EXPERIÊNCIA 7 CONVERSORES PARA ACIONAMENTO DE MÁQUINAS ELÉTRICAS

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1 FACULDADE DE ENGENHARIA ELÉTRICA E DE COMPUTAÇÃO - UNICAMP EE LABORATÓRIO DE ELETRÔNICA INDUSTRIAL EXPERIÊNCIA 7 CONVERSORES PARA ACIONAMENTO DE MÁQUINAS ELÉTRICAS 7. Introdução A máquina de corrente alternada, epecialmente a máquina de indução, ão contrutivamente muito mai imple e robuta do que a máquina de corrente contínua. Quando comparada a máquina de corrente contínua, apreentam menor maa (20 a 40% a meno), para uma mema potência, o que leva a um cuto menor de aquiição e de manutenção em relação a máquina CC equivalente. Quando e trata de realizar um acionamento controlado, no entanto, o converore e itema de controle neceário e tornam mai ofiticado do que aquele utilizado para a máquina CC, o que faz neceário analiar o cuto global, e não apena o relativo à máquina. Entretanto, o cuto do converore e circuito eletrônico tem diminuído com o paar o tempo, enquanto o cuto de produção da máquina tem tido uma variação muito meno ignificativa. Por eta razão, o cuto total do itema máquina acionamento tende cada vez mai a er vantajoo para a máquina CA. Em termo de deempenho dinâmico, nova técnica de controle tem poibilitado à máquina CA apreentarem comportamento imilar ao da máquina CC, eliminando, também nete apecto, a vantagen anteriore da máquina de corrente contínua. Ete experiência analiará o uo de converore CC-CA utilizado no acionamento de máquina de corrente alternada e que repreentam a grande maioria da aplicaçõe indutriai nete campo. 7.2 Excitação enoidal de um circuito magnético É uual em máquina elétrica e em tranformadore que a tenõe e, conequentemente, o fluxo magnético variem enoidalmente com o tempo. Conidere o circuito magnético motrado na figura 7.. Uma tenão enoidal e(t) alimenta um enrolamento de N epira. A corrente que circula (deprezando a aturação do material magnético), chamada de corrente de magnetização, também tem forma enoidal, o memo ocorrendo com o fluxo φ(t). e(t) φ N - Fig. 7. Excitação enoidal de um núcleo ferromagnético (em aturação) e(t) = Ep co( ωt) (7.) φ ( t) = Φpin( ωt) (7.2) dφ e(t) = N (7.3) dt

2 E p Φ p = (7.4) 2πfN Note-e que, mantida a tenão, uma redução na freqüência leva a um aumento no fluxo. Cao o elemento magnético não eja linear, ou eja, apreente aturação, ito ignifica que o fluxo não pode aumentar acima de um certo valor máximo, de modo que a eq. (7.2) não eja mai válida, mantida a tenão enoidal. 7.3 Modelamento da máquina de indução trifáica Uma máquina de indução trifáica poui enrolamento de etator no quai é aplicada a tenão alternada de alimentação. O rotor pode er compoto por uma gaiola curto-circuitada ou por enrolamento que permitam circulação de corrente. Dada a caracterítica trifáica da alimentação do etator e à ditribuição epacial do enrolamento, o campo produzido pelo etator é girante, ou eja, ua reultante poui um movimento rotacional. Por efeito tranformador, o campo magnético produzido pelo enrolamento do etator induzem corrente no rotor. O campo produzido pela corrente induzida no rotor terá a mema caracterítica rotacional, procurando empre acompanhar o campo girante do etator de modo que, da interação de ambo campo magnético erá produzido o torque que levará a máquina à rotação. Se o rotor girar na mema velocidade do campo girante, não haverá corrente induzida, uma vez que não haverá variação de fluxo pela epira do rotor. Não havendo corrente, não haverá torque. Deta análie qualitativa pode-e concluir que a produção de torque no eixo da máquina deriva do fato de que a velocidade do rotor er empre menor do que a velocidade do campo girante. A corrente induzida no rotor poui uma freqüência que é a diferença da freqüência angulare do campo girante e do rotor. Aim, na partida, com a máquina parada, a corrente erão de 60Hz (upondo eta a freqüência de alimentação da máquina). À medida que a máquina ganha velocidade, tal freqüência vai caindo, até chegar, tipicamente, a pouco Hz, quando atingir a velocidade de regime. A velocidade angular do campo girante depende, além da freqüência de alimentação, do chamado número de pólo da máquina. O número de pólo indica quanto enrolamento, delocado epacialmente (imetricamente) no etator, ão alimentado pela mema tenão de fae. Aim, e 3 enrolamento ( para cada fae) etiverem dipoto num arco de 80 grau e outro 3 enrolamento ocuparem o outro 80 grau do perímetro do etator, diz-e que eta é uma máquina de 4 pólo (ou 2 pare de pólo). O modelo por fae de um motor de indução é motrado na figura 7.2. O ramo em derivação, compoto por R m e X m repreenta, repectivamente, a reitência de perda no material ferromagnético e a reatância de magnetização (a corrente que circula por X m é a reponável por criar o fluxo no material ferromagnético). R e R r repreentam a reitência do enrolamento do etator e do rotor, enquanto X e X r ão a reatância de diperão de etator e de rotor, ou eja, repreentam a parcela de fluxo que não enlaçam ambo enrolamento. A figura 7.3 motra um circuito implificado, no qual deprezam-e a perda ferromagnética e a queda de tenão no enrolamento do etator, de modo que a tenão de alimentação (V) é igual à tenão E. Eta última, por ua vez, relaciona-e com o fluxo, de acordo com a equaçõe (7. a 7.4). 2

3 j.x r ' jx R jx r '.Er R r ' V E Er R r ' I' r (a) I (b) N N r I' r jx R jx r V Vm=E R m I m jx m R r I (c) Figura 7.2 Modelo circuitai para motor de indução: a) circuito do rotor; b) com rotor e etator eparado, c) com rotor refletido ao lado do etator. I r I i jx R jxr V I m jx m R r Zi = I r I Figura 7.3 Modelo implificado, por fae, de motor de indução. Pode-e demontrar que a expreão do torque deenvolvido pelo motor é: T d = 3 Rr V R R r 2 ω 2 ( X X ) r 2 (7.5) ω é a velocidade angular do campo girante (velocidade íncrona) é o ecorregamento definido por: ( ω ωm ) = (7.6) ω ω m é a velocidade angular do rotor A figura 7.4 motra uma curva torque - velocidade típica para um motor alimentado a partir de uma fonte de tenão enoidal de freqüência e amplitude fixa. Exitem 3 regiõe de operação: tração (0<<) regeneração (<0) reverão (<<2) 3

4 Td Tmm T 0 2ω Regeneração Tração Reverão ω ω m ω 0 ω ω ω m ω m ω ω m Tmr m m Figura 7.4 Caracterítica torque-velocidade de máquina de indução. Em tração, o rotor roda no memo entido do campo girante e, à medida que o ecorregamento aumenta (partindo do zero), o torque também aumenta, de maneira praticamente linear, enquanto o fluxo de entreferro e mantém contante. A operação normal do motor e dá neta região linear, uma vez que, e o torque de carga exceder T mm, o motor, perdendo o eu torque, parará, levando a elevada perda no rotor, devido à alta corrente induzida no rotor. Nete cao o motor e comportaria como um tranformador com o ecundário (rotor) curto-circuitado. Na região de regeneração, o rotor e o campo girante movem-e no memo entido, ma a velocidade mecânica, ω m, é maior do que a velocidade íncrona, levando a um ecorregamento negativo. Como a reitência equivalente do rotor é negativa, ito ignifica que a máquina etá operando como gerador, entregando potência para o itema ao qual etá conectado o etator. A caracterítica torque - velocidade é imilar àquela da operação em tração, ma com um valor de pico maior (uma vez que o numerador é menor do que no cao de tração). No modo de reverão, o campo girante gira em entido opoto ao rotor, levando a um ecorregamento maior do que. Ito pode ocorrer quando e faz a inverão na conexão de 2 fae do etator, provocando a mudança no entido de rotação do campo. O torque produzido (que tende a acompanhar o campo girante) e opõe ao movimento do rotor, levando a uma frenagem da máquina. O torque preente é pequeno, ma a corrente ão elevada. A energia retirada da maa girante é diipada internamente na máquina, levando ao eu aquecimento, que pode er exceivo. Tal modo de operação não é normalmente recomendado. 7.4 Método de controle da velocidade de máquina de indução Do ponto de vita do acionamento, a velocidade de um motor de indução pode er variada da eguinte maneira Controle da reitência do rotor Controle da tenão do etator Controle da freqüência do etator Controle da tenão e da freqüência do etator Controle da corrente 7.4. Controle pela reitência Para uma máquina de rotor enrolado é poível, externamente, colocar reitência que e omem à impedância própria do rotor, como motrado na figura 7.5.a. 4

5 Para melhorar a eficiência, o reitore podem er ubtituído por um retificador controlado que, ao invé de diipar energia obre a reitência externa, poa enviá-la de volta para a rede. A relação entre a tenão cc definida pelo retificador e a corrente I d refletem para o enrolamento do rotor a reitência equivalente. Ete arranjo é motrado na figura 7.5.b. A variação de Rx permite mover a curva torque - velocidade da máquina, como motrado na figura 7.6. Note que, para um dado torque, o aumento da reitência do rotor leva a uma diminuição na velocidade mecânica. Ete método permite elevar o torque de partida e limitar a corrente de partida. Obviamente ete é um método de baixa eficiência devido à diipação de potência obre a reitência. O balanceamento entre a 3 fae é fundamental para a boa operação da máquina. Ete tipo de acionamento é ainda uado epecialmente em ituaçõe que requeriam grande número de partida e parada, além de elevado torque, como em ponte rolante. Etator Rx Rotor Rx (a) Rx Etator Rotor Retificador Ld Retificador Controlado Id Vd Vdc Trafo Rede (b) Figura 7.5 Controle de velocidade por variação da reitência da armadura. Td/Tmm 0Rr 0.5 5Rr Rr ω m Figura 7.6 Caracterítica torque - velocidade para diferente valore de reitência de rotor (normalizada em relação ao torque máximo) Controle pela tenão de alimentação do etator Da equação do torque vê-e que ele é proporcional ao quadrado da tenão aplicada ao etator. Aim para um dado torque, uma redução na tenão produz uma diminuição na velocidade (um aumento no ecorregamento), como motrado na figura 7.7. Ete tipo de acionamento em geral é utilizado em carga cujo torque varia com a velocidade, como em ventiladore, e não é aplicável quando e neceita de torque contante, nem elevado conjugado de partida. A faixa de ajute de velocidade é relativamente etreita e é feita ao cuto de uma redução ignificativa do torque diponível. Quando a curva do torque da carga cruza a curva da máquina além do ponto de torque máximo, não é poível o acionamento. ω 5

6 Td Td torque de carga ω ω m 00%V 80%V 60%V Figura 7.7 Caracterítica torque - velocidade para diferente valore de tenão de alimentação. A tenão do etator pode er variada por meio de um controlador de tenão ca, formado por tiritore, operando com controle de fae. Sua implicidade jutifica eu uo em itema de baixa performance e potência, como ventiladore e bomba centrífuga, que preciam de baixo torque de partida. Outra poibilidade é o uo de um inveror trifáico, operando com freqüência contante e tenão ajutável, eja variando a tenão cc, eja por uo de MLP. O fato de a tenão de partida er reduzida permite uma limitação na corrente de partida. A figura 7.8 motra, equematicamente, o acionamento. Vcc Inveror Trifáico etator Rede Controlador CA etator (a) (b) Figura 7.8 Controle da tenão de etator por inveror (a) e controlador ca (b) Controle pela variação da freqüência Como e vê na eq. 7.5, o torque e a velocidade de um motor de indução podem er variado controlando-e a freqüência da fonte de alimentação. No valore nominai de tenão e freqüência, o fluxo de entreferro da máquina também etará em eu valor nominal. Se a tenão for mantida contante e a freqüência diminuída, o fluxo aumentará, levando à aturação da máquina, alterando o parâmetro da máquina e a caracterítica torque - velocidade. Em baixa freqüência, com a queda da reatância, a corrente tendem a e elevar demaiadamente. Ete tipo de controle não é normalmente utilizado. Se a freqüência é aumentada acima do valor nominal, fluxo e torque diminuem. Sendo ω a velocidade íncrona à freqüência nominal, a curva típica de torque - velocidade para diferente valore de b (ω = b ωb) etão motrada na figura 7.9. Abaixo da velocidade íncrona nominal o torque deve ficar limitado ao eu valor nominal. A elevação da freqüência permite aumentar a velocidade, à cuta da perda do torque. Eta caracterítica é imilar à do motore de corrente contínua quando e faz a elevação da velocidade pelo método do enfraquecimento do campo. Uma alimentação dete tipo pode er obtida por meio de um inveror que forneça uma tenão contante (valor eficaz), variando apena a freqüência. 6

7 Td/Tm b= 0.4 b= b=2 b= ωm = ω b * b b> Figura 7.9 Caracterítica torque - velocidade com controle da freqüência Controle da tenão e da freqüência Se a relação entre a tenão e a freqüência da alimentação do motor é mantida contante, o fluxo de entreferro não e altera, de modo que o torque máximo não e altera. A figura 7.0 motra a caracterítica torque - velocidade para uma excitação dete tipo, para velocidade abaixo da velocidade bae T(, ) T(,.8) 0.5 T(,.6) ω m = b * ω b b< Figura 7.0 Caracterítica torque - velocidade com controle de tenão/freqüência. Uma vez que a tenão nominal da máquina não deve er excedida, ete tipo de acionamento aplica-e para velocidade abaixo da velocidade íncrona nominal. O acionador mai uual é do tipo inveror com controle MLP ou de onda quae-quadrada, que permita ajutar imultaneamente tenão e freqüência. Um inveror de onda quadrada neceita de uma tenão no barramento cc variável. Em baixa freqüência, para compenar o aumento na perda e elevar o torque de partida, mantém-e uma tenão mínima (fig. 7.). A máxima freqüência (velocidade) é limitada por caracterítica mecânica do motor e pela perda de torque decorrente da diminuição do fluxo magnético (aumento de f para um V contante). 7

8 Tenão V nominal V Mínima f mínima f nominal f máxima freq. Figura 7. Caracterítica V/Hz típica de acionamento de motor CA. 7.5 Motor de indução monofáico Sabe-e que é poível criar um campo girante por meio de doi enrolamento, epacialmente delocado de 90 o, cuja alimentação eja feita por tenõe defaada. Cao a tenõe ejam também defaada de 90 o o vetor relativo ao campo girante decreve uma trajetória circular. Cao a defaagem não eja 90 o, a trajetória erá elíptica. De qualquer forma, um rotor imero nete campo apreentará corrente induzida, a quai produzirão um campo magnético que, ao interagir com o campo produzido pelo enrolamento do etator, levarão ao urgimento de um torque no eixo do rotor. No cao de motore de indução monofáico, o campo girante deve er criado por meio de algum artifício que defae a corrente que circulam pelo diferente enrolamento. Exitem divera alternativa para obter tal comportamento como, por exemplo, o uo de um capacitor em érie com um do enrolamento, como motra a figura 7.2. I Ia V C Im rotor Figura 7.2 Motor de indução com capacitor permanente O modelamento de um motor de indução monofáico é imilar ao do motor trifáico, no entanto exitem alguma diferença importante, epecialmente a elevada reitência do enrolamento de etator, o que não permite a implificação do modelo (figura 7.2 e 7.3). Aim, epecialmente em baixa freqüência, quando a corrente de magnetização tende a crecer, a queda em R r é muito ignificativa, fazendo com que E e V ejam muito diferente, alterando o comportamento de torque contante para uma variação linear da relação V/f. 7.6 Inverore de tenão A topologia do inverore de tenão utilizada no acionamento de máquina elétrica não pouem diferença ignificativa em relação àquela já decrita para a realização de inverore de freqüência fixa. O que o diferencia é o circuito de controle que deve produzir, quando neceário, um inal de referência com freqüência variável. 8

9 7.7 Referência Bibliográfica Dewan, S. B.; Slemon, G. R. e Straughen, A.: Power Semiconductor Drive, John Wiley & Son, New York, USA, 984. N. Mohan, T. M. Undeland e W. P. Robbin: Power Electronic, Converter, Application and Deign, 2nd Edition, John Willey & Son, USA, 994 M. P. Kazmierkowiki and H. Tunia: Automatic Control of Converter-Fed Drive. Elevier, Amterdam, 994. M. H. Rahid: Power Electronic: Circuit, Device and Application, Prentice Hall International, Inc., Englewood Cliff, 993. P. C. Sen: Principle of Electrical machine and Power Electronic, John Wiley & Son, 997. Parte Experimental Material: Circuito eletrônico para produção de inai MLP Circuito de potência (inveror monofáico a IGBT) Fonte CC de 00V, 5 A, iolada da rede Fonte CC, /- 2 V, iolada da rede Fonte CC de /- 5V, com 4 aída iolada Tacômetro Motor CA, indução monofáico Tranformador V/220V Multímetro (RMS verdadeiro) Ocilocópio 2 canai Impreora Reitor de ohm, 0 W Filtro LC Atenção: a fim de evitar acidente, ante de realizar qualquer alteração na montagem, empre reduza a tenão da fonte de 00V a zero de modo que, ao ligar o circuito, parta-e empre de um valor reduzido de tenão na alimentação do inveror. 7.8 Ajute no circuito eletrônico a) Alimente o circuito eletrônico com /- 2V. Faça a conexão com o circuito de potência atravé do conector DB9. b) Ajute a onda triangular (portadora) (ponto 5) para que varie entre 0 e 4 V. Ajute o inal de referência (modulante) (ponto ) para uma onda enoidal em 60 Hz, em off-et, e valor picoa-pico de 7 V. Verifique e o jumper JP etá conectado no circuito. 7.9 Conexõe no circuito de potência c) Conecte a fonte de potência (ainda com zero V) no circuito do inveror. Faça a conexõe da fonte auxiliare (que alimentam ao acionadore). Na aída do inveror conecte o filtro LC, inerindo o reitor de ohm obre o qual e fará, com o ocilocópio, a obervação da corrente. Coloque um amperímetro para medir o valor da corrente. Na aída do filtro ligue o tranformador (lado de 0V). 9

10 Entrada do filtro (Inveror) Filtro LC A amperímetro Saída do filtro (Tranformador lado 0V) borne preto R = ohm / 0W Figura 7.3 Conexão do filtro LC ao circuito d) Oberve imultaneamente a tenão na entrada do tranformador e a corrente. Eleve a tenão da fonte de potência até 00V. Cao neceário, ajute o off-et da onda triangular (portadora), atravé do trimpot colocado na placa, a fim de minimizar a eventual ditorção obervada na tenão no cruzamento com o zero. Cao o inal da corrente não eja imétrico, ajute o off-et do inal de referência (no gerador de funçõe) até que e obtenha uma corrente imétrica. Meça o valor eficaz da corrente (com o amperímetro) e da tenão no tranformador (ocilocópio). e) Varie a freqüência do inal de referência entre 60 e 30 Hz (variando de 5 em 5 Hz), obervando a alteraçõe na forma de onda (e exitirem) e medindo o correpondente valore da corrente (amperímetro) e da tenão no tranformador. Trace a curva (V x f )e (I x f). Comente. f) Para a freqüência de 30 Hz, reduza a amplitude do inal de referência até que a corrente medida eja igual àquela obtida em 60 Hz. Nete ponto meça a tenão no tranformador. Comente o reultado. g) Retorne a freqüência para 60 Hz. Retire o jumper JP. Ito faz com que o circuito de entrada da placa de controle pae a atuar como um diferenciador. Ajute a amplitude do inal de referência até que e obtenha o memo valor de tenão na entrada do tranformador do item d. Cao não eja poível, reduza a amplitude da onda triangular (portadora) até atingir a tenão deejada. h) Varie a freqüência entre 60 e 30 Hz, medindo tenão (com ocilocópio) e corrente (com amperímetro). Trace a curva (V x f )e (I x f). Comente. 7.0 Alimentação de motor monofáico Atenção: não faça variaçõe muito rápida de velocidade do motor. Durante a reduçõe de velocidade o motor funciona tranitoriamente como gerador (poi a velocidade mecânica e torna maior do que a velocidade do campo girante), enviando energia para a fonte, a qual não é capaz de aborver tal energia. i) Reduza a tenão da fonte de potência para zero. Retire o filtro LC, alimentando o tranformador diretamente da aída do inveror. Mantenha o reitor de ohm no circuito. Na aída do tranformador (lado 220V) conecte o motor monofáico. Ligue o tacômetro. Ajute 60 Hz no inal de referência (memo ajute do item g). Oberve com o ocilocópio a tenão na entrada do tranformador e a corrente. Eleve a tenão da fonte de potência para 00V. Meça a corrente com o amperímetro. j) Varie e freqüência entre 70 e 20 Hz, anotando a velocidade e a corrente na entrada do tranformador. Trace a curva (velocidade x f ) e (I x f). Comente. 0

11 k) Reduza a tenão da fonte de potência a zero. Ajute 20 Hz de referência. Eleve a tenão para 00V e verifique a capacidade de partida do motor. Vá elevando a freqüência até que o motor parta. Comente. 2 7 Figura 7.4 Circuito de controle.

12 aída Figura 7.5 Circuito de acionamento e de potência. 2

Nestas notas será analisado o comportamento deste motor em regime permanente.

Nestas notas será analisado o comportamento deste motor em regime permanente. MOTO DE INDUÇÃO TIFÁSICO 8/0/006 Ivan Camargo Introdução O motor de indução trifáico correponde a, aproximadamente, 5 % da carga elétrica do Brail, ou eja, 50 % da carga indutrial que, por ua vez, correponde

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