Área Tecnológica de Mecatrônica

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ACIONAMENTO

DE MÁQUINAS

Área Tecnológica de Mecatrônica

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ACIONAMENTO DE

MÁQUINAS

SALVADOR 2 0 0 2

© 2002 – SENAI CIMATEC Área Tecnológica Mecatrônica Elaboração: Umaraci Lázaro Milton Bastos de Souza Revisão Técnica: Milton Bastos de Souza Revisão Pedagógica: Normalização: Núcleo de Informação Tecnológica - NIT Catalogação na fonte ________________________________________________________ SENAI-BA CIMATEC – Centro Integrado de Manufatura e Tecnologia. Acionamento de máquinas. Salvador, 2002. . 66p. il. (Rev.00)

I. Acionamento de Máquinas I. Título

CDD 621.1

________________________________________________________ SENAI CIMATEC Av. Orlando Gomes, 1845 - Piatã CEP 41650-010 Salvador – Bahia – Brasil Tel.: (71) 462-9500 Fax. (71) 462-9599 http://www.cimatec.fieb.org.br

MENSAGEM DO SENAI CIMATEC O SENAI CIMATEC visa desenvolver um programa avançado de suporte tecnológico para suprir as necessidades de formação de recursos humanos qualificados, prestação de serviços especializados e promoção de pesquisa aplicada nas tecnologias computacionais integradas da manufatura. Com uma moderna estrutura laboratorial e um corpo técnico especializado, o CIMATEC desenvolve programas de intercâmbio tecnológico com instituições de ensino e pesquisa, locais e internacionais. Tudo isso sem desviar a atenção das necessidades da comunidade, atendendo suas expectativas de formação profissional, suporte tecnológico e desenvolvimento, contribuindo para uma constante atualização da indústria baiana de manufatura e para a alavancagem do potencial das empresas existentes ou emergentes no estado.

APRESENTAÇÃO Este material didático foi concebido para fornecer informações sobre as principais formas de Acionamentos de Máquinas elétricas, suas aplicações e as principais interferências nos sistemas elétricos. Está ferramenta é vastamente utilizada pelas indústrias de processos contínuo como elemento auxiliar de malhas de controle e pelas indústrias de processos discreto como componente interno de equipamentos utilizados no chão de fábrica, tais como: robôs, máquinas de comando numéricos computadorizadas(CNC), etc.. Neste trabalho, preocupamo-nos em fornecer informações dos principais tópicos relacionados com a área de Máquinas Elétricas de Corrente Contínua e Alternados abordando detalhes no que diz respeito ao seu funcionamento, suas características construtivas e seus modos de acionamento, desde os convencionais até os estáticos que nos dias atuais é muito encontrado no ambiente industrial. Esperamos que haja o maior aproveitamento possível deste material didático.

SUMÁRIO

1 MOTORES DC E AC ............................................................................................................................................9

1.2 MOTORES DE CORRENTE CONTÍNUA (D.C.)...........................................................................................10 1.3 MOTORES DE CORRENTE ALTERNADA (AC) .........................................................................................22

2 COMPONENTES ESTÁTICOS...........................................................................................................................33 2.1 O DIODO ..........................................................................................................................................................33 2.2 O TIRISTOR – SCR (RETIFICADOR CONTROLADO DE SILÍCIO) ..........................................................34 2.3 O TRIAC ...........................................................................................................................................................37 2.4 O TRANSISTOR DE POTÊNCIA....................................................................................................................38

3 SOFT-STARTER ...................................................................................................................................................40 3.1 INTRODUÇÃO ......................................................................................................................................................40 3.2 FUNCIONAMENTO...............................................................................................................................................41 2.3 PRINCIPAIS CARACTERÍSTICAS E FUNÇÕES ...........................................................................................................43

4 INVERSOR DE FREQUÊNCIA...........................................................................................................................51 4.1 INTRODUÇÃO......................................................................................................................................................51 4.2 INVERSOR DE FONTE DE CORRENTE.......................................................................................................59 4.3 MÉTODOS DE CONTROLE DOS INVERSORES DE FREQÜÊNCIA DO TIPO PWM .........................................................62 CONTROLE ESCALAR..................................................................................................................................................62 CONTROLE VETORIAL ................................................................................................................................................62 4.3 CARACTERÍSTICAS DOS MOTORES DE INDUÇÃO ACIONADOS COM INVERSORES DE FREQÜÊNCIA ........................66

BIBLIOGRAFIA.......................................................................................................................................................68

1 MOTORES DC E AC

Os motores elétricos são máquinas que transformam energia elétrica em energia mecânica. As aplicações desse tipo de máquina são quase que ilimitadas: bombas, ventiladores, compressores, talhas, guindastes, etc. As principais peças (componentes básicos) de qualquer tipo de motor são: ESTATOR Formado por três elementos: carcaça (estrutura suporte das peças estatóricas), núcleo (constituído de chapas magnéticas fixas à carcaça, feitas de silício, bom condutor magnético) e enrolamento (feito geralmente de fios de cobre esmaltado). ROTOR Formado também por três elementos básicos: eixo (responsável pela transmissão da potência mecânica produzida no motor), núcleo (constituído de chapas magnéticas semelhantes às placas do estator) e enrolamento (nem sempre presente em todos os rotores, feitos de fios de cobre esmaltado). As figuras abaixo respectivamente nos mostram o rotor e o estator de um motor de corrente alternada;

Figura - Rotor do motor A.C.

Figura - Estator do motor A.C. O princípio de funcionamento dos motores elétricos baseia-se na propriedade de atração e repulsão de um campo eletromagnético. Em qualquer motor a corrente elétrica que passa pelo

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enrolamento do estator produz um campo eletromagnético (semelhante ao campo magnético de um ímã) que é utilizado para movimentar o rotor e conseqüentemente a carga acoplada ao seu eixo. Em instalações industriais, podemos encontrar motores alimentados por circuitos de corrente alternada (motores A.C) ou circuitos de corrente contínua ( motores D.C. ). Os tipos mais comuns de motores elétricos são: 1.2 MOTORES DE CORRENTE CONTÍNUA (D.C.) Os motores de corrente contínua são motores de custo elevado de compra e manutenção e são alimentados por fontes de corrente contínua. Esse tipo de motor é bastante utilizado em aplicações onde haja a necessidade de controle de velocidade, por permitirem um controle preciso e ajustável numa faixa larga de valores. As ilustrações abaixo, respectivamente, mostram o rotor (armadura) e o estator (campo) um motor de corrente contínua :

Figura - Armadura do motor D.C.

Figura – Estator do motor D.C CARACTERÍSTICAS DE CAMPO "Campo magnético estacionário, produzindo um fluxo constante no espaço. O rotor contém os condutores que transportam corrente e sobre os quais reage o campo magnético para produzir o conjugado eletromagnético".

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O campo magnético estacionário é produzido pela (s) bobina (s) de campo que ficam no estator (parte fina) do motor. Nos motores Shunts este campo é produzido pela bobina shunt, já nos motores série pela bobina série.

Figura – Motor D.C. elementar CARACTERÍSTICAS CONSTRUTIVAS DAS MÁQUINAS D.C Fisicamente, o motor D.C. é idêntico ao gerador D.C.. Na verdade, a mesma máquina pode ser usada intercambiavelmente como motor ou gerador. Quando a máquina é usada como gerador, o conjugado magnético é desenvolvido pelos condutores de armadura, opondo-se ao conjugado de propulsão do motor primário. Quando a máquina é usada como motor o conjugado magnético desenvolvido é contrariado pelo conjugado da carga mecânica, impulsionada pelo motor. Como motor, a máquina tire vantagem do conjugado magnético desenvolvido e sua saída pode ser considerada como sendo conjugado e velocidade. O rotor consiste de:

1. Eixo da armadura - imprime rotação à armadura, enrolamentos e comutador conectado ao eixo.

2. Núcleo da armadura - construído de lâminas de aço a fim de prover uma baixa relutância entre os Pólos. O núcleo contém ranhuras axiais na sua periferia.

3. Enrolamento da armadura - constituído de bobinas, isoladas entre si e do núcleo. Os terminais das bobinas são eletricamente ligados ao comutador.

4. Comutador - O qual providencia o chaveamento para o processo de comutação. O

comutador consiste de segmentos de cobre isolados entre si e do eixo.

O rotor das máquinas D.C. têm as seguintes funções: (1) Permite rotação para ação geradora ou ação motora; (2) Produz a ação de chaveamento necessária para comutação; (3) Contém os condutores que produzem o torque eletromagnético; (4) Propicia uma faixa de baixa relutância para o fluxo. O estator da máquina D.C. consiste de:

Daqui deduz que Tm fica:

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1 - Carcaça - Estrutura de aço, ferro fundido ou laminado que serve não só para suporte do rotor como também providencia uma faixa de retorno do fluxo do circuito magnético criado pelos enrolamentos de campo.

2 - Enrolamentos de campo - Consiste de espiras cujos Amperes-Espiras (Ae) produzem força magnetomotriz que geram f.e.m ou uma força mecânica.

3 - Pólos - Constituído de ferro laminado aparafusados e na sua extremidade é formada uma sapata afim de distribuir o fluxo uniformemente.

4 - Interpólos - Estão localizadas na região interpolar, entre os pólos principais. É ligado em série com o circuito de armadura de modo que a f.e.m produzida pelo mesmo seja proporcional à corrente de armadura.

- CARACTERÍSTICAS DE REGIME DOS MOTORES D.C. - Momento eletromagnético (Torque) Para um motor sob tensão V, corrente de armadura Ia e uma rotação N, em cada condutor de comprimento l', percorrido pela corrente ia e sujeito a um campo Bx, constante ao longo desse condutor, surgirá uma força eletromagnética de interação Fx dada por;

Fx = Bx.l'.ia com o mesmo sentido que N. No eixo do motor cria-se, então, um momento dado por;

Tm fx Da=

2

Tm Bx l ia Da= . ' .

2

ia Iaa

=

φKIaTm = Veja, portanto, que o torque eletromagnético produzido no rotor do motor é função da corrente de armadura (corrente que percorre os condutores do rotor) e o campo no qual está inserido este rotor. - FORÇA CONTRA-ELETROMOTRIZ OU TENSÃO GERADA NO MOTOR Ia + V εc - _

Figura – Motor D.C.

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Nos motores de corrente contínua a armadura em movimento, é percorrida por uma corrente (Ia) e ao mesmo tempo está no interior de um campo magnético de densidade B, produzido pelo enrolamento de campo. Nessa armadura será induzida uma F.e.m ( força eletromotriz ), cujo efeito produzido por esta, será oposto ao da corrente Ia (Lei de Lenz) e conseqüentemente à tensão terminal V, que alimenta a armadura. Com base nisto esta F.e.m induzida , é denominada de força contra-eletromotriz (f.c.e.m.) e representada por Ec. O circuito da fig.7 pode, então, ser representado por: Ia + V εc _

Figura – Circuito simplificado do motor D.C.

Existem vários caminhos para se chegar à equação da f.c.e.m.mostraremos um caminho simples e aplicativo. Lembramos da relação Ec = Bxl`v, que nos dará a f.e.m por condutor. A velocidade v = πDaN, onde Da é o diâmetro da armadura e N é a velocidade em ciclos/segundo. * Lei de Faraday - todo condutor, percorrido por corrente elétrica e sujeito à variação de um campo magnético, tem induzida em seus terminais uma tensão, denominada força eletromotriz induzida ( f.e.m ). ** Lei de Lenz - A corrente induzida tem um sentido tal que seu efeito se opõe ao sujeito da causa que lhe deu origem. l' é o comprimento ativo do condutor, ou seja, à parte do condutor que está no interior do campo Bx. Como a armadura possui Nc condutores e p pares de pólos a força eletromotriz total induzida na armadura será:

NDalp

NcBmedEc ..'..2

. π= onde, Bmed pD

=2 φπ

logo , NKEc ...φ=

ou seja, P.S.: A força eletromotriz induzida na armadura é proporcional à intensidade do campo de excitação e a velocidade do motor. Porque esta f.e.m chama-se força contra-eletromotriz? Retornaremos ao modelo de circuito mostrado na fig. abaixo.

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Ia + V εc - _ Figura – motor D.C. Caso o motor não fosse alimentado pela tensão V a fem Ea, induzida na armadura criaria uma corrente na direção dos terminais da máquina. Como o motor é alimentado com uma tensão V, superior a fem Ea a corrente resultante Ia, é no sentido contrário, entrando na armadura, porém o efeito da fem Ea é contrário ao da tensão terminal V, daí a mesma passa a ser chamada de força contra-eletromotriz (fcem = Ec). VELOCIDADE DOS MOTORES DE CORRENTE CONTÍNUA. Vamos expandir um pouco mais nosso modelo da fig. 5. Por este modelo temos que V = Ea o que nos daria corrente de armadura nula ( Ia=0 ), portanto não teríamos torque desenvolvido no eixo do motor ( Tm = K.Ia.0 ). Sabemos, no entanto, que isto não é verdade tanto é que o motor gira a uma certa velocidade. Se o motor gira é porque existe uma diferença entre a tensão terminal ( V ) e a f.c.e.m. ( Ec ) resultando numa corrente de armadura ( Ia ). Como já sabemos que, para a máquina funcionar como motor a tensão V deve ser superior a fcem Ec, temos: V = Ec + ∆V Quem é então essa diferença ∆V? Essa diferença de tensão é a queda de tensão no enrolamento da armadura, mais a queda de tensão nas escovas e mais a queda de tensão no anel comutador. Dessas quedas, vamos considerar apenas a queda no enrolamento da armadura. Esta queda de tensão é dada por:

∆V=Ra.Ia onde Ra é a resistência ôhmica da armadura. Mas, o que isto tem a ver com a velocidade do motor? T U D O! Vejamos: Podemos, então escrever uma equação para estas tensões, vistas até agora:

V = Ec + Ra.Ia , onde Ec = K.φ.N logo,

V = K.φ.N + Ra.Ia Tirando o valor de N;

N V RaIaK

=−

φ

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Observamos então, que chegamos à velocidade do motor de corrente contínua em função dos seus parâmetros elétricos. Esta velocidade também pode ser expressa por;

φKEcN =

Podemos observar que a velocidade de rotação dos motores de corrente contínua pode variar através de um dos seguintes parâmetros: 1 - Tensão da rede (V) 2 - Queda de tensão no circuito da armadura (IaRa) 3 - Fluxo de excitação (φ) O primeiro caso só é possível quando podemos interferir na tensão de alimentação do motor. Se a rede de alimentação é de corrente contínua podemos agir sobre a amplitude da tensão, que chega ao motor associado a uma resistência variável em série com o mesmo ou chaveando esta alimentação. Caso a rede de alimentação seja de corrente alternada agimos sobre a intensidade dos pulsos retificados. PROCESSO ENERGÉTICO DOS MOTORES D.C. ( POTÊNCIA ) Com o objetivo de analisar as diversas formas como se apresenta à energia internamente no motor, consideramos o motor a uma rotação constante e com uma excitação independente, conforme representação abaixo: + Ia P

V

Campo _ Figura – circuito elétrico do motor D.C. com excitação independente Neste caso, a corrente fornecida pela rede é a própria corrente de armadura. A potência elétrica fornecida ao motor será : Pe = V.Ia Esta potência, no entanto, não será totalmente utilizada no processo de conversão eletromecânica de energia, pois existem as perdas no cobre (pcu) e as perdas nas escovas (pe) do motor. Estas perdas são dadas por: Pcu = Ia2 . Ra Pe = Ve.Ia

onde Ra é a resistência. A potência eletromagnética que será, então, transformada em potência mecânica será; Pmec = Pe - ( pcu + pe ) Substituindo os valores das potências, já conhecidas, temos: Pmec = V.Ia - (Ia2.Ra + Ve.Ia) Colocando Ia em evidência, temos ;

∆

+−=IaVeRa

IaVIaPmec 2

O termo pode ser considerado como sendo a resistência das escovas (Re), logo; Pmec = Ia2 [V/Ia - (Ra + Re)]

Pmec = V.Ia - Ia2. Ra

Na equação das tensões no motor D.C. temos que; V = Ec + Ia.Ra Multiplicando a equação acima por Ia V.Ia = Ec.Ia + Ia2.Ra Ia.V - Ia2.Ra = Ec.Ia Pmec= Ec.Ia Podemos agora, assumir como modelo do circuito de armadura do motor D.C., um circuito composto de uma força eletromotriz (fem) Ea, atrás de uma resistência equivalente Ra, e a potência eletromagnética que será convertida em potência mecânica como sendo, Ia + εc Pmec = Ec.Ia -

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Na realidade, a potência mecânica disponível no eixo do motor é inferior à convertida eletromagneticamente visto que há as perdas no ferro (pfe) e as perdas mecânicas (pmec). CLASSIFICAÇÃO DOS MOTORES DE CORRENTE CONTÍNUA. Analisaremos, a seguir, as características de funcionamento (velocidade, conjugado, rendimento) em função da corrente de armadura, da tensão terminal e da excitação. Tais características variam de acordo com o tipo de motor. Os motores de corrente contínua são classificados conforme suas ligações terminais e aplicações específicas. Daí têm: Motor Excitação Independente Motor Série Motor Compound

Motor D.C com Excitação Independente

Já sabemos que Ec = k.N.φ. logo , V = k.n.φ + Ia.Ra

em cujo valor de N é , N V IaRaK

=−

φ

Podemos observar que no motor D.C., tipo excitação independente, a velocidade pode ser variada através dos seguinte parâmetros: a - Tensão de excitação. . b- Queda na armadura

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Vn V

Nn

N

Velocidade x Tensão terminal.

Nos motores tipo Excitação independente a regulação de velocidade, quando realizada, se dá através da tensão de armadura V, mantendo-se a excitação sob a tensão constante de alimentação. Conforme a equação de velocidade para o motor com excitação independente, considerando a excitação constante, a mesma varia linearmente com a tensão terminal de armadura. Na figura acima representamos a característica NxV para uma variação linear. Estando o motor na sua rotação nominal Nn, a mesma pode ser alterada com a variação da carga no eixo do motor desde que vazio até a plena carga. Esta variação se deve ao termo Ia.Ra, que apesar de pequeno, em relação à tensão terminal, faz com que a velocidade do motor com excit. Independente não seja constante ao longo do seu carregamento.Traçamos abaixo a característica NΧIa para uma excitação nominal.

1.0

Nn

Ia(pu)

Figura – Velocidade X Corrente de Armadura Um fenômeno interessante é que além da corrente Ia influenciar na velocidade do motor D.C. Algo que também influência, é a Reação da Armadura. Quando esta desmagnetiza o fluxo do campo φ, o motor tende a aumentar a velocidade tendo, portanto, um efeito contrário à queda na armadura (Ia. Ra). ♦ Conjugado Conforme vimos no estudo dos motores D.C. que o conjugado eletromagnético produzido no eixo do motor é dado por ; Tm = K.Ia.φ Considerando que φ é constante o conjugado será função direta da corrente de armadura Ia ;

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Tm Tm = K.Ia.φ Tn To Io In Ia Onde To é o torque ( conjugado ) de arranque do motor. Apesar de representarmos a característica Tm x Ia como sendo uma relação linear o conjugado também sofre a ação da reação da armadura. - Motor Série Os motores de corrente contínua tipo série são aqueles cujo enrolamento de campo é ligado em série com o enrolamento de armadura.Como mostra a figura abaixo ; Ia + V - Iex = Ia Figura – Motor D.C.série a corrente absorvida da rede será então a própria corrente de excitação que é a mesma da armadura. ♦ Velocidade Neste motor a variação do fluxo principal ocorre juntamente com a variação da corrente e proporcional a esta, quando o circuito magnético ainda não está saturado, logo

N V IaRaK

=−

φ onde φ ∼ Ia

N V IaRaK Ia

VK Ia

RaK

=−

= −' ' '

1KKIaVN o +=

levando o motor série a ter uma característica de velocidade de forma hiperbólica com Ia.

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Tm

Ia

N

Ia I

Nn

Observe que o motor série varia bruscamente sua velocidade com a variação da carga no seu eixo. - Da carga? Isso mesmo. A carga no eixo do motor é que determina a corrente de armadura que este absorverá da rede. Se não tivermos carga no eixo, a armadura absorverá uma corrente suficiente apenas para suprir as perdas mecânicas e as perdas no ferro, corrente esta que tem valor pequeno, o que levará o motor a uma velocidade muito acima da nominal. Com o exposto acima devemos tomar os seguintes cuidados com os acionamentos com motor série: 1 - O motor deve sempre ter carga no seu eixo, quando a alimentação do mesmo for constante. 2 - Controlarmos a tensão de alimentação do motor afim de que o mesmo não dispare quando a vazio. ♦ Conjugado Da equação de conjugado temos que Tm = K.Ia.φ como φ ∼ Ia, teremos Tm = K.Ia2 . Neste caso o momento do motor cresce parabolicamente com a corrente de armadura, levando este motor a ter vantagens em arranque e sobrecargas bruscas.

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Motor Compound São aqueles em que o campo é constituído de duas bobinas, sendo uma ligada em série e outra em paralelo com o induzido. Estes motores acumulam as vantagens do motor série e do motor derivação, isto é, possuem elevado conjugado de partida e velocidade aproximadamente constante no acionamento de cargas variáveis. A figura abaixo nos mostra o esquema elétrico de um motor compound (motor D.C. com derivação mista) ;

Figura - Motor D.C. misto

QUADRANTES DE FUNCIONAMENTO DO MOTOR D.C. Durante a análise das características mecânicas dos motores D.C. nos apegamos a um só regime de funcionamento do motor. O torque produzido e a velocidade resultante tinham mesmo sentido. Considerando estes sentidos como positivo chamamos este regime como operação no primeiro quadrante. O motor pode funcionar também de três outras maneiras que se representadas cartesianamente fecham o que chamamos quadrantes de funcionamento do motor D.C; A figura abaixo nos mostra estes quadrantes :

N Figura – Quadrantes de funcionamento do motor D.C.

Motor I

Frenagem IV

Frenagem II

Motor III

I - O motor está funcionando normalmente, acionando sua carga a uma velocidade N. O motor conforme nossa análise até aqui.

II - O motor está em regime de frenagem. O torque produzido pelo motor está sendo inverso ao sentido de giro do motor. Isto é conseguido invertendo o sentido da corrente de armadura ou invertendo-se a polaridade da excitação. III - O motor está funcionando normalmente, porém, o sentido é contrário ao do quadrante I. IV - O motor está em regime de frenagem, não por inversão do torque, mas porque a carga acionada está girando em sentido contrário. 1.3 MOTORES DE CORRENTE ALTERNADA (AC) MOTORES DE CORRENTE ALTERNADA ASSÍNCRONOS Motores de indução funcionam com velocidade constante, que varia ligeiramente com a carga mecânica aplicada. A principal característica dos motores de indução é que somente o enrolamento do estator está ligado à rede de alimentação. O rotor não é alimentado externamente e as correntes que circulam nele são "induzidas" pelo campo eletromagnético do estator. O rotor dos motores de indução podem ser de dois tipos: rotor-bobinado que possui um enrolamento curto circuitado semelhante ao enrolamento do estator e rotor gaiola (gaiola de esquilo) formado por um conjunto de barras não isoladas interligadas por anéis em curto circuito. MOTORES DE CORRENTE ALTERNADA SÍNCRONOS Funcionam com velocidade fixa, independente da carga acoplada. Nos motores síncronos, a rotação é diretamente proporcional à freqüência da rede. MOTORES DE INDUÇÃO TRIFÁSICOS (COM ROTOR GAIOLA) Os motores de indução trifásico são os motores mais encontrados em instalações industriais. A simplicidade de funcionamento, a robustez, os baixos custos de compra e manutenção e a vida útil elevada são características que o tornam o tipo de motor mais comum nas indústrias. Abaixo temos as principais peças do motor de indução trifásico com rotor gaiola:

a) ESTATOR ⇒ Formado pela carcaça, núcleo de chapas magnéticas e pelo enrolamento trifásico. b) ROTOR ⇒ Formado por um conjunto de barras não isoladas (interligadas por anéis em curto circuito) e pelo eixo (responsável pela transmissão da potência mecânica à carga). c) CAIXA DE LIGAÇÃO ⇒ Onde são encontrados os terminais de ligação com a rede elétrica. d) TAMPAS DIANTEIRA E TRASEIRA ⇒ Providas de furos para a passagem do ar, pemitem a ventilação do motor e servem de suporte para os mancais. e) MANCAIS (DE ROLAMENTOS): ⇒ Peças mecânicas que dão sustentação ao rotor e permitem que ele gire em torno do seu eixo de maneira que suas partes externas não toquem na superfície do estator. f) PLACA DE IDENTIFICAÇÃO ⇒ Nela estão contidas as principais informações técnicas do motor.

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A figura a seguir, mostra um motor de indução com rotor gaiola em corte .

Figura – Motor de indução tipo gaiola em corte CARACTERÍSTICAS ELÉTRICAS DO MOTOR A.C. As principais características elétricas que determinam as condições de operação do motor são: a) ESCORREGAMENTO(S) ⇒ O motor de indução opera normalmente, a uma velocidade constante . (velocidade assíncrona), que varia ligeiramente de acordo com a carga mecânica no seu eixo. Essa velocidade está bem próxima da velocidade síncrona do motor, diretamente proporcional à freqüência da rede. A velocidade síncrona do motor pode ser calculada segundo a equação:

V120 x f

p= onde ,

V é a velocidade síncrona em rpm. f é a freqüência de operação do motor. p é o número de pólos do motor. A diferença entre a velocidade síncrona (velocidade do campo girante estatórico) e a velocidade assíncrona (velocidade de rotação do eixo do motor) é conhecida como escorregamento. O escorregamento também pode ser expresso em valores percentuais como mostra a equação a seguir:

S ns nns

x=− 100 onde,

S é o valor percentual do escorregamento. ns é a velocidade síncrona do motor. n é a velocidade assíncrona do motor.

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b) POTÊNCIA NOMINAL (Pn) ⇒ É a potência ativa, em KW, que o motor pode fornecer no eixo em regime contínuo, desde que o motor opere dentro das condições especificadas. c) TENSÃO NOMINAL (Vn) ⇒ É o valor eficaz da tensão de linha para a qual o motor foi projetado para trabalhar. d) CORRENTE NOMINAL (In) ⇒ É o valor eficaz da corrente de linha que o motor solicita quando trabalha com valores nominais de tensão, potência e freqüência. e) FREQUÊNCIA NOMINAL (Fn) ⇒ Freqüência de operação para a qual o motor foi projetado (em geral 60hz). f) FATOR DE POTÊNCIA (cosϕ) ⇒ fator de potência do motor g) RENDIMENTO ( η ) ⇒ É a relação da potência transmitida ao eixo e a potência entregue ao motor. h) VELOCIDADE (N) ⇒ Velocidade assíncrona do motor quando operando nas condições normais de tensão, corrente e freqüência.

i) TORQUE (T) ⇒ É a força de torção disponibilizada no eixo do motor.

TORQUE (CONJUGADO) = Em nosso sistema de unidades é expresso em Kgf.m (Kilograma força metro) ou N.m (Newton-metro). TORQUE NOMINAL DE UM MOTOR ⇒ É o torque desenvolvido pelo seu eixo na rotação nominal com corrente, freqüência e tensão nominais.

TORQUE DE PARTIDA DE UM MOTOR ⇒ É o torque que o motor disponibiliza a 0 R.P.M TORQUE MÁXIMO ⇒ É o maior conjugado que o motor pode fornecer. TORQUE RESISTENTE ⇒ É à força de torção que o motor deve vencer para movimentar a carga. Se o torque resistente da carga for superior ao torque disponibilizado pelo motor ocorre o travamento. Quer dizer, o motor não conseguirá acelerar. No gráfico abaixo temos a curva torque x velocidade em motor de indução.

CURVA TORQUE X ROTAÇÃO

400

300

200

100

Torque Máximo

TORQUE EM % DO NOMINAL

0 20 40 60 80 100 RPM em % da RPM Síncrona

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TORQUE DO MOTOR X TORQUE RESISTENTE

Motor de Gaiola - Partida Direta

TORQUE DOMOTORMOMOTOR

TORQUE RESISTENTE

% Corrente 600

Corrente

Torque Máximo

e 400 RPM com Torque Nominal e Corrente Nominal

% Torque 200Rotação Síncrona

Torque100

0 1725 1750900 1800 RPM

500

Rotação ( RPM ) O gráfico acima nos mostra a relação torque , velocidade e corrente numa partida direta de um

motor com rotor gaiola ( motor de indução ). PARTIDA DO MOTOR DE INDUÇAO

PARTIDA DIRETA

Na maioria das instalações elétricas, residenciais, comerciais ou industriais, pequenos motores de indução do tipo gaiola, de pequena potencia, podem arrancar (iniciar funcionamento) por ligação direta a linha (rede) sem que se verifique quedas de suprimento de tensão e um grande aumento do período de aceleração ate a velocidade nominal. Semelhantemente grandes motores de indução podem partir por ligação direta a linha sem quaisquer danos ou mudança objetável de

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características da mesma, desde que esta tenha capacidade suficiente para suportar grandes picos de corrente. Conseqüentemente a partida direta a linha não precisa ser necessariamente evitada, se a linha for de capacidade suficiente para prover a tensão nominal e a corrente requerida pela partida do motor de indução e desde que tal partida não cause danos ao próprio motor e ao sistema. Embora haja algumas variações no motor de indução tipo gaiola, um motor de indução usualmente requer aproximadamente de 6 (seis) vezes a sua corrente nominal quando arranca com a tensão nominal aplicada ao estator (tensão esta diretamente ligada aos terminais do motor). No instante da partida a corrente do rotor e determinada pela impedância do rotor bloqueado Rr + jXbl. Assim, se a tensão do estator fosse reduzida à metade do seu valor, o torque e reduzido a um quarto do seu valor, a corrente de partida também seria reduzida na mesma proporção, isto e, aproximadamente a três vezes a corrente nominal. Assim, a redução desejável da corrente de linha do motor foi obtida a custa da redução maior ainda e indesejável no torque de partida.

ESQUEMA DE POTÊNCIA E COMANDO CHAVE DE PARTIDA DIRETA

PARTIDA SOB TENSAO REDUZIDA OU CORRENTE REDUZIDA

PARTIDA ESTRELA-TRIÂNGULO

A maioria dos motores polifasicos de indução tipo gaiola e bobinado com seus enrolamentos no estator em delta. Alguns fabricantes fornecem motores de indução com inicio e fim de cada enrolamento de fase, marcados, afim de que seja feita a ligação externa. No caso dos motores de indução trifásicos, estes podem ser ligados a linha quer delta, quer em estrela. Quando ligados em estrela, a tensão de fase impressa no enrolamento e VL/√3 ou 57,8% da tensão de linha. Assim por meio de chaves e possível fazer partir um motor de indução em estrela com mais da metade da sua tensão nominal aplicada a cada bobina e fazê-lo funcionar em

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delta com toda tensão da linha aplicada pôr bobina. Como o torque varia com o quadrado da tensão aplicada pôr fase, a redução da tensão quando da ligação estrela produzira aproximadamente um terço do torque normal de partida a plena tensão. Quando este torque de partida for possível, com uma corrente de partida de aproximadamente 58% da corrente nominal de partida este método que e razoavelmente barato, e freqüentemente empregado. Deve-se dizer que tal sistema e um tanto mais caro que o convencional, mas seu custo e menor do que um autotransformador, impendâncias primarias associadas ao dispositivo de partida. O chaveamento de estrela para triângulo deve ser feito o mais rapidamente quanto possível para eliminar grandes correntes transitórias devidas a momentâneas perdas de potência.

ESQUEMA DE COMANDO E POTENCIA DA CHAVE ESTRELA-TRIÂNGULO

Figura- Curva característica de torque e corrente, motor com partida Y-∆

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PARTIDA COM AUTO-TRANSFORMADOR (CHAVE COMPENSADORA) Motores de indução podem com tensão reduzida usando um único auto-transformador trifásico ou três transformadores monofásicos. Os tap´s no auto-transformador de 50 a 80% da tensão nominal. Se o motor não consegue acelerar a carga na mais baixa tensão, os taps de tensão mais alta devem ser atentados ate que se obtenha o torque de partida próprio e desejado. O transformador e usado apenas durante o período de partida e suas correspondentes corrente nominais, baseada em um dispositivo de funcionamento intermitente. O auto-transformador age de duas maneiras para reduzir a corrente solicitada a linha : (1) Reduz a corrente de partida do motor pela redução da tensão e (2) pela relação de espiras do transformador, na qual a corrente de linha primaria e menor que a corrente secundaria do motor. Uma vez que a relação de espiras também representa as relações de tensões, a corrente de linha de partida e reduzida, portanto, pelo quadrado da relação de espiras. A figura abaixo mostra esquema elétrico de uma partida com auto-transformador ; Diagrama de força Diagrama de Controle

MOTOR DE INDUÇAO COM ROTOR BOBINADO - Efeito de variações na resistência rotorica Conforme analisado anteriormente o conjugado (torque) produzido pelo motor em função da tensão, devemos saber que o mesmo também varia em função resistência do circuito rotorico, no motor de indução. Nos motores tipo gaiola de esquilo ou rotor em curto-circuito não há como se introduzir uma variação desta resistência, uma vez que o mesmo já vem fundido ou fabricado. Num motor de indução tipo com rotor bobinado, entretanto, há uma maneira simples de se introduzir resistências externas no circuito do rotor, através de anéis coletores, conforme mostra as figuras na página seguinte;

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Figura- Esquema elétrico de ligação do motor de indução com rotor bobinado

Figura.- Motor com rotor bobinado industrial

Se a barra que fecha o curto-circuito como mostra a figura acima e movida para a extrema direita, uma resistência máxima e introduzida em cada fase do circuito do rotor ligado em estrela. Quando movida para a extrema esquerda, a resistência introduzida e mínima ou nula, representando a resistência equivalente a um motor de indução tipo gaiola. O efeito da variação da resistência do rotor sobre as características de partida e funcionamento pode ser determinada usando-se um motor de indução de rotor bobinado ou motor de anéis. – Características de partida com inserção de resistências rotoricas No instante da partida, o escorregamento e unitário, desde que o rotor esta parado. O torque desenvolvido pelo rotor e desenvolvido unicamente pelos parâmetros característicos do circuito rotorico (Rr e Xbl), e no instante da partida o torque não e afetado pela natureza da carga aplicada. Supondo que a tensão aplicada ao estator seja constante, teremos a seguinte equação para o torque de partida: Rr Tp = ___________ Kt Rr + Xbl

Deduzindo-se a equação acima podemos chegar a seguinte conclusão que, no motor de indução o torque de partida alem de depender diretamente da tensão aplicada ao motor, da corrente do circuito rotorico e também do fator de potência do rotor. Devido a esta ultima característica podemos analisar que com a inserção de resistências rotoricas o torque ira sofrer também uma variação no instante da partida. O aumento da resistência do rotor leva a um aumento da impedância total, o que faz com que a corrente de partida seja reduzida, porem numa razão menor que o aumento do fator de potencia, levando o motor a ter um maior torque de partida, na equação abaixo podemos observar esta conclusão;

– Características de funcionamento com resistências rotoricas A possibilidade de funcionamento desde a vazio ate plena carga e representada entre torque e o nominal. O escorregamento e proporcional ao valor da resistência inserida no circuito do rotor. Quanto maior resistência inserida, tanto pior será a regulação de velocidade de um motor de indução tipo rotor bobinado carregado (em regime de plena carga), a qualquer velocidade abaixo da velocidade síncrona, pela adição ou pela remoção de resistências no circuito do rotor. Como resultado, a resistência produz, (1) Torques elevados, podendo o Tp chegar ate 400% do Tn, (2) Corrente de partida reduzida, (3) Pode servir como um meio de controle de velocidade para aquelas abaixo da velocidade síncrona.

– Frenagem Os motores de indução Possibilitam várias formas de frenagem, isto é, onde se tem s < 0 e o motor opera com características de gerador. A seguir apresentaremos dois principais métodos de frenagem elétrica. Frenagem por contra-corrente Frenagem por corrente contínua Frenagem por contra-corrente Obtém-se a frenagem por contra-corrente através da inversão de duas fases da tensão de alimentação do enrolamento estatórico, para reverter a direção de rotação do campo girante do motor com o mesmo girando ainda direção inicial. Dessa forma, a rotação do motor fica agora contrária a um torque que atua em direção oposta e começa a desacelerar (frenar). Quando a velocidade cai a zero o motor deve ser desenergizado, caso contrário, passará a funcionar em sentindo oposto. Para este tipo de frenagem, as correntes induzidas nos enrolamentos rotóricos são de freqüências altas (duas vezes a freqüência estatórica) e de elevada intensidade, pois o torque desenvolvido pelo motor é elevado, onde há a maior corrente nominal, acarretando em um sobre aquecimento do motor. Nas figuras da página seguinte mostramos, a curva de torque x rotação na frenagem por contra-corrente e posteriormente a configuração da parte física (ligação elétrica entre contatores) para possibilitar este tipo de frenagem:

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Figura – Curva de torque x rotação na frenagem por contra-corrente

Figura – Configuração da parte de potência da frenagem por contra-corrente

Frenagem por injeção de corrente contínua (D.C) A frenagem pr injeção de corrente contínua é obtida através da desconexão do estator da rede de alimentação e da posterior conexão a uma fonte de corrente contínua. A corrente contínua enviada ao enrolamento estatórico estabelece um fluxo magnético estacionário cuja curva de distribuição tem uma fundamental de forma senoidal. A rotação do motor em campo produz um fluxo de corrente alternada no rotor mesmo, o qual também estabelece um campo magnético estacionário com respeito ao estator.

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Devido à interação do campo magnético resultante e da corrente rotórica, o motor desenvolve um torque de frenagem cuja magnitude depende da intensidade do campo, da resistência do circuito rotórico e da velocidade do rotor. Nas figuras abaixo podemos observar a curva característica torque x rotação neste tipo de frenagem e o seu diagrama típico de instalação:

Figura – Curva de torque x rotação durante a frenagem c.c

Figura – Diagrama de força e comando da frenagem por injeção c.c Vantagens e desvantagens dos métodos de partida Partida Direta Vantagens; • Menor custo de todas • Facilidade e simplicidade na implementação • Alto torque de partida Desvantagens; • Alta corrente de partida, provocando queda de tensão na rede de alimentação. Em função disto pode provocar interferências em equipamentos ligados na mesma instalação. • É necessário sobredimencionar cabos e contatores • Limitação do número de manobras/hora Partida Estrela-Triângulo Vantagens; • Custo reduzido

• A corrente de partida é reduzida a 1/3 quando comparada com a partida direta. • Não existe limitação no número de manobras/hora Desvantagens; • Redução de torque de partida a aproximadamente 1/3 do nominal • São necessários motores com seis/doze terminais • Caso o motor não atingir pelo menos 90% da velocidade nominal, o pico de corrente na comutação de estrela para triângulo é equivalente ao da partida direta. • Em casos de grande distância entre motor e chave de partida, o custo é elevado devido a necessidade de seis cabos. 2 COMPONENTES ESTÁTICOS Dispositivos retificadores são aqueles que permitem a passagem da corrente elétrica apenas quando convenientemente polarizados. Os quatros principais dispositivos retificadores usados na eletrônica de potência são: o diodo, o tiristor, o triac e o transistor de potência. Em virtude de suas características, os três últimos são chamados de retificadores controlados. 2.1 O DIODO Os diodos semicondutores de potência são construídos com silício, um elemento semicondutor cuja classificação está entre um isolante e um condutor, e cuja resistência elétrica diminui com o aumento da temperatura.

O silício é um elemento do grupo 04 na tabela periódica e tem quatro elétrons na última camada de sua estrutura atômica. Se a ele for adicionado em elemento do grupo 05, isto é, um elemento com cinco elétrons na última camada, ficará um elétron livre na estrutura do cristal assim formado. Esse elétron livre facilitará a condução da corrente elétrica. Como o elétron possui carga negativa, o material é conhecido como sendo um semicondutor tipo-N.

Se ao silício for adicionado um elemento do grupo 03, isto é, um elemento com três elétrons na última camada, então um vazio aparecerá na estrutura do cristal assim formado, que pode eventualmente receber um elétron. Esse vazio, considerado como ausência de elétron ou lacuna, facilitará a condução da corrente elétrica. Esse material é conhecido como semicondutor tipo-P. O grau de dopagem (adição de impurezas) é da ordem de 1 parte em cada 10 átomos. No semicondutor tipo-N, os portadores majoritários da corrente elétrica são os elétrons, e os minoritários, as lacunas. No semicondutor tipo-P, os portadores majoritários da corrente elétrica são as lacunas, e os minoritários, os elétrons. De acordo com o grau de dopagem, a condutividade do material tipo-N ou tipo-P é muito maior que a do silício puro. O diodo apresentado na figura abaixo, é formado por uma junção interna de material tipo-N e tipo-P. Nessa junção existe a combinação de elétrons livres (N) com lacunas livres (P), criando uma barreira de potencial da ordem de 0,6 V.

Anodo

Anodo

Catodo

Anodo

P

N

Figura – O diodo. a - Estrutura. b - Símbolo.

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A curva característica do diodo está representada na figura a seguir, e com relação a figura do diodo (a), o potencial positivo está aplicado no lado P (anodo), e o negativo, no lado N (catodo), polarização direta, e, como a barreira de potencial é de 0,6 V, existirá uma corrente fluindo do anodo para o catodo quando a tensão sobre o dispositivo for da ordem de 0,7 V. Aplicando uma tensão reversa (negativa no anodo e positiva no catodo) no diodo, irá existir um fortalecimento na barreira de potencial, bloqueando a circulação da corrente elétrica. Experiências mostram que a aplicação de grandes gradientes de campo elétrico na junção faz com que o comportamento desta se aproxime ao de um capacitor. A agitação térmica rompe alguns vínculos do cristal, resultando em uma corrente devida aos portadores minoritários, chamada corrente de fuga reversa, da ordem de alguns miliampéres. Um aumento na tensão reversa acarretará um aumento na corrente de fuga através da junção. Eventualmente os portadores minoritários terão energia suficiente para provocar outras colisões, podendo romper a junção e dando origem à característica de tensão reversa de ruptura. Ia Condução Vac Tensão reversa Ruptura reversa

Figura – Curva característica de um diodo

2.2 O TIRISTOR – SCR (RETIFICADOR CONTROLADO DE SILÍCIO) O tiristor é um dispositivo de quatro camadas P-N-P-N, com um terceiro terminal chamado gate, representado na figura abaixo. A título de ilustração, um dispositivo com 2000V e 300A é construído por uma pastilha de silício com 300mm de diâmetro e 0,7 mm de espessura. A característica de um dispositivo de quatro camadas, sem polarização de gate, está plotada na figura abaixo com a sua respectiva curva característica. Nessas condições, o tiristor (scr) equivale à associação em série de três diodos, permitindo a condução da corrente elétrica em ambos os sentidos. A característica reversa, ou seja, com o catodo positivo, tem um aspecto similar à do diodo, já a característica direta, isto é, com o anodo positivo, mostra uma corrente de fuga que, próxima à região da tensão de ruptura direta (sobretensão), cresce e dispara o dispositivo por sobretensão. A tensão de ruptura direta e inversa são aproximadamente iguais em módulo. Uma vez atingida a tensão de disparo, a fatia central P é neutralizada por elétrons vindos do catodo, e o dispositivo atua como se fosse um diodo, conduzindo com uma queda de tensão direta igual ao dobro daquela de um diodo normal.

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Anodo Figura – O tiristor – SCR (a) Estrutura. (b) Símbolo. Ia Tensão direta Corrente de disparo de anodo Vac Tensão de ruptura Tensão de ruptura reversa direta

Gate

Catodo

NP

NP

Figura – Curva característica de um tiristor sem corrente de gate.

A condição para que o tiristor alcance e permaneça no estado de condução é que a corrente de ignição seja superior à corrente de manutenção, como mostra a figura a seguir. A corrente de ignição típica é o dobro da corrente de manutenção, embora ambas tenham baixo valor, da ordem de 1% da corrente principal (anodo-catodo) que fluirá pela carga. Valores de V para correntes de chaveamento Tensão de ruptura

Figura – Curva característica de um tiristor com corrente de gate.

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O tiristor, quando polarizado diretamente (anodo positivo), pode ser levado ao estado de condução injetando-se uma corrente em seu terminal de gate relacionado com o terminal de catodo, como ilustra a figura acima. A aplicação da corrente de gate injeta lacunas no interior da camada P, que, junto com os elétrons da camada N, leva o tiristor ao estado de condução. Uma vez atingida a corrente de ignição, a corrente de gate pode ser retirada, e o tiristor continua conduzindo, independentemente da polarização do terminal de gate. Para voltar ao estado de bloqueio, a corrente principal deve ser diminuída até um valor inferior ao da corrente de manutenção, durante um tempo suficiente para que a camada central de controle leve o tiristor ao estado de bloqueio, podendo ser novamente polarizada diretamente, sem entrar em condução. Tipicamente, o bloqueio é feito por um circuito externo, impondo uma corrente reversa entre anodo e catodo durante um breve período de tempo, mostra a figura a seguir, facilitando o movimento das cargas dentro da camada PN, de maneira a permitir que as outras duas junções do bloco favoreçam a corrente reversa antes que as cargas armazenadas sejam recuperadas. As cargas armazenadas são devidas à presença da corrente dos portadores na região da junção. A região central controlará, portanto, a reaplicação da polarização direta, até que expire o tempo favorável, suficiente para permitir a recuperação dos portadores nessa junção. Ia tempo Corrente reversa devido a recuperação das cargas armazenadas

Figura – Forma de onda típica durante o estado de corte. O tempo de extinção típico é de 10 a 100 µs após a reaplicação da polarização direta, sem atingir a sobretensão. A carga armazenada chega a ser da ordem de 20 µc para uma corrente de 20A no tiristor. Como foi afirmado, em um tiristor típico que o estado de bloqueio é obtido diminuindo-se a corrente principal até as vizinhanças de zero. Existe, no entanto, um dispositivo (GTO) cujo bloqueio é obtido pela aplicação de uma corrente reversa no terminal de gate. Sua construção interior é diferente daquela do tiristor típico. Para a aplicação em inversores pode-se melhorar o desempenho utilizando a associação antiparalela de um tiristor e de um diodo, que futuramente será substituída pelo GTO (Gate Turn-Off).

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2.3 O TRIAC O triac é um elemento de cinco camadas, como ilustra a figura abaixo, tendo dois caminhos P-N-P-N entre os terminais principais, T1 e T2, podendo conduzir nos dois sentidos, como mostra nitidamente seu símbolo representativo ainda figura abaixo (b). Eletricamente, o triac equivale à ligação de dois tiristores em antiparalelo [figura abaixo (c)]. T2 T2 N P N P G N N GATE T1

(b) Símbolo

(a) Estrutura. . (c) Equivalência com o tiristor. O triac pode ser levado ao estado de condução pela aplicação de uma corrente positiva ou negativa no terminal de gate, embora seja mais confiável levá-la ao estado de condução aplicando uma corrente positiva no gate quando T2 é positivo e uma corrente negativa quando T1 é positivo. Na prática, utiliza-se uma corrente negativa no gate, como mostra a figura abaixo.

Figura – Curva característica do triac.

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2.4 O TRANSISTOR DE POTÊNCIA O transistor é um elemento de três camadas, N-P-N ou P-N-P, como mostra as figuras a seguir, respectivamente. Dentro da faixa de operação, a corrente de coletor Ic é função da corrente de base Ib. Uma variação na corrente de base corresponde a uma variação e amplificação na corrente de coletor, para uma dada tensão coletor-emissor (Vce). Essa relação entre correntes é da ordem de 5 a 100 vezes. COLETOR C N B BASE P N E EMISSOR

(a) Estrutura. (b) Símbolo.

Figura – Transistor N-P-N

COLETOR C BASE P N B P EMISSOR E (a) Estrutura (b) Símbolo-nomenclatura.

Figura – Transistor P-N-P.

A característica ilustrada na figura a seguir tem como base o circuito ilustrado da figura da página anterior (b). Da mesma forma que nos outros dispositivos, a tensão de ruptura é alcançada com o incremento da tensão até atingir a região de avalanche. A aplicação de uma tensão reversa entre coletor e emissor faz com que a junção base-emissor fique bloqueada, tirando o transistor da região de operação. Dessa forma, nos circuitos onde aparecem tensões reversas, é hábito colocar-se um diodo de proteção em série com o transistor. O transistor P-N-P mostrado na

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figura anterior exibe características similares, embora correntes e tensões tenham sentidos opostos ao transistor N-P-N. Ic Ib1 Ib2 Tensão de saturação Ib3 Tensão coletor- emissor Vce Tensão de ruptura Ib1 > Ib2 > Ib3

Figura – Característica de emissor comum do transistor N-P-N. A potência perdida no transistor é função do produto da tensão coletor-emissor pela corrente do coletor. Com referência na figura a seguir, se a corrente de base variar com a finalidade de controlar a corrente de carga no coletor, poderá surgir uma alta-tensão no transistor. Por exemplo, se V = 200V, e considerando que a corrente Ib, foi ajustada para que na carga de 10Ω, a corrente seja 10A, resultará uma queda de tensão no transistor igual a 100V. A potência perdida no transistor será de 1kW, e, em especial, a eficiência, é de 50%. Essa condição é inaceitável do ponto de vista de perdas no dispositivo, bem como de sua eficiência no circuito em questão. + CARGA ACIONADA PELO TRANSISTOR Corrente de comando Ib Ib - Figura – Transistor controlando uma carga (eficiência).

Na aplicação em circuitos de potência, o transistor opera como chave, ou seja, nas regiões de corte ou saturação, evitando dessa forma que a perda de potência sobre o dispositivo seja significativa. Com Ib = 0, o transistor é um circuito aberto. Com Ib = Ib saturação, o transistor é um curto-circuito, dessa forma, o transistor funciona como um simples interruptor, cujo controle está diretamente ligado à corrente de base e consequentemente, à corrente de coletor. Para minimizar o tempo de atraso na mudança da região de saturação ao corte, é necessário que a corrente de base seja apenas suficiente para levar saturação, sem no entanto permitir acúmulo de carga na base. Para levar o dispositivo ao estado de corte, reduz-se a corrente de base e, proporcionalmente, a corrente de coletor, até a sua extinção. Para a garantia do corte, é conveniente a existência de uma pequena corrente negativa na base, evitando correntes espúrias no coletor. Para levar o dispositivo ao estado de saturação, aplica-se uma alta corrente na base, sem no entanto ocasionar acúmulo de carga na base. Funcionando como chave, a perda de potência sobre o dispositivo é pequena, visto que no corte a corrente de coletor é praticamente zero, e na saturação, a tensão coletor-emissor é praticamente zero (tipicamente, nos transistores de silício, a tensão de saturação é da ordem de 1,1 V) ver figura abaixo. Para maior facilidade, o estado de corte é chamado de desligado, e o de saturação, de ligado. Ic Condição de fechamento ou condução (alto valor de Ib e Ic limitado pela valor de carga) Condição de bloqueio ou corte Ib=0 Vce

Figura – Transistor como chave (estados ligado ou desligado).

3 SOFT-STARTER 3.1 Introdução Com a crescente necessidade na otimização de sistemas e processos industriais, algumas técnicas foram desenvolvidas, principalmente levando em consideração conceitos e tendências voltados a automação industrial. Olhando para o passado podemos claramente perceber o quanto estas técnicas tem contribuído para este fim. Um dos mais claros exemplos são os sistemas de acionamento para motores de indução, largamente utilizado em quase todos os segmentos, seja ele residencial ou industrial. Em particular neste capítulo nós iremos analisar e avaliar, uma técnica que tornou-se muito utilizada na atualidade, as chaves de partida suave (soft-starters).

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Estes equipamentos eletrônicos vem assumindo significativamente o lugar de sistemas previamente desenvolvidos, em grande parte representados por sistemas eletromecânicos. 3.2 Funcionamento A chave de partida a estado sólido consiste de um conjunto de pares de tiristores (SCR’s) na configuração anti-paralela ou combinações de tiristores/diodos para cada fase do motor. O ângulo de disparos 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, ajustável conforme a aplicação, a tensão atinge um valor pleno após uma aceleração suave ou uma rampa ascendente, ao invés de ser submetido a transição brusca, como ocorre com o método de partida por ligação estrela triângulo. Com isso, consegue-se manter a corrente de partida próxima da nominal e com suave aceleração, como desejado. Na figura abaixo temos um gráfico da curva característica de torque e corrente do motor com partida suave:

Figura – Curva característica de torque e corrente, motor com soft-starter 1 – Corrente de Partida Direta 2 – Corrente de Partida com Soft-Starter 3 – Conjugado com Partida Direta 4 – Conjugado com Soft-Starter 5 – Conjugado da Carga Além da vantagem do controle da 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. Este é um dos pontos fortes das chaves eletrônicas, pois sua vida útil é mais longa, assim como dos componentes e acessórios (fusíveis, contatores, cabos, etc.). Ainda, como recurso adicional, a soft-starter apresenta a possibilidade de efetuar a desaceleração suave para cargas de baixa inércia.

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COMPARATIVO ENTRE OS MÉTODOS DE PARTIDA

Partida Suave (Soft-Starter) Vantagens ; • Corrente de partida próxima a corrente nominal • Não existe limitação no número de manobras/hora • Torque de partida próximo do torque nominal • Longa vida útil pois não possui partes eletromecânicas móveis • Pode ser empregada também para desacelerar o motor Desvantagens ; • Maior custo na medida em que a potência é reduzida. Como já foi abordado anteriormente, o funcionamento das soft-starters está baseado na utilização de tiristores ( SCR´s ), ou melhor, de uma ponte tiristorizada na configuração anti-paralelo, que é comandada através de uma placa eletrônica de controle, a fim de ajustar a tensão de saída, conforme uma programação feita anteriormente pelo usuário. Esta estrutura é apresentada na figura da página seguinte ;

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Figura- Bloco diagrama simplificado da soft-starter Como podemos observar na figura acima, a soft-starter controla a tensão da rede através do circuito de potência, constituído por seis SCRs, onde variando o ângulo de disparo dos mesmos, variamos o valor eficaz da tensão aplicada ao motor. A seguir faremos uma análise mais atenciosa de cada uma das partes individuais desta estrutura, já que notamos nitidamente que podemos dividir a estrutura acima em duas partes, o circuito de potência e o circuito de controle. 3.2.1 Circuito de Potência Este circuito é por onde circula a corrente que é fornecida para o motor. É constituído basicamente pelos SCR´s , suas proteções e os TC´s ( transformadores de corrente ). • O circuito RC representado no diagrama é conhecido como circuito snubber, e tem como função fazer a proteção dos SCRs contra dv/dt. • Os transformadores de corrente fazem a monitoração da corrente de saída permitindo que o controle eletrônico efetue a proteção e manutenção do valor de corrente em níveis pré-definidos (função limitação de corrente ativada). 3.2.2 Circuito de Controle É no bloco de controle que estão os circuitos responsáveis pelo comando, monitoração e proteção dos componentes do circuito de potência, bem como os circuitos utilizados para comando, sinalização e interface homem-máquina que serão configurados pelo usuário em função da aplicação. Atualmente a maioria das chaves soft-starters disponíveis no mercado são microprocessadas, sendo assim, totalmente digitais. Alguns fabricantes ainda produzem alguns modelos com controle analógico, mais no sentindo de oferecer uma opção mais barata para aplicações onde não sejam necessárias funções mais sofisticadas. 2.3 Principais Características e Funções Além das características mostradas anteriormente as soft-starters também apresentam funções programáveis que permitirão configurar o sistema de acionamento de acordo com as necessidades do usuário. Abaixo iremos descrever algumas das mais importantes destas funções;

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• Rampa de tensão na aceleração As chaves soft-starters tem uma função muito simples, que é através do controle da variação do ângulo de disparo da ponte de tiristores, gerar na saída da mesma, uma tensão eficaz gradual e continuamente crescente até seja atingida a tensão nominal da rede. Podemos observar este efeito através do gráfico da figura abaixo ;

Figura – Rampa de tensão aplicada ao motor na aceleração Temos que observar que, quando ajustamos um valor de tempo de rampa, e de tensão de partida (pedestal), isto não significa que o motor irá acelerar de zero até a sua rotação nominal no tempo definido por ta (tempo de aceleração). Isto na realidade dependerá das características dinâmicas do sistema motor/carga, como por exemplo : sistema de acoplamento, momento de inércia da carga refletida ao eixo do motor, atuação da função de limitação de corrente, etc. Tanto o valor do pedestal de tensão, quanto o de tempo de rampa são valores ajustáveis dentro de uma faixa que pode variar de fabricante para fabricante. Não existe uma regra prática que possa ser aplicada para definir qual deve ser o valor de tempo a ser ajustado, e qual o melhor valor de tensão de pedestal para que o motor possa garantir a aceleração da carga. A melhor aproximação poderá ser alcançada através do cálculo do tempo de aceleração do motor. • Rampa de tensão na desaceleração Existem duas possibilidades para que seja executada a parada do motor, por inércia ou controlada, respectivamente. Na parada por inércia, a soft-starter leva a tensão de saída instantaneamente a zero, implicando que o motor não produza nenhum conjugado na carga que por sua vez, irá perdendo velocidade, até que toda energia cinética seja dissipada. A equação abaixo nos mostra matematicamente como expressar esta forma de energia :

K = J . w2 1

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Onde, K = energia cinética (Joules) J = momento de inércia total (kg.m2) W = velocidade angular (rad/s) Na parada controlada a soft-starter vai gradualmente reduzindo a tensão de saída até um valor mínimo em um tempo pré-definido. Podemos observar melhor este tipo de parada no gráfico da página que segue :

Figura – Comportamento da tensão na desaceleração O que acontece neste caso, é que reduzindo-se a tensão aplicada ao motor, este irá perder conjugado. A perda de conjugado reflete no aumento do escorregamento e o aumento do escorregamento faz com que o motor perca velocidade. Se o motor perde velocidade a carga acionada também perderá. Este tipo de recurso é muito importante para aplicações que devem ter uma parada suave do ponto de vista mecânico. Podemos citar como exemplo bombas centrífugas, transportadores, etc. No caso particular das bombas centrífugas é importantíssimo este tipo de parada pois minimiza bastante o efeito do ´´golpe de aríete´´ , que pode provocar sérios danos a todo o sistema hidráulico, comprometendo componentes como válvulas e tubulações, além da própria bomba. • Kick Start Existem cargas que no momento da partida exigem um esforço extra do acionamento em função do alto conjugado resistente, por exemplo o compressor. Neste casos, normalmente a soft-starter precisa aplicar no motor uma tensão maior que aquela ajustada na rampa de tensão na aceleração, isto é possível utilizando uma função chamada ´´Kick Start´´ . Esta função faz com que seja aplicado no motor um pulso de tensão com amplitude e duração programáveis para que o motor possa desenvolver um conjugado de partida suficiente para vencer o atrito, e assim acelerar a carga. Deve-se ter muito cuidado com esta função, pois ela somente deverá ser usada nos casos onde seja estritamente necessária.

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Devemos observar alguns aspectos importantes relacionados com esta função, já que a mesma poderá ser mal interpretada e, desta forma, comprometer a definição com relação ao seu uso, inclusive o do próprio sistema de acionamento. Como a tensão de partida poderá ser ajustada próximo da tensão nominal, mesmo que por um pequeno intervalo de tempo, a corrente de partida irá atingir valores muito próximos daqueles registrados na placa do motor ou folha de dados do motor. Isto é claramente indesejável, pois a utilização da soft-starter nestes casos advém da necessidade de garantir-se uma partida suave, seja eletricamente ou seja mecanicamente. Desta forma podemos considerar este recurso como sendo aquele que deverá ser usado em última instância, ou quando realmente ficar óbvia a condição severa de partida. A figura abaixo nos mostra o gráfico desta função;

Figura – Representação gráfica da função ´´Kick Start´´ • Limitação de corrente Na maioria dos casos onde a carga apresenta uma inércia elevada, então neste caso particular é utilizada uma função denominada limitação de corrente. Esta função faz com que o sistema rede/soft-starter forneça ao motor somente a corrente necessária para que seja executada a aceleração da carga. Este recurso é sempre muito útil pois garante um acionamento realmente suave e torna-se ótimo para a viabilização de partidas de motores em locais onde a rede encontra-se no limite de sua capacidade. Normalmente nestes casos a condição de corrente na partida faz com que o sistema de proteção da instalação atue, impedindo assim o funcionamento normal de toda a instalação. Ocorre então a necessidade de se impor um valor limite de corrente de partida de forma a permitir o acionamento do equipamento, bem como de toda a indústria. No gráfico abaixo mostramos este tipo de função;

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Figura – Limitação de corrente

A limitação de corrente também é muito utilizada na partida de motores cuja carga apresenta um valor mais elevado de momento de inércia. Em termos práticos, podemos dizer que esta função é a que deverá ser utilizada após não obter-se sucesso com a rampa de tensão simples, ou mesmo quando for necessário ajustar uma rampa de tensão (para aceleração da carga) de tal forma que a tensão de partida (pedestal) fique próxima aos níveis de outros sistemas de partida, por exemplo, as chaves compensadoras. Não sendo isto de forma alguma fator proibitivo na escolha do sistema de partida. • Pump control Esta função é utilizada especialmente para a aplicação de partida com soft-starter em sistemas de bobeamento. Trata-se na realidade de uma configuração especifíca (pré-definida) para atender este tipo de aplicação, onde normalmente é necessário estabelecer uma rampa de tensão na aceleração , uma rampa de tensão na desaceleração e a habilitação de proteções. A rampa de tensão na desaceleração é ativada para minimizar o ´´golpe de aríete´´, prejudicial ao sistema como um todo. São habilitadas também as proteções de seqüência de fase e subcorrente imediata ( para evitar o escorvamento ). • Economia de energia Uma soft-starter que inclua características de otimização de energia simplesmente altera o ponto de operação do motor. Esta função, quando aplicada aos terminais do motor de modo que a energia necessária para suprir o campo seja proporcional à demanda da carga. Quando a tensão no motor está em seu valor nominal e a carga exige o máximo conjugado para o qual o motor foi especificado, o ponto de operação será definido pelo ponto A. Se a carga diminui e o motor for alimentado por uma tensão constante, a velocidade (rotação) aumentará ligeiramente, a demanda de corrente reduzirá e o ponto de operação se moverá junto à curva para o ponto B. Por ser um motor onde o conjugado desenvolvido é proporcional ao quadrado da tensão aplicada, haverá uma redução do conjugado com uma redução de tensão. Caso esta tensão seja devidamente reduzida, o ponto de operação passará a ser o ponto A´ , conforme figura abaixo;

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Figura – Equilíbrio entre conjugado e tensão

Em termos práticos pode-se observar uma otimização com resultados significativos somente quando o motor está operando com cargas inferiores a 50% da carga nominal. Mas, é muito difícil encontrar motores operando de tal forma, pois neste caso estaríamos falando de motores muito sobredimensionados, o que atualmente em virtude da crescente preocupação com o desperdício de energia e redução de custos, isto vem sendo evitado. Proteções A utilização das soft-starters não fica restrita exclusivamente a partida de motores de indução, pois estas também podem garantir ao motor toda a proteção necessária. Normalmente quando uma proteção atua é emitida uma mensagem de erro especifica para permitir ao usuário reconhecer o que exatamente ocorreu. A seguir estão relacionadas as principais proteções que as soft-starters oferecem : • Sobrecorrente imediata na saída Esta função ajusta o valor de corrente que a soft-starter permite fluir para o motor por período de tempo pré-ajustado (via parametrização). O gráfico abaixo mostra esta função;

Figura – Proteção de sobrecorrente imediata

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• Sobcorrente imediata Ajusta o mínimo valor de corrente que a soft-starter permite fluir para o motor por período de tempo pré-ajustado (via parametrização). Esta função é muito utilizada para a protecao de cargas que não possam operar em vazio ou cargas bem abaixo do seu valor mínimo, por exemplo, sistemas de bobeamento (bombas centrífugas). Abaixo temos o gráfico desta função ;

Figura – Proteção de sobcorrente imediata

• Sobrecarga na saída ( Ixt ) Supervisiona as condições de sobracarga conforme classe térmica selecionada (via parametrização), protegendo o motor termicamente contra sobrecargas aplicadas ao seu eixo. A figura abaixo nos mostra o gráfico desta função ;

• Sobretemperatura nos tiristores ( medida no dissipador ) Monitora a temperatura no circuito de potência através de um termostato montado sobre o dissipador de alumínio, onde também estão montados os tiristores.

Caso a temperatura do dissipador superar 90º C, o termostato irá comutar fazendo com a CPU bloqueie imediatamente os pulsos de disparos dos tiristores, enviando um mensagem de erro que será mostrada no display. • Seqüência de fase invertida Alguns modelos de soft-starters só permitem a operação se a seqüência de fase estiver correta. Esta proteção pode ser habilitada para assegurar que cargas a inversão do sentido de giro não sejam danificadas ou prejudiquem o processo devido a sua inversão, como exemplo, podemos citar os acionamentos de bombas, ventiladores, compressores, etc. Uma desvantagem dos modelos que são sensíveis a mudança da seqüência de fase, é que qualquer operação de reversão deverá ser feita na saída da chave. • Falta de fase na rede Detecta a falta de uma fase na alimentação da soft-starter e bloqueia os pulsos de disparo dos tiristores. • Falta de fase no motor Detecta a falta de uma fase na saída da soft-starter e bloqueia os pulsos de disparo dos tiristores. • Falha nos tiristores Detecta se algum dos tiristores esta danificado. Caso exista, bloqueia os pulsos de disparo dos e envia uma mensagem de erro através do display. • Erro na CPU (watchdog) Ao energizar-se, a CPU executa uma rotina de auto diagnose e verifica os circuitos essenciais. Caso haja alguma irregularidade, serão bloqueados os pulsos de disparos dos tiristores e será enviada uma mensagem de erro através do display. Obs.: Interferência eletromagnética também pode causar a atuação desta proteção. • Erro de programação Não permite a aceitação da alteração de um valor seja alterado incorretamnte através da porta de comunicação serial, seja aceito. • Defeito externo Atua através de uma entrada digital programada (via parametrização). São associados dispositivos de proteção externos para atuarem sobre esta entrada, como por exemplo, sondas térmicas, pressostatos, relés auxiliares, chave de nível, etc. • Acionamento típico Na página seguinte veremos um modelo de digrama no constitui um exemplo de aplicação com acionamento tipicamente configurável nas chaves soft-starers ; • Acionamento básico / convencional sugestivo com comandos por entradas digitais a dois fios. Todos os comandos, leituras e monitoração de status feitos via I.H.M

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Figura – Diagrama simplificado de um acionamento básico

4 INVERSOR DE FREQUÊNCIA 4.1 Introdução Nos capítulos anteriores vimos diferentes alternativas de comandar um motor de indução a partir da rede de alimentação. Em todos os casos a freqüência de alimentação foi a da rede, isto é, permaneceu constante, 60Hz. Apartir da simples observação da equação (velocidade) anterior podemos deduzir que se pudéssemos dispor de um dispositivo que permita variar a frequência da tensão de alimentação poderíamos variar diretamente no motor a sua velocidade de rotação. Vamos ver agora como podemos obter através de um dispositivo eletrônico e a partir da tensão e frequência constante da rede, obter um sistema com freqüência variável. O diagrama de blocos da figura abaixo mostra as partes componentes deste dispositivo;

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O retificador gera uma tensão contínua que é posteriormente filtrada e introduzida no bloco seguinte, chamado inversor. O inversor é composto de seis chaves implementadas numa configuração, como mostra a figura abaixo;

INVERSORES DE TENSÂO O princípio de funcionamento de um inversor de tensão é ilustrado na figura abaixo. Os interruptores S1 e S2 periodicamente aplicam a tensão da fonte d.c., à carga alternando as conexões entre os terminais da fonte e da carga. O resultado é uma onda de tensão de saída retangular, cuja a freqüência pode ser variada através do comando dos interruptores.

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Figura – Principio de funcionamento de um inversor de tensão

O circuito da figura a seguir, representa um inversor monofásico paralelo. Os dois interruptores S1 e S2 funcionam de forma complementar. Quando o interruptor S1 ligado e S2 desligado, a tensão da fonte d.c. é aplicada sobre o enrolamento primário P1, com tal polaridade que resulta em uma tensão de saída, Vo positiva. Quando S1 desliga e S2 é ligado, a tensão da fonte d.c., é aplicada sobre o enrolamento primário P2, invertendo a tensão de saída Vo.

Figura - Inversor de tensão (montagem do tipo paralelo

Características:

Freqüência variável ; Amplitude fixa.

INVERSOR MONOFÁSICO DO TIPO SÉRIE COM DERIVAÇÃO CENTRAL Esta montagem utiliza uma fonte d.c. com derivação central e um braço de inversor série constituído pelos dois interruptores S1 e S2 como indicado na figura abaixo (a). S1 e S2 operam no modo complementar.

Figura – Inversor de tensão (montagem em série com derivação central)

Características da tensão de saída :

Freqüência variável; Amplitude fixa.

INVERSOR TRIFÁSICO EM PONTE Neste tipo de configuração em cada braço do inversor [ (S1-S4), (S3-S6), (S2-S5) ], os interruptores controláveis são comandados de forma complementar (180') e os comandos dos braços são defasados de 120º uns dos outros, na sequência de fase ABC. O diagrama de lógica de condução indica as conexões entre os terminais d.c. X e Y de entrada e os terminais A, B e C de saída. As tensões fase-fase de saída vAB, vBC e vCA são facilmente deduzidas a partir deste diagrama, sabendo-se que, a cada instante elas assumem um dos valores vXY = E; vYX = -E; e vXX = vYY = 0, de acordo com o diagrama de condução. Por outro lado, as tensões fase-neutro podem ser determinadas a partir das tensões fase-fase a partir das relações mostradas abaixo ;

3CAAB

ANVV −

=V

3

ABBCBN

VV −=V

3

BCCACN

VV −=V

Na figura abaixo, é representado um inversor de tensão trifásico e a forma de onda de vAN . Esta forma de onda é conhecida como onda de "seis degraus" ("six-steps wave").

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Figura – Inversor de Tensão Trifásico

CONTROLE DE TENSÃO DE SAÍDA Controle de Tensão através da variação da tensão d.c : No caso de um inversor com comando adjacente, é possível controlar a frequência de saída, mas não a tensão. Neste caso, o controle da amplitude da tensão pode ser feito variando-se a tensão da fonte d.c., figura da página seguinte (a), para isto deve-se dispor de um primeiro estágio conversor que pode ser AC/DC ou DC/DC dependendo do tipo de suprimento de energia disponível.

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Figura – Controle da tensão de saída

No caso de não se dispor do controle da tensão d.c.., duas outras alternativas são consideradas a seguir; CONTROLE POR COMANDO-DISJUNTO Como visto anteriormente, no caso do comando disjunto é possível obter-se o controle da tensão de saída, através do ângulo de defasagem θ dos comandos dos braços do inversor. Isto é ilustrado na figura acima (b). CONTROLE POR MODULAÇÃO DA LARGURA DE PULSO ("PULSE - WIDTH MODULATION - PWM") A amplitude da tensão alternada de saída pode ser variada chaveando-se dentro da onda quadrada de saída. Por exemplo, pulsos com uma dada largura podem ser introduzidos, como indicado na figura acima (c), e a tensão de saída é controlada variando-se a largura destes pulsos..

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INVERSORES DE TENSÃO À PWM Algumas das técnicas de PWM são :

• PWM senoidal • Eliminação seletiva de harmônicos • Controle da corrente por banda de histerese

• PWM senoidal - 0 princípio geral da PWM senoidal é mostrado na figura abaixo, onde uma onda portadora triangular é comparada com uma onda senoidal moduladora de freqüência fundamental e os pontos de interseção determinam os instantes de comutação em um braço do inversor.

Figura– Princípio geral da técnica PWM senoidal

Nas figuras a seguir, o gráfico (a), ilustra o esquema de comando para um inversor trifásico. Já no gráfico (b), é mostrado o resultado da lógica de comparação na conexão da fase A com os

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terminais de entrada (X para conexão com o positivo da fonte d.c., e Y para conexão com o negativo).

Figuras ; (a) e (b) – Tensões fase-fase e fase-neutro com PWM senoidal em inversor um trifásico. Nas figuras acima (a) – ilustra o procedimento para a determinação da forma de onda da tensão fase-fase vAB , e (b) é mostrda a forma de onda da tensão fase-neutro vAN. Pode-se mostrar que a fundamental da onda de saída é proporcional ao índice de modulação m =Vp/Vt, onde Vp é o valor de pico da onda moduladora senoidal e Vt, é o valor de pico da onda portadora triangular. Os harmônicos têm freqüência Mwt= ±Nws, onde M mP, m 1, 2, 3, ..., P é a relação entre a portadora e a moduladora, M e N são inteiros e M+N é impar.

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4.2 INVERSOR DE FONTE DE CORRENTE O circuito de base do inversor de fonte de corrente trifásico é mostrado na figura abaixo.

Figura – Principio de funcionamento do inversor de fonte de corrente trifásico.

O comando dos interruptores é do tipo 120o como na ponte trifásica. Como a carga tem fator de potência atrasado, os interruptores têm que ser do tipo auto-comutado. Cada interrupção da corrente em uma fase, produz um pico de tensão devido a natureza indutiva da carga. Isto é uma característica deste tipo de conversor. Para reduzir os picos de tensão são geralmente são utilizados capacitores, como por exemplo, o banco de capacitores indicado na figura abaixo (a).

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Figura – Formas de onda durante a comutação em um IFC auto-sequencial

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(c)

Figura - Alimentação com inversor de fonte de tensão com modulação por largura de pulsos. *Estes conversores de frequência são os mais utilizados A figura abaixo nos mostra o padrão de chaveamento da tensão e a corrente resultante numa fase do motor, quando utilizada a técnica PWM para comando dos transistores de potência ;

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4.3 Métodos de Controle dos Inversores de Freqüência do tipo PWM Os principais métodos de controle dos inversores de freqüência dividem-se em : Controle Escalar Controle Vetorial 4.2.1 Controle Escalar O funcionamento dos inversores de freqüência com controle escalar está baseado numa estratégia de comando chamada ´´V/F constante´´ , que mantém o torque do motor constante , igual ao do nominal, para qualquer velocidade de funcionamento do motor. O estator do motor de indução possui um bobinado trifásico como mostrado anteriormente, e este bobinado tem dois principais parâmetros que definem suas características. Um deles é a sua resistência ôhmica R [ohm] e o outro é a sua indutância L [Henry]. A resistência depende do tipo de material (cobre) e do comprimento do fio com o qual é feito o bobinado. Já a indutância depende também fundamentalmente da geometria (forma) com que os campos se interagem no bobinado e no rotor. Fazendo uma análise muito simplificada podemos dizer que a corrente que circulará pelo estator do motor será proporcional ao valor da resistência ´´R´´ e ao valor da reatância indutiva ´´ XL ´´ que é dependente da indutância L e da freqüência F , Assim temos ;

XL = 2.Π.F.L

I = V/ ( R2 + XL )1/2 Para valores de freqüência acima de 30Hz 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, despreza-lo. Assim veremos que o valor da corrente será proporcional à tensão de alimentação V, à indutância L e a freqüência F. O valor de indutância L é uma constante do motor, mas a tensão e a freqüência são dois parâmetros que podem ser ´´controlados´´ pelo inversor de freqüência. Assim, se para variar a velocidade do motor de indução temos que variar a freqüência da tensão de alimentação, a estratégia de ´´V/F constante´´ varia a tensão proporcionalmente com a variação da freqüência de alimentação (e da reatância indutiva ) do motor para obter no estator uma corrente constante da ordem da corrente nominal do motor, como mostra a figura abaixo;

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I = V/F = Cte.

Como podemos observar no gráfico acima, com um valor maior que 60Hz a tensão não pode continuar subindo, pois já foi atingida a tensão máxima (tensão da rede), significa que, apartir deste ponto a corrente e conseqüentemente o torque motor, diminuirão. Esta região (acima de 60Hz, no exemplo) é conhecida como região de enfraquecimento de campo. A figura a seguir mostra o gráfico do torque em função da freqüência onde fica em evidência este comportamento.

Para freqüências abaixo de 30Hz o termo correspondente a resistência R do estator, que foi desprezado anteriormente, começa a ter influência no cálculo da corrente. Para baixas freqüências, mantendo-se a proporcionalidade entre a freqüência e a tensão, a corrente e conseqüentemente o torque do motor diminuem bastante. Para que isto seja evitado, a tensão do estator em baixas freqüências deve ser aumentada, através de um método chamado compensação I x R , conforme figura abaixo;

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Figura – Compensação IxR

Então, podemos deduzir que o controle escalar em inversores de freqüência é utilizado em aplicações normais que não requerem elevada dinâmica (grandes acelerações e frenagens), nem elevada precisão e nem de controle de torque. Um inversor com controle escalar pode controlar a velocidade de rotação do motor com uma precisão de até 0,5% da rotação nominal para sistemas sem variação de carga, e de 3% a 5% com variação de carga de 0 100% do torque nominal. Pelo principio de funcionamento e aplicação, são utilizados na maioria das vezes motores de indução convencionais sem nenhum sistema de realimentação de velocidade (tacogerador de pulsos acoplado ao motor) em malha fechada. A faixa de variação de velocidade é pequena e da ordem de 1:10 (ex: 6 a 60Hz). Com estas características, o inversor de freqüência escalar é mais utilizado em sistemas que não requerem alto desempenho. 4.2.2 Controle Vetorial Em aplicações onde se faz necessário uma alta perfomance dinâmica, respostas rápidas e alta precisão de regulação de velocidade, 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 contínua sempre representaram uma solução ideal, pois a proporcionalidade da corrente de armadura, do fluxo e do torque num motor D.C proporcionam um meio direto para seu controle. Contudo, a busca por avanços tecnológicos significativos tem diminuído esta hegemonia e, gradativamente , estão aparecendo opções de novas alternativas, como o uso de acionamentos em A.C do tipo controle vetorial. Vantagens do inversor com controle vetorial : • Elevada precisão de regulação de velocidade; • 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. No motor de indução a corrente do estator é responsável por gerar o fluxo de magnetização e o fluxo de torque, não permitindo obter um controle direto do torque. Basicamente, o circuito de potência do inversor de freqüência vetorial não é diferente de um inversor de freqüência v/f ,

sendo composto dos mesmos blocos funcionais. No inversor v/f a referência de velocidade é usada como sinal para gerar os parâmetros tensão/freqüência variável e disparar os transistores de potência. Já o inversor vetorial calcula a corrente necessária para produzir o torque requerido pela máquina, calculando a corrente de magnetização. A palavra ´´vetorial´´ está sendo nos últimos tempos muito utilizada para dar nome aos novos inversores, algumas vezes de maneira não muito apropriada. Os inversores vetoriais recebem este nome devido a: 1. A corrente que circula no bobinado estatórico de um motor de indução pode ser separada em duas componentes ; Id, ou corrente de magnetização (produtora de fluxo) e Iq ou corrente produtora de torque 2. A corrente total é a soma vetorial destas duas componentes 3. O torque produzido no motor é proporcional ao ´´produto vetorial´´ das duas componentes 4. A qualidade com a qual estas componentes são identificadas e controladas define o nível de desempenho do inversor. Para calcular estas correntes é necessário resolver em ´´tempo real´´ uma equação que representa matematicamente o comportamento do motor de indução (modelo matemático do motor). Tempo real significa que este cálculo tem que ser feito muitas vezes por segundo, tantas vezes quanto necessário para poder controlar o motor. É por isto que este tipo de controle requer microprocessadores muito potentes que realizam milhares de operações matemáticas por segundo. Para resolver esta equação é necessário conhecer ou calcular os seguintes parâmetros do motor : • Resistência do estator • Resistência do rotor • Indutância do estator • Indutância do rotor • Indutância de magnetização • Curva de saturação Muitos inversores vem com estes valores pré-programados para diferentes motores, outros mais sofisticados utilizam rotinas de autoajuste para calcular estes parâmetros, característica muito útil quando utilizados motores rebobinados ou já existentes. O controle vetorial representa, sem dúvida, um avanço tecnológico significativo, aliando as performances dinâmicas de um acionamento D.C e as vantagens de um motor A.C. Pórem, em alguns sistemas que utilizam controle vetorial é necessário o uso de um enconder (tacogerador de pulsos) acoplado ao motor para que se tenha uma melhor dinâmica, o que torna o motor especial. Sendo assim podemos dizer que existem dois tipos de implementação de inversores vetoriais ;

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o inversor ´´sensorless´´ (sem sensor) e o inversor com realimentação por enconder (controle orientado pelo campo). O inversor com realimentação por encoder é capaz de controlar a velocidade e o torque no motor, pois calcula as duas componentes da corrente do motor. Este tipo de inversores conseguem excelentes características de regulação e resposta dinâmica, como por exemplo : • Regulação de velocidade : 0,01% • Regulação de torque : 5% • Faixa de variação de velocidade : 1:1000 • Torque de partida : 400% • Torque máximo (não contínuo) : 400% O inversor ´´sensorless´´ tem um grau de desempenho menor que o anterior, mas é superior ao inversor v/f. A seguir alguns valores típicos para estes inversores : • Regulação de velocidade : 0,1% • Regulação de torque : não tem • Faixa de variação de velocidade : 1:100 • Torque de partida : 250% • Torque máximo (não contínuo) : 250% 4.3 Características dos motores de indução acionados com inversores de freqüência Como já vimos anteriormente, a curva característica ´´corrente x velocidade´´ e ´´torque x velocidade´´ do motor de indução mostra que a partir do valor de torque equivalente a 150% do nominal (área de trabalho intermitente) as duas curvas apresentam o mesmo comportamento. Isto significa que o torque e velocidade tem um comportamento linear com a corrente. Como mostra figura abaixo;

Obs.: Os inversores de freqüência trabalham exclusivamente nesta região.

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Vejamos agora da curva ´´torque x velocidade´´ quando o motor é alimentado através do inversor de freqüência. A figura a seguir nos mostra um conjunto de curvas para diferentes velocidades (freqüências) de operação. A 60Hz temos exatamente o caso da figura anterior (acima), que coincide com a resposta de um motor acionado diretamente na rede.

Observando a figura acima, vemos que para uma freqüência de alimentação de 30Hz a velocidade síncrona será de 900rpm, novamente para torque nominal o escorregamento será o nominal equivalente a 50rpm, e a velocidade do motor será de 850rpm. É interessante observar que diminuindo a freqüência pela metade a velocidade síncrona também cai a metade, mas a velocidade do motor (rotórica) não, pois sempre terá uma diferença constante equivalente ao escorregamento. Outra característica importante do acionamento de motores com inversores de freqüência é que a corrente de partida é praticamente da ordem da corrente nominal, e que alimentando o motor a partir de 3 ou 4Hz podemos obter no rotor um torque de 150% do nominal, suficiente para acionar qualquer carga acoplada ao motor.

BIBLIOGRAFIA

• KOSOW, Irving L. Máquinas elétricas e transformadores. 6 ed. Rio de Janeiro,

Globo, 1986. 667p.

• WEG. Catálago Técnico : motores elétricos de indução.

• WEG. Catálago Técnico : aplicação de inversores de freqüência.

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