TECNOLOGIA MARÍTIMA

Inversores de frequência variável explicados 

Noções básicas de VFD Aprenda sobre VFD, suas aplicações e seus principais componentes. 

Neste artigo, aprenderemos sobre VFD e suas aplicações. Também abordaremos em detalhes o conversor e o link CC. Por fim, abordaremos o módulo IGBT e como o PWM permite a saída CA para o motor para controle preciso da velocidade do motor. 

Velocidade de rotação do motor CA 

 Os motores elétricos de indução ou de corrente alternada giram a uma taxa definida pelo número de polos dentro do próprio motor e pela potência fornecida.

A frequência (medida em Hertz) está diretamente relacionada às rotações por minuto (RPM) de um motor. Quanto maior a frequência, mais rápido o RPM ou maior a velocidade de rotação do motor. Nos Estados Unidos, as concessionárias de energia elétrica fornecem energia alternada com frequência de 60 Hz. Um motor CA de dois polos padrão operando frequência fornece uma rotação nominal de 3600 RPM.

Redução de velocidade 

Se uma aplicação não requer um motor elétrico operando em velocidade máxima de 3600 RPM, o que é muito comum, existem algumas soluções: 

1: Usando um redutor mecânico de velocidade 

Ele diminui mecanicamente a velocidade de saída aumentando o torque – a engrenagem de saída tem mais dentes do que a engrenagem de entrada.

Eles são substituídos, não fornecem flexibilidade, são sutis a vibração e ruído e não são adequados quando os eixos estão distantes. 

2: Adicionando mais conjuntos de bastões 

Reduza a velocidade sem alterá-la eletricamente. Atualmente, existem sistemas de transistores que permitem ligar e desligar os pólos dentro dos motores. No entanto, esses sistemas podem ser complexos e não fornecem um controle preciso.

3: Usando um inversor de frequência variável (VFD) 

Pode ser configurado e ajustado para gerar rampa, frequência e tensão para que o motor opere de acordo com os requisitos de carga (velocidade e tensão desejada).

Uma característica importante do inversor de variável de frequência é que, à medida que os requisitos de velocidade do motor em uma determinada aplicação mudam, o inversor pode simplesmente aumentar ou diminuir a velocidade do motor para atender aos novos requisitos operacionais, o que de outra forma não Seria possível usando apenas o controle mecânico. redutor de velocidade, ou o sistema de transistor para adicionar mais pólos. 

Aplicações VFD 

O uso de VFDs é difundido em inúmeras aplicações industriais e comerciais. – Em aplicações industriais, os VFDs são usados​​​​para controlar desde extrusoras e guindastes elétricos até montanhas-russas e passeios mecânicos, com muito mais!

– Em aplicações comerciais, os VFDs são amplamente utilizados em bombas para controlar a vazão e até mesmo o volume em um tanque, bem como na indústria de HVAC, sendo considerada tecnologia verde.

Em última análise, um VFD varia a frequência acomodada a um motor CA para controlar sua velocidade; permitindo uma partida suave e ajustando a velocidade do motor conforme a aplicação exige. Agora que sabemos por que e onde os inversores de frequência são usados, vamos nos aprofundar em Como funciona um inversor de frequência? 

Circuito elétrico VFD 

Vejamos este diagrama VFD:

A primeira coisa que encontramos (T3 ) é um transformador de corrente, que tem a função de medir a corrente que entra em nosso VFD para que os controles do VFD possam comparar a corrente que entra e a corrente que sai do VFD – medida pelos dois transformadores de corrente indicados por T1 e T2. Se a corrente medida for diferente, o VFD irá desarmar devido ao que chamamos de falta à terra. 

 

Retificador ou conversor de seis pulsos 

A seguir, temos o conversor, também chamado de retificador. Se fôssemos expandir e olhar para o diagrama do retificador, seria assim:

Isso é chamado de retificador ou conversor de seis pulsos , e é onde a corrente alternada trifásica é convertida em corrente contínua pelo uso de diodos . Usando uma analogia de um sistema hidráulico, esses (seis) diodos podem ser equiparados a válvulas de retenção. A forma como os diodos são conectados entre si é muito estratégica.

As válvulas de retenção permitem apenas o fluxo em uma direção, como nossos diodos com o fluxo de corrente (a direção é mostrada pela seta no símbolo do diodo). A corrente elétrica passa pelo diodo no sentido da seta no desenho do diodo, ou seja, a corrente vai do ânodo para o cátodo, conforme mostra a imagem:

Só haverá corrente elétrica se a tensão no ânodo for maior que no cátodo. Portanto, quando conectamos uma corrente alternada trifásica ao conversor: – Quando a fase A é maior que as tensões da fase B ou C, este diodo abre, permitindo que a corrente flua, – Quando a fase B se torna maior que a fase A, então é o diodo da fase B que abre enquanto o diodo da fase A é fechado,

– O mesmo vale para C, bem como para os três diodos do lado negativo do barramento.

Isso resulta em seis pulsos de correntes conforme cada diodo abre e fecha. A forma de onda resultante ficará assim:

Barramento DC ou filtro DC e Buffer 

Em seguida, temos o filtro e buffer CC, também conhecido como barramento CC. O barramento CC é representado por apenas um capacitor e resistor no diagrama, mas na realidade existem vários capacitores e resistores associados em série e em paralelo.

Como os capacitores não estão carregados, sua impedância é muito baixa. Se fôssemos carregá-los, o inrush inicial poderia danificar os dispositivos de entrada de energia, ou o retificador/conversor, caso os fusíveis de entrada não interrompessem o circuito.

Em vez disso, temos um circuito de pré-carga. A pré-carga é um circuito limitador de corrente que diminui a taxa de carga dos capacitores do barramento durante a energização. O circuito de pré-carga mostrado aqui é composto por: - um contato, – uma resistência, – um termostato.

Quando energizamos nosso VFD, e o banco de capacitores ainda não está carregado, os capacitores começam a carregar pelos resistores – uma vez que os controles do VFD identificam que o link DC está totalmente carregado, ele fechará o contato tornando-se o caminho de menor resistência para a corrente elétrica. Diagrama Descrição gerada automaticamente

No cenário do contator não fechando e o VFD ainda iniciando o motor, a corrente que flui através do resistor aumentará, o que superaquecerá o resistor de pré-carga. O termostato então atuará e desarmará o VFD devido ao superaquecimento.

Agora vamos voltar ao barramento DC – o resistor dele tem a função de dividir a tensão e vai garantir que todos os capacitores tenham a mesma tensão.

IGBT

Por fim, temos os IGBTs , que é a última etapa da saída do drive: o conversor CC para CA e nossa saída PWM.

Sabemos que esta última etapa converterá a corrente contínua em corrente alternada como uma saída modulada por largura de pulso. Mas o que isso significa? E como isso acontece? É impossível falar sobre VFDs e Transistores Bipolares de Porta Isolada, também conhecidos como IGBTs, sem entender o que é Modulação por Largura de Pulso (PWM). Um sinal de entrada analógica pode ser modulado gerando pulsos de largura variável para representar sua amplitude. Em um breve resumo, PWM é uma maneira de controlar sinais analógicos com uma saída digital.

Para entender a função do IGBT em um VFD, é importante entender como um IGBT funciona de forma singular. 

Como funciona um IGBT? 

No nível mais simples, um transistor bipolar de porta isolada (IGBT) é um interruptor usado para permitir que a energia flua quando é ligado e pare quando é desligado.

É importante notar, no entanto, que eles têm a capacidade de ligar e desligar milhares de vezes por segundo! Um IGBT é um dispositivo de estado sólido, o que significa que não possui partes móveis. Em vez de abrir e fechar uma conexão física, ela é operada pela aplicação de uma tensão a um componente semicondutor, chamado de porta, que altera suas propriedades para criar ou bloquear um caminho elétrico. Vejamos de perto um IGBT típico: Os terminais (pinos) representam o Gate, o Collector e o Emitter.

A corrente flui ao longo do caminho de condutância composto pelo Coletor e pelo Emissor, enquanto o Gate controla o dispositivo. Aqui está uma representação de desenho elétrico dele. Diagrama Descrição gerada automaticamente

O IGBT se comporta de forma semelhante a um interruptor. Como a própria palavra sugere, – quando uma tensão positiva é aplicada, o Gate fecha (liga), permitindo que a corrente flua entre o coletor e o emissor; – se não for aplicada tensão suficiente, o Gate permanece fechado (desligado) não permitindo que nenhuma corrente flua entre o coletor e o emissor. Para evitar que o dispositivo feche, esta tensão é mantida negativa neste estado desligado. 

Sinal PWM 

Agora que entendemos como nossos IGBTs funcionam, vamos voltar para a aplicação de IGBTs em VFDs, e vamos representar nossos IGBTs como chaves de contato para um entendimento mais simples. Tela de computador com texto preto sobre fundo branco Descrição gerada automaticamente com confiança média

Os IGBTs superiores, que em nossa representação são interruptores, estão no barramento CC positivo e os inferiores estão no barramento CC negativo; portanto, quando um dos interruptores superiores é fechado, a fase e a tensão do motor tornam-se positivas. Por outro lado, quando um dos interruptores inferiores é fechado, a fase e a tensão do motor tornam-se negativas. Tela de computador com texto preto sobre fundo branco Descrição gerada automaticamente com confiança média

Portanto, controlando a velocidade e a sequência com que essas chaves abrem e fecham, podemos controlar as fases e a frequência do nosso sinal: zero, negativo ou positivo. Diagrama Descrição gerada automaticamente

É importante observar que o sinal de saída do VFD é um sinal PWM, que acaba sendo uma forma de onda retangular. Essa onda é crucial na operação de um VFD, pois é essa tensão e frequência variáveis ​​que permitirão que o VFD controle a velocidade do motor.

Programa Processador de Controle VFD 

O processador de controle de um VFD contém um programa que normalmente não é acessível ao usuário, no entanto, existem muitos parâmetros e configurações que podem ser ajustados e ajustados para uma operação ideal do VFD para cada aplicação em que foi usado para atender às especificações específicas do motor e do equipamento acionado e necessidades. A seguir estão os parâmetros e configurações ajustáveis ​​comuns em um VFD: – Ajustável: Proporcional, Integral, Derivativo (PID) – Velocidade Mínima e Máxima – Limite de Corrente, Entre muitos outros! O número de parâmetros varia de acordo com o nível de complexidade do VFD. Eles podem variar de 50 a mais de 200 parâmetros! 

Resumo 

Os inversores de frequência variável permitem um controle preciso da velocidade do motor, variando a frequência e a tensão de sua fonte de alimentação. Unidades de frequência variável são dispositivos controladores de motor usados​​ em aplicações numéricas, desde pequenos aparelhos até grandes compressores e muito mais! A principal função do VFD é acionar e controlar a velocidade e o torque do motor para atender aos requisitos da aplicação variando a tensão e a frequência de alimentação. Existem vários estágios dentro de um controlador VFD: – O estágio Drive Input é quando a corrente alternada está sendo alimentada no inversor. – Para Housekeeping, os transformadores de corrente medem e comparam a corrente que entra e sai do VFD, verificando falhas de aterramento; Além disso, o dano inicial de irrupção é evitado pelo uso de um circuito de pré-carga. – Durante o estágio Drive e Drive Output , a corrente alternada é então convertida em corrente contínua pelo retificador ou conversor de seis pulsos. – Essa corrente contínua é armazenada em buffer e filtrada no barramento CC onde sua função de resistor é dividir a tensão e garantir que todos os capacitores tenham a mesma tensão. – Esta corrente direta agora filtrada pode ser convertida novamente em corrente alternada pelos IGBTs agindo de forma semelhante aos interruptores, permitindo o controle das fases e frequência do nosso sinal na forma de saída modulada por largura de pulso. – Por fim, a etapa Motor e trem de força é quando esta saída modulada por largura de pulso permite então o controle da velocidade do motor e, conseqüentemente, sua saída mecânica. Os VFDs evoluíram tremendamente. Eles se desenvolveram em dispositivos de energia de alta frequência altamente sofisticados na forma de controladores de microprocessador. O uso de VFDs permite processos de operação previsíveis, mais suaves, duráveis ​​e altamente eficientes!