Quais são os três tipos de VFD?

Introdução - O que significa “VFD” em sistemas eléctricos?

Acionamento de frequência variável (VFD) Essencialmente um conversor de frequência de energia eléctrica: converte energia AC em energia DC e depois volta a converter em energia AC, remodelando a fonte de alimentação em frequência variável/tensão de saída (gama 0-650Hz), conseguindo assim uma regulação de velocidade contínua do controlo do motor VFD. definir variador de frequência refere-se a este tipo de sistema de regulação de semicondutores (também conhecido como variador de frequência ajustável), que pertence à categoria eléctrica de tipos de variadores de velocidade. O seu valor central reside na eliminação 80% da corrente de impacto do arranque do motor, permitindo que as cargas industriais correspondam exatamente aos requisitos operacionais.

Tipo 1 - Inversor de Fonte de Tensão (VSI) VFD

Princípio de funcionamento

Uma das principais topologias dos modernos variadores de frequência (VFD), a sua essência reside na conversão da energia CC rectificada (mantida a uma tensão estável por condensadores) em sequências de impulsos de alta frequência através da tecnologia PWM VFD; o controlador do variador de frequência ajusta a largura dos impulsos e a relação dos intervalos para sintetizar dinamicamente a tensão (0-480V) e a frequência (0-650Hz) necessárias sob a forma de uma onda sinusoidal equivalente, conseguindo assim uma regulação contínua e sem falhas do controlo do motor VFD.

Vantagens

• Eficiência do sistema >92% (com base em módulos inversores Si-IGBT)
• Taxa de distorção da forma de onda de saída <5% (em conformidade com a norma IEEE 519)
• Precisão do controlo de velocidade por VFD até ±0,5% (em comparação com ±5% para o controlo de velocidade hidráulico)
• Compatível com motores trifásicos de 380V standard sem modificação

Desvantagens

• A tolerância da tensão de rede é de apenas ±10% (se exceder este intervalo pode acionar a proteção contra subtensão)
• O PWM de alta frequência pode causar riscos na corrente de suporte do motor (requer supressão do filtro de modo comum)
• Corrente de entrada harmónica THDi > 35% (requer um reator de entrada externo 12%)

Cenários de aplicação

Como representante típico do inversor de frequência variável de tensão variável, domina os seguintes domínios:

• Sistemas HVAC: Refrigerado bomba de água frequência de 50Hz a 35Hz, consumo de energia ↓42%
• ​Ventiladores centrífugos: Registo de abertura total + controlo de velocidade de frequência variável, taxa de poupança de energia abrangente ≥28%
• ​Estações de bombagem de abastecimento de água: Regulação adaptativa do caudal em modo de pressão constante (resposta 0-100Hz)

Tipo 2 - Inversor de Fonte de Corrente (CSI) VFD​

Princípio de funcionamento

O variador de frequência CSI funciona de forma análoga a um VFD de fonte de tensão, funcionando como um timoneiro que guia um rio de energia. O lado do retificador utiliza o armazenamento indutivo de energia para substituir os condensadores, estabelecendo uma fonte de corrente contínua estável (em vez de uma tensão constante), que é depois direcionada através da tecnologia de comutação de tiristores para controlar o fluxo de corrente.
A forma de onda da corrente retangular de saída é regulada com precisão pelo sistema de controlo da VFD em termos de amplitude (em vez da largura de impulso PWM), o que a torna particularmente adequada para os requisitos de arranque de cargas de elevada inércia, como os moinhos de bolas.

Vantagens

• Suporta o funcionamento em quatro quadrantes (feedback de energia 100% para a rede)
• Suporta picos de corrente 200% (flutuações instantâneas em fornos de arco metalúrgico)
• Resistência natural de curto-circuito (o indutor suprime di/dt)
• Gama de potências: 0,5-50 MW (muito superior ao limite de 0,75 MW do VSI)

Desvantagens

• 40% maior volume do que o VSI (os componentes de indutância ocupam espaço)
• Requer um motor dedicado para o controlo do motor do variador de frequência (os motores normais são propensos à saturação magnética)
• Harmónicos de saída > 25% (configuração obrigatória do retificador de 12 impulsos)
• Limite mínimo de velocidade de 15 Hz (inferior aos 5 Hz do VSI)

Cenários de aplicação

Escolha preferida para fontes de energia principais da indústria pesada em grande escala:

• ​Compressores de mina: Travagem regenerativa para unidades de compressores de parafuso da classe de 2000 kW
• ​Laminadores metalúrgicos: Supressão das pulsações de binário (flutuação <3%)
• ​Moinhos de tubos de cimento: Binário de arranque até 300% do valor nominal

Tipo 3 - VFD com modulação por largura de pulso (PWM)

Princípio de funcionamento

Como solução principal com uma quota de mercado de mais de 85%, o VFD de modulação de largura de pulso é como um artista de mosaico no campo da eletrónica de potência - utiliza módulos IGBT para comutar a tensão do barramento DC a uma velocidade ultra-alta de 3-15 kHz, gerando sequências de impulsos ao nível dos microssegundos com larguras precisas e controláveis. O algoritmo do inversor de frequência variável calcula em tempo real as estratégias de combinação de largura de pulso para tornar a forma de onda de saída infinitamente próxima de uma curva sinusoidal (THD < 5%), conseguindo uma regulação perfeita do binário/velocidade do motor.

Vantagens

• pwm vfd Qualidade óptima da forma de onda de saída (comparada com a onda retangular CSI/ onda em degrau VSI)
• Controlo de velocidade vfd Precisão até ±0,1% (modo de controlo vetorial)
• Ruído de funcionamento do motor ≤65 dB (frequência portadora ajustável)
• Densidade de potência compacta até 2,8 kVA/kg (4 vezes superior à CSI)

Desvantagens

• Gera 3-150 harmónicos de alta frequência (requer um reator de entrada 12% para suprimir THDi <8%)
• Conceção complexa da compatibilidade electromagnética (instalação obrigatória de filtros RFI)
• A tensão dv/dt acelera o envelhecimento do isolamento do motor (＞5 kV/μs)

Cenários de aplicação

O líder absoluto em controlo de velocidade de precisão:

• Automação de edifícios: ElevadoresAcionamento vetorialPrecisão de nivelamento do piso ±3 mm
• ​Linhas de embalagem de alimentos: Tempo de resposta do controlo servo-síncrono ＜2 ms
• ​Máquinas-ferramentas CNC: Velocidade do fuso 0-6000 rpm comutação contínua

Tabela de comparação dos três tipos de VFD

Como escolher o tipo certo de VFD para a sua aplicação

Os critérios de seleção baseiam-se nas caraterísticas da carga e nos requisitos de potência: Cargas de binário variável (fãs/bombas) deve dar prioridade ao tipo PWM VFDs HVAC (poupança de energia 50Hz → 40Hz > 35%, padrão para accionamentos HVAC), cujos accionamentos VFD se integram perfeitamente com sistemas VFD trifásicos padrão industriais (cobertura trifásica 380V > 90% de aplicações); cargas de impacto como trituradores requerem topologia CSI (capaz de suportar picos de corrente de 300% durante 2 segundos). Para o equipamento antigo monofásico de 220V, os VFD para motores monofásicos só estão disponíveis até 3,7 kW (devem incluir um módulo trifásico virtual); caso contrário, recomenda-se a adaptação do motor.Instalação do VFD devem cumprir os seguintes requisitos: 1) Capacidade do transformador > potência do VFD × 1,25 (THDi harmónica < 8%); 2) Distância de arrefecimento do armário ≥ 30 cm (perda térmica 3% × potência); 3) O sistema VFD deve estar equipado com um filtro EMC (interferência conduzida ≤ 55 dBμV). Para aplicações de resposta altamente dinâmica (por exemplo, fusos CNC), recomenda-se o controlo vetorial SiC-IGBT PWM. Para condições de arranque/paragem com carga pesada, recomenda-se uma combinação de tiristor CSI + motor de ímanes permanentes (material NdFeB com resistência à temperatura ≤ 150°C) para libertar o binário máximo.

Conclusão - Tipos de VFD e o seu papel na automação moderna

Três tipos de arquitecturas de acionamento de frequência variável (VFD) servem cada uma funções distintas: O VSI utiliza a precisão da tensão para controlar as bombas centrífugas, o CSI emprega a rigidez da corrente para gerir os laminadores, enquanto o PWM utiliza impulsos de alta frequência para aperfeiçoar a precisão do CNC - tudo isto, fundamentalmente, para conseguir a revolução do controlo do motor VFD através da reconfiguração das formas de onda da energia eléctrica.

Uma seleção incorrecta pode conduzir a custos duplos: a inadequação dos componentes do variador de frequência (por exemplo, a utilização de VSI para trituradores) pode provocar uma queda de 25% na eficiência do sistema; por outro lado, painéis de variadores de frequência instalados com precisão (integrados em sistemas de filtragem e arrefecimento EMC) podem reduzir os custos do equipamento AVAC manutenção Custos por 40%.Abordar a distinção fundamental entre VSD e VFD: Os variadores de velocidade mecânicos (VSD) são como caixas de velocidades manuais, enquanto o controlo por VFD é semelhante a uma transmissão continuamente variável CVT - utilizando a regulação de precisão ao nível dos semicondutores para estabelecer as bases da eficiência energética. Quando todos os motores de uma fábrica são acionados por um VFD compatível, a rede industrial transforma-se num organismo inteligente que responde em tempo real.