CENTRO DE ENSINO SUPERIOR DE CONSELHEIRO LAFAIETE CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA CES-CL

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1 Acionamentos Elétricos Introdução

2 Acionamentos Elétricos Acionamentos: sistemas que utilizam energia para produzir movimento Motores: Atuadores Principais Unidades que utilizam motores elétricos como atuadores principais são conhecidos como acionamentos elétricos

3 Acionamentos Elétricos -Papel do Acionamento Elétrico: Conversão eficiente da potência elétrica em potência mecânica; -PapeldaUnidadede Processamento de Potência(PPU): Proporcionar a forma adequada da potência entregue ao motor conforme requisitos da carga.

4 Exemplo de Aplicação Velocidade Constante Acionamento c om Velocidade Variável Fonte motor válvula Bomba Potênciade Entrada Potênciade Saída Perdas de Potência Devido à Válvula

5 Exemplo de Aplicação Velocidade Constante Acionamento c om Velocidade Variável válvula Fonte motor Bomba Fonte PEC motor Bomba Potênciade Entrada Potênciade Saída Potênciade Entrada Potênciade Saída Perdas de Potência Devido à Válvula Perdas de Potência

6 Exemplo de Aplicação Velocidade Constante Acionamento c om Velocidade Variável válvula Fonte motor Bomba Fonte PEC motor Bomba Potênciade Entrada Potênciade Saída Potênciade Entrada Potênciade Saída Perdas de Potência Devido à Válvula Perdas de Potência

7 Conservação de Energia em Aplicações de Bombas - O estrangulamento da válvula provoca uma perda extra de pressão ; -O sistemade velocidadevariável(asd) reduz a velocidadedabombade forma a equiparar com os requisitos da carga.

8 Conservação de Energia em Aplicação de Sopradores

9 Aplicações Típicas de Acionamentos Elétricos -Processos Industriais: agitadores, bombas, ventiladores, compressores; - Aquecimento e condicionamento de ar: sopradores, compressores; -Indústriasiderúrgicae mineração: pontes rolantes, empilhadeirase desempilhadeiras, acionamento de rolos, laminadores, moinhos, correias transportadoras; - Transportes: elevadores, trens elétricos, veículos elétricos; - Residencial: condicionadores de ar, refrigeradores, máquinas de lavar.

10 Acionamento elétrico convencional(variação de velocidade) Volumoso Ineficiente Inflexivel

11 Acionamento elétrico moderno(com conversor eletrônico de potência) Pequeno Eficiente Flexivel

12 Acionamentos elétricos modernos Utilização de interface com fontesde energia renovável Projeto de máquinas Velocidade sensorless Teoria de máquinas Inter-disciplinar(Eletrônica de potência, sistemasde controle, projeto de máquinas, sensores) Diversas áreas de pesquisa Expansível Controle não-linear Controle em tempo real Aplicação de DSP Correção de Fator de Potência Estimação de velocidade

13 Multidisciplinaridade Natural

14 Componentes do Acionamento Elétrico Motores Corrente Contínua Corrente Alternada(indução e síncronos) Fontes de Potência Corrente Contínua(baterias, células combustível, fotovoltaica) Corrente Alternada(monofásica, trifásica, geração eólica) Conversores de Potência CA-CC CC-CC CC-CA CA-CA Unidade de Controle Processadores Digitais de Sinais Sensores Tensão, corrente, velocidade, torque e posição

15 Aplicações Acionamentos CA e CC Extraído de Boldea& Nasar

16 Overview Acionamentos CC e CA Motores CC: Manutenção periódica, alto custo, fácil controle devido ao desacoplamento de torque e fluxo magnético; Motor CA: Baixamanutenção, baixocusto, acoplamentoentre torque e fluxo magnético

17 Overview Acionamentos CC e CA Antes da Introdução dos Semicondutores(<1950) Motores CA aplicados em sistemas de velocidade fixa Motores CC aplicados em sistemas de velocidade variável Após a Introdução dos Semicondutores(1950s) Disponibilidade de fontesde frequência variável Aplicaçãode motores CA em sistemas de velocidade variável Acoplamento entre fluxo e controle de torque Aplicações limitadas a sistemas de média performance ventiladore, sopradores, compressores controle escalar Aplicaçõesde altaperformance dominadaspelosmotorescc tração, elevadores, servoacionamentos, etc

18 Overview Acionamentos CC e CA Após a Introdução dos Semicondutores(1950s)

19 Overview Acionamentos CC e CA Após s Introdução dos Acionamentos com Controle Vetorial(1980s) MotoresCA aplicadosa sistemasde altaperformance elevadores, tração, servoacionamentos Aplicaçõesde motoresca maisfavoráveisdo quemotorescc contudoo controleé maiscaroe complexo Custodos microprocessadores/semiconductoresdecai previsãode que em 30 anos as aplicações de acionamentos CA superariam asde CC

20 Classificaçãodos AcionamentosCA (Buja, Kamierkowski, Direct torque control of PWM inverter-fed AC motors - a survey, IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2004.

21 Exigências de Operação dos Acionamentos Elétricos Qualquer acionamento deve satisfazer determinados objetivos de funcionamento, em regime permanente e em regime transitório que se traduzem habitualmente através de requisitos da variação da velocidade e/ou posição ao longo do tempo. Tais exigências implicam, da parte da máquina e do conversor, disponibilidade para fornecer conjugados e velocidades e, conseqüentemente, potências com amplitudes e sentidos adequados ao longo do tempo. Por isso a energia elétrica processada pelo conversor, deve poder fluir, em cada instante, no sentido conveniente. As exigências mecânicas de operação também podem ser descritas através de um plano geométrico de condições de funcionamento. Para cada aplicação, deve ser verificado quais quadrantes de funcionamento se aplicam ao acionamento.

22 CENTRO DE ENSINO SUPERIOR DE CONSELHEIRO LAFAIETE Exigências de Operação dos Acionamentos Elétricos O sistema mecânico é visto pelo motor como um conjugado que deve ser aplicado um eixo pelo acoplamento do motor. A relação entre este conjugado de carga e a velocidade do motor precisa ser definida. Para operação em regime permanente esta definição pode ser feita em termos do diagrama de operação de 4 quadrantes que representa a curva conjugado-velocidade, no qual ω é a velocidade do motor, ou do eixo do acoplamento, e T é o conjugado desenvolvido pelo motor ou o conjugado da carga presente no eixo do sistema mecânico.

23 O 1º. quadrante, representa a aceleração e operação no sentido direto, sendo que a desaceleração é feita através do amortecimento natural ( atritos e conjugados resistentes ).

24 No 2º. quadrante o sistema mecânico requer um conjugado negativo para frenagem.

25 No 3º. quadrante o conjugado desenvolvido pelo motor e a velocidade estão em sentido inverso e as condições de operação são similares as do 1º. quadrante.

26 CENTRO DE ENSINO SUPERIOR DE CONSELHEIRO LAFAIETE O 4º. quadrante pode representar uma de duas condições possíveis. Se as condições elétricas são as mesmas do 1º. quadrante, o sistema mecânico está acionando o motor na direção oposta a aquela que resultaria de seu próprio conjugado desenvolvido. Isto representa um outro tipo de frenagem. Se as condições do sistema elétrico são mudadas para proporcionarem um acionamento reverso no 3º. quadrante, são possíveis os mesmo tipos de frenagem que para o 2º. quadrante.

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