Uma breve análise do fenômeno de reflexão de onda ocasionado por inversores de frequência

O emprego de inversores de frequência na indústria sempre foi considerado uma solução altamente eficaz para eficiência energética onde o controle da velocidade em determinada aplicação pode levar à redução de até 50% do consumo energético, além de aumento da vida útil de equipamentos, redução de custos de manutenção e controle do processo.

No que tange à qualidade de energia, no entanto, o uso dos inversores sempre significou a injeção de correntes harmônicas no sistema supridor, uma vez que seu estágio de entrada é conformado por um retificador que converte a tensão alternada em tensão contínua. Assim, a aplicação de filtros harmônicos, passivos ou ativos, vem colaborando para o controle e redução das distorções impostas por estes equipamentos à rede elétrica de suprimento.

Contudo, os problemas de qualidade de energia impostos pelos inversores de frequência não estão restritos somente ao sistema supridor. Quando olhamos para a saída do equipamento, a qual, na maioria das vezes, está conectada a motores de indução, visualizamos outro distúrbio ainda pouco comentado entre técnicos e especialistas da área: a queima de motores devido à reflexão de onda de tensão.

Inversores de frequência modernos apresentam em seu estágio de saída IGBTs cujos chaveamentos possuem tempos de início de condução (turn-on) muito rápidos, o que resulta em pulsos de tensão com elevado dV/dt (taxa de variação da tensão no tempo), os quais, aliados a elevados comprimentos de cabos e à frequência de comutação do sistema PWM, podem causar o fenômeno de reflexão de tensão. Assim, pode ocorrer que, quando o inversor  ao emitir um pulso de tensão, o pulso imediatamente anterior ainda não tenha sido totalmente amortecido pela impedância do motor ocasionando a sobreposição dos mesmos, podendo levar, em alguns casos, a dobrar a tensão nos terminais do motor.

Desta maneira, quando tratamos de um sistema inversor-motor, é muito importante também considerar o cabo de alimentação como parte deste, pois, como causa predominante na incidência de picos de tensão nos terminais dos motores alimentados por inversores de frequência, temos o rise-time (dV/dt ) e o comprimento do cabo de alimentação. Nestes casos, a teoria de reflexão de ondas em linhas de transmissão pode ser totalmente aplicada, ou seja, as suas reatâncias capacitivas e indutivas podem “reduzir ou aumentar” a distância elétrica entre inversor e motor. Nota-se que, mesmo comprimentos de cabos curtos, a partir de 6 metros já podem levar a ocorrência de sobretensões refletidas, dependendo do dV/dt de saída do inversor.

Habitualmente, o isolamento do motor não falha imediatamente com os pulsos de tensão, mas as consequências do mesmo são acumuladas com o tempo, é provável que descargas parciais ocorram nas regiões próximas às extremidades do enrolamento, acelerando bastante a degradação do isolamento.

A principal solução para o problema de reflexão de pulsos de tensão PWM em terminais de motores alimentados por longos trechos de cabos é a aplicação de filtros senoidais ou filtros dV/dt. Estes filtros são conformados por elementos passivos, ou seja, resistores reatores e capacitores, que são calculados de forma a criar um circuito ressonante passa-baixa, para o caso dos filtros senoidais ou limitar a variação de tensão em 500 V/µs, reduzindo drasticamente a amplitude e o rise-time da tensão para o caso dos filtros dV/dt. Para ambos os filtros, a mitigação do fenômeno é altamente satisfatória.

No caso dos filtros senoidais, com características passa-baixa, eles são derivados de configurações Butterwoth e/ou Chebyshev, muito usados em circuitos eletrônicos. Tais configurações podem utilizar associações LC, RLC ou LCL para criar um circuito ressonante que filtre as componentes de alta frequência do trem de pulso PWM, transformando a forma de onda da tensão de saída do filtro numa senoide com baixa taxa de ruído, os quais são eliminados pelo cabo ou mesmo pela impedância do motor. Fatores como o comprimento do motor, potência do motor, frequência de comutação do PWM, tipo de controle PWM (VSI ou CSI), o rise-time da tensão e até custos vão determinar a utilização da melhor configuração.

As figuras mostram formas de onda de 1 ciclo de 60 Hz das tensão de ensaios realizados na entrada de um motor de indução de 1 cv, 220 V, alimentado por um inversor de frequência através de um cabo tripolar de 20 m. nota-se claramente a ocorrência do fenômeno de reflexão de onda na entrada do motor e a ação mitigadora de um filtro senoidal LC instalado na saída do inversor de frequência.

A figura (a) mostra o trem de pulso da tensão na saída do inversor de frequência a vazio (referência). Já a figura (b) mostra a tensão na entrada de alimentação do motor de indução alimentado através de cabo de 20 m. Por fim, a figura (c) mostra também a tensão nos terminais do motor, porém, com a instalação de um filtro LC na saída do inversor de frequência.

Por fim, deve-se comentar que este fenômeno de reflexão de onda estará cada vez mais presente no dia-a-dia das áreas de projeto e manutenção industrial, especialmente aqueles ligados a setores de saneamento, agrário e mineração, uma vez que a melhoria da tecnologia de eletrônica de potência tem proporcionado um aumento na frequência de comutação e no dV/dt dos inversores de frequência de ultima geração. Porém, estudos e correta aplicação de filtros passivos podem colaborar muito para a redução dos possíveis impactos do fenômeno. Lembrando sempre que, assim como para os fenômenos de distorção harmônicas observados na entrada dos inversores, não existe solução pronta. Cada caso desse ser tratado de forma impar.

Por: Mateus Duarte Teixeira é presidente da SBQEE, gerente de P&D da BREE e professor do curso de Eng. Elétrica da UFPR.

Jheniffer Chinasso de Lara Faria é estudante do curso de Eng. Elétrica da UFPR.