Como funciona um inversor de frequência? Um guia prático sobre inversores de frequência

O que é um VFD?

Por que a velocidade do motor depende da frequência

Para um motor de indução CA, a velocidade síncrona é calculada com esta fórmula:

Velocidade síncrona (RPM) = (120 x frequência) / número de pólos

Por exemplo, um motor de 4 pólos possui as seguintes velocidades síncronas:

Frequência de fornecimento	Velocidade síncrona
10 Hz	300 RPM
25 Hz	750 RPM
50 Hz	1.500 RPM
60 Hz	1.800 RPM

Um motor de indução normalmente funciona a uma velocidade ligeiramente inferior à velocidade síncrona devido ao deslizamento. No entanto, a fórmula ainda mostra a relação principal: quando a frequência muda, a velocidade do motor muda.

Uma rede elétrica padrão fornece uma frequência fixa. Em muitos países, essa frequência é de 50 Hz; em outros, é de 60 Hz. Sem um inversor de frequência (VFD), o motor geralmente funciona próximo a uma velocidade fixa. Com um VFD, o inversor gera uma nova frequência de saída, permitindo que a velocidade do motor se adapte à demanda real do processo.

Como funciona um inversor de frequência?

Um inversor funciona por meio de três etapas principais de conversão de energia:

1. Retificador: Converte a energia CA recebida em energia CC.
2. Barramento CC: Suaviza e armazena a energia CC convertida.
3. Inversor: Converte energia CC em energia CA de frequência ajustável.

Alimentação CA -> Retificador -> Barramento CC -> Inversor -> Saída CA de frequência variável -> Motor

Etapa 1: O retificador converte corrente alternada (CA) em corrente contínua (CC)

A primeira seção de um VFD é a retificador. Ele recebe energia CA de frequência fixa da rede elétrica, como 220 V monofásico, 380 V trifásico, 400 V trifásico ou 480 V trifásico, dependendo do modelo do inversor e da região.

O retificador utiliza componentes eletrônicos de potência, tais como:

• Diodos
• Tiristores
• IGBTs de front-end ativos em acionamentos avançados

Sua função é converter energia elétrica CA em energia elétrica CC. Após a retificação, a tensão deixa de ser uma onda sinusoidal CA. Passa a ser corrente contínua pulsante.

Nesse ponto, a frequência original da rede elétrica já não controla diretamente o motor. O inversor converteu a energia de entrada em uma forma intermediária de corrente contínua que pode ser processada pelo estágio seguinte.

Etapa 2: O barramento de corrente contínua suaviza e armazena energia

Etapa 3: O inversor gera uma saída CA de frequência variável

O inversor é o estágio de saída do inversor de frequência (VFD). Ele converte a tensão do barramento de corrente contínua (CC) de volta em energia alternada (CA), mas agora a frequência e a tensão são controladas pelo inversor.

Os inversores de frequência modernos geralmente utilizam interruptores semicondutores de alta velocidade, tais como:

• IGBTs para a maioria dos acionamentos industriais
• MOSFETs em alguns acionamentos pequenos ou de baixa tensão
• Dispositivos de SiC ou GaN em alguns projetos de alta eficiência ou alta frequência

Esses interruptores ligam e desligam milhares de vezes por segundo. Ao controlar o tempo e a largura de cada pulso, o inversor de frequência (VFD) gera uma forma de onda de saída à qual o motor responde como energia CA na frequência desejada.

Por exemplo:

Frequência de saída do VFD	Comportamento motor aproximado
5 Hz	Velocidade muito baixa
20 Hz	Baixa velocidade
35 Hz	Velocidade média
50 Hz	Velocidade nominal em sistemas de 50 Hz
60 Hz	Velocidade nominal em sistemas de 60 Hz ou excesso de velocidade em algumas aplicações

É assim que um inversor de frequência (VFD) controla a velocidade do motor sem utilizar engrenagens, válvulas de regulação, amortecedores ou dispositivos mecânicos de controle de velocidade.

Como funciona o PWM em um inversor de frequência

A maioria dos inversores de frequência modernos utiliza Modulação por Largura de Pulso (PWM) para criar a forma de onda de saída.

A PWM não gera diretamente uma onda senoidal perfeitamente suave. Em vez disso, ela produz uma rápida sequência de pulsos de tensão. A largura de cada pulso varia de acordo com a forma de onda de saída desejada.

O enrolamento do motor possui indutância; por isso, ele suaviza naturalmente os pulsos de alta velocidade, transformando-os em uma forma de onda de corrente suficientemente próxima da sinusoidal para o funcionamento do motor.

O PWM permite que o VFD controle:

• Frequência de saída
• Tensão de saída
• Corrente do motor
• Aceleração e desaceleração
• Resposta de torque
• Sentido de rotação

Por que um inversor (VFD) altera tanto a tensão quanto a frequência

Um inversor de frequência (VFD) não se limita a alterar a frequência. Ele também ajusta a tensão, pois o fluxo magnético do motor depende da relação entre tensão e frequência.

Essa relação é chamada de Relação V/F.

Se a frequência for reduzida, mas a tensão permanecer muito alta, o motor pode sofrer um excesso de fluxo, levando ao superaquecimento e a um funcionamento ineficiente. Se a frequência for reduzida, mas a tensão estiver muito baixa, o motor pode não produzir torque suficiente.

No controle básico de V/F, o inversor reduz a tensão à medida que a frequência diminui.

Exemplo para um motor de 400 V, 50 Hz:

Frequência	Tensão de saída aproximada
50 Hz	400 V
40 Hz	320 V
30 Hz	240 V
20 Hz	160 V
10 Hz	80 V

Manter uma relação V/F adequada ajuda o motor a manter um fluxo magnético estável e um torque previsível.

Em aplicações reais, a curva V/F pode ser ajustada de acordo com a carga. Bombas e ventiladores costumam utilizar uma curva diferente daquela usada para cargas de torque constante, como transportadores, misturadores e guindastes.

Principais componentes internos de um inversor de frequência

Um inversor de frequência moderno contém tanto componentes eletrônicos de potência quanto componentes eletrônicos de controle.

Componente	Função
Retificador	Converte a energia CA recebida em energia CC
Capacitores do barramento CC	Suavizar e armazenar energia CC
Indutor de corrente contínua ou reator de linha	Reduz a ondulação e os harmônicos em alguns projetos
Módulo inversor	Converte energia CC em saída CA controlada
IGBTs ou interruptores de potência	Alterne rapidamente a tensão CC para gerar uma saída PWM
Placa de controle	Executa algoritmos de controle do motor e lógica de proteção
Placa controladora de porta	Envia sinais de comutação aos dispositivos de potência
Ventilador de resfriamento ou dissipador de calor	Retira o calor dos componentes de potência
Circuito de frenagem	Dissipa energia regenerativa quando necessário
Circuitos de proteção	Detectar sobrecorrente, sobretensão, superaquecimento, perda de fase e falhas de aterramento
Teclado ou IHM	Permite a configuração de parâmetros, o monitoramento e a reinicialização de falhas
Interface de comunicação	Conecta-se a PLCs, HMIs, SCADA ou redes fieldbus

Métodos comuns de controle de inversores de frequência

Exemplo: Como um inversor de frequência economiza energia em uma bomba

Os inversores de frequência (VFDs) são especialmente eficazes para bombas centrífugas e ventiladores, pois essas cargas seguem as leis de afinidade. Em termos simples, quando a velocidade diminui, a demanda de potência cai muito mais rapidamente do que a velocidade.

Para cargas centrífugas:

O fluxo é proporcional à velocidade
A pressão é proporcional ao quadrado da velocidade
A potência é proporcional ao cubo da velocidade

Isso significa que uma pequena redução na velocidade pode resultar em uma grande redução no consumo de energia.

Exemplo:

Se uma bomba puder atender à demanda do processo na velocidade de 80%, a necessidade aproximada de potência é:

0,8 x 0,8 x 0,8 = 0,512

Portanto, a bomba pode necessitar de cerca de 51% de potência em velocidade máxima, antes de se levar em conta as perdas reais e as condições do sistema.

É por isso que a substituição de válvulas reguladoras ou amortecedores por um controle por inversor de frequência (VFD) pode gerar economias significativas em sistemas adequados de bombas e ventiladores.

Onde os inversores de frequência são utilizados

Vantagens do uso de um inversor de frequência

Limitações e considerações de projeto

Um VFD é potente, mas deve ser utilizado corretamente.

Algumas considerações comuns incluem:

• Custo inicial mais elevado do que a partida direta em linha
• Distorção harmônica na fonte de alimentação
• Interferência eletromagnética
• Tensão no isolamento do motor causada pelo rápido tempo de subida da tensão
• Correntes nos rolamentos em algumas instalações
• Aumento da temperatura em baixa rotação do motor, caso o ventilador do motor esteja montado no eixo
• Poderá ser necessário utilizar filtros de saída em trechos longos de cabos do motor
• É importante que o aterramento e a blindagem sejam feitos corretamente

Para sistemas críticos, o inversor de frequência deve ser selecionado levando em consideração o motor, a carga, o comprimento do cabo, o invólucro, o resfriamento e o ambiente elétrico.

Inversor de frequência x Acelerador suave

Um acionador suave reduz a corrente de partida e proporciona uma aceleração suave, mas normalmente não oferece controle contínuo da velocidade depois que o motor atinge a velocidade máxima.

Recurso	VFD	Soft Starter
Redução da corrente de partida	Sim	Sim
Controle contínuo de velocidade	Sim	Não
Economia de energia em bombas e ventiladores	Alto potencial	Limitada
Controle de torque	Melhor	Básico
Controle reverso	Normalmente disponível	Limitado ou externo
Custo	Mais alto	Inferior
Melhor caso de uso	Operação com velocidade variável	Partida suave em velocidade fixa

Escolha um VFD quando o processo exige controle de velocidade ou economia de energia por meio da redução da velocidade do motor.

Escolha um soft starter quando o motor funciona em velocidade fixa e precisa apenas de partidas e paradas mais suaves.

Como escolher o inversor de frequência certo

Falhas comuns em variadores de frequência (VFD) e o que elas geralmente significam

Falha	Causa Comum
Sobrecorrente	Tempo de aceleração curto, carga encravada, falha no motor, parâmetros incorretos do motor
Sobretensão	Desaceleração rápida, carga regenerativa, alta tensão de entrada
Subtensão	Baixa tensão de alimentação, perda de fase, fonte de alimentação fraca
Sobretemperatura	Ventilação inadequada, temperatura ambiente elevada, acionamento sobrecarregado
Falha de aterramento	Cabo do motor danificado, falha no isolamento do motor, umidade
Sobrecarga do motor	Configuração incorreta da corrente, máquina sobrecarregada, resfriamento insuficiente
Falha de comunicação	Problema de fiação, configuração incorreta do protocolo, erro de configuração do PLC

Essas falhas não devem ser eliminadas repetidamente sem que se identifique a causa. Uma falha recorrente geralmente indica um problema no sistema, e não apenas um problema na unidade.

PERGUNTAS FREQUENTES

Conclusão

Um inversor (VFD) funciona convertendo energia CA de frequência fixa em energia CC e, em seguida, convertendo essa energia CC de volta em energia CA de frequência variável. Esse processo permite que o inversor controle a velocidade, o torque, a aceleração, a desaceleração e as funções de proteção do motor com muito mais flexibilidade do que a operação direta do motor na rede elétrica.

As principais etapas do trabalho são:

1. O retificador converte corrente alternada em corrente contínua.
2. O barramento de corrente contínua suaviza e armazena energia.
3. O inversor utiliza PWM para gerar uma saída de corrente alternada controlada.
4. O sistema de controle ajusta a frequência e a tensão para se adequar ao motor e à carga.

Para bombas, ventiladores, transportadores, compressores, sistemas de climatização, tratamento de água, manufatura e muitas outras aplicações, um inversor de frequência (VFD) adequadamente selecionado pode melhorar a eficiência, reduzir o desgaste mecânico e proporcionar um melhor controle do processo.

Ao escolher um inversor de frequência (VFD), leve sempre em consideração a corrente do motor, a tensão de entrada, o tipo de carga, a capacidade de sobrecarga, o método de controle, o comprimento do cabo, o ambiente e os requisitos de comunicação. Um inversor de frequência não é apenas um controlador de velocidade; é um sistema completo de controle e proteção do motor.

Referências e leituras complementares

• Série IEC 61800: Sistemas de acionamento elétrico de velocidade ajustável
• NEMA MG 1: Motores e geradores
• Guia Técnico da ABB nº 4: Guia sobre Inversores de Velocidade Variável
• Guias de aplicação para inversores de velocidade da Schneider Electric
• Recursos do Departamento de Energia dos EUA sobre sistemas de motores e inversores de velocidade
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