Controle de Velocidade CA, Notas de estudo de Tecnologia Industrial

Baixe Controle de Velocidade CA e outras Notas de estudo em PDF para Tecnologia Industrial, somente na Docsity!

CONTROLE DE VELOCIDADE

MOTORES CA

Tubarão - 2004

3.4 – CONVERSORES DE FREQÜÊNCIA COM MODULAÇÃO POR LARGURA DE PULSOS (PULSE WIDTH

1 - Partida eletrônica (SOFT - STARTER)

A chave de partida a estado sólido consiste de um conjunto de pares de tiristores (SCR) ou combinações de tiristores/diodos, para cada fase do motor. O ângulo de disparo de cada par de tiristores é controlado eletronicamente para aplicar uma tensão variável no motor durante a aceleração. Este comportamento é, muitas vezes, chamado de partida suave (soft-starter).

No final do período de partida, ajustáveis conforme a aplicação, a tensão atinge seu valor pleno após uma aceleração suave ou uma rampa ascendente, ao invés de ser submetido a transição brusca, como ocorre com os métodos de partida por autotransformador, ligação estrela - triângulo, etc. Com isso, consegue-se manter a corrente de partida próxima da nominal e com suave variação, como desejado.

Além da vantagem do controle da tensão (corrente) durante a partida, a chave eletrônica apresenta, também, a vantagem de não possuir partes móveis ou que gerem arco elétrico, como nas chaves eletro- mecânicas.

Fig1 - Curva característica de conjugado e corrente para motor com partida suave (soft- starter).

Este é um dos pontos fortes das chaves eletrônicas, pois sua vida útil é mais longa, assim como dos componentes acessórios (contatores, fusíveis, cabos, etc.).Ainda como um recurso adicional, a soft-starter apresenta a possibilidade de efetuar a desaceleração suave para cargas de baixa inércia.

• Corrente de partida direta
• Corrente de partida com SOFT-STARTER
• Conjugado com partida direta
• Conjugado com SOFT-STARTER
• Conjugado da Carga

1.

1.

1.

1.

1.

0.

0.

0.

0.

0.

4.

3.

2.

1.

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

ROTAÇÃO (%)

1.1 - Características e Benefícios das SOFT-STARTERS

Abaixo, estão listadas as características comumente disponíveis em Soft-Starters modernas com os benefícios que estas podem fornecer.

a) Perfil da Tensão de Partida

Conforme ilustrado na figura 2, o usuário pode ajustar a tensão inicial (Vp) para igualar a tensão que começa a mover a carga. A tensão então, aumenta de (Vp) até a tensão da linha durante um tempo ajustável (tr). Isto assegura uma partida suave, livre de choques. Para ajudar a vencer cargas de altas inércias, a característica “KICK START” (pulso de tensão na partida) está disponível. Um pulso de tensão a um nível ajustável (Vk) é aplicado por um período também ajustável (tk). A tensão é então, elevada na maneira usual.

Figura 2 -Perfil da tensão de partida.

b) Perfil da Tensão na Desaceleração

A tensão é reduzida "instantaneamente" a um nível ajustável (Vt) que está normalmente ajustado ao nível onde o motor inicia a diminuição da rotação. A tensão declina segundo uma rampa ajustável (Vr2) até a tensão final (Vz) quando o motor terá parado de girar. Neste ponto, a tensão é desligada. Este “ Perfil Triplo de Rampa " reduz choques hidráulicos em sistemas de bombeamento porque ele situa o conjunto do período de declive onde ele tem seu maior efeito na desaceleração do motor. Este sistema é visto na figura figura 3.

Figura 3 - Perfil de rampa de desaceleração.

Figura 5 - Típico perfil de sobrecarga de corrente.

f) Sensibilidade a Seqüência de Fase

Alguns modelos somente operarão se a seqüência de fase estiver correta. Esta característica pode ser usada para assegurar que as cargas sensíveis à inversão de fase não girem ao contrário depois de uma mudança na seqüência de fase da fonte. As bombas, em particular, podem se beneficiar desta característica. Uma desvantagem dos modelos que são sensíveis a seqüência de fase é que qualquer operação de reversão deve ser feita na saída da soft-starter.

g) Fusível Ultra Rápido

Muitos fabricantes recomendam o uso de fusíveis ultra rápidos para proteger os tiristores (SCRs). Não argumentaremos sobre as vantagens de se adaptar estes fusíveis aqui. mas diremos que onde estes são especificados é bem melhor ter a possibilidade de tê-los integrados a Soft-Starter. Isto economiza tempo na instalação e espaço no painel.

h) Facilidade de Montagem

As chaves de partida estática modernas oferecem inúmeras características, mas isto não as fazem, necessariamente, difíceis de serem montadas. Enquanto um grande número de trimpots são necessários nas unidades analógicas, o que faz suas montagens problemáticas, a maioria dos modelos digitais usam chaves ou teclado de operação com montagens simples, precisas e repetíveis.

i) Modelos Semi Controlados

Muitas Soft-Starters pequenas, até 45A, usam 03 SCRs e 03 diodos como elementos de controle. Isto reduz o custo da placa de controle, mas não aumenta as harmônicas no sistema. É provável que o uso crescente do microprocessador para controle do disparo de 06 SCRs produzirá economia de escala, fazendo com que as unidades semi-controladas sejam cada vez menos comuns.

j) Economia de Energia

Muitas Soft-Starters tem um circuito de otimização de energia embutido. Isto reduz a tensão aplicada para motores à vazio, reduzindo as perdas no ferro, que são a maior perda nos motores com baixas cargas. Economias significantes podem ser experimentadas em motores que regularmente funcionam a cargas menores que suas nominais. As melhores aplicações são em transportadores de aeroportos e serrarias.

Como norma prática, a otimização de energia torna-se interessante quando a carga for menor que 50% por mais de 50% do tempo. Mesmo que a otimização de energia não seja benéfica, só a confiança adquirida

em uma partida menos problemática, significando que a máquina pode ser desligada quando não necessária, é a melhor maneira de se economizar energia.

1.2 - Aplicações

Muitas aplicações se beneficiam de Soft-Starter. As três mais comuns são descritas abaixo. Em cada caso, o perfilamento de tensão é usado para igualar o torque do motor às necessidades da carga.

a) Bombas

Esta é a aplicação mais comum para as Soft-Starters. Uma simples rampa de tensão iguala as curvas do motor e da carga. A figura 6 mostra o torque de saída do motor à diferentes tensões e como uma simples rampa de tensão de saída da Soft-Starter coloca a curva de torque do motor precisamente sobre a curva de torque de carga da bomba. A corrente de partida é reduzida para aproximadamente 2,5 vezes a corrente nominal. A rampa de desaceleração reduz drasticamente o choque hidráulico. Por estas razões muitas empresas de saneamento especificam Soft-Starters para uso em bombas acima de 11 kW. Bombas sujas com lama podem se beneficiar da característica “KICK START" para ajudar a superar o aumento de inércia de partida devido a presença de sólidos na bomba.

Fig. 6 -. Torque do motor à tensões reduzidas

b) Compressores

A crescente necessidade de ar-condicionados e refrigeração industrial significa que, frequentemente, os compressores estão sendo instalados em fontes de alimentação muito fracas. A Soft-Starter reduz drasticamente o perigo de desligamentos e distúrbios nas fontes de alimentação. Isto é particularmente importante onde existem sistemas de computação, isto é, em escritórios ou em fábricas de processo contínuo.

a) Sobre a Aplicação

Tome cuidado com amoladores, trituradores, elevadores, guindastes, centrífugas e/ou outras aplicações com um alto número de partidas por hora.

b) Sobre os motores

• Qual é a corrente do motor ou sua potência?
• Qual é a tensão da rede?
• O motor é assíncrono e de velocidade única?

c) Montagem

• Qual é o grau de proteção IP do painel?
• Qual é o tipo de refrigeração disponível?
• Qual é a tensão do painel de controle?

1.5 - Questões Típicas

A seguir, apresentamos uma lista das questões mais comuns sobre as SOFT-STARTERS e suas aplicações:

1) Quais são as correntes típicas de partida?

Bombas...................................de 2,5 à 3 vezes a corrente nominal Compressores.........................de 3 à 3,5 vezes a corrente nominal Amoladores, etc. de 3,5 à 4 vezes a corrente nominal

Se o valor da corrente de partida for crítico, este valor pode ser calculado para cerca de 10% acima dos seguintes dados:

• Motor: torque / rotação, corrente / curvas da rotação, inércia inicial.
• Carga: torque / curva da rotação, inércia inicial.

2) Qual o equipamento necessário em linha com Soft-Starter?

Fusíveis, contatores e relés de sobrecarga (se não incluído na Soft-Starter) dimensionados para uma partida direta.

3) Que efeito a Soft-Starter tem sobre o fator de potência?

Nenhum, exceto no modo de economia de energia onde o fator de potência do sistema melhora.

4) As Soft-Starter produzem Harmônicas?

Sim, porém somente durante a partida ou quando em economia máxima de energia. Entretanto, elas criam menos harmônicas do que os sistemas de velocidade variável.

5) Qual a diferença entre Soft-Starters e Conversores de Freqüência?

As Soft-Starters controlam apenas a tensão, ou seja, servem para acelerar e desacelerar a velocidade dos motores na partida. Já, os Conversores de Freqüência por controlarem a tensão e a freqüência, tem por função maior controlar a velocidade de motores. Isto significa variar a velocidade durante o funcionamento do motor, além de controlar a aceleração e desaceleração na partida e parada.

Conforme exposto acima utilizar Conversores de Freqüência para partida e parada de motores implica em sub-utilizar o equipamento normalmente com características mais complexas e de custo maior quando comparamos com Soft-Starters.

As Soft-Starters são comparativamente simples, de baixo custo e compactas quando comparadas com Conversores de Freqüência.

Em suma, se uma aceleração e/ou desaceleração eletronicamente controlada for necessária em um motor com rotação fixa, é mais vantajoso usar uma Soft-Starter.

1.6 - Conclusão

Quando corretamente dimensionadas e instaladas, as Soft-Starters reduzem a corrente de partida e o torque para o mínimo necessário para acelerar a carga. Elas também reduzem choques hidráulicos em aplicações de bombeamento.

Para que as Soft-Starters sejam um produto confiável, é fundamental que elas sejam corretamente aplicadas.

2 – Sistemas de variação de velocidade

Uma das necessidades que sempre existiram, no passado, foi a variação de velocidade em

motores de indução, pois a mesma é fixa e está relacionada com a característica elétrica

construtiva do motor e a freqüência da rede a qual ele está ligado. Existem atualmente vários

sistemas de variação de velocidade e que para um melhor entendimento iremos classificá-los em:

• Variadores mecânicos
• Variadores hidráulicos
• Variadores eletromagnéticos
• Variadores eletroeletrônicos

2.1 - Variação da freqüência da tensão de alimentação

Os motores podem ser controlados de modo a prover um ajuste contínuo de velocidade e conjugado com relação à carga mecânica.

O fato da velocidade dos motores de indução ser dada pela relação:

Onde:

φφφφ m = Fluxo de magnetização I2 = Corrente do rotor U1 = Tensão estatórica f1 = Freqüência da rede

Para possibilitar a operação do motor com torque constante para diferentes velocidades, deve-se fazer variar a tensão U1 proporcionalmente com a variação da freqüência f1 mantendo desta forma o fluxo constante.

3.2 – Tipos de conversores de freqüência

Um conversor de freqüência converte a tensão da rede de amplitude e freqüência constantes em uma tensão de amplitude e freqüência variáveis. Esta conversão, pode ser obtida direta ou indiretamente:

• Conversão Direta : onde se enquadram os cicloconversores;
• Conversão Indireta : onde se enquadram os conversores com Circuito Intermediário.

3.3 – Tensão no circuito intermediário constante

Com este sistema, a tensão no circuito intermediário é constante e obtida através de uma ponte de diodos e um banco de capacitores que formam o circuito intermediário (link DC), cujo assunto será abordado em maiores detalhes no item a seguir.

3.4 – Conversores de freqüência com modulação por largura de pulsos (PULSE WIDTH

MODULATION - PWM)

GENERALIDADES

Um conversor de freqüência com modulação por largura de pulsos consiste basicamente dos seguintes blocos, conforme mostra a figura a seguir:

Figura 7 - Diagrama de blocos de conversor tipo PWM

• I - Fonte de tensão continua elaborada a partir de uma ponte retificadora (diodos) alimentada por uma rede monofásica ou trifásica;
• II - Filtro capacitivo (link DC);
• III - Inversor constituído de transistores de potência;

A ponte retificadora de diodos transforma a tensão alternada de entrada em uma tensão continua que é filtrada por um banco de capacitores.

O circuito de corrente contínua é chamado de circuito intermediário. Esta tensão contínua alimenta uma ponte inversora formada por transistores de potência (BJT, IGBT ou MOSFET) e diodos de roda livre. O comando das bases dos transistores, feito pelo circuito de comando (que utiliza um microcontrolador), permite a geração de pulsos para o motor com tensão e freqüência controladas. O formato dos pulsos obedece ao princípio de modulação denominado PWM Senoidal, que permite um acionamento com corrente praticamente senoidal no motor. A configuração módulo é composta de transistores de potência.

Para formar um sistema de tensões trifásicas com um conversor, os transistores são chaveados com sinais gerados externamente, por um microcontrolador digital numa seqüência pré-estabelecida, gerando uma forma de onda retangular ou escalonada de um sistema trifásico nos terminais de saída CA.

O circuito de controle é responsável pela geração dos pulsos de disparo dos transistores, monitoração e proteção dos componentes da potência, interpretação dos comandos, proteção e segurança.

Com este método os transistores de potência são acionados e desligados várias vezes, de modo que o valor médio da tensão de saída constante seja variada.

Como mostra a forma de onda da figura (a) a seguir, os transistores do circuito inversor são ligados e desligados de tal maneira que produzem pulsos de igual largura e com a parte de tensão de alimentação fixa igual ao valor da tensão do circuito intermediário de valor E.

Uma melhora na forma de onda, em função da diminuição da quantidade de harmônicos, pode ser obtida variando-se a relação entre os períodos ligado e desligado, como mostra a figura 8.

Figura 8

A variação U/f é feita linearmente até a freqüência nominal do motor (50/60 Hz), acima desta, a tensão que já e a nominal permanece constante e há então apenas a variação da freqüência que é aplicada ao enrolamento do estator.

SENOIDE

SENOIDE

K

Figura 11 – Curva característica da potência de saída do conversor.

3.5 – Controle escalar

Entende-se por controle escalar o sistema de controle de velocidade feito por conversores de freqüência convencionais, onde é necessária apenas a variação de velocidade em aplicações normais e que não requerem elevadas dinâmicas e precisões, 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% da 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 (tacogerador acoplado ao motor) em malha fechada. A faixa de variação de velocidade é pequena e da ordem de 1:10 (Ex: 6 a 60 Hz).

Com estas características, o conversor de freqüência convencional (escalar), é utilizado em maior escala, pois 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.

A fim de estabelecer um comparativo da precisão de regulação de velocidade, apresentamos a seguir uma tabela com valores característicos para um motor de 3 CV, 4 pólos, com variação de velocidade feita através de conversor de freqüência em quatro situações distintas: conversor direto, conversor com ajuste de compensação de escorregamento nominal, conversor com ajuste de compensação de escorregamento otimizado e conversor realimentado por tacogerador de pulsos acoplado ao motor.

SEM COMPENSAÇÃO COM COMPENSAÇÃO

CARGA VAZIO 50% 100% VAZIO 50% 100%

FREQ.(HZ ) RPM % RPM % RPM % RPM % RPM % RPM %

TABELA 1 – Conversor sem e com compensação de escorregamento nominal.

Potência

Pn

Com Compensação Otimizado Com Realimentação Por Taco CARGA VAZIO 50% 100% VAZIO 50% 100% FREQ.(HZ ) RPM % RPM % RPM % RPM % RPM % RPM % 5 187 24 176 17 145 3.3 160 6.6 160 6.6 160 6. 10 336 12 328 9.3 322 7.3 312 4 312 4 311 4 20 641 6.8 633 5.5 634 5.5 612 2 612 2 611 2 30 944 4.8 937 4.1 940 4.4 910 1.1 910 1.1 910 1. 40 1250 4.1 1238 3.1 1243 3.5 1212 1 1212 1 1211 1 50 1551 3.4 1537 2.4 1551 3.4 1510 0.6 1510 0.6 1509 0. 60 1850 2.7 1838 2.1 1833 1.8 1810 0.5 1810 0.5 1810 0. 70 2139 1.8 2122 1 2112 0.5 2109 0.4 2109 0.4 2109 0. 80 2435 1.4 2412 0.5 2395 0.2 2409 0.3 2409 0.3 2409 0. TABELA 2 – Conversor sem e com compensação de escorregamento otimizado e realimentação por tacogerador de pulsos.

3.6 – Controle vetorial

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 continua sempre representaram uma solução ideal, pois, a proporcionalidade da corrente de armadura, do fluxo e do torque num motor de corrente continua proporciona um meio direto para o controle de torque. Contudo, a busca por avanços tecnológicos significativos, tem diminuído esta hegemonia, e gradativamente, estão crescendo as opções por novas alternativas como o uso de acionamentos em corrente alternada do tipo controle vetorial.

O controle vetorial é uma forma de regulação que possibilita a avaliação individual das componentes elétricas internas do motor de corrente alternada (resistências e indutâncias), permitindo uma regulação mais precisa, tornando seu comportamento semelhante ao de um motor de corrente contínua.

Vantagens do conversor com controle vetorial:

• 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.

A produção de troque em um motor CC ou motor de indução em gaiola é uma função da relação de posição ou vetorial, no espaço, do fluxo magnético do entreferro para a corrente do rotor.

Referindo-se à figura 9.5.aa, o fluxo e a corrente de armadura estão sempre idealmente posicionados em virtude da ação de chaveamento do comutador; portanto o controle da corrente de armadura dá o controle imediato de troque do motor CC, tanto em regime permanente como transitório.

figura 13 - Componentes das correntes de estator do motor de indução a) Circuito equivalente b) Diagrama fasorial

Referindo à figura 12a , no motor CC o fluxo é estacionário, com a corrente de armadura fixada no espaço pela ação do comutador, mas no motor de indução o fluxo e as correntes do rotor giram juntos. Os valores instantâneos das correntes trifásicas no estator determinam oângulo do fluxo no espaço e o da corrente do rotor tal que tenha de haver um codificador que meça a posição mecânica angular do rotor em relação às correntes instantâneas do mesmo.

Para implementar o controle vetorial, os parâmetros do motor devem ser conhecidos e os valores colocados em um conjunto altamente complexo de equações matemáticas desenvolvido a partir da teoria generalizada da máquina. Dessa maneira, os valores desejados das duas componentes da corrente dos três enrolamentos do estator. É o advento dos poderosos microprocessadores rápidos que permitiu que os cálculos fossem realizados em tempo real e que o controle vetorial se tornasse um sistema prático.

Uma explicação completa do sistema de controle vetorial é muito complexa para ser dada aqui, mas um resumo do sistema é dada na figura 13b. As duas componentes da corrente, uma relacionada ao estabelecimento do fluxo e a outra ao torque, são determinadas com referência nos parâmetros do motor e então convertidas aos valores trifásicos para o motor. A velocidade é medida por meio da determinação da taxa da saída do codificador de posição.

É necessário conhecer a posição do rotor porque a corrente no mesmo não pode mudar instantaneamente; portanto, uma variação transitória na carga pode mudar a taxa de rotação do rotor e, com isto, a posição da corrente no mesmo espaço. A corrente do estator tem de mudar para acomodar esse movimento da corrente do rotor no espaço. As posições angulares são todas referenciadas em um sistema de estrutura rotativa, enquanto no motor CC a estrutura de

referência é estacionária. Em essência no sistema está tentando manter um escorregamento consistente com a condição de torque.

Os dados relacionados aos parâmentros do motor têm de ser predeterminados e armazenados no sistema de controle. ou medidos pelo sistema de controle e então armazenados. As variações de temperatura alterarão os valores de resistência e em particular a constante de tempo do circuito do rotor.; essas variações têm de ser contabilizadas para entrar nos dados dos parâmetros do motor. A saturação do fluxo magnético também pode alterar os parâmetros do motor.

figura 14 - Esboço do sistema de 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, são geralmente conhecidos como controladores escalares. No sistema de controle vetorial, a configuração da forma de onda da corrente pode ser feita por um sistema conhecido como controle da corrente de histerese. a figura 15 ilustra o conceito, com os dispositivos do inversor sendo chaveados para manter a corrente dentro de uma banda acima ou abaixo da corrente desejada. Quando a corrente atinge a banda superior, o inversor desliga e, quando a corrente cai para a banda inferior, ele é ligado.

figura 15 Inversor do tipo controle de histerese

3.6.1 – Observações e considerações importantes

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 conseqüentemente o conjugado da máquina diminui bastante. Para que isto seja evitado, a tensão do estator para baixas freqüências deve ser aumentada, através a compensação I x R, conforme figura a seguir: