Inversor de frequencia

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SENAI-DN – SERVIÇO NACIONAL DE APRENDIZAGEM INDUSTRIAL
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Robson Braga de Andrade
Presidente
SENAI – Departamento Nacional
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Lista de ilustrações
Figura 1 - Classificação dos motores por tipo.........................................................................................................16
Figura 2 - Partes de um motor elétrico de indução trifásico.............................................................................17
Figura 3 - Motor: vista explodida.................................................................................................................................18
Figura 4 - Rotor bobinado assíncrono.......................................................................................................................20
Figura 5 - Motor de corrente contínua......................................................................................................................21
Figura 6 - Funcionamento de um motor DC...........................................................................................................22
Figura 7 - Motor de passo..............................................................................................................................................23
Figura 8 - Motor unipolar)..............................................................................................................................................25
Figura 9 - Motor bipolar..................................................................................................................................................25
Figura 10 - Funcionamento de um motor de passo.............................................................................................26
Figura 11 - Circuito driver para controle de motor de passo............................................................................27
Figura 12 - Driver para motor de passo.....................................................................................................................27
Figura 13 - Driver industrial...........................................................................................................................................28
Figura 14 - Controlador 3 eixos para motor de passo..........................................................................................28
Figura 15 - Controle de fases de um motor trifásico utilizando um soft-starter........................................32
Figura 16 - Diagrama em blocos de um soft-starter.............................................................................................32
Figura 17 - Comparativo da corrente entre partidas direta, estrela-triângulo e soft-starter.................33
Figura 18 - Ligação direta com o soft-starter..........................................................................................................34
Figura 19 - Ligação com contator by-pass...............................................................................................................34
Figura 20 - Diagrama de comando do soft-starter...............................................................................................35
Figura 21 - Inversor de frequência..............................................................................................................................36
Figura 22 - Estrutura básica de um inversor de frequência...............................................................................37
Figura 23 - Modulação por PWM.................................................................................................................................38
Figura 24 - Diversos tipos de inversores conforme seu fabricante.................................................................40
Figura 25 - a) principais diferenças entre os Inversores Escalares e Vetoriais. - b) diferença entre
torque e RPM - c) diferença entre resposta dinâmica...........................................................................................44
Figura 26 - Módulo de potência..................................................................................................................................45
Figura 27 - Corrente elétrica de entrada...................................................................................................................45
Figura 28 - Corrente no barramento DC...................................................................................................................46
Figura 29 - Corrente no barramento DC após capacitor.....................................................................................46
Figura 30 - Onda senoidal..............................................................................................................................................46
Figura 31 - Modulação PWM.........................................................................................................................................47
Figura 32 - Chaveamento dos IGBTs...........................................................................................................................48
Figura 33 - Corrente elétrica no sentido A-B nos IGBTs de um inversor monofásico...............................48
Figura 34 - Corrente elétrica no sentido B-A nos IGBTs de um inversor monofásico...............................48
Figura 35 - Tensão de saída de um inversor monofásico....................................................................................49
Figura 36 - Corrente elétrica no sentido B-A nos IGBTs de um inversor monofásico...............................49
Figura 37 - Modulo de controle de um inversor de frequência........................................................................50
Figura 38 - Módulos do inversor..................................................................................................................................51
Figura 39 - Interface do inversor..................................................................................................................................52
Figura 40 - Mesa rotativa................................................................................................................................................53
Figura 41 - Arquitetura de automação para controle de uma mesa rotatória com inversor.................53
Figura 42 - Controlador...................................................................................................................................................54
Figura 43 - Set point.........................................................................................................................................................55
Figura 44 - Arquitetura de automação para controle de uma mesa rotatória com servodriver..........55
Figura 45 - Comparativo entre inversor e servodriver.........................................................................................56

Figura 46 - Gráfico do parâmetro 5 do inversor – tempo de partida.............................................................57
Figura 47 - Gráfico do parâmetro 5 do inversor – tempo de parada..............................................................58
Figura 48 - Função pulso de partida..........................................................................................................................59
Figura 49 - Sobrecorrente imediata na saída..........................................................................................................59
Figura 50 - Subcorrente imediata................................................................................................................................60
Figura 51 - Conjunto de Servoacionamento...........................................................................................................63
Figura 52 - Comunicação de dados............................................................................................................................67
Figura 53 - Servomotor...................................................................................................................................................68
Figura 54 - Partes de um servomotor........................................................................................................................69
Figura 55 - Encoder..........................................................................................................................................................70
Figura 56 - Máquina que utiliza um encoder incremental.................................................................................70
Figura 57 - Encoder..........................................................................................................................................................71
Figura 58 - Resolver..........................................................................................................................................................72
Figura 59 - Tacogerador..................................................................................................................................................73
Figura 60 - Exemplos de aplicações de servoacionamentos.............................................................................76
Quadro 1 - Métodos de partidas x motores..............................................................................................................32
Quadro 2 - WEG, 2012.......................................................................................................................................................32

Sumário
1 Introdução.......................................................................................................................................................................13
2 Motores Elétricos...........................................................................................................................................................15
2.1 Motores Assíncronos..................................................................................................................................16
2.1.1 Estrutura........................................................................................................................................16
2.1.2 Funcionamento do motor......................................................................................................18
2.1.3 Exemplos de aplicações...........................................................................................................19
2.2 MOTORES SÍNCRONOS...............................................................................................................................19
2.2.1 Estrutura........................................................................................................................................19
2.3 Motores de Corrente Contínua (DC).....................................................................................................21
2.3.1 Estrutura........................................................................................................................................21
2.4 Motores de Passo.........................................................................................................................................23
2.4.1 Motores unipolares...................................................................................................................24
2.4.2 Motores bipolares......................................................................................................................25
2.4.3 Funcionamento..........................................................................................................................25
2.4.4 Drivers para motores de passo.............................................................................................26
3 Soft-Starters e Inversores............................................................................................................................................31
3.1 Chave Eletrônica (Soft-Starter)................................................................................................................31
3.1.1 Princípio de funcionamento..................................................................................................32
3.1.2 Formas de ligação do soft-starter........................................................................................33
3.2 Inversor de Frequência..............................................................................................................................35
3.2.1 Principio de funcionamento .................................................................................................37
3.2.2 Funções dos inversores............................................................................................................38
3.2.3 Escolha do inversor ..................................................................................................................39
3.2.4 Controle do Inversor de Frequência....................................................................................40
3.2.5 Módulos do Inversor.................................................................................................................44
3.2.6 Controle de posicionamento dos inversores ..................................................................52
3.3 Parametrização de Drivers .......................................................................................................................57
4 Servoacionamentos......................................................................................................................................................63
4.1 Funcionamento do Servo.........................................................................................................................64
4.2 Servodrivers...................................................................................................................................................65
4.3 Servomotores................................................................................................................................................68
4.3.1 Encoders........................................................................................................................................70
4.3.2 Resolvers.......................................................................................................................................72

4.3.3 Tacogerador.................................................................................................................................73
4.4 Instalação dos Servos.................................................................................................................................74
Referências............................................................................................................................................................................79
Anexo......................................................................................................................................................................................82

Introdução
1
O Curso de Capacitação dos Docentes para o Curso Técnico de Automação tem o objetivo de
atualizar tecnologicamente os profissionais do SENAI nas capacidades mais relevantes e importantes
do Desenho Curricular Nacional do Curso Técnico de Nível Médio em Automação Profissional. Este
Curso é formado por três Unidades Curriculares: Instrumentação e Controle, Sistemas Lógicos
Programáveis e Técnicas de Controle.
O conteúdo deste livro refere-se à Unidade Curricular Técnicas de Controle e está dividido em
três capítulos: Motores Elétricos, Soft-Starters e Inversores e Servoacinamento.
No primeiro capítulo são abordados os diversos tipos de motores elétricos, passando
rapidamente pela estrutura, características, funcionamento e aplicações industriais. Em relação ao
motor de passo, veremos motores unipolares e bipolares e seus drivers.
No segundo capítulo são apresentados os equipamentos do Soft-Starter e dos Inversores de
Frequência, detalhando seu princípio de funcionamento, as características, funções, formas de
ligação, parametrização de drivers e aplicações industriais. Também são estudados em Inversores
de Frequência o controle por inversor escalar e vetorial, módulos de potência e controle e o controle
de posicionamento.
No capítulo final são estudados os Servoacionamentos, detalhando servo, servo drivers, servo
motores e suas aplicações, além da instalação dos servos nos processos industriais.

Soft-Starters e Inversores
3
Neste capitulo abordaremos o funcionamento e as características das chaves eletrônicas
(soft-starters) e dos inversores e veremos os principais parâmetros de configuração drivers.
Também, a aplicação desses dispositivos em circuitos elétricos e as vantagens e desvantagens
em comparação com as ligações de motores elétricos.
3.1 Chave Eletrônica (Soft-Starter)
O avanço da eletrônica permitiu a criação da chave de partida a estado sólido, que
consiste em um conjunto de pares de tiristores (SCR) (ou combinações de tiristores/
díodos), um em cada borne de potência do motor. O ângulo de disparo de cada par de
tiristores é controlado eletronicamente para aplicar uma tensão variável aos terminais do
motor durante a aceleração e a desaceleração.
No final do período de partida ou parada, ajustável tipicamente entre 2 e 30 segundos,
a tensão atinge seu valor pleno após uma aceleração e desaceleração suave ou uma rampa
ascendente e descendente, em vez de ser submetida a incrementos ou saltos repentinos.
Com isso, conseguimos manter a corrente de partida (na linha) próxima da nominal e
com suave variação.
Além da vantagem do controle da tensão (corrente) durante a partida, a chave
eletrônica apresenta, também, a vantagem de não possuir partes móveis ou que gerem
arco, como nas chaves mecânicas. Esse é um dos pontos fortes das chaves eletrônicas,
pois sua vida útil é mais longa.
De acordo com o funcionamento de um tiristor, para que haja aceleração, ocorre um
crescimento da tensão de pico de uma tensão alternada, até chegar ao valor total da
tensão de pico. Já na desaceleração, ocorre a diminuição do valor de pico da tensão
alternada até chegar a zero. A figura 15 mostra os gráficos de variação de tensão em cada
fase, controlando as fases de um motor trifásico.

32 AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
M
3
T Rotação nominal
R
R
S
S
T
t
t
t
Figura 15 - Controle de fases de um motor trifásico utilizando um soft-starter
Fonte: DREHER, 2009.
O Quadro 1 mostra uma comparação entre os sistemas de partidas de forma
indireta de acordo com o tipo de motor.
Execução
dos enrola-mentos
Tensão
de
serviço
Partida com
chave estrela-triângulo
Partida com
chave em
série-paralela
Partida
com soft-starter
220/380V 220V SIM SIM NÃO SIM
380V NÃO SIM NÃO SIM
220/440V
230/460V
220V / 230V NÃO SIM SIM SIM
440V / 460V NÃO SIM NÃO SIM
380/660V 380V SIM SIM NÃO SIM
220/ 380/
440V
220V SIM SIM SIM SIM
380V NÃO SIM SIM SIM
440V SIM SIM NÃO SIM
Quadro 1 - Métodos de partidas x motores
Quadro 2 - WEG, 2012.
3.1.1 Princípio de funcionamento
O funcionamento do soft-starter está baseado na utilização de uma ligação de
tiristores em ponte, comandada por uma placa eletrônica, para o ajuste da tensão
de saída. A figura 16 mostra o esquema de um soft-starter.
u
v
w
M
3-
+-
+-
Cartão eletrônico
de controle CCS1.00
Entrada
analógica
Entrada
digitais
Saída
analógica
Saída a relé
RL1 RL2 RL3
PF
Rede
3~
R
S
T
TC
TC
Figura 16 - Diagrama em blocos de um soft-starter
Fonte: FRANCHI, 2010.

3 Soft-Starters E Inversores 33
O soft-starter controla a tensão da rede por meio do circuito de potência pelos
tiristores, que varia o ângulo de disparo, variando a tensão eficaz do motor elétrico.
O principal objetivo do funcionamento do soft-starter é reduzir a tensão de
partida de um motor elétrico. Como o torque é proporcional a essa tensão, o
motor parte com torque reduzido. A figura 17 mostra um gráfico comparativo da
corrente de partida direta, estrela-triângulo e soft-starter em relação ao tempo.
CORRENTE
PARTIDA DIRETA
SOFT
STARTER
TEMPO
PARTIDA ESTRELA/TRIÂNGULO
Figura 17 - Comparativo da corrente entre partidas direta, estrela-triângulo e soft-starter
Fonte: DREHER, 2009.
As principais funções do soft-starter são:
• controle do tempo de aceleração e desaceleração do motor;
• limitação de corrente;
• conjugado de partida;
• frenagem por corrente contínua;
• proteção do acionamento por sobrecarga;
• proteção do motor contra aquecimento; e
• detecção de desequilíbrio ou falta de fase do motor.
3.1.2 Formas de ligação do soft-starter
Existem duas formas de ligação do soft-starter:
a) Ligação direta: o soft-starter é ligado diretamente. Dependendo do tipo,
pode ser ligado diretamente ou com auxílio de contatores, fusíveis e relés de
sobrecorrente. A figura 18 mostra esse tipo de ligação.

Chave estática
M
R
K
F
Contator da rede
Relé de sobrecarga
Figura 18 - Ligação direta com o soft-starter
b) Ligação com contator em paralelo (contator by-pass): é feita para reduzir as
perdas no soft-starter quando o motor está em regime normal de trabalho. Esta
ligação é vista na figura 19.
Chave estática
M
R
Contator da rede
Relé de sobrecarga
F1
K1
F2
Fusíveis NH
Condutor em
paralelo
Figura 19 - Ligação com contator by-pass

Diagrama de ligação de um soft-starter
O soft-starter possui um determinado número de entradas e saídas digitais e
analógicas. As saídas podem ser parametrizadas para comando, controle e sinalização.
As tensões de operação podem ser de 24Vcc, 110Vca e 220Vca, dependendo do
fabricante. A figura 20 mostra o diagrama de comandos do soft-starter.
S1
ABC
N
PE
S4 15
14
13
12
11
10
987654321
Interligação
necessária
U
AC 380 - 415v
AC 200 - 240v
AC 100 - 120v
N/L DCL + 24v
DCL + 24v
Ligar
Desligar
Resetar
Falha
Partida conduída
Contato para freio
M
Figura 20 - Diagrama de comando do soft-starter
3.2 Inversor de Frequência
Inversor de frequência é o equipamento eletroeletrônico capaz de converter
a tensão alternada de entrada com frequências constantes em tensão contínua,
modulando a tensão e depois gerando em sua saída uma tensão novamente
alterada. Porém, a tensão possui sua frequência controlada e variável, que
permite controlar a velocidade e o torque de motores de indução trifásicos. Estas
duas características provem os sistemas em que estão inseridas de uma infinita
gama de possibilidades, sendo aplicadas em máquinas, equipamento e processos
industriais. Veja um inversor na Figura 21.

P
P
P
Figura 21 - Inversor de frequência
Fonte: WEG, 2012
Os inversores de frequência, também conhecidos como conversores de
frequência ou inversores AC, são equipamentos utilizados na indústria para
controlar a velocidade e o torque de motores elétricos de indução trifásicos. A
nomenclatura mais popular utilizada é Inversora de frequência, porém o inversor
é um dos componentes internos do conversor de frequência, que é composto
basicamente por quatro blocos. São eles:
• Circuito de Entrada, composto por diodos retificadores, para converter a
tensão alternada em contínua.
• Circuito Intermediário, que inclui um banco de capacitores eletrolíticos e
circuito de filtragem de alta frequência, que suaviza as variações de tensão e
gera em sua saída uma tensão DC fixa.
• Circuito Inversor, compreendido por transistores IGBT (Insulated Gate
Bipolar Transistor ou, em português, Transistor Bipolar de Porta Isolada), que
chaveiam a tensão DC proveniente do circuito intermediário e geram uma
saída PWM para a carga, aproximando sua forma de onda à senoidal.
• Circuito de controle, onde são controlados os disparos dos pulsos que
acionam os IGBTs e geram as formas de ondas necessárias para o controle de
velocidade e torque dos motores, além de armazenar a parametrização do
inversor de frequência.
Os sistemas anteriores ao inversor não possibilitavam grande grau de precisão
no ajuste da velocidade e do torque, impedindo que as indústrias empregassem
processos produtivos eficazes e de qualidade. A evolução tecnológica em certos
processos e máquinas só foi possível pela utilização de inversores de frequência.
Os inversores de frequência são utilizados na indústria
para substituir equipamentos rústicos de variação de
velocidade, tais como variadores mecânicos por polias ou
engrenagens e os variadores hidráulicos, que tinham uma
forma muito ineficiente de controlar a velocidade além, é
claro, do grande espaço que era necessário nas máquinas e
processos para sua instalação.
VOCÊ
SABIA?

3.2.1 Principio de funcionamento
O funcionamento de um Inversor de Frequência consiste em receber uma
tensão alternada e retificar este sinal através de diodos, gerando uma tensão
contínua. Filtrar a tensão contínua resultante da retificação, e utilizar esta tensão
contínua filtrada como entrada do circuito de inversão, realizará a conversão em
alternada através do chaveamento de transistores. O chaveamento gerará uma
série de pulsos com largura controlada e variável (PWM). Ao aplicarmos esta
saída de tensão pulsada em um motor, a forma de onda resultante através do
enrolamento do motor será semelhante à forma senoidal de um circuito alternado.
R
Reticador Filtro Inversor
S
T
T1
T2
T3
T4
T5
T6
M
Figura 22 - Estrutura básica de um inversor de frequência
Fonte: Streicher; Olive, 2009
Podemos notar que a rede AC é retificada logo na entrada. Através de um
capacitor (filtro) forma-se um barramento de tensão contínua (barramento DC),
ou circuito intermediário. A tensão DC pode chegar a 380 VCC para redes trifásicas
de 220VCA e até 660 VCC para redes de 380VCA, e alimenta seis IGBTs (transistor
bipolar de gate isolado).
Os IGBTs são chaveados três a três, formando uma tensão alternada na saída
U, V e W defasadas de 120º elétricos, exatamente como a rede. A única diferença
é que, ao invés de uma senóide, temos uma forma de onda quadrada. Portanto, o
motor elétrico AC alimentado por um inversor tem em seus terminais uma onda
quadrada de tensão.
Conforme veremos, isso não afeta muita seu desempenho. Mas, como uma
tensão DC pode se tornar AC?
O funcionamento é simples: a tensão da rede é retificada e filtrada formando
um barramento DC. De um lado da ponte de transistores temos um polo positivo,
e do outro, um negativo. Imagine que a lógica de controle, representada agora
como apenas um bloco, envia pulsos de disparo aos transistores.

O circuito que comanda os IGBTs é o elemento responsável pela geração dos
pulsos de controle dos transistores de potência. Atuando sobre a taxa de variação
do chaveamento dos transistores, controlamos a tensão e a frequência do sinal
gerado. Isso permite ao conversor até ultrapassar a frequência da rede. O método
de modulação PWM (Pulse With Modulation) fornece ao motor uma corrente
senoidal a partir de chaveamentos na faixa de 2KHz.
Figura 23 - Modulação por PWM
Fonte: Franchi, 2008
3.2.2 Funções dos inversores
Ao projetar, especificar e instalar o acionamento de motores trifásicos é importante
analisar alguns pontos básicos para que o sistema atenda às expectativas de produção
e também otimize os investimentos a serem realizados para sua instalação e operação.
Dentre os pontos que devem ser observados, um que é importantíssimo de
ser avaliado é o ciclo de acionamento do motor X sua potência, pois, quanto
maior for a potência do motor, maior será o pico de corrente na partida. Se no
estudo preliminar do funcionamento do sistema for verificado que o motor
será acionando muitas vezes em um curto espaço de tempo, torna-se uma boa
opção a utilização de um inversor. Porém, temos que levar em consideração o
tempo de aceleração e desaceleração do conjunto: onde esses tempos forem
extremamente curtos, é mais recomendada a utilização de servomotores. Eles
conseguem acelerar e desacelerar rapidamente, independentemente da inércia
do conjunto mecânico no qual o motor está inserido. Por outro lado, caso o
ciclo de acionamento não seja elevado e apenas se queira reduzir o consumo
de corrente na partida, sem necessidade de controle de velocidade, será mais
indicada a utilização do acionamento através de soft-starter (partida suave), que
fará o controle na partida para otimizar o consumo neste momento.
Outro ponto importante é a utilização de acionamentos com inversores de
frequência para aumentar a eficiência energética por meio da regulagem da
velocidade do motor, possibilitando que o motor “trabalhe menos” nos momentos
em que o processo demanda menos do conjunto. Desta maneira, conseguiremos
atuar de maneira mais eficiente em termos de consumo de energia elétrica e mais
eficaz em termos do processo.

Antes de os inversores de frequência serem amplamente
difundidos, esta variação era feita através de polias ou
engrenagens e o motor funcionava a pleno de sua carga.
Também eram feitas restrições diretamente no processo,
como, por exemplo, em sistemas de ventilação e de ar-condicionado,
onde eram ajustadas a abertura de dampers
ou comportas e, assim como no caso anterior, os motores
também continuavam funcionando a plena carga.
VOCÊ
SABIA?
Também, podemos ter sistemas onde a precisão de posicionamento com tempos
de inércia pequenos seja muito importante e, nesse caso, o uso de servomotores
será o mais indicado. Por serem motores síncronos, eles conseguem acompanhar o
campo eletromagnético e obter melhores tempos de resposta aos controles.
FIQUE
ALERTA
Tenha cuidado ao fazer o posicionamento com um
conjunto inversor de frequência em motor assíncrono,
porque terá, desta forma, uma solução somente de
posicionamento, e não uma solução de posicionamento
com tempo de resposta baixo.
3.2.3 Escolha do inversor
Para a escolha do tipo de acionamento, é muito importante analisar o
trabalho que será realizado pelo motor, buscando identificar informações sobre
a necessidade de maior controle de velocidade e torque nas atividades que serão
realizadas pelo sistema.
A seguir, apresentamos algumas atividades que necessitam de maior controle
de velocidade e torque, que são:
• movimentação de esteiras;
• controle de dosagem e alimentação de matéria-prima;
• variação e controle de vazão ou de fluxo de sólidos, líquidos e gases;
• elevação e movimentação de objetos com pontes rolantes;
• controle de pressão em uma linha de processo ou, até mesmo, no controle
de nível de tanques, reservatórios ou vasos.
Nessas atividades, a utilização de inversores de frequência para acionar os
motores é uma excelente escolha, pois permite atuar sobre os motores e fazer
com que trabalhem em infinitas faixas de velocidade, possibilitando sua atuação
no atendimento aos pontos de ajustes desejados em cada processo determinado
por cada fabricante do equipamento, conforme a Figura 24.

Figura 24 - Diversos tipos de inversores conforme seu fabricante.
Fonte: WEG, 2012
Trazemos um exemplo simples da aplicação de inversores de frequência, onde
a atuação em cima da velocidade alcança o objetivo de controle de pressão; com
isso, é possível fazer analogias com diversos outros controles e sofisticá-los. No
transporte de materiais sobre uma esteira, existe a possibilidade de controlar a
velocidade da esteira, mas também de controlar o torque para que, mesmo em
baixas velocidades, ainda seja possível girar o motor e prover o sistema da força
necessária para movimentá-lo.
Em controles de dosagem é possível controlar a aceleração, a velocidade de
trabalho e a desaceleração para dosar a quantidade exata de material desejado,
seja a partir da medição do peso ou fluxo de matéria ou até mesmo conhecendo
quanto cada rotação do motor empurra de material.
Portanto, existem diversas aplicações e formas de utilizar um acionamento por
inversores de frequência. Para isso, é sempre importante analisar para que tipo
de trabalho o motor será utilizado, o ciclo de trabalho e os limites aceitáveis de
precisão e controle do sistema.
Não confunda soft-starter com inversor. Enquanto o inversor
é projetado para controlar a velocidade e o torque de um
motor ao longo de seu funcionamento, o soft-starter é capaz,
apenas, de controlar sua partida e frenagem. É por isso
que em motores menores que 3CV o custo de um inversor
é semelhante ao de um soft-starter, tendo a vantagem de
oferecer uma rampa de partida e frenagem. Para motores
maiores que 3CV, o inversor tem um custo muito maior
do que o soft-starter. A instalação de um soft-starter é
semelhante à de um contator, papel que exerce após a
rotação nominal do motor.
SAIBA
MAIS
3.2.4 Controle do Inversor de Frequência
Existem dois tipos de controle dos inversores de frequência disponíveis no
mercado, escalar e vetorial, e a diferença entre ambos está basicamente na curva
torque x rotação.

O inversor escalar, por ser uma função de V/F (tensão/frequência), não oferece
altos torques em baixas rotações, pois o torque é função direta da corrente de
alimentação. A curva V/F pode ser parametrizada no inversor escalar. Já o inversor
vetorial não possui uma curva parametrizada. Na verdade, essa curva varia de
acordo com a solicitação de torque; portanto, ele possui circuitos que variam a
tensão e a frequência do motor através do controle das correntes de magnetização
(IM) e do rotor (IR).
O inversor vetorial é indicado para torque elevado com baixa rotação, controle
preciso de velocidade e torque regulável, e o escalar é indicado para partidas
suaves, operação acima da velocidade nominal do motor e operação com
constantes reversões.
Inversor escalar
Em um inversor escalar (mais comum) variamos a velocidade do motor
utilizando a lei tensão/frequência (V/F) constante. Aproximadamente a velocidade
do motor é proporcional à V/F e o inversor proporcionará ao motor conjugados
(torque) pré-determinados, mas não compensará por necessidades de conjugados
especiais, principalmente em velocidades baixas. Nessas velocidades, o boost do
inversor pode ser configurado para compensar as perdas. Controles vetoriais são
do tipo de tensão e de fluxo.
Há alguns anos, o domínio da tecnologia escalar impedia, de certa forma,
uma visão mais abrangente dos processos de controle de velocidade-torque em
máquinas trifásicas de indução. Fazer um motor AC trifásico variar sua velocidade,
conforme a necessidade do processo, sem ter de se preocupar com os limites de
velocidade de um coletor nem com o desgaste de escovas ou os cuidados com o
campo de excitação já era um grande avanço. Quem já trabalhou com máquina
de corrente contínua conhece os problemas, como o disparo por falta de campo:
perdendo o campo em uma MCC, perdemos a referência de controle e acontece
o fenômeno denominado disparo, com perda de torque e aumento impulsivo da
velocidade do motor, levando-o, em alguns casos, à destruição. Daí a necessidade
de constante monitoramento sobre a corrente do campo de excitação. Mesmo
assim, em sistemas onde o controle de velocidade ocorre em uma faixa entre 10%
a 150% da velocidade nominal, aplicar inversor em modo escalar é a solução mais
viável quando consideramos desempenho e custo. O controle de velocidade,
mantendo o fluxo estatórico (V sobre f ou Volts/Hertz) ou ainda por observação de
escorregamento, tem a vantagem de fácil implementação e de constar na maior
parte dos produtos comercializados. Qualquer carga que possua patamar de
controle de torque constante para variação de velocidade, ou mesmo de funções
quadráticas, pode ser controlada via um inversor escalar.

São exemplos escalares:
• ventiladores,
• calandras,
• bombas e
• sequencial de motores.
O afinamento deste controle pode ser feito adotando-se a realimentação como
encoder, resolver e tacogerador (que serão abordados no capitulo 3), que atua na
malha de controle de velocidade, resultando em melhor controle do processo. Na
maior parte dos casos, a malha interna ou de controle de corrente (indiretamente
do torque) não é aplicada ao produto, mas um sistema de limitação de corrente.
Isso quer dizer que, na maioria das situações, os inversores escalares trabalham
com torque absoluto, ou constante em valor quase máximo, permitindo, ainda, a
possibilidade de boost de torque em momentos críticos, como na partida. Muitas
vezes, os valores de boost de torque são programáveis no inversor, delimitando
valores de tempo que podem chegar a alguns minutos de aplicação de sobre-torque,
com valores em torno de duas a três vezes o nominal.
Outro exemplo de aplicação de controle escalar se dá quando um mesmo
inversor atuará sobre vários motores. Resumindo: se sua aplicação não necessita
de variação rápida de aceleração (resposta dinâmica em até 5 m/s), variação de
velocidade em função da variação de carga, controle de torque com precisão de
até 10%, e se nunca tiver necessidade de torque em velocidade zero, associado
à vantagem de baixo custo e robustez do equipamento, então o problema se
resolverá com um inversor escalar. A melhora do desempenho será sentida na
utilização de malha de realimentação de velocidade. A possibilidade escalar
sensorless, neste caso, deverá ser pouco explorada devido ao desempenho pobre
da maior parte dos inversores na situação de carga e de variação dela.
Inversor vetorial
Controles vetoriais são do tipo de tensão e de fluxo. Nos controles vetoriais de tensão,
a tensão no motor é calculada pelo programa do inversor e compensa em parte os
conjugados no rotor. Uma das técnicas de fazer o controle vetorial de tensão é manter
o escorregamento constante. Este controle melhora a eficiência do motor, pois trabalha
com tensões menores quando o conjugado é menor do que o nominal, comparado
com inversores escalares. Os inversores com controle vetorial de fluxo mantêm o fluxo
magnético no motor constante. Diferente do controle vetorial de tensão em que o
conjugado é controlado pelo escorregamento, o campo é diretamente proporcional ao
conjugado no rotor. O controle vetorial é utilizado quando precisamos de um controle
maior e em malha fechada, com a utilização de encoders.

Com atuação sensorless é uma solução abrangente para o controle de
velocidade e torque de máquinas na maioria das vezes, senão todos os envolvidos
pela atuação de um inversor escalar. Resposta dinâmica rápida e precisão de
velocidade de até 0,5% tornam os equipamentos dotados dessa tecnologia muito
mais atraentes em suas aplicações. Na realidade, a única distinção entre um vetorial
sensorless e um com encoder (ou outro tipo de realimentação posicional) está na
malha fechada do sistema e na parametrização do inversor para sua utilização.
Em muitos casos, principalmente em retrofitagem de máquina, não é muito fácil
adequar um sensor de velocidade no eixo do motor ou outro por ele acionado;
em outros, o custo de cabos e sistemas gerais para realizar a realimentação pode
inviabilizar o projeto.
Os inversores vetoriais necessitam da programação de todos os parâmetros
do motor.
São exemplos vetoriais:
• resistências elétricas,
• indutâncias e
• correntes nominais do rotor e do estator.
Para facilitar o set-up, alguns inversores dispõem de sistemas de ajustes
automáticos também conhecidos como Auto-tunning, não sendo necessária a
pesquisa de dados sobre o motor.
A principal diferença entre os inversores escalares e os vetoriais deve-se à
capacidade dos inversores vetoriais de impor o torque necessário ao motor, de
forma precisa e rápida, permitindo uma elevada velocidade de resposta dinâmica
a variações bruscas de carga.
Os inversores escalares apresentam uma resposta dinâmica bem mais lenta,
demorando mais para reagir a qualquer alteração de velocidade ocorrida ou
solicitada. Na maior parte dos inversores hoje existentes no mercado, através da
setagem de simples parâmetros, conseguimos um elemento escalar ou vetorial,
com ou sem realimentação. Na Figura 25, a seguir, temos um comparativo entre
esses dois tipos de controles.
Comparação entre inversores Escalares e Vetoriais e demais acionamentos
Item Inversor
Escalar
Inversor Vetorial
sem GP com GP
Conversor
CC com TG
Servo
Sigma
Faixa de
velocidade
Regulação
de velocidade
40:1
Depende do
escorregamento
Resposta
dinâmica
Controle
de Torque
Torque em
velocidade zero
1 a 2 Hz
Não
Disponível
Não
Disponível
100:1 1000:1
0,2% 0,02%
5 Hz 30 Hz
Somente
limite Disponível Disponível Disponível
Não
Disponível
200 : 1
0,5%
15 Hz
Disponível Disponível Disponível
Restrito ao computador
5000 : 1
0,01 %
230 Hz

Curso torque x Rpm
Inversor Escalar
Torque
Variação da carga
Rpm
= ~
T
N
N
T
N
Inversor Vetorial de Fluxo
É necessário a queda da velocidade
para aumento do torque
Não existe redução de velocidade
para aumento do torque

Torque
Rpm
T
N
N O
T

Resposta Dinâmica
Inversor Escalar
Degrau de torque
solicitado pela carga
Torque produzido
Degrau de torque
solicitado pela carga
Torque produzido
t t
Transiente de torque
Inversor Vetorial de Fluxo
O motor é que vai buscar
o novo ponto de trabalho
Transiente desprezível
O inversor Vetorial controla diretamente
o torque no motor
Figura 25 - a) principais diferenças entre os Inversores Escalares e Vetoriais. - b) diferença entre torque e RPM -
c) diferença entre resposta dinâmica
Fonte: YASKAWA, 2012
3.2.5 Módulos do Inversor
Os inversores de frequência apresentam construções similare, independente
do fabricante ou do modelo. Basicamente, os inversores são constituídos por dois
módulos: o módulo de potência e o módulo de controle.
Modulo de potência
O módulo de potência é geralmente constituído por uma fonte retificadora,
um barramento DC e uma secção inversora. A Figura 26 mostra uma visão geral
do módulo de potência de um inversor de frequência.

Reticador
Motor
Entrada CA
Filtro Ponte inversora de IGBT
Reator do
link CC
Figura 26 - Módulo de potência
Fonte: Streicher; Olive, 2009.
A seguir, apresentaremos uma descrição de cada uma das partes principais do
módulo de potência:
a) Fonte retificadora: nos bornes L1, L2 e L3 são conectados os cabos de
alimentação externa. A alimentação é geralmente de 220Vac ou 380Vac (Volts
corrente alternada). No desenho anterior aparece a representação elétrica de seis
diodos. A figura seguinte representa a corrente elétrica de cada fase R S T, que
circula entre a entrada do inversor (alimentação do inversor) e os diodos da parte
retificadora do inversor.
Três fases
0
0
0
0
0
0 90 180 270 360
Figura 27 - Corrente elétrica de entrada
Fonte: Autor
Os diodos funcionam deixando passar apenas a parte positiva da corrente
elétrica das três fases, formando, assim, uma tensão de aproximadamente 500
Vdc (Volts corrente contínua) na entrada do barramento DC (link DC), conforme a
figura que representa o módulo de potência.
b) Barramento DC: A Figura 28 mostra a medição da corrente elétrica nas saídas
dos diodos. Ela indica que não existe mais a parte negativa da corrente elétrica;
isto é, a corrente deixou de ser alternada e passou a ser contínua.

Corrente no barramento DC
0 90 180 270 360
Figura 28 - Corrente no barramento DC
Fonte: Autor
Na Figura 26, que mostra a representação elétrica do módulo de potência,
existe um capacitor conectado na saída do barramento DC. Esse capacitor tem a
função de suavizar a variação de corrente elétrica no barramento DC, conforme é
possível visualizar na figura a seguir.
Corrente no barramento DC após o capacitor
0 90 180 270 360
Figura 29 - Corrente no barramento DC após capacitor
Fonte: Autor
c) Secção inversora: Na seção inversora, a tensão DC é convertida novamente
em tensão trifásica AC. Através do controle PWM (Controle por largura de pulso),
os IGBTs são acionados, isto é, são excitados ou chaveados várias vezes por ciclo.
O tempo em que o IGBT permanece acionado é sempre dado por uma função
senoidal. A onda senoidal é composta por um ciclo de 360 graus, conforme a figura
que segue. Após completar esse ciclo ela se repete, e assim por diante infinitamente.
V
0 180 360 T
Figura 30 - Onda senoidal
Fonte: Autor
Quando desejamos uma frequência de 5 Hz na saída do inversor de frequência,
dividimos 1 seg por 360 graus, sendo o resultado igual a 0.0027 seg/grau. É
importante considerar que cinco Hz significam cinco ciclos de 360 graus em
um segundo. Assim, como desejamos obter cinco Hz na saída do inversor, será
necessário dividir 0.0027 seg/grau por cinco. Logo, teremos 0,00055 seg/grau
para ter, na saída do inversor, uma frequência de 5Hz.

Mas, o que quer dizer 0,00055 seg/grau? O número 0.00055 seg/grau
corresponde ao tempo máximo em que o IGBT pode ficar acionado em cada grau.
Consequentemente, esse valor será uma constante que será multiplicada pelo
valor do módulo seno do ângulo que está sendo considerado no momento. A
cada 0.00055s o valor do grau é incrementado em uma unidade até chegar em
360 graus. Quando o valor mudar de 360 para 361 ele é zerado novamente, e o
ciclo recomeçará.
A figura que segue mostra o funcionamento do PWM. A multiplicação da
constante 0.00055 seg/grau vezes o seno do ângulo considerado indica o
percentual de tempo em que o PWM ficará ativo em cada grau. Por exemplo, se
o ângulo atual for 45º, o seno de 45º será igual a 0.7; isto é, o IGBT deverá ficar
70% do tempo acionado e 30% do tempo desligado, quando no grau 45. Logo,
durante o grau 45 o IGBT ficará 0.000385 seg ligado (0.00055 seg/grau x 0.70
tempo ligado) e 0.000165 de seu tempo desligado. Conforme o tempo passa, os
graus irão aumentando. Quando o grau atual for igual a 90º, teremos o tempo
máximo; isto é, o IGBT ficará acionado 100% de seu tempo durante o grau atual.
Então, conforme se modifica o grau (tempo decorrido), a onda senoidal vai se
formando na saída do inversor de frequência.
45 graus
Tempo Ligado
Tempo desligado
Figura 31 - Modulação PWM
Fonte: Autor
Nesse exato momento, o inversor terá apenas uma onda senoidal, mas serão
necessárias três ondas senoidais para movimentar um motor trifásico assíncrono,
e cada onda senoidal deverá ser defasada em 120 graus em relação à anterior.
Então, quando a onda senoidal A estiver com 120º, a onda senoidal B deverá estar
com 0º grau, e a onda senoidal C com 240º.
O PWM apenas modula a largura do pulso de tensão a ser liberado na saída
do inversor. Ele não inverte a corrente elétrica. Então, é necessário fazer o
chaveamento dos IGBTs de forma que eles invertam o sentido da corrente elétrica
conforme o ângulo de disparo.
A seguir será apresentado um exemplo de chaveamento dos IGBTs de um
circuito monofásico.

M
1
Lógica de controle
+
~
Rede
A B
-
T
T
T
T
Figura 32 - Chaveamento dos IGBTs
Fonte: FAATESP, 2012.
A Figura 32 mostra a estrutura de um inversor monofásico. Assim como o
inversor trifásico, o inversor monofásico apresenta módulo de retificação e
filtragem e barramento DC que, por sua vez, alimenta os transistores IGBTs.
Para conseguir uma tensão cuja forma se pareça com uma onda senoidal, é
necessário o acionamento dos IGBTs de maneira coordenada 2 a 2. Quando
o ângulo atual estiver entre 0º e 180º, os transistores IGBTs T1 e T4 deverão ser
acionados, conforme o sinal PWM, e os transistores T3 e T2 deverão permanecer
desenergizados. Dessa maneira, a corrente elétrica circulará do polo A para o polo
B do motor, conforme a Figura 33.
T
T
T
T
+
-
1
M
A B
Figura 33 - Corrente elétrica no sentido A-B nos IGBTs de um inversor monofásico
Fonte: FAATESP, 2012
Quando o ângulo de disparo estiver entre 180º e 360º, os transistores T3 e T2
deverão ser energizados, conforme o sinal PWM, e os transistores T1 e T4 deverão
permanecer desenergizados. Assim, a corrente passará pelo motor no sentido de
B para A, conforme a Figura 34.
T
T
T
T
+
-
2
M
A B
Figura 34 - Corrente elétrica no sentido B-A nos IGBTs de um inversor monofásico

Como resultado de chaveamento dos IQBTs e da modulação PWM de maneira
sincronizada, a tensão de saída do inversor de frequência apresentará uma forma
senoidal conforme a Figura 35.
45 graus
Tempo Ligado
Tempo desligado
Figura 35 - Tensão de saída de um inversor monofásico
Fonte: Autor
O inversor trifásico é constituído por seis IGBTs. Para disponibilizar a tensão de
forma senoidal e trifásica na saída do inversor, os IGBTs devem ser acionados de
forma sincronizada com a modulação PWM. O acionamento de cada fase deve
ser defasado 120° uma das outras. O acionamento dos IGBTs no inversor trifásico
deve ser realizado três a três. Como temos seis transistores e devemos ligá-los
três a três, teremos oito combinações possíveis, porém apenas seis combinações
serão válidas. A figura a seguir mostra o acionamento dos IGBTs T1, T3 e T2. Nesse
momento, o IGBT T1 atua conforme a modulação PWM da fase A, o T3 da fase B e
o T2 fica 100% de seu tempo ligado.
T
T
T
T
T
T
R M
+
2
- V
2
T
S
34
V
0 V
Figura 36 - Corrente elétrica no sentido B-A nos IGBTs de um inversor monofásico
Os IGBTs que estão conectados a uma mesma fase do motor não podem ser
acionados simultaneamente. Exemplo: T1 e T4, T3 e T6, T5 e T2.

Módulo de controle
O módulo de controle é composto basicamente pela CPU, por blocos de
interface digital e blocos de interface analógica, por uma interface de comunicação
RS232/ RS485 e por um módulo de interface homem máquina. Veja a Figura 37.
RS - 485
C
U P
Conv
RS
T
UNIDADE
DE
CONTROLE
P
WM
IGBT
U V W
M
3
UNIDADE DE
Interface POTÊNCIA
Serial
0 - 10 Voc
(10 -20 nA)
Analógico
E,S
Digital
A’D CXA
E,S
Digital
IHM
(REDE)
Figura 37 - Modulo de controle de um inversor de frequência
Fonte: Lenz , S/D
O módulo de controle recebe sinais de entrada digitais, analógicas ou Bus,
de onde são retiradas informações como: momento em que deve ocorrer a
partida e a parada do inversor, sentido de giro do motor (horário, anti-horário),
valor de referência (velocidade em que o motor deve girar em Hz), parâmetros,
como rampas de aceleração, desaceleração, tensão máxima e outros dados. A
partir dessas informações de entrada, a CPU executa os cálculos, como explicado
anteriormente, para identificar o percentual de tempo que o PWM deverá
permanecer ligado ou desligado em cada grau. É a CPU que controla quando
cada IBGT deve ser acionado ou não.
No módulo de controle dos inversores existem interfaces, e nelas ocorre a
troca de informações entre o operador e a CPU. Essas interfaces são os blocos
de entradas e saídas digitais, conhecidas com IO, os blocos de entradas e saídas
analógicas, a porta de comunicação serial e a porta de comunicação com a IHM
ou a HMI (Interface Homem máquina ou Human Machine Interface). Quando
conectados ao inversor, os acessórios são automaticamente configurados,
garantindo mais rapidez e simplicidade. Veja a figura.

1
2
4
3
5
1) Solt 5 - Módulo de
memória FLASH incorporado
(1MB)
2) Slot 1 - Expansão de I/Os
(entradas e saídas)
3) Solt 2 -Interface de
encoder
4) Solt 3 - Comunicação 1:
DeviceNet, CANopen, RS-
232C e RS-485
5) Solt 4 - Comunicação:2
probus, DeviceNet, RS-
232, RS-485 e EtherNet/IP
Figura 38 - Módulos do inversor
Fonte: WEG, 2012
A seguir, apresentamos a descrição das principais interfaces do módulo de
controle:
a) Blocos de interface analógica: Os inversores mais simples são geralmente
comandados por dois tipos de sinais, os sinais analógicos e os digitais. Normalmente,
quando desejamos controlar a rotação de um motor AC, utilizamos uma tensão
analógica para indicar a rotação de referência. Na maioria das vezes, a tensão é de
0 a 10 Vcc. A velocidade de rotação na saída do inversor será proporcional ao valor
de tensão referente à entrada analógica. Por exemplo: 10 Vcc na entrada analógica
corresponderão a 60Hz na saída do inversor. Logo, quando o potenciômetro, isto
é, o equipamento divisor de tensão estiver em 50%, a entrada analógica terá 5Vcc
e o inversor terá uma frequência de 30Hz.
b) Blocos de interface digital: Estes blocos possuem funções pré-definidas.
As funções básicas para a maioria dos inversores de frequência são as funções
de parada e partida, o sentido de giro e a emergência, conhecida como habilita
inversor. Quando o inversor estiver devidamente alimentado e o motor estiver
conectado corretamente em sua saída, nos bornes U,V,W, a entrada analógica
estará com uma tensão de 5Vcc. Nestas condições, o motor deveria estar girando
a uma frequência de 30Hz, mas ele estará parado. Provavelmente isso estará
ocorrendo por falta energização dos bornes “habilita inversor” e “partir inversor”
com uma tensão de 24Vcc (verificar manual do fabricante).

c) Porta de comunicação serial: Alguns inversores possuem portas de
comunicação serial, que podem ser do tipo RS232 ou RS485. Através da utilização da
IHM ou de algum software de parametrização do inversor de frequência, é possível
configurar essa porta de comunicação e o protocolo que será utilizado por ela.
O protocolo mais comum é o protocolo Modbus. Geralmente, os inversores
de frequência são escravos modbus, isto é, eles esperam que o mestre modbus,
geralmente um CLP, informe qual tarefa devem realizar. A vantagem de utilizar
uma porta de comunicação RS232 ou RS485 é que a informação chega de
maneira precisa. Um exemplo típico disso é o sinal de referência de velocidade
do inversor. Muitas vezes é utilizado o sinal de referência via entrada analógica,
porém, devido a ruídos e/ou ao casamento incompatível de impedâncias entre
a saída analógica do CLP e a entrada analógica do inversor, ocorrem oscilações
no sinal de referência. Isto é, quando a tensão de referência é de 5Vcc, devemos
ter 30Hz na saída do inversor. Como existem ruídos, o inversor ficará oscilando
sua frequência entre 28Hz e 32Hz. Quando a informação de referência é enviada
via comunicação serial, esse valor não sofre interferência e, consequentemente, o
inversor consegue manter sua frequência conforme o valor de referência.
d) Interface Homem Máquina: A IHM é um display que possui alguns botões
de navegação. Através da utilização dos botões, podemos acessar e modificar
os parâmetros internos do inversor de frequência, como: potência máxima do
motor, corrente máxima, tempos de rampas, configuração das entradas digitais,
configurações da porta de comunicação etc. Veja a imagem a seguir.
Tecla soft key esquerda:
função denida pelo display
Tecla soft key direita:
função denida pelo display
Figura 39 - Interface do inversor
Fonte: WEG, 2012
3.2.6 Controle de posicionamento dos inversores
Como citado anteriormente, hoje são muito utilizados nas indústrias os
motores de corrente alternada assíncronos e síncronos (servomotores), desde
aplicações simples que não exigem muito controle, como o acionamento de uma
esteira, em compressores de ar e/ou água, em ventiladores, em furadeiras etc. No
entanto, existem aplicações mais complexas, como o controle de posicionamento
angular de uma mesa rotativa e o controle de movimentação de braços robóticos,
que exigem precisão e dinâmica mais apuradas.

Para desenvolver o projeto e o controle de uma mesa rotativa, é necessário
entender seu funcionamento. As mesas rotativas são geralmente utilizadas em
máquinas ferramentas para a fixação de peças de metal que serão usinadas,
furadas etc. Veja a figura a seguir.
Figura 40 - Mesa rotativa
Fonte: SHERLINE, 2012
Observe que na Figura 40 é possível visualizar a existência de um conjunto de
engrenagens que ligam a manivela até a superfície da mesa. Conforme o operador gira
a manivela, a mesa executa um movimento giratório. Exemplo: para uma determinada
mesa, cada dez giros na manivela correspondem ao giro de um grau na mesa.
Quando desejamos fazer o controle de posicionamento (automação) da mesa,
substituímos a manivela por um motor elétrico e acoplamos um encoder ao eixo
central da mesa. Fazendo uma analogia com o corpo humano, para ficar mais simples,
o encoder é um sensor que funciona como se fossem os olhos, indicando a posição
angular em que está posicionada a mesa rotativa. O conjunto motor-inversor de
frequência é o atuador; ele funciona como se fossem as mãos girando a manivela. Mas
está faltando uma parte de corpo muito importante, o cérebro. Nele são tomadas as
decisões de controle. Nesse exemplo, o CLP fará o papel do cérebro e é um exemplo
básico da arquitetura de automação para o controle de posicionamento de uma mesa
rotativa utilizando um motor assíncrono e um inversor de frequência. Veja a Figura 41.
P
Alimentação trifásica
IHM
CLP com
- Entradas digitais
- Entradas analógicas
- Saídas digitais
- Saídas analógicas
- Modulo de leitura para enconder
- Modulo de comunicação para IHM
Sinal analógico para de controle
Cabo do encoder de velocidade do motor (0-10Vdc)
Motor assincrono
Cabo de alimentação do motor
Inversor
escalar
Mesa Rotativa
Figura 41 - Arquitetura de automação para controle de uma mesa rotatória com inversor
Fonte: Autor

Para controlar o giro da mesa, o CLP deve controlar a velocidade de giro do
motor, bem como o sentido de giro. Geralmente, para executar este tipo de
controle é utilizado um controle do tipo PID. O PID é um bloco de controle que
é inserido dentro da lógica de programação do CLP. Para fazer um controle PID
funcionar corretamente, são necessários pelo menos oito sinais básicos, que são:
o set point, a variável de processo (sensor, nesse caso o encoder), a variável de
controle (saída do PID), os ganhos Kp, Ki e Kd e os limite máximo e mínimo de
atuação do PID. Veja a Figura 42.
EN
PID
PID
Sensor (encoder) Var.controle
SET_POINT
KP
TN
TV
Y_MANUAL
Y_OFFSET
Y_MIN
MANUAL
RESET
SET_POINT
Kp
K
Kd
Var Processo
LIMITS_ACTIVE
OVERFLOW
Saída analógica 0-10v para
de frequência
Figura 42 - Controlador
Fonte: Autor
A Figura 42 mostra um bloco PID inserido em uma lógica do CLP. O bloco
PID funciona da seguinte maneira: Considera-se que uma mesa rotativa
possui como condições iniciais sua posição angular igual a 0º e o set point
também em 0º. Logo, como a mesa está posicionada exatamente sobre o
valor desejado, o set point, não ocorrerá movimentação alguma. Agora, se o
operador quiser que a mesa se desloque para a posição 45º, deverá mudar
o set point para 45º. O PID entende que 45º é diferente de 0º, e então são
enviados dois sinais digitais e um analógico (0-10Vcc) do CLP para o inversor
de frequência indicando a ele que deve começar a se movimentar, para qual
sentido deve se movimentar e com qual velocidade o motor deverá girar.
Quando a mesa estiver se aproximando da posição angular de 45º, o PID
identificará e, consequentemente, o sinal analógico começará a diminuir de
amplitude até parar o motor na posição angular correta, 45º.
A seguir é apresentado um gráfico mostrando a variação angular da mesa
rotativa da posição 0º para 45º em função do tempo.

Graus
45
0
100 Tempo (s)
Set point (0)
Set point (45)
Posição angular
da mesa rotativa
Figura 43 - Set point
Fonte: Autor
O controle de posicionamento do giro da mesa pode ser feito de duas maneiras,
utilizando inversores ou servodrivers (veja na Figura 44). Quando escolhida a
utilização de motores assíncronos para realizar o giro da mesa, é obrigatório o uso
de inversores de frequência. No caso de ser escolhido o servomotor, é necessário o
uso de servodriver. Lembramos que os servomotores são utilizados para sistemas
que necessitam de uma dinâmica rápida, ou seja, em sistemas que exigem altas
acelerações e desacelerações.
Alimentação trifásica
Cabo de potência
Servo Motor AC
Mesa Rotativa
Servo Drive
Sinal do encoder do motor
Sinal do encoder da mesa rotativa
Figura 44 - Arquitetura de automação para controle de uma mesa rotatória com servodriver
Fonte: Autor
A seguir, são apresentados dois gráficos: o primeiro mostra a variação angular
da mesa em função do tempo utilizando um acionamento por inversor de
frequência, enquanto o segundo mostra a variação angular da mesa rotativa
utilizando o acionamento por um servodriver.

Graus
45
0
1 2 Tempo (s)
Set point (0)
Set point (45)
Posição angular
da mesa rotativa
Graus
45
0
1 2 Tempo (s)
Set point (0)
Set point (45)
Posição angular
da mesa rotativa
Resposta do sistema de controle utilizando
um inversor de frequencia e um motor assincrono
Resposta do sistema de controle utilizando
um servo-drive e um servo-motor
Figura 45 - Comparativo entre inversor e servodriver
Fonte: Autor
Na Figura 45 é possível observar que o tempo de resposta do sistema com
servodriver e servomotor atinge a posição num tempo muito mais curto. Trabalhos
realizados por integradores e pelos próprios fornecedores de equipamentos
recomendam a utilização de servomotores e servodrivers para controle de
movimento de mesas rotativas, braços robotizados e qualquer máquina que exija
movimentação rápida e precisa de cargas elevadas.
CASOS E RELATOS
Uma empresa deseja fabricar uma peça cilíndrica de latão e nessa peça devem ser
feitos oito furos. Cada furo deve ter diâmetro de 10 mm, e eles devem ser distribuídos
proporcionalmente em 360º. A distância entre o centro da pastilha e o de cada furo
deve ser de 100 mm. Para realizar um trabalho como este, uma furadeira de bancada
deve ser posicionada a 100 mm do centro da mesas rotativa. Em seguida, a pastilha
cilíndrica é fixada de forma que seu centro fique alinhado com o centro da mesa. Com
a broca correta fixada na furadeira, ela deve ser ligada. A furadeira ligada começa a se
deslocar no sentido vertical até que a broca fure a peça a ser usinada. Para executar
o segundo furo, a furadeira retorna para sua posição inicial e, em seguida, a manivela
da mesa rotativa é girada “X” voltas até que a peça realize um giro de 45º. A furadeira
começa a se deslocar novamente no sentido vertical para executar o segundo furo. O
ciclo avançar a furadeira, fazer furo, recuar furadeira e girar mesa 45º deve ser realizado
oito vezes para cada peça. Se a empresa tiver que fazer apenas uma peça, servirá uma
máquina convencional, mas se tiver que fazer 1.000.000 de peças, é interessante
automatizar esse sistema.

3.3 Parametrização de Drivers
Para que um driver (inversor, soft-starter etc.) funcione corretamente,
não basta somente instalá-lo; é preciso informar a ele suas condições de
trabalho para a operação, ou seja, sua parametrização. Quanto maior for o
número de recursos que o driver oferece, maior será o número de parâmetros
disponíveis.
A seguir, apresentamos os principais parâmetros utilizados:
a) Frequência máxima de saída: este parâmetro determina a velocidade
máxima do motor.
b) Frequência mínima de saída: este parâmetro determina a velocidade mínima
do motor.
c) Frequência de JOG: a tecla JOG é um recurso que faz o motor girar em
velocidade baixa, facilitando o posicionamento de peças antes de a máquina
funcionar em seu regime normal.
d) Tempo de partida (“rampa de subida”): este parâmetro indica em
quanto tempo desejamos que o motor chegue à velocidade programada,
estando ele parado. Caso o motor esteja conectado mecanicamente a
cargas pesadas (como, por exemplo, placas de tornos com peças grandes,
guindastes etc.), uma partida muito rápida poderá “desarmar” disjuntores de
proteção do sistema. Isso ocorre porque o pico de corrente, necessário para
vencer a inércia do motor, será muito alto. Portanto, este parâmetro deve
respeitar a massa da carga e o limite de corrente do inversor, como mostra
a Figura 46.
n (desejada)
Tempo
Rotação (velocidade)
t (p005)
Figura 46 - Gráfico do parâmetro 5 do inversor – tempo de partida
Fonte: MATIAS, 2002
e) Tempo de parada (rampa de descida): o inversor pode produzir uma
parada gradativa do motor. Esta facilidade pode ser parametrizada e, como
a anterior, deve levar em consideração a massa (inércia) da carga acoplada,
como mostra a Figura 47.

n (desejada)
Tempo
Rotação (velocidade)
t (p005)
Figura 47 - Gráfico do parâmetro 5 do inversor – tempo de parada
Fonte: MATIAS, 2002
f ) Tipo de frenagem: em um motor CA, quando submetemos seus enrolamentos
a uma tensão CC, o rotor para imediatamente (“estanca”) como se uma trava
mecânica atuasse em seu eixo. Portanto, devemos pensar muito bem se é assim
mesmo que desejamos a parada da máquina. Normalmente, este recurso é
utilizado para cargas mecânicas pequenas (leves) e que necessitam de resposta
rápida, como, por exemplo, eixos das máquinas - ferramentas.
g) Liberação de alteração de parâmetros: este parâmetro é uma proteção contra
curiosos. Para impedir que alguém, inadvertidamente, altere algum parâmetro da
máquina, utilizamos um parâmetro específico como proteção.
h) Tipo de entrada: pode ser uma entrada analógica (0 - 10Vcc) ou digital. Indica
como controlar a velocidade do motor.
i) Frequência de PWM: este parâmetro determina a frequência de PWM do
driver. Para evitar perdas no motor e EMI, quanto menor for esta frequência,
melhor. O único inconveniente de parametrizar o PWM com frequências baixas
é a geração de ruídos sonoros, isto é, a máquina fica mais barulhenta. Portanto,
devemos fazer uma análise crítica das condições gerais do ambiente de trabalho
antes de optar pelo melhor PWM.
j) Pulso de tensão de partida: alguns drivers possuem uma função chamada
pulso de tensão de partida (kick start) com um valor ajustável. É aplicado em
cargas de elevada inércia que, no momento da partida, exigem um esforço extra
no acionamento em função do alto conjugado. O valor desta tensão deverá ser o
suficiente para obtermos um conjugado que possa vencer o conjugado resistente
da carga.
Neste caso, deve ser aplicada uma tensão maior do que a tensão da rampa
(75 a 90% da tensão total do motor), em um curto intervalo de tempo (100
a 300ms), dependendo do tipo de carga a ser utilizado. Essa função deve ser
utilizada somente quando necessário, pois, ao habilitá-la, não ocorre a atuação da
limitação de corrente de partida. Assim, o motor poderá sofrer elevadas quedas
de tensão durante o período ajustado para o pulso de tensão. A Figura 48 mostra
esta função.

Tensão
Ajuste
Tempo
Nom U
k U
p U
Figura 48 - Função pulso de partida
Fonte: Franchi, 2008
k) Limitação de corrente: esta função é utilizada quando a carga apresenta
uma inércia elevada, porque faz o sistema rede/soft-starter fornecer ao motor
somente a corrente necessária para que seja executada a aceleração da
carga, garantindo um acionamento suave. A limitação da corrente também é
utilizada na partida de motores cuja carga apresenta um valor mais elevado
de momento de inércia.
l) Proteções: a utilização do soft-starter não fica restrita à partida de motores
assíncronos, pois as proteções também podem garantir ao motor toda a ajuda
necessária. Assim, quando uma proteção atua, aparece uma mensagem de erro
para visualização do usuário.
m) Sobrecorrente imediata na saída: ajusta o máximo valor de corrente que
o driver permite conduzir para o motor por período de tempo pré-ajustado,
conforme a Figura 49.
Ajuste
Corrente
Tempo
Soc I
Nom I
Figura 49 - Sobrecorrente imediata na saída
n) Subcorrente imediata: ajusta o mínimo valor de corrente que o driver
permite conduzir para o motor por período de tempo pré-ajustado. Esta função
é utilizada para a proteção de cargas que não possam operar em vazio, como
sistemas de bombeamento. Veja na Figura 50.

Ajuste
Corrente
Tempo
Nom I
Soc I
Figura 50 - Subcorrente imediata
Além dos parâmetros descritos acima, o driver possui diversas proteções,
dependendo do fabricante do equipamento, como:
a) Economia de energia elétrica – Quando o motor opera em carga reduzida,
opera consequentemente com baixo fator de potência. O driver tem uma
função para otimizar o ponto operacional do motor, minimizando as perdas de
potência reativa e fornecendo apenas a potência ativa requerida pela carga, o
que caracteriza um procedimento de economia de energia elétrica. Esta função
é aplicada com vantagens em situações em que o motor funciona a vazio por
um longo período. Isso é feito com a redução da tensão fornecida nos terminais
do motor durante o tempo em que desenvolve sua operação em carga reduzida
ou a vazio. Assim, obtemos uma economia de energia entre 5 e 40% da potência
nominal, conforme a aplicação, porém, sob tensão nominal, para uma carga no
eixo de apenas 10% da potência nominal.
FIQUE
ALERTA
Na prática, só faz sentido ativar a função de economia de
energia quando a carga for menor do que 50% da carga
nominal e durante um período de operação superior a 50%
do tempo de funcionamento do motor.
b) Parâmetros de leitura – São as variáveis que podem ser visualizadas no
display, mas não podem ser alteradas pelo usuário, como tensão %, corrente %,
potência ativa etc.
c) Parâmetros de regulação – São os valores ajustáveis a serem utilizados pelas
funções do soft-starter, como tensão inicial, tempo de rampa de aceleração e
desaceleração etc.
d) Parâmetros de configuração – Definem as características do soft-starter, as
funções a serem executadas e as entradas e saídas, com parâmetros dos relés de
saída, entradas do soft-starter.
e) Parâmetros do motor – Definem as características nominais do motor, como
ajuste da corrente do motor e fator de serviço.

Importante! Existe um parâmetro que carrega as configurações originais de
fábrica. Os parâmetros são escolhidos de modo a atender o maior número de
aplicações, reduzindo ao máximo a necessidade de reprogramação durante a
colocação em funcionamento.
CASOS E RELATOS
Tomamos o controle da pressão de um fluido líquido no interior de uma tubulação
para exemplificar. Teremos, portanto, o seguinte processo: bombeamento de água
tratada para abastecimento de residências, onde o sistema terá um conjunto moto-bomba
recebendo água de um reservatório à montante da bomba e bombeando
a água para a rede hidráulica. O sistema fará a medição da pressão de recalque à
jusante da bomba; a bomba será acionada por um inversor de frequência e o sistema
comandará o inversor para que, de acordo com a velocidade da bomba, atinja o valor
de set point de pressão de recalque desejado, conforme aumenta o consumo de água
nas residências, seja para abastecer suas caixas d’água ou pela abertura de torneiras.
A pressão da rede diminuirá e o sensor transmitirá constantemente esta referência
para o sistema. Este, por sua vez, verificará se a pressão está abaixo do set point e,
caso positivo, aumentará a velocidade do motor através do inversor de frequência
até atingir a pressão desejada. Ocorrendo o contrário, o consumo na rede hidráulica
diminui e a pressão da rede hidráulica sobe. Percebendo isto, o sistema novamente
comparará com o set point e, caso a pressão esteja acima deste parâmetro, enviará
um comando ao inversor de frequência para que a velocidade diminua, fazendo este
controle constantemente.
Recapitulando
Neste capítulo aprendemos o funcionamento da chave eletrônica (soft
starter) em conjunto com o motor elétrico, garantindo sua durabilidade. Vimos
suas principais características de funcionamento e alguns de seus principais
parâmetros de configuração. Estudamos também os inversores de frequência,
que são componentes que variam a frequência elétrica, possibilitando o controle
de velocidade do motor elétrico. Vimos os principais parâmetros de configuração.
Finalizando, aprendemos a comparação desses sistemas com outras ligações e
observamos que eles possuem vantagens e desvantagens, de acordo com sua
utilização.

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