Controle de velocidade motor de indução

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Fundação Universidade
Federal
CONTROLE
DE DO MOTOR
de INDUÇÃO
Mato Grosso do Sul
DE
Acionamento Eletrônico de Motores
Aula 8 - Controle de velocidade motor de indução
Speed control of Induction Motors
Prof. Márcio Kimpara
FAENG – Faculdade de Engenharias, Arquitetura e
Urbanismo e Geografia
Campo Grande – MS
Prof. Marcio Kimpara
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DE INDUÇÃO
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Princípios básicos do controle de velocidade
O controle de velocidade/torque do motor de indução requer técnicas
mais elaboradas em comparação com as máquinas CC.
Na aula anterior, encontramos a expressão que
características torque-velocidade do motor de indução:
Tm 
relaciona
as
3.Rr .VS2
2


Rr 
2
s.s . Rs     X s  X r  
s 


Donde se extrai:
smax  

Rr
R  Xs  Xr
2
s

2
Tmax  
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3
V
2

2s  R  R 2  X  X
s
s
r
 s
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 
2

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Controle de velocidade
Examinando as variáveis da equação, podemos concluir que a
curva torque x velocidade pode ser controlada por, pelo menos,
uma das variáveis a seguir:
• Resistência do rotor ou estator
• Magnitude da tensão do estator
• Frequência da tensão terminal aplicada ao estator
• Indutância do rotor ou estator
Em sistemas modernos, cada uma das técnicas acima por si só não é
suficiente. Entretanto, combinando mais de uma, o controle se torna mais
eficiente. Desta forma, embora não seja evidente apenas examinando a
equação anterior, existem outras técnicas usuais e mais eficientes para
controlar o motor de indução.
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Controle de velocidade
Outras técnicas:
• Controle da magnitude e frequência da tensão (controle escalar)
• Controle vetorial
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Controle de velocidade – Método Resistência
Controle de Velocidade de um Motor de Indução com Rotor
Bobinado (anéis)
– Utilização de resistências externas no circuito do rotor
– Ajuste do circuito do rotor – variação de Rr
Tm 
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3.Rr .VS2
2


Rr 
2
s.s . Rs     X s  X r  
s 


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Controle de velocidade – Resistência Rotórica
• Em uma maquina de rotor bobinado, uma conexão trifásica de
resistores externos pode ser feita aos anéis, como mostrado na
figura anterior.
• O torque desenvolvido pode ser variado através da variação da
resistência Rx. Esse método aumenta o torque de partida, além de
limitar a corrente de partida. A velocidade síncrona e o torque
máximo não são afetados.
• Trata-se de um método ineficiente e haverá desequilíbrio nas
tensões e correntes se as resistências no circuito do rotor não
forem exatamente iguais.
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Controle de velocidade – Resistência Rotórica
• O controle de velocidade por variação da resistência é mais
realista em maquinas com rotores bobinados. Devido à
disponibilidade dos enrolamentos do rotor para a variação da
resistência deste, este tipo de máquina oferece maior flexibilidade
para o controle, mas ha um aumento do custo e necessidade de
manutenção devido aos anéis.
• Controlar a velocidade de um motor através da variação da
resistência não é considerado um método prático para aplicações
de velocidade variável. Este método só é válido para aplicações
que exigem elevado torque de partida.
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Controle de velocidade – Resistência Rotórica
As figuras abaixo ilustram as famílias de curvas torque-velocidade, obtidas para
diferentes valores de Rx.
O aumento na resistência do rotor não afeta o valor do torque Maximo, mas
aumenta o escorregamento no torque máximo. As maquinas de rotor bobinado são
amplamente utilizadas em aplicações que requerem frequentes partidas e
frenagens com torques elevados (por exemplo, guindastes).
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Controle de velocidade – Resistência Rotórica
EXERCÍCIO
• MIT – V=230V, f=60 Hz (379,9911 rad/s), Rs = 0.1Ω, Rr = 0.1Ω,
Ls=0.002 H, Lr = 0.02 H.
Utilizando o Matllab, faça Rext variar de 0.1 a 0.5 ohm e plote as
curvas torque x velocidade
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Controle de velocidade – Resistência
Problemas associados à variação da resistência:
– Sacrifício da eficiência
Pout
Rr  leva a

Pin
– Necessita de acesso ao circuito do rotor;
– Variar a resistência do estator é impraticável;
– Faixa estreita e discreta;
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Controle de velocidade – Indutância
Ajustando a indutância dos enrolamentos é um método não
realístico devido à:
• O tamanho físico da indutância para produzir uma variação considerável
na velocidade pode ser maior que o próprio motor;
• Ao contrário da variação da resistência, variar a indutância requer
onerosos e elaborados métodos;
• A inserção de indutância reduz o torque de partida;
• A inserção de indutância consume energia reativa, o que provoca um já
baixo, fator de potência.
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Controle de velocidade – Amplitude da tensão
A magnitude da tensão da fonte poderia ser reduzida mantendo-se a frequência
constante, mas esse método é muito inconveniente porque reduziria tanto o fluxo
magnético no entreferro quanto a corrente do rotor , resultando em um decréscimo
no torque proporcional ao quadrado da redução da tensão, além de elevados
valores de escorregamento.
Da equação do torque vê-se que ele é
proporcional ao quadrado da tensão
aplicada ao estator. Assim para um dado
torque, uma redução na tensão produz
uma diminuição na velocidade (um
aumento no escorregamento)
Tm 
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3.Rr .VS2
2


Rr 
2
s.s . Rs     X s  X r  
s 


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Controle de velocidade – Amplitude da tensão
A tensão do estator pode ser variada através de:
1. Controladores CA trifásicos;
2. Inversores trifásicos do tipo fonte de tensão com estágio CC variável;
3. Inversores trifásicos PWM.
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Controle de velocidade – Amplitude da tensão
EXERCÍCIO
• MIT – V=230V, f=60 Hz (379,9911 rad/s), Rs = 0.1Ω, Rr = 0.1Ω,
Ls=0.002 H, Lr = 0.02 H.
Utilizando o Matllab, faça V variar de 100 a 300 volts e plote as
curvas torque x velocidade
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Controle de velocidade – Amplitude da tensão
Implicações do ajuste de velocidade através da magnitude da tensão
aplicada ao estator:
– Faixa estreita de variação de velocidade; abaixo de uma determinada
tensão o motor pode parar
– A produção do torque varia com V2
– Tendo em mente que a tensão terminal não pode exceder o valor
nominal (devido à isolação), esta técnica só é adequada para reduzir a
velocidade para abaixo do valor nominal
– O escorregamento para o torque máximo não é alterado
– Contudo, este é um excelente método para redução da corrente de
partida (soft-starter)
– Deve ser evitado em situações onde a carga exige torque constante.
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Controle de velocidade – Frequência da tensão
Controle de velocidade através do ajuste da frequência da fonte de
alimentação, mantendo-se a magnitude da tensão constante
Em regime permanente, o motor opera na região de baixo escorregamento,
onde a velocidade do motor é bem próxima à velocidade síncrona.
ns  120
f
p
Uma vez que a velocidade síncrona é diretamente proporcional à
frequência da tensão no estator, qualquer alteração na frequência
resulta numa mudança equivalente na velocidade do motor.
Para alteração da frequência, um
conversor cc/ca pode ser utilizado.
Família de curvas obtidas para
diferentes frequências
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Controle de velocidade – Frequência da tensão
Ao contrário da tensão, a frequência pode ser alterada para um valor
maior ou menor do que o valor nominal
Efeitos de uma frequência excessivamente elevada
• Elevação na velocidade síncrona;
• Decréscimo no torque máximo. O torque máximo é inversamente proporcional à
velocidade síncrona e a reatância equivalente (Dependendo do torque de carga, o
motor pode travar)
• Decréscimo do torque de partida;
• Aumento na velocidade quando o é torque máximo. A elevação na frequência faz
com que o escorregamento de torque máximo decaia;
• Redução da corrente de partida – Além do aumento na reatância em decorrência
do aumento da frequência, em alta frequência, a resistência dos enrolamentos
aumenta devido ao efeito skin.
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Controle de velocidade – Frequência da tensão
Efeitos de uma frequência excessivamente baixa
• A redução da frequência leva à baixa reatância resultando na elevação da
corrente elétrica – Uma redução acentuada da frequência pode provocar uma
corrente elétrica maior que o valor nominal;
• Problemas de saturação magnética.
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Controle de velocidade – Frequência da tensão
EXERCÍCIO
• MIT – V=230V, f=60 Hz (379,9911 rad/s), Rs = 0.1Ω, Rr = 0.1Ω,
Ls=0.002 H, Lr = 0.02 H.
Utilizando o Matllab, faça a frequência variar de 10 a 100 Hz e
plote as curvas torque x velocidade
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Introdução ao Controle escalar
A elevação na frequência da tensão do estator aumenta a velocidade do
motor... mas também diminui o torque máximo.
Por outro lado, o aumento na magnitude da tensão eleva o torque máximo.
Portanto, se combinarmos ambas as características, teremos uma
metodologia de controle na qual a velocidade diminui e o torque é máximo
é mantido.
Esta metodologia é conhecida como V/f ou controle escalar.
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Características Operacionais
Como já vimos,
V

f
Um aumento na frequência resulta numa maior reatância e menor
corrente, portanto, um fluxo reduzido. [first
Para manter
fluxo magnético
row ofo matrix]
constante e, consequentemente o torque, a tensão deve ser elevada de
maneira proporcional. O inverso é análogo.
A implementação deste método é obtida
através dos inversores com modulação
PWM. Os inversores devem manter uma
relação linear entre tensão e frequência até
o ponto de tensão e frequência nominais.
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PWM
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Controle escalar
Caso variemos a frequência e a magnitude da tensão simultaneamente,
mantendo-se a proporção entre ambas constante, obteremos a seguinte
família de curvas de torque x velocidade:
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Controle escalar
Para velocidades síncronas inferiores à velocidade base
(nominal), a frequência da fonte (idealmente senoidal) deve ser
reduzida (abaixo de 60Hz no Brasil) e para evitar a elevação
do fluxo no entreferro, que poderia resultar na saturação do
material ferromagnético, e manter o torque ( T  .iR )
constante, a magnitude da tensão também é reduzida de
maneira proporcional.
Para velocidades síncronas superiores à velocidade base
(nominal), a frequência da fonte deve ser elevada (acima de
60Hz). Entretanto, não é possível elevar o módulo da tensão
aplicada e o fluxo magnético no entreferro necessariamente
deverá ser reduzido.
V

f 
V
 
f 
Em consequência, tem-se uma redução proporcional no torque gerado,
pois T  .iR
. Nessa região, conhecida por enfraquecimento de
campo, a potência mecânica é constante.
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Controle escalar
Outra análise mostra que para determinados valores de frequência o valor da
resistência é muito pequeno quando comparado com o valor da reatância indutiva;
desta maneira podemos, nesta aproximação, e para um método de controle
simples como o escalar, desprezá-lo. Assim teremos que o valor da corrente será
proporcional à tensão de alimentação V, à indutância L e à frequência f. O valor de
indutância L é uma constante do motor, mas a tensão e a frequência são dois
parâmetros que podem ser “controlados” pelo inversor de frequência.

2
'
Quando X eq  Rs  Rr

2
, a corrente de partida pode ser aproximada para:
V
1
V
I 

.
X eq 2 .Leq f
'
r
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Controle escalar
Uma análise da expressão do torque máximo nos mostra que:
Tmáx 

V2
2 s Rs  Rs2  X eq2

Para uma frequência próxima à nominal, a expressão acima pode ser
aproximada para: (resistência desprezível em comparação à reatância)
Tmáx
V 
V2
V2


  
2 s . X eq


f 


2 4 . f .2 . f .Leq
p 


 
  
X eq
 s 
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2
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Topologia para acionamento - Drives
A partir do advento da
modulação PWM para
controle de máquinas
de indução, esquemas
possíveis para obtenção
de tensão e frequência
variáveis
são
apresentados ao lado:
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Acionamento eletrônico do motor de indução
Tensão CA fixa
(amplitude e
frequência)
Tensão
retificada
Tensão
retificada
filtrada
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Tensão CA modulada
(amplitude e
frequência variáveis)
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Inversor ou
Inversor de frequência
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Termos em inglês
•Variable Frequency Drive – VFD
•Ajustable Frequency Drive – AFD
•Variable Speed Drive – VSD
•Inverter Drive
•AC Drive
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Acionamento do motor de indução
Inversor conectado a retificador
Modos de acionamento:
– Onda quadrada
– Modulação de largura de pulso (PWM)
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– Acionamento baixa frequência
(condução 120°e 180°)
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Inversor de tensão
Técnicas de modulação
– Modulação senoidal
– Modulação de eliminação de harmônica
Comparação senoide
modulante (Vcontrol) com
uma triangular portadora
(Vtri)
– Modulação por histerese
– Modulação vetorial
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Inversor de tensão
Modulação Senoidal
Trifásica
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CONTROLE DE DO MOTOR
DE INDUÇÃO
Inversor de tensão
Estratégia V/f  cte
Tensão modulada
saída do inversor
Corrente no motor
 filtrada pela
própria indutância
do estator
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Controle escalar
O controle eletrônico da velocidade e torque desenvolvidos por
motores de indução trifásicos possui inúmeras aplicações em
sistemas industriais e comerciais;
O controle escalar permite um bom desempenho, entretanto, para
aplicações ainda mais complexas e precisas, utiliza-se o controle
vetorial (discutido nas próximas aulas);
O controle escalar consiste na mera variação da magnitude e
frequência da tensão alternada aplicada ao estator. Por isso, ele
também é denominado controle VVVF (Variable Voltage, Variable
Frequency).
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Controle escalar



Fácil de implementar
Amplamente usado na indústria
Vem perdendo a importância nos últimos tempos, performance
inferior ao controle vetorial
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EXERCÍCIO
Um motor de indução trifásico de 230V, 4 polos, 60Hz, 1640rpm possui os
seguintes parâmetros referenciados ao estator: RS  1,2
* As reatâncias foram medidas com
frequência nominal
Rr  0.1
XLS  4
XLr  2
Este motor está acoplado a uma carga com torque constante no valor de 70% do
torque nominal fornecido pelo motor.
a) É possível acionar este motor a 1400 rpm através do controle por redução da
amplitude da tensão de alimentação para 200V? (a frequência é mantida
constante).
b) E se fosse utilizada a estratégia de controle escalar, mantidos os mesmos 200V
para a amplitude da tensão de alimentação?
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