Máquinas Elétricas I - Apostila Unesp [aula 7], Notas de estudo de Engenharia Elétrica
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Máquinas Elétricas I - Apostila Unesp [aula 7], Notas de estudo de Engenharia Elétrica

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Notas de aula do Prof. Dr. Marcos J. Rider usadas em sala de aula na Unesp de Ilha Solteira.
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Aula 8

1. MÁQUINAS DE CORRENTE CONTÍNUA

• Controle de velocidade

• Sistema Ward-Leonard

• Sistemas eletrônicos (estáticos)

• Frenagem

Controle de velocidade

• Como visto nas aulas passadas, há varias possibilidades de controle de velocidade de motores CC.

• O controle de velocidade pode ser estabelecido através da variação da tensão terminal, variação da corrente de campo e/ou variação da resistência de armadura.

• A implementação prática dessas formas de controle pode ser realizada de diferentes formas, as quais podem ser baseadas no uso de outros motores e geradores em conjunto com o motor principal ou, mas recentemente, através do uso de conversores eletrônicos (estáticos).

• Um motor projetado para operar com controle de velocidade é denominado no jargão da indústria DRIVE.

Controle de velocidade

Sistema Ward-Leonard

• Esse sistema é o mais antigo e foi introduzido no final dos anos 1890s. Ele consiste no uso de um conjunto motor-gerador (M-G) auxiliar o qual é responsável por fornecer a tensão terminal do motor cuja velocidade se deseja controlar.

• O motor aciona com velocidade constante um gerador de corrente contínua. Variando-se a corrente de campo desse gerador (Ifg), varia-se a tensão terminal (Vt) aplicado ao motor CC (drive), variando, por conseguinte, sua velocidade.

• O motor do conjunto M-G usualmente é uma máquina CA (síncrona ou de indução), mas também pode ser uma máquina a pistão de combustão interna (motor a diesel).

• O controle de velocidade 0 até a velocidade nominal é realizado através do controle da tensão terminal do gerador, após este ponto o controle é realizado através da variação da corrente de campo do motor (drive).

Controle de velocidade

Sistema Ward-Leonard

• A eficiência deste sistema é baixa e seu custo elevado. Contudo, a tecnologia é bastante simples (fácil manutenção).

Controle de velocidade

Controle eletrônico estático

• Recentemente o uso de conversores estáticos de potência tem crescido.

• Conversores estáticos de potência, basicamente, são equipamentos baseados em chaves eletrônicas (eletrônica de potência) projetados para converterem CA em CC, CC em CA, CC em CC ou CA em CA. Embora o estudo desses dispositivos esteja fora do escopo desta disciplina, a seguir apresentaremos uma breve introdução das principais nomenclaturas empregadas.

Controle de velocidade: controle eletrônico

Tipos de chaves

Capacidade de controle:

• disparo e desligamento não controlado (diodo)

• disparo controlado e desligamento não controlado (tiristores comuns - RCS)

• disparo e desligamento controlado (GTO, IGBT, etc)

Capacidade de condução:

• capacidade de corrente unidirecional (GTO, IGBT)

• capacidade de corrente bidirecional (tiristor de condução reversa)

• capacidade de tensão bipolar (GTO)

• capacidade de tensão unipolar (IGBT)

Controle de velocidade: controle eletrônico

Classificação de conversores:

• retificadores com diodo

• conversores CA-CC (retificadores controlados)

• conversores CA-CA (controladores CA: variar freqüência)

• conversores CC-CC (choppers ou recortadores)

• conversores CC-CA (inversores)

Controle de velocidade: controle eletrônico

Controle de velocidade: controle eletrônico

Recortadores (choppers) (CC-CC): a tensão contínua de valor constante é variada através do controle dos ângulos de disparo (condução) da chave eletrônica

A tensão terminal aplicada ao motor (determinando a velocidade do rotor) é dada por:

condução de ângulo

recortadordoperíodo

recortadordoontempot

:sendo

on

=

=

=

==

α

α

T

VV T

t V

on

t

Controle de velocidade: controle eletrônico

Recortadores (choppers) (CC-CC):

Controle de velocidade: controle eletrônico

Retificador controlado (CA-CC):

Controle de velocidade: controle eletrônico

Retificador controlado (CA-CC):

α π

cos 22 V

V t

=

Monofásico:

Conversor onda completa (full converter):

Conversor de meia onda (semiconverter) ( )α π

cos1 22

+= V

V t

Trifásico:

Conversor onda completa (full converter):

Conversor de meia onda (semiconverter)

α π

cos 63 V

V t

=

( )α π

cos1 2

63 +=

V V

t

Controle de velocidade: controle eletrônico

Retificador controlado (CA-CC):

Controle de velocidade:

Controle em malha fechada

Controle de velocidade:

Controle em malha fechada:

Em um controle em malha aberta, se a carga (torque) varia, a velocidade varia também. Como essa variável não está sendo realimentada para o sistema de controle, haverá um erro de velocidade considerável.

Em um controle em malha fechada, a variável controlada (velocidade) é realimentada (feedback) no sistema de controle. Assim, sempre que houver um erro de velocidade o controlador atuará, variando a tensão terminal aplicado ao motor.

Controle de velocidade:

Controle em malha fechada:

Em um motor CC a resistência Ra e a indutância La de armadura são pequenas. A constante de tempo do cirtuito (τ = La/Ra) também é pequena. Por conseguinte, uma pequena variação da tensão de armadura pode levar a uma rápida e elevada variação da corrente de armadura (podendo levar a danos nas chaves eletrônicas e no motor). Para evitar este tipo de problema, usualmente há um controlador em malha fechada da corrente de armadura. O erro de velocidade provoca uma variação de tensão a qual é traduzida em uma variação de corrente. A corrente de referência (Ia*) é comparada com a corrente no motor (Ia), evitando um aumento excessivo da corrente.

Frenagem

A simples desenergização do motor de corrente contínua não garante que a máquina freará em um breve período de tempo devido a constante de inércia do conjunto rotor- carga mecânica. Contudo, em muitos casos é necessário que o processo pare rapidamente (ou mesmo que o sentido de rotação seja invertido). Para isso, existem algumas técnicas de frenagens. As principais são:

• Frenagem dinâmica

• Frenagem por inversão da tensão terminal de armadura

• Frenagem regenerativa

De forma simplificada, essas três técnicas provocam a inversão do sentido da corrente de armadura, invertendo o sentido do torque e fazendo com que a máquina pare mais rapidamente.

Frenagem dinâmica

Nesta técnica a fonte de tensão que alimenta o circuito de armadura é retirada e uma resistência externa é aplicada. Assim temos:

( ) T

K

RR

a

xa

m ×

Φ×

+ −=

2 ω

Como a tensão de velocidade (induzida) passa a ser a única fonte de tensão no circuito de armadura, a corrente de armadura é invertida e, conseqüentemente, o torque desenvolvido também é invertido (T = KaΦIa), e, portanto, a máquina passa a operar no modo gerador, ao utilizar a energia cinética armazenada nas partes girantes, como fonte primária de energia mecânica.

A função da resistência externa em série com a armadura é limitar o valor da corrente de armadura.

A polaridade da tensão de velocidade é mantida porque os sentidos da corrente de campo e da velocidade não se alteram (Ea = KaΦωm).

Frenagem dinâmica

No motor série, a realização da frenagem elétrica é mais complexa, pelo fato do fluxo

magnético de excitação depender diretamente da corrente de armadura. Se a

inversão da corrente de armadura for acompanhada pela inversão do fluxo

magnético, a frenagem desejada pela inversão do torque não ocorre, porque ele é

diretamente proporcional a Ia 2 ; seria, então, necessário inverter a conexão dos

terminais do campo série em relação ao circuito de armadura. Uma estratégia que

pode ser utilizada na frenagem dinâmica do motor série é aquela em que o

enrolamento do campo é desconectado da armadura e ligado a uma fonte contínua

independente, para então fechar o circuito de armadura através de uma adequada

resistência externa. Neste caso, as equações que representam esta técnica de

frenagem são as mesmas do motor excitação separada.

Frenagem por inversão da tensão terminal de armadura

Quando se desejam paradas rápidas, emprega-se a frenagem por inversão da tensão terminal de armadura, que é obtida pela inversão da polaridade da tensão aplicada à armadura, mas mantendo-se o circuito de campo ligado. A variação quase instantânea da corrente de armadura não é acompanhada pela velocidade, por causa da inércia mecânica das partes girantes. Como resultado, a máquina desenvolve um torque frenante que leva à diminuição da velocidade, de acordo com a característica mostrada na figura. Para o caso de não se desejar a inversão de velocidade, desconecta-se a alimentação da armadura no instante em que o rotor parar. Ao se considerar, então, que a tensão aplicada aos terminais é invertida, tem-se:

( ) T

K

RR

K

V

a

xa

a

t

m ×

Φ×

+ −

Φ× −=

2 ω

A resistência externa (Rx) pode ser utilizada para limitar o valor da corrente de armadura no instante de inversão da polaridade da fonte de tensão.

Frenagem por inversão da tensão terminal de armadura

A partir do instante em que a velocidade é invertida, a polaridade da tensão de velocidade também é invertida e a máquina funciona novamente como motor, só que no terceiro quadrante do plano velocidade x torque.A partir de um determinado ponto de operação, por exemplo, quando se atinge a velocidade ωm1, pode-se retirar a resistência externa Rx e a característica do motor volta a ser a natural, mas agora com torque e velocidade invertidos, em relação a operação original – observe a simetria entre os pontos de operação a e a na Figura.

No motor série, para que ocorra a frenagem por inversão da tensão aplicada aos terminais da armadura exige que o sentido da corrente no enrolamento série seja sempre mantido, para que os pólos principais não sejam também invertidos. Como a inversão da tensão de armadura inverte o sentido da corrente de campo, a conexão do enrolamento série deve ser invertida em relação a armadura.

Frenagem regenerativa

Sempre que o motor atingir velocidades acima da velocidade ideal a vazio, a tensão de velocidade torna-se maior que a tensão terminal, e, conseqüentemente, a corrente de armadura é invertida, tornado frenante o torque desenvolvido. Isso é possível, por exemplo, em veículos elétricos que descem um plano inclinado impulsionados pela ação da força peso do próprio veículo e da carga transportada; nesse caso, a carga passa a ser fonte primária de energia mecânica e, conseqüentemente, a máquina passa a operar no modo gerador, isto é, devolve energia à fonte de alimentação. Nesse caso, a curva velocidade-torque do motor se estende para o segundo quadrante, caracterizado por torques negativos e velocidades superiores à ideal a vazio ωm0, como mostrado na Figura. Um dos inconvenientes da frenagem regenerativa é que não se consegue parar o motor. A frenagem regenerativa não pode ser realizada com o motor série pois a sua tensão de velocidade nunca excede a tensão terminal, pelo simples fato de que por mais que a velocidade aumente, ela não compensa a diminuição do fluxo

Próxima aula

1. MÁQUINAS DE CORRENTE CONTÍNUA

• Equações básicas para o estudo da dinâmica

• Revisão e exercícios

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