O inversor de frequência é um importante componente quando falamos do controle de motores elétricos. Desde que foi inventado, sem dúvidas, se tornou essencial em diversos projetos tecnológicos. Ele está presente em diversos processos do setor industrial, é bem aplicado no ramo da automação por conta da sua capacidade de controlar cargas exatas. Além de ser um meio eficaz de aumentar a economia energética e diminuir os gastos com consertos de reparação.
Neste artigo iremos explicar o funcionamento de um inversor de frequência, os tipos existentes, as vantagens e desvantagens, suas aplicações no dia a dia e dentro do projeto do Cheetah-E Racing, de modo que você seja capaz de utilizá-lo com eficácia em suas criações, além de que ao fim desta leitura os benefícios dele serão claramente vistos.
Como funciona um inversor de frequencia
De modo resumido, o inversor de frequencia converte os sinais de corrente alternada (CA) em corrente contínua (CC), posteriormente mudando para um sinal pulsado, PWM. Ao acontecer isso ocorre uma alteração na frequência, mudando assim a velocidade de rotação e o torque do motor. Existem diversos tipos de inversores que realizam outros funcionamentos, no Cheetah-E usamos um inversor modelo CVW300, que converte direto de uma corrente contínua (DC) para um sinal pulsante.
Para um melhor entendimento é interessante analisar o funcionamento de cada uma das partes do inversor:
Ponte Retificadora: após receber a alimentação ocorre o processo de retificação do sinal, na ponte existem diodos que executam essa tarefa. Após isso é fornecida uma saída contínua com ondulações.
Filtro: Tendo em vista a existência de tais ondulações, o sinal passará pelo filtro CC que é composto de capacitores. O filtro irá retirar ao máximo as pulsações do sinal, transformando-o no mais contínuo possível. É válido destacar que isso ocorre por conta que o capacitor diminui o efeito de ripple.
Ponte Inversora: Associação de transistores IGBT, que possuem a função de interruptores, contudo eles só podem ser ligados ou desligados a partir de uma sequência correta para alterar o sinal contínuo em uma saída próxima a de uma onda senoidal. Essa etapa é sem dúvida a mais interessante para entendermos os benefícios do inversor de frequencia, pois pelos transistores serem controlados eletronicamente torna possível que a frequência gerada na saída seja alterada em comparação com a frequência que entrou. Sendo assim, isso torna possível que a velocidade do motor seja alterada.
Tipos de inversores de frequência
Os dois principais tipos de inversores são o escalar e o vetorial:
Inversor de Frequência Escalar
É mais presente em tarefas consideradas simples, como partida e parada do motor e controle da velocidade em valores constantes. O controle escalar tem que operar de tal forma que a relação entre tensão e frequência sejam constantes. Tal funcionalidade é aplicada em operações que não necessite de dinâmicas elevadas, como mudança de torque e velocidade. Além dessa relação há o fato em que o torque é constante igual ao nominal, mesmo em velocidades diferentes. O equacionamento que descreve isso está a seguir:
Mas como existe um certo limite de tensão suportada pelo motor, chegará um ponto em que V não poderá aumentar. Quando isso acontecer e houver ultrapassagem, haverá a região de enfraquecimento de campo que é caracterizada pela diminuição de fluxo no estator e, consequentemente, a diminuição do torque.
Inversor de Frequência Vetorial
Está presente em processos que necessitam de uma precisão maior, como por exemplo, elevadores e guinchos. Isso por conta que eles têm um maior desempenho dinâmico. A sua programação permite que a relação entre a tensão e a frequência utilizados sejam alterados, diferentemente dos escalares que possuem essa relação inteiramente constante. Sua utilização é mais complexa do que o escalar pois ele necessita que todos os parâmetros do motor sejam incluídos em sua programação, como por exemplo, as indutâncias, o torque, as resistências elétricas entre outros.
Motivos para usar um inversor de frequência
Contribui para uma maior economia de energia: Operações que envolvem ventilação, em geral utilizam válvulas para o controle de vazão, contudo o inversor é capaz de mudar a velocidade do motor em períodos específicos orientados pela programação, diferentemente das válvulas que realizam tal tarefa quando o motor está com uma velocidade constante.
Melhor controle dos processos e aumento na produção: Como já citado acima, por meio da programação do inversor é possível automatizar operações, agilizando assim a produção do setor industrial, por exemplo.
Aumento na vida útil dos equipamentos utilizados e diminuição na quantidade de manutenções realizadas nos equipamentos: Os inversores possuem um recurso chamado rampa de aceleração. Sua função é evitar acionamentos bruscos, preservando assim a integridade do motor. Ela faz isso quando leva o motor a funcionar na velocidade configurada para sua operação. Como os motores não atuam o tempo inteiro na velocidade máxima eles são menos forçados, evitando manutenções corretivas.
Desvantagens dos inversores de frequência
Como sabemos, no mundo da tecnologia nem tudo são mil maravilhas, e tudo possui vantagens e desvantagens, o mesmo com os inversores, apesar de terem várias aplicabilidades práticas, alguns pontos negativos que possuem são:
Alto custo: Ao ser comparado com outros componentes o inversor nitidamente possui um valor extremamente elevado e dependendo do orçamento inicial que você tenha planejado é possível que o preço do inversor de frequência fique um pouco “salgado”.
Componentes sofisticados que exigem mão de obra especializada: Apesar de terem grandes qualidades e prevenirem falhas e futuras manutenções nos motores, os inversores têm componentes complexos que dificilmente podem ser consertados ou terem manutenção sem um parecer técnico.
Contudo, apesar deste alto custo inicial, ele apresenta um ótimo custo-benefício de longo prazo, pois possibilita uma grande economia elétrica e uma grande durabilidade das engrenagens e de diversos outros componentes mecânicos.
Equação de rotação do motor
Seguindo a equação abaixo, quanto maior a frequência aplicada, maior será a rotação do motor.
Aplicações dentro do Cheetah-E Racing
Como o Cheetah-E Racing é um projeto acadêmico que visa realizar a projeção e construção de um protótipo de carro estilo fórmula elétrico, utilizamos também um inversor de frequencia para realizar o controle de nosso motor.
No projeto possuímos uma subequipe de PowerTrain que é diretamente responsável pelos acumuladores (que se referem a geração de energia) e pelo sistema de tração do carro (que engloba o motor e o inversor).
Para acumuladores, o principal foco, como citado anteriormente, é o manejo das baterias e do acumulador como um todo. Dentro do acumulador, diversos componentes como AIRs (Accumulator Isolation Relays) que são relés de contato normalmente aberto que permitem ou não a passagem de corrente para fora do acumulador em direção ao inversor, as células de LiFePO4 utilizadas pela equipe e o BMS (Battery Management System). O BMS merece uma atenção especial, pois é por meio dele que é possível realizar- se o monitoramento das nossas células, monitorando dados como a temperatura das células, corrente que sai do pack de baterias, tensão nominal das células, além de ser responsável também por intermediar o carregamento de tais células. De maneira geral, é um dispositivo que garante a segurança das nossas células, fornecendo dados em tempo real acerca do que foi mencionado acima.
Para sistema de tração, o inversor e o motor são os principais focos, sendo o inversor o componente responsável por controlar o motor por meio de uma parametrização feita por meio da linguagem de programação Ladder. Quanto ao motor, este é uma máquina elétrica de indução trifásica (MIT), possuindo um processo longo e complexo para utilizar a corrente que chega em seus bornes para gerar o torque necessitado pela subequipe de transmissão.
Para que possamos participar da fórmula SAE é necessário que sigamos as regras presentes no regulamento da competição, nesse documento diz que para um motor seja efetivamente aplicado à tração veicular, ele precisa ser controlado. Essa exigência se deve às constantes mudanças de velocidade e torque que são aplicadas ao eixo do motor. Além disso, segundo o item EV.1.2.5 do regulamento da competição é preciso que haja um controlador, já que o motor não pode ser diretamente ligado ao acumulador.
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Esse conteúdo é resultado da parceria da MakerHero com a Cheetah E-Racing. Curtiu o conteúdo? Então deixe seu comentário abaixo! E não esqueça de acompanhar a Cheetah E-Racing nas redes sociais.
