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Os inversores de frequência variável, também conhecidos como VFDs, são controladores acessíveis e confiáveis com a capacidade de ajustar a velocidade dos motores de indução para um desempenho ideal. Os VFDs estão se tornando equipamentos padrão para alimentar motores pequenos a grandes em ventiladores, bombas, compressores, furadeiras e muitas outras aplicações. Ao contrário dos controladores de velocidade fixos, que ligam instantaneamente um motor à velocidade máxima, os VFDs podem dar partida suave em um motor aumentando gradualmente a velocidade até o nível desejado. As partidas suaves eliminam altos torques de partida e correntes de surto, reduzem as tensões mecânicas e aumentam a vida útil e a confiabilidade do equipamento. Além disso, como o torque e a potência das cargas variam com o quadrado e o cubo de velocidade, respectivamente, ajustar a velocidade do motor mesmo em uma pequena quantidade pode economizar energia considerável. Este vídeo demonstrará a configuração de um inversor de frequência variável e seu uso no controle de um motor de indução CA trifásico.
Um motor de indução CA tem apenas duas partes principais, o estator e o rotor, e mais comumente usa energia CA trifásica. A corrente trifásica através das bobinas do estator gera um campo magnético do estator, que gira com uma velocidade angular proporcional à frequência CA. Este campo magnético do estator gira o rotor. Como resultado, a velocidade do motor é proporcional à frequência de potência de entrada. Para obter mais informações sobre a operação do motor de indução, assista ao vídeo JoVE Science Education: Motores de indução CA. Se o motor estiver diretamente conectado à rede trifásica, ele opera a uma velocidade fixa que é determinada pela frequência constante da linha de 60 hertz. Para velocidade ajustável, um inversor de frequência variável, ou VFD, deve fornecer a energia. Os VFDs ajustam a velocidade do motor definindo a frequência de saída e a tensão. Primeiro, um retificador converte a entrada CA de 60 hertz em energia CC. Em seguida, um inversor CC para CA usa modulação por largura de pulso para ligar e desligar essa alimentação CC em um padrão específico. Finalmente, um filtro passa-baixo transforma o fluxo de pulso em uma forma de onda aproximadamente senoidal e gera potência de saída CA na frequência escolhida, que governa a velocidade do motor. Uma forma de onda senoidal é necessária porque a maioria dos motores de indução é projetada para usar energia da rede elétrica CA. Os motores monofásicos usam VFDs com retificadores e inversores monofásicos, e os motores trifásicos usam VFDs com retificadores e inversores trifásicos. Para obter mais informações sobre retificadores e inversores, assista aos vídeos da JoVE Science Education: Retificadores monofásicos e inversores monofásicos. Os VFDs avançados usavam circuito fechado, ou controle vetorial, para uma boa regulação de velocidade ou torque. Um microprocessador recebe feedback sobre o campo magnético e o torque dos motores e ajusta continuamente a potência do VFD de acordo com um algoritmo de controle. Ao operar um motor em ou abaixo de sua tensão nominal, a maioria dos VFDs usa controle de malha aberta para simplesmente produzir energia de acionamento constante sem feedback ou ajustes. Com o controle de malha aberta, os VFDs mantêm uma relação tensão/frequência escolhida, que é aproximadamente proporcional ao campo magnético do estator e, portanto, também proporcional à velocidade do motor. Por exemplo, se um motor é classificado em 208 volts e 60 hertz, então a relação tensão/frequência é de cerca de 3,5 volts por hertz. Para reduzir a velocidade do motor, o VFD reduz a frequência, mas também deve reduzir a tensão para manter uma relação tensão/frequência constante. Portanto, se o VFD acionar o motor a 30 hertz em vez de 60 hertz, ele diminuirá a tensão proporcionalmente para 104 volts de 208 volts, e a relação tensão/frequência permanecerá em 3,5 volts por hertz. Ao operar um motor acima de sua frequência nominal, os VFDs geralmente restringem a saída à tensão nominal. Esta precaução evita exceder os limites de tensão ou corrente do isolamento e das bobinas. Por exemplo, o motor avaliado em 208 volts e 60 hertz tem uma relação tensão/frequência de 3,5 volts por hertz. Um VFD que aumenta a velocidade deste motor aumentando a frequência para 120 hertz, não aumentaria a saída para 460 volts conforme necessário para uma relação tensão/frequência constante. Em vez disso, o VFD limitaria sua saída aos 208 volts nominais para evitar danos ao motor. Agora que os fundamentos dos VFDs foram explicados, vamos examinar um VFD conectado a um motor de indução CA trifásico. Neste experimento, o VFD opera com controle de malha aberta da velocidade do motor e uma relação tensão/frequência constante.
Com a alimentação trifásica desligada e o Variac definido para 0%, conecte os terminais do estator dos motores de indução à saída do inversor VFD. Quando viewed da frente do VFD, os conectores de saída da unidade estão no lado direito. Conecte a entrada Variac ao receptáculo trifásico na bancada. Ajuste o botão de controle do Variac para 75% e ligue a alimentação trifásica. Com esta configuração Variac, a tensão linha a linha é de cerca de 210 volts. Agora, a tela principal do VFD deve acender e exibir F 000. O botão remoto local permite que o usuário selecione o método de seleção de frequência. O controle local permite o uso do teclado para operar o VFD. Embora o controle remoto exija comunicações analógicas ou digitais, pressione o botão remoto local uma vez para colocar a unidade no modo local. Defina os perímetros do VFD para os mostrados na tabela. Para isso, defina a velocidade do motor usando as setas do teclado para acessar o menu de frequência, letra F na tela principal. Em seguida, defina a frequência para 10 hertz. Para medir a entrada de tensão no motor, selecione o menu com o display de 0.0v. Para medir a corrente que aciona o motor, role para cima até a tela que lê 0.00A. Para medir a frequência do VFD, role até a tela de medição de frequência. Pressione o botão verde de partida para ligar o motor. O inversor emite automaticamente a tensão necessária para manter uma relação tensão/frequência constante, que é predefinida para 3,47. Role até as exibições de tensão, corrente e frequência e registre seus valores. Se a unidade sobrecarregar ou falhar, pressione o botão vermelho de parada e, em seguida, pressione o botão de reinicialização. Use uma luz estroboscópica para medir a velocidade de rotação dos motores. Ajuste o botão de frequência do curso até que o eixo pareça quase estacionário e, em seguida, ajuste o botão de frequência fina até que o eixo pareça imóvel. Repita este procedimento para as frequências de 25, 45, 60 e 70 hertz. Plote a velocidade do motor versus frequência para obter um gráfico do comportamento do motor sob controle do inversor de frequência variável.
Os inversores de frequência variável controlam a velocidade dos motores de indução CA e podem reduzir as tensões mecânicas, aumentar a confiabilidade e diminuir os custos de manutenção. Além disso, os VFDs permitem a operação de motores em uma velocidade ideal para melhorar a eficiência energética. Devido a esses benefícios, os VFDs são úteis em muitas aplicações, como ajustar a velocidade de um ventilador. Quando incorporados em um sistema de ventilação, ventiladores como esse podem responder a controles manuais ou automáticos que aumentam a velocidade do ventilador e a circulação de ar quando as temperaturas são altas ou diminuem a velocidade do ventilador quando as temperaturas são baixas. Furadeiras, colocações, fresadoras e equipamentos similares usam VFDs para controlar seus motores. Os plásticos requerem usinagem de baixa velocidade para evitar carbonização ou derretimento, enquanto metais duros como o aço toleram usinagem de alta velocidade para um trabalho mais rápido. Com os VFDs, o equipamento de usinagem é mais versátil e mais capaz de lidar com uma ampla gama de situações.
Você acabou de assistir à Introdução da JoVE aos inversores de frequência variável para motores de indução CA. Agora você deve entender como os VFDs funcionam e como a frequência da potência de entrada determina a velocidade do motor. Obrigado por assistir!
