Princípio fundamental: como os VFDs de baixa tensão regulam a velocidade e a potência do motor
Um Drive de frequência variável de baixa tensão (VFD), muitas vezes referido como Acionamento de Velocidade Ajustável (ASD), é um componente essencial para controlar a velocidade de rotação de um motor de corrente alternada (CA), gerenciando a energia elétrica fornecida a ele. A designação de “baixa tensão” normalmente se aplica a VFDs operando em tensões industriais padrão de até 690V. A operação fundamental baseia-se na variação simultânea da frequência e da tensão, mantendo uma relação tensão-frequência (V/f) constante para garantir que o fluxo magnético do motor permaneça constante e possa fornecer o torque necessário.
O VFD converte internamente a energia CA de entrada em corrente contínua (CC) usando uma seção retificadora, normalmente uma ponte de diodos. Essa energia CC é então filtrada por um banco de capacitores do link CC, que suaviza a energia. Finalmente, uma seção do inversor, geralmente consistindo de transistores bipolares de porta isolada (IGBTs), converte a CC de volta em uma forma de onda CA precisa de frequência variável e tensão variável usando uma técnica chamada modulação por largura de pulso (PWM).
Benefícios práticos e economia imediata de custos da implementação de VFD
Os benefícios práticos da integração de VFDs em sistemas industriais e comerciais vão além do simples controle de velocidade, impactando diretamente os custos operacionais, a vida útil do equipamento e a qualidade do processo. Estas vantagens proporcionam um rápido retorno do investimento, especialmente em aplicações de manuseio de fluidos.
Redução significativa de energia através de leis de afinidade
Para cargas centrífugas como bombas e ventiladores, o consumo de potência do motor segue o cubo da velocidade (Lei de Afinidade). Isso significa que uma pequena redução na velocidade resulta em uma redução massiva na potência consumida. Por exemplo, reduzir a velocidade em apenas 20% (operando a 80% da velocidade) reduz o consumo de energia em quase 50% ($0,8^3 = 0,512$). Esta relação proporcional é o principal motor para enormes poupanças de energia em instalações de HVAC e de tratamento de água.
Controle aprimorado de processos e proteção de equipamentos
Os VFDs fornecem uma capacidade de “partida suave”, acelerando lentamente o motor da velocidade zero até a velocidade operacional. Isto elimina a enorme corrente de partida e o choque mecânico associado à partida 'Across-the-Line', onde o motor recebe tensão total instantaneamente. Ao mitigar o estresse elétrico e o desgaste mecânico em componentes como engrenagens, correias e acoplamentos, o VFD estende os intervalos de manutenção e a vida operacional geral do equipamento acionado. Além disso, o controle preciso da velocidade permite a regulação precisa do fluxo, pressão ou temperatura, melhorando a qualidade do produto nos processos de fabricação.
Perfis comuns de aplicação VFD de baixa tensão
Os VFDs de baixa tensão são versáteis e são implantados em quase todos os setores industriais. Sua aplicação é normalmente categorizada pelo tipo de carga: torque variável, torque constante ou potência constante.
A tabela abaixo resume aplicações comuns e suas características:
| Umpplication Type | Cargas Típicas | Perfil de Torque | Benefício Primário |
| HVAC e bombeamento | Ventiladores centrífugos, sopradores, bombas | Torque Variável (Torque $\propto$ Velocidade$^2$) | Economia Máxima de Energia (Lei de Afinidade) |
| Manuseio de materiais | Transportadores, Extrusoras, Misturadores | Torque constante (o torque é fixo) | Controle preciso de velocidade/posição |
| Máquinas-ferramentas | Tornos, fresas, fusos | Potência Constante (Torque inversamente $\propto$ Velocidade) | Ampla faixa de velocidade para usinagem |
Considerações práticas para seleção e instalação de VFD
A seleção e instalação adequadas são cruciais para alcançar todos os benefícios de um VFD. As principais considerações incluem condições ambientais, compatibilidade do motor e mitigação de possíveis problemas de qualidade de energia.
Dimensionamento, gabinetes e fatores ambientais
O VFD deve ser dimensionado corretamente para a corrente de plena carga (FLA) do motor e, muitas vezes, ligeiramente superdimensionado para aplicações com ciclos de trabalho exigentes ou requisitos de alto torque de partida. O tipo de gabinete deve ser adequado ao ambiente, variando de NEMA 1 (uso geral, interno) a NEMA 4X (resistente à corrosão, externo/lavagem). O VFD gera calor, portanto, o espaço de resfriamento adequado e o controle da temperatura ambiente são obrigatórios para uma operação confiável.
Mitigando problemas de qualidade de energia e harmônicos
A seção retificadora do VFD consome corrente em pulsos curtos e de alta amplitude, o que pode introduzir distorção harmônica de volta na linha de alimentação elétrica. Isto pode afetar negativamente outros equipamentos sensíveis. As estratégias práticas de mitigação incluem:
- Umdding AC Line Reactors on the input side to smooth the incoming current and reduce harmonic content.
- Instalação de bobinas de barramento CC entre o retificador e o banco de capacitores para reduzir harmônicos e melhorar a estabilidade do barramento CC.
- Utilização de VFDs Active Front End (AFE) ou retificadores de 18 pulsos para aplicações onde a distorção harmônica total (THD) muito baixa é crítica, embora essas opções aumentem o custo de capital inicial.
Umdditionally, the high-speed switching of the IGBTs can generate voltage spikes, which may damage the motor windings over time. For longer motor lead lengths (typically over 50 feet), the installation of load reactors or output filters is highly recommended to protect the motor insulation.
