Como especificar inversor de freqüência

Temperatura Ambiente

Geralmente, imaginamos que, por ser eletrônico, o inversor deverá trabalhar em um ambiente refrigerado ou, no máximo, com temperatura de até 30ºC. Porém, nos catálogos dos fabricantes podemos observar que a temperatura ambiente de trabalho pode ser de 40ºC ou até mesmo 50ºC em corrente nominal e numa determinada freqüência de chaveamento. Caso seja necessário trabalhar em um ambiente com temperaturas maiores, poderemos desclassificar o inversor, onde a corrente que flui através do produto deve ser menor do que a corrente nominal determinada pelo catálogo.

Alguns fabricantes informam como devemos desclassificar o inversor. Acima de 40ºC é preciso reduzir a corrente em 2,2 % a cada grau até um limite de 60ºC. Isto quer dizer que para operar em 50ºC, um inversor de 10 ampères, que suporte até 40ºC, deve fluir somente 8 ampères. Em 60ºC ele suportaria somente 6,5 ampères, sendo este o limite operacional do produto.

Outro fator determinante nas condições operacionais do inversor é o invólucro usado. É recomendável que seja metálico, pois ocorrerá troca de calor entre o ar interno aquecido pela dissipação do inversor e a chapa do painel, e esta última com o ar ambiente. Com o invólucro estanque, é possível determinar as dimensões mínimas do painel para que possamos usar com um inversor acionando um motor. Um método de cálculo é descrito abaixo:

Cálculo da Dimensão do Cofre

Área útil para dissipação de calor do invólucro (se fixado em parede): S = K / R thCom: S (m2) = áreas laterais + área superior + área frontalK: resistência térmica por m2 do invólucro

Para cofre metálico: K = 0,12 com ventilador interno; K = 0,15 sem ventilador.

Rth: resistência térmica máxima em °C/W:Rth = ( – e )/ P

Com:

- temperatura máxima no cofre em °C, e - temperatura externa máxima em °C, P - potência total dissipada no cofre em W.

A potência total dissipada no cofre compreende a potência dissipada pelo inversor, bem como a potência dissipada pelos outros componentes da unidade. Atenção: Não utilize filtros isolantes, devido à sua baixa condutibilidade.

Mesmo com este cálculo deve-se observar que, para a mesma corrente nominal, os inversores de certos fabricantes dissipam uma potência diferente, sendo as marcas que dissipam menos calor mais adequado a esta aplicação. Cada fabricante informa, em uma tabela, a dissipação térmica por modelo fabricado, que deve ser consultada quando da escolha do produto a ser usado numa aplicação onde a temperatura ambiente é elevada. Em alguns casos podemos utilizar montagens especiais para adaptarmos o inversor em um ambiente com temperatura mais alta, como no exemplo mostrado na figura 1.

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Quanto à montagem dentro de painel, devemos observar a disposição física que é permitida pelo manual. Alguns inversores podem ser colocados lado a lado e outros exigem que um espaço lateral extra entre os produtos seja usado para permitir a refrigeração. Quanto mais espaço usarmos dentro do painel, maior será a instalação final. (figura 2)

Em determinados casos há a possibilidade de adquirir um inversor sem seu dissipador original, montá-lo dentro do painel e, pelo lado de fora, inserir um outro dissipador que transmitirá a energia térmica para o ambiente externo mais frio que o painel. Veja detalhes nas figuras 3 e 4.

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Um dos detalhes requeridos para manter a temperatura ambiente de forma controlada pode ser ajustado no próprio inversor. Trata-se da freqüência de chaveamento que determina a quantidade de pulsos PWM que serão gerados durante o processo de controle da velocidade do motor. Um transistor de potência dissipa energia térmica durante a transição da tensão e, quando reduzimos a freqüência de chaveamento, fazemos com que o número de transições seja menor e, em conseqüência, o “calor” gerado pelo inversor diminui. Além disso, os fabricantes tratam esta questão através de gráficos que determinam a máxima corrente possível de fluir pelo inversor em função da freqüência de chaveamento, conforme ilustra a figura 5. Em ambientes industriais cuja temperatura é alta, devemos, portanto, reduzir a freqüência de chaveamento.

Um fator que é influenciado pela temperatura é a altitude de aplicação do inversor. Geralmente é limitada a mil metros, mas também através de um gráfico podemos reclassificar o inversor. Este efeito é devido a menor densidade do ar rarefeito em grandes altitudes, sendo deficiente na troca de calor e não permitindo trabalharmos com o produto na sua capacidade máxima. Veja o exemplo na figura 6.

Uso de um contator na entrada ou na saída do inversor

Em certos comandos é necessário inserir um contator para atender determinadas exigências operacionais. Porém, devemos ter cuidado no uso deste. Quando ele se colocar na alimentação do inversor, a automação envolvida no ligar e desligar deve ter atenção no aspecto de não desligar o inversor durante o funcionamento, pois interromperá a produção e gerará uma falha que necessitará ser rearmada com a intervenção de um técnico.

Pode-se, entretanto, programar o inversor para que, ao ser alimentado pelo contator, realize a partida do motor imediatamente e somente desligue-o quando for retirada a alimentação. Assim, não será gerada uma falha, mas devemos verificar antecipadamente se o produto adquirido possui esta função.

No caso de colocar o contator na saída do inversor e na alimentação do motor, o cuidado deve ser maior. Ao emitir a ordem de ligar, primeiro é preciso acionar o contator para que através de um sinal de seus contatos auxiliares, envie a ordem de marcha ao inversor. Na situação contrária, o inversor recebe a ordem inicialmente,o que pode gerar uma falha visto que, por ser eletrônico, ele detectará uma “falta de fase” e desligará.

No momento em que o contator fechar seus contatos de força, o inversor já estará parado. Quando a ordem de parada acontecer, a mesma se dará primeiro no inversor, para depois desligar o contator, caso contrário corremos o risco de gerarmos a mesma falha anterior. Para desligar o contator, é precisa aguardar o tempo de desaceleração programado no inversor.

Comunicação Serial (DeviCenet, Controlnet, ethernet, DF1, rs-485, entre outras)

Cada vez mais o inversor de freqüência faz parte de um sistema de automação e o uso de redes digitais de comunicação se tornou necessário. Várias opções são colocadas no mercado e devemos analisar quais delas melhor atendem. Na maioria das vezes a rede já é existente e, portanto, é importante verificar somente se o produto adquirido pode se comunicar com os outros dispositivos no protocolo de comunicação adotado. Devemos observar também quais

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informações de manutenção e operação desejamos transmitir e se temos condições de fazê-lo. Alguns aspectos básicos devem ser levados em consideração para definirmos a rede de comunicação:

- Rede existente;- Maior comprimento possível dos cabos;- Tipo de cabo usado;- Alimentação da rede;- Tempo de resposta;- Máximo número de dispositivos colocados em rede;- Redundância;- Implementação da comunicação: softwares especiais, programação dentro de um CLP, envio dos dados necessários dentro das regras do protocolo escolhido, manual detalhado, serviços complementares da rede (comunicação mestre-escravo ou produtor–consumidor), protocolo aberto ou fechado, como recolocamos em rede um inversor que substituiu um anterior que apresentou defeito.

Hoje em dia é possível usar inversores de freqüência numa rede Ethernet com seu endereço IP. Isso permite visualizar seu estado operacional através da Internet com redução de tempo de parada de máquina, utilizando somente o Internet Explorer. Até mesmo podemos programar o inversor para enviar uma mensagem de e-mail para uma determinada caixa postal informando a falha que fez parar a máquina, bem como sua hora e duração da parada. Desse modo, é possível montar um histórico de falhas e reduzir o tempo de parada de máquina. A tecnologia Bluetooth também já chegou aos inversores, facilitando sua parametrização e dando segurança ao técnico que manipula o produto.

Ruído Eletromagnético

Um dos problemas mais freqüentes numa instalação elétrica que alimenta um inversor é a possibilidade de existir uma interferência eletromagnética em equipamentos sensíveis (PLC, sensores, medidores digitais, etc.). Devido ao princípio de funcionamento do produto, uma tensão de aproximadamente 600 Vcc é chaveada várias vezes durante o acionamento do motor. O tempo que um transistor de potência leva para ligar e desligar pode ser de 200 ns (às vezes menos) causando uma corrente de fuga com ordem de grandeza de 3 ampères (este valor depende de algumas outras variáveis da instalação elétrica). Esta corrente transita pelo circuito, que é formado pelo cabo de saída do inversor, capacitância parasita entre cabos e aterramento, capacitância parasita do motor para a terra, malha de terra, secundário em estrela aterrado do transformador (subestação) que alimenta o inversor, e finalmente, de volta ao inversor pelo cabo de força que chega ao inversor. Veja a figura 7.

Quando esta corrente circula pela malha de terra, provoca um desequilíbrio, acarretando o aparecimento de vários potenciais diferentes ao longo desta malha. Quando aterramos nossos equipamentos eletrônicos nesta malha desequilibrada e fechamos o circuito entre o emissor de sinal (0-10 V, 4 – 20 mA, sensor digital, comunicaçãoserial, etc.) e o receptor, passa a circular uma pequena corrente entre os dois que se soma ao sinal. Portanto, o resultado desta soma de sinais (sinal correto + corrente parasita) provoca o mau funcionamento da automação, o que pode danificar as placas eletrônicas dos dispositivos. Observe na figura 8 como fica a corrente parasita somada ao sinal correto.

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Para evitar esta situação é preciso utilizar filtros no inversor, além de um cabo especial entre o inversor e o motor. Usualmente, dois tipos de filtros são empregados no inversor. O primeiro fica na saída e também é conhecido como toróide. Trata-se de um anel feito de material ferromagnético que envolve os cabos trifásicos na saída, sendo que às vezes podem ser enrolados no toróide para aumentar a indutância e assim diminuir a corrente que flui pela capacitância parasita. Além de reduzir o valor da corrente, seu pico e freqüência se modificam, reduzindo muito o ruído e a perturbação na malha de terra. Deste modo, poderemos manter o equilíbrio no aterramento e permitir que os dispositivos eletrônicos funcionem corretamente. As figuras 9 e 10 mostram a montagem de um toróide e seu efeito na corrente parasita.

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Dentro dos inversores temos também os capacitores de modo comum que fazem o trabalho de capturar a corrente parasita e retorná-la ao inversor, evitando assim que circule pelo resto da instalação. Com o conjunto destes dois dispositivos no inversor podemos então afirmar que ele possui os filtros de compatibilidade eletromagnética. Contudo, também é necessário usar cabos de força, compostos de quatro condutores onde, além de três para acionar o motor, o quarto é utilizado para interligar o aterramento do motor com o do inversor, mantendo os dois com o mesmo potencial, permitindo que a corrente parasita circule por dentro do cabo e não pela malha de terra.

Como temos ainda a presença de um forte campo eletromagnético gerado pela passagem da corrente em um cabo de comprimento grande, e isso pode interferir no funcionamento de outros equipamentos eletrônicos próximos ao cabo, devemos usar um cabo blindado, onde uma malha e uma capa de alumínio podem fazer este papel. Observe as figuras 11 e 12.

Harmônicos – análise do impacto do inversor na instalação elétrica

Muitas pessoas pensam que os problemas apresentados em CLPs, sensores, displays e outros equipamentos digitais são provenientes da presença dos harmônicos, mas a maioria deles é causada pelo ruído eletromagnético já discutido. As correntes harmônicas são geradas por qualquer carga não-linear presente em uma instalação, portanto, devemos desconfiar de qualquer aparelho eletrônico, principalmente de grande potência, como os inversores.

Ao alimentar uma carga com tensão senoidal, fluirá uma corrente senoidal, mas isso acontece, na realidade, em cargas lineares. Quando tratamos de cargas não-lineares, a corrente solicitada pela carga não é mais senoidal e, conseqüentemente, seu efeito no circuito de alimentação é diferente do esperado. Para analisarmos esta distorção na corrente, devemos usar uma ferramenta matemática que nos permite verificar os efeitos destas correntes harmônicas, existindo softwares específicos para isto. Na prática, são muitos os efeitos prejudiciais das correntes harmônicas. Abaixo estão relacionados alguns deles:

- Aumento da corrente eficaz;

- Maior aquecimento nos cabos de alimentação do inversor, inclusive na temperatura dos mesmos a níveis acima do suportável para aqueles cujo leito está embutido em parede ou no solo. O dimensionamento dos cabos em um projeto deve levar em consideração este fator, do contrário com certeza ocorrerá o mau dimensionamento deles;

- Aumento de aquecimento de transformadores e redução da vida elétrica. Quando um projeto é realizado, o dimensionamento do transformador que alimenta o inversor deve ser estudado levando-se em consideração as correntes harmônicas.

- Risco de ressonância com banco de capacitores, levando até as situações de risco onde o banco pode danificar-se completamente, deixando de regular o fator de potência trazendo um prejuízo financeiro à fábrica, seja pelo custo de compra e instalação de um novo banco, seja pela multa por baixo fator de potência imposta pelaconcessionária;

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- Aumento da queda de tensão na instalação, provocando o mau funcionamento de outras cargas ou até a redução de torque nos motores alimentados diretamente;

- Piora do fator de potência real, que pode ser medido pela concessionária e aumento da multa paga, além de representar uma perda de energia na instalação;

- Distorção da tensão que alimenta todas as cargas, que é dependente da relação de cargas lineares e não-lineares e da potência instalada (KVA) disponível para alimentá-las;

- Disparo indevido de fusíveis e disjuntores por estarem dimensionados para cargas lineares;

- Maior perda de energia nos cabos de alimentação, pois devido ao efeito pelicular, sua resistência é maior que o valor típico, o que contribui para o aumento da potência dissipada nos cabos. Se considerarmos que já temos perdas na instalação devido ao fator de potência, às perdas internas de um motor, devido a passagem de corrente pelos cabos e todos acessórios que estão no caminho desde a fonte até o inversor, perdas no transformador, vemos que com o acréscimo da corrente eficaz e sua distorção, estas perdas passam a ser significativas e já não podem mais ser desprezadas;

- Aumento na corrente do neutro, principalmente para os inversores de alimentação monofásica (pequenas potências, mas em grande quantidade).

Em vista disso, o impacto da presença das correntes harmônicas, principalmente nos motores com inversores grandes (acima de 50 HP) deve ser estudado e uma solução técnica para sua redução deve ser inclusa no custo de compra do inversor. Podemos comprar um equipamento para solucionar um problema, mas ao mesmo tempo trazer outro de conseqüências mais graves ao funcionamento da máquina. Veja abaixo algumas soluções possíveis, para o caso de inversores de freqüência:

- Reator na entrada CA;- Reator no barramento CC do inversor;- Retificador de 12 pulsos;- Retificador de 18 pulsos;- Retificador de 24 pulsos;- Filtro passivo (sintonizado);- Filtro ativo (eletrônico);- Inversor com tecnologia AFE (Active Front End) - Regenerativo;- Filtro passa - baixa (filtro senoidal).

A comparação destas soluções deve ser feita com relação ao grau de redução necessário para melhoria da instalação e o custo para implementação da solução.

Montagem em painel existente, novo, dentro de gaveta de CCM ?

Outro detalhe importante é prever onde será montado o inversor por questões de espaço físico, entrada e saída de cabos, custo de acessórios e mão-de-obra para realização da montagem física, proteção elétrica disponível, agressividade ambiental (poeira, água, agentes químicos), temperatura ambiente, distância entre motor e inversor (comprimento do cabo), visualização do display por parte do pessoal da operação. Algumas destas questões podem levar a compra de acessórios que aumentam o custo, mas devem ser consideradas na avaliação do investimento. Em outras situações, o local originalmente pensado para instalar o inversor se mostra inadequado para receber o produto.

Proteção Elétrica (fusível, disjuntor, nível de Curto – Circuito)

De um modo geral a proteção elétrica do motor e do inversor é desprezada pelos usuários, mas um risco alto de perda financeira e até de vidas humanas está presente. Quando colocamos um inversor para acionar um motor e eventualmente ocorre um curto-circuito na saída do inversor (cabo ou motor), o desligamento desta falha é feito pelo próprio equipamento. Portanto, seu dimensionamento deve levar em consideração o nível de curto – circuito suportado pelo produto adquirido. Para uma mesma potência, cada fabricante garante um nível de curto diferente, podendo ser de 5 kA até 200 kA. Caso seja utilizado um produto de 5 kA numa instalação cujo curto-circuito seja maior, o inversor tentará desligar eletronicamente quando detectar a falha, mas por não suportar o nível de curto da instalação, provavelmente se danificará, gerando perdas por parada de máquina ou até prejuízos financeiros e humanos.

A colocação de um disjuntor ou fusível na entrada de alimentação do inversor, geralmente é indicada em tabelas pelos fabricantes e deve ser seguida, porém não garante o desarme quando o curto acontece na saída do inversor, visto que são os capacitores internos do inversor que alimentam a falha e, por ser eletrônico, a reação ao curto e seu conseqüente desligamento é muito mais rápido no inversor do que no fusível ou disjuntor.

Grau de Proteção

Ligado ao local onde será instalado o produto adquirido, o grau de proteção do invólucro usado pode ser um fator decisivo na especificação do inversor. A maioria dos inversores comerciais está na faixa de IP 20 até IP 31, sendo inadequados para ambientes quimicamente agressivos ou com forte presença de poeira ou água. Alguns fabricantes

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fornecem versões especiais IP66 para trabalhar neste tipo de ambiente. Devemos analisar onde deve ser colocado o inversor, e prover a proteção adequada, ou então solicitar do fornecedor que prepare o produto para trabalhar no ambiente de sua instalação.

Quantidade de E/S Digitais e analógicas

Por fazer parte de um sistema de automação, um inversor comercial vem com diversas entradas e saídas, tanto analógicas quanto digitais e caso precisemos delas para realizar alguma função, devemos observar se as ofertas contemplam a quantidade de E/S suficiente para a necessidade. Caso utilizemos alguma função especial do inversor, uma análise cuidadosa das E/S que empregamos deve ser realizada, pois corremos o risco de não termos disponíveis a quantidade necessária caso a função ou funções usadas (PID, velocidades pré-selecionadas, jog, encoder, controle de posicionamento, etc.).

Outra característica técnica a ser observada é a compatibilidade das E/S no inversor e o tipo de sinal que enviaremos para o inversor e do mesmo para um outro dispositivo receptor. Geralmente, as entradas digitais são em 24 Vcc e o inversor oferece uma fonte para realizarmos as ligações elétricas. Caso nossa tensão disponível seja, por exemplo, de 220 Vca, devemos compatibilizar com o uso de relés intermediários. Há também a possibilidade de terem a ligação tipo NPN, ou PNP e isto deve ser levado em consideração.

As saídas digitais podem ser de dois tipos, sendo que algumas são relés eletromecânicos que suportam tensões e correntes CC e CA, mas é preciso observar se as cargas ligadas neles têm corrente menor do que a suportada pelo relé. Os sinais analógicos podem ser de corrente (4-20 mA, 0-20mA) ou de tensão (0-10Vcc, 0-5 Vcc) e deve-se verificar se temos compatibilidade entre os sinais do inversor e dos acessórios empregados. A falta de compatibilidade entre tensão e corrente dos acessórios usados com as E/S digitais e analógicos pode tornar o acionamento impossível de ser realizado ou, no mínimo, gerar mais custos não previstos anteriormente.

Sensores para E/S DiGitais e Analógicas

Em paralelo com o item anterior, devemos especificar algum tipo de sensor que usaremos na automação do inversor para garantir seu bom funcionamento. Além disso, no caso dos analógicos, a faixa de operação do sensor se torna importante para que tenhamos o desempenho correto. Normalmente, utilizamos sensores cujo valor de trabalho normal esteja no meio da faixa operacional para aproveitarmos sua precisão e possamos trabalhar com todo o potencial da máquina. Algumas funções (PID, por exemplo) são impossíveis de serem realizadas se o sensor não estiver sinalizando na faixa correta.

Na programação do inversor podemos ajustar a escala de trabalho para melhorar a operação e adequar ao sensor usado e até o seu tipo de sinal (4- 20mA ou 0-10 Vcc). Caso contrário, o conjunto sensor – inversor não operará da forma desejada.Este ajuste pode ser no hardware (switches ou jumpers) ou no software (parâmetros).

Recursos Programáveis

Jog, divisão de carga, V/Hz independente, automação de elevação de carga, temporização e contador, encoder, controle de torque, controle de posicionamento, PID avançado, função “dormir”, parametrização das entradas e saídas analógicas e digitais, uso de PTC, freqüências ocultas, intertravamento de purga e congelamento, repartida automática, retomada de velocidade, assistência ao start-up, auto-sintonia, macros, velocidades pré-selecionadas, referência unipolar ou bipolar, perfil de velocidade ou posicionamento são apenas algumas das funções hoje disponíveis nos inversores de freqüência. Verifique se algumas delas tornam nossa automação mais fácil e até mesmo viável, pois dispensam o uso de CLPs, reduzindo o custo e o tempo de instalação.

Conclusão

Considerando os pontos abordados, podemos verificar que diversos fatores contribuem para o sucesso da aplicação de um inversor e que, informar somente a potência e tensão do motor cujo inversor o acionará, é uma opção arriscada. Outros fatores também podem ser estudados e eventualmente especificados durante a aquisição de um inversor de freqüência, mas os itens expostos já oferecem um ponto de partida importante para evitar problemas no uso do produto. Cabe ao responsável pela compra que investigue estes elementos em cada aplicação e decida se algum destes é preponderante ou não.

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