Um inversor de frequência, conversor de frequência ou simplesmente drive é um dispositivo eletrônico de potência utilizado para controlar a velocidade e o torque de motores elétricos de corrente alternada (CA), especialmente motores de indução trifásicos. Seu funcionamento baseia-se na conversão da energia CA proveniente da rede elétrica em corrente contínua (CC) e, posteriormente, na comutação dessa energia CC para controlar a quantidade de energia fornecida ao motor e portanto realizando seu controle. Podemos desdobrar o funcionamento de um inversor de frequência em: Ponte retificadora, filtro de entrada, link CC (ou barramento CC) e o inversor baseado em IGBT’s (Insulated Gate Bipolar Transistor, ou em português, Transistor Bipolar de Porta Isolada). A imagem representa parte das etapas que iremos tratar nesse artigo:
1) Ponte Retificadora:
A primeira etapa do inversor é a ponte retificadora, geralmente composta por seis diodos para sistemas trifásicos (ou quatro para sistemas monofásicos). Esses diodos são dispostos em uma configuração de ponte de Graetz que realiza a retificação da corrente alternada, ou seja, converte a tensão senoidal da rede elétrica (CA) em uma forma pulsante de corrente contínua.
Para uma entrada trifásica de 380 Vca, a saída da ponte retificadora será uma tensão CC média de aproximadamente 1,35 vezes a tensão eficaz da linha, resultando em cerca de 513 Vcc. Os inversores de frequência da linha 80 da ABB (ACS380, ACS580, ACQ580 e ACS880) irão informar sua leitura de tensão do barramento CC no parâmetro 01.11.
A forma de onda retificada, embora unidirecional, ainda possui ripple (ondulações) significativas, exigindo uma etapa de filtragem subsequente.
2) Filtragem:
A saída da ponte retificadora alimenta um circuito de filtragem, normalmente composto por capacitores eletrolíticos de alta capacidade e, em alguns casos, indutores (choke DC). A função principal deste estágio é:
- Reduzir o ripple da tensão proveniente da ponte retificadora.
- Estabilizar a tensão no link CC, fornecendo uma fonte de tensão relativamente constante para o estágio inversor (que contém os IGBT’s).
Os capacitores armazenam energia e suavizam as variações na tensão, enquanto os indutores limitam a taxa de variação da corrente. Esse sistema de filtragem garante que o barramento CC (link DC) opere de forma eficiente e segura.
3) Link CC (Barramento CC)
O link CC ou barramento de corrente contínua é o ponto central de energia dentro do inversor. É composto basicamente pelos elementos de filtragem já mencionados e funciona como um reservatório de energia.
Fornece energia contínua e estável ao estágio de comutação dos IGBT’s.
Em inversores regenerativos, este link também pode devolver energia à rede, quando a carga (motor) atua como gerador.
É fundamental que o barramento tenha proteção contra sobretensões e sobrecorrentes, sendo comum o uso de circuitos de monitoramento e descarregadores. Os inversores da linha 80 da ABB podem alarmar caso sejam detectados determinados níveis de tensão no barramento CC ou falhar no caso em que seja necessário proteger a integridade do equipamento. Por exemplo: Caso haja um pico de tensão na rede que se manifeste por tempo e magnitude suficientes, a tensão do barramento CC irá subir e o drive irá entrar em modo de proteção. A figura abaixo quantifica esses fenômenos:
4) Banco de IGBT’s
A última e mais complexa etapa é o inversor em si, composto por uma matriz de IGBT’s, geralmente dispostos em um ponte trifásica com seis transistores (dois por fase: um superior e um inferior). Os IGBT’s são comutados em alta frequência (geralmente entre 2 kHz e 10 kHz), utilizando técnicas como PWM (modulação por largura de pulso). O sinal PWM é projetado para simular uma onda senoidal com frequência e tensão variáveis, o que permite controlar precisamente a velocidade e o torque do motor.
Como a comutação controla o motor:
A frequência do PWM determina a frequência da tensão aplicada ao motor, que por sua vez define a velocidade de rotação do motor. A largura dos pulsos (duty cycle) controla a tensão RMS efetiva, influenciando diretamente o torque desenvolvido. Assim, ao variar a frequência e a tensão de saída de forma sincronizada (V/f constante), o inversor mantém o fluxo magnético do motor dentro de uma faixa ideal, garantindo eficiência e controle. O diagrama de blocos abaixo ilustra o PID aplicado no inversor para controle de torque/velocidade:
Além disso, os IGBTs nos inversores de frequência ABB são controlados por circuitos de gate drivers e protegidos contra sobrecorrente, excesso de temperatura e falhas de disparo.
O inversor de frequência é uma aplicação sofisticada da eletrônica de potência, integrando retificação, filtragem, armazenamento de energia e chaveamento eletrônico de alta velocidade para fornecer energia CA com parâmetros controláveis. O uso de IGBTs permite uma comutação eficiente e precisa, essencial para o controle dinâmico de torque e velocidade em motores elétricos industriais. Combinando robustez, eficiência e flexibilidade, os inversores são componentes chave na automação industrial e na eficiência energética de sistemas motrizes.
