Motor Trifásico

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Teoria 16 16.1 Conversores CA-CA Para Acionamento de Máquina de Indução Trifásica Introdução: Um motor elétrico transforma a potência elétrica fornecida em potência mecânica e uma reduzida percentagem em perdas. As perdas, que são inerentes ao processo de transformação, são quantificadas através do rendimento, que é a razão entre a potência de saída e a potência de entrada: As máquinas de corrente alternada em geral , especialmente a máquina de indução trifásica, é construtivamente muito mais simples e robustas do que as máquinas de corrente contínua. Apresenta menor massa (20 a 40% a menos), para uma mesma potência, o que leva a um custo menor de aquisição e manutenção do que a máquina CC equivalente. Quando se trata de realizar um acionamento controlado, no entanto, os conversores e sistemas de controle necessários se tornam mais sofisticados do que aqueles utilizados para as máquinas de CC. Isso torna necessário analisar o custo global, e não apenas o relativo à máquina. Entretanto, o custo dos conversores e dos circuitos eletrônicos que o compõem vem diminuindo com o passar o tempo, enquanto que o custo de produção dos motores tem tido uma variação muito menos significativa. Por esta razão, o custo total do sistema (máquina + acionamento) segue uma tendência de ser cada vez mais vantajoso para a máquina CA. Já, em termos de desempenho dinâmico, o surgimento de novas técnicas de controle como o controle vetorial, têm possibilitado às máquinas CA apresentarem comportamento similar ao das máquinas CC, eliminando, também neste aspecto, as vantagens anteriores dos sistemas baseados em máquinas CC. 16.2 Modelamento da máquina de indução trifásica: Uma máquina de indução trifásica (ou motor assíncrono), é constituída basicamente pelos seguintes elementos: Rua Jaguaré Mirim, 71 - Vila Leopoldina” SENAI Serviço Nacional ESCOLA SENAI “MARIANO FERRAZ" CEP: 05311-020 - São Paulo - SP NAI E-Mail: [email protected] de Aprendizagem Industrial Fone/Fax: (011)3641-0024 193 • O estator: um circuito magnético estático, o qual é constituído por uma pilha de chapas de aço ferromagnético, isoladas entre si, ao qual se dá o nome de estator. O estator possui enrolamentos (3 grupos de enrolamentos) instaladas nas ranhuras abertas no estator nos quais é aplicada a tensão de alimentação CA trifásica. • O rotor constituído por um núcleo ferromagnético, também laminado, isoladas entre si, sobre o qual encontram-se ou enrolamentos (rotor bobinado), ou um conjunto de condutores paralelos (gaiola de esquilo curtocircuitada) que são barras de alumínio, dispostos paralelamente entre si e unidas nas suas extremidades por dois anéis condutores, também em alumínio, que curto-circuitam os condutores. Tanto enrolamentos quanto a gaiola de esquilo permitem a circulação correntes induzidas provocadas pela corrente alternada das bobinas do estator. O rotor é apoiado num eixo, que por sua vez transmite à carga a energia mecânica produzida. O entreferro (distância entre o rotor e o estator) é bastante reduzido, de forma a reduzir a corrente em vazio e portanto as perdas, mas também para aumentar o fator de potência em vazio. Estator da máquina de indução No caso dos motores de indução “de rotor bobinado” os enrolamentos do rotor são construídos de forma similar aos enrolamentos do estator. O acesso aos terminais destes enrolamentos rotóricos é feito através de escovas de carvão que deslizam sobre anéis condutores, o que dá origem ao nome “motores de anéis”, por vezes utilizados p/ designar tais motores. Os motores de indução tipo “gaiola de esquilo” são atualmente os mais freqüentes. A vantagem do rotor gaiola de esquilo em relação ao de rotor bobinado é que resulta numa construção mais rápida, mais prática e mais barata do induzido. Trata-se de um motor robusto, barato, de rápida produção, não exigindo coletor (órgão sensível e caro) e de rápida ligação à rede. As barras condutoras da gaiola são colocadas geralmente com uma certa inclinação, como mostrado na figura ao lado, para evitar as trepidações e ruídos que resultam da ação eletromagnética entre os dentes das ranhuras do estator e do rotor. A principal desvantagem do motor com rotor de gaiola de esquilo curto-circuitada é devido ao fato de o conjugado de partida ser reduzido em relação à corrente que é absorvida pelo estator. Rua Jaguaré Mirim, 71 - Vila Leopoldina” SENAI Serviço Nacional ESCOLA SENAI “MARIANO FERRAZ" CEP: 05311-020 - São Paulo - SP NAI E-Mail: [email protected] de Aprendizagem Industrial Fone/Fax: (011)3641-0024 194 Estator: Carcaça (1) - É a estrutura suporte do conjunto; de construção robusta em ferro fundido, em aço ou em alumínio injetado, resistente à corrosão e com aletas. Núcleo de chapas (2) - as chapas são de aço magnético, tratadas termicamente para reduzir ao mínimo as perdas no ferro. Enrolamento trifásico (8) - três conjuntos iguais de bobinas (um para cada fase), formando um sistema trifásico ligado à rede trifásica de alimentação. Rotor: Eixo (7) - transmite a potência mecânica desenvolvida pelo motor. É tratado termicamente para evitar problemas como empenamento e fadiga. Núcleo de chapas (3) - as chapas possuem as mesmas características das chapas do estator. Barras e anéis de curto-circuito (12) - são de alumínio injetado sob pressão numa única peça. Outras partes do motor de indução trifásico: Tampa (4); Ventilador (5); Tampa defletora (6); Caixa de ligação (9); Terminais (10); Rolamentos (11). Rua Jaguaré Mirim, 71 - Vila Leopoldina” SENAI Serviço Nacional ESCOLA SENAI “MARIANO FERRAZ" CEP: 05311-020 - São Paulo - SP NAI E-Mail: [email protected] de Aprendizagem Industrial Fone/Fax: (011)3641-0024 195 Projeção dos diversos elementos do motor de indução trifásicocom rotor em gaiola de esquilo Rua Jaguaré Mirim, 71 - Vila Leopoldina” SENAI Serviço Nacional ESCOLA SENAI “MARIANO FERRAZ" CEP: 05311-020 - São Paulo - SP NAI E-Mail: [email protected] de Aprendizagem Industrial Fone/Fax: (011)3641-0024 196 A partir do momento que os enrolamentos localizados nas ranhuras do estator são sujeitos a alimentação através de uma corrente alternada trifásica, gera-se um campo magnético no estator, e, conseqüentemente, no rotor surge uma força eletromotriz induzida devido ao fluxo magnético variável que atravessa o rotor. A f.e.m. induzida dá origem a uma corrente induzida no rotor que tende a opor-se à causa que lhe deu origem, (Lei de Faraday e Lei de Lenz) criando assim um movimento giratório no rotor. Assim, por efeito transformador, o campo magnético produzido pelos enrolamentos do estator induz correntes no rotor, de modo que, da interação de ambos campos magnéticos será produzida o conjugado que levará a máquina à rotação, ou seja, a potência mecânica traduz-se basicamente, no conjugado que o motor gera no eixo do rotor. O Conjugado é conseqüência direta do efeito originado pela indução magnética do estator em interação com a do rotor. 16.2.1 O Campo Girante: Devido a: • Característica trifásica da alimentação do estator; • Distribuição espacial dos enrolamentos na circunferência do estator; Estator: bobinas (fases) estão defasadas em 120º e ligadas em triângulo O campo produzido pelo estator é girante, ou seja, sua resultante possui um movimento rotacional. O campo produzido pelas correntes induzidas no rotor terá a mesma característica, procurando sempre acompanhar o campo girante do estator. A velocidade de um motor de indução é essencialmente determinada pela freqüência da CA fornecida ao motor e pelo numero de pólos do campo resultante no entreferro. Por sua vez o número de pólos resultante no entreferro depende do número de enrolamentos por fase existente no estator. Deste modo, velocidade angular do campo girante, chamado de velocidade síncrona (ω ) S depende, além da freqüência de alimentação, do chamado número de pólos da máquina. O número de pólos indica quantos enrolamentos, deslocados espacialmente (simetricamente) no estator, são alimentados pela mesma tensão de fase. Por exemplo, se 3 enrolamentos (um para cada fase) estiverem dispostos num arco de 180º e outros 3 enrolamentos ocuparem os 180º restantes, diz se que esta é uma máquina de 4 pólos (ou dois pares de pólos). Veja o exemplo: Rua Jaguaré Mirim, 71 - Vila Leopoldina” SENAI Serviço Nacional ESCOLA SENAI “MARIANO FERRAZ" CEP: 05311-020 - São Paulo - SP NAI E-Mail: [email protected] de Aprendizagem Industrial Fone/Fax: (011)3641-0024 197 60ª 30ª 60ª Formação de campo girante em máquina de quatro pólos. O campo girante possui 2 pólos norte e 2 pólos sul, distribuídos simetricamente e intercalados. A figura anterior ilustra tal situação. Dada a simetria circular da máquina, tem-se que o campo resultante, o qual é visto no entreferro da máquina, apresenta os pólos resultantes deslocados 90 graus (espacial) um do outro. A resultante no centro do arranjo é sempre nula, no entanto, o que importa é o fluxo presente no entreferro. Se o rotor puder girar na mesma velocidade do campo girante, a cada ciclo completo das tensões de alimentação (360 graus elétricos) corresponderá uma rotação de 180 graus no eixo. Observe na figura a seguir como as bobinas são montadas sobrepostas ao longo da periferia do estator: Montagem dos enrolamentos do estator em máquina de 4 pólos. Sendo p o número de pólos e ω a freqüência angular (em rad/s) das tensões de alimentação S da máquina, a velocidade de rotação do campo girante (velocidade síncrona) ω , (em rad/s) é dada S Rua Jaguaré Mirim, 71 - Vila Leopoldina” SENAI Serviço Nacional ESCOLA SENAI “MARIANO FERRAZ" CEP: 05311-020 - São Paulo - SP NAI E-Mail: [email protected] de Aprendizagem Industrial Fone/Fax: (011)3641-0024 198 ϖ = 2 ⋅π ⋅ f por: Por ser mais prático, podemos também trabalhar com a freqüência f (em Hz) e com a velocidade n (em r.p.m.): Note que o número de pólos do motor terá que ser sempre par, para formar os pares de pólos. Para as freqüências e “polaridades” usuais, as velocidades síncronas são: Rotação síncrona por minuto Nº de pólos 60 Hertz 3600 1800 1200 900 720 2 4 6 8 10 50 Hertz 3000 1500 1000 750 600 16.2.2 A Produção de Conjugado: O campo girante roda a velocidade síncrona com a CA da rede. Por outro lado, a freqüência da corrente que é induzida no rotor resulta da diferença de duas freqüências: • • Da freqüência da CA que alimenta o estator; Da freqüência relativa à velocidade de giro do rotor. Assim, a corrente induzida no rotor possui uma freqüência que é a diferença das freqüências angulares do campo girante e do rotor. Por exemplo, numa partida, no instante inicial com a máquina ainda parada, a freqüência da corrente induzida no rotor é máxima (no caso 60 Hz sendo essa a freqüência da CA de alimentação); Enquanto o rotor acelera a freqüência da corrente induzida vai-se reduzindo até chegar tipicamente a uns poucos Hz, no momento em que a máquina atingir a plena rotação de regime. Note que, se o rotor girasse na mesma velocidade do campo girante, não haveria corrente induzida, pois a diferença entre as freqüências resultaria em 0 Hz, ou seja, não haveria variação de fluxo pelas espiras do rotor que fizesse surgir f.e.m. induzida. Não havendo corrente, também não haverá conjugado. Desta análise qualitativa pode-se concluir que: A produção de conjugado no eixo de um motor de indução deriva do fato de que a velocidade do rotor ser sempre diferente do que a velocidade do campo girante. Daí o nome motor assíncrono: A velocidade mecânica não é sincronizada com a freqüência da rede de alimentação CA, pois mesmo em regime estável, ainda manterá sempre uma pequena diferença. Por exemplo, num motor de 4 Pólos em uma rede de CA de freqüência 60 Hz temos a Rua Jaguaré Mirim, 71 - Vila Leopoldina” SENAI Serviço Nacional ESCOLA SENAI “MARIANO FERRAZ" CEP: 05311-020 - São Paulo - SP NAI E-Mail: [email protected] de Aprendizagem Industrial Fone/Fax: (011)3641-0024 199 velocidade do campo girante (velocidade síncrona) em rpm correspondendo a: Entretanto a rotação mecânica (do rotor) especificada pelo fabricante na placa de identificação é: O que corresponde a uma freqüência assíncrona de: Assim, a freqüência da corrente induzida no rotor é: Essa diferença entre a velocidade síncrona e a velocidade do rotor pode ser convertida em um valor de índice denominado escorregamento (S). O escorregamento é uma característica fundamental dos motores de indução, daí o fato destes motores serem chamados de motores assíncronos. O escorregamento é dado pela seguinte expressão: O qual pode ser obtido também, da mesma forma, a partir das rotações em RPM. Como exemplo para um motor de quatro pólos a plena carga temos um escorregamento: O escorregamento tende a aumentar à medida que existe a necessidade da produção de mais conjugado pelo motor, ou, em outras palavras, a velocidade sofre um ligeiro decréscimo quando o motor passa de um funcionamento em vazio (sem carga) para um funcionamento em carga máxima. Assim, a velocidade rotórica, também chamada de velocidade mecânica é dada por: Freqüência Velocidade mecânica n= 120 ⋅ f ⋅ (1 − S) p Escorregamento Número de Pólos Já o conjugado do motor de indução é obtido por uma expressão semelhante à utilizada para o congado de um motor CC: Rua Jaguaré Mirim, 71 - Vila Leopoldina” SENAI Serviço Nacional ESCOLA SENAI “MARIANO FERRAZ" CEP: 05311-020 - São Paulo - SP NAI E-Mail: [email protected] de Aprendizagem Industrial Fone/Fax: (011)3641-0024 200 Conjugado do motor CMO = K E ⋅ ΦM ⋅ IR Corrente rotórica Fluxo magnético 16.2.3 O Escorregamento e o Fator de Potência: Com a máquina girando em vazio, o escorregamento é mínimo e a corrente induzida também, apenas suficiente para produzir o torque em vazio. As correntes que circulam pelos enrolamentos do motor são apenas para manter a magnetização, tendo-se assim uma carga altamente indutiva e um fator de potência extremamente baixo: cos ϕ ≤ 0,3 À medida que uma carga mecânica é aplicada ao motor, a velocidade rotórica diminui, causando aumento do escorregamento e da freqüência da corrente induzida no rotor. O aumento da corrente do rotor reflete na corrente do estator, provocando também, o aumento desta, no entanto, apesar de estarmos solicitando mais potência da linha de alimentação, estamos produzindo mais potência mecânica, e, com um fator de potência melhor. A carga plena a máquina terá um escorregamento que promove o equilíbrio entre o conjugado do motor (C ) e o conjuga resistente da carga (C ). O fator de potência típico é de: M RE 0,95 ≥ cos ϕ ≥ 0,8 Dependendo do porte do motor, sendo que motores maiores apresentam também maior fator de potência. 16.2.4 Curva Característica Torque-Velocidade: A figura a seguir mostra uma curva torque - velocidade típica para um motor alimentado a partir de uma fonte de tensão senoidal com freqüência e amplitude ambas fixas. Existem 3 regiões de operação: • Tração (0 < s < 1); • Regeneração (s < 0); • Reversão (1 < s < 2). Rua Jaguaré Mirim, 71 - Vila Leopoldina” SENAI Serviço Nacional ESCOLA SENAI “MARIANO FERRAZ" CEP: 05311-020 - São Paulo - SP NAI E-Mail: [email protected] de Aprendizagem Industrial Fone/Fax: (011)3641-0024 201 Característica torque-velocidade da máquina de indução. No modo de tração, o rotor roda no mesmo sentido do campo girante e, à medida que o escorregamento aumenta (partindo do zero), o torque também aumenta (ou vice-versa), de maneira praticamente linear, enquanto o fluxo de entreferro se mantém constante. O torque de partida é obtido quando S =1 e tem o mesmo valor de T . SAT A corrente induzida no rotor depende: • Da tensão induzida (f.e.m.) no rotor, cuja variação é linear com o escorregamento (S); • Da impedância do rotor, que para valores pequenos de escorregamento (até cerca de 10%, tipicamente), a reatância do rotor pode ser desconsiderada e podemos considerar o rotor como sendo praticamente resistivo (e variando minimamente), ou seja, podendo ser considerado constante. Assim, neste trecho (de zero a 10% do escorregamento), a corrente do rotor cresce de modo linear com o escorregamento, o mesmo ocorrendo com a potência. Na região de operação em que o escorregamento é menor do que S , o motor opera de modo M estável. Quanto menor a resistência ôhmica do rotor, menor será o valor de S e mais próxima estará a M velocidade mecânica da velocidade síncrona. Assim, nesta região, o motor opera praticamente a velocidade constante. Dado que a velocidade é praticamente constante (próxima a ωs), o torque varia de forma praticamente linear com o aumento de S. Com escorregamento a partir de 10%, a indutância do rotor começa a se tornar mais significativa e a resistência equivalente passa a diminuir de modo mais marcante, tem-se a partir daí uma redução da taxa de crescimento da corrente e do torque, resultado de uma menor fração de tensão Rua Jaguaré Mirim, 71 - Vila Leopoldina” SENAI Serviço Nacional ESCOLA SENAI “MARIANO FERRAZ" CEP: 05311-020 - São Paulo - SP NAI E-Mail: [email protected] de Aprendizagem Industrial Fone/Fax: (011)3641-0024 202 aplicada à parte resistiva. Assim, a operação normal do motor deve ser feita na região linear, uma vez que, se ocorrer do conjugado resistente exceder torque máximo de tração do motor (T ), o motor, vencido, perde sua MT velocidade e pára. Uma vez parado o motor mantém um certo torque (T ), mas que é menor que o SAT torque máximo que o motor tinha em tração, isso ocorre, pois a máquina está saturada e a saturação causa modificação da característica torque-velocidade e por estar saturado, temos ainda elevadas perdas no rotor, com alta corrente induzida. Esta situação, se persistente, causa sobre-aquecimento à máquina com danos ao isolamento dos enrolamentos. O travamento do motor por excesso de conjugado resistente ocorre normalmente com: 20% ≥ S ≥15%. No modo de regeneração, o rotor e o campo girante movem-se no mesmo sentido, mas a velocidade mecânica (ω ), é maior do que a velocidade síncrona (ω ), o que causa que o m s escorregamento se torne negativo. Esta situação só pode ocorrer se tivermos o estator alimentado por um dispositivo que seja capaz de variar a freqüência da CA de alimentação e se, a partir de um regime de rotação estável, a freqüência da CA de alimentação passe a ser repentinamente diminuída. Nesta situação a máquina está operando como gerador, entregando potência para o sistema ao qual está conectado o estator. A característica torque - velocidade é similar àquela da operação em tração, mas com um valor de pico maior de torque, uma vez que se reduzindo a freqüência, aumenta-se o fluxo. No modo de reversão, o campo girante gira em sentido oposto ao rotor, levando a um escorregamento maior do que 1 (2>S>1). Esta situação só pode ocorrer quando se faz a inversão na conexão entre duas das fases da alimentação do estator, pois a troca de duas fases provoca a mudança no sentido de rotação do campo girante. No inicio do processo de reversão o torque produzido (que tende a acompanhar o campo girante) se opõe ao movimento do rotor (que por inércia prossegue girando ainda no sentido anterior). Isso leva a uma frenagem da máquina. O torque presente é pequeno, mas as correntes são elevadas. A energia retirada da massa girante é dissipada internamente na máquina, levando ao seu aquecimento, que pode ser excessivo. Por este motivo, o uso deste modo de operação deve ser comedido, pois um grande número de reversões sucessivas pode causa sobre-aquecimento à máquina com danos ao isolamento dos enrolamentos. 16.3 Métodos de Controle da Velocidade de Máquina de Indução: Do ponto de vista do acionamento, a velocidade de um motor de indução pode ser variada das seguintes maneiras: • Controle da resistência do rotor; • Controle da tensão do estator; • Controle da freqüência do estator; • Controle da tensão e da freqüência do estator; • Controle da corrente. Rua Jaguaré Mirim, 71 - Vila Leopoldina” SENAI Serviço Nacional ESCOLA SENAI “MARIANO FERRAZ" CEP: 05311-020 - São Paulo - SP NAI E-Mail: [email protected] de Aprendizagem Industrial Fone/Fax: (011)3641-0024 203 16.3.1 Controle pela Resistência: Para uma máquina de rotor bobinado é possível, externamente, colocar resistências que se somem à impedância própria do rotor, como mostrado na figura a seguir. A variação de Rx permite mover a curva torque - velocidade da máquina, como mostrado a seguir: Note que, para um dado torque, o aumento da resistência do rotor leva a uma diminuição na velocidade mecânica. Uma vantagem é que esse método permite elevar o torque de partida e limitar a corrente de partida. Uma desvantagem obvia é a baixa eficiência devido à dissipação de potência sobre as resistências. O balanceamento entre as 3 fases é fundamental para a boa operação da máquina. Este tipo de acionamento foi usado especialmente em situações que requeriam grande número de partidas e paradas, além de elevado torque. Os resistores podem ser substituídos por um retificador trifásico que “enxerga” uma resistência variável, a qual é determinada pelo ciclo de trabalho do transistor de saída, como mostrado na figura a seguir: Outros arranjos, utilizando retificadores controlados, permitem que, ao invés de dissipar Rua Jaguaré Mirim, 71 - Vila Leopoldina” SENAI Serviço Nacional ESCOLA SENAI “MARIANO FERRAZ" CEP: 05311-020 - São Paulo - SP NAI E-Mail: [email protected] de Aprendizagem Industrial Fone/Fax: (011)3641-0024 204 energia sobre a resistência externa, se possa enviá-la de volta para a rede. A relação entre a tensão CC definida pelo retificador e a corrente (I ) refletem para os enrolamentos do rotor como uma resistência d equivalente. Este arranjo é mostrado na figura a seguir: 16.3.2 Controle pela Tensão de Alimentação do Estator: Da equação do torque: Vê-se que ele é proporcional ao quadrado da tensão aplicada ao estator. Assim para um dado torque, uma redução na tensão produz um aumento no escorregamento, o que significa uma diminuição na velocidade, como mostrado na figura a seguir: Este tipo de acionamento não é aplicável a cargas que necessitem de torque constante, nem em aplicações que requeiram elevado conjugado de partida. A faixa de ajuste de velocidade é relativamente estreita e é feita ao custo de uma redução significativa do torque disponível. Motores construídos para este tipo de acionamento são denominados de classe D e possuem elevada resistência de rotor, de modo que a faixa de variação de velocidade se torne maior e não seja muito severa a perda de torque em baixas velocidades. Quando a curva do torque da carga cruza a curva da máquina além do ponto de torque Rua Jaguaré Mirim, 71 - Vila Leopoldina” SENAI Serviço Nacional ESCOLA SENAI “MARIANO FERRAZ" CEP: 05311-020 - São Paulo - SP NAI E-Mail: [email protected] de Aprendizagem Industrial Fone/Fax: (011)3641-0024 205 máximo, não é possível o acionamento. A tensão do estator pode ser variada por meio de um controlador de tensão CA, formado por tiristores, operando com controle de fase. Sua simplicidade justifica seu uso em sistemas de baixa performance e potência, como ventiladores e bombas centrífugas, que precisam de baixo torque de partida. Outra possibilidade é o uso de um inversor trifásico, operando com freqüência constante e tensão ajustável, seja variando a tensão CC, seja por uso de PWM. 16.3.3 Controle pela Variação da Freqüência: Como se viu em equações anteriores, variando-se a freqüência, varia-se também a velocidade síncrona e variando-se a velocidade síncrona varia-se a velocidade mecânica e o torque de um motor de indução. Entretanto devemos considerar que nos valores nominais de tensão e freqüência, o fluxo de entreferro da máquina também estará em seu valor nominal. À medida que a freqüência for sendo diminuída e a tensão for mantida constante, o fluxo aumentará, pois o fluxo é inversamente proporcional à freqüência. Assim sendo, à medida que a freqüência diminui, tal situação acaba levando à saturação da máquina, alterando os parâmetros da máquina e a sua característica torque - velocidade. Como agravante, em baixas freqüências, com a queda no valor das reatâncias, as correntes tendem a se elevar demasiadamente. Por outro lado, se a freqüência for aumentada acima do valor nominal e a tensão mantida, o fluxo e o torque diminuem. Considerando-se a velocidade síncrona à freqüência nominal como sendo a velocidade base (b=1), então abaixo da velocidade base o emprego deste método se torna proibitivo, pois o fluxo deve ficar limitado ao seu valor nominal. Assim este tipo de controle não deve ser usado para variar a velocidade para menor. Já a elevação da freqüência permite aumentar a velocidade, a pesar de ser às custas da perda do torque da máquina. Esta característica é similar à dos motores de corrente contínua quando se faz a elevação da velocidade pelo método do enfraquecimento do campo. Uma alimentação deste tipo pode ser obtida por meio de um inversor que forneça uma tensão constante (valor eficaz), variando apenas a freqüência, pelo chaveamento dos dispositivos do circuito apresentado a seguir: Rua Jaguaré Mirim, 71 - Vila Leopoldina” SENAI Serviço Nacional ESCOLA SENAI “MARIANO FERRAZ" CEP: 05311-020 - São Paulo - SP NAI E-Mail: [email protected] de Aprendizagem Industrial Fone/Fax: (011)3641-0024 206 Os motores de indução trifásicos podem ser conectados a rede conforme a tensão de linha (ligação em triângulo) ou a tensão de fase da rede (ligação em estrela). No caso dos motores CA, o acionamento pode ser realizado através de inversores de corrente ou de tensão. Uma representação esquemática do inversor de tensão é apresentada na figura anterior. No caso apresentado, não é possível a conexão do terminal neutro (N) do motor no caso de uma ligação em estrela uma vez que isso implicaria no controle independente de cada fase. As curvas típicas de torque - velocidade para diferentes valores de velocidade, acima da velocidade base, estão mostradas na figura a seguir: Rua Jaguaré Mirim, 71 - Vila Leopoldina” SENAI Serviço Nacional ESCOLA SENAI “MARIANO FERRAZ" CEP: 05311-020 - São Paulo - SP NAI E-Mail: [email protected] de Aprendizagem Industrial Fone/Fax: (011)3641-0024 207 16.3.4 Controle da tensão e da freqüência: Se a razão entre a magnitude tensão e a freqüência da alimentação do motor for mantida constante ⎛v ⎞ ⎜ ⇒ constante⎟ ⎝f ⎠ , conseqüentemente o fluxo de entreferro (ΦM ) não se altera, de modo que o torque máximo disponível da máquina também não se altera. Concluímos então que para podermos variar a velocidade de um motor de indução mantendo o conjugado constante, devemos manter constante a relação tensão / freqüência. Isto também é chamado de Método de Controle Escalar. 220V 110V 30Hz 60Hz Uma vez que a tensão nominal da máquina não deve ser excedida, a princípio este tipo de acionamento aplica-se apenas para velocidades abaixo da velocidade base. O acionador mais usual é o tipo inversor com controle PWM. O inversor que utiliza o princípio de manter a razão Volts/Hz constante é denominado inversor escalar. A figura a seguir mostra a característica torque - velocidade para uma excitação deste tipo, para velocidades abaixo da velocidade base: Perda da capacidade de produzir torque À medida que a velocidade se reduz é porque a freqüência está se reduzindo, e por conseguinte a reatância indutiva ( X L = 2 ⋅ π ⋅ f ⋅ L ) do estator também está se reduzindo. Como conseqüência o fluxo no entreferro tende a diminuir devido a uma maior queda de tensão na parte Rua Jaguaré Mirim, 71 - Vila Leopoldina” SENAI Serviço Nacional ESCOLA SENAI “MARIANO FERRAZ" CEP: 05311-020 - São Paulo - SP NAI E-Mail: [email protected] de Aprendizagem Industrial Fone/Fax: (011)3641-0024 208 resistiva do estator e a uma redução na tensão aplicada sobre a reatância de magnetização. Assim para baixas freqüências temos perdas na resistência do estator, que se torna muito resistivo, o que faz com que o motor perca a capacidade de produção de torque. Este fenômeno se torna mais significativo para velocidades abaixo de 30% da velocidade nominal. Tal fato conduz a uma necessidade de se elevar a tensão no caso de acionamento em baixas freqüências, através de compensações, denominadas compensações IxR, modificando a curva Volts/Hz, para essa faixa de velocidade, a fim de se recuperar o torque. Compensação Máxima Sem Compensação 16.3.5 Controle da corrente: O torque do motor de indução pode ser controlado variando-se a corrente do rotor. No entanto, como se tem acesso à corrente do estator, é ela que pode ser objeto de controle direto. Acionamentos com malha de regulação de corrente são mais estáveis que os acionamentos controlados com a técnica V/f. A figura a seguir mostra a característica torque - velocidade para diferentes valores de corrente de entrada. O torque máximo é praticamente independente da freqüência. Na partida (S=1) o valor Rr/S é reduzido, de modo que a corrente que flui pela indutância de magnetização é pequena, produzindo um Rua Jaguaré Mirim, 71 - Vila Leopoldina” SENAI Serviço Nacional ESCOLA SENAI “MARIANO FERRAZ" CEP: 05311-020 - São Paulo - SP NAI E-Mail: [email protected] de Aprendizagem Industrial Fone/Fax: (011)3641-0024 209 baixo fluxo e, conseqüentemente, um pequeno torque. À medida que a máquina se acelera o escorregamento diminui e aumentam a corrente de magnetização, o fluxo e o torque, caminhando no sentido da saturação do material ferromagnético. A fim de evitar saturação, o motor é normalmente acionado na região instável da curva torque - velocidade, o que só é possível em malha fechada e com controle sobre a tensão terminal da máquina (para impedir a sua saturação). Uma corrente com valor eficaz constante pode ser suprida por inversores de corrente. Tais inversores são obtidos tendo no barramento CC uma fonte de corrente contínua, tipicamente realizada por um indutor, sobre o qual é controlada a corrente. Técnicas tipo PWM são também possíveis, desde que o inversor seja adaptado para tal situação. Isto significa que as chaves devem permitir passagem de corrente em apenas um sentido, sendo capazes de bloquear tensões com ambas polaridades. As figuras a seguir mostram os tipos de chaves semicondutores utilizadas nos diferentes tipos de inversores. 16.3.5.1 Inversores de Tensão: As topologias dos inversores de tensão utilizadas no acionamento de máquinas elétricas não possuem diferenças significativas em relação àquelas já descritas para a realização de inversores de freqüência fixa. O que os diferencia é o circuito de controle que deve produzir, quando necessário, um sinal de referência com freqüência variável. 16.3.5.2 Inversores de corrente: O uso de inversores de corrente ocorre principalmente em aplicações de grande potência, nas quais não é necessária uma rápida resposta dinâmica, tais como: ventiladores e bombas, guindastes, esteiras rolantes, acionamento de veículos pesados. Dada a alta potência envolvida, soluções topológicas que utilizam SCRs e GTOs (Gate Turn-Off Thyristors) são interessantes. No primeiro caso (SCRs) como a alimentação é em corrente contínua, faz-se necessário o uso de algum tipo de comutação forçada para permitir o desligamento dos tiristores. Com GTOs é possível utilizar técnicas do tipo PWM. A tensão observada na entrada das máquinas é praticamente senoidal. Este fato indica o uso destes conversores para o acionamento de máquinas elétricas (especialmente as de construção mais antiga) cuja isolação da fiação, em função do isolante utilizado, não admite taxas de variação da tensão (dv/dt) muito elevadas. Uma estrutura genérica para um sistema de acionamento de motores CA em corrente, no caso usando SCRs é mostrada na figura a seguir. O nível da corrente CC sobre a indutância de alisamento, L, é ajustado pelo retificador (conversor CA-CC) de entrada. A freqüência das correntes alternadas na Rua Jaguaré Mirim, 71 - Vila Leopoldina” SENAI Serviço Nacional ESCOLA SENAI “MARIANO FERRAZ" CEP: 05311-020 - São Paulo - SP NAI E-Mail: [email protected] de Aprendizagem Industrial Fone/Fax: (011)3641-0024 210 saída do inversor (conversor CC-CA) é determinada pelo circuito de comando do inversor. Este inversor pode possuir diferentes topologias, como se verá a seguir. Esta estrutura permite, pelo ajuste adequado do ângulo de disparo da ponte retificadora, a regeneração de energia, ou seja, a energia retirada do motor acionado pode refluir para a rede, bastando para tanto que, momentaneamente, a tensão média na saída do retificador seja negativa. A figura a seguir mostra a topologia de um inversor de corrente trifásico utilizando SCRs. A máquina é representada por um circuito RL e uma tensão E, de forma senoidal. A operação adequada do conversor exige que exista, a todo instante, pelo menos uma fase de cada semiponte (superior e inferior) em condução, para dar vazão à corrente. Em caso de necessidade, a chave auxiliar Sw propicia um caminho alternativo para a corrente. Os capacitores utilizados são os responsáveis pela comutação dos tiristores. Rua Jaguaré Mirim, 71 - Vila Leopoldina” SENAI Serviço Nacional ESCOLA SENAI “MARIANO FERRAZ" CEP: 05311-020 - São Paulo - SP NAI E-Mail: [email protected] de Aprendizagem Industrial Fone/Fax: (011)3641-0024 211 A figura a seguir mostra a condução dos tiristores e formas de corrente na carga. 16.3.5.3 Inversor de corrente com IGBT (ou GTO): Se a chave semicondutora permite desligamento comandado, como é o caso dos IGBTs e GTOs, pode-se aplicar técnicas de modulação de largura de pulso (PWM), à semelhança do que se faz com os inversores de tensão. O interruptor deve permitir passagem de corrente num único sentido e ser capaz de bloquear tensões com ambas polaridades. Deve-se garantir que haja sempre uma chave em condução em cada semiponte. Como a impedância da carga é indutiva, é necessária a colocação de capacitores na saída do inversor de modo a acomodar as diferenças instantâneas dos valores das correntes de entrada e da carga. Tais capacitâncias podem provocar ressonâncias com as componentes indutivas do circuito, devendo-se controlar a tensão sobre os capacitores. Rua Jaguaré Mirim, 71 - Vila Leopoldina” SENAI Serviço Nacional ESCOLA SENAI “MARIANO FERRAZ" CEP: 05311-020 - São Paulo - SP NAI E-Mail: [email protected] de Aprendizagem Industrial Fone/Fax: (011)3641-0024 212 O uso de motores elétricos de indução alimentados por inversores de freqüência para acionamentos de velocidade variável tem crescido significativamente nos últimos anos em virtude das vantagens inerentes proporcionadas por esta aplicação, tais como a facilidade de controle, a economia de energia e a redução no preço dos inversores, liderada pelo desenvolvimento de componentes eletrônicos cada vez mais baratos. Tais acionamentos são aplicados principalmente em bombas, ventiladores, centrífugas e bobinadeiras. As características construtivas de um motor de indução alimentado por uma rede senoidal são determinadas em função das características desta rede, das características da aplicação e das características do meio ambiente. No entanto, quando o motor é alimentado por inversor de freqüência, também as características próprias do inversor exercem significativa influência sobre o comportamento do motor, determinando-lhe novas características construtivas ou de operação. Outra influência sobre as características construtivas do motor alimentado por inversor de freqüência está relacionada com o tipo de aplicação, mais especificamente com a faixa de velocidade na qual o motor irá trabalhar. Observa-se, portanto, que existem diferenças na maneira de especificar um motor de indução sem variação de velocidade, alimentado por uma rede senoidal e um motor com variação de velocidade, alimentado por inversor de freqüência. ALLenz 2005 Rua Jaguaré Mirim, 71 - Vila Leopoldina” SENAI Serviço Nacional ESCOLA SENAI “MARIANO FERRAZ" CEP: 05311-020 - São Paulo - SP NAI E-Mail: [email protected] de Aprendizagem Industrial Fone/Fax: (011)3641-0024 213