (Otimização) Regulador

? Regulador de Torque? Identificação Parametros Motor? Tune Regulador


Performance de torque

Per UnitTorque


Controle de Aceleração

Acceleration:1.5 Per Unit Loadto 1.0 Per Unit Speed


Resposta à variação de Carga

Impact Load:1.0 Per Unit Load0.875 Per Unit Speed


Performace - Sem Realimentação

Controle Encoderless

? Regulação de Velocidade? +/- 0.5% , com faixa em torque constante de 120:1? Resposta Dinâmica 30 Radianos/Seg ou melhor

? Regulação Torque ? +/- 5% Torque nominal? Resposta Dinâmica 600 Radianos/Seg


Performace com Realimentação

Encoder

? Regulação Velocidade:? +/-0.001% na Veloc. máxima com faixa de operação em

torque constante >= 1000:1? Resposta Dinâmica de 100 Radianos/Seg

? Regulação Torque:? +/- 2% Torque nominal? Resposta Dinâmica de 2500 Radianos/Seg


Comparação de Performace

Documents

Inversor de Frequencia - Conceito e Tecnicas de Aplicacao