controle de velocidade de motores elétricos - Curitiba

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO
DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ELETRÔNICA
ESPECIALIZAÇÃO EM AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
JACQUELINE PINHO PAIXÃO
CONTROLE DE VELOCIDADE DE MOTORES ELÉTRICOS
MONOGRAFIA - ESPECIALIZAÇÃO
CURITIBA
2009
JACQUELINE PINHO PAIXÃO
CONTROLE DE VELOCIDADE DE MOTORES ELÉTRICOS
Monografia
de
conclusão
do
Curso
de
Especialização em Automação Industrial do
Departamento Acadêmico de Eletrônica da
Universidade Tecnológica Federal do Paraná
apresentada como requisito parcial para
obtenção
do
grau
de
Especialista
em
Automação Industrial.
Orientadora: MSc. Simone Massulini Acosta
CURITIBA
2009
Ministério da Educação
Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Diretoria do Campus Curitiba
Gerência de Pesquisa e Pós-Graduação
Departamento Acadêmico de Eletrônica
_______________________________________________________________
TERMO DE APROVAÇÃO
Titulo da Monografia
CONTROLE DE VELOCIDADE DE MOTORES ELÉTRICOS
Área de conhecimento: Automação Eletrônica de Processos Elétricos e Industriais
por
Jacqueline Pinho Paixão
A presente monografia, requisito parcial para obtenção do título de ESPECIALISTA
EM AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL, foi avaliada pela banca examinadora, constituída
pelos docentes abaixo discriminados, que considerou o trabalho Aprovado.
________________________________________
Prof. Msc. Guilherme Alceu Schneider
_______________________________________
Prof. Dr. Sergio Leandro Stebel
______________________________________
Profa. Msc. Simone Massulini Acosta
Orientador
Curitiba, 10 de Novembro de 2009.
Visto da coordenação
_____________________________________
Prof. GUILHERME ALCEU SCHNEIDER
RESUMO
PAIXÃO, Jacqueline Pinho. Controle de velocidade de motores elétricos. 2009.
62 p. Monografia (Especialização em Automação Industrial) - Programa de PósGraduação em Automação industrial, UTFPR, Curitiba.
Esta monografia apresenta as características dos sistemas de controle de
velocidade de motores de corrente contínua, motores de corrente alternada e de
servomotores, obtidas através de pesquisas bibliográficas e de informações de
fabricantes. Em função das principais características destes sistemas, é possível
selecionar o mais adequado para algumas aplicações industriais. Devido o auxílio da
empresa CANOS AS, pode-se verificar o comportamento de motores elétricos e
servomotores em algumas aplicações específicas na indústria.
Palavra-chave: Motor Elétrico. Servomotor. Controle de Velocidade de Motores.
ABSTRACT
PAIXÃO, Jacqueline Pinho. Controle de velocidade de motores elétricos. 2009.
62 p. Monografia (Especialização em Automação Industrial) - Programa de PósGraduação em Automação industrial, UTFPR, Curitiba.
This work presents a study about characteristics of the speed control systems of
eletric Motors obtained through bibliographical researches and of manufactures
information. Due to the main characteristics of theses systems, it is possible to select
the most appropriate for some industrial applications. The Canos SA. Company
helped the development this work through tests to verify the characteristics of eletric
motors in some specific applications of the industry.
Keywords: Electric Motor. Servomotor. Speed Control Motors.
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO......................................................................................................6
1.1
TEMA................................................................................................................6
1.1.1. Delimitação do tema.........................................................................................7
1.2. PROBLEMA E PREMISSAS .............................................................................8
1.3. OBJETIVOS......................................................................................................9
1.3.1. Objetivo Geral ...................................................................................................9
1.3.2. Objetivos Específicos ........................................................................................9
1.4. JUSTIFICATIVA................................................................................................9
1.5. METODOLOGIA DE PESQUISA ....................................................................10
2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA..........................................................................11
2.1. CONTROLE DE VELOCIDADE DE MOTORES DE CORRENTE CONTÍNUA..11
2.1.1. Motores de Corrente Contínua ........................................................................11
2.1.1.1. Tipos de Excitação dos Motores de Corrente Contínua ...............................20
2.1.1.2. Seleção de Motores de Corrente Contínua ..................................................25
2.1.2. Conversores CA/CC ........................................................................................28
2.2. CONTROLE DE VELOCIDADE DE MOTORES DE CORRENTE ALTERNADA.31
2.2.1. Motores Assíncronos.......................................................................................31
2.2.2. Conversores de Frequência ............................................................................36
2.3. CONTROLE DE VELOCIDADE DE SERVOMOTORES ...................................47
2.3.1. Servomotores ..................................................................................................47
2.3.2. Servoconversor ...............................................................................................50
3. ANÁLISE DE CASOS.........................................................................................52
3.1. APLICAÇÕES DE CONTROLE DE VELOCIDADE ..........................................52
3.2. APLICAÇÕES NA EMPRESA “CANOS AS”.....................................................58
3.2.1. Motor CA........................................................................................................598
3.2.2. Motor CC .........................................................................................................59
3.5. Servomotor .......................................................................................................59
4. CONCLUSÃO.....................................................................................................60
REFERÊNCIAS.........................................................................................................61
LISTA DE FIGURAS
Figura 1- Principais partes construtivas de um motor de corrente contínua..............14
Figura 2- Motores CC ................................................................................................14
Figura 3- Construção de uma máquina CC ...............................................................15
Figura 4- Comutador e motor CC ..............................................................................15
Figura 5- Forças que atuam em uma espira imersa num campo magnético
percorrida pela corrente de armadura. ....................................................... 16
Figura 6- 1º estágio de funcionamento do motor CC.................................................17
Figura 7- 2º estágio de funcionamento do motor CC.................................................17
Figura 8- 3º estágio de funcionamento do motor CC.................................................18
Figura 9- 3º estágio de funcionamento do motor CC.................................................18
Figura 10- Circuito equivalente de uma máquina CC................................................19
Figura 11- Armadura, enrolamento paralelo (shunt) e enrolamento série do motor
CC. ...........................................................................................................20
Figura 12- Excitação paralelo (shunt) do motor CC. .................................................21
Figura 13- Excitação série do motor CC ...................................................................22
Figura 14- Curva característica do motor com excitação série..................................22
Figura 15- Excitação compound do motor CC...........................................................23
Figura 16- Curva característica do motor com excitação composta..........................23
Figura 17- Diagrama elétrico de uma máquina CC com excitação independente.....24
Figura 18- Curvas características do motor de excitação independente...................24
Figura 19- Conjugado inversamente proporcional à rotação.....................................25
Figura 20- Conjugado constante ...............................................................................26
Figura 21- Conjugado diretamente proporcional à rotação .......................................26
Figura 22- Conjugado diretamente proporcional ao quadrado da rotação ................27
Figura 23- Faixa de operação do motor de corrente contínua com excitação
independente (a) Controle pela armadura e pelo campo e (b)
Controle somente pela armadura. .......................................................... 28
Figura 24- Família CTW-04 .......................................................................................29
Figura 25- Diagrama em blocos do CTW-04 .............................................................30
Figura 26- Aspecto construtivo de um motor de indução trifásico .............................32
Figura 27- Princípio de funcionamento do motor de indução trifásico.......................34
Figura 28- Característica de conjugado x velocidade para motores com rotor em
gaiola......................................................................................................36
Figura 29- Diagrama em blocos de um conversor de freqüência ..............................37
Figura 30- (a) Forma de onda resultante do chaveamento dos transistores por
iguais períodos ligados e desligados, (b) Forma de onda resultante do
chaveamento dos transistores com períodos ligados e desligados
variáveis. .................................................................................................. 38
Figura 31- PWM senoidal e forma de onda da corrente do motor.............................38
Figura 32 - Característica V/f.....................................................................................40
Figura 33- Característica conjugado x velocidade.....................................................40
Figura 34- Característica tensão x freqüência...........................................................41
Figura 35- Característica conjugado x frequência .....................................................43
Figura 36- Característica de conjugado x rotação em motores autoventilados, em
regime permanente. ................................................................................. 44
Figura 37- Característica de conjugado x rotação em motores com ventilação
independente.......................................................................................... 45
Figura 38- Família CFW-08 .......................................................................................46
Figura 39- Diagrama em blocos do CFW-08 .............................................................46
Figura 40- Servomotor e servoconversor da WEG....................................................50
Figura 41- Ligação do servomotor.............................................................................51
Figura 42- Diagrama em blocos do servoconversor SCA-04 da WEG......................51
6
1. INTRODUÇÃO
1.1 TEMA
Os motores elétricos são dispositivos que convertem energia elétrica em
energia mecânica (TORO, 1999, p. 107) ou, também, podem ser definidos como
conversores eletromecânicos de potência capazes de gerenciar elevados níveis de
energia (SIMONE; CREPPE, 2002, p. 84).
Quando o sistema é energizado com corrente alternada, são utilizados os
motores de corrente alternada (CA) e quando é energizado com corrente contínua,
são utilizados os motores de corrente contínua (CC) (TORO, 1999, p. 107).
Conforme Simone e Creppe (2002, p. 84), são exemplos de conversores
eletromecânicos os motores de corrente alternada, que envolvem motores
síncronos, assíncronos e universais, e os motores de corrente contínua (CC), que
envolvem motores à ímã permanente e com enrolamento de campo. Para Rolim
(2007, p. 1), os motores elétricos podem ser classificados de forma genérica como
motores de corrente contínua, motores de indução ou assíncronos e motores
síncronos.
Além dos motores apresentados acima, existem, também, os servomotores que
são motores elétricos que podem ter a velocidade e/ou a posição de seu eixo
controladas. Um servomotor precisa de um sistema de potência e outro de controle
para desempenhar suas funções. Os três tipos de servomotores mais utilizados são:
de corrente contínua, de corrente alternada síncrono e de corrente alternada
assíncronos. A utilização de um determinado tipo de servomotor depende da
dinâmica do sistema, do torque máximo da carga, da velocidade entre outros (WEG,
2003).
A principal aplicação dos motores CC está ligada ao controle de velocidade
quando existe a necessidade de manter o torque da máquina, mesmo com a
variação de velocidade. Porém, os motores CC possuem custos elevados, em
relação aos CA, necessitam de manutenção mais frequente e não são
recomendados para alguns ambientes como, por exemplo, quando existem gases
que possam causar explosão (CARVALHO, 2007, p. 85).
7
O motor CA é mais barato, necessita de pouca manutenção e pode ser utilizado
em ambientes diversos, podendo ser controlado precisamente por um sistema de
controle vetorial (FURTUNATO, 2001, p. 148).
Os servomotores são utilizados quando se necessita rápido controle de
corrente, larga faixa de controle de velocidade, alta precisão de posicionamento,
dimensões reduzidas, entre outros fatores (WEG, 2003).
Os motores elétricos são os maiores consumidores de energia no setor
industrial, sendo responsáveis pelo consumo de 40,7% da energia elétrica utilizada
pela indústria brasileira. Os padrões de consumo de energia crescem a cada dia
sendo necessário a busca de maior eficiência energética, controlando-se a
quantidade de energia gasta (CASTRO, 2008). Isso garantirá um aumento de
qualidade e, simultaneamente, uma melhoria na eficiência dos processos produtivos,
com a conseqüente redução dos custos (FONSECA, 2007, p. 1).
Devido a preocupação com a redução do consumo de energia elétrica no
ambiente industrial, após a seleção do motor elétrico adequado a cada tipo de
aplicação, é importante selecionar, também, o controlador de velocidade mais
apropriado para esse motor (TORO, 1999, p. 186).
Durante anos as aplicações em que se necessitava do controle de velocidade
variável foram limitadas pela tecnologia e requisitos de manutenção dos
componentes empregados. A partir da década de 1980, foi possível a
implementação de sistemas de variação de velocidade eletrônicos, que passaram a
proporcionar economia de energia elétrica e melhora no desempenho dos sistemas
(WEG, 2000, p.10).
1.1.1. Delimitação do tema
Neste trabalho serão apresentadas as principias características dos sistemas
de controle de velocidade de motores de corrente contínua, motores de corrente
alternada e servomotores, buscando identificar em quais aplicações industriais cada
um dos tipos de motores, e seus respectivos conversores, são mais adequados.
8
1.2.
PROBLEMA E PREMISSAS
Os motores CC foram, ao longo do tempo, diminuindo suas aplicações no
controle de velocidade de sistemas na indústria em função dos custos com
manutenção, de não poderem ser utilizados em alguns ambientes industriais e,
também, da evolução da eletrônica que permitiu o desenvolvimento de sistema de
controle de velocidade para motores CA com custos acessíveis. Para sistemas que
necessitam de controle de altas velocidades com excelente torque, começaram a ser
utilizados os servomotores.
Desta forma, uma pergunta deve ser feita: Como saber qual motor utilizar
quando for necessário controlar a velocidade do mesmo em um determinado
processo industrial?
Nesta trabalho, serão apresentados alguns processos industriais onde se
necessita a variação de velocidade e, através do estudo das características do
controle de velocidade de motores CC, CA e servomotores, será possível identificar
qual a melhor opção a ser utilizada para cada um dos processos apresentados.
9
1.3.
OBJETIVOS
1.3.1. Objetivo Geral
Identificar o sistema de controle de velocidade de motores elétricos mais
adequado para algumas aplicações industriais selecionadas.
1.3.2. Objetivos Específicos
• Apresentar o princípio de funcionamento e as características dos motores de
corrente contínua, motores de corrente alternada e servomotores;
• Levantar as características dos sistemas de controle de velocidade de
motores de corrente contínua;
• Levantar as características dos sistemas de controle de velocidade de
motores de corrente alternada;
• Levantar as características dos sistemas de controle de velocidade de
servomotores;
• Selecionar o sistema de controle de velocidade mais adequado para algumas
aplicações industriais.
1.4.
JUSTIFICATIVA
Em função dos diferentes tipos de motores elétricos e dos sistemas disponíveis
para o controle de velocidade destes motores, torna-se necessário identificar qual a
melhor solução a ser aplicada em sistemas industriais onde o controle de velocidade
é necessário.
10
1.5.
METODOLOGIA DE PESQUISA
Para serem atingidos os objetivos propostos, serão necessárias pesquisas
bibliográficas sobre o princípio de funcionamento de os motores CC, CA e
servomotores e sobre as formas que estes motores são controlados.
Após, serão selecionadas algumas aplicações industriais onde se necessita de
variação de velocidade e serão especificados quais os motores elétricos mais
adequados e seus respectivos sistemas de controle, levando em consideração
alguns critérios tais como, manutenção necessária e economia de energia elétrica.
Este trabalho será do tipo descritivo com o objetivo de especificar conceitos
sobre controle de velocidade de motores elétricos CC, CA e servomotores.
A pesquisa bibliográfica será composta de três fases: pesquisa baseada em
referenciais teóricos; análise e comparações, identificando similaridades com as
descrições dos referenciais teóricos e, registro formal dos resultados.
11
2.
FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
Motores elétricos são dispositivos que transformam energia elétrica em
energia mecânica. Em um motor, a simples presença da corrente elétrica, seja
contínua ou alternada, garante o movimento em um eixo que pode ser aproveitado
de diversas maneiras dependendo da aplicação do motor. Segundo Franchi (1977,
p. 18), “de acordo com o tipo de fonte de alimentação os motores elétricos podem
ser divididos em motores de corrrente contínua e de corrente alternada”.
A ação motora pode ser aproveitada em diversos acionamentos de máquinas
e equipamentos, como por exemplo: transporte de fluidos incompressíveis (bombas
de água ou óleo); transporte de fluidos compressíveis (ventiladores, exaustores,
compressores e outros); processamento de materiais metálicos (furadeiras, prensas
e outros); processamento de materiais não metálicos (extrusora de massas, moinhos
e outros); manipulação de cargas (elevadores, escadas e outros); e transporte de
cargas e passageiros (metrô, carros elétricos e outros). Segundo Filho (2002, p. 2), o
motor elétrico é a máquina mais utilizada na indústria, no comércio, residência ou
meio rural. O motor elétrico tornou-se um dos mais notórios inventos do homem ao
longo de seu desenvolvimento tecnológico, são máquinas de construção simples
com custos reduzidos e não são poluentes, seu principio de funcionamento,
construção e seleção devem ser conhecidos para que ele desempenhe seu papel
relevante no mundo de hoje (FILHO, 2002).
2.1.
CONTROLE DE VELOCIDADE DE MOTORES DE CORRENTE CONTÍNUA
2.1.1. Motores de Corrente Contínua
Segundo Simoni (2000, p. 1), “a máquina de corrente contínua (CC) é um
conversor eletromecânico de energia que, recebendo energia elétrica na forma de
uma corrente contínua, converte-a em energia mecânica e a disponibiliza em sua
porta motriz”.
12
Segundo SIEMENS (2005), as máquinas de corrente contínua podem
trabalhar como motor ou gerador, porém a operação como gerador fica limitada aos
instantes de frenagem e rotação de um motor.
Os motores CC são alimentados por corrente contínua. Essa tensão aplicada
ao motor tem por finalidade energizar os enrolamentos no motor, produzindo pólos
eletromagnéticos que formarão a força eletromotriz (CARVALHO, 2007).
O motor CC possui uma armadura rotativa e um campo estacionário e pode
ser alimentado a partir de um conversor estático que recebe energia elétrica de um
alimentador (corrente alternada) e a converte em corrente contínua (KOSOW, 1979).
Através do conversor estático, o motor pode ter sua aceleração controlada
(SIMONE, 2002, p. 183).
O motor CC é constituído fundamentalmente de duas partes: estator (parte
estacionária) e rotor (parte que gira).
A função do rotor é permitir rotação para a ação geradora ou ação motora
mecânica. Em virtude da rotação, produz a ação de chaveamento para a comutação
e contém os condutores que induzem a tensão ou providenciam um torque
eletromagnético e providencia uma faixa de baixa relutância para o fluxo. O rotor é
formado por (WEG, 2007):
•
Rotor com Enrolamento - Centrado no interior da carcaça, é constituído por
um pacote de chapas de aço silício laminadas, com ranhuras axiais na
periferia para o enrolamento da armadura. Este enrolamento está em contato
elétrico com as lâminas do comutador.
•
Comutador - É o conversor mecânico que transfere a energia ao enrolamento
do rotor. O comutador é constituído de lâminas de cobre isoladas por meio de
lâminas de mica.
•
Eixo - É o elemento que transmite a potência mecânica desenvolvida pelo
motor.
O estator é formado por (WEG, 2007):
•
Carcaça - É a estrutura suporte do conjunto e tem a finalidade de conduzir o
fluxo magnético.
•
Pólos de Excitação - Tem a finalidade de gerar o fluxo magnético. São
constituídos de condutores enrolados sobre núcleos de chapas de aço
13
laminadas cujas extremidades possuem um formato que se ajusta a armadura
e são chamadas de sapatas polares.
•
Pólos de comutação - São colocados na região interpolar e são percorridos
pela corrente de armadura. Compensam o efeito da reação da armadura na
região de comutação, evitando o deslocamento da linha neutra em carga,
reduzindo a possibilidade de centelhamento.
•
Enrolamento de Compensação - É um enrolamento distribuído na periferia da
sapata polar e percorrido pela corrente de armadura. Sua finalidade é
também compensar a reação da armadura, mas agora em toda a periferia do
rotor, e não somente na região transversal. Evita o aparecimento de faíscas
provocadas por uma diferença de potencial entre espiras devido a distribuição
não uniforme da indução no entreferro.
•
Conjunto Porta Escovas e Escovas - O porta escovas permite alojar as
escovas e está montado de tal modo que possa ser girado para o ajuste da
zona neutra. As escovas são compostas de material condutor e deslizam
sobre o comutador quando este gira, pressionadas por uma mola,
proporcionando a ligação elétrica entre a armadura e o exterior.
A Figura 1 apresenta as principais partes construtivas de um motor de
corrente contínua e a Figura 2, a imagem de motores CC.
O estator do motor de corrente contínua sustenta os pólos principais e os
pólos de comutação (interpólos), conforme Figura 3 que mostra a disposição dos
pólos e enrolamentos e o sentido dos respectivos campos. Nos pólos principais
localiza-se o enrolamento de excitação principal (F1-F2), eventualmente também o
enrolamento série de excitação auxiliar (D1-D2) e, em casos especiais, o
enrolamento de compensação (C1-C2), montado nas sapatas polares. Nos pólos de
comutação (interpólos) tem-se as bobinas do enrolamento de comutação (B1-B2).
No rotor da máquina se encontra o enrolamento da armadura (A1-A2 da
Figura 3) e o comutador de corrente. Se houver necessidade, pode ser adicionado o
enrolamento em série auxiliar (D1-D2) sobre os pólos principais, percorrido pela
corrente da armadura.
O campo S deve atuar contra a reação da armadura (ação enfraquecedora) e
auxiliar o campo principal H. Por este motivo, o sentido da corrente no enrolamento
auxiliar deve permanecer sempre igual ao sentido da corrente no enrolamento de
excitação, também quando ocorrer a inversão da corrente de armadura.
14
1. Coroa
2. Pólo de excitação com enrolamento
3. Pólo de comutação com enrolamento
4. Porta escovas
5. Eixo
6. Pacote de chapas do rotor com enrolamento
7. Comutador
8. Rolamentos
9. Mancal
10. Caixa de ligações
Figura 1 - Principais partes construtivas de um motor de corrente contínua
Fonte: WEG, 2007
Figura 2- Motores CC
Fonte: WEG, 2007
15
Figura 3- Construção de uma máquina CC
Fonte: WEG, 2007
Então, existe um campo magnético que tem origem no estator e um
enrolamento de armadura no rotor. Esse enrolamento é ligado, bobina a bobina, às
lâminas do comutador, solidário ao eixo do rotor. Escovas de grafite em contato com
o comutador, fornecem energia elétrica ao enrolamento do rotor, sendo unidirecional
a corrente entregue ao rotor (SIMONI, 2007, p. 26).
Para demonstrar o princípio de funcionamento do motor CC, considera-se três
componentes básicos: bobina, campo magnético fixo e comutador (CARVALHO,
2007, p. 86). O funcionamento de um motor de corrente contínua está baseado nas
forças produzidas da interação entre o campo magnético e a corrente de armadura
no rotor, que tendem a mover o condutor num sentido que depende do sentido do
campo e da corrente na armadura (regra de Fleming da mão esquerda – ação
motora). A Figura 4 apresenta a imagem de um comutador e um motor CC.
Figura 4- Comutador e motor CC
Fonte: CARVALHO, 2007
16
A Figura 5 apresenta um motor CC elementar. Ela mostra o sentido das
forças que agem sobre uma espira, quando aplica-se uma fonte de tensão CC. Sob
a ação da força, a espira irá se movimentar no sentido anti-horário até atingir o ponto
em que a força resultante é nula (ponto em que o ângulo θ é igual a 0o ou 180o), não
dando continuidade ao movimento. Torna-se, então, necessária a inversão da
corrente na espira para que se tenha um movimento contínuo. Este problema é
resolvido utilizando-se um comutador, que possibilita a circulação de corrente
alternada no rotor através de uma fonte CC. Para se obter um conjugado constante
durante todo um giro da armadura do motor utilizam-se várias espiras defasadas no
espaço, montadas sobre um tambor e conectadas ao comutador.
Figura 5- Forças que atuam em uma espira imersa num campo
magnético, percorrida pela corrente de armadura.
Fonte: WEG, 2007
Pode-se, também, analisar o princípio de funcionamento do motor CC através
de quatro estágios fundamentais (CARVALHO, 2007):
•
1º Estágio: A bobina de uma espira se encontra posicionada paralelo ao
campo, completamente atingida pelo campo magnético criado pelo imã fixo,
conforme Figura 6. A bobina é alimentada pelo comutador com polaridade
mostrada. Sabe-se que pelas leis do eletromagnetismo, essa espira
percorrida por uma corrente elétrica produzirá outro campo magnético em
17
torno da espira que causará uma reação da bobina dentro das linhas de força
do campo fixo.
Figura 6- 1º estágio de funcionamento do motor CC.
Fonte: CARVALHO, 2007
•
2º Estágio: Neste estágio, Figura 7, a bobina girou no sentido determinado e
está em uma posição em que é pouco atingida pelas linhas de força, portanto
não há reação entre o campo fixo e o da bobina, mas esta continua a girar
por ação da força anterior, até atingir o próximo estágio.
Figura 7- 2º estágio de funcionamento do motor CC.
Fonte: CARVALHO, 2007
•
3º Estágio: Neste estágio, Figura 8, ocorre a inversão da posição da bobina,
mas o comutador mantêm a corrente circulando sempre em um mesmo
sentido.
18
Figura 8- 3º estágio de funcionamento do motor CC.
Fonte: CARVALHO, 2007
•
4º Estágio: Tem-se uma posição intermediária em que a bobina está
inclinada com relação ao campo em um ângulo de aproximadamente 30º,
conforme Figura 9.
Figura 9- 3º estágio de funcionamento do motor CC.
Fonte: CARVALHO, 2007
As bobinas de campo do estator alimentadas, produzirão um campo
magnético no estator cujas linhas cortarão a armadura. Se houver uma força
eletromotriz
(FEM)
na
armadura,
ela
gira
e
suas
bobinas
atravessam
constantemente as linhas de campo do estator, criando na armadura uma força
contraeletromotriz (FCEM).
A força contraeletromotriz (E) é proporcional à velocidade e ao fluxo
magnético, conforme equação (1) (WEG, 2007).
E = n . φ . CE
(1)
19
Onde: n – rotação;
φ - fluxo magnético;
CE – constante.
A soma da forças que atuam sobre os condutores do induzido cria o
conjugado eletromagnético dado pela equação (2).
C = Cm . φ . IA
(2)
Onde: IA – corrente de armadura;
φ - fluxo magnético;
Cm – constante.
A Figura 10 apresenta o circuito equivalente de uma máquina CC. Analisando,
tem-se a equação (3).
UA – E – IA RA = 0
(3)
UA - tensão de armadura;
IA - corrente de armadura;
E - força contraeletromotriz;
RA - resistência do circuito da armadura.
Figura 10- Circuito equivalente de uma máquina CC
Fonte: WEG, 2007
Das equações (1) e (3) pode-se obter uma relação que fornece a velocidade
da máquina em função das outras grandezas envolvidas, equação (4).
n=
U − RAIA
E
= A
CE. φ
CE. φ
(4)
Com as grandezas: tensão de armadura, corrente de armadura e fluxo
magnético, a partir das equações (2) e (4), pode-se obter o comportamento do motor
para os tipos básicos de excitação.
A velocidade em um motor de corrente contínua está relacionada com a FEM
aplicada à armadura e a FCEM gerada na armadura pelo campo magnético do
estator cortando a armadura (CARVALHO, 2007, p. 91).
20
Segundo a Siemens (2005) o motor de corrente continua possui as
vantagens:
•
Operação em quatro quadrantes com custos relativamente baixo;
•
Ciclo contínuo mesmo em baixas rotações;
•
Alto torque na partida e em baixas rotações;
•
Ampla faixa de variação de velocidade;
•
Precisão e facilidade em controle de velocidade;
•
Conversores CA/CC ocupam menos espaços;
•
Confiabilidade;
•
Simplicidade;
•
Facilidade de operação;
•
Em caso de motor cc com alto desempenho, as escovas possuem grande
durabilidade devido ao sistema de comutação otimizado.
2.1.1.1.
Tipos de Excitação dos Motores de Corrente Contínua
O motor CC pode ter os seguintes tipos de ligações: excitação em série,
excitação em paralelo (shunt ou derivação); excitação composta (compound) e
excitação independente (FRANCHI, 1977, p. 20; KOSOW, 1979). A Figura 11
apresenta a representação da armadura, do enrolamento paralelo (shunt) e do
enrolamento série, que será utilizado para a explicação do funcionamento dos tipos
de excitação do motor CC.
Figura 11- Armadura, enrolamento paralelo (shunt) e enrolamento série do motor CC.
Fonte: CARVALHO, 2007
21
Os tipos de ligações de um motor CC são (CARVALHO, 2007):
•
Excitação Paralelo (Shunt ou derivação) – Nesta situação, a armadura e o
estator são ligados em paralelo com a alimentação, conforme a Figura 12. A
armadura consome mais corrente pois é construída com fios mais grossos e
menos espiras. Com a ligação shunt, se a tensão não variar, a rotação na
ponta do eixo do motor, sem carga, se mantêm constante. Quando uma
carga é aplicada, há uma queda de velocidade e aquecimento. O
aquecimento se dá pelo fato de se impor uma resistência mecânica ao eixo,
o que provoca redução na FCEM e, consequentemente, aumento da corrente
de armadura para manter o torque.
Figura 12- Excitação paralelo (shunt) do motor CC.
Fonte: CARVALHO, 2007
•
Excitação Série - É altamente recomendado que motores com excitação
série partam com carga, pois com o torque elevado na partida, sem carga,
eles tendem a atingir velocidades que podem resultar na destruição do
motor. Nesta ligação, conforme a Figura 13, o enrolamento da armadura e o
enrolamento de campo estão conectados em série com a alimentação,
ambos ligados com fio de certa seção circular e poucas espiras. Como estão
em série, o campo magnético criado no estator depende da mesma corrente
aplicada ao enrolamento. Em relação ao motor shunt, o motor série possui
um excelente torque de partida, mas uma regulação de velocidade ruim, pois
com aumento de carga ocorre aumento de corrente e queda de velocidade.
Quanto maior a corrente, menor será a velocidade pois a FCEM será mais
atuante. A Figura 14 apresenta a curva característica do motor com excitação
22
série. Deve-se observar que no caso da redução de carga, a velocidade do
motor se torna tão grande que as forças centrífugas podem destruir o seu
induzido. Por isso, quando a tensão é nominal, não se deve colocar em
funcionamento o motor com uma carga muito reduzida.
Figura 13- Excitação série do motor CC.
Fonte: CARVALHO, 2007 e WEG, 2007
Figura 14- Curva característica do motor com excitação série
Fonte: WEG, 2007
•
Excitação Composta (Compound) - Combina a ligação shunt com a ligação
serie, conseguindo excelente regulação de velocidade com excelente torque
de partida, conforme a Figura 15. Como esse motor trabalha com torque alto
na partida, é possível conseguir que ele possua baixa variação de
velocidade, mesmo com a variação da carga. A Figura 16 apresenta a curva
característica do motor com excitação série. Este tipo de excitação é ideal
para acionamentos com variações bruscas de carga (por exemplo, prensas),
e para se obter um comportamento mais estável da máquina.
23
Figura 15- Excitação compound do motor CC.
Fonte: CARVALHO, 2007
Figura 16- Curva característica do motor com excitação composta
Fonte: WEG, 2007
•
Excitação Independente – Neste tipo de excitação, o enrolamento de campo
e o enrolamento de armadura são alimentados com fontes de tensão
independentes. A rotação do motor pode ser alterada, conforme a equação
(4), mantendo-se o fluxo (φ) constante e variando a tensão de armadura
(controle de armadura), ou mantendo a tensão de armadura fixa e alterando
o fluxo (controle pelo campo). Alterar o fluxo magnético significa modificar a
corrente do enrolamento de campo. A Figura 17 apresenta o diagrama
elétrico de uma máquina CC com excitação independente. No controle pela
armadura para IA = constante, o torque (C) é constante e a potência (P)
proporcional a rotação. No controle de campo, para IA = constante, o torque
é inversamente proporcional à rotação e a potência é constante. A Figura 18
apresenta as curvas características do motor de excitação independente. Em
consideração a comutação e para se ter um controle estável, a corrente de
armadura poderá ser nominal somente até a rotação máxima nM (quebra de
24
comutação). A regulagem pela armadura é usada para acionamentos de
máquinas operatrizes em geral, como: ferramentas de avanço, torque de
fricção, bombas a pistão, compressores, etc. A regulagem de campo, por sua
vez, é usada para acionamento de máquinas de corte periférico, como em
chapeamento de toras, tornos, bobinadeiras, máquinas têxteis, etc..
UA - tensão de armadura;
IA - corrente de armadura;
E - força contraeletromotriz;
RA - resistência do circuito da armadura;
UE – tensão de campo;
IE – corrente de campo.
Figura 17- Diagrama elétrico de uma máquina CC com excitação independente
Fonte: WEG, 2007
Figura 18- Curvas características do motor de excitação independente
Fonte: WEG, 2007
Uma das características mais atraentes que o motor CC oferece sobre todos
os outros tipos é a relativa facilidade com a qual o controle de velocidade pode ser
obtido, ao longo de uma faixa substancial (TORO, 1999).
Segundo Toro (1999), o motor CC é frequentemente solicitado a executar os
trabalhos realmente pesados na indústria por causa de seu elevado grau de
25
flexibilidade e facilidade de controle. O motor CC oferece uma vasta gama de
controle de velocidade e torque, assim como excelente aceleração e desaceleração.
2.1.1.2.
Seleção de Motores de Corrente Contínua
Segundo WEG (2007), as características de funcionamento de uma máquina
quanto ao conjugado resistente CR (da carga) podem ser divididas em quatro
grupos:
1) CR ~ 1/n – O conjugado resistente é inversamente proporcional à rotação, ou seja,
com o aumento da rotação o conjugado torna-se menor, Figura 19. Neste caso o
maior conjugado ocorre na menor rotação ajustada. A potência, por sua vez,
permanece constante. São exemplos deste tipo de conjugado: bobinadeira, torno de
faceamento, descascador circular, entre outros.
Figura 19- Conjugado inversamente proporcional à rotação
Fonte: WEG, 2007
2) CR constante – O conjugado é constante em toda a faixa de variação da rotação,
Figura 20. Isto significa que a potência cresce de forma linear com a rotação. Este é
o tipo da carga que mais ocorre. São exemplos deste tipo de conjugado:
equipamento de elevação, plaina, laminador, máquina operatriz de conformação,
correia transportadora.
26
Figura 20- Conjugado constante
Fonte: WEG, 2007
3) CR ~ n – O conjugado da carga é diretamente proporcional à rotação, ou seja,
cresce linearmente com a rotação, Figura 21. A potência, por sua vez, aumenta com
o quadrado da rotação. Um exemplo deste tipo de conjugado é a calandra com atrito
viscoso.
Figura 21- Conjugado diretamente proporcional à rotação
Fonte: WEG, 2007
4) CR ~ n2 – O conjugado crescendo proporcionalmente com o quadrado da rotação,
resulta para a potência em uma variação ao cubo, Figura 22. São exemplos deste
tipo de conjugado: bombas, ventiladores centrífugos.
27
Figura 22- Conjugado diretamente proporcional ao quadrado da rotação
Fonte: WEG, 2007
Segundo WEG (2007), para o dimensionamento do motor adequado,
geralmente considera-se o conjugado motor, para todas as rotações, levemente
superior ao que a carga exige. Para a maioria das máquinas é suficiente um
conjugado de 100% na partida. Existem máquinas que solicitam um conjugado da
ordem de 150 a 250% do nominal, como compressores, misturadores e laminadores.
A limitação da corrente de armadura deve ser ajustada no conversor CA/CC ao
correspondente conjugado de partida exigido. Recomenda-se não ultrapassar o
limite de 2,2 vezes a corrente nominal, devido aos problemas de comutação que
ocorreriam acima deste valor.
Para determinar a potência nominal e a faixa de operação do motor (controle
pela armadura ou pelo campo) faz-se uma análise de como o conjugado resistente
da carga a ser acionada varia em função da rotação. Para conjugados resistentes
constantes (grupo 2) ou que aumentam com a velocidade (grupos 3 e 4), é comum
especificar motores que operam na faixa de controle da armadura, conforme a
Figura 23. Neste caso, a rotação nominal do motor é igual à máxima rotação exigida
pela carga (referida ao eixo do motor). O acionamento de cargas cujo conjugado
decresce a partir de uma determinada rotação pode ser feito por um motor que
trabalhe com enfraquecimento de campo desde esta rotação, considerada como a
nominal (nN), até a máxima velocidade exigida (nF). Na faixa de controle de campo, o
motor opera com potência constante, solicitando do acionamento uma corrente
menor do que se o controle se realizasse pela armadura em toda a faixa de
rotações.
28
(a)
(b)
Figura 23- Faixa de operação do motor de corrente contínua com excitação independente.
(a) Controle pela armadura e pelo campo e (b) Controle somente pela armadura.
Fonte: WEG, 2007
Na Figura 23(a) (controle pela armadura + controle pelo campo), a corrente
máxima solicitada do acionamento é igual à nominal do motor (IN1). Se a mesma
carga for acionada somente pelo controle da armadura, Figura 23(b), será
necessário um conversor que forneça uma corrente mais elevada, resultado da
redução da tensão de armadura para chegar à rotação nN1.
2.1.2. Conversores CA/CC
A máquina de corrente contínua operando como motor pode ser alimentada a
partir de um conversor estático, que recebe energia elétrica de um alimentador com
corrente alternada. Essa energia, em forma de corrente unidirecional, faz com que o
motor acelere controladamente em função do conjugado resistente imposto à carga
pelo motor (TORO, 1999). Essa estrutura eletrônica que recebe a corrente alternada
é denominada de conversor CA/CC (SIMONI, 2000, p. 287).
O conversor estático é uma estrutura eletrônica que responde a comandos
envolvendo sinais de baixas potências. Normalmente, o conversor CA/CC é
composto de uma ponte retificadora tiristorizada, que fornece corrente contínua com
tensão variável a partir de uma tensão alternada (SIMONI, 2000).
Existem conversores não reversíveis e conversores reversíveis, cuja diferença
está na possibilidade de serem efetuadas inversões imediatas no sentido de rotação
da máquina que opera como motor, no caso dos conversores reversíveis, e quando
a máquina de corrente contínua deve operar como motor num único sentido de
29
rotação e não requer frenagens rápidas, caso dos conversores não reversíveis
(SIMONI, pág. 285, 2000).
A Figura 24 apresenta a família de conversor CA/CC da marca WEG, a CTW04 (WEG, 2009), sendo que todas as funções tais como disparo, regulação,
proteções, sinalizações, são controladas por um microprocessador de alta
performance.
Figura 24- Família CTW-04
Fonte: WEG, 2006
A Figura 25 apresenta diagrama em blocos do conversor CTW-04 (WEG,
2006 (a)). São constituídos basicamente de um estágio de potência e um estágio de
controle. O estágio de potência é formado por uma ponte tiristorizada, trifásica,
totalmente controlada e duas pontes tiristorizadas, em configuração antiparalela, o
que possibilita a este operar em quatro quadrantes, com frenagens regenerativas e
reversões no sentido de rotação. No estágio de controle estão o microprocessador e
demais circuitos com algoritmos e interfaces para a regulação, disparo, proteção e
sinalização.
30
Figura 25- Diagrama em blocos do CTW-04.
Fonte: WEG, 2006
31
2.2.
CONTROLE DE VELOCIDADE DE MOTORES DE CORRENTE ALTERNADA
O motor de corrente alternada (CA) pode ser do tipo síncrono ou assíncrono,
sendo que este trabalho irá focar o segundo, pois esse é o mais utilizado, em
conjunto com comandos elétricos, devido ao seu custo, robustez e facilidade para
inversão do sentido de rotação. O motor CA assíncrono é denominado motor de
indução, pois seu principio de funcionamento esta baseado na indução
eletromagnética, além de não exigir o uso de escovas e nem de comutadores
existente nos motores CC, evitando os problemas relacionados com o desgaste e a
manutenção (FILHO, 2002).
2.2.1. Motores Assíncronos
A primeira indicação de que poderia haver um intercâmbio entre energia
elétrica e energia mecânica foi mostrada por Michael Faraday em 1831, através da
lei da indução eletromagnética considerada uma das maiores descobertas
individuais para o progresso da ciência e aperfeiçoamento da humanidade. Baseado
nos estudos de Faraday, o físico italiano Galileu Ferraris, em 1885, desenvolveu o
motor elétrico assíncrono de corrente alternada, o chamado motor de indução
(EBERLE, 1987).
Com uma construção simples, versátil e de baixo custo, aliado ao fato de
utilizar como fonte de alimentação a energia elétrica, o motor elétrico é hoje o meio
mais indicado para a transformação de energia elétrica em mecânica.
Para Franchi (2007), o motor de indução é composto por: estator, bobinas e
rotor. O estator é uma parte estática do motor de indução. Nesse, encontra-se a
carcaça, o núcleo de chapas e o enrolamento trifásico. Conforme Filho (2002), o
núcleo de chapas de aço magnético é tratado para reduzir ao mínimo as perdas por
histerese e correntes parasitas. Essas chapas tem a forma de um anel para
acomodar os enrolamentos que irão criar o campo magnético. No estator, o
enrolamento trifásico é constituído por bobinas defasadas de 120º entre si,
responsáveis pelo campo magnético girante dentro da máquina (CARVALHO, 2007).
32
No motor de indução, denomina-se rotor o elemento que está dotado de
velocidade angular em relação ao estator (SIMONE, 2003). O rotor encontra-se
inserido no interior do estator, sendo, também, constituído por um núcleo de chapas
magnéticas quase sempre com as mesmas características das chapas do estator. O
núcleo de chapas do rotor é suportado pelo eixo do motor e, como haverá indução
nas barras do rotor, ele rotaciona.
A grande maioria dos motores de indução trabalha com rotores tipo gaiola de
esquilo, que possui este nome em função do formato do rotor (SIMONE, 2003). O
motor do tipo gaiola de esquilo é montado sobre um eixo que gira dentro do campo
magnético girante suportado por rolamentos instalados nas extremidades do eixo
(CARVALHO, 2007). Instalada no eixo, na parte traseira do motor, geralmente
encontram-se uma ventoinha, que direciona ar entre as aletas na carcaça do motor,
ajudando a resfriá-lo. A Figura 26 apresenta o aspecto construtivo de um motor de
indução trifásico.
Figura 26- Aspecto construtivo de um motor de indução trifásico
Fonte: WEG, 2001.
33
O conjunto estator-rotor constitui um circuito magnético que possibilita ao
fluxo um caminho fechado de baixa relutância e o vão livre entre o estator e o rotor,
necessário para o desenvolvimento da rotação, é chamado de entreferro (FILHO,
2002).
Como o estator é estático, para que se obtenha um campo girante, é preciso
distribuir conjuntos de bobinas convenientemente alojadas no estator. Montando-se
três bobinas defasadas de 120° entre si no espaço, e fazendo com que cada uma
delas seja percorrida por correntes elétricas, defasadas 120° no tempo, tem-se como
resultante um campo magnético girante. Para inversão no sentido de rotação deste
motor, basta inverter duas das fases (FILHO, 2002).
O funcionamento de um motor assíncrono ou de indução baseia-se no
princípio da interação eletromagnética do campo girante estatórico e das correntes
induzidas no rotor, quando o rotor é cortado pelo campo girante ou, de outra forma,
pela interação entre os dois campos, estatórico e rotórico (CARVALHO, 2007). A
Figura 27 apresenta, de forma simplificada, o princípio de funcionamento do motor
de indução trifásico.
A velocidade do campo magnético girante ou velocidade síncrona do motor é
dada pela equação (5) (WEG, 2006 (b)).
NS =
120f
p
(5)
onde: NS → velocidade de rotação do campo magnético girante ou velocidade
síncrona (rpm);
f → freqüência (Hz);
p → número total de pólos.
O rotor de um motor de indução não pode funcionar na mesma velocidade que
o campo magnético girante, pois neste caso o rotor estaria estacionário com relação
ao campo magnético girante e não seria induzida nenhuma corrente no rotor. A
diferença entre a velocidade do rotor e a velocidade do campo magnético girante é
chamado
de escorregamento, dado
pela equação (6). (WEG, 2006). O
escorregamento (S) de um motor de indução convencional, do tipo gaiola de esquilo,
nunca é maior do que 5% (SIMONI, 2003).
S% =
Ns − Nr
.100%
Ns
(6)
34
onde: S → escorregamento;
Ns → velocidade do campo magnético girante ou velocidade síncrona (rpm);
Nr → velocidade do rotor (rpm).
I
I1
I2
I3
t
A
B
C
D
Ponto A
P1
corrente entrando
F3
F2
N
corrente saindo
S
P2
Norte
P3
Sul
F1
Ponto B
Ponto C
Ponto D
P1
P1
P1
S
F3
S
F2
F3
F2
F3
F2
S
P2
P3
P2
P3
N
N
P2
P3
N
F1
F1
F1
Convenção: Correntes positivas → entram em P1, P2 ou P3.
Correntes negativas → entram em F1, F2 ou F3.
Figura 27- Princípio de funcionamento do motor de indução trifásico
Se o motor gira a uma velocidade diferente da velocidade síncrona (rotação do
campo magnético girante), o enrolamento do rotor corta as linhas de força magnética
do campo girante e circularão nele correntes induzidas. Quanto maior a carga, maior
terá de ser o conjugado necessário para acioná-la. Para obter um maior conjugado,
proporcionalmente terá de ser maior a diferença de velocidade entre o rotor e o
35
campo girante no estator para que as correntes induzidas e os campos produzidos
sejam maiores.
Portanto, a medida que a carga aumenta, cai a rotação do motor, ou seja,
aumenta o escorregamento. O aumento da corrente induzida no rotor reflete-se num
aumento da corrente primária no estator (componente esta que produz potência).
Uma corrente maior será produzida no estator tendendo a produzir mais potência
mecânica e solicitar mais potência da linha. A plena carga o motor de indução irá
girar a um escorregamento que promove o equilíbrio entre o conjugado desenvolvido
pelo motor e o conjugado resistente da carga (WEG, 2006).
Quando a carga for zero (motor a vazio) o rotor irá girar praticamente a rotação
síncrona, e a corrente no rotor é reduzida, apenas suficiente para produzir o
conjugado necessário a vazio.
O conjugado ou torque de um motor de indução depende da intensidade da
interação dos campos do rotor e do estator e das relaçoes de fases entre eles,
conforme equação (7).
C = kφI R cos φ R ≈ φI R
(7)
onde: C – conjugado ou torque (Nm)
φ - fluxo do campo magnético girante do estator (em linhas de fluxo)
IR – corrente do rotor (A)
cosφR – fator de potência do rotor
k- constante
Em toda a faixa de operação k, φ e cosφR são praticamente constantes e o
conjugado varia diretamente proporcional a corrente do rotor IR, que varia com o
escorregamento.
Segundo Carvalho (2007), a medida que o rotor acelera o conjugado aumenta
até seu valor máximo e a seguir diminui até um valor necessário para carregar a
carga do motor a uma velocidade constante. Se a carga for aumentando, a rotação
do motor vai diminuindo gradativamente, até um ponto onde o conjugado atinge o
valor máximo que o motor é capaz de desenvolver em rotação normal. Se o
conjugado da carga aumentar mais, a rotação do motor cai bruscamente, podendo
chegar a travar o rotor. O motor de indução tem conjugado igual a zero na
velocidade síncrona. A Figura 28 apresenta a característica de conjugado versus a
velocidade para motores de indução com rotor em gaiola (WEG, 2006).
36
Figura 28- Característica de conjugado x velocidade para motores com rotor em gaiola
Fonte: WEG, 2006.
O rendimento (N) deste motor é dado pela equação (8).
N = potência ativa fornecida pelo motor
potência solicitada pelo motor à rede
(8)
Os motores trifásicos são adquiridos pela potência, tensão, forma de
montagem e outros fatores mais específicos, mas dentre estes a potência pode
interferir no funcionamento ou não do motor e no desperdício de energia se
incorretamente calculada (CARVALHO, 2007).
2.2.2. Conversores de Frequência
Uma das maneiras mais utilizadas para controle de velocidade de motores
são os conversores de freqüência, também chamados de inversores de frequência.
O conversor de freqüência é alimentado com tensão alternada, transforma
esta tensão em contínua para, após, fornecer uma tensão com freqüência variável
ao motor (TORO, 1999). Desta forma, tem-se que a corrente alternada é retificada
para corrente contínua através de circuitos eletrônicos apropriados e, a partir desta
retificação, a tensão continua é chaveada para obter-se pulsos que alimentam o
motor. Devido a natureza indutiva do motor, a corrente que circula possui aspecto de
corrente alternada (FILHO, 2002).
Resumidamente, os conversores convertem a tensão da rede (CA) de
amplitude e freqüência fixas em tensão CC, através de uma ponte retificadora,
37
obtendo-se uma tensão fixa. Em seguida, esta tensão é modificada em função da
freqüência e, utilizando circuitos chamados inversores, é fornecida tensão CA ao
motor, com amplitude e freqüência variáveis.
Os conversores de freqüência podem utilizar várias formas para a obtenção
da tensão com amplitude e freqüência variáveis a serem entregues ao motor de
indução. Uma destas é a que utiliza modulação por largura de pulsos (PWM), que
consiste basicamente de: fonte de tensão contínua elaborada a partir de uma ponte
retificadora alimentada por uma rede monofásica ou trifásica, filtro capacitivo (link
DC) e inversor constituídos de transistores de potência. A Figura 29 apresenta um
diagrama em blocos simplificado da estrutura deste conversor de freqüência (WEG,
2006).
Ponte retificadora
Link DC
Inversor
Figura 29- Diagrama em blocos de um conversor de freqüência
Fonte: WEG, 2006
A ponte retificadora transforma a tensão alternada de entrada em uma tensão
contínua que é filtrada por um banco de capacitores. Esta tensão contínua alimenta
uma ponte inversora formada por transistores de potência (bipolar, IGBT ou
MOSFET) e diodos de roda livre. O comando das bases dos transistores, feito pelo
circuito de comando permite a geração de pulsos para o motor com tensão e
freqüência controladas. O formato dos pulsos obedece ao princípio de modulação
denominada
PWM senoidal,
que
permite
um
acionamento
com
corrente
praticamente senoidal no motor (WEG, 2006).
Com o método PWM, os transistores de potência são acionados e desligados
várias vezes, de modo que o valor médio de tensão de saída seja variada. A Figura
30(a) apresenta a forma de onda resultante do chaveamento dos transistores de
potência por períodos iguais ligados e desligados, enquanto a Figura 30(b)
apresenta variação nos períodos ligados e desligados, o que melhora a forma de
onda em função da diminuição da quantidade de harmônicos (WEG, 2006).
38
(a)
(b)
Figura 30- (a) Forma de onda resultante do chaveamento dos transistores por iguais
períodos ligados e desligados;
(b) Forma de onda resultante do chaveamento dos transistores com períodos ligados e
desligados variáveis.
Fonte: WEG, 2006
Esta técnica PWM assegura uma rotação regular e uniforme dos motores,
mesmo em velocidades baixas, devido a uma forma de onda de corrente de saída
muito semelhante da senoidal, conforme Figura 31.
Figura 31- PWM senoidal e forma de onda da corrente do motor
Fonte: WEG, 2006
Da equação (5) verifica-se que uma das formas de se variar a velocidade dos
motores de indução trifásicos é através da variação da freqüência de alimentação
deste motor. Ao se variar a freqüência da tensão do estator, o que é realizado pelos
inversores de freqüência, está sendo variada a velocidade do campo girante e, com
isto, pode-se variar a velocidade do rotor, mantendo-se constante o escorregamento
da máquina (TORO, 1999).
39
Quando um motor é acionado por um conversor de freqüência a sua
performance depende não só das características do motor (torque x rotação), mas
também das características do conversor.
Como visto anteriormente, o conjugado desenvolvido pelo motor de indução é
dado pela equação (7).
Em qualquer circuito magnético, a tensão induzida é proporcional ao nível de
fluxo e a freqüência. Num motor de indução, pode-se utilizar a equação simplificada
(9), desprezando a queda de tensão na resistência e reatância do estator:
φ≈
V
f
(9)
onde: V = tensão no estator (V)
f = freqüência da rede (Hz)
Para possibilitar a operação do motor com torque constante para diferentes
velocidades, deve-se fazer variar a tensão V proporcionalmente com a variação da
freqüência f, mantendo desta forma o fluxo constante. É necessário manter um fluxo
ótimo abaixo (mas muito próximo) do nível de saturação, primeiramente para fazer
uma máxima utilização do circuito magnético e em segundo lugar para minimizar a
corrente exigida da fonte para fornecer o conjugado.
A variação V/f é feita linearmente até a freqüência nominal do motor
(50/60 Hz), acima desta, a tensão, que já é a nominal, permanece constante e há
então apenas a variação da freqüência que é aplicada ao enrolamento do estator,
conforme a Figura 32. Com isto, determina-se uma área acima da freqüência
nominal que é chamada de região de enfraquecimento de campo, ou seja, uma
região onde o fluxo começa a decrescer e, portanto, o conjugado também começa a
diminuir. Pode-se notar, então, que o conjugado permanece constante até a
freqüência nominal e, acima desta, começa a decrescer, conforme a Figura 33
(WEG, 2006).
40
Figura 32 - Característica V/f
Fonte: WEG, 2006
Figura 33- Característica conjugado x velocidade
Fonte: WEG, 2006
Teoricamente existem duas faixas de atuação: uma com fluxo constante, até
a freqüência nominal, e outra com enfraquecimento de campo, acima da freqüência
nominal, ou seja:
1) fs = 0 Hz até fnom : V/f = constante = fluxo constante.
2) fs maior do que fnom : V/f = enfraquecimento de campo.
Quanto menor a tensão e a freqüência do estator, mais significativa é a queda
de tensão no estator, de modo que para baixas freqüências, mantendo-se a
proporcionalidade entre a freqüência e a tensão, o fluxo e o conjugado do motor
diminuem bastante. Para que isto seja evitado, a tensão do estator para baixas
freqüências deve ser aumentada, conforme a Figura 34. Esta compensação é feita
internamente pelos conversores de freqüência.
41
Figura 34- Característica tensão x freqüência
Fonte: WEG, 2006
Os conversores de freqüência podem ser desenvolvidos com controle escalar
ou controle vetorial.
Os
sistemas
de
controle
menos
complexos
que
contam
com
o
estabelecimento da relação tensão/freqüência e limitação de corrente, ou controle
por meio da determinação do escorregamento, geralmente utilizam controle escalar.
É necessária apenas a variação de velocidade em aplicações normais e não
requerem elevada dinâmica e precisão, nem controle de torque (corrente). Em um
sistema com controle escalar, é possível uma precisão de velocidade de até 0,5% da
rotação nominal sem variação de carga, e de 3% a 5% com variação de carga de 0 a
100% do torque nominal. Pelo princípio de funcionamento e aplicação, são utilizados
na maioria das vezes motores de indução convencionais sem nenhum sistema de
realimentação de velocidade (como, por exemplo, encoder) em malha fechada. A
faixa de variação de velocidade é pequena e da ordem de 1:10 (por exemplo, 6 a
60Hz). O conversor de freqüência escalar apresenta um custo relativo menor que o
conversor com controle vetorial, como também em relação a um acionamento por
motor CC e conversor CA/CC. O circuito de potência do conversor é igual para os
dois sistemas (escalar ou vetorial) sendo que o que difere entre os dois é a forma
com que é executado o controle de velocidade do motor (FRANCHI, 2007; WEG,
2000).
Em aplicações onde se faz necessária uma alta performance dinâmica
(respostas rápidas e alta precisão de regulação), o motor elétrico deverá fornecer
essencialmente um controle preciso de torque para uma faixa extensa de condições
de operação. Para tais aplicações os acionamentos de corrente contínua sempre
representaram uma solução ideal, pois, a proporcionalidade da corrente de
armadura, do fluxo e do torque num motor de corrente contínua proporciona um
42
meio direto para controle do torque, mas também podem ser utilizados motores de
indução com conversores de freqüência vetoriais. No motor CC o fluxo é
estacionário, com a corrente de armadura fixada no espaço pela ação do comutador.
No motor de indução a corrente do estator é responsável por gerar o fluxo de
magnetização e o fluxo de torque, não permitindo obter um controle direto do torque.
Para implementar o controle vetorial, os parâmetros do motor tem de ser conhecidos
e os valores colocados em um conjunto complexo de equações matemáticas
desenvolvido a partir da teoria generalizada da máquina. Dessa maneira, os valores
desejados das duas componentes da corrente do estator (responsáveis por gerar o
fluxo de magnetização e o fluxo de torque) podem ser traduzidos para determinar os
valores instantâneos das correntes dos três enrolamentos do estator (FRANCHI,
2007).
Algumas das vantagens do conversor com controle vetorial são: elevada
precisão de regulação de velocidade (0,01%); alta performance dinâmica; controle
de torque linear para aplicações de posição ou de tração; operação suave em baixa
velocidade e sem oscilações de torque, mesmo com variação de carga.
O controle vetorial representa um avanço tecnológico significativo, aliando as
performances dinâmicas de um acionamento CC e as vantagens de um motor CA,
porém, em alguns sistemas que utilizam controle vetorial é necessário o uso de
encoder acoplado ao motor para que se tenha uma melhor dinâmica (WEG, 2000).
Para a aplicação dos conversores de freqüência podem ser utilizados alguns
critérios, relacionados a seguir.
1) A tensão e a corrente de saída dos conversores apresenta uma forma não
perfeitamente senoidal, o que implica em harmônicas de ordem superior (5a, 7a, 11a
e 13a ordem), que provocam um aumento de perdas no motor. Devido a isto, faz-se
necessário uma redução nas características nominais do motor de aproximadamente
10%.
2) Se um motor autoventilado trabalha com velocidade menor do que a nominal, terá
sua capacidade de refrigeração diminuída. Considerando-se que as perdas no cobre
são resultado da corrente do motor, então a perda de potência será proporcional à
carga. Desta forma, se o motor gira mais lento, com a mesma corrente nominal
(determinada pela carga) gerando a mesma perda de potência que ocorre em
velocidades mais elevadas, o motor se sobreaquece, pois há um menor fluxo de ar
43
de refrigeração disponível quando o ventilador do motor se movimenta em
velocidades menores. Quando o motor é utilizado em aplicações para controle de
ventiladores e bombas centrífugas, a carga normalmente diminui, conforme a
velocidade se reduz, desta forma o sobreaquecimento deixa de existir.
Em aplicações onde o motor deve desenvolver pleno conjugado (100% da
corrente) em baixa velocidade, o sobredimensionamento ou utilização de motores
com fator de serviço mais elevado se torna necessário. A Figura 35 apresenta a
característica conjugado x freqüência.
Figura 35- Característica conjugado x frequência
Fonte: WEG, 2006
Geralmente, em aplicações que possuam carga com conjugado constante e
variação de velocidade de 0 a 50% da rotação nominal, utiliza-se um fator de
redução de potência, conforme a Figura 35, ou utiliza-se o fator de serviço e/ou o
aumento da classe de isolamento para manter o conjugado constante. Pode-se,
também, solicitar a fabricação de um motor com carcaça sobredimensionada, a fim
de prover a refrigeração adequada do motor, ou, de maneira mais simples, aumentar
a potência nominal do motor ou, ainda, solicitar ventilação forçada. Para o cálculo da
carcaça a ser utilizada, deve-se levar em consideração o conjugado necessário pela
carga a ser acionada e a faixa de variação de velocidade.
3) Para a operação com motores autoventilados padrões, é aconselhável a utilização
de operação na faixa entre 50% a 100% da rotação nominal, faixa em que o
ventilador acoplado ao próprio eixo do motor ainda possui eficiência na refrigeração.
Definindo-se a velocidade mínima e máxima de operação, utiliza-se o gráfico da
Figura 36.
44
K=
B
C ON JUG AD O/
CO N JUG AD O N O M INA L
A
C
(A) região de ventilação reduzida
(B) região de operação ótima
(C) região de enfraquecimento de campo, tensão fixa e freqüência variando
Figura 36- Característica de conjugado x rotação em motores autoventilados, em regime
permanente.
Abaixo de 6Hz o inversor funciona perfeitamente mas, fornece uma corrente
muito pulsada para o motor e, portanto, o conjugado do motor será pulsado e,
dependendo da carga, o motor pode não conseguir movê-la. A região abaixo de 6
Hz deve ser evitada.
Através do gráfico da Figura 36 defini-se o novo conjugado do motor
(sobredimensionado) que deve ser utilizado sem sobreaquecimento do motor. Com
o conjugado sobredimensionado define-se, através das tabelas de características de
motores padrões, qual o motor que possui este conjugado. Este motor, portanto, terá
a carcaça que permitirá a utilização na faixa de rotações necessárias sem o
problema de sobreaquecimento, fornecendo o conjugado necessário para acionar a
carga. Pode-se utilizar este motor diretamente, que estará sobredimensionado em
caraça e também em potência ou então, utilizar um motor que possua esta carcaça
sobredimensionada, mas com a potência ajustada ao acionamento, através da
bobinagem de enrolamentos em carcaça maior (motor especial).
4) Com a utilização de motores com ventilação independente não existirá mais o
problema de sobreaquecimento do motor por redução de refrigeração, podendo o
45
mesmo ser dimensionado com a carcaça normal e potência necessária ao
acionamento. Nestes motores, o ventilador é acoplado a um outro motor
independente, que é acoplado ao motor principal para suporte mecânico do motor da
ventilação. A Figura 37 apresenta a característica de conjugado x rotação em
motores com ventilação independente.
Figura 37- Característica de conjugado x rotação em motores com ventilação independente
Fonte: WEG, 2006
Segundo Franchi (2007), um conversor de freqüência é composto por:
•
Microcontrolador (CPU - unidade central de processamento) – é a unidade
responsável em coordenar todas as tarefas e executar os cáluclos;
•
Memórias – são utilizadas para armazenar os programas ou dados;
•
Sistema de entrada e saída de dados – é composto de dispositivos
responsáveis pela interligação entre o homem e a máquina (interface homemmáquina - IHM), onde o operador pode entrar com os valores dos parâmetros
de operação do conversor e pode ter acesso aos dados de operação do
conversor.
A Figura 38 apresenta a família de conversor de freqüência da marca WEG, a
CFW-08 (WEG, 2009) e a Figura 39 apresenta o diagrama em blocos desse
conversor CFW-08. Atualmente, muitos conversores de frequência podem ser
interligados em redes de comunicação industriais, tais como Profibus e DeviceNet,
proporcionando o controle, monitoramento e supervisão dos conversores.
46
Figura 38- Família CFW-08
Fonte: WEG, 2006
Figura 39- Diagrama em blocos do CFW-08
Fonte: WEG, 2006
47
2.3.
CONTROLE DE VELOCIDADE DE SERVOMOTORES
Um servomotor é uma máquina projetada para atender necessidades
especiais que uma máquina convencional não atenderia, como por exemplo, altas
velocidades (CARVALHO, 2007).
2.3.1. Servomotores
O servomotor é um dispositivo eletromecânico que, a partir de um sinal
elétrico em sua entrada, pode ter seu eixo posicionado em uma determinada posição
angular, bem como a sua velocidade (SANTOS, 2007).
O funcionamento do servomotor consiste em um sistema de controle e um
sensor de posição que está ligado ao eixo de saída e que permite ao circuito de
controle monitorar o ângulo do eixo do servomotor. O motor pára se o eixo estiver no
ângulo correto e, se não, o motor é ativado até atingir o ângulo desejado. Nas
engrenagens do servomotor existe um limitador que atua no giro do eixo fazendo
com que este varie de 0° a 180°, porém é possível retirar esse limitador e fazer com
que o servomotor trabalhe como um motor com caixa de redução com eixo girante
de 360° (SANTOS, 2007).
Independente da aplicação na qual o servomotor será utilizado, esses devem
possuir as seguintes características gerais (WEG, 2006):
•
Alta dinâmica de torque → rápido controle de corrente;
•
Alta dinâmica de velocidade → baixo momento de inércia, baixas indutâncias
e alto torque máximo;
•
Alta capacidade de sobrecarga mecânica → alto torque máximo e boa rigidez
mecânica;
•
Alta capacidade térmica → alto tempo de aplicação de sobrecarga mecânica
e de corrente sem sobreaquecimento;
•
Alto torque contínuo;
•
Característica torque x velocidade linear, mesmo em sobrecargas;
•
Larga faixa de controle de velocidade;
•
Operação suave, mesmo em baixas velocidades;
48
•
Alta precisão de posicionamento;
•
Projeto compacto → elevada relação potência/volume;
•
Alta confiabilidade, baixa manutenção e longa vida;
•
Inexist6encia de ressonâncias mecânicas e baixo ruído;
•
Alto rendimento;
•
Relação custo/desempenho aceitável;
•
Dimensões reduzidas.
O servomotor que melhor atende as características descritas acima é o
servomotor CC sem escovas (brushless DC servomotor), por ter um comportamento
idêntico ao motor de corrente contínua (WEG, 2006 (c)).
Os tipos de servomotores mais utilizados são os de corrente contínua,
corrente alternada síncrona e corrente alternada assíncrona. A definição do tipo de
servomotor, com seu respectivo servoconversor, depende de vários critérios, entre
eles, dinâmica, torque máximo, capacidade de sobrecarga, velocidade, manutenção,
regime de trabalho, preço.
Os servomotores de corrente contínua são os de custo mais elevado. Esses
servomotores apresentam um rotor cujas espiras formam sua armadura e por um
estator dotado de imãs permanentes, que fornecem o campo de excitação da
máquina, estabelecendo-se um fluxo magnético radial em relação ao rotor. O torque
produzido é proporcional à corrente de armadura, a velocidade é proporcional a forç
contra eletromotriz induzida e o campo é constante pois é gerado pelos imãs
permanentes. Os servomotores podem ser construídos com e sem escovas. O
controle dos servomotores de corrente contínua pode ser feito por um
servoconversor relativamente simples (WEG, 2006(c)).
O servomotor de corrente alternada possui um enrolamento trifásico no
estator, que não foi projetado para ser ligado a rede trifásica comum, pois foi
projetado para proporcionar ao motor características especiais de torque, velocidade
e posicionamento. No rotor do servomotor existe um conjunto de imãs permanentes
em uma extremidade e um gerador de sinais instalado para fornecer dados de
velocidade e posicionamentos. (CARVALHO, 2007).
O servomotor de corrente alternada assíncrono é de construção robusta e
simples e o rotor é formado por barras de alumínio curto circuitadas, formando uma
49
gaiola. O modelamento do servomotor é complexo e constituído por um sistema de
múltiplas grandezas físicas acopladas entre si, dentre as quais, grandezas internas
do motor como o fluxo magnético e o torque. Estas grandezas não podem ser
medidas diretamente e podem ser obtidas somente através de recursos técnicos
adicionais.
O servomotor de corrente alternada síncrono é constituído por um estator com
enrolamentos das fases distribuídas de forma semelhante aos de uma máquina
assíncrona. Com os modernos materiais magnéticos, o fluxo de excitação pode ser
criado através de imãs de pequena espessura e baixa densidade. Deste modo, o
rotor pode ser construído com pequeno diâmetro e o seu momento de inércia tornase bastante inferior ao de um motor de indução trifásico de mesma potência. O
controle deste tipo de máquina requer sempre a presença de um sensor de posição,
por exemplo, um encoder ou resolver (WEG, 2006 (c)). A Tabela 1 apresenta uma
comparação entre os servomotores CC e CA.
Tabela 1- Comparativo entre servomotores CA e CC
Fonte: WEG, 2006
50
A Figura 40 apresenta o servomotor da WEG e o seu servoconversor. Esses
podem ser utilizados em empacotadeiras (dosadoras), bobinadeiras, máquinasferramenta, máquinas de corte e solda (plástico), máquinas gráficas, sistemas de
posicionamentos, retrofitting, mesas giratórias, esteiras com paradas programadas,
máquinas de embalagens, alimentador de prensas, máquinas têxteis, entre outros.
Figura 40- Servomotor e servoconversor da WEG
Fonte: WEG, 2006
2.3.2. Servoconversor
Para acionar o servomotor é necessário um servocontrole ou servoconversor,
que possui um painel eletrônico para acionamento, controle e ajustes das variáveis
do servomotor (CARVALHO, 2007).
O servoconversor é a parte eletrônica que recebe a energia elétrica da rede,
ou de uma fonte, e fornece esta energia de uma forma controlada ao
servoconversor, de acordo com um sinal de referência de velocidade proveniente do
controlador de posição. De uma forma geral, os servoconversores controlam a
corrente nominal, a din6amica, a velocidade do servomotor, permitem o controle da
malha de velocidade e realizam a supervisão do servoacionamento.
A Figura 41 apresenta o esquema de ligação de um servomotor e
servocontrolador (CARVALHO, 2007). A Figura 42 apresenta o diagrama em blocos
simplificado do servoconversor SCA-04 da WEG (WEG, 2009).
51
Figura 41- Ligação do servomotor
Fonte: CARVALHO, 2007
Figura 42- Diagrama em blocos do servoconversor SCA-04 da WEG
Fonte: WEG, 2006
52
3.
ANÁLISE DE CASOS
Neste capítulo serão apresentados alguns casos industriais onde são
utilizados motores CC, CA e servomotores. Algumas aplicações foram pesquisadas
em livros e sites da internet, e outras aplicações foram visualizadas na empresa
“CANOS AS” que concedeu uma entrevista sobre as aplicações dos motores
elétricos na empresa porém, não permitiu que o nome da empresa fosse divulgado
no trabalho.
3.1.
APLICAÇÕES DE CONTROLE DE VELOCIDADE
Segundo Franchi (2007), vários fatores são determinantes para a escolha do
motor a ser utilizado em determinada aplicação, como por exemplo: fonte de
alimentação, condições ambientais, exigências da carga e condições de serviço,
consumo, manutenção e controlabilidade. Comparando o motor CC com o motor CA
é possível indicar que estes motores são dispositivos sensíveis à velocidade, em
resposta às cargas aplicadas ao eixo (TORO, 1999).
Há alguns anos, para se ter controle preciso de velocidade eram utilizados
motores de corrente contínua. Porém, isso acarretava em problemas com custos do
motor e retificação de tensão para alimentação do motor. Com a ajuda da eletrônica
de potência surgiram equipamentos que permitiam controlar a velocidade dos
motores de indução, equipamento conhecido como inversor de freqüência.
Na maioria dos sistemas atuais de distribuição de energia a corrente é
alternada, por isso o motor de indução converteu-se no tipo mais utilizado na
indústria. O rendimento deste motor também é elevado para médias e máximas
cargas, e assegura um bom fator de potência com uma seleção correta. Porém,
motores que são controlados por inversores de frequência escalar, podem imprimir
um determinado erro de velocidade (FRANCHI, 2007).
A desvantagem do motor CA, em relação aos motores CC, está no torque de
partida reduzida em relação à corrente absorvida pelo estator. Os motores CC são
conhecidos por seu controle preciso de velocidade e por seu ajuste fino e são,
portanto, foram largamente utilizados em aplicações que exigem tais características
(FRANCHI, 2007). O motor CC com excitação independente é indicado para tarefas
53
que o usuário necessita de controle muito preciso de velocidade angular no eixo
mecânico, com a máquina sob carga variável. Segundo Simoni (2000), o motor CC
pode ser empregado no controle de velocidade de processos industriais em que uma
banda muito larga de velocidade é requerida. Já os motores CC com excitação em
série são indicados para tarefas nas quais conjugados elevados são requeridos para
tirá-la do repouso como, por exemplo, em aplicações ferroviária e metroviárias
(SIMONI, 2000).
Conforme Filho (2002), os motores de indução são tipicamente utilizados em
siderúrgicas, refinarias, petroquímicas e indústrias de cimento, papel e celulose,
mineração e saneamento. Os motores trifásicos assíncronos são bastante
empregados na indústria devido a sua robustez, fácil manutenção e possuírem
torque de partida que atende a maioria das necessidades.
A principal aplicação do motor CC está ligada ao controle de velocidade com
necessidade crítica de torque. Segundo Carvalho (2007), os motores de corrente
contínua são excelentes escolhas quando necessita-se manter um torque
considerável, mesmo variando a velocidade. Atualmente, consegue-se variar a
velocidade de motores CA com conversores de frequência, mas em algumas
situações esse tipo de conjunto simplesmente não atende as condições de torques
exigidos e trazem outros problemas, como poluição da rede, que talvez o futuro
resolva. Por isso, encontra-se motores CC abrindo e fechando vidros, partindo
motores no metrô, em trolébus, em pontes rolantes em indústrias siderúrgicas, em
máquinas para a fabricação de cimento, em máquinas de corte de toras, em
situações com alta carga de inércia como trens ou aplicações com forte tração, onde
há necessidade de velocidade constante com variações extremas de carga, enfim,
em uma infinidade de aplicações (CARVALHO, 2007).
Conforme Carvalho (2007), um elevador de carga utilizando motor CC opera
com excitação série para subir uma carga, mesmo que o torque necessário seja
elevado. Para descer, não havendo necessidade de torque mas sim de controle de
velocidade, o motor opera com excitação shunt. Quando sem carga ou carga
reduzida, opera com ligação compound (CARVALHO, 2007).
O servomotor é utilizado, por exemplo, em indústrias alimentícias para a
produção de pacotes de um quilo de um determinado produto, onde obtêm-se
determinado número de rotações necessárias para inserir no pacote certa
quantidade de produto, praticamente constante, e tem-se com isso, um controle
54
inicial do peso. O servomotor é ideal em aplicações em que tem-se que efetuar a
rotação controlada de um eixo (CARVALHO, 2007) e, ainda, por serem pequenos e
compactos, além de permitir um posicionamento preciso de seu eixo o que permite a
aplicação em robótica e modelismo (SANTOS, 2007).
Conforme a empresa “CANOS AS”, eles geralmente utilizam motores de
corrente alternada pois,
O motor de indução é o modelo de motor mais usado na indústria. Este fato
deve-se à maioria dos sistemas atuais de distribuição de energia elétrica
serem de corrente alternada. Comparado com o motor de corrente contínua, o
motor de indução tem como vantagem a sua simplicidade, que se traduz em
baixo custo e máxima eficácia com manutenção mínima. O rendimento é
elevado para média e máxima carga, e pode-se assegurar um bom fator de
potência com uma seleção correta.
No caso em que precisam de precisão no posicionamento da máquina, a
empresa utiliza servomotores. Apesar de utilizarem em menor quantidade o motor
CC e, atualmente, estarem procurando substituir os mesmos pelos motores CA,
devido ao seu custo caro para manutenção, eles ainda utilizam motores CC em
sistemas que precisam de torque elevado com rotação baixa, pois alegam que o
motor CA mesmo com inversor de frequência vetorial, não consegue manter esses
fatores quando possui uma rotação muito baixa.
Outro problema encontrado nos motores CA que utilizam conversores de
frequência para controle de velocidade é que estes acabam por gerar energia reativa
e precisam de bancos de capacitores para compensar essa energia devolvida à rede
da concessionária de energia elétrica, sendo que, mesmo assim, resolvem apenas
em torno de 90% do problema. Nos casos dos motores CC isso não acontece. O
que também ocorre é que, se for necessário um motor que possua uma potência
sobressalente a que vai ser usada, é preferível que se use um motor CC que não irá
gerar potência reativa em relação ao total da potência nominal do motor. Isto acaba
assegurando ao equipamento uma segurança a mais caso, o mesmo tenha que
utilizar potências maiores em caso de algum imprevisto.
Conforme Mecatrônica Atual (2008), vários fatores estão contribuído para que
os projetistas de equipamentos que utilizam motores elétricos procurem por
soluções específicas. Um dos fatores é o próprio custo da energia e, também, a
necessidade de economizar ao máximo, buscando um rendimento maior dos
55
motores elétricos. Por isso, existe a necessidade de se verificar algumas
informações antes de optar pela escolha do motor adequado. A Tabela 2 apresenta
algumas sugestões para a escolha de motores elétricos em algumas aplicações.
MÁQUINA
CONTROLE CONTROLE
POSICIONAMENTO
PARADA
DE
DE
PRECISO
INSTANTÂNEA
TORQUE
VELOCIDADE
SIM
Bobinadeira
NÃO
x
x
Bomba à
vacuo
x
Máquina de
Impressão
x
x
Compressor
de ar
Misturador
de massas
SIM
x
x
x
SIM
Quadrática
Bobinagem
de papel
Motor CC
x
x
Quadrática
Ventilação
de ambientes
Motor CA
x
x
Constante
Lubrificação
de máquinas
Motor CA
Constante
Impressão
de papéis
Motor CC
x
x
x
Constante
x
x
Constante
x
x
x
Quadrática
x
x
x
EXEMPLO
SUGESTÃO
DE
DE MOTOR
UTILIZAÇÃO
NÃO
x
x
x
x
NÃO
x
x
x
Ponte
rolante
NÃO
x
Ventilador
Extrusora
SIM
TIPO DE
CARGA
Fabricação
de peças
Compressor
de ar
comprimido
Misturador
de massas
Motor CC
Motor CA
Motor CA
x
Constante
Transporte
de materiais
Motor CA
Torno
mecânico
x
x
x
x
Constante
Torneamento
de peças
Servomotor
Elevador
x
x
x
x
Quadrática
Elevação de
cargas
Motor CC
Fresadora
x
x
x
Constante
Fabricação
de peças
Servomotor
Furadeira
x
x
x
x
Constante
Perfuração
de peças
Servomotor
Esteira
x
x
x
x
Quadrática
Transporte
de materiais
Motor CA
Britador
x
x
Quadrática
Britagem
Motor CA
Motor CA
x
x
x
Máquina de
embalagem
x
x
x
x
Quadrática
Embalagens
de produtos
Máquina
CNC
x
x
x
x
Constante
Fabricação
de peças
Servomotor
Robô
automotivo
x
x
x
x
Quadrática
Fabricação
de peças
Servomotor
Tabela 2: Informações sobre escolha de motores elétricos
Com relação a algumas máquinas apresentadas na Tabela 2, pode-se
apresentar:
•
Bobinadeira: Para bobinar o papel. O motor da bobinadeira precisa manter o
torque e a velocidade constante, fazendo com que o giro seja constante para
que o papel não seja esticado demais, podendo rasgar, ou, então, seja
56
rotacionado muito lentamente, prejudicando o processo de bobinagem. Desta
forma, uma bobinadeira necessita de controle preciso de velocidade e torque.
•
Ventilador: É utilizado para dispersão do ar e refrigeração de ambientes,
sendo que dependendo da aplicação pode ou não necessitar que sua
velocidade seja controlada.
•
Bomba a vácuo: Se destina ao bombeamento de combustíveis ou de qualquer
líquido conhecido, com exceção de corrosivos como ácidos. Essa máquina
não precisa de controle de torque e de velocidade para seu funcionamento.
•
Máquina de impressão: Sendo utilizada para impressões, necessita de
controle preciso de torque, velocidade e posicionamento, sendo necessário,
também, parada instantânea.
•
Extrusora: Essa máquina transforma material sintético, de preferência em
forma de granulado, em uma massa fundida. A máquina é conectada a uma
unidade de acionamento com pelo menos um motor, de modo que a unidade
de acionamento forneça o torque para o movimento de rotação do parafuso
da extrusora. A extrusora necessita de controle de velocidade e torque.
•
Compressor de ar: Destinam-se às centrais encarregadas do suprimento de
ar em unidades industriais. Não precisa de nenhum controle específico de
velocidade e torque.
•
Misturador de massas: Essa máquina é empregada para a preparação de
massa, sendo composta de uma câmara essencialmente cilíndrica com um
eixo horizontal dentro da qual os elementos de amassamento giram. As
lâminas do misturador permitem a preparação e compressão da massa. Para
uma boa preparação da massa é importante controlar o torque e a velocidade
da máquina.
•
Ponte rolante: É um sistema de transporte que inclui uma guia elevada ligada
por linhas férreas transversais que são deslocáveis ao longo de linhas férreas
longitudinais. Esse sistema necessita de controle de velocidade e posição.
•
Torno mecânico: Usado para o acabamento ou confecção de peças de
diferentes formas. Permite a transformação de tarugos de dimensões padrões
em peças circulares, roscas, eixos, esferas, cones entre outras formas.
Necessita de controle de velocidade, de torque e de posicionamento, sendo
necessário, também, parada instantânea.
57
•
Elevador: Utilizado para o transporte de cargas, sendo que pode necessitar
de controle de torque, de velocidade, de posição e, também, de parada
instantânea.
•
Fresadora: Consiste numa operação de usinagem em que o metal é removido
por uma ferramenta giratória, denominada fresa, de múltiplos gumes
cortantes. Cada gume remove uma pequena quantidade de metal em cada
revolução do eixo onde a ferramenta é fixada. Para seu perfeito
funcionamento necessita de controle de torque, de velocidade e de posição.
•
Furadeira: É uma máquina que possui como função principal a execução de
furos, mas outras operações, tais como alargamento e rebaixamento, também
podem ser realizadas. As furadeiras possuem um sistema de alavanca ou um
motor que aplica uma rotação a uma ou mais brocas que são responsáveis
pela remoção do material. Necessita de controle de torque, de velocidade, de
posição e de parada instantânea.
•
Esteira: Utilizada para transporte de cargas. Dependendo da aplicação
precisará de controle de torque, de velocidade e de posição.
•
Máquina de embalagem: Para embalagem de materiais é necessário o
controle de velocidade, de torque, de posição e parada instantânea da
máquina.
•
Robô automotivo: Dispositivo mecânico que executa tarefas automatizadas,
de acordo com a supervisão humana direta, um programa predefinido ou um
conjunto de guias. Necessita de controle de torque, de velocidade, de posição
e de parada instantânea.
3.2.
APLICAÇÕES NA EMPRESA “CANOS AS”
Na empresa “CANOS AS” são utilizados motores elétricos CC e CA e
servomotores em diversas aplicação diferentes.
58
3.2.1. Motor CA
Na empresa “CANOS AS” foi verificado a utilização de motores CA em
ventiladores, bombas à vácuo, compressores de ar comprimido e misturador de
massas para silos, onde as máquinas não precisam de controle de velocidade ou,
então, quando da necessidade de variação de velocidade, são utilizados com
inversores de frequência. Algumas vantagens do controle de velocidade de motor
CA apresentadas pela empresa foram:
•
O motor CA é mais barato do que motor CC, reduzindo custo de compra e/ou
valor financeiro do estoque;
•
A eficiência do motor CA é melhor do que a do motor CC, garantindo uma
redução no consumo de energia e menor aquecimento do motor;
•
Redução em até 200% no custo de manutenção, pois o motor CA apresenta
menos peças na sua fabricação;
•
O rebobinamento de um motor CC apresenta performance após o
rebobinamento inferior ao do motor CA rebobinado;
•
Mais oficinas estão habilitadas a rebobinarem motores CA, o que permite a
oferta de serviços com custo reduzido, devido a competitividade comercial;
•
Disponibilidade comercial maior do motor CA do que motor CC, sendo a
compra mais fácil e rápida;
•
O motor CA normalmente possui tamanho menor do que o motor CC;
•
O conversor de frequência é mais facilmente programado, permitindo maior
rapidez na colocação em funcionamento. A programação de um inversor pode
ser copiada para outro inversor.
•
O conversor de frequência com controle vetorial permite estabilidade de
operação do motor CA sem a necessidade de tacogerador digital, ao passo
que o motor CC é obrigatório o uso de tacogerador para promover o controle.
•
Alguns recursos de um conversor de frequência para motores CA não estão
disponíveis em conversores CC, tais como: suporta maiores quedas de
tensão da rede e por um tempo maior, retomada de velocidade mais suave,
diversas proteções elétricas (sobrecarga, curto-circuito, fuga à terra, falta de
fase, etc).
59
•
Acionamento
em
velocidade
pré-selecionadas
impedindo
operação
inadequada por falha humana e sistema PID para controle de variável de um
processo
ou
máquina
(pressão,
vazão,
temperatura,
velocidade,
posicionamento, nível, peso etc.).
3.2.2. Motor CC
Na empresa “CANOS AS” foi verificado a utilização de motores CC em
extrusora e pontes rolantes onde as máquinas precisam de controle de torque
mesmo com a rotação baixa. Para o Departamento de Manutenção da empresa,
algumas vantagens do motor CC são:
•
Mesmo utilizando motor CA com conversor de freqüência, esses não
conseguem um controle tão preciso de torque com rotações baixas;
•
Não gera harmônicos como os motores CA em conjunto com os conversores
de freqüência;
•
Ciclo contínuo mesmo em baixas rotações;
•
Alto torque na partida e em baixas rotações;
•
Ampla variação de velocidade;
•
Facilidade no controle de velocidade;
•
Confiabilidade.
3.2.3. Servomotor
Na empresa “CANOS AS” foi verificado a utilização de servomotores em
tornos mecânico, fresadoras e furadeiras, onde além das máquinas necessitarem de
posicionamento preciso, essas precisam de paradas instantâneas do motor para seu
perfeito funcionamento. O Departamento de Manutenção da empresa apresentou
algumas vantagens dos servomotores:
•
Torque constante em larga faixa de rotação;
•
Larga faixa de controle de rotação e variação;
•
Alta capacidade de sobrecarga.
60
4.
CONCLUSÃO
Com os avanços tecnológicos, cada vez mais existem opções de
equipamentos para variação de velocidade para os diversos tipos de motores
elétricos. Neste trabalho foi possível apresentar o principio de funcionamento e as
características
dos
motores
de
corrente
contínua,
corrente
alternada
e
servomotores, bem como os sistemas de controle de velocidade destes motores.
Com isso, foi possível selecionar qual sistema de controle de velocidade seria o
mais adequado para alguns processos, tomados como base.
Foi verificado que motores de corrente contínua são geralmente utilizados em
processos onde é necessário controle preciso de torque mesmo quando a
velocidade é baixa, que os motores de corrente alternada são mais robustos e
possuem custo de manutenção bem inferior aos motores de corrente contínua e que
o servomotor é utilizado nas aplicações onde o processo necessita de elevada
precisão, entre várias outras informações.
A escolha adequada do motor e do controle de velocidade a ser utilizado
resulta em benefícios à empresa, como por exemplo, economia no consumo de
energia elétrica, menores custos com a manutenção de equipamentos, maior vida
útil do motor e da máquina onde o mesmo se encontra instalado.
É importante realçar a diversidade de tipos de motores existentes no
mercado, e que para o desenvolvimento deste trabalho foi decidido trabalhar com
apenas três tipos, corrente continua, corrente alternada assíncrono e servomotor,
com isso futuras pesquisas poderão ser realizadas enfocando outros motores e
outras aplicações.
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REFERÊNCIAS
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