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Controle de Velocidade em Motores Elétricos com Inversores de Frequência, Notas de estudo de Engenharia Elétrica

Uma introdução à tecnologia de inversores de frequência para o controle de velocidade em motores elétricos, com ênfase em sua migração de motores cc para motores de indução. Além disso, discutimos as topologias de inversores de frequência, incluindo onda quadrada, onda quadrada com chopper e inversores pwm, e suas respectivas desvantagens e vantagens.

Tipologia: Notas de estudo

2011

Compartilhado em 25/10/2011

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UNIVERSIDADE SANTA CECÍLIA
ENGENHARIA ELÉTRICA
ELEMENTOS DE MÁQUINAS E ACIONAMENTOS
Prof. Silverio Penin y Santos.
INVERSORES DE FREQUÊNCIA.
1. Introdução
Grande parte dos processos industriais é efetuada por motores elétricos com velocidade e
conjugado controlados. Os exemplos de maior relevância, onde é necessário controlar os
parâmetros citados, estão nos grandes laminadores da siderurgia, na indústria de vidro, na
indústria têxtil, no transporte por correias transportadoras. A tração elétrica como metrôs,
trens e ônibus elétricos entre outros, também requerem velocidade controlada.
Os processos de controle até a segunda metade da década de 80, eram constituídos
majoritariamente por Motores CC e seus respectivos Conversores CA/CC. A partir dessa
época, os mesmos vem sendo velozmente substituídos por Motores de Indução ou
Assíncronos alimentados por Inversores de Freqüência.
A migração dos Motores CC para os Motores de Indução constitui-se em extraordinário
avanço tecnológico e foi proporcionado pela popularização dos IGBT’s com elevados
níveis de potência.
A tecnologia prevalecente a partir da segunda metade da década de 60 era dos SCR’s
(tiristores), diodos controlados que permitem controlar os níveis de tensão retificada com
facilidade.
Nos Motores CC a Velocidade e Conjugado é efetuada pelo nível de tensão aplicada `a
armadura e(ou)campo.
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UNIVERSIDADE SANTA CECÍLIA

ENGENHARIA ELÉTRICA

ELEMENTOS DE MÁQUINAS E ACIONAMENTOS

Prof. Silverio Penin y Santos.

INVERSORES DE FREQUÊNCIA.

  1. Introdução Grande parte dos processos industriais é efetuada por motores elétricos com velocidade e conjugado controlados. Os exemplos de maior relevância, onde é necessário controlar os parâmetros citados, estão nos grandes laminadores da siderurgia, na indústria de vidro, na indústria têxtil, no transporte por correias transportadoras. A tração elétrica como metrôs, trens e ônibus elétricos entre outros, também requerem velocidade controlada. Os processos de controle até a segunda metade da década de 80, eram constituídos majoritariamente por Motores CC e seus respectivos Conversores CA/CC. A partir dessa época, os mesmos vem sendo velozmente substituídos por Motores de Indução ou Assíncronos alimentados por Inversores de Freqüência. A migração dos Motores CC para os Motores de Indução constitui-se em extraordinário avanço tecnológico e foi proporcionado pela popularização dos IGBT’s com elevados níveis de potência. A tecnologia prevalecente a partir da segunda metade da década de 60 era dos SCR’s (tiristores), diodos controlados que permitem controlar os níveis de tensão retificada com facilidade. Nos Motores CC a Velocidade e Conjugado é efetuada pelo nível de tensão aplicada `a armadura e(ou)campo.

Nos Motores de Indução a velocidade é controlada pela freqüência de alimentação. Embora os variadores de freqüência possam ser fabricados com tiristores, as características dos mesmos introduz custos tão elevados que tornavam a solução Variador de freqüência(inversor)/Motor de Indução mais cara que Variador de tensão(Conversor CA/CC)/Motor de CC. Os IGBT’s(Insulated Gate Bipolar Transistor) soluciona o problema, pois pelas suas características proporciona grande facilidade no controle da freqüência. Assim é possível utilizar Motores de Indução, muito mais baratos e com menor manutenção que os Motores CC

2. Topologias de Inversores de freqüência.

Abaixo apresentam-se algumas alternativas de inversores:

Figura 1: Acionamento de um Motor de Indução Trifásico por Inversor alimentado por ponte controlada.

controlada por chopper.

Fig 3 :Inversor trifásico com ponte não controlada. Figura 3 - Inversor Trifásico de 180º. A figura 3 representa um inversor trifásico cujo estágio de inversão é alimentado por fonte não controlada. A condução dos IGBT’s é de 180 graus. A seguir apresenta-se a formação de alternância da tensão aplicada ao motor.

Figura 4: Formação das alternâncias na entrada do motor

S1 ,..S3 são IGBT’s que conduzem sob o comando do modulo. Cada um conduz 180º conforme mostra o gráfico da figura 4.a (ver as linhas S1, S2, S3, S4, S5, S6). Não podem conduzir os IGBT’s da mesma perna (mesma coluna), pois isso significa colocar a fonte CC em curto.

As harmônicas agora serão de ordens mais elevadas que correspondem a bandas centradas em freqüências múltiplas da freqüência da portadora, ou seja, 1200hz, 2400 hz e assim por diante. A grave desvantagem é a poluição eletromagnética no ambiente que o equipamento está inserido.

Fig. 5: Topologia de Inversor com controle PWM (estágio de retificação não controlada)

A figura 6 mostra como gerar tensão controlada (modulada) por largura de pulso Uma onda portadora é ‘’cortada ‘’ por ondas triangulares gerados na freqüência de chaveamento. A condução dos IGBT’s é efetuada apenas no tempo correspondente entre dois triângulos. Observe-se que na parte superior a distância entre os dois triângulos é maior que perto do eixo das abscissas.

Figura 6- Geração de pulsos PWM