Aula 3 – Controle de Velocidade Motor CC - Batlab

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Universidade
Federal
AULA 3 – Controle
de de Mato
Grosso
do Sul
Velocidade
Motor CC
Acionamento Eletrônico de Motores
Aula 3 – Controle de Velocidade Motor CC
Prof. Marcio Kimpara
Engenharia Elétrica
UFMS/FAENG
Campo Grande – MS
Prof. Marcio Kimpara
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AULA 3 – Controle de
Velocidade Motor CC
Regulação de velocidade
dI a
Va  Ra .I a  La .
E
dt
E  K . .
Em regime permanente:

Va  Ra .I a
K .
Núcleo Não-Saturado:

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  if
Va  Ra .I a 
if
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Velocidade Motor CC
Regulação de velocidade
A máquina CC pode ser controlada por 3 variáveis:
• Resistência de armadura: Ra
• Tensão de armadura: Va
Va  Ra .I a

K .
• Fluxo no entreferro (ϕ)
(Corrente de campo: If)
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Velocidade Motor CC
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Regulação de velocidade
• Resistência de armadura: Ra
Como a resistência própria da máquina é muito pequena, para
tornar o efeito da queda de tensão na resistência dominante,
resistores externos podem ser conectados em série com a
armadura.
Neste caso, a velocidade pode ser controlada chaveando os
resistores e alterando os valores de acordo com a tensão
operacional. Entretanto a potência dissipada nestes resistores
externos leva o sistema a uma baixa eficiência, portanto, pouco
utilizado.
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Velocidade Motor CC
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Regulação de velocidade
• Corrente de campo: If
No controle pela corrente de campo, a tensão aplicada na armadura é
mantida constante.
Assim, a velocidade é representada pela equação:
1

if
Enfraquecendo o campo, a velocidade pode ser elevada.
Controle de velocidade pelo campo NÃO é adequado para velocidades
abaixo da velocidade nominal. Na velociade nominal, a corrente é
projetada para seu valor nominal e a densidade de fluxo é escolhida
para trabalhar próximo ao joelho da curva de saturação.
O que acontece ser invertermos a polaridade da tensão aplicada no
enrolamento de campo?
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Regulação de velocidade
Corrente de campo: If
Note que para diminuir a velocidade abaixo da nominal é preciso
AUMENTAR o fluxo. Contudo, como a máquina foi projetada para
trabalhar no joelho da curva, aumentar a corrente de campo (fluxo)
faria com que a máquina operasse na região de saturação. Portanto,
este método não é adequado para controle de baixas velocidades.
Ponto de projeto
(para If nominal)
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Velocidade Motor CC
Função de transf. para controle de posição a partir do campo
Corrente de campo: If
Equação do torque:
Circuito de campo:
Tm  K . .ia
V f  R f .i f  L f .
V f (s)
Tm  K ' .i f .ia
di f
1
R f  s.L f
dt
I f (s )
Tm (s)
K'
̶
Tm  Resistenteno eixo
Tm  Tc arg a  Tatrito  Tacel
Tm  TL  B.  J d
 (s )
1
B  J .s
1
s
TL (s)
 ( s)
K'


V f ( s) sJ .s  B L f .s  R f 
K'

J .L f

 R

s. s  B  s  f
J
L f 
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dt
 (s)
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Velocidade Motor CC
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Regulação de velocidade
• Tensão de armadura: Va
Neste modo, a corrente de campo é mantida constante. Assim a
velocidade é representada por:
  Va  Ra .ia 
Assim, variando a tensão aplicada na armadura, a velocidade é
alterada.
O controle pela tensão da armadura é limitada pela magnitude da
tensão de alimentação disponível e pelos limites de isolação dos
enrolamentos. Se a tensão for variada do zero até o valor nominal,
então a velocidade pode ser controlada do zero até o valor nominal.
Portanto, o controle pela armadura é ideal para velocidades abaixo
da velocidade nominal.
O que acontece ser invertermos a polaridade da tensão de armadura?
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Velocidade Motor CC
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Regulação de velocidade
• Tensão de armadura: Va
Tem como vantagem o controle da magnitude da corrente de armadura
A resposta é bem rápida (determinada pela constante de tempo da
armadura)
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Velocidade Motor CC
Regulação de velocidade
Combinação dos métodos anteriores:
P  T 
P, T
Potência
Torque
ω
ω base
Controle pela
armadura
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Controle pelo
campo
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Velocidade Motor CC
Curva torque-velocidade – Excitação independente
Para uma tensão de entrada fixa, a
velocidade do motor diminui à medida
que aplicamos carga. Sem carga no
eixo (a vazio), o motor funciona à
velocidade indicada como “No load
speed” (NLS), a velocidade mais
rápida possível para aquela tensão.
Quando o eixo é totalmente
carregado a ponto de bloquear o
rotor, a velocidade é zero e o motor
está produzindo o seu torque de
bloqueio “stall torque” (ST), o torque
máximo possível.
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T
K
.Va
Ra
Stall
Torque
NLS
Va
K
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ω
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Velocidade Motor CC
Controle pela resistência Ra
T
K
.Va
Ra
Rext2 > Rext
ST
Ra
Ra+Rext
Ra+Rext2
NLS
Va
K
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Velocidade Motor CC
Controle pela resistência Ra
T
T
ST
ST
Ra
Ra+Rext
Torque carga
Torque carga
NLS
NLS
ω1
ω
ω2 ω1
Quantas velocidades
podem ser obtidas?
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ω
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Velocidade Motor CC
Controle pelo campo
T
K
.Va
Ra
ɸ1 > ɸnom > ɸ2
ɸ1
ɸnominal
ɸ2
ω
Va
K
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Velocidade Motor CC
Controle pelo campo
T
T
ɸnominal
ɸenfraquecido
Torque carga
Torque carga
ω1
ω
ω1 ω2
T
Torque carga
Problema do enfraquecimento de campo:
perda de torque
ɸenfraquecido
ω3
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ω
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ω
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Controle pela tensão de armadura
T
K
.Va
Ra
Va > Va2 > Va3
ST
Va
Va2
Va3
NLS
Va
K
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ω
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Velocidade Motor CC
Controle pela tensão de armadura
T
T
ST
ST
Va (nominal)
Va2
Torque carga
Torque carga
NLS
NLS
ω1
ω
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ω2
ω1
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ω
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Velocidade Motor CC
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Técnicas de controle para obter tensão CC variável a partir de uma tensão de entrada fixa
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Velocidade Motor CC
DC drive tradicional
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Velocidade Motor CC
Acionamentos CC - Topologias
Controle tensão de armadura Va
• Acionamentos monofásicos
• Acionamentos trifásicos
Retificador
Controlado
Monofásico
• Acionamentos por choppers
Retificador
Controlado
Trifásico
Retificador
Não-Controlado
Chopper
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AULA 3 – Controle de
Velocidade Motor CC
Acionamentos Eletrônicos
ACIONAMENTOS
CORRENTE
CONTÍNUA
CORRENTE
ALTERNADA
MOTOR CC
MOTOR DE
INDUÇÃO
EXCITAÇÃO
SEPARADA
CONTROLE
POR FASE
INVERSOR
CHOPPER
CONTROLE
ESCALAR
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CONTROLE
VETORIAL
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AULA 3 – Controle de
Velocidade Motor CC
Retificadores - Estruturas
RETIFICADORES
MONOFÁSICO
TRIFÁSICO
MEIA ONDA
ONDA
COMPLETA
CONTROLADO
NÃO
CONTROLADO
SEMICONTROLADO
SIMÉTRICO
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ASSIMÉTRICO
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Velocidade Motor CC
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Critérios seleção conversor
Conversores eletrônicos são o estágio de potência para acionamentos a
velocidade variável. A escolha do conversor para uma aplicação em
particular depende de alguns fatores, como:
• Custo;
• Alimentação disponível (monofásica, trifásica, barramento CC);
• Harmônicos;
• Fator de potência;
• Ruído;
• Tempo de resposta;
• Acionamento reversível ou não;
• Frenagem regenerativa ou dissipativa
• Robustez
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Frenagem
Aplicações com partidas e paradas (como em robótica):
Parada:
1) Cortar a tensão de alimentação e esperar o rotor chegar à velocidade
zero
2) Fazer a máquina operar como gerador; transferindo a energia cinética
para a fonte e levando à velocidade zero rapidamente
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Operação em 4 quadrantes – motor CC
A velocidade no motor CC em regime permanente é determinada pela tensão
aplicada
Podemos fazer o motor funcionar a qualquer velocidade em qualquer sentido
simplesmente aplicando a magnitude e polaridade apropriada da tensão da
armadura
O conjugado é diretamente proporcional à corrente de armadura a qual, por sua
vez, depende da diferença entre a tensão aplicada V e a fcem E gerada.
Podemos fazer que a máquina desenvolva conjugado positivo (motor) ou
conjugado negativo (gerador) simplesmente controlando a extensão em que a
tensão aplicada é maior ou menor que a fcem.
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Velocidade Motor CC
Operação em 4 quadrantes – motor CC
uma máquina c.c. controlada
pela tensão da armadura é
capaz de o que é conhecido
como operação nos “quatro
quadrantes”, em referência
aos quadrantes numerados do
plano conjugado-velocidade

V  K
ia  a
Ra
fcem ( E )
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Operação em 4 quadrantes – motor CC
• Quando a máquina está operando como motor e funcionando em sentido direto,
ela se encontra operando no quadrante 1. A tensão aplicada VA é positiva e maior
que a fcem E e, portanto, corrente positiva ingressa ao motor...
• A potência puxada da fonte é positiva neste quadrante e o motor desempenha
ação motora...
• Se, com o motor funcionando na posição A, reduzimos repentinamente a tensão
da fonte para um valor VB inferior ao valor da fcem, a corrente (e, portanto o
conjugado) inverterá seu sentido, mudando o ponto de operação para B
(quadrante 2). Não pode haver uma mudança repentina de velocidade então a
fcem permanecerá a mesma durante um certo tempo...
• Agora a potência é fornecida da máquina para a fonte, isto é, a máquina age
como gerador...
É importante notar que tudo o que foi preciso fazer para efetuar esta inversão de
fluxo de potência foi uma modesta redução da tensão aplicada à máquina
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Velocidade Motor CC
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Operação em 4 quadrantes – motor CC
• Porém, o motor não irá permanecer no ponto B se ele for deixado por conta
própria. O efeito combinado do conjugado da carga e do conjugado negativo da
máquina fará a velocidade cair, de modo que a fcem novamente cairá abaixo da
tensão aplicada VB...
• a corrente e o conjugado tornar-se-ão novamente positivos e o motor retornará
ao primeiro quadrante numa velocidade menor correspondente à nova (menor)
tensão da fonte...
• Se desejarmos operar continuamente na posição B, a maquina terá de ser
acionada por uma fonte de energia mecânica.
• Discussões similares se aplicam quando o motor funciona em reversa (isto é, V
é negativo). Ação motora acontece no quadrante 3 (ponto C) com breves
excursões no quadrante 4 (ponto D, acompanhada por frenagem regenerativa)
um exemplo de frenagem regenerativa e acontece naturalmente cada vez que
reduzimos a tensão com o propósito de diminuir a velocidade.
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AULA 3 – Controle de
Velocidade Motor CC
Operação em 4 quadrantes – motor CC
Operação
Quadrante
Velocidade
Torque
Potência
Motor direto
1
+
+
+
Gerador direto
2
+
-
-
Motor reverso
3
-
-
+
Gerador reverso
4
-
+
-
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AULA 3 – Controle de
Velocidade Motor CC
Característica do conversor
ω (velocidade) → Proporcional à tensão de alimentação armadura
T (torque) → Proporcional à corrente de armadura
Operação
Quadrante Velocidade
Torque
Tensão
Corrente Potência
Motor direto
1
+
+
+
+
+
Gerador direto
2
+
-
+
-
-
Motor reverso
3
-
-
-
-
+
Gerador reverso
4
-
+
-
+
-
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AULA 3 – Controle de
Velocidade Motor CC
ACIONAMENTOS
MONOFÁSICOS
CA – CC variável
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Velocidade Motor CC
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Velocidade Motor CC
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Retificador monofásico meia onda
• Acionamentos com conversores monofásicos de meia-onda;
Tensão média saída:
Vm
Va 
.1  cos 
2.
0 
Vm = tensão máxima na entrada (Vs);
α = ângulo de disparo
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Velocidade Motor CC
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Retificador monofásico ponte semicontrolada (mista)
• Acionamentos com conversores monofásicos semicontrolados;
Tensão média saída:
Va 
Vm

.1  cos 
0 
Vm = tensão máxima na entrada (Vs);
α = ângulo de disparo
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Velocidade Motor CC
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Retificador monofásico ponte completa
• Acionamentos com conversores monofásicos controlados;
(onda completa)
Tensão média:
Va 
2.Vm

. cos 
0 
Vm = tensão máxima na entrada (Vs);
α = ângulo de disparo
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AULA 3 – Controle de
velocidade do motor CC
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Acionamento monofásico
• Geralmente para motores na faixa de 10kW, ou menor
• Como os tiristores só conduzem corrente em um sentido, ambos são
unidirecionais em corrente. Com a ponte completa é possível obter
tensão em ambos sentidos.
• Em acionamentos onde o controle do campo é necessário, o circuito
de campo também é alimentado por um retificador controlado, caso
contrário, é empregado o retificador não controlado.
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AULA 3 – Controle de
velocidade do motor CC
Ângulo de condução
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AULA 3 – Controle de
velocidade do motor CC
Ponte Mista
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AULA 3 – Controle de
Velocidade Motor CC
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Exemplo
Um motor CC com excitação separada possui um torque de carga
constante de 60Nm. O motor é acionado por um retificador monofásico de
onda completa conectado a uma fonte de alimentação de 240Vca. A
constante de campo do motor K.If = 2.5 e a resistência de armadura é 2Ω.
Calcule o angulo de disparo para o motor operar a 200rpm. Assuma que a
corrente de campo é constante.
Va 
2Vm

  T
. cos    Ra .

  K .I f
2Vm
. cos 
Va  Ra .I a  E


. cos   Ra ..I a  K .I f .
T  K .I f .I a  I a 
T
K .I f


    T 

  cos 
. Ra .
.  K .I f .  
2.Vm   K .I f 
 




  60 

200  

  cos1 
.2.
.  2.5 2. .
 
60  

 2. 2.240   2.5 
1
E  K1 ..  K .I f .
2Vm


.  K .I f . 




  62.32º
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