Notas de aula sobre acionamento em corrente contínua Evolução dos sistemas de acionamento em corrente contínua

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1 Notas de aula sobre acionamento em corrente contínua Evolução dos sistemas de acionamento em corrente contínua Os motores de corrente contínua vem sendo utilizados em sistemas de acionamento com velocidade variável a muito tempo. As características e versatilidade do motor CC contribuiram bastante para o seu extensivo uso na indústria. Os motores CC podem fornecer alto torque de partida o que é fundamental nos sistemas de tração além do que o controle de velocidade pode ser realizado numa faixa ampla, abaixo e acima da velocidade nominal da máquina. Os métodos de controle são mais simples que aqueles necessários para as máquinas de corrente alternada. Embora os comutadores proibam a utilização dos motores de corrente contínua em algumas aplicações (atmosferas corrosivas diminuem drasticamente o tempo de vida útil dos comutadores), os motores CC ainda desempenham um papel significativo nos sistemas de acionamento industriais. Nos sistemas simples de controle de velocidade com motores de corrente contínua não podemos aplicar a tensão de armadura diretamente nos terminais da máquina quando ela está imobilizada já que nesta condição o único elemento limitante da corrente é resistência de armadura que é muito baixa, daí quando na partida destes motores deve-se inserir um conjunto de 1

2 resistores em série com os mesmos com a finalidade de diminuir a corrente de armadura e a medida que a velocidade aumenta, esses resistores são retirados ou curtocircuitados de maneira que a corrente possa atingir seu valor nominal e o controle de velocidade passa a ser feito pela circuito de campo. A tecnologia de acionamento CC evoluiu consideravelmente. O presente estado da arte dos acionadores de corrente contínua permitem sistemas de controle adaptativos de alto desempenho que permitem a utilização dos motores de corrente contínua nos sistemas de acionamento de robôs de alta precisão e outras tarefas correlatas. O sistema Ward-Leonard. O sistema Ward-Leonard foi introduzido na década de 1890 e significou um salto na evolução dos sistemas de acionamento com velocidade variável em corrente contínua. O sistema usa um grupo gerador-motor para acionar um motor CC em velocidade variável. O motor do grupo gerador-motor gira com velocidade constante e aciona o gerador de CC. O ajuste da corrente de campo do gerador CC permite ajustar a tensão que este gerador coloca na armadura do motor de corrente contínua que opera em velocidade variável. Este método de controle é mais adequado para o acionamento do motor de corrente contínua por que o método de controle pela corrente de campo gera problemas de comutação no motor, além de reduzir o torque do motor. O sistema de Ward-Leonard fornece operação com torque constante e operação com potência constante. Na operação com torque constante, o fluxo no entreferro do motor é mantido constante enquanto que a tensão da armadura do motor CC de velocidade variável é controlada. Este método foi o primeiro a fornecer uma alta performance em termos de aumento da faixa de rotação, comutação melhorada e controle de velocidade preciso, as vezes com a ajuda de sistemas de malha fechada para o controle de velocidade. Para operação na faixa além da velocidade nominal, o ajuste de velocidade deve ser feito pelo ajuste da corrente de campo do motor de velocidade variável, mantendo-se a potência do sistema de armadura no seu valor nominal com potência constante de modo a não comprometer o motor de corrente contínua termicamente, porém o torque decai a medida que a velocidade aumenta uma vez que o fluxo está sendo reduzido. Com o desenvolvimento do sistema de corrente alternada, as máquinas de corrente alternada tornaram-se mais atrativas uma vez que demandam menos manutenção e são conceitualmente mais robustas e mais baratas que os motores de corrente contínua, com isso a máquina motriz dos grupos gerador- 2

3 motor dos sistemas Ward-Leonard tornou-se um motor de indução, a figura 2 mostra o esquema típico de um circuito de acionamento Ward-Leonard. Operação do sistema: (a) O motor CA (1) alimenta o gerador e a excitatriz com força motriz a velocidade constante Nca. (b) O sistema de auto-excitação da excitatriz gera o campo necessário para que a máquina gere a tensão contínua em seus terminais de modo a suprir corrente contínua para o gerador CC e o motor CC sob controle. A tensão gerada pela excitatriz será considerada constante e igual a Eex. (c) O gerador girando a velocidade Nca gerará em seus terminais de armadura a tensão: E g K a g N ca Essa tensão somente poderá ser controlada pelo reostato em série com o circuito de campo do gerador (5), já que g K fg I g 3

4 Note que a polaridade da tensão aplicada pelo gerador no motor pode ser invertida pelo contator (5), o que possibilita a regeneração da energia mecânica de inércia presente na carga, ser enviada para a linha de corrente alternada. Este controle é o típico controle pela tensão de armadura. Nos sistemas modernos controlados por tiristores com controle de fase ou choppers é o controle do ângulo (ângulo de controle), ou do ciclo de serviço respectivamente, que permite a variação da tensão média na carga e conseqüentemente da velocidade do motor CC. (d) A tensão aplicada pelo gerador no motor de corrente contínua gerará no mesmo uma velocidade dada por: N m E g K R I a a m a Onde Ra é a resistência e m é o fluxo do motor sob controle. O torque na carga mecânica do sistema é dado pela expressão: T em K a m I am A regeneração da energia do sistema A regeneração ocorre quando o fluxo de energia do sistema é revertido da carga mecânica para a rede elétrica de corrente alternada e geralmente é acompanhada pela reversão da polaridade do gerador de CC através do contator (5), quando a inércia da carga mecânica tende a arrastar por algum tempo o motor, agora convertido momentaneamente em gerador, o qual por sua vez colocara uma tensão na armadura do gerador original, agora convertido momentaneamente em motor, que vais girar mais rapidamente a máquina de indução ligada na rede elétrica invertendo o sentido do escorregamento da mesma, o que a tornará um gerador de corrente alternada. Esta energia colocada na rede pela carga mecânica do sistema de acionamento tende a freiar a carga de modo que a velocidade mecânica do sistema decresce muito rapidamente. Um outro modo de se prover freiamento rápido é colocando um resistor de dimensão apropriada em paralelo com o motor sob controle. Neste caso a energia não será regenerada para a rede elétrica mas se perderá convertida em calor por efeito Joule no resistor de freiamento,. A figura 3 mostra a curva de velocidade para as regiões de controle pela 4

5 armadura e por enfraquecimento de campo, como é óbvio que se formos controlar o motor com estas características, serão necessários dois conversores para fazer o controle em ambas as regiões, sendo que o conversor que melhor controla a máquina é o conversor conectado na armadura e que deve ter uma disponibilidade de potência bastante boa para esta tarefa. O conversor de campo pode ser de pequeno porte uma vez que controlará uma corrente bastante pequena em relação a de armadura. Exercícios: 1- O motor de corrente contínua quando imobilizado tem fcem nula, já que N=0, como se faz a partida deste tipo de motor? 2- Os antigos sistemas de controle de velocidade Ward-Leonard tem uma relação potência-peso muito baixa, ou seja, existe muita massa no sistema para a potência que o sistema pode disponibilizar na carga como se pode melhorar a relação potência-peso usando os dispositivos semicondutores de potência disponíveis hoje? 3- Os motores de corrente contínua possuem comutadores muito elaborados, o que significa aumento de custo de mão de obra qualificada e uma certa sensibilidade mecânica deste dispositivo principalmente quando a velocidade da máquina é alta. O que é aconselhável fazer quando existe um projeto que utiliza a máquina acima da sua velocidade nominal de especificação? 4- Qual é o grande problema introduzido na máquina de corrente contínua quando se faz controle de velocidade pelo campo? 5- Como se realiza o controle da tensão de armadura do motor nos sistemas Ward-Leonard? 6- Por que foi intesante utilizar motores de corrente alternada para a geração de força motriz nos antigos sistemas de Ward-Leonard (naquela época se convencionou utilizar a corrente alternada como meio de distribuição de energia elétrica)? 7- Explique a capacidade de regeneração natural dos sistemas Ward-Leonard. A potência transferida para a máquina CC Admitindo que a eficiência do motor CA é ca, que a eficiência do gerador é g e que a eficiência do motor de corrente contínua sob controle é m, podemos expressar a transferência de potência entre a rede elétrica e a máquina de velocidade variável como: Pm ca gmp 5 rede

6 E que a potência dissipada no processo é P ( 1 ) P perdas ca g m rede a Exemplo 1. Um motor de corrente contínua utilizado em um sistema de laminação é especificado em 600kW e deve ser utilizado e um sistema de controle de velocidade Ward-Leonard similar ao da figura 2. A potência absorvida pela excitatriz é de cerca de 10% da especificada para o motor. Determine a especificação total de potência do grupo Ward-Leonard. Assuma uma eficiência de 85% para cada máquina. Solução. Com a eficiência assumida para cada máquina, podemos calcular a potência total absorvida pelo motor de corrente contínua, ou seja: P Ptcc tcc 706 cc 0,85 kw 6

7 A potência especificada para a excitatriz será: Pexc 0,1 PNcc 0, kW Como a excitatriz, como todas as outras máquinas tem rendimento de 85%, então, a potência total absorvida pela excitatriz será: P P 60 exc texc 71 exc 0,85 kw O gerador de corrente contínua do sistema Ward-Leonard deve alimentar o motor e tem um rendimento de 85%. Daí a potência que ele deverá consumir será: P P 706 tcc gcc 831 gcc 0,85 kw A energia que a máquina de corrente alternada deverá liberar para a carga sera: Pmca Pgcc Ptexc kW Como estamos admitindo que este gerador também tem rendimento de 85%, 902 P total 1061k 0,85 A eficiência do sistema por Watt colocado na carga será: sistema % Ou seja a potência perdida para o sistema controlar um motor de 600kW é de cerca 467kW o que gera um desperdício enorme de energia. 7

8 A característica Torque-Potência A potência que a máquina absorve do conversor pela armadura pode ser escrita como, P m I 2 a rms R E I s g a A potência eletromagnética disponibilizada no eixo da máquina é dada por: P e EgI a Te Onde Te é o torque eletromagnético e m é a velocidade da máquina em radianos por segundo. Daí: m Pe T e Quando a potência da armadura atinge seu valor nominal, as restrições térmicas da máquina impedem que a velocidade do motor continue a ser controlada usando a tensão de armadura, a dissipação de energia no motor CC atinge seu valor nominal de trabalho neste ponto de operação da máquina, por isto a velocidade deve agora ser controlada pelo circuito de campo, dentro da região de enfraquecimento de campo. Na região de enfraquecimento de campo o fluxo é reduzido, o que implica na redução do torque da máquina Exemplo 2. Um sistema de acionamento utilizando um motor de corrente contínua opera com controle de velocidade na faixa entre 500rpm e 1200rpm e deve gerar torque constante e igual a 60Nm em toda a faixa. Especifique a potência do motor e elabore uma estratégia de controle para o mesmo. Solução. Para uma máquina gerar torque constante, não é possivel fazer controle pelo campo, pois isso enfraqueceria o fluxo e consequentemente o torque da máquina. Em função disso deve haver apenas um conversor ligado ao circuito de armadura e a campo devera será acionado por um retificador ou fonte de tensão CC fixa. Se escolhermos a velocidade nominal igual a 1200 rpm a potência da máquina será especificada como: 8

9 PN NTN 60 7, 55kW 60 Exemplo 3. Um sistema de acionamento utilizando um motor de corrente contínua opera com controle de velocidade na faixa entre 500rpm e 2500rpm com potência constante de 10kW. Especifique o motor e elabore uma estratégia de controle para o mesmo supondo que a unidade motora deve ter velocidade nominal de 1200rpm. Usando a semelhança dos triângulos podemos escrever: 3 P P N esp PN kW N N Ninf 500 A estratégia de controle é que a máquina deve ser controlada pela armadura dentro da faixa: 500 N 1200rpm E por enfraquecimento de campo na região: 1200 N 2500rpm Exercícios: 1- Na curva característica de controle de um motor de corrente continua a velocidade é controlada pela tensão de armadura até atingir o valor da velocidade nominal da 9

10 máquina. Por que não podemos continuar a controlar a velocidade pela tensão de armadura além deste limite? 2- O que limita a velocidade máxima de uma máquina de corrente contínua? A curva de saturação O fluxo magnético por pólo, que está presente tanto na equação da FCEM da armadura como no torque é determinado pela corrente de campo If. A relação entre a corrente de campo If e o fluxo depende da relutância do circuito magnético do campo. Para baixo valores da corrente de campo, e portanto baixos valores de fluxo, o circuito magnético será linear, mas a medida que a corrente de campo cresce, o fluxo excede a região linear e começa a sofrer o efeito da saturação do ferro do circuito magnético de campo. A faixa de trabalho normalmente se estende dentro da região de saturação e portanto as relações entre If e o fluxo são necessárias para que possamos prever o comportamento da máquina. Esta relação é usualmente obtida de forma indireta ou obtida por experimentação. Um modo de se obter a curva de magnetização de forma prática é aplicando uma corrente de campo com a máquina acionada com velocidade constante por uma segunda máquina e medindo-se a tensão presente nos terminais da máquina. A curva de magnetização ou curva de saturação mostra a natureza da relação entre o fluxo magnético e a corrente de campo, embora o gráfico plotado seja da tensão de armadura em função da corrente de campo. A curva de magnetização é obtida para uma velocidade constante que pode ser inclusive, mas não necessariamente, a velocidade nominal. Pela expressão: E g K N a sabemos que a força eletromotriz induzida é diretamente proporcional a velocidade, portanto se a curva de magnetização estiver disponível para uma determinada velocidade, a curva para qualquer outra velocidade pode ser obtida simplesmente se aplicando um fator de escala usando as tensões e as velocidades envolvidas. A figura 4 mostra uma curva de magnetização típica para uma máquina de corrente contínua. 10

11 Métodos de excitação de campo de uma máquina de corrente contínua Como já foi visto, o motor de corrente contínua tem dois circuito: o circuito de armadura, através do qual a potência elétrica é transformada em potência mecânica, e o circuito de campo que fornece o fluxo magnético para o entreferro da máquina. Estes dois circuito podem ser ligados em paralelo e alimentados por uma única fonte de corrente contínua. Quando o motor é alimentado desta forma, ele é chamado de motor conectado em shunt. Alternativamente o motor pode ser alimentado a partir de duas fontes CC, e quando ele é excitado desta forma, dizemos que o motor está conectado em paralelo ou excitado em paralelo. O circuito de campo pode ser conectado em série com a armadura numa conexão denominada motor CC em série onde a máquina tem um bom torque de partida porem apresenta não linearidades que dificultam sua aplicação em sistemas de controle. O fluxo do campo é determinado pela força magnétomotriz (FMM) aplicada ao enrolamento de campo, de modo que se aumentarmos o número de espiras do enrolamento de campo, a corrente necessária para produzir esta FMM diminui e isto corresponde a aumentar a indutância do circuito de campo e conseqüentemente a constante de tempo do enrolamento de campo, porém se pensarmos que a constante de tempo mecânica geralmente é muito maior que qualquer constante de tempo elétrica, o efeito da indutância de campo não é tão significativo, mesmo porque o controle de velocidade da máquina de corrente contínua geralmente recebe uma maior ênfase no sistema de controle pela armadura. Com o aumento do número de espiras do enrolamento de 11

12 campo, a potência do circuito de campo diminui para um determinado fluxo magnético de modo que se houver necessidade de controle de velocidade pela corrente de campo, um conversor de baixa potência pode ser utilizado. O tipo de motor de corrente contínua que fornece a máxima flexibilidade em aplicações de acionamento com velocidade controlada, é o motor CC com excitação separada e é largamente utilizado em sistemas de controle de velocidade com acionamento estático (estático = não rotativo como é o caso do sistema de Ward-Leonard). O controle de velocidade dos motores de corrente contínua com excitação separada A figura 7 mostra um arranjo de conversores para alimentação de um motor de corrente contínua com excitação em separado dos circuitos da armadura e de campo. Dado que a força eletromotriz gerada por um condutor E g K N a que gira em uma campo magnético é proporcional ao produto da intensidade do fluxo magnético do campo no entreferro em que ele gira, e a velocidade em que ele se desloca, o motor de corrente contínua com excitação separada ou independente pode ser descrito em termos de regime pelas seguintes expressões: E g K N a 12

13 onde N é a velocidade de giro do rotor, Ka é uma constante fixa para a máquina e é o fluxo no entreferro. Como a tensão contínua aplicada na armadura da máquina deve passar pela resistência da armadura, deve ocorrer uma diferença de potencial sobre esta resistência, de modo que: E a R I a a E g combinando estas duas equações podemos escrever: N Ea RaI K a a como o fluxo no entreferro é proporcional a corrente de campo, então podemos escrever: K f I f K f E R f f De onde finalmente obtemos N Ea RaI a E f KaK f R f Esta equação caracteriza totalmente o controle da máquina de corrente contínua tanto pela tensão de armadura Ea como pela tensão de campo Ef. O torque do motor de corrente contínua é um somatório da força aplicada em cada espira e que dada de forma elementar por, T P E I onde é a velocidade em radianos por segundo, T é o torque no eixo no rotor da máquina em Newtons-metro, Pa é a potência eletromagnética aplicada no rotor, Eg é a força contra-eletromotriz da máquina e Ia é a corrente de armadura da mesma. Utilizando a expressão da força contra-eletromotriz já desenvolvida acima, podemos escrever: 13 a 2 NT K a NI a 60 g a

14 onde N é a rotação em rpm e o fator Ka é dado em V/rpm e 2 N 60 é a transformação da velocidade de rpm para radianos por segundo. Daí podemos escrever uma equação para o torque. T K a I a Nota: Observe que o fator de conversão (60/2) somente deverá ser utilizado, se Ka for dado em V/rpm, caso Ka seja dado em V/rad/Seg, este fator deverá ser 1. Exemplo 4. A velocidade de de um motor de corrente contínua é controlada através de dois conversores separados, um para o controle da tensão de armadura e um outro para o controle da tensão de campo. A resistência da armadura é 0,5 e a do circuito de campo é d 125. A curva de magnetização desta máquina com velocidade de 1000rpm é a da figura 4. A tensão de campo é mantida constante em 250V. Assuma que o torque da carga é o mesmo para todas as velocidades e que corresponde a uma corrente de armadura de 20A. Determine a velocidade do motor para os seguintes valores de tensão colocados na armadura pelo conversor de campo: (a)50v; (b)100; (c)150v; (d)200v e (e)250v. Solução: A corrente de armadura pode ser calculada diretamente usando a relação If=250/125=2A.. Entrando com este valor na curva da figura 4 obtemos a tensão EgN=250V na velocidade de 1000rpm. N N E an R a I an K a E gn K a N 2 E a 2 R a I a2 K a E g2 K a Dividindo a expressão de baixo pela de cima e com o conhecimento que as componentes de campo são iguais, podemos escrever uma expressão para a velocidade N2. N 2 E a 2 R a I a2 N E N gn 14 E g2 E gn N N

15 Como o valor de EgN é conhecido, podemos calcular o valor da velocidade para qualquer tensão de armadura. (a) Para Ea2=50V ,5 N rpm 250 (b) Para Ea2=100V (c) Para Ea2=150V ,5 N rpm ,5 N rpm 250 (e) Para Ea2=200V ,5 N rpm 250 Para Ea2=250V, ,5 N rpm 250 Exemplo 5 O motor do exemplo acima é especificado para uma tensão nominal de armadura e de campo de 250V. A tensão mínima de campo para operação satisfatória é 50V. No modo de controle por enfraquecimento de campo, a tensão de armadura é mantida constante em 250V e a tensão de campo é alterada. Determinar a velocidade para os seguintes valores de tensão de campo: (a)200v; (b)150v; (c)100v e (d)50v Especifique a velocidade nominal e as faixas de controle pela tensão de armadura e por enfraquecimento de campo. Qual é a razão entre a velocidade máxima e a velocidade nominal? Admita que durante toda a faixa de operação por enfraquecimento de campo, a corrente é mantida seu valor constante de 20A. E gn E an R a I an K a K I N f fn N E g 2 E gn K a K f I N f

16 Se multiplicarmos e dividirmos esta última expressão por NN, obtermos a força contraeletromotriz definida na velocidade constante através da curva de magnetização da máquina, de modo que a determinação de N2 torna-se imediata. N N E K a K I N 2 E 2 g2 f f 2 N N g2 N N N Onde E g2 é a tensão obtida da curva de magnetização da máquina para If=If2. Usando esta expressão podemos escrever a expressão da velocidade da máquina para qualquer valor de tensão obtido pela curva de magnetização com uma velocidade diferente. Quando se aplica 250V na armadura da máquina a força contra-eletromotriz de armadura será EgN=250 20x0,5 = 240V, com esta tensão de armadura, a velocidade da máquina será 960rpm como mostra a última parte do exercício anterior. A partir daí poderemos calcular as velocidades no modo de enfraquecimento de campo. (a) Para Ef=200V, If=200/125=1,6A Da curva de magnetização obtemos E g2=238v 240 N rpm 238 Para Ef=150V, If=150/125=1,2A. ª Da curva de magnetização obtemos E g2=229v. Daí 240 N rpm 229 Para Ef=100V, If=100/125=0,8A.Da curva de magnetização obtemos E g2=208v. Daí 240 N rpm 208 Para Ef=50V, If=50/125=0,4A. Da curva de magnetização obtemos E g2=135v. Daí 240 N rpm N 960rpm Dess a forma podemos escrever que a faixa de controle pela armadura ocorre no intervalo: 16

17 A faixa de controle por enfraquecimento de campo ocorre no intervalo: 960 N 1706rpm A razão entre a velocidade máxima e a velocidade nominal real (Speed Rate) da máquina será: 1706 SR 1, Estratégias de controle de malha fechada dos motores com excitação separada A figura 7 mostra um esquema de controle de um motor de corrente contínua excitado separadamente que opera com controle pela tensão de armadura até o valor da velocidade nominal e acima desta, opera com controle por enfraquecimento de campo. A operação do controlador pode ser descrita como segue: O controle pela tensão de armadura. Existem dois loops de controle na circuito de armadura, um interno de alta prioridade com a finalidade de controlar a corrente de armadura que deve ser mantida dentro de um limite rigoroso para salvaguardar os elemento semicondutores de potência que acionam a armadura do circuito, e um loop externo que tem a finalidade de controlar a velocidade. A velocidade desejada é fornecida na forma de uma entrada (tensão) de referência para a malha externa. Esta velocidade de referência denominada ref na figura 7 e geralmente é uma tensão ajustável que pode ser fixada em qualquer valor desejado de modo a fixar o valor da velocidade do motor do sistema de acionamento. A velocidade real do sistema é medida por um tacogerador ou qualquer dispositivo sensível a velocidade e realimentada para o controlador. Este sinal (tensão) de velocidade obtido através do sensor de velocidade é rotulado f na figura 7 e tem a mesma escala em volts por rpm que ref. A diferença ref-f é o erro de velocidade.este erro é amplificado pelo controlador de velocidade, denominado Sa na figura 7, a saída do controlador de velocidade não é diretamente aplicada ao conversor de armadura, mas antes passa por um circuito de limitação da excursão do erro de velocidade de modo a produzir uma referência de corrente que mantenha a corrente dentro dos limites 17

18 suportados pelo s semicondutores do conversor de potência. Este sinal de referência de corrente é denominado Ia(ref) na figura 7. A corrente real da armadura é obtida através de um dispositivo sensor de corrente rápido de modo que a corrente nos semicondutores passa ser controlada muito rapidamente e mantida dentre dos limites impostos pela segurança do conversor de potência. Uma vez obtido este sinal Ia, ele é comparado com o sinal da referência de corrente e o sistema gerará um erro de corrente dado por Ia(ref)-Ia. Este erro é amplificado pelo controlador de corrente denominado Ca e serve como sinal de controle para a entrada do conversor Ca na figura 7. Este sinal rotulado por Vc na figura 7 controla a tensão de armadura de modo que o erro de corrente seja nulo. Se o conversor de armadura for do tipo de fase controlada, a saída Vc controlará o ângulo de disparo dos dispositivos semicondutores de potência do retificador controlado, primeiramente mantendo a corrente dentro dos limites suportáveis e com a segurança do valor da corrente fazendo a velocidade do motor atingir a meta estabelecida por ref. Se por outro lado o conversor for um chopper então Vc variará o ciclo de serviço do chopper de modo a obter a corrente e a velocidade desejadas. Neste esquema o loop externo dá a referência de velocidade e o loop interno a referência de corrente. Este tipo de controle realimentado com malhas encaixadas pode ser estendido para sistemas de servoposicionamento, com a malha mais externa operando no controle de posição do sistema. Neste caso a saída do amplificador do controlador de posição servirá como entrada 18

19 de referência para o controlador de velocidade enquanto que os loops de controle de velocidade e de corrente serão semelhantes ao discutido acima. Enfraquecimento de Campo Na figura 7, existe um conversor separado denominado conversor de campo que fornece tensão para o circuito de campo da máquina. Um controlador de malha fechada também foi utilizado no conversor de campo. A entrada referência de velocidade deste controlador é retirada do circuito rotulado FW (Field Weakening = Enfraquecimento de Campo). O módulo de enfraquecimento de campo é projetado para gerar uma saída fixa, correspondente a máxima corrente campo para velocidade abaixo da velocidade nominal da máquina. Quando a velocidade excede o valor nominal, o bloco FW é projetado para começar a diminuir progressivamente a corrente de campo diminuindo o sinal de referência de corrente de modo a realizar o objetivo de controle na região de enfraquecimento de campo. A realimentação da corrente de campo permte ao sistema controlar de modo preciso a corrente aplicada no campo de modo a limitar inclusive o seu valor mínimo (velocidade máxima do motor) e assegurar uma operação segura para o motor. O sinal de realimentação permite no caso de conversores de fase controlada, o ajuste do ângulo de gatilhamento de modo a obter a corrente desejada no campo, por sua vez o sinal na entrada de um chopper permitira controlar adequadamente o ciclo de serviço do mesmo e realizar o mesmo objetivo já citado. Os conversores para o acionamento da máquina CC com excitação separada Acionamento CC-CC com chopper O conversor utilizado num sistema de controle de velocidade deste tipo, depende da fonte de potência disponível. Se houver uma fonte de potência em corrente contínua, o tipo recomendável é um conversor CC-CC ou recortador (chopper), o qual varia a tensão média na carga chaveando a tensão contínua da fonte de modo a variar seu valor médio. A freqüência de chaveamento depende do tipo de chopper utilizado. Nos choppers controlados por modulação em freqüência, o período da freqüência da tensão recortada é variável porém se mantém constante ou o período de chave ligada (ton) do chopper, ou o período de chave desligada (toff) do mesmo. A relação entre a tensão CC ajustada na saída do chopper e a tensão constante de entrada é denominada de ciclo de serviço, de modo que: 19

20 Ea E T T ON T ON TON T OF Vamos analisar o caso em que o período de tempo TON é constante (figura 10(a)) e o ciclo de serviço do chopper é de 25%, ou seja TON é (1/4)T, neste caso a tensão média na carga será 0,25E, como pode ser demonstrado pela equação abaixo. Da mesma forma se TON = 0,75T então, Ea=0,75E e assim por diante. E a 1 T TON 0 T Edt E T ON E T ON TON T OFF E O chopper com freqüência modulada sofre do problema que nas altas freqüências as perdas por chaveamento nos tiristores (ou transistores de potência) tornam críticas para os mesmos, daí é conveniente trabalharmos com uma freqüência menor e de preferência fixa variando então tanto TON como TOFF num método de modulação denominado modulação por largura de pulso ou PWM. A figuras 8(a) e 8(b) mostram as formas de onda de um chopper operando em freqüência modulada com TON constante sendo a figura 10(a) o caso de =25% e a figura 10(b) o caso de =50%, já as figura 10(c) e 10(d) mostram as formas de onda de um chopper operando em freqüência 20

21 modulada com TOFF constante sendo que 10(c) tem ciclo de serviço de 50% e 10(d) de 75%. Como já foi dito, se mantivermos a freqüência do chopper fixa, variando os valores de TON e TOFF podemos controlar o ciclo de serviço mantendo as perdas de chaveamento dos elementos semicondutores dentro de uma condição aceitável. A figura 11 mostra as formas de onda de um sistema PWM com ciclos de serviço de 25% e 75%. 21

22 Exemplo 6. Um carro é acionado por um motor de corrente contínua alimentado por um banco de baterias. A armadura do motor é alimentada por um chopper de dois quadrantes. O enrolamento de campo é alimentado diretamente a partir do banco de baterias através de um reostato de enfraquecimento de campo. A tensão gerada pelo banco de baterias é de 120V. O motor tem uma resistência de armadura de 0,4. Após o veículo rodar com valores máximos de tensão máxima de armadura e corrente de campo por algum tempo, aplicou-se ao sistema um freiamento regenerativo. A corrente de armadura antes do início do freiamento era de 80A. Assumindo que o chopper é ideal, determine o ciclo de serviço de serviço do chopper para gerar uma corrente de 50A no início do freiamento. Solução. Vamos inicialmente calcular a força eletromotriz induzida no motor antes do freiamento ser aplicado: Eg Ea RaI a 120 0, V No início do freiamento a tensão gerada pelo motor, agora transformado em gerador, será: Portanto o ciclo de serviço será: E afreio 88 0, E a E ,7% Freiamento Regenerativo e Reversão Quando um motor está girando em uma direção e deve ser freiado regenerativamente, ele deve passar da condição motor para a condição gerador e colocar a energia cinética de movimento da carga na fonte de energia elétrica através do conversor. Para a reversão do fluxo de potência ou a corrente de 22

23 armadura ou a tensão de armadura dever ser revertida. Vamos considerar duas situação práticas: 1. Quando o conversor de armadura é um chopper, tal como o caso do veículo acionado por baterias; 2. Quando o conversor de armadura é um retificador controlado, como é típico em sistemas de acionamento de laminadores industriais alimentados através de um barramento CA utilitário. As configurações de acionamento e freiamento com choppers A figura 12(a) mostra um circuito de potência no modo de acionamento. A configuração do chopper está no abaixador (step down). Para alterar para o modo de freiamento, a configuração do chopper deve ir para o modo elevadora (step up). Esta configuração é mostrada na figura 12(b). Isto envolve a mudança das conexões, o que deve ser implementado por contatores ou chaves. Para uma operação rápida é mais conveniente utilizar o chopper de dois quadrantes mostrado na figura 10(c). Com o chopper de dois quadrantes, tão logo o freiamento seja implementado, a chave controlada S1 é desligada pelo bloqueio dos pulsos de gatilho, a corrente do motor cai a zero. Os pulsos de gatilho são então dirigidos para a chave S2, a qual é modulado por largura de pulso de modo a prover a corrente de freiamento necessária. O torque de freiamento será proporcional a corrente de armadura, a qual pode ser programada por um controlador de corrente de malha fechada conveniente. Pelo ajuste contínuo do ciclo de serviço será possível realizar uma estratégia de controle para a regeneração até velocidades muito baixas. 23

24 A Reversão do Sentido de Rotação Para reverter o sentido de rotação do motor é necessário inverter ou os terminais de campo ou os terminais de armadura. O circuito de campo é altamente indutivo, de modo que para reversões rápida é mais conveniente inverter a tensão nos terminais da armadura. A reversão dos terminais da armadura pode ser realizada através de um grupo de contatores como é mostrado na figura 13. Os contator direto é composto por chaves acionadas eletromagnéticamente com dois pólos rotulados F e F, e de forma similar, o contator reverso é composto por chaves operadas eletromagnéticamente com pólos rotulados R e R. Deve haver um intertravamento entre os dois contatores de modo a evitar qu8e contadores de tipos diferentes estejam ON simultaneamente. Na figura 13, o campo é excitado separadamente a partir do mesmo barramento CC da armadura. Quando o contador direto está ON, as chaves F e F estão ON e e as chaves R e R ficam OFF, portanto o terminal positivo do chopper estará ligado ao terminal de armadura A1 e o terminal negativo a A2. Quando a operação reversa ocorre, os contatos F e F ficam desligados e as chaves R e R ficam ON com o terminal positivo da fonte ligado ao terminal A2 e o terminal negativo ligado a A1. 24

25 freiamento, quando a velocidade do rotor estiver zerada, a chave estática S2 deverá ficar ON e a operação de cpntrole PWM da tensão de armadura no sentido reversa deverá ser realizada através da chave S3 no modo PWM já mencionado para o sentido direto, até se obter a velocidade desejada no sentido reverso. 25

26 Chopper Estático de Quatro Quadrantes Para reversões muito rápidas e de forma completamente estática, sem o uso de dispositivos de chaveamento mecânicos, a configuuração de circuito adequada é a da figura 14. O chopper estático de quatro quadrantes tem quatro módulos de chaveamento rotulados de 1 a 4. Cada modulo de chaveamento é composto por uma chave estática, junto com um diodo em antiparalelo. A maneira de controle de chaveamento por PWM é descrita a seguir. Para um determinado sentido de rotação, a qual chamaremos de sentido direto as chaves S2 e S3 são mantidas OFF enquanto S4 é mantida ON. A velocidade do motor deve ser controlada pela modulação do chaveamento da chave S1. Se houver um comando de reversão na direção de rotação do motor, primeiramente o motor deverá ser freiado regenerativamente até que a velocidade caia a zero e então é acelerado no sentido reverso até atingir a velocidade desejada. A seqüência de operação é a seguinte: Todas as chaves são primeiramente tornadas OFF. Isto cria um caminho para a corrente do motor através dos diodos D2 e D3, fazendo com que a corrente do circuito do rotor que consiste do motor em si mais o indutor de armadura caia a zero. Após isto, o freiamento é iniciado pelo início do chaveamento PWM da chave S3. Durante o período ON de S3, a corrente crescerá através no sentido reverso através de S3 e o diodo D1 devido a força eletromotriz induzida da armadura. Durante o período OFF de S3, a energia retornará para a fonte de alimentação através de D1 e D4> A corrente freiamento deverá ser controlada através do ajuste do ciclo de serviço para se obter a característica de torque de freiamento desejada. No fim do período de Acionamento CA-CC com retificadores controlados Quando não se dispõe de um barramento CC, mas sim de fontes de corrente alternada, a melhor solução para o acionamento CC é utilizar os conversores CA-CC do tipo retificadores controlados, aliás a grande maioria dos motores CC utilizados na industria são acionados por conversores tiristorizados comutados pela tensão da rede (comutação natural). O conversor da armadura é tipicamente uma retificadora trifásica. O conversor de campo tem que controlar apenas uma pequena potência necessária à excitação. Os pequenos conversores podem utilizar pontes retificadoras monofásicas e em muitos casos, por razão de economia, os semiconversores são utilizados, visto que não é necessário regeneração no circuito de campo. Uma ponte 26

27 semicontrolada consistindo de uma combinação de tiristores e diodos fornecerá a faixa de controle necessária dentro da região de enfraquecimento de campo. O controle de velocidade é realizado pela tensão de armadura até a velocidade nominal da máquina e a partir daí, o controle passa a ser feito pelo conversor de campo no modo de enfraquecimento deste. Para as velocidades abaixo da nominal, o controle é feito pela armadura e acima desta o controle passa a ser feito pelo campo do modo já descrito, contudo a implementação do freiamento de regeneração e rotação no sentido reverso não é possível com o uso de apenas um conversor de fase controlada estático no circuito de armadura e um no de campo. As pontes tiristorizadas podem conduzir corrente em apenas uma direção. A reversão deverá ser feita ou pela reversão dos teminais de campo ou pela reversão dos terminais de armadura. Ambas as técnicas serão descritas, porém a reversão dos terminais de campo, o que significa a inversão da corrente de campo pode ser de implementação mais demorada em função da alta indutância do circuito de campo. A reversão pela armadura é mais rápida e uma maneira de se realiza-la é através de contatores como descrito no caso da reversão no chopper com chaves eletromecânicas ou por métodos completamente estáticos baseados na reversão da polaridade dos terminais da armadura e também nos do campo. A reversão através de contatores A figura 15 mostra dois contatores que podem ser eletromagneticamente operados. Eles devem ser intertravados de modo que somente um deles esteja ON num determinado momento. Ambos os contatores são chaves de dois pólos, e os pólos do contator direto são rotulados de F e F. Similarmente, os pólos do contator reverso são rotulados de R e R. Vamos assumir que o contator direto esteja ON e que o motor esteja acionando uma carga no sentido horário. Assuma que agora desejamos reverter a rotação do motor e obter uma outra velocidade de operação para o mesmo. A seguinte seqüência de eventos, que é típica, deverá ser observada através de um controlador de malha fechada: (a) O conversor de armadura deverá ter seu ângulo de gatilhamento aumentado tal que a tensão média de armadura caia para um valor muito 27

28 baixo. Isto fará a corrente no motor cair a zero. Um detetor de corrente zero no circuito de armadura iniciará a abertura do contator de sentido horário, ou seja os contatos F e F serão abertos. (b) O ângulo de controle do conversor deve então ser ajustado para um valor maior, correspondente ao modo de inversão tal que a tensão gerada pelo conversor seja maior que a tensão reversa induzida pelo movimento do rotor nos terminais de armadura do motor. O contator reverso deve ser fechado agora, ou seja R e R da figura 15 fecham. Inicialmente não dever haver fluxo de corrente, uma vez que a tensão gerada pelo conversor (inversor) é maior que a tensão do motor. O ângulo de gatilhamento (controle) do inversor deve agora ser progressivamente diminuído. Isto cria uma corrente de freiamento e o fluxo de energia passa a ocorrer do motor para a fonte CA através do conversor, que neste momento estará operando no modo de inversão. Durante este período, o ângulo de gatilhamento é decrementado continuamente de tal forma que a característica de freiamento desejada seja obtida. 28

29 Um ângulo de gatilhamento de 90 corresponderá a aplicação de tensão nula nos terminais do conversor e velocidade praticamente nula. Posteriormente a diminuição do ângulo de gatilhamento colocará o conversor novamente no mode de retificação e o motor acelerará no sentido reverso (anti horário). Com controle de malha fechada, na velocidade zero e nas velocidades bem menores que a velocidade alvo (fixada no set point ou ref na figura 7), o erro de velocidade será grande e bem provavelmente o motor deverá operar sob o limite de corrente fixado na entrada do controlador de corrente. Quando a velocidade atinge o valor fixado por ref, o erro de velocidade será pequeno e a saída do amplificador de velocidade, que corresponde a referência para o controlador de corrente, deve operar fora do limite de corrente estabelecendo as condições do comportamento dinâmico desejado para a velocidade e do erro de regime da velocidade. Nesta condição do erro de velocidade, a referência de corrente será muito pequena, o que levara o motor alcançar suavemente sua velocidade de regime. O indutor L mostrado no circuito de armadura da figura 15, tem a finalidade de amortecer as variações bruscas de corrente e principalmente permitir uma operação adequada do conversor no modo de inversão. A resistência do circuito de armadura também é mostra em série com os terminais de armadura.. O conversor de campo é do tipo semicontrolado que é mais econômico que uma fonte plenamente controlada e suficientemente bom para o controle do sistema de enfraquecimento de campo. Reversão estática da corrente de campo A figura 16 ilustra a técnica de reversão da corrente de campo por meio estático. O campo te uma constante de tempo grande de modo que demorará 29

30 alguns segundos para que se faça a reversão da corrente de campo por chaveamento direto. A reversão pode ser acelerada utilizando-se dois conversores como é mostrado na figura 16. Ambos os conversores são do tipo ponte plenamente controlada. Se o motor estiver girando no sentido horário e a velocidade de referência no sentido reverso (anti horário) for implementada com freiamento regenerativo do motor, a seguinte seqüência de eventos deverá ocorrer: a) Primeiro, o ângulo de gatilhamento do conversor de armadura deverá aumentar, de modo a diminuir a tensão aplicada na armadura de modo a fazer a corrente na mesma cair a zero. Assume-se que inicialmente o campo está sendo alimentado com corrente positiva fornecida pelo conversor rotulado como 1 na figura 16. O ângulo de gatilhamento deste conversor deverá agora ser aumentado (atrasado) tal que ele vá para o modo de inversão. Isto faz a energia armazenada no campo retornar para a rede CA, através do conversor, que agora está operando no modo de inversão e a corrente de campo cai rapidamente para zero. Devido a queda da corrente de campo para zero, a tensão induzida na armadura também cai para zero, ainda que a máquina esteja girando no sentido horário. b) Após a corrente de campo Ter caído para zero, e uns poucos milisegundos de tempo morto serem fornecidos, após os pulsos de gatilhamento do conversor 1 terem sido suprimidos, o conversor de corrente negativa rotulado como 2 começa a ser gatilhado. Isto fará a corrente de campo aumentar na direção reversa a do caso anterior e ao mesmo tempo fará a tensão induzida na armadura aumentar com polaridade invertida em relação ao caso anterior devido a inversão do fluxo magnético no entreferro, simultaneamente o conversor de armadura deverá ser gatilhado no modo de inversão. O freiamento regenerativo do motor começa e a 30

31 máquina desacelera com o circuito de armadura enviando a energia mecânica de movimento das massas acopladas ao rotor para a rede CA através do conversor de armadura operando agora no modo de inversão. Com a continuação do freiamento e a desaceleração da máquina o ângulo de disparo dos tiristores é diminuído para 90, no qual a tensão no inversor será zero. Quando a velocidade for nula, o ângulo de gatilho é reduzido ainda mais colocando o conversor no modo de retificação. A máquina passa agora para o modo motor e acelera no sentido inverso até alcançar a velocidade fixada na referência ref.. Em um sistema de malha fechada isto deverá ocorrer sob limite de corrente até um valor próximo a velocidade ref quando o controlador de velocidade toma o controle e faz a máquina atingir suavemente o valor buscado. O esquema de reversão de campo realiza plenamente uma operação de quatro quadrantes sem o uso de contatores eletromecânicos. Isto quer dizer que o acionamento e o freiamento são possíveis em ambos sentidos de 31

32 rotação. A colocação de duas pontes plenamente controladas para a aceleração da reversão da corrente de campo torna possível levar rapidamente a corrente de campo para zero através da realimentação da energia armazenada no campo magnético do circuito de campo pela operação apropriada do conversor no modo de inversão. O dois conversores juntos constituem um conversor dual. Os conversores duais são um meio muito conveniente de alterar o sentido da corrente em cargas com que permitem regeneração. Um conversor dual no circuito de campo é mais econômico que um conversor dual no circuito de armadura, devido imposições de potência que o conversores de armadura recebem, já suas correntes de operação são muito menores, porém seu circuitamento de malha fechada é muito mais complexo em um esquema que utilize a técnica de reversão pelo campo, alem disto, ainda com os conversores estáticos, o esquema de reversão pelo campo não é muito rápido, uma vez que a indutância de campo é muito grande e isto torna a constante de tempo do circuito de campo muito grande.. Para realizar operações de quatro quadrantes totalmente estáticas e da maneira mais rápida possível é necessário utilizar um conversor dual no circuito de armadura e este é o esquema mais favorável para as aplicações dos motores CC na indústria. Tal esquema é o equivalente estático dos sistema de controle rotativo de Ward- Leonard. O Conversor Dual de Fase Controlada Um conversor dual é uma combinação de dois conversores plenamente controlados idênticos. Neste tipo de conversor tanto são possíveis os conversores de meio ponto como o em ponte. A ponte retificadora trifásica é a configuração mais comumente utilizada como conversor individual, porém um 32

33 conversor em ponte nada mais é que a combinação de dois conversores de meio ponto. Similarmente, um conversor dual consistindo de duas pontes é essencialmente uma combinação de dois conversores cada um dos quais consistindo de dois conversores duais de meio ponto. Portanto, por razões de simplicidade, consideraremos primeiro o conversor dual consistindo de dois conversores de meio ponto antes de considerar a ponte em si. O Conversor Dual de Meio Ponto A figura 17 mostra dois conversores de meio ponto com as mesmas linhas trifásicas de entrada CA Va, Vb e Vc. O conversor da esquerda fornece uma saída de tensão no terminal K de catodo comum em relação ao neutro da fonte N. Este conversor dá uma tensão de saída positiva se o conversor tiver 33

34 um ângulo de gatilhamento maior que 90, o que corresponde ao modo de retificação. A tensão retificada será negativa indutiva se o ângulo de gatilhamento for maior que 90, o que corresponde ao modo de inversão. O segundo conversor de meio ponto (o da direita) tem uma conexão no terminal de anodo comum A e gera uma tensão negativa entre esse terminal e o neutro da fonte se o ângulo de gatilhamento estiver entre 0 e 90 correspondente ao modo de retificação e positiva se o conversor tiver um gatilhamento acima de 90 correspondente ao modo de inversão. A direção da corrente CC do primeiro conversor, que tem catodo K comum será sempre no sentido da carga enquanto que a do segundo conversor será sempre no sentido da carga para o conversor.. Consideraremos esta com sendo a direção positiva da corrente na carga. Vamos denominar o primeiro conversor de conversor positivo e o segundo de conversor negativo. Seja p o ângulo de gatilhamento do conversor positivo e n o do conversor negativo.. Vamos assumir que o conversor positivo tenha p menor 90, ou seja que está no modo de retificação, assim a tensão CC na saída do conversor positivo será, V KN V d 0 cos p Onde Vd0=1,17Vs é a tensão para =0, sendo Vs a tensão eficaz da entrada do conversor. A saída CC do conversor negativo no modo de retificação será, V AN V d 0 cos n O sinal negativo ocorre porque este conversor tem conexão de anodo comum. Se nós ajustarmos o ângulo de gatilhamento tal que 34

35 p n 180 Teremos cos n cos 180 p cos p Portanto a tensão CC negativa do conversor negativo torna-se V AN V d 0( cos p) Vd 0 cos Portanto encontramos para os conversores positivo e negativo exatamente a mesma tensão com a mesma polaridade, se a condição p+n=180 for satisfeita. Isto significa que se um dos conversores estiver no modo de retificação, o outro estará no modo de inversão e vice-versa Embora as tensões CC sejam as mesmas, o ripple presente nos dois lados dos diodos podem não ser instantaneamente iguais e isto inviabiliza a conexão dos dois ponto (K e A). Estas tensões desiguais podem causar uma corrente excessiva através dos conversores se ambos estiverem em operação simultaneamente, a menos que hajam precauções para limitar esta corrente. A diferença de tensão instantânea entre os dois conversores pode ser ilustrada no seguinte exemplo numérico. Exemplo 7. Os dois conversores de meio ponto da figura 17 são alimentado a partir do secundário de um mesmo transformador trifásico com tensão entre fase e neutro de 120V rms. O ângulo de disparo do conversor positivo é 30 e o do conversor negativo é 150. (a) Determine a tensão média na saída de cada conversor e esquematiza as formas de onda no terminal KN do conversor positivo e no terminal NA do conversor negativo. (b) Esquematize a forma de onda da tensão de ripple vkn-van e determine o valor de pico desta tensão de ripple. p 35