Os fornecedores de unidades de feedback de energia lembram que os conversores de frequência frequentemente apresentam diversos problemas durante a depuração e o uso, sendo a sobretensão o mais comum. Após a ocorrência de uma sobretensão, para evitar danos ao circuito interno, a função de proteção contra sobretensão do conversor de frequência será ativada, fazendo com que o conversor pare de funcionar e, consequentemente, o equipamento não opere corretamente.
Portanto, medidas devem ser tomadas para eliminar a sobretensão e prevenir a ocorrência de falhas. Devido aos diferentes cenários de aplicação de conversores de frequência e motores, as causas da sobretensão também são diferentes, sendo necessário adotar medidas adequadas a cada situação específica.
Geração de sobretensão no conversor de frequência e frenagem regenerativa
A chamada sobretensão de um conversor de frequência refere-se à situação em que a tensão do conversor de frequência excede a tensão nominal devido a vários motivos, o que se manifesta principalmente na tensão CC do barramento CC do conversor de frequência.
Durante a operação normal, a tensão CC do conversor de frequência é o valor médio após a retificação trifásica de onda completa. Se calculada com base em uma tensão de linha de 380 V, a tensão CC média Ud = 1,35Ulinha = 513 V.
Quando ocorre uma sobretensão, o capacitor de armazenamento de energia no barramento CC é carregado. Quando a tensão sobe para cerca de 700 V (dependendo do modelo), a proteção contra sobretensão do conversor de frequência é ativada.
Existem dois motivos principais para a sobretensão em conversores de frequência: sobretensão de potência e sobretensão regenerativa.
Sobretensão de potência refere-se à situação em que a tensão do barramento CC excede o valor nominal devido à tensão excessiva da fonte de alimentação. Atualmente, a tensão de entrada da maioria dos conversores de frequência pode atingir até 460 V, portanto, sobretensões causadas pela fonte de alimentação são extremamente raras.
A principal questão abordada neste artigo é a regeneração de sobretensão.
Os principais motivos para a geração de sobretensão regenerativa são os seguintes: quando a carga do GD2 (torque do volante) desacelera, o tempo de desaceleração definido pelo conversor de frequência é muito curto;
Quando abaixado, o motor está sujeito a forças externas (como ventiladores e máquinas de tração) ou cargas potenciais (como elevadores e guindastes). Devido a esses fatores, a velocidade real do motor é maior que a velocidade comandada pelo conversor de frequência, o que significa que a velocidade do rotor do motor excede a velocidade síncrona. Nesse momento, a taxa de escorregamento do motor é negativa e a direção do enrolamento do rotor que corta o campo magnético rotativo é oposta à do estado do motor. O torque eletromagnético gerado por ele é o torque de frenagem que impede a rotação. Assim, o motor elétrico está, na verdade, em estado de geração, e a energia cinética da carga é regenerada em energia elétrica.
A energia regenerativa é carregada no capacitor de armazenamento de energia CC do inversor através do diodo de roda livre do inversor, causando um aumento na tensão do barramento CC, o que é chamado de sobretensão regenerativa. O torque gerado durante o processo de sobretensão regenerativa é oposto ao torque original, sendo o torque de frenagem. Portanto, o processo de sobretensão regenerativa também é um processo de frenagem regenerativa.
Em outras palavras, eliminar a energia regenerativa aumenta o torque de frenagem. Se a energia regenerativa não for grande, o inversor e o motor, por si só, têm uma capacidade de frenagem regenerativa de 20, e essa parte da energia elétrica será consumida pelo inversor e pelo motor. Se essa energia exceder a capacidade de consumo do conversor de frequência e do motor, o capacitor do circuito CC será sobrecarregado e a função de proteção contra sobretensão do conversor de frequência será ativada, causando a parada da operação. Para evitar essa situação, é necessário descartar essa energia em tempo hábil, aumentando também o torque de frenagem, que é o objetivo da frenagem regenerativa.
Medidas para prevenir sobretensão em conversores de frequência
Devido às diferentes causas de sobretensão, as medidas tomadas também variam. Para o fenômeno de sobretensão gerado durante o estacionamento, se não houver requisitos especiais quanto ao tempo ou local de estacionamento, o método de prolongamento do tempo de desaceleração do conversor de frequência ou o estacionamento livre podem ser utilizados para solucionar o problema. O chamado estacionamento livre refere-se ao desligamento do conversor de frequência do dispositivo de comutação principal, permitindo que o motor deslize livremente e pare.
Caso existam requisitos específicos quanto ao tempo ou local de estacionamento, a função de frenagem CC pode ser utilizada.
A função de frenagem CC consiste em reduzir a velocidade do motor para uma determinada frequência e, em seguida, aplicar energia CC ao enrolamento do estator do motor para formar um campo magnético estático.
O enrolamento do rotor do motor corta esse campo magnético e gera um torque de frenagem, que converte a energia cinética da carga em energia elétrica e a dissipa na forma de calor no circuito do rotor do motor. Portanto, esse tipo de frenagem também é conhecido como frenagem com consumo de energia. O processo de frenagem em corrente contínua (CC) inclui, na verdade, dois processos: frenagem regenerativa e frenagem com consumo de energia. Esse método de frenagem tem uma eficiência de apenas 30 a 60% da frenagem regenerativa, e o torque de frenagem é relativamente pequeno. Devido ao fato de que o consumo de energia pelo motor pode causar superaquecimento, o tempo de frenagem não deve ser muito longo.
Além disso, a frequência de partida, o tempo de frenagem e a tensão de frenagem da frenagem CC são todos definidos manualmente e não podem ser ajustados automaticamente com base no nível de tensão regenerativa. Portanto, a frenagem CC não pode ser usada para sobretensões geradas durante a operação normal e só pode ser usada para frenagem durante o estacionamento.
Para a sobretensão causada pelo torque excessivo do volante (GD2) da carga durante a desaceleração (de alta para baixa velocidade sem parada), o método de prolongamento adequado do tempo de desaceleração pode ser adotado como solução. Na verdade, esse método também utiliza o princípio da frenagem regenerativa. O prolongamento do tempo de desaceleração controla a velocidade de carga do inversor pela tensão regenerativa da carga, de modo a aproveitar de forma racional a capacidade de frenagem regenerativa do próprio inversor. Já para cargas que levam o motor ao estado regenerativo devido a forças externas (incluindo a liberação de energia potencial), como elas operam normalmente em estado de frenagem, a energia regenerativa é muito alta para ser consumida pelo conversor de frequência. Portanto, é impossível utilizar a frenagem CC ou prolongar o tempo de desaceleração.
Em comparação com a frenagem CC, a frenagem regenerativa possui um torque de frenagem maior, e a magnitude desse torque pode ser controlada automaticamente pela unidade de frenagem do conversor de frequência, de acordo com o torque de frenagem necessário para a carga (ou seja, o nível de energia regenerativa). Portanto, a frenagem regenerativa é a mais adequada para fornecer torque de frenagem à carga durante a operação normal.
Método de frenagem regenerativa por conversão de frequência:
1. Tipo de consumo de energia:
Este método envolve a conexão em paralelo de um resistor de frenagem no circuito CC de um conversor de frequência e o controle do acionamento de um transistor de potência através da detecção da tensão do barramento CC. Quando a tensão do barramento CC atinge cerca de 700 V, o transistor de potência conduz, transferindo a energia regenerada para o resistor e consumindo-a na forma de energia térmica, evitando assim o aumento da tensão CC. Devido à incapacidade de utilizar a energia regenerada, este método é classificado como de consumo de energia. Como um método de consumo de energia, sua diferença em relação à frenagem CC reside no fato de que a energia consumida é armazenada no resistor de frenagem externo ao motor, evitando o superaquecimento e permitindo um funcionamento mais frequente.
2. Tipo de absorção de barramento CC paralelo:
Adequado para sistemas de acionamento com múltiplos motores (como máquinas de estiramento), nos quais cada motor requer um conversor de frequência, múltiplos conversores de frequência compartilham um conversor de rede e todos os inversores são conectados em paralelo a um barramento CC comum. Nesse sistema, geralmente há um ou mais motores funcionando normalmente em frenagem. O motor em frenagem é acionado por outros motores para gerar energia regenerativa, que é então absorvida pelo motor em funcionamento através de um barramento CC paralelo. Se não puder ser totalmente absorvida, será consumida através de um resistor de frenagem compartilhado. A energia regenerada aqui é parcialmente absorvida e utilizada, mas não injetada de volta na rede elétrica.
3. Tipo de feedback de energia:
O inversor de realimentação de energia, do tipo conversor do lado da rede, é reversível. Quando energia regenerativa é gerada, o conversor reversível a devolve à rede, permitindo que seja totalmente utilizada. No entanto, esse método exige alta estabilidade do fornecimento de energia e, em caso de queda repentina de energia, ocorrerão inversão e tombamento.