O papel crucial dos inversores de frequência de média tensão na eficiência industrial e no controle de processos
Drives de frequência variável de média tensão (VFDs MV) são dispositivos eletrônicos de potência essenciais usados para controlar a velocidade de rotação, torque e direção de motores CA operando em tensões normalmente variando de 1 kV a 15 kV. Ao contrário dos VFDs de baixa tensão, os inversores de média tensão atendem a requisitos de energia significativamente mais altos, geralmente variando de centenas de quilowatts até mais de 100 megawatts, tornando-os componentes críticos em aplicações industriais e de serviços públicos de grande escala.
O principal benefício da implantação de VFDs de média tensão é a considerável economia de energia obtida pela correspondência precisa da velocidade do motor à carga necessária, especialmente em aplicações de torque variável, como bombas e ventiladores. Além disso, eles oferecem controle de processo superior, reduzem o estresse mecânico durante a partida do motor e fornecem recursos valiosos de qualidade de energia, como correção do fator de potência e mitigação de harmônicas.
Topologias Avançadas e Projeto Arquitetônico de VFDs MT
A arquitetura interna dos VFDs de MT é notavelmente mais diversificada e complexa do que seus equivalentes de baixa tensão devido à necessidade de lidar com altas tensões e mitigar a distorção harmônica. Os inversores de média tensão geralmente empregam um projeto de três estágios: um conversor (retificador) para transformar CA em CC, um link CC para armazenamento e suavização de energia e um inversor para converter a CC novamente em energia CA de frequência variável para o motor.
Topologias de inversor multinível para qualidade de saída aprimorada
Para produzir uma forma de onda de saída mais senoidal e "amigável ao motor" e limitar o tempo de aumento de tensão ( ) que pode danificar o isolamento do motor, os VFDs MT normalmente utilizam topologias de inversor multinível. Esses projetos sintetizam a tensão de saída CA em múltiplas etapas (níveis) em vez de duas, o que é comum em inversores de baixa tensão. Duas topologias multinível proeminentes incluem:
- Ponte H em cascata (CHB): Esta popular topologia de fonte de tensão usa múltiplas células de ponte H de baixa tensão conectadas em série por fase. Cada célula possui seu próprio retificador de entrada e a saída combinada fornece uma forma de onda multi-passos de alta qualidade. O CHB geralmente requer um transformador de entrada de mudança de fase complexo com vários enrolamentos, que normalmente é integrado ao pacote do inversor.
- Neutral Point Clamped (NPC): A topologia NPC de 3 níveis está bem estabelecida e utiliza diodos ou interruptores ativos para fixar a tensão de saída em um ponto neutro, criando três níveis de tensão. Oferece um design compacto e é adequado para tensões de até cerca de 4,16 kV. Variantes avançadas como o Active Neutral Point Clamped (ANPC) ou NPC de nível superior também são usadas.
Arquiteturas de Inversor de Fonte de Corrente (CSI) vs. Inversor de Fonte de Tensão (VSI)
Os VFDs MV também podem ser amplamente categorizados com base em seu componente de link CC:
- Inversor de Fonte de Tensão (VSI): Esta é a abordagem mais moderna e amplamente utilizada, empregando capacitores no link CC para armazenar e regular uma tensão CC constante. Os drives VSI usam IGBTs na seção do inversor e são conhecidos por seu bom desempenho dinâmico. Topologias multinível como CHB e NPC são variantes VSI.
- Inversor de Fonte de Corrente (CSI): Uma tecnologia madura que utiliza um grande indutor no link CC para manter uma corrente CC constante. Os drives CSI geralmente usam tiristores Gate Turn-Off (GTO) ou dispositivos mais modernos como SGCTs (Symmetric Gate Commutated Thyristors) no inversor. Eles são robustos e frequentemente usados em aplicações de grande potência ou com motores síncronos.
Aplicações críticas em setores-chave
A robustez, a alta capacidade de potência e o controle preciso oferecidos pelos VFDs de média tensão os tornam indispensáveis em diversos setores exigentes.
A tabela a seguir resume aplicações comuns de MV VFD e os benefícios de controle de processo que elas oferecem:
| Indústria | Aplicação Típica | Principal benefício operacional |
| Petróleo e Gás | Compressores (Recíprocos e Centrífugos), Bombas | Regulação precisa de fluxo e pressão, partida suave e eficiência energética. |
| Mineração e Cimento | Trituradores, transportadores, moinhos (bola e Sag) | Alto torque de partida, controle de velocidade para britagem/moagem otimizada e estresse mecânico reduzido. |
| Utilidades (Água/Águas Residuais) | Bombas de alta elevação, sopradores | Fluxo de fluido otimizado e controle de nível, economia significativa de energia devido a cargas de torque variáveis. |
| Geração de energia | Bombas de alimentação de caldeiras, ventiladores ID/FD | Melhor eficiência da caldeira, controle de combustão e redução do consumo de energia auxiliar. |
Considerações sobre mitigação harmônica e qualidade de energia
Uma consideração técnica significativa para VFDs de MT é o gerenciamento da distorção harmônica, que pode impactar negativamente a rede elétrica e outros equipamentos conectados. Os projetos de VFD MV abordam isso inerentemente por meio de suas configurações multipulsos e multiníveis.
A seção de entrada de um VFD MT normalmente utiliza um retificador de diodo multipulso (por exemplo, 18 pulsos ou 24 pulsos) acoplado a um transformador de mudança de fase. Aumentar a contagem de pulsos minimiza a magnitude dos harmônicos de ordem inferior injetados de volta na linha da rede elétrica. Além disso, alguns drives modernos empregam Active Front Ends (AFEs), que substituem retificadores passivos por interruptores ativos (IGBTs). AFEs são essencialmente um segundo inversor que pode:
- Controle ativamente e elimine a distorção harmônica, alcançando um fator de potência de entrada próximo da unidade (próximo de 1,0).
- Permite a frenagem regenerativa, onde a energia cinética do motor é realimentada na linha de energia, um recurso crítico para cargas como guindastes e transportadores em declive.
A implementação de VFDs de MT requer projeto e coordenação cuidadosos em nível de sistema para garantir a conformidade com os padrões de serviços públicos (como IEEE 519) e para maximizar a confiabilidade do sistema e os benefícios operacionais.
