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O uso de inversores para controle de velocidade de motores trifásicos de indução e bastante difundido na indústria em aplicações que variam desde bombeamento de fluidos ate o controle da própria linha de produção. Os motores de indução são muito utilizados em aplicações industriais devido a sua construção simples, sua baixa manutenção e tamanho reduzido se comparado a um motor de mesma potencia, porém de corrente continua (SA, 1978, p9). No entanto a
forma de controle dos motores trifásicos de indução e extremamente mais complexa do que a de um motor de corrente continua, devido ao fato de que se trabalha com reatâncias indutivas variáveis, de acordo com a freqüência de operação. A forma universalmente difundida e comprovadamente eficaz de controle destes motores e por PWM (Modulação por largura de Pulso), que e apenas uma das formas de controle da potencia aplicada sobre o motor, e possui inúmeras variações, desde o simples PWM de
Pulsos Múltiplos ate o extremamente complexo, porem eficaz, PWM Vetorial. Em aplicações onde a precisão da velocidade do motor não e critica (sistemas de acionamento de uso geral), deveria existir uma forma alternativa de controle de velocidade que fosse simples e barata. Seria viável a criação de um circuito de controle simples, focado em aplicações especificas, utilizando um único microcontrolador, e que pudesse controlar a velocidade de pequenos motores de indução? O controle doa motores CC requer o fornecimento de uma tensão CC variável que pode ser obtida a partir de choppers ou retificadores controlados, esses controladores de tensão são simples e baratos. Porem as máquinas CC são relativamente caras e requerem mais manutenção devido as escovas e comutadores que se desgastam rapidamente. Entretanto, os acionamentos CC ainda são utilizados em diversas aplicações industriais e de transporte. As maquinas CA, por sua vez, exibem estruturas
altamente acopladas, não-lineares e multivariáveis, que são exatamente o oposto das maquinas CC de excitação separada, com estruturas desacopladas e muito mais simples. O controle dos acionamentos CA geralmente requer algoritmos complexos que podem ser implementados através de microcontroladores juntamente com conversores de potencia de chaveamento rápido como as pontes H compostas de IGBTS ou MOSFETs. Os motores CA possuem inúmeras vantagens: são mais leves (20% a 40% mais leves que
as maquinas CC equivalentes), mais baratas e tem menos manutenção. Requerem basicamente controle de freqüência, tensão e corrente para aplicações de velocidade variável. (RASHID, 1992, Cap.15). Os conversores de potencia, inversores e controladores de tensão CA podem controlar a freqüência, a tensão e/ou a corrente para fornecer os requisitos do acionamento. Os conversores de potencia, que são relativamente complexos e mais caros, requerem técnicas avançadas de controle com realimentação,
tais como modelo de referencia, controle adaptativo, controle do escorregamento e controle de campo orientado. Entretanto as vantagens dos acionamentos CA compensam as desvantagens de controles tão complexos. Neste tipo de controle o torque e proporcional ao quadrado da tensão de alimentação do estator, e uma redução nesta produzira uma redução na velocidade. A figura 2.1 mostra as curvas características
típicas torque-velocidade para os vários valores de escorregamento. Os pontos de interseção com a linha da carga definem os pontos de operação estável. À medida que a tensão do estator e reduzida, o fluxo do entreferro e o torque também são reduzidos. A uma tensão mais baixa, a corrente terá um Maximo a um escorregamento de s=1/3. A faixa de controle de velocidade depende do escorregamento para o torque Maximo. Para uma maquina de baixo escorregamento, a faixa de velocidade e muito estreita,
esse tipo de controle de tensão não e adequado para uma carga de torque constante e em geral e aplicado em situações que requerem baixo torque de partida e faixa estreita de velocidade.07 jun
Generalidades Sobre Acionamento de Motores e Inversores de Frequência
ACIONAMENTOS
CA
METODOS DE CONTROLE DE MOTORES CA
Controle da tensão do estator
Curvas de torque-velocidade para tensão do estator variável.
Fonte: RASHID, 1992.
A tensão do estator pode ser variada através de:
- Controladores CA trifásicos;
- Inversores trifásicos do tipo fonte de tensão com interligação CC variável;
- Inversores trifásicos PWM.
Devido às características de faixa de velocidade limitada, os controladores de tensão CA normalmente são utilizados em controle de tensão de estator e são muito simples, mas o conteúdo harmônico e elevado e o fator de potencia de entrada dos controladores e baixo. (RASHID, 1992, Cap.15).
Caso o motor não tenha um rotor de alta resistência alguns problemas poderão ocorrer como:
- A variação da característica do conjugado motor na faixa entre a partida e o conjugado Maximo e instável. Manter uma velocidade limite nesta faixa só e possível com o auxilio de uma regulação extremamente rápida.
- Para conseguir-se um alto conjugado de partida são necessárias correntes de partida da ordem de 6 a 10 vezes a corrente nominal.
- O fator de potencia da maquina e baixo para valores altos de escorregamento.
3.1.1 Perdas no rotor devido à variação do escorregamento.
A regulação de velocidade dos motores assíncronos através da variação da tensão do estator seria um processo simples e barato, se não houvesse uma desvantagem que limita sua utilização: o aumento do escorregamento resulta em grandes perdas no rotor da maquina.
Para o escorregamento de 3% o motor deve poder absorver no rotor 3% da potencia nominal sob a forma de perdas.
Os mesmos motores deveriam, para conjugado resistente constante e escorregamento de 50%,
admitir 50% da potencia nominal com perdas no rotor.
Sob estas condições, os motores de indução com carga constante não admitem variação de velocidade através do escorregamento.
Quando o conjugado resistente varia com o quadrado da velocidade as relações são mais favoráveis. A potencia máxima de perdas e de 15% da nominal para 2/3 da velocidade síncrona.
Neste caso através do sobredimensionamento do motor, e possível a operação em toda a faixa de velocidades.
Para motores
pequenos que sempre apresentam perdas percentualmente maiores, o sobredimensionamento e menor do que nas maquinas grandes com bom rendimento.
Baseado nestes motivos, o controle de velocidade, em motores de indução tipo gaiola de esquilo, e feito através da regulação da tensão do estator nos seguintes casos:
- Para operação de curta duração, com duração de ligação do controle de velocidade exatamente definida, por exemplo: partida lenta de maquinas e aceleração de guindastes.
- Regulação de velocidade de ventiladores e bombas com variação quadrática e cúbica do conjugado resistente e sobredimensionamento correspondente do motor.
- Regulação de velocidade de pequenos motores que possuam baixo rendimento, por exemplo: indústria têxtil.
Controle da Tensão do Rotor
Em motores de rotor bobinado1, uma conexão trifásica de resistores externos pode ser feita aos anéis, como mostrado na figura 2.2. O torque desenvolvido pode ser variado através da variação da resistência Rx. Esse método aumenta o torque de partida, alem de limitar a corrente de partida. Entretanto, e um método ineficiente e haverá desequilíbrio nas tensões e correntes se as resistências no circuito do rotor não forem exatamente iguais. Uma maquina de indução de rotor bobinado e projetada para ter baixa resistência de rotor de tal forma que a eficiência de operação seja elevada e o escorregamento a plena carga seja baixo.
O controle de velocidade por tensão de rotor só pode ser efetuado em maquinas com rotores bobinados. Ao Contrario das maquinas de rotor bobinado, os motores de indução com rotores Gaiolas de Esquilo não possuem bobinas de rotor nem tampouco anéis de comutação, contudo são os motores mais utilizados em aplicações industriais de qualquer tipo.
Controle de velocidade através da tensão do rotor. Fonte: RASHID,1992.
O aumento na resistência do rotor não afeta o valor do torque Maximo, mas aumenta o escorregamento no torque Maximo. Os motores de rotor bobinado são amplamente utilizadas em aplicações que requerem freqüentes partidas e frenagens com torques elevados (por exemplo, guindastes). Devido à disponibilidade dos enrolamentos do rotor para a variação da resistência deste, a maquina de rotor bobinado oferece maior flexibilidade para o controle, mas ha um aumento do custo e necessidade de manutenção devido aos anéis e escovas. Rashid (1992, Cap.15) confirma que: gA maquina de rotor bobinado não e tão amplamente utilizada como a maquina de rotor em gaiola de esquilo.
Controle da Frequência
O torque e a velocidade das maquinas de indução podem ser controlados variando-se somente a frequência da fonte de alimentação. Se a tensão for mantida fixa em seu valor nominal enquanto a frequência e reduzida abaixo do seu valor nominal, o fluxo aumentara, o que pode levar a saturação do fluxo do entreferro.
Assim, os parâmetros da maquina podem perder sua validade. Em baixa frequência, as reatâncias diminuem e a corrente da maquina pode ser muito elevada.
Devido a
estes problemas, o controle de velocidade por frequência normalmente não e muito utilizado. (RASHID, 1992, Cap. 15).
Se a frequência for aumentada acima do seu valor nominal, o fluxo e o torque diminuem.
As curvas características típicas torque-velocidade são mostradas na figura. Assim, pode-se concluir que o torque Maximo e inversamente proporcional ao quadrado da freqüência, similar ao comportamento das maquinas CC em serie.
Nesse tipo de controle, diz-se que a maquina opera no
modo de enfraquecimento de campo.
Para ƒ > 1, a maquina e operada a tensão nominal constante e o fluxo e reduzido, limitando dessa maneira a sua capacidade de torque.
Para 1 < ƒ < 1,5, a relação entre torque e ƒ pode ser considerada aproximadamente linear.
Para ƒ < 1, a maquina e normalmente operada a fluxo constante, reduzindo-se a tensão nominal juntamente com a freqüência de tal forma que o fluxo permaneça constante. Para este ultimo caso existe o controle escalar
V/F, que será visto na sequência.
Característica do torque com controle da frequência.
Controle da Tensão e da Frequência (Controle Escalar V/F)
Se a relação entre a tensão e a frequência for mantida constante, o fluxo permanecera constante. O torque Maximo, que e independente da freqüência, pode ser mantido aproximadamente constante. Entretanto, em baixa freqüência o fluxo do entreferro e reduzido devido à queda na impedância do estator, tendo a tensão de ser aumentada para manter o nível de torque.
As curvas características típicas torque-velocidade são mostradas na figura a seguir.
À medida que a freqüência e reduzida, ƒÀ diminui e o escorregamento para o torque Maximo aumenta. Para uma dada demanda de torque, a velocidade pode ser controlada variando-se a freqüência. Portanto, variando-se tanto a tensão quanto a freqüência, o torque e a velocidade podem ser controlados. O torque normalmente e mantido constante, enquanto a velocidade e variada. A tensão a freqüência variável pode ser obtida a partir de inversores trifásicos ou cicloconversores.
Os cicloconversores são utilizados em aplicações de potencias muito elevadas2, nas quais a exigência de freqüência e de metade ou um terço da freqüência da rede.
Curvas características torque-velocidade para o controle V/F. Fonte: RASHID, 1992.
A partir do advento da modulação PWM para controle de maquinas de indução, três esquemas possíveis para obtenção de tensão e freqüência variáveis são apresentados na figura a seguir. Por exemplo: Locomotivas e moinhos de cimento.
Acionamentos de maquinas CA com fonte de tensão.Fonte: RASHID,1992.
Na figura a, a tensão permanece constante e a técnica PWM3 e aplicada para variar tanto a tensão quanto a freqüência do inversor. Devido ao retificador com diodos, não e possível a regeneração e o inversor ira gerar harmônicos em direção a alimentação CA.
Na figura b, o chopper4 varia a tensão CC para o inversor e este controla a freqüência. Devido ao chopper, a injeção de harmônicos na rede de alimentação CA e reduzida. Neste caso o sistema de controle terá que trabalhar com 2 sinais PWMs, o primeiro fará a variação do sinal CC do chopper para a entrada do inversor, e o segundo fará a variação da freqüência do PWM na ponte H, que efetivamente será aplicada ao motor, sendo que o tipo de PWM aplicado ao motor pode aumentar ou reduzir ainda mais os harmônicos gerados.
Na figura c, a tensão CC e controlada pelo conversor Dual e a freqüência e controlada pelo inversor. O arranjo permite regeneração, entretanto o fator de potencia do conversor e baixo, especialmente quando o angulo de disparo e alto.
INVERSORES TRIFÁSICOS
Uma saída trifásica em degrau (tensão quase quadrada) pode ser obtida a partir da configuração padrão de inversores, onde são utilizados 6 MOSFETs, IGBTs ou Transistores Bipolares de potencia. Os diodos em anti-paralelo servem para permitir um caminho de retorno para a corrente quando se alimenta uma carga indutiva. Este esquema se denomina Ponte H trifásica.
Condução por 180º
Neste esquema, cada transistor conduz por 180º, ou seja, sempre existem três transistores conduzindo a qualquer instante de tempo. Quando o transistor Q1 entra em condução, o terminal a e conectado ao positivo da tensão CC de entrada. Quando o transistor Q4 entra em condução, o terminal a e levado ao negativo da fonte CC. Existem 6 modos de operação em um ciclo e a duração
de cada modo e de 60o. Os sinais de comando mostrados na figura a seguir são defasados de 60o uns dos outros para que se possa obter tensões trifásicas de saída equilibradas.
A carga pode ser conectada em estrela ou em triangulo.
Para uma carga em triângulo, as correntes de fase podem ser obtidas diretamente a partir das tensões de linha, uma vez que as correntes de fase são conhecidas as correntes de linha podem ser determinadas.
Para uma carga em estrela, a tensão de fase-neutro
tem de ser determinada de modo a se encontrar as correntes de linha e de fase.
Sinais de comando para condução por 180º. Fonte: RASHIDE,1992.
Neste tipo de controle cada transistor conduz por 120º. Apenas 2 transistores conduzem simultaneamente. Os sinais de comando são mostrados na figura a seguir. A qualquer instante, dois terminais da carga são conectados a fonte de alimentação CC e o terceiro permanece em aberto. O potencial desse terminal dependera das características da carga. Como cada transistor conduz por 120o, cada um conduz por menos tempo que os de condução por 180o para as mesmas condições de carga.
Controle de tensão de inversores
Para que possamos ter um controle V/F, precisamos saber as diversas técnicas existentes para se alterar o ganho do inversor. O método mais eficiente de controle do ganho consiste em incorporar o controle de modulação por largura de pulso (PWM) dentro do inversor. As técnicas mais utilizadas são:
Modulação por largura de pulso único
Neste tipo de controle, existe somente um pulso por semiciclo e a sua largura e variada para controlar a tensão de saída do inversor. A figura a seguir mostra a geração dos sinais de comando e a tensão de saída do inversor monofásico em ponte completa. Os sinais de comando são gerados por comparação de um sinal de referencia retangular, com uma onda portadora triangular. A frequência do sinal de referencia determina a freqüência fundamental da tensão de saída.
Harmônicos da modulação por largura de pulso único.Fonte: RASHID, 1992.
Neste tipo de modulação, conforme figura 2.9, o harmônico dominante e o terceiro, que e muito difícil de ser filtrado por ter uma freqüência muito próxima da fundamental, e o fator de distorção aumenta significativamente para baixas tensões de saída.
Modulação por largura de pulsos múltiplos (UPWM)
Os harmônicos podem ser reduzidos se ao invés de termos um único pulso por semiciclo, tivermos diversos pulsos. A geração dos sinais de comando para ligar e desligar os IGBTs e feita por comparação de um sinal de referencia CC com uma onda portadora triangular conforme figura a seguir. A freqüência do sinal de referencia estabelece a freqüência de saída, e a freqüência da portadora determina o numero de pulsos por semiciclo. O índice de modulação controla a tensão de saída. Esse tipo de modulação também e conhecido como modulação por largura de pulso uniforme.
Figura 2.10 . Modulação por pulsos múltiplos.
Os harmônicos podem ser reduzidos se ao invés de termos um único pulso por semiciclo, tivermos diversos pulsos. A geração dos sinais de comando para ligar e desligar os IGBTs e feita por comparação de um sinal de referencia CC com uma onda portadora triangular conforme figura a seguir. A freqüência do sinal de referencia estabelece a freqüência de saída, e a freqüência da portadora determina o numero de pulsos por semiciclo. O índice de modulação controla a tensão de saída. Esse tipo de modulação também e conhecido como modulação por largura de pulso uniforme.
Figura 2.11 . Harmônicos da modulação por largura de pulsos múltiplos. Fonte: RASHID, 1992.
Segundo a figura anterior, para p = 5 pulsos por semiciclo, a ordem dos harmônicos e a mesma da modulação por pulso único,
entretanto, devido a um maior numero chaveamentos por unidade de tempo, as perdas por comutação aumentarão.
Aumentando-se o valor de p, consegue-se diminuir as amplitudes dos harmônicos de baixa ordem, com o 3o e o 5o, porem as amplitudes de harmônicos de mais alta ordem aumentarão, o que não e problemático visto que tais harmônicos podem ser facilmente eliminados com filtros, ou na própria bobina do motor.
Modulação por largura de pulsos senoidal (SPWM)
Ao invés de manter a
largura de todos os pulsos sempre a mesma, como no caso da modulação de pulsos múltiplos, a largura de cada pulso e variada em proporção à amplitude de uma onda senoidal de referencia.
Neste tipo de modulação, o fator de distorção e os harmônicos são reduzidos significativamente.
Os sinais de controle são gerados através da comparação de um sinal de referencia senoidal com uma onda portadora triangular. Esse tipo de modulação era muito utilizado em aplicações industriais, antes do
advento da modulação vetorial.
A freqüência do sinal de referencia determina a freqüência de saída do inversor, e sua amplitude máxima controla o índice de modulação M, que, por sua vez, controla a tensão eficaz de saída. O numero de pulsos por semiciclo depende da freqüência da portadora.
Dentro da restrição de que dois MOSFETs ou IGBTs do mesmo ramo não podem conduzir ao mesmo tempo, a tensão de saída e mostrada na figura a seguir. De acordo com a curva freqüência/torque, o motor de
indução, a partir da tensão nominal de trabalho, consome a corrente nominal e entrega torque nominal a velocidade nominal, normalmente 1800rpm para 60Hz em um motor de 4 pólos, conforme dados de placa.
Quando se tem aumento de carga no eixo, em velocidade nominal, ha uma perda de velocidade e tanto o escorregamento como a corrente no estator aumentam. O motor pode suportar ate 2,5 vezes o torque nominal com apenas 20% de diminuição da velocidade nominal, porem, qualquer acréscimo extra de
carga alem deste limite causara a queima do motor.
O torque desenvolvido pelo motor e diretamente proporcional ao campo magnético produzido pelo estator, isto e, a tensão aplicada ao estator e diretamente proporcional ao produto do fluxo e da velocidade angular. Isto faz o fluxo produzido pelo estator ser proporcional a razão entre tensão e freqüência aplicadas.
Variando a freqüência, a velocidade do motor também pode ser variada, porem, variando-se a tensão e a freqüência numa mesma
proporção, obtemos fluxo e torque constantes por toda faixa de velocidades, ou seja, podemos ter torque constante em velocidades extremamente baixas.
Em velocidade nominal, a tensão e a freqüência aplicadas ao motor precisam estar de acordo com os dados de placa do mesmo. Podemos acionar o motor em velocidades maiores que as nominais, através da aplicação de frequências maiores que a nominal, porem, alem do valor nominal, a tensão não pode ser incrementada, o que ocasiona diminuição da
constante V/F, diminuição do campo e conseqüentemente perda de torque.
Sinais de controle e saída da modulação SPWM. Fonte: RASHID, 1992.
Harmônicos na modulação SPWM. Fonte: RASHID, 1992.
O perfil dos harmônicos e mostrado na figura anterior para cinco pulsos por semiciclo. O fator de distorção e significativamente reduzido se comparado ao da modulação por pulsos múltiplos. Mas o mais importante e que este tipo de modulação elimina todos os harmônicos menores ou iguais a 2p -1. Para p = 5, o harmônico de mais baixa ordem e o 9o. A tensão de saída de um inversor sempre contem harmônicos, porem, o SPWM forca os harmônicos a uma faixa de alta freqüência em torno da freqüência de chaveamento e de seus múltiplos.
Modulação por largura de pulsos senoidal modificada (MSPWM) 6
As larguras dos pulsos mais próximos do valor de pico da seno ide não mudam significativamente com a variação do índice de modulação, isso se deve a característica das ondas senoidais em geral, e a técnica SPWM pode ser modificada tal que a onda portadora seja aplicada durante o primeiro e o ultimo intervalo de 60º por semiciclo, conforme figura 2.14. Esse tipo de
modulação e conhecido como 6 MSPWM: Modified Sinusoidal Pulse Width Modulation.
MSPWM, que significa PWM senoidal modificada.
Resulta em aumento da componente fundamental e suas características harmônicas são melhoradas conforme figura a seguir.
Reduz-se também o numero de chaveamentos dos dispositivos de potencia e com isso as perdas por chaveamento.
Modulação MSPWM. Fonte: RASHID, 1992.
Figura 2.15 . Harmônicos da MSPWM. FONTE: RASHID, 1992.
Modulação Trapezoidal
Os sinais de comando são gerados por comparação de uma onda portadora triangular com uma onda de referencia trapezoidal, como mostrado na figura a seguir.
Figura 2.16 . Modulação Trapezoidal. FONTE: RASHID, 1992.
Modulação escada ou degrau
O sinal de referencia e uma escada, o qual não e uma aproximação de uma onda senoidal. Cada um dos degraus e calculado para que se possa eliminar harmônicos específicos e otimizar o valor da fundamental. Este e um PWM otimizado e não e recomendado para menos que 15 pulsos por ciclo, conforme figura a seguir.
Neste tipo de modulação, para que a tensão fundamental de saída seja elevada e o fator de distorção seja baixo, o numero de pulsos por ciclo deve ser 15 para 2 degraus, 21 para três e 27 para quatro níveis. (RASHID, 1992, Cap. 15).
Este tipo de modulação fornece alta qualidade da tensão de saída.
Figura 2.17 . Modulação em degrau. FONTE: RASHID, 1992.
Principais questões relacionadas a este artigo:
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- Controladores CA trifásicos.
- Inversores trifásicos PWM.
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