O fornecedor da unidade de feedback lembra que, desde o surgimento dos motores de indução automáticos, os geradores de corrente alternada já passaram por operação de frequência variável. Alterar a velocidade do gerador ajusta sua frequência de saída. Antes do surgimento dos transistores de alta velocidade, essa era uma das principais maneiras de alterar a velocidade do motor, mas, como a redução da velocidade do gerador afetava a frequência de saída em vez da tensão, a variação de frequência era limitada.
Portanto, vamos analisar os componentes do conversor de frequência e ver como eles funcionam em conjunto para alterar a frequência e a velocidade do motor.
Componentes do inversor - retificador
Devido à dificuldade em alterar a frequência de ondas senoidais de corrente alternada (CA) no modo CA, a primeira tarefa de um conversor de frequência é converter a forma de onda em corrente contínua (CC). Para que ela se assemelhe à CA, é relativamente fácil operar em CC. O primeiro componente de todos os conversores de frequência é um dispositivo chamado retificador ou conversor. O circuito retificador do conversor de frequência converte corrente alternada em corrente contínua, e seu modo de funcionamento é semelhante ao de um carregador de bateria ou de uma máquina de solda a arco. Ele utiliza uma ponte de diodos para restringir a onda senoidal de CA a se propagar em apenas uma direção. O resultado é que a forma de onda de CA totalmente retificada é interpretada pelo circuito CC como uma forma de onda CC local. Um conversor de frequência trifásico aceita três fases de entrada de CA independentes e as converte em uma única saída de CC.
A maioria dos conversores de frequência trifásicos também aceita alimentação monofásica (230 V ou 460 V), mas, devido à presença de apenas duas entradas, a potência de saída (HP) do conversor precisa ser reduzida, pois a corrente CC gerada é proporcionalmente menor. Por outro lado, um inversor monofásico (um inversor monofásico que controla um motor monofásico) utiliza uma entrada monofásica e gera uma saída CC proporcional à entrada.
Existem dois motivos pelos quais os motores trifásicos são mais comumente usados do que os motores monofásicos quando se trata de operação com velocidade variável. Em primeiro lugar, eles possuem uma faixa de potência mais ampla. Por outro lado, os motores monofásicos normalmente requerem alguma intervenção externa para iniciar a rotação.
Componentes do inversor - barramento CC
O segundo componente do barramento CC não é visível em nenhum conversor de frequência, pois não afeta diretamente seu funcionamento. No entanto, ele está sempre presente em conversores de frequência de uso geral de alta qualidade. O barramento CC utiliza capacitores e indutores para filtrar a ondulação da tensão CA na energia CC convertida, que então entra na seção do inversor. Ele também inclui um filtro para evitar distorção harmônica, que pode ser realimentada à fonte de alimentação do inversor. Conversores de frequência mais antigos requerem filtros de linha separados para realizar esse processo.
Componentes do inversor - Inversor
À direita da ilustração, encontram-se os "órgãos internos" do conversor de frequência. O inversor utiliza três conjuntos de transistores de comutação de alta velocidade para criar os "pulsos" trifásicos de corrente contínua que simulam ondas senoidais de corrente alternada. Esses pulsos determinam não apenas a tensão da onda, mas também sua frequência. O termo "inversor" significa "inversão", que se refere simplesmente ao movimento ascendente e descendente da forma de onda gerada. Os conversores de frequência modernos utilizam uma técnica chamada "modulação por largura de pulso" (PWM) para regular a tensão e a frequência.
Vamos então falar sobre IGBT. IGBT significa "transistor bipolar de porta isolada", que é o componente de comutação (ou pulso) do inversor. Os transistores (substituindo as válvulas eletrônicas) desempenham duas funções no nosso mundo eletrônico. Podem atuar como amplificadores, aumentando o sinal, ou como interruptores, simplesmente ligando e desligando o sinal. O IGBT é uma versão moderna que oferece velocidades de comutação mais altas (3000-16000 Hz) e reduz a geração de calor. Uma velocidade de comutação mais alta pode melhorar a precisão da simulação de ondas CA e reduzir o ruído do motor. A redução na geração de calor significa que o dissipador de calor é menor, portanto, o conversor de frequência ocupa uma área menor.
forma de onda PWM do inversor
A forma de onda gerada pelo inversor de um inversor PWM comparada a uma onda senoidal CA verdadeira. A saída do inversor consiste em uma série de pulsos retangulares com altura fixa e largura ajustável.
Neste caso específico, existem três conjuntos de pulsos: um conjunto amplo no meio e um conjunto estreito no início e no final das partes positiva e negativa do ciclo CA.
A soma das áreas dos pulsos é igual à tensão efetiva da onda CA verdadeira. Se você quiser cortar as partes do pulso acima (ou abaixo) da forma de onda de comunicação real e preencher a área vazia abaixo da curva com elas, verá que elas coincidem quase perfeitamente. É exatamente dessa forma que o conversor de frequência consegue controlar a tensão do motor. A soma da largura do pulso e da largura do intervalo entre eles determina a frequência da forma de onda percebida pelo motor (daí o nome PWM ou modulação por largura de pulso). Se o pulso for contínuo (ou seja, sem intervalos), a frequência ainda estará correta, mas a tensão será muito maior do que a de uma onda senoidal CA verdadeira.
De acordo com a tensão e a frequência necessárias, o conversor de frequência alterará a altura e a largura do pulso, bem como o intervalo entre os dois. Algumas pessoas podem se perguntar como essa corrente alternada (CA) falsa (na verdade, CC) aciona um motor de indução CA.
Afinal, uma corrente alternada precisa "induzir" a corrente e o campo magnético correspondente no rotor do motor? A corrente alternada, naturalmente, causa indução por estar em constante mudança de direção, enquanto a corrente contínua não funciona normalmente após a ativação do circuito.
No entanto, se a corrente contínua (CC) for ligada e desligada, ela pode detectar corrente. Para os mais antigos, o sistema de ignição dos carros (antes da ignição eletrônica) costumava ter um conjunto de platinados no distribuidor. O propósito desses platinados é converter os "pulsos" da bateria em energia para as bobinas (transformadores). Isso induz uma carga na bobina e, em seguida, eleva a tensão a um nível que permite a ignição da vela de ignição. O amplo pulso de CC visto na figura acima é, na verdade, composto por centenas de pulsos individuais, e o movimento de abertura e fechamento da saída do inversor permite que a indução de CC ocorra.
Tensão efetiva
Um fator que torna a corrente alternada complexa é a constante variação de tensão, de zero a uma tensão positiva máxima, depois de volta a zero, em seguida a uma tensão negativa máxima e, por fim, de volta a zero. Como determinar a tensão real aplicada ao circuito? A ilustração abaixo mostra uma onda senoidal de 60 Hz e 120 V. No entanto, deve-se observar que sua tensão de pico é de 170 V. Se sua tensão real é de 170 V, como podemos chamá-la de onda de 120 V?
Um fator que torna a corrente alternada complexa é a sua constante variação de tensão, de zero a uma tensão positiva máxima, depois de volta a zero, em seguida a uma tensão negativa máxima e, finalmente, de volta a zero. Como determinar a tensão real aplicada ao circuito?
Uma onda senoidal de 60Hz e 120V deve ter em mente que sua tensão de pico é de 170V. Se sua tensão real é de 170V, como podemos chamá-la de onda de 120V?
Em um ciclo, a tensão começa em 0V, sobe para 170V e depois cai novamente para 0. Ela continua a cair até -170V e, em seguida, sobe novamente para 0. A área do retângulo verde com limite superior de 120V é igual à soma das áreas das partes positiva e negativa da curva.
Então, 120V é o nível médio? Ok, se calculássemos a média de todos os valores de tensão em cada ponto ao longo de todo o ciclo, o resultado seria aproximadamente 108V, então não pode ser a resposta. Então, por que esse valor medido pelo multímetro é de 120V? Está relacionado ao que chamamos de 'tensão efetiva'.
Se você quiser medir o calor gerado pela corrente contínua que flui através de um resistor, descobrirá que ele é maior do que o calor gerado pela corrente alternada equivalente. Isso ocorre porque a corrente alternada não mantém um valor constante durante todo o ciclo. Se conduzido em condições controladas em laboratório, verifica-se que uma corrente contínua específica produz um aumento de temperatura de 100 graus, resultando em um aumento de 70,7 graus no valor equivalente em corrente alternada ou 70,7% do valor em corrente contínua.
Assim, o valor eficaz da corrente alternada (CA) é 70,7% do valor eficaz da corrente contínua (CC). Também é possível observar que o valor eficaz da tensão CA é igual à raiz quadrada da soma dos quadrados das tensões na primeira metade da curva. Se a tensão de pico for 1 e for necessário medir várias tensões de 0° a 180°, a tensão eficaz será a tensão de pico de 0° a 707°. 0,707 vezes a tensão de pico de 170° na figura é igual a 120V. Essa tensão eficaz também é conhecida como valor eficaz (RMS).
Portanto, a tensão de pico é sempre 1,414 vezes a tensão eficaz. Uma corrente alternada de 230 V tem uma tensão de pico de 325 V, enquanto uma de 460 V tem uma tensão de pico de 650 V. Além da variação de frequência, mesmo que a tensão seja independente da velocidade de operação do motor CA, o conversor de frequência também deve alterar a tensão. A seguir, apresentamos duas ondas senoidais de 460 V CA. A curva vermelha representa 60 Hz e a curva azul, 50 Hz. Ambas têm uma tensão de pico de 650 V, mas a de 50 Hz é muito mais ampla. É fácil observar que a área sob a primeira metade da curva de 50 Hz (0-10 ms) é maior do que a primeira metade da curva de 60 Hz (0-8,3 ms). Além disso, como a área sob a curva é diretamente proporcional à tensão eficaz, quanto maior a tensão eficaz, mais acentuada será a tensão eficaz. À medida que a frequência diminui, o aumento da tensão eficaz torna-se mais significativo.
Se motores de 460 V operarem com tensões mais altas, sua vida útil pode ser bastante reduzida. Portanto, o conversor de frequência deve ajustar constantemente a tensão de pico em relação à frequência para manter uma tensão efetiva constante. Quanto menor a frequência de operação, menor a tensão de pico e vice-versa. Agora você deve ter uma boa compreensão do princípio de funcionamento do conversor de frequência e de como controlar a velocidade do motor. A maioria dos conversores de frequência permite que os usuários ajustem manualmente a velocidade do motor por meio de chaves seletoras de múltiplas posições ou teclados, ou utilizem sensores (pressão, vazão, temperatura, nível de líquido, etc.) para automatizar o processo.