Máquina de indução AC alimentada por VFD

Fonte: Ali Bazzi, Departamento de Engenharia Elétrica da Universidade de Connecticut, Storrs, CT.

As unidades de frequência variável (VFDs) são um tipo de acionamento de velocidade ajustável, que estão se tornando equipamentos padrão para alimentar a maioria dos motores de indução CA. VFDs são comuns em aplicações industriais e de automação e normalmente fornecem um controle robusto do motor em modos de velocidade, torque ou posição. Os VFDs testados e simulados neste experimento se concentram no controle de velocidade e loop aberto com controle constante de tensão/relação frequência (V/f). O motor de indução normalmente opera a um fluxo de estator nominal, e este fluxo é aproximadamente proporcional à razão V/f. Para manter o fluxo constante do estator, a tensão e a frequência aplicadas ao estator são mantidas em uma razão constante, que é a razão V/f. O VFD usado neste experimento é uma unidade Yaskawa V1000 de 1 hp, mas o procedimento se aplica à maioria das unidades de uso geral disponíveis comercialmente.

Os VFDs normalmente incluem um estágio retificador para conversão AC/DC, seguido por um estágio inversor para inversão DC/AC. O inversor e o retificador podem ser de fase única para fornecer motores monárfato ou trifásicos para fornecer motores trifásicos. Os retificador também podem ter um estágio de correção do fator de potência, de modo que o VFD e o motor são vistos em um fator de alta potência do lado da rede que fornece o retificador, para reduzir a corrente retirada da grade para o VFD e motor. Os inversores geralmente são comutos com modulação da largura do pulso (PWM), que é um padrão de comutação muito próximo a um sinusoide. Ter tensões pwm alimentadas do inversor para o motor faz com que o motor veja tensões próximas o suficiente aos sinusoides, uma vez que a maioria dos motores são projetados para serem alimentados em linha (ou seja,alimentados diretamente pela grade). Na comutação PWM, o VFD pode ajustar com base na entrada do usuário ou controlando automaticamente a frequência do sinusoide no motor e na magnitude da tensão. A maioria dos VFDs comerciais utiliza controle de loop aberto, onde a razão V/f é mantida como constante, ao operar o motor em ou abaixo da tensão nominal; isso mantém o fluxo motor a um valor nominal. Outros VFDs mais avançados usam "controle vetorial", que é um esquema de controle em loop fechado que fornece regulação de velocidade ou torque apertado.

1. Certifique-se de que o interruptor de desconexão trifásica está desligado.

2. Verifique se o VARIAC está em 0%.

3. Execute as seguintes conexões nos terminais da máquina e variac:

1. Conecte os terminais da máquina de indução à saída da unidade (conectores do lado direito, quando olhar para a frente da unidade).
2. Conecte a entrada da unidade (conjunto de conectores à esquerda, quando olhar para a frente da unidade) à saída VARIAC.
3. Conecte a entrada VARIAC ao recipiente trifásico no banco.
4. Antes de aplicar a potência, gire o mostrador no VARIAC em até 75%. Isso inicia a unidade em cerca de 210 V linha-a-linha mais tarde no experimento.
5. Ligue o interruptor de desconexão trifásica. A tela principal do VFD deve ligar e exibir "F000".

4. Pressione o botão "Lo/Re" uma vez para colocar a unidade no modo local - a luz vermelha nesse botão deve acender.

1. O botão "Lo/Re" permite que o usuário faça uma seleção entre a configuração de frequência local (Lo) e a configuração remota de frequência (Re).
2. O usuário é capaz de alterar a frequência (f), e a unidade define automaticamente a tensão correspondente (V) para manter uma relação V/f constante.

5. Verifique se os parâmetros de acionamento são os mesmos apresentados na Tabela 1.

6. Para realizar medições básicas de tensão, corrente e frequência:

1. Passe o ciclo pelo menu e encontre o display com um "0.0u" depois dele - isso exibe a medição da tensão alimentada ao motor.
2. A partir daí, role uma vez para cima para uma tela que diz "0.00A" - isso exibe a medição atual quando a unidade está em execução.
3. A próxima tela acima da que diz "0.00" - esta é a medição de frequência.

7. Para definir uma frequência de saída diferente e, assim, definir uma velocidade diferente do motor, uma vez que a velocidade e a frequência elétrica são proporcionais:

1. Volte para a tela principal e procure a letra F.
   1. Altere a frequência pressionando enter e, em seguida, manipulando o valor usando as setas para cima e para baixo.
   2. Use o botão > (seta/reset direito) para alterar entre a coluna de valores.
   3. Promulgue quaisquer alterações pressionando enter.
   4. Cancele as alterações e continue a ser executado na frequência atual pressionando "Esc".

8. Defina a frequência para 10 Hz.

1. Pressione o botão verde "Executar".
2. Role até as leituras de tensão, corrente e frequência e regise seus valores.
3. Repita para as seguintes frequências: 25, 45, 60 e 70 Hz.
4. Observe que um limite máximo de frequência poderia ter sido definido para evitar que o usuário excedesse 60 Hz, então ajuste o limite máximo de frequência do menu "E2".

9. Observe que se a unidade sobrecarregar ou falhar: Pressione o botão vermelho "Parar" e pressione o botão > (seta/reset direito).

Tabela 1: Principais configurações de VFD

Os VFDs normalmente fornecem uma relação tensão-freqüência constante para manter o fluxo de estator em uma máquina de indução perto de uma constante. Se uma máquina for avaliada em 60 Hz e 208 V (linha para linha, RMS), então a relação V/f é de 208/60 = 3.467 V/Hz. Portanto, quando a máquina é executada em uma frequência mais baixa para reduzir sua velocidade, a tensão é enfraquecida para manter uma relação V/f em uma constante. Por exemplo, se a máquina for executada a 30 Hz, a tensão deve ser reduzida para 104 V. Ou, se a máquina é executada a uma frequência de 15 Hz, então a tensão deve ser reduzida para 52 V. Sem condições de carga, a corrente normalmente cai à medida que a tensão cai, uma vez que a reação da máquina cai com frequências mais baixas.

Em frequências mais altas do que as classificadas, os VFDs geralmente são programados para manter a tensão nominal; portanto, um V/f constante não se aplica. Isso se deve principalmente às classificações de tensão da máquina, onde tensões mais altas do que as classificadas são mantidas longe para evitar quebrar o isolamento da máquina ou fazer com que mais corrente flua para dentro da máquina. Por exemplo, se a frequência de uma máquina de 60 Hz for fixada em 70 Hz usando um VFD, a tensão é mantida em 208 V em vez de 242,67 V.

Os VFDs têm um amplo uso em sistemas comerciais, industriais e de automação, e podem economizar quantidades significativas de energia, pois ajustam o ponto de operação de um motor para extrair tanta energia quanto necessário em operação de velocidade variável. Inversores usados em VFDs também são comuns em muitos aplicativos de controle motor, incluindo sistemas de transporte com veículos mais elétricos, em aplicações de aquecimento, ventilação e ar condicionado, e muitos outros.