Acionamento de Motores CA

Fundação Universidade FederalPág 1
de
Mato Grosso do
Sul
ACIONAMENTOS
CA
Acionamento Eletrônico de Motores
Aula 7 - Acionamento de Motores CA
AC Electric Motor Drives
Prof. Marcio Kimpara
Universidade Federal de Mato Grosso do Sul
FAENG – Faculdade de Engenharias, Arquitetura e Urbanismo e Geografia
Campo Grande – MS
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ACIONAMENTOS CA
Introdução ao acionamento CA
Propósito: Controle/ajuste de velocidade e torque do motor CA (indução)
Sem o “sistema de acionamento (drive)” o motor de indução é
conectador diretamente à rede e opera com velocidade constante
•
Motor CA 4 polos em 60Hz  1800 rpm menos o escorregamento
•
Motor CA 2 polos em 60Hz  3600 rpm menos o escorregamento
Porque precisamos controlar a velocidade do motor?
•
Processo requer isso – ex: esteira
•
Economia de energia – ex: bombeamento de água
O acionamento eletrônico permite o controle de velocidade
de um motor elétrico através do ajuste na alimentação
desse motor
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ACIONAMENTOS CA
Exemplo
Carga centrífuga do tipo bomba ou ventilador (característica
A relação entre o fluxo de ar
ou líquido e velocidade é
linear
Pressão no interior do
encanamento ou duto varia
com o quadrado da
velocidade
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TL  K . 2
)
Potência necessária para
mover o ar ou líquido é
proporcional ao cubo da
velocidade
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ACIONAMENTOS CA
Economia de Energia
Por causa dessa relação, variando a velocidade de bombeamento
utilizando um conversor eletrônico (drive), é possível reduzir a potência
necessária, economizando energia.
Por exemplo:
Reduzindo a velocidade
para 70%, a potência
necessária se reduz para
35%.
P  3
P '  0,7   0,343
3
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ACIONAMENTOS CA
Comparando...
Acionamento e controle das maquinas CC:
• Controle de velocidade relativamente simples
• Requer o fornecimento de uma tensão CC variável (pode ser obtida a partir
de choppers ou retificadores controlados)
• Desacoplamento inerente entre fluxo e conjugado – boa dinâmica
• Conversores controladores de tensão simples e baratos
• Máquinas CC são relativamente caras e requerem mais manutenção devido
as escovas e comutadores que se desgastam rapidamente
• Limitação quanto ao ambiente de instalação (risco de explosão)
•
Ainda são utilizados em aplicações industriais e de transporte
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ACIONAMENTOS CA
Comparando...
Acionamento e controle das maquinas CA:
• As maquinas CA (indução) exibem estruturas altamente acopladas e
multivariáveis
• Os conversores de potência (inversores, controladores de tensão CA)
podem controlar a frequência e tensão (e/ou a corrente) para fornecer os
requisitos do acionamento.
• Conversores de potencia relativamente mais complexos e mais caros,
requerem técnicas avançadas de controle com realimentação
• As maquinas CA possuem inúmeras vantagens: são mais leves (20% a 40%
mais leves que as maquinas CC equivalentes), mais baratas e tem menos
manutenção
• as vantagens dos acionamentos CA compensam as desvantagens de
controles mais complexos
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ACIONAMENTOS CA
Acionamento CA

Comparado com as máquinas CC, controlar a velocidade do
motor de indução requer elaborados e complexos esquemas;

Desta forma, antes da evolução da eletrônica de potência, o
controle de velocidade dos motores de indução eram limitados a
métodos ineficientes e com pequeno range;

Razões do aumento da complexidade



Frequência variável
A dinâmica de máquinas CA é muito mais complexa
Variação dos parâmetros das máquinas
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ACIONAMENTOS CA
Introdução ao acionamento CA
Motores de indução, hoje, são utilizados nos mais variados processos, desde
simples movimentos até aplicações onde movimentos precisos são demandados.
75% das aplicações com acionamento eletrônico são em bombas e
ventiladores
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ACIONAMENTOS CA
Tópicos principais
 Princípio de funcionamento e características principais do motor de
indução
 Descrever as estratégias de controle do motor de indução
 Controle escalar utilizando o inversor de tensão
 Estratégia de controle vetorial
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ACIONAMENTOS CA
Família das máquinas elétricas
GAIOLA DE
ESQUILO
ASSÍNCRONO
ROTOR
BOBINADO
TRIFÁSICO
RELUTÂNCIA
SÍNCRONO
MOTOR C.A.
UNIVERSAL
IMÃ PERMANENTE OU
BOBINADO
MONOFÁSICO
PÓLOS SALIENTES
PÓLOS LISOS
EXCITAÇÃO SÉRIE
MOTOR C.C.
EXCITAÇÃO INDEPENDENTE
EXCITAÇÃO COMPOUND
IMÃ PERMANENTE
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ACIONAMENTOS CA
Motor de Indução
Vantagens dos motores tipo gaiola:
• Construção simples e de menor custo que as correspondentes (mesma
potência) que as máquinas CC ou síncronas;
• Sem escovas;
• Demandam menos manutenção;
• Rotor com menor inércia (gaiola);
• Mais adequados a atmosferas explosivas ou sujas
• Uma “administrável”curva torque-velocidade
• Estável operação sem carga;
• Capacidade de auto-partida;
• Geralmente satisfatória eficiência;
• Mais leves que as máquina CC (para a mesma potência)
• Faixa de poucos Watts até alguns MWatts
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ACIONAMENTOS CA
Motor de Indução
Desvantagens:
 A velocidade não é facilmente controlável como a de um motor CC;
 Alta corrente de partida, tipicamente 6 a 8 vezes a corrente nominal;
 Em condição de baixa carga, opera com fator de potência reativo indutivo
(atrasado).
 Modelo dinâmico mais complexo
 Controle e acionamento mais difícil
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ACIONAMENTOS CA
Características funcionais
 Na máquina de indução tanto o rotor quanto o estator conduzem
corrente alternada, porém apenas o estator está ligado diretamente a
uma fonte de alimentação (acoplamento)
 A corrente que circula pelo rotor é uma corrente induzida devido a
um campo variável dado pela diferença de velocidade de rotação do
rotor e do campo girante. Por isso a nomenclatura máquina de
indução;
 Apresentam características excelentes para a operação a
velocidades constantes, porque a velocidade é determinada pela
frequência da rede de alimentação e o número de polos do motor;
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ACIONAMENTOS CA
Aspectos construtivos - Estator
Enrolamento:
- Imbricado
- Ondulado
Passo de bobina:
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- Inteiro
- Fracionário
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ACIONAMENTOS CA
Aspectos construtivos - Rotor
ROTOR GAIOLA DE ESQUILO:
Consiste de barras de cobre, de grande
seção, unidas em cada extremidade por um
anel de cobre ou de bronze.
ROTOR BOBINADO: Possui enrolamento
isolado semelhante ao enrolamento do
estator. Estes enrolamentos do rotor (trifásico)
são trazidos para o exterior através de três
anéis coletores montados sobre o eixo do
motor.
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ACIONAMENTOS CA
Aspectos construtivos – outras partes...
Estator:
(1) Carcaça;
(2) Núcleo magnético;
(8) Enrolamento trifásico.
Rotor:
(7) Eixo;
(3) Núcleo magnético;
(12) Barras e anéis de
curtocircuito.
Outras partes do motor:
(4) Tampa dianteira;
(5) Ventilador;
(6) Tampa defletora;
(9) Caixa de ligação;
(10) Terminais de ligação;
(11) Rolamentos (mancais).
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ACIONAMENTOS CA
Princípio de funcionamento
1) Uma máquina de indução trifásica possui enrolamentos no estator aos
quais é aplicada a tensão alternada de alimentação.
2) Dada a característica trifásica da alimentação CA do estator e à
distribuição espacial dos enrolamentos, o campo produzido pelo estator
é girante, ou seja, sua resultante possui um movimento rotacional
3) Por efeito transformador, o campo magnético produzido pelos
enrolamentos do estator induz correntes no rotor, de modo que, da
interação de ambos campos magnéticos será produzido o torque que
levará a máquina à rotação. O campo produzido pelas correntes
induzidas no rotor terá a mesma característica, procurando sempre
acompanhar o campo girante do estator.
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ACIONAMENTOS CA
Campo Magnético Girante
B
C’
A’
A
120°
C
B’
Corte transversal
Os enrolamentos trifásicos localizados no estator e representados
pelos enrolamentos A-A’, B-B’ e C-C’ estão deslocados de 120 graus
entre si.
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ACIONAMENTOS CA
Campo Magnético Girante
Distribuição do campo
para o instante mostrado
Correntes trifásicas
instantâneas
Eixo magnético fase A
Eixo magnético fase B
Eixo magnético fase C
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ACIONAMENTOS CA
Campo Magnético Girante
Campo
Magnético
Girante
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ACIONAMENTOS CA
Campo Magnético Girante
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ACIONAMENTOS CA
Velocidade Síncrona
A velocidade do campo magnético girante é chamada de velocidade
síncrona do motor.
120 f
ns 
P
onde:
ns = velocidade síncrona ou velocidade do campo magnético girante (rpm);
f = freqüência da corrente do estator ou frequência da rede (alimentação), Hz;
P = número total de pólos.
A velocidade do rotor não pode ser igual à velocidade síncrona, pois assim,
nenhuma corrente seria induzida no enrolamento do rotor e consequentemente
nenhum torque seria produzido.
O motor de indução também é conhecido por motor assíncrono,
exatamente por não poder funcionar na velocidade síncrona. A diferença
percentual entre as velocidades do campo girante e do rotor é chamada de
deslizamento (S de “slip”) ou escorregamento.
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ACIONAMENTOS CA
Escorregamento
Escorregamento:
s(%)
( ns  n)

 100%
ns
onde:
S(%) = escorregamento percentual, %;
ns = velocidade síncrona (ou velocidade do campo girante), rpm;
n = velocidade de funcionamento do motor (ou velocidade do rotor), rpm.
Dada em radianos mecânicos/segundo a velocidade síncrona mecânica é
relacionada a velocidade síncrona elétrica por:
 sm
2
 e
P
s
 sm   rm  e   r

 sm
e
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ACIONAMENTOS CA
Características operacionais
Para compreendermos os princípios do controle de velocidade e torque do motor
de indução trifásico, é necessário o conhecimento de algumas relações que
regem o funcionamento dessa máquina. A seguinte análise proporciona apena o
entendimento básico do motor de indução trifásico: na prática, essas relações
exigem uma modelagem matemática muito mais complexa.
Fluxo magnético
O fluxo no entreferro do motor de indução trifásico é proporcional à tensão no
estator e inversamente proporcional à frequência.
Portanto, o fluxo magnético pode ser alterado das seguintes maneiras:
V

f
 reduzido pelo decréscimo da magnitude da tensão ou elevação da frequência,
 mantido constante por uma variação proporcional da tensão e frequência,
 ou elevado com a redução da frequência da tensão alternada aplicada ao
estator. Lembre-se que a magnitude da tensão aplicada ao estator do MIT não
pode ser superior à tensão nominal da máquina
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ACIONAMENTOS CA
Características operacionais
Torque
Para o torque desenvolvido pelo motor, temos a seguinte relação:
T  .iR
Sendo iR , a corrente induzida no rotor.
Para se estudar o problema do acionamento feito por motores de
indução é desejável o conhecimento da sua
curva característica torque x velocidade (escorregamento)
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ACIONAMENTOS CA
Característica Torque-Velocidade
A característica torque-velocidade de um motor é importante do ponto de vista de
suas aplicações a específicas situações. Para calcular o torque produzido pela
máquina, primeiro, computa-se a potência do motor.
A potência do motor, ou
a potência mecânica
fornecida para a carga
é:
Pm  Pin  Pperdas
A potência elétrica entregue
pelo
motor
pode
ser
calculada do utilizando o
modelo por fase através do
circuito equivalente.
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ACIONAMENTOS CA
Modelo da MI - Circuito Equivalente por Fase
Pode-se simplificar o circuito anterior desprezando a resistência Rm devido ao seu
valor muito alto comparado com Xm.
Assim, do circuito equivalente (a) temos que a potência que é transferida do estator
para o rotor, através do campo magnético do entreferro, chamada potência
eletromagnética Pem pode ser calculada sobre o elemento (r2/s).
r 
2
Pem   2   I 2 
s
Para separar as perdas, r2 divide-se em duas parcelas:
s
• uma é transformada em calor na resistência r2 do rotor, e
• a outra em potência mecânica na resistência (fictícia) r2.(1-s)/s
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ACIONAMENTOS CA
Expressões de potência trifásica
Potência de Entrada: Pin  3V1 I1 cos
onde cos é o FP da entrada
Perdas no cobre do estator: Pls  3R1 I1 
2
Perdas no núcleo: Plc  3Vm2 / Rm
 R2 
2
P

3
  I 2 
Potência cruzando o entreferro: em
 s 
Perdas no cobre do rotor: Plr  3R2 I 2 2
R2 1  s  
2
 I 2 
s


Potência de saída: Pout  Pem  Plr  3
Potência no eixo: Psh  Pout  PFw
onde PFw são perdas por atrito e por ventilação
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ACIONAMENTOS CA
Circuito Equivalente por Fase Simplificado
A partir do circuito equivalente mostrado anteriormente, pode-se determinar o
circuito equivalente de Thevenim entre os pontos a e b. Os pontos a e b na
figura dividem o circuito equivalente em duas partes: à esquerda, o circuito do
estator e à direita o do rotor.


Sendo, normalmente, Rm muito grande e X m  RS  X S , o ramo relativo
à magnetização pode ser representado apenas pela reatância e colocado na
entrada do circuito, como mostrado na figura abaixo.
2
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2
2
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ACIONAMENTOS CA
Circuito Equivalente por Fase Simplificado
A corrente do rotor fica então dada por:
Ir 
VS
2


Rr 
2
 RS     X S  X r  
s 


1/ 2
Substituindo Ir na expressão da potência de saída e, sabendo-se que o
torque desenvolvido é dado por T  Pout
tem-se:
r
2
 R 1  s   2
Pout  3 r
 I r 
s


r  s  1  s 
T
Pout
s 1  s 






VS
 Rr 1  s  

Pout  3

1/ 2
2
s

 
 
Rr 
2
  RS     X S  X r   
 
s 
 

Tm 
3.Rr .VS2
2


Rr 
2
s.s . Rs     X s  X r  
s 


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ACIONAMENTOS CA
Curva torque x velocidade - Matlab
x
%
%
%
%
%
%
%
%
%
%
velocidade
tensão
frequência
resist. estator
resist. rotor
indutância estator
indutância rotor
n° polos
reatância rotor
reatância estator
velocidade síncrona
250
200
Torque (N.m)
%% Curva Torque
V=230;
f=60;
Rs=0.2;
Rr=0.1;
Ls=0.002;
Lr=0.002;
P=4;
Xr=2*pi*f*Lr;
Xs=2*pi*f*Ls;
ns=((120*f)/P);
150
100
50
0
0
200
400
600
800 1000 1200
Velocidade (rpm)
1400
1600
1800
% Fazendo variar a velocidade do rotor
for nr=1:1:ns
s=((ns-nr)/ns);
Tm(nr,1)=(3/(ns*(pi/30)))*(Rr/s)*((V^2)/(((Rs+(Rr/s))^2)+((Xs+Xr)^2)));
nr = nr+1;
end
plot(Tm)
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ACIONAMENTOS CA
Curva torque x velocidade
Conjugado de partida ou conjugado com rotor bloqueado (Cp): é o conjugado que o
motor desenvolve no momento em que ele é ligado a uma rede de tensão e frequência
nominais, com o rotor parado. O seu valor pode ser obtido fazendo-se na equação do
torque o escorregamento igual a 1.
Conjugado mínimo (Cmin): é o menor valor que o conjugado assume durante o
período de aceleração, representado pelo ponto mais baixo da característica, entre a
velocidade zero e a velocidade correspondente ao conjugado máximo, sob tensão e
frequência nominais.
Conjugado máximo ou conjugado crítico (Cm): é o máximo valor de conjugado que o
motor pode desenvolver durante a sua operação. Recebe também o nome de
conjugado crítico e seu valor determina a capacidade momentânea de sobrecarga
mecânica do motor.
Conjugado nominal ou de plena carga (Cn): é o conjugado que o motor desenvolve na
sua condição nominal de operação, isto é, com tensão e frequência nominais aplicadas
aos terminais do motor, ele gira à velocidade nominal, fornecendo a potência
nominal no seu eixo.
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ACIONAMENTOS CA
Cálculo de smax e Tmax
• Para encontrar smax, igualamos a derivada em relação a s da equação
do torque a zero.
dTm
0
ds
• O que resulta
smax  

Rr
R  Xs  Xr
2
s

2
• substituindo smax na equação do torque, resulta em Tmax
Tmax  
3
V
2

2s  R  R 2  X  X
s
s
r
 s
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 
2

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ACIONAMENTOS CA
Característica Torque-Velocidade
Uma curva “mais completa” onde podem ser representadas as regiões de operação do
motor CA é ilustrada abaixo. A curva abaixo foi obtida plotando a função do slide 28.
Plugging
Frenagem
Regenerativa
Região Motora
Nesta região temos ωs em
direção oposta a ωr. Isso
pode ocorrer
momentaneamente quando,
por exemplo, a sequência de
fase da alimentação trifásica
é invertida, com o motor em
funcionamento.
Nesta região temos ωr maior
que ωs. Isso pode ocorrer
momentaneamente quando,
por exemplo, reduzimos a
frequência da alimentação
do estator.
Torque
Velocidade
síncrona
Torque de
partida
2
 S  120. f P
1
r  0
1 s  0
0
r  S 
 r  S 
Escorregamento
(s)
s  r
s
s
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