Solução de frenagem para sistema VFD

Visão Geral da Solução Soluções Artigos Relacionados

Qual é a função de uma solução de frenagem para VFD?

Uma solução de frenagem para VFD é utilizada para lidar com a energia regenerativa gerada durante a desaceleração ou parada do motor, evitando o aumento excessivo da tensão do barramento CC e garantindo uma operação segura e eficiente do sistema. As soluções comuns incluem frenagem dinâmica e frenagem regenerativa, que podem ser selecionadas com base nas características da carga, eficiência energética e requisitos de custo.

Em um sistema de controle de velocidade por frequência variável, a desaceleração e a parada do motor são realizadas reduzindo gradualmente a frequência. No instante em que a frequência diminui, a velocidade síncrona do motor cai proporcionalmente, enquanto a velocidade do rotor permanece inalterada devido à inércia mecânica. Quando a velocidade síncrona w_1 se torna menor que a velocidade do rotor w, a fase da corrente do rotor sofre um deslocamento de quase 180 graus, fazendo com que o motor transite do modo motor para o modo gerador. Simultaneamente, o torque no eixo do motor torna-se torque de frenagem T_e, reduzindo rapidamente a velocidade do motor, colocando-o em um estado de frenagem regenerativa. A energia elétrica regenerada P do motor é realimentada no circuito CC através de retificação de onda completa pelos diodos de roda livre. Como a energia elétrica no circuito CC não pode ser realimentada para a rede elétrica através da ponte retificadora, ela é absorvida apenas pelo próprio capacitor do inversor. Embora outras partes possam consumir energia elétrica, o capacitor ainda acumula carga por um curto período, formando uma “tensão elevada”, fazendo com que a tensão CC Ud aumente. Uma tensão CC excessiva pode danificar vários componentes. Portanto, medidas devem ser tomadas para lidar com essa energia regenerativa. Nossa empresa oferece as duas soluções a seguir.

Solução A: Frenagem Dinâmica
Este método consome a energia regenerativa através de um resistor de frenagem. Seu princípio de funcionamento envolve o uso de um chopper (também conhecido como unidade de frenagem) para controlar o resistor de frenagem na absorção de energia dentro do circuito CC, alcançando assim uma frenagem rápida. Esta solução apresenta estrutura simples, baixo custo e alto torque de frenagem, além de não causar poluição na rede elétrica. No entanto, não é possível recuperar a energia regenerativa. É adequada para cenários sensíveis a custos ou com baixos requisitos de estabilidade da rede, como em centrífugas padrão ou plainas.

Solução B: Frenagem Regenerativa
Este método inverte a energia regenerativa em energia CA na mesma frequência e fase para realimentá-la à rede elétrica. Utilizando tecnologia de inversão ativa, possibilita a reciclagem de energia, melhora a eficiência do sistema e suporta operação em quatro quadrantes. No entanto, requer uma tensão de rede estável (com flutuações não superiores a 15%); caso contrário, pode ocorrer falha de comutação facilmente. Há também risco de poluição harmônica, e a complexidade de controle e o custo são relativamente altos. É adequada para aplicações que exigem frenagem frequente e possuem fornecimento de rede estável, como cargas de energia potencial em guindastes e elevadores.

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Frenagem dinâmica Frenagem regenerativa

Frenagem dinâmica

O método utilizado na frenagem dinâmica envolve a adição de um resistor de descarga no lado CC (corrente contínua) do inversor de frequência (VFD) para consumir a energia regenerativa através de um resistor de potência, alcançando assim a frenagem (conforme mostrado na figura). Esta é a maneira mais direta de lidar com a energia regenerativa, onde a energia é dissipada em forma de calor através de um circuito de frenagem dinâmica dedicado no resistor. Por isso, também é referido como “frenagem por resistor”, e consiste em dois componentes: a unidade de frenagem (chopper) e o resistor de frenagem.

1. Princípio de Frenagem

1.1. Unidade de Frenagem (Braking Unit)
A função da unidade de frenagem é ativar o circuito de dissipação de energia quando a tensão do barramento CC (U_d) excede um limite predefinido (ou seja, a tensão de disparo do chopper), permitindo que o circuito CC libere energia na forma de calor através do resistor de frenagem. As unidades de frenagem podem ser classificadas em dois tipos: integradas e externas. O primeiro tipo é adequado para inversores de uso geral de baixa potência, enquanto o segundo é usado para inversores de alta potência ou condições de operação com requisitos especiais de frenagem. Em princípio, não há diferença entre os dois; ambos servem como uma “chave” para conectar o resistor de frenagem, consistindo em um transistor de potência, um circuito de amostragem e comparação de tensão e um circuito de acionamento (drive).

1.2. Resistor de Frenagem
Um resistor de frenagem é um componente usado para dissipar a energia regenerativa de um motor na forma de calor. Ele possui dois parâmetros principais: valor da resistência e capacidade de potência. Com base em diferentes aplicações, nossa empresa desenvolveu uma variedade de resistores de frenagem com distintas características de desempenho. Consulte a tabela de comparação de resistores de frenagem para mais detalhes.

2. Processo de Frenagem

O processo de frenagem dinâmica é o seguinte:
2.1. Quando o motor desacelera ou inverte o sentido sob uma força externa (incluindo ser acionado por uma carga), ele opera em estado de gerador, alimentando energia de volta ao barramento CC e fazendo com que a tensão do barramento suba;
2.2. Quando a tensão do barramento CC atinge a tensão de disparo da unidade de frenagem, o transistor de potência na unidade é ativado, permitindo que a corrente flua através do resistor de frenagem;
2.3. O resistor de frenagem dissipa a energia elétrica como calor, reduzindo a velocidade do motor e, consequentemente, baixando a tensão do barramento CC;
2.4. Quando a tensão do barramento CC cai para o valor de corte da unidade de frenagem, o transistor de potência desliga, interrompendo o fluxo de corrente através do resistor;
2.5. A tensão do barramento CC é monitorada continuamente, e a unidade de frenagem repete este processo de liga/desliga (ON/OFF) para regular a tensão do barramento, garantindo a operação normal do sistema.

3. Características de Frenagem

As vantagens da frenagem dinâmica (frenagem por resistor) são sua estrutura simples, baixo custo, alto torque de frenagem e ausência de poluição na rede elétrica. No entanto, não pode recuperar a energia regenerativa, o que resulta em um desperdício significativo de energia durante frenagens frequentes e requer um aumento na capacidade do resistor de frenagem.

4. Seleção da unidade de frenagem e do resistor de frenagem

4.1. Primeiro, estime o torque de frenagem.
Geralmente, durante a frenagem do motor, há uma certa quantidade de perda interna dentro do motor, aproximadamente 18% a 22% do torque nominal. Portanto, se o resultado calculado cair abaixo desta faixa, não há necessidade de conectar um dispositivo de frenagem.
4.2. Em seguida, calcule o valor da resistência do resistor de frenagem.
Durante a operação da unidade de frenagem, a flutuação da tensão do barramento CC depende da constante RC, onde R é o valor da resistência e C é a capacitância do capacitor eletrolítico dentro do inversor. Aqui, a tensão de operação da unidade de frenagem é normalmente definida em 710V.
4.3. Ao selecionar a unidade de frenagem, a corrente máxima de operação da unidade é o único critério, e sua fórmula de cálculo é a seguinte:
4.4. Finalmente, calcule a potência nominal do resistor de frenagem.

Como o resistor de frenagem opera em um ciclo de trabalho de curto tempo (short-time duty), com base em suas características e especificações técnicas, sabemos que a potência nominal do resistor será menor que a potência consumida quando energizado. Isso geralmente pode ser calculado usando a seguinte fórmula: Potência nominal do resistor = Fator de redução (derating) × Potência média consumida durante a frenagem × Taxa de utilização da frenagem (ED%).

Tabela de comparação para diferentes séries de Unidades de Frenagem

Características Principais	Série LN 220V	Série LN 400V	Série GN
Potência Nominal do Inversor (Pr)	7.5KW a 90KW	7.5KW a 132KW	37KW a 450KW
Corrente máxima de frenagem (I)	50A a 200A	40A a 200A	75A a 450A
Potência de frenagem repetitiva (Pm)	Baseada em Pr e ED/duty(%)	Baseada em Pr e ED/duty(%)	Baseada em Pr e ED/duty(%)
Tempo de ciclo (até 600s sob consulta)	120s padrão	120s padrão	120s padrão
ED / Ciclo de trabalho (superior a 40% sob consulta)	até 20%	até 20%	até 40%
Tensão do sistema de rede (U) @50/60Hz	220/240V±10%	380/415V±10%	380/415V±10% 480/500V±10% 660/690V±10%
Tensão padrão do chopper (Ajustável)	CC 320V±5V	CC 660V±5V	CC 660V / 830V / 1150V ±5V
Tensão dielétrica	3.000VCA @ 1 min	3.000VCA @ 1 min	3.000VCA @ 1 min
Resistência de isolação	>20MΩ / corpo	>20MΩ / corpo	>20MΩ / corpo

5. Tabela de comparação para diferentes séries de Resistores de Frenagem

Tipo de resistor	Número de série	Faixa de potência (W)	Resistência	Material do invólucro	IP	Com ventilador	Características	Cenários
Resistor de fio enrolado	RXG20	50–15.000	Customizado	Não	IP00	Não	Baixo nível IP, baixo custo, boa dissipação de calor	Elevadores, guindastes, inversores
Invólucro de alumínio	RXLG	20–11.000	Customizado	Não	IP21/IP65	Não	Alto nível IP, estrutura compacta, não indicado para operação prolongada	Elevadores, guindastes, inversores, máquinas de injeção, CNC, robótica, veículos elétricos
Alumínio compacto	RXLG				IP21/IP65	Não	Estrutura compacta, alta corrente, baixa resistência	Scooters elétricas
Resistor com dissipador	RAD				IP21		Alta corrente, dissipador de alumínio, modular	Espaços limitados

Tipo de gabinete de resistor	Número de série	Faixa de potência (KW)	Tipo de resistor	Material do gabinete	IP	Com ventilador	Características	Cenários
Alumínio multi-unidade	ARXU	15-50	Resistor de alumínio	Chapa de aço laminada a frio	IP21/IP54	Pequeno ventilador	Alto nível IP, caixa de junção à prova d’água	Elevadores, guindastes, inversores
Gabinete inox STL (grade)	STL	6-250	Resistor de grade inox	304/316	IP54	Sim (acima de 12KW)	Resistente à água e névoa salina	Guindastes portuários e de torre (exterior)
Gabinete inox STC (grade)	STC	6-250	Resistor de grade inox	Chapa de aço galvanizada	IP54	Sim (acima de 12KW)	Impermeável, não indicado para névoa salina	Uso pesado interno/externo
Gabinete de resistor cerâmico	DBR	9-100	Resistor de fio	Chapa de aço galvanizada	IP54	Não	Compacto, alta corrente, alta capacidade de sobrecarga	Cargas pesadas interno/externo
Caixa de resistência tipo lâmina	DBR	1-200	Resistor de lâmina	Chapa de aço galvanizada	IP00	Opcional	Estrutura compacta, longa vida útil	Operação pesada interna
Caixa inox STB (grade)	STB	1-27	Resistor de grade inox	Chapa de aço laminada a frio	IP00	Não	Baixo nível de proteção, boa dissipação	Uso pesado interno a longo prazo
Caixa de resistor cerâmico	BRB	2-36	Resistor de fio	Chapa de aço laminada a frio	IP00	Sim (acima de 20KW)	Baixa resistência a choque, boa dissipação	Uso pesado interno a longo prazo
Resistência inox para elevador	EVR	3-9	Resistor de grade inox	Chapa de aço galvanizada	IP00	Não	Compacto, boa dissipação, parcialmente impermeável	Específico para elevadores

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Frenagem regenerativa

A frenagem regenerativa, também conhecida como frenagem por recuperação de energia, opera através da tecnologia de inversão ativa para converter a energia regenerativa gerada durante a desaceleração ou paragem do motor em corrente alternada (CA) que corresponda à frequência, fase e tensão da rede elétrica. Esta energia é devolvida diretamente à rede, permitindo a reciclagem energética e resolvendo na origem o problema do “pumping” (elevação) de tensão no barramento CC, garantindo simultaneamente uma poupança significativa de energia. Como uma solução de frenagem de alto desempenho em sistemas de variadores de frequência (VFD), suporta a operação do motor em quatro quadrantes e é ideal para aplicações industriais com cargas potenciais ou frenagens frequentes.

Componentes Principais

O sistema de frenagem regenerativa consiste principalmente em quatro partes: uma unidade regenerativa (inversor ativo), um circuito de filtro, um circuito de deteção e controlo, e um circuito de proteção. Em alguns produtos integrados, os módulos principais são reunidos num armário de frenagem regenerativa, adequado para cenários com variadores de frequência de alta potência.

Unidade Regenerativa (Inversor)

É o núcleo do sistema, composto por uma ponte inversora de alta potência (utilizando dispositivos como IGBTs), responsável por converter a corrente contínua (CC) em alternada (CA). Controla com precisão a frequência, fase e amplitude da tensão invertida para alinhar com os parâmetros da rede.

Circuito de Filtro

Inclui componentes como reatâncias e condensadores. É utilizado para suprimir as harmónicas geradas durante o processo de inversão, reduzir a poluição harmónica na rede e estabilizar a corrente de feedback.

Circuito de Deteção e Controlo

Monitoriza em tempo real a tensão, frequência e fase da rede, bem como a tensão do barramento CC do variador. Um algoritmo de controlo em malha fechada ajusta o estado operacional da ponte inversora para garantir a sincronização e estabilidade da recuperação de energia.

Circuito de Proteção

Possui funções de proteção contra sobretensão, sobrecorrente, perda de fase, erro de sequência de fases e flutuações excessivas da rede. Quando as flutuações da rede excedem 15% ou ocorre uma falha, o circuito corta imediatamente o feedback para evitar falhas de comutação e danos nos equipamentos.

1. Princípio de Funcionamento

1.1. Quando o motor desacelera, para ou liberta energia potencial (ex: uma grua a baixar uma carga ou um elevador a descer), ele mantém uma velocidade elevada devido à inércia mecânica. A velocidade síncrona torna-se inferior à velocidade do rotor e o motor passa a funcionar como gerador. A energia elétrica regenerada é retificada e enviada de volta ao barramento CC do variador, fazendo com que a tensão Ud suba.

1.2. Assim que a tensão do barramento CC atinge o limite de arranque da unidade regenerativa, o circuito de deteção captura os sinais da rede em tempo real e o controlador ativa a ponte inversora.

1.3. A ponte inversora converte a energia CC do barramento em corrente alternada trifásica idêntica à da rede. Após a filtragem das harmónicas, a energia é reinjetada na rede elétrica.

1.4. Quando a tensão do barramento CC desce para o limite de paragem, a ponte inversora interrompe a operação. O processo repete-se dinamicamente para manter a tensão do barramento CC dentro de uma faixa segura.

2. Processo de Frenagem

2.1. Geração de Energia: O motor atua em modo regenerativo, devolvendo energia ao circuito CC do VFD, aumentando a tensão do barramento.

2.2. Disparo por Limite: A tensão atinge o limite predefinido. O sistema amostra os parâmetros da rede e a unidade regenerativa entra em estado de operação.

2.3. Inversão Ativa: A ponte inversora converte a potência CC em CA conforme as normas da rede e reinjeta-a após a filtragem.

3. Características e Vantagens

3.1. Recuperação e Alta Eficiência: A energia é devolvida à rede para reutilização em vez de ser dissipada. A poupança é muito significativa em ciclos de frenagem frequentes ou cargas de grande inércia.

3.2. Ausência de Perdas Térmicas: Como não são utilizadas resistências de frenagem, evita-se a geração massiva de calor. Isto reduz a carga térmica nos equipamentos e elimina a necessidade de sistemas de refrigeração extra.

3.3. Binário de Frenagem Estável e 4 Quadrantes: O sistema oferece um binário estável e permite operar em todas as direções (frente/trás) e modos (motor/gerador). Essencial para elevadores e gruas.

3.4. Baixos Custos Operacionais: Apesar do investimento inicial superior, a economia de energia compensa o custo ao longo do ciclo de vida, além de reduzir a manutenção por não haver desgaste de resistências.

4. Seleção e Precauções

4.1. Critérios de Seleção

Parâmetros da Rede: Verificar tensão, número de fases e estabilidade (tolerância de ±15%).
Potência Regenerativa: Calcular a potência de pico e média com base no ciclo de trabalho do motor.
Tipo de Carga: Para cargas gravitacionais, prever uma margem de segurança de 1,2 a 1,5 vezes a potência nominal.

4.2. Precauções de Uso

4.2.1. Instalar um seccionador entre a unidade regenerativa e a rede. Utilizar cabos de secção adequada para o barramento CC para minimizar perdas.

4.2.2. Inspecionar regularmente os componentes de potência para prevenir falhas que possam afetar a rede elétrica.

4.2.3. O sistema de recuperação requer uma ligação à terra dedicada, independente da do variador, para evitar interferências.

5. Áreas de Aplicação

A frenagem regenerativa é recomendada para locais com redes estáveis e alta exigência de eficiência energética, nomeadamente:

5.1. Elevação e Manuseio: elevadores, escadas rolantes, gruas, guinchos mineiros e plataformas hidráulicas.

5.2. Cargas de Alta Inércia: grandes centrifugadoras, laminadores, bombas de petróleo (cavalo-de-pau) e pórticos portuários.

5.3. Máquinas de Ciclos Rápidos: fusos de máquinas-ferramenta, transportadores metalúrgicos e sistemas de mineração.

Restrições: Não recomendado para redes muito instáveis, com elevada poluição harmónica preexistente ou para aplicações simples (pequenos ventiladores/bombas) onde o retorno financeiro não justifica o investimento.

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