Arrancadores electrónicos e Variadores de velocidade

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1 Escla Secundária Emídi Navarr Curs Prfissinal de Electrónica, Autmaçã e Cmputadres Disciplina de Autmaçã e Cmputadres Arrancadres electrónics e Variadres de velcidade 1/31

2 Arrancadres electrónics e Variadres de velcidade O md mais habitual de arrancar mtres assíncrns é pr ligaçã directa à rede eléctrica. Esta técnica é adequada a muits tips de máquinas. N entant, métd clide pr vezes cm restrições que pdem ser incnvenientes para algumas aplicações, u mesm incmpatíveis cm as funções desejadas para a máquina: A crrente de pic n arranque pde interferir cm funcinament de utrs equipaments ligads na mesma linha de alimentaçã. Os chques mecânics durante arranque que nã pdem ser tlerads pela máquina u pdem pôr em perig cnfrt e a segurança ds utilizadres. A aceleraçã e desaceleraçã que nã pdem ser cntrladas. A velcidade que nã pde ser cntrlada. Arrancadres e variadres de velcidade sã capazes de lidar cm estes prblemas. A tecnlgia electrónica trnu esses sistemas mais flexíveis e alteru seu camp de aplicaçã. Cntud, é ainda imprtante efectuar a esclha cm crrecçã. O prpósit deste Cadern Técnic é prvidenciar uma infrmaçã mais prfunda sbre estes dispsitivs de md a facilitar a sua definiçã n prject de equipaments u na melhria u mesm substituiçã de um cnjunt de cmutaçã para cntrl e prtecçã de mtres. Tabela de cnteúds 1 Breve história e ntas 1.1 Breve história p Ntas: Principais funções ds arrancadres electrónics p. 2 e ds variadres de velcidade 2 Principais mds de 2.1 Principais mds de funcinament p. 6 funcinament e tips de 2.2 Principais tips de dispsitivs p. 9 cntrladres electrónics 3 Estrutura e cnstituiçã de 3.1 Estrutura p. 11 arrancadres e variadres 3.2 Cnstituiçã p Reguladr de velcidade 4.1 Princípi geral p. 17 variável para mtres CC 4.2 Mds de funcinament pssíveis p Inversr de frequência 5.1 Princípi geral p. 19 para mtres assíncrns 5.2 Funcinament V/f p Cntrl Vectrial p Cntrladr de tensã para mtres assíncrns p Cntrladr de mtres síncrns p Cntrladr de mtres pass-a-pass p Outras funções ds 6.1 Opções de diálg p. 30 variadres de velcidade 6.2 Funções integradas p Cartas pcinais p Cnclusã p. 31 2/31

3 Breve história e ntas 1.1 Breve história Inicialmente, utilizavam-se para arranque de mtres eléctrics e cntrl de velcidade, arrancadres a reóstat, cntrladres mecânics e cnjunts rtativs (Ward Lenard nmeadamente). Mais tarde, surgiram s arrancadres electrónics e cntrladres de velcidade cm sistemas mderns de baix cust, cm sluçã eficiente e de fácil manutençã para as aplicações industriais. Um arrancadr u cntrladr electrónic é um cnversr de energia, que mdula a energia eléctrica frnecida a mtr. Os arrancadres electrónics sã utilizads apenas para mtres assíncrns. Sã uma espécie de cntrladres de tensã. Os variadres de velcidade garantem uma aceleraçã e desaceleraçã gradual e permitem adequar a velcidade às cndições precisas de funcinament. Os variadres de velcidade d tip rectificaçã cntrlada sã utilizads para frnecer ptência a mtres CC e s inversres de frequência sã usads para s mtres CA. Histricamente, s cntrladres para s mtres DC apareceram primeir. Os inversres de frequência eficientes e de baix cust apareceram cm resultad ds avançs verificads na electrónica de ptência e na micrelectrónica. Os mderns inversres de frequência pdem ser usads para frnecer ptência a mtres assíncrns nrmais cm níveis de qualidade idêntics as ds melhres variadres de velcidade para CC. Alguns fabricantes dispnibilizam mesm mtres assíncrns cm variadr de velcidade acndicinad numa caixa própria cm terminais. Esta sluçã é desenhada para cnjunts de baixa ptência (alguns pucs kw). Os recentes desenvlviments em variadres de velcidade e infrmações sbre fabricantes sã apresentads n final deste Cadern Técnic. Estes desenvlviments estã expandind significativamente as fertas de variadres e as pções dispníveis. 1.2 Ntas: As funções principais ds arrancadres electrónics e ds variadres de velcidade Aceleraçã cntrlada A subida de velcidade de um mtr é cntrlada usand uma rampa linear u em S. Esta rampa é nrmalmente ajustável e apresenta ainda um temp de subida da velcidade que é adequad à aplicaçã seleccinada. Cntrl de velcidade Um variadr de velcidade nã pde ser a mesm temp um reguladr. Iss significa que é um sistema rudimentar nde princípi de realimentaçã, (feedback) pel que é descrit cm em malha aberta. A velcidade d mtr é definida pr um valr de entrada (tensã u crrente) cnhecid pr referência u setpint. Para um dad valr de referência, esta velcidade pde variar dependend de perturbações (variações na tensã de alimentaçã, carga, temperatura). A gama de velcidades é definida em relaçã à velcidade nminal. 3/31

4 Regulaçã de velcidade Um reguladr de velcidade é um sistema cntrlad (ver Fig. 1). Tratase de um sistema de cntrl cm amplificaçã de ptência e uma malha de realimentaçã pel que é descrit cm em malha fechada. A velcidade de um mtr é definida pr uma referência. O valr da referência é cmparad cntinuamente cm um sinal de realimentaçã, que é uma imagem da velcidade d mtr. Este sinal é frnecid u pr um tacómetr (geradr tacmétric) u pr um geradr de impulss assciad a eix d mtr. Se é detectad um desvi devid a uma variaçã de velcidade, s valres aplicads a mtr (tensã e/u frequência) sã autmaticamente crrigids de md a repr a velcidade n valr inicial. O cntrl de realimentaçã trna a velcidade virtualmente imune às perturbações. A precisã de um reguladr é expressa nrmalmente em % d valr nminal da grandeza a ser cntrlada. Cntrl da desaceleraçã Quand um mtr é desligad, vai desacelerar apenas em funçã d binári resistiv da máquina (desaceleraçã natural). Os arrancadres e variadres electrónics pdem ser usads para cntrlar a desaceleraçã pr mei de uma rampa linear u em S, que é nrmalmente independente da rampa de aceleraçã. Esta rampa pde ser ajustada de md a prduzir um temp de desaceleraçã desde a velcidade de funcinament até uma velcidade intermédia u mesm nula. Se a desaceleraçã desejada é mair d que a desaceleraçã natural, mtr tem que desenvlver um binári resistiv a smar a binári resistiv da máquina. Esta situaçã é chamada de travagem eléctrica, a qual pde ser btida seja pel frneciment de energia à rede de alimentaçã seja pela dissipaçã numa resistência de travagem. Se a desaceleraçã desejada é mais lenta d que a desaceleraçã natural, mtr deve desenvlver um binári mtr mair d que binári resistente da máquina e cntinuar a alimentar a carga até à paragem d mtr. Inversã d sentid de rtaçã A mair parte ds actuais variadres pssuem esta funçã. A rdem das fases de alimentaçã d mtr é invertida seja pr inversã da referência de entrada seja pr um cmand lógic n terminal u pr infrmaçã transmitida pr uma linha de cmand. 4/31

5 Travagem até paragem Este tip de travagem pára mtr sem cntrl da rampa de desaceleraçã. Para s arrancadres e variadres de velcidade de mtres assíncrns, iss cnsegue-se de um md ecnómic, injectand crrente cntínua n mtr através de um sistema de ptência especial. Cm tda a energia mecânica é dissipada n rtr da máquina, a travagem tem que ser intermitente. Num variadr para um mtr CC, esta funçã é cnseguida ligand uma resistência as terminais da armadura. Prtecçã incrprada Os mderns sistemas de variaçã pssuem prtecçã térmica própria e para s mtres. Nestes sistemas, um micrprcessadr usa a crrente medida e a infrmaçã da velcidade (se a velcidade de ventilaçã depende da velcidade de rtaçã), para calcular a subida de temperatura d mtr e envia um sinal de alarme n cas de uma subida excessiva de temperatura. Os cntrladres, em particular s inversres de frequência, sã geralmente prtegids cntra: Curtcircuits entre fases e entre fase e terra. Sbretensões e quedas de tensã. Fases desiquilibradas. Funcinament a uma fase. 5/31

6 2 Principais mds de funcinament e tips de cntrladres electrónics 2.1 Principais mds de funcinament Dependend d tip de cnversr electrónic, s variadres de velcidade pdem ser usads para perar um mtr num únic sentid de rtaçã (cas em que sã cnhecids pr unidireccinais ) u para cntrlar ambs s sentids de rtaçã (cas em que sã cnhecids pr bidireccinais ). Os cntrladres capazes de regenerar energia d mtr funcinand cm geradr (md travagem) pdem ser reversíveis. A reversibilidade pde ser btida seja pela entrega de energia à rede de alimentaçã (pnte de entrada reversível) u pr dissipaçã de energia através de uma resistência cm um chpper de travagem. A figura 2 apresenta uma tabela resum das quatr situações pssíveis n diagrama binári-velcidade de uma máquina. Nte bem que quand a máquina funcina cm geradr, deve ser-lhe frnecida uma frça. Este estad é usad em particular para a travagem. A energia cinética entã presente n eix da máquina é u transferida para a rede de energia de alimentaçã u dissipada nas resistências u, n cas de ptências reduzidas, em perdas na própria máquina Sentid de Rtaçã 1 (CW) 2 (CCW) Funcinament Binári Velcidade Prdut T x n Quadrante Cm mtr Sim Sim Sim 1 Cm geradr Sim 2 Cm mtr Sim 3 Cm geradr Sim 4 Fig. 2 : As quatr situações pssíveis de uma máquina n seu diagrama binári-velcidade 6/31

7 Cntrladr unidireccinal Habitualmente este tip de cntrladr nã é reversível e é usad para: Mtres CC cm cnversr direct (CA => CC) cmpst pr uma pnte mista de díds e tiristres (ver Fig.3a) Mtres CA cm cnversr indirect (cm transfrmaçã intermédia para CC) cnstituíd pr uma pnte de díds na entrada e de um inversr de frequência, que frça a máquina a funcinar n quadrante 1 (ver Fig.3b). Nalguns cass, este cnjunt pde ser usad em cnfigurações bidireccinais (quadrantes 1 e 3) Um cnversr indirect cnstituíd pr um chpper de travagem e uma resistência crrectamente dimensinada é a sluçã ideal para uma travagem instantânea (desaceleraçã u para engrenagens de elevaçã quand mtr necessita de gerar um binári de travagem para segurar a carga). Um cnversr reversível é essencial para um funcinament duradur cm uma carga negativa, cm é cas, pr exempl, de um mtr usad para travagem numa bancada de testes. Cntrladr bidireccinal Este tip de cntrladr pde ser reversível u nã-reversível. Se é reversível, a máquina funcina ns quatr quadrantes e pde tlerar uma travagem significativa, Se nã é reversível, a máquina apenas funcina ns quadrantes 1 e 3. Funcinament cm binári cnstante O funcinament é descrit cm send a binári cnstante quand as características da carga sã tais que em estad estacinári, binári exigid é aprximadamente mesm, independentemente da velcidade (ver Fig.4). Este md de funcinament encntrase em telas transprtadras e amassadres. Para este tip de aplicaçã, cntrladr deve ser capaz de frnecer um binári de arranque elevad (pel mens 1.5 vezes binári nminal) de md a superar atrit estátic e acelerar a máquina (inércia). Funcinament cm binári variável O funcinament é descrit cm send cm binári variável quand as características da carga sã tais que, em estad estacinári, binári exigid varia cm a velcidade. É cas, pr exempl, de bmbas de deslcament helicidal em que binári aumenta linearmente cm a velcidade (ver Fig.5a) u de bmbas centrífugas (bmbas e ventiladres) em que binári varia cm quadrad da velcidade (ver Fig.5b). 7/31

8 Para um cntrladr destinad a este tip de aplicaçã, é suficiente um binári de arranque reduzid (nrmalmente 1.2 vezes binári nminal d mtr). O cntrladr apresenta funções adicinais tais cm a pçã de saltar as frequências de ressnância causadas inadvertidamente pelas vibrações da máquina. O funcinament acima da frequência nminal é impssível devid à sbrecarga que iss iria impr a mtr e a cntrladr. Funcinament a ptência cnstante É este cas, pr exempl, para um minh cm uma velcidade angular que tem que ser reduzida, à medida que diâmetr aumenta cm material a ser míd. É também cas ds mtres em máquinas ferramenta. A gama de funcinament a ptência cnstante é limitada naturalmente, nas velcidades baixas pela crrente frnecida pel cntrladr e nas velcidades altas pel binári mtr dispnível. Daí resulta a necessidade de cntrlar cuidadsamente binári mtr dispnível nas máquinas assíncrnas e a capacidade de cmutaçã nas máquinas CC. Este é um cas especial de binári variável. O funcinament é descrit cm send de ptência cnstante quand binári frnecid pel mtr é inversamente prprcinal à velcidade angular (ver Fig.6). 8/31

9 2.2 Tips principais de cntrladr Irems apenas referir s tips de cntrladr mais actuais e as sluções tecnlógicas nrmalizadas. Existem inúmers tips de esquemas para variadres de velcidade: subsíncrns em cascata, ciclcnversres, cmutadres de crrente, chppers, etc. Os leitres mais interessads encntrarã uma descriçã exaustiva nas seguintes publicações: Accinament eléctric a velcidade variável, (bra de Jean Bnal e Guy Séguier que descreve sistemas eléctrics de variadres de velcidade) e Utilizaçã industrial ds mtres de crrente alternada (pr Jean Bnal que descreve mtres CA em aplicações industriais). Os mtres CC e s respectivs variadres fram as primeiras sluções industriais. O seu us fi declinand nas últimas décadas à medida que s inversres de frequência assumiam papel de liderança. Os mtres assíncrns sã de fact mais rbusts e ecnómics d que s mtres CC. A cntrári ds mtres CC, s mtres assíncrns sã nrmalizads num invólucr de índice de prtecçã IP55 e sã quase invulneráveis às cndições de trabalh e quase imunes às cndições de ambientais (derrames de água, pó, atmsferas instáveis, etc.). Rectificadres cntrlads para mtres CC O rectificadr frnece crrente cntínua a partir de uma alimentaçã CA mnfásica u trifásica nde valr médi da tensã é cntrlad. Os semicndutres de ptência, sã cnfigurads cm pntes de Graetz mn u trifásicas (ver Fig.7). A pnte pde ser d tip díd/tiristr (mista) u tiristr/tiristr (cmpleta). Esta última sluçã é a mais cmum pis melhra factr de frma da crrente frnecida. O mtr CC pssui nrmalmente excitaçã separada, except para as ptências reduzidas, nde se usam mtres de íman permanente. Este tip de variadr é adequad a qualquer tip de aplicaçã. As únicas restrições sã as impstas pel mtr CC, em particular a dificuldade de atingir velcidades elevadas e a respectiva manutençã (as escvas têm que ser substituídas). Inversr de frequência para mtres assíncrns O inversr frnece uma frequência trifásica variável CA a partir de uma frequência fixa alternada da rede de alimentaçã (ver Fig.8). Pde ser utilizada uma alimentaçã mnfásica n cas das ptências reduzidas (pucs kw) e uma alimentaçã trifásica para ptências mais elevadas. Alguns variadres para ptencies reduzidas pdem aceitar quer alimentaçã mnfásica quer trifásica. A tensã de saída d variadr é sempre trifásica. De fact s mtres assíncrns mnfásics nã sã adequads para alimentaçã a partir de inversres de frequência. 9/31

10 Os inversres de frequência pdem alimentar mtres de rtr em gaila nrmais cm tdas as vantagens inerentes a esses mtres: nrmalizaçã, baix cust, resistência, prtecçã cntra derrames, manutençã nula. Cm estes mtres sã autrefrigerads, a sua única restriçã de funcinament é us cntinuad em velcidade reduzida, devid à reduçã de ventilaçã. Se fr necessári este tip de funcinament, deverá usar-se um mtr especial, dtad de um sistema de ventilaçã frçada. Variadr de tensã para arranque de mtres assíncrns O variadr frnece, a partir da rede de CA, uma tensã alternada de frequência igual à da rede, btend-se cntrl d valr eficaz da tensã pr mdificaçã d ângul de dispar ds semicndutres de ptência dis tiristres ligads ând-cátd para cada fase d mtr. (ver Fig.9). 10/31

11 3 Estrutura e cnstituiçã ds arrancadres e variadres electrónics 3.1 Estrutura Os arrancadres e variadres de velcidade electrónics sã cnstituíds pr dis móduls, incluíds num invólucr únic (ver Fig.10): Um módul de cntrl, que gere funcinament d dispsitiv. Um mdul de ptência, que frnece ptência a mtr na frma de energia eléctrica. O módul de cntrl Ns mderns arrancadres e variadres, tdas as funções sã cntrladas pr um micrprcessadr, que utiliza s parâmetrs, s cmands enviads pr um peradr u pr uma unidade de prcessament e s resultads de medições, cm pr exempl, a velcidade, a crrente, etc. Juntamente cm circuits dedicads (ASICs), as funções de cálcul ds micrprcessadres trnam pssível executar algritms de cntrl muit eficientes e, em especial, recnhecer s parâmetrs da máquina assciada. O micrprcessadr usa esta infrmaçã para gerir as rampas de desaceleraçã e aceleraçã, cntrl de velcidade e a limitaçã de crrente, assim cm para cntrlar s cmpnentes de ptência. As medidas de prtecçã e de segurança sã prcessadas pr circuits dedicads (ASICs) u pr circuits integrads em móduls de ptência (IPMs). Os limites de velcidade, perfis de rampa, limites de crrente e utrs parâmetrs de funcinament sã definids através de teclads integrads, u através de PLCs (em redes de camp) u PCs. De igual md, s diferentes cmands (run, stp, travagem, etc.) pdem ser enviads via HMIs, PLCs u PCs. Os parâmetrs de funcinament, alarmes e dads de falhas pdem ser visualizads pr LEDs, displays de segments u LCDs. Em alternativa, pdem ser enviads à distância pr redes de camp para sistemas de supervisã. Os relés interns, que sã nrmalmente prgramáveis, frnecem s seguintes dads: Falha (alimentaçã de rede, térmic, prdut, sequência, sbrecarga, etc.). Mnitrizaçã (nível de velcidade, pré-alarme, fim d arranque) As tensões necessárias para tdas as medições e circuits de cntrl sã frnecids pr uma fnte de alimentaçã que está integrada n variadr e electricamente islada da linha de alimentaçã. O mdul de ptência Os cmpnentes principais d mdul de ptência sã: Cmpnentes de ptência (díds, tiristres, IGBTs, etc.) Interfaces para medida de tensões e/u crrentes. Na mair parte ds cass uma unidade de ventilaçã. 11/31

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13 3.2 Cnstituiçã Os cmpnentes de ptência (ver Fig.11) sã semicndutres discrets e cm tal pdem ser ligads cm cmutadres estátics que pdem assumir um de dis estads: n u ff. Estes cmpnentes, cmbinads num mdul de ptência, frmam um cnversr que frnece ptência a mtr eléctric a uma tensã variável e/u frequência variável a partir da tensã e frequência fixas da rede de alimentaçã. Os cmpnentes de ptência sã a chave d cntrl de velcidade e prgress verificad ns últims ans levu a desenvlviment de variadres de velcidade de cust reduzid. Nta Os materiais semicndutres cm silíci pssuem uma resistividade entre a ds cndutres e a ds isladres. Os seus átms pssuem 4 electrões periférics. Cada átm asscia-se cm s quatr adjacentes para criar uma estrutura estável de 8 electrões. Um semicndutr tip P btém-se adicinand a silíci pur uma pequena prprçã de uma substância cujs átms pssuam 3 electrões periférics. É entã necessári adicinar um utr electrã para criar a estrutura estável de 8 electrões, n que resulta um excess de cargas psitivas. Um semicndutr tip N btém-se adicinand a silíci pur uma pequena prprçã de uma substância cujs átms pssuam 5 electrões periférics. Daí resulta um excess de electrões e lg, de cargas negativas. O díd O díd é um semicndutr nã cntrlad, cnstituíd pr duas regiões, P (ând) e N (cátd), que apenas permitem a passagem da crrente num únic sentid, d ând para cátd. O díd cnduz a crrente quand a tensã d ând estiver mais psitive d que a d cátd e assim cmprta- se cm um interruptr fechad. O díd blqueia a crrente e cmprtase cm um interruptr abert se a tensã d ând se trnar mens psitiva d que a tensã d cátd. As características principais d díd sã as seguintes: N estad cndutr (n): Uma queda de tensã cnstituind um limiar de tensã devid a uma resistência interna. Uma crrente máxima cntínua (da rdem de grandeza ds 5000 A eficazes para a mair parte ds cmpnentes) N estad nã cndutr (ff), uma tensã máxima pssível que nã pde exceder s 5000 V de pic. O tiristr Trata-se de um cmpnente semicndutr cnstituíd pr quatr camadas alternadas: P-N-P-N. Cmprta-se cm um díd a ser enviad um impuls de cntrl a eléctrd chamad gate. Esta cmutaçã (u dispar) é apenas pssível se ând estiver a uma tensã mais psitiva d que cátd. O tiristr cmuta para estad ff quand a crrente deixa de pr ele passar. A energia de dispar a ser frnecida à gate é independente da crrente a ser cntrlada. 13/31

14 As características principais d tiristr sã as seguintes: N estad de cnduçã (n): Uma queda de tensã resultante de uma tensã limiar e de uma resistência interna. Uma crrente cntínua máxima admissível (da rdem de grandeza ds 5000 A eficazes para a mair parte ds cmpnentes) N estad de nã cnduçã (ff): Uma tensã inversa e directa máxima admissível (superir a 5000 V pic). As tensões directa e inversa sã nrmalmente idênticas. Um temp de recuperaçã inversa que é temp mínim durante qual, se fr aplicada a dispsitiv uma tensã ând-cátd psitiva, este vltará a cmutar espntaneamente (disparar). Uma crrente de gate que cmuta (dispara) cmpnente. Alguns tiristres sã prjectads para funcinar à frequência da rede de alimentaçã e utrs, designads pr tiristres rápids (high-speed), pderã funcinar a váris khz utilizand um circuit de extinçã. Alguns tiristres rápids (high-speed) pssuem tensões de crte directa e inversa assimétricas. Em esquemas nrmais, aparecem nrmalmente assciads a díds ligads back-t-back e s fabricantes de semicndutres usam esta característica especial para aumentar a tensã directa que cmpnente pde tlerar n estad de nãcnduçã (ff). Actualmente, estes cmpnentes sã substituíds pr GTOs, transístres de ptência e, fundamentalmente pr IGBTs (Insulated Gate Biplar Transistrs). Nã se trna necessári manter a crrente na gate enquant tiristr cnduz. O tiristr GTO (Gate Turn Off) Trata-se de um tip especial de tiristr rápid que pde ser extint pela gate. O frneciment de uma crrente psitiva à gate leva semicndutr a iniciar a cnduçã, desde que a tensã ândcátd seja psitiva. O tiristr é blquead pr inversã da plaridade da crrente de gate. Os GTOs sã utilizads em cnversres de muit alta ptência pis sã capazes de cntrlar crrentes e tensões elevadas (até 5000 V e 5000 A). Cntud, cm s IGBTs cntinuam em desenvlviment, mercad de GTOs vai declinand. As características principais ds tiristres GTO sã as seguintes: N estad de cnduçã (n): Uma queda de tensã resultante de um limiar de tensã e de uma resistência interna. Uma crrente de manutençã destinada a reduzir quedas na tensã directa. Uma crrente cntínua directa máxima admissível Uma crrente de crte para blquear a crrente. N estad de nã-cnduçã (ff): Tensões máximas, directa e inversa admissíveis assimétricas, cm s tiristres rápids e pelas mesmas razões. Um temp de recuperaçã que é temp mínim durante qual a crrente de extinçã deve ser mantida para impedir dispar espntâne. Uma crrente de gate que dispara cmpnente. Os GTOs pdem funcinar a frequências de váris khz. 14/31

15 O transístr Trata-se de um dispsitiv semicndutr biplar cntrlad, cnstituíd pr três camadas, P-N-P u N-P-N. Apenas permite a cnduçã de crrente num ds sentids: d emissr para clectr. N tip P-N-P e d clectr para emissr n tip N-P-N. Os transístres tip N-P-N, muitas vezes cnfigurads cm transístres tip Darlingtn, pdem funcinar às tensões industriais. O transístr pde funcinar cm um amplificadr. O valr da crrente que atravessa transístr é determinad pela crrente de cntrl que circula na sua base. Cntud, pde também funcinar cm interruptr estátic discret: abert quand nã existe crrente de base e fechad quand está saturad. Este segund md de funcinament é usad em circuits de ptência e variadres. Os transístres biplares pdem ser utilizads para tensões até1200 V admitem crrentes até 800 V. Este cmpnente tem vind a ser substituíd em cnversres pr IGBTs. Quant a tip de funcinament n qual estams interessads, as características principais d transístr biplar sã as seguintes: N estad de cnduçã (n): Uma queda de tensã cmpsta de um limiar de tensã e de uma resistência interna. Uma intensidade de crrente cntínua máxima admissível Um ganh de crrente (para manter a saturaçã d transístr a crrente injectada na base deve ser mair d que a crrente que circula n cmpnente, dividida pel ganh) O IGBT Este dispsitiv é um transístr de ptência cntrlad pela tensã aplicada a um eléctrd designad pr gate que está islad d circuit de ptência, daí nme Insulated Gate Biplar Transistr (IGBT). Este dispsitiv necessita de níveis mínims de energia para fazer circular crrentes elevadas. Actualmente, este dispsitiv é utilizad cm interruptr discret na mair parte ds inversres de frequência até às mais elevadas ptências. (váris MW). As suas características tensã/crrente sã idênticas às ds transístres biplares, embra s seus níveis de eficiência em terms de cntrl de energia e frequência de cmutaçã sejam significativamente maires d que ds utrs semicndutres. As características ds IGBTs estã sempre a melhrar e estã hje dispníveis versões para tensões (> 3 kv) e crrentes elevadas (várias centenas de amperes). As principais características ds IGBTs sã as seguintes: Uma tensã de cntrl que permite ligar u desligar cmpnente. N estad de cnduçã (n): Uma queda de tensã cmpsta de um limiar de tensã e de uma resistência interna. Uma intensidade de crrente cntínua máxima admissível N estad de nã-cnduçã (ff), uma tensã directa máxima admissível. Os IGBTs utilizads n cntrl de velcidade pdem funcinar a frequências de várias dezenas de khz N estad de nã-cnduçã (ff), a tensã máxima directa permitida. Os transístres de ptência utilizads n cntrl de velcidade pdem funcinar até frequências de váris khz. 15/31

16 O transistr MOS O princípi de funcinament deste cmpnente difere significativamente ds anterires em resultad da alteraçã d camp eléctric n semicndutr, btida pr plarizaçã de uma gate islada. Daí resulta nme Metal Oxide Semicnductr. A sua utilizaçã n cntrl de velcidade está limitad às tensões reduzidas (variadres de velcidade alimentads a baterias) u às aplicações de reduzida ptência, em resultad d excessiv preç a pagar pela superfície de silíci requerida, para bter, n estad de cnduçã, uma tensã de crte elevada, cm uma queda de tensã reduzida. As características principais de um transístr MOS sã as seguintes: Uma tensã de cntrl que garanta a cmutaçã n/ff. N estad de cnduçã (n): Uma resistência interna Uma intensidade de crrente cntínua máxima admissível. Os IPM (Intelligent Pwer Mdule) Na realidade, nã se trata de um nv semicndutr, antes uma série de transístres IGBT. Este módul (ver Fig.12) cmbina, num únic invólucr, uma pnte inversra cm transístres IGBT e a electrónica básica para cntrl ds semicndutres, a saber: 7 x IGBT cmpnentes (seis para a pnte inversra e um para travagem). Os circuits de cntrl ds IGBT 7 x díds de ptência de rda livre assciads as IGBTs de frma a garantirem a circulaçã da crrente. Prtecçã cntra curt-circuits, sbrecrrentes e temperaturas excessivas. Islament eléctric para módul. A pnte rectificadra de díds está nrmalmente integrada n módul. Este cnjunt é a melhr frma de lidar cm as ligações e cntrl ds IGBTs. N estad de nã-cnduçã (ff), uma tensã directa máxima admissível (pde exceder 1000 V). Os transístres MOS utilizads n cntrl de velcidade pdem funcinar a frequências de várias centenas de khz. Vams encntrá-ls certamente na mairia das fntes de alimentaçã cmutada na frma de cmpnentes discrets u cm circuits integrads cntend a ptência (MOS) e s circuits de cmand e cntrl. 16/31

17 4 Variadr/reguladr de velcidade para mtres CC 4.1 Princípi geral O cnjunt Ward Lenard fi primeir sistema de variaçã de velcidade para mtres CC. Este cnjunt, que cmpreendia um mtr cntrlad (nrmalmente assíncrn) e um geradr CC de excitaçã variável, frnecia energia a um u mais mtres CC. A excitaçã era cntrlada pr um dispsitiv electrmecânic (Amplidyne, Rttrl, Regulex) u pr um sistema estátic (amplificadr magnétic u reguladr electrónic). Hje, tal dispsitiv está cmpletamente bslet e fi substituíd pels variadres de velcidade a semicndutr, capazes de realizar as mesmas perações cm nível superir de eficiência. Os variadres electrónics de velcidade sã alimentads em ptência cm uma tensã fixa pela rede de alimentaçã CA e frnecem a mtr uma tensã CC variável. O circuit de excitaçã é alimentad pr uma pnte de díds u tiristres (nrmalmente mnfásica). O circuit de ptência é um rectificadr. Cm a tensã a ser frnecida é variável, este rectificadr deve ser um rectificadr cntrlad, i.e., deve cnter cmpnentes de ptência cm características de cnduçã que pssam ser cntrladas (tiristres). A tensã de saída é cntrlada pela limitaçã em mair u menr extensã d temp de cnduçã em cada alternância. Quant mair fr atras d dispar d tiristr em relaçã à passagem pr zer, menr valr médi da tensã e prtant menr a velcidade d mtr (lembre-se que tiristr entra n crte autmaticamente quand a crrente passa pr zer). Para variadres de ptência reduzida u alimentads pr baterias, circuit de ptência, que pde ser cnstituíd pr transístres de ptência (chpper), vai variar a tensã de saída CC pr ajuste d temp de cnduçã. Este md de funcinament é designad pr PWM (Pulse Width Mdulatin). Regulaçã A Regulaçã é a manutençã precisa d valr impst, apesar das perturbações (variaçã d binári resistente, da fnte de alimentaçã, da temperatura). Cntud, durante a aceleraçã, u n cas de uma sbrecarga, a crrente nã deve atingir um valr que pssa fazer perigar mtr u a fnte de alimentaçã. Um lp de cntrl intern d variadr mantém a crrente num valr aceitável. Este valr pde ser acedid de frma a ser ajustad em funçã das características d mtr. A referência de velcidade é determinada pr um sinal analógic u digital frnecid pela rede de camp u qualquer utr dispsitiv, que frneça uma tensã crrespndente á velcidade requerida. A referência pde ser fixa u variável durante um cicl de funcinament. A aplicaçã da tensã de referência é feita através de rampas de aceleraçã e desaceleraçã que garantem a variaçã gradual da velcidade até a valr ajustad. Estas rampas pdem ter diverss perfis. O ajuste das rampas define a duraçã da aceleraçã u desaceleraçã. N md de funcinament em malha fechada (clsed lp mde), a velcidade real é medida cntinuamente pr um tacgeradr u pr um geradr de impulss e cmparada cm a referência. Se fr detectad um desvi, a electrónica de cntrl vai crrigir a velcidade. A gama de velcidades estende-se pr pr revluções pr minut até à velcidade máxima Nesta gama de variaçã, é fácil atingir taxas de precisã inferires a 1% em. 17/31

18 regulaçã analógica e inferires a 1/1000 em regulaçã digital, tend em cnta tdas as pssíveis variações (sem carga/cm carga, variaçã da tensã, variaçã da temperatura, etc.). Este md de regulaçã pde ser implementad usand a mediçã da tensã d mtr e tend em cnta a crrente que atravessa mtr Neste cas, s níveis de eficiência sã ligeiramente inferires, quer n que respeita à gama de velcidades, quer em terms de precisã (valres % variáveis quant a funcinament sem carga e cm carga). Se fr necessária travagem cntrlada, seja pr pedid seja pela natureza da carga (binári mtr), a energia deve ser restituída à rede de alimentaçã. Durante a travagem, variadr funcina cm inversr u, pr utras palavras, a crrente que circula é negativa. Os variadres capazes de realizar estes dis tips de funções (inversã e travagem regenerativa) pssuem duas pntes ligadas cstas cm cstas (ver Fig.13). Cada uma destas pntes pde ser usada para inverter a tensã e a crrente bem cm sinal para a energia que circula entre a linha de alimentaçã e a carga. Inversã d sentid de funcinament e travagem regenerativa Para inverter sentid de rtaçã, a tensã da armadura deve ser invertida. Iss pde ser btid usand cntactres (esta sluçã é hje bsleta) u estaticamente pr inversã da plaridade de saída d variadr de velcidade u a plaridade da crrente de excitaçã. O us desta última sluçã é puc frequente, devid à cnstante de temp d camp d enrlament. 4.2 Mds de funcinament pssíveis Funcinament a binári cnstante Cm excitaçã cnstante, a velcidade d mtr é determinada pela tensã aplicada à armadura d mtr. O cntrl de velcidade é pssível entre repus e a tensã nminal d mtr, que é seleccinada cm base na tensã CA da alimentaçã. O binári mtr é prprcinal à crrente na armadura e binári nminal da máquina pde ser mantid para qualquer velcidade. Funcinament a ptência cnstante Quand a máquina é alimentada à tensã nminal, a sua velcidade deve pssuir uma pnte rectificadra cntrlada que alimente circuit de excitaçã. A tensã da armadura vai manter-se fixa e igual à tensã nminal e a crrente de excitaçã é ajustada de md a bter-se a velcidade requerida. A ptência exprime-se pr P = E x I nde E é a tensã de alimentaçã I é a crrente na armadura Para uma dada crrente na armadura a ptência vai ser cnstante durante tda a variaçã de velcidade, mas a velcidade máxima é limitada pr dis parâmetrs: 18/31

19 pde ainda ser aumentada pr reduçã da crrente de excitaçã. Neste cas, variadr de velcidade As pções de cmutaçã da máquina que sã, em geral, mais restritivas. Os limites mecânics da armadura e em particular, a ptência centrífuga máxima que é tlerada pel cmutadr. O fabricante d mtr deve assim seleccinar mtr adequad, nmeadamente n que respeita à gama de variaçã a ptência cnstante. 5 Inversr de frequência para mtr assíncrn 5.1 Princípi geral O inversr de frequência, que é alimentad a tensã e frequência cnstante pela rede de alimentaçã, frnece uma alimentaçã CA a tensã e frequência variáveis a mtr em funçã das suas necessidades de velcidade. O flux deve ser mantid cnstante de md a facilitar frneciment de ptência a um mtr assíncrn a binári cnstante, independentemente da velcidade. Iss exige que a tensã e frequência aumentem simultaneamente em igual prprçã. Cnstituiçã O circuit de ptência é cnstituíd pr um rectificadr e um inversr, que utiliza a tensã rectificada para prduzir uma tensã de amplitude e frequência variáveis. (ver Fig.8). Para cumprir cm as directivas e nrmas eurpeias (Cmunidade Eurpeia), instala-se um filtr na rede de alimentaçã antes da pnte rectificadra. O rectificadr é nrmalmente equipad cm uma pnte de díds rectificadres e um filtr cnstituíd pr um u mais cndensadres, cnfrme a ptência. Um circuit limitadr cntrla a crrente n arranque. Alguns cnversres usam uma pnte de tirístres para limitar pic de crrente destes cndensadres de filtr, que sã carregads a um valr aprximadamente igual a valr de pic da sinusóide da linha de alimentaçã (aprx. 560 V a 400 V trifásica). Nta: Embra estejam equipads cm circuits de descarga, estes cndensadres pdem armazenar tensões elevadas perigsas mesm semicndutres de ptência (nrmalmente IGBTs) e díds de rda livre assciads. Este tip de cntrladr destina-se a alimentar mtres de rtr em gaila de esquil. A gama Altivar da Telemecanique Pde ser utilizada para criar uma pequena rede de alimentaçã de tensã e frequência variáveis capaz de alimentar um u váris mtres em paralel. É cnstituíd pr: Um rectificadr cm cndensadres de filtragem Um inversr cm 6 IGBTs e 6 díds Um chpper, ligad a uma resistência de travagem (nrmalmente externa a prdut) Circuits de cntrl cm transístres IGBT Uma unidade de cntrl baseada num micrprcessadr, que é usad para cntrlar inversr Sensres interns para medir a crrente d mtr, a tensã CC as terminais d cndensadr e, nalguns cass, as tensões as terminais da pnte rectificadra e d mtr bem cm de tds s valres necessáris para cntrlar e prteger variadr de velcidade. Uma fnte de alimentaçã para alimentar s circuits electrónics. Esta fnte de alimentaçã é cnstituída pr um circuit de cmutaçã ligad as terminais d cndensadr d filtr de md a utilizar esta reserva de energia. Os variadres Altivar utilizam esta característica para evitar s efeits ds transitóris prduzids pelas flutuações da alimentaçã, garantind assim 19/31

20 cm a alimentaçã desligada. O trabalh neste tip de prduts deve ser efectuad pr pessal trinad cm cnheciments das precauções essenciais a serem tmadas (circuits adicinais de descarga u cnheciment d períd de espera). A pnte inversra ligada a estes cndensadres utiliza seis Esta técnica, cnhecida pr PWM (Pulse Width Mdulatin), cndicina a rtaçã a baixas velcidades e limita as subidas de temperatura. excelente cmprtament em linhas sujeitas a perturbações significativas. Cntrl de velcidade A tensã de saída é gerada pela cmutaçã da tensã rectificada, utilizand impulss de duraçã, e prtant largura, que é mdulada de md a que a crrente alternada resultante seja mais sinusidal pssível (ver Fig.14). A frequência de mdulaçã esclhida é um cmprmiss: deve ser suficientemente alta para reduzir ripple na crrente e ruíd acústic n mtr sem perdas significativas na pnte rectificadra e ns semicndutres. Duas rampas cntrlam a aceleraçã e a desaceleraçã. O variadr dispõe ainda de prtecçã cntra qualquer perturbaçã u prblema que pssa afectar a falha de uma fase. Para algumas gamas, rectificadr, inversr, chpper, cntrladr e sistema de prtecçã cntra curtcircuits estã integrads num únic IPM. Prtecçã integrada 5.2 Funcinament V/f O variadr pssui aut-prtecçã e prtege mtr cntra as subidas de temperatura excessivas desligand- até que a temperatura caia para um nível segur. Neste tip de funcinament, a referência de velcidade impõe uma frequência n inversr e cnsequentemente n mtr, que determina a velcidade de rtaçã. Existe uma relaçã directa entre a tensã da rede de alimentaçã e a frequência (ver Fig.15). Este md de funcinament é nrmalmente descrit cm funcinament a V/f cnstante u funcinament escalar. Se nã fr aplicada cmpensaçã, a veicidade real varia cm a carga, que limita a gama de funcinament. Pde ser aplicada cmpensaçã para lidar cm a impedância interna d mtr e para limitar a queda de velcidade n arranque. 20/31

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