ACIONAMENTO DE MÁQUINAS

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1 Universidade do Estado de Mato Grosso Campus Sinop Faculdade de Ciências Exatas e Tecnológicas ACIONAMENTO DE MÁQUINAS ROGÉRIO LÚCIO LIMA Sinop Novembro de 2016

2 Chaves de Partidas Eletrônicas. Equipamento versátil e dinâmico que permitiu o uso de motores de indução para controle de velocidade em substituição aos motores de corrente continua. Método mais eficiente no controle de velocidade do MI: variação da frequência da fonte alimentadora. Prof. Msc. Rogério Lúcio Lima Acionamento de Máquinas 2

3 Equacionamento máquina assíncrona: C = φ m. I 2 E 1 = 4,44. F 1. N 1. φ m (tensão aplicada ao estator) 2 = U 2 /f Sendo: C conjugado do motor (N.m) φ m - fluxo de magnetização (Wb) I 2 - corrente no rotor (A) E 1 - tensão no estator (V) F 1 - frequência da rede (Hz) N 1 - número de espiras Prof. Msc. Rogério Lúcio Lima Acionamento de Máquinas 3

4 Os cicloconversores antecederam, de certa forma, os atuais inversores. Eles eram utilizados para converter 60 Hz da rede em uma frequência mais baixa, era uma conversão CA-CA. Princípios Básicos Os inversores podem ser classificados por sua topologia (tipo de retificação, controle do circuito intermediário, saída). Retificador CA 60Hz CC retificador de onda completa Vcc = 1,41 x V REDE Prof. Msc. Rogério Lúcio Lima Acionamento de Máquinas 4

5 Controle de chaveamento Prof. Msc. Rogério Lúcio Lima Acionamento de Máquinas 5

6 Controle de chaveamento A CC é conectada aos terminais de saída pelos tiristores T1 a T6, funcionam no corte de saturação como chave estática; Controle dos circuitos (circuito de comando) obtém-se uma frequência defasadas em 120 ; Escolhe-se a tensão e a frequência que permitem U 2 seja proporcional a f, para 2 e o torque sejam constantes. Prof. Msc. Rogério Lúcio Lima Acionamento de Máquinas 6

7 Controle de chaveamento O circuito de controle dos transistores de potência é o elemento responsável pela geração dos pulsos de controle dos transistores de potência a partir do uso de microcontroladores digitais. PWM (Pulse Width Modulation) Prof. Msc. Rogério Lúcio Lima Acionamento de Máquinas 7

8 Controle de chaveamento Variabilidade da frequência: escalar ou vetorial Escalar: Gráfico Tensão x Frequência. Prof. Msc. Rogério Lúcio Lima Acionamento de Máquinas 8

9 Controle de chaveamento Gráfico escalar com a elevação da frequência do sinal imposto a armadura do motor e manutenção do valor de tensão, a corrente de magnetização da maquina cai proporcionalmente e, com ela, o fluxo magnético no entreferro enfraquecimento de campo. Prof. Msc. Rogério Lúcio Lima Acionamento de Máquinas 9

10 Controle de chaveamento Acionamento de motores de baixa rotação: Especificar motor com fator de serviço maior; Aumentar a classe de isolamento; Motor com carcaça maior; Prof. Msc. Rogério Lúcio Lima Acionamento de Máquinas 10

11 Controle de chaveamento Motores de indução trifásicos com ventilação independente Prof. Msc. Rogério Lúcio Lima Acionamento de Máquinas 11

12 Classificação dos conversores de frequência Conversores com controle escalar Sistemas que se restringe ao controle de velocidade do motor, sem controle do torque desenvolvido e sem conhecimento da dinâmica do processo sob controle; Imprimem um certo erro de velocidade, facilmente assimilado pelo sistema controlado; Controle em malha aberta, a faixa de frequência vai de 10 Hz aos 60 Hz. Prof. Msc. Rogério Lúcio Lima Acionamento de Máquinas 12

13 Classificação dos conversores de frequência Conversores com controle vetorial Com o avanço teórico das técnicas vetoriais de controle, onde a avaliação das variáveis internas do motor é efetuada e passada ao sistema controlador, a regulação da MI tornou-se mais precisa. O sinal vindo do eixo do motor, coletado por um tacogerador de pulsos, fornece um controle de malha fechada, o que possibilita: alto desempenho dinâmico; Operação suave no intervalo de velocidades especificadas para o conversor; Pequenas oscilações no conjugado motor, quando ocorrem variações na carga; Grande precisão de velocidade; Prof. Msc. Rogério Lúcio Lima Acionamento de Máquinas 13

14 Blocos componentes do inversor de frequência Prof. Msc. Rogério Lúcio Lima Acionamento de Máquinas 14

15 Blocos componentes do inversor de frequência 1º Bloco CPU Microprocessador ou microcontrolador; Local onde as informações estão armazenadas (memória integrada neste conjunto); Executa funções vitais: geração dos pulsos de disparo, por meio de uma lógica de controle coerente, para os IGBTs; 2º Bloco IHM (Interface Homem Máquina) Verifica-se (display) e parametriza-se o inversor; Grandezas verificadas: tensão, corrente, frequência, status de alarme. Ainda, visualizar sentido do giro, verificar o modo de operação (local ou remoto), ligar ou desligar o inversor, variar velocidade, alterar parâmetros e outras funções. Prof. Msc. Rogério Lúcio Lima Acionamento de Máquinas 15

16 Blocos componentes do inversor de frequência 3º Bloco - Interfaces Comando analógico ou digital tensão analógica (controlar velocidade de rotação de motor AC no inversor); Tensão entre 0 a 10 Vcc: 1 Vcc = 1000 RPM, 2 VCC = 2000 RPM; Inversão da rotação basta inverter a polaridade do sinal analógico (0 a 10 Vcc no sentido horário e -10 a 0 Vcc no sentido anti-horário); Sistema muito utilizado em ferramentas automáticas CNC (controle numérico computadorizado); Entrada analógica. Prof. Msc. Rogério Lúcio Lima Acionamento de Máquinas 16

17 Blocos componentes do inversor de frequência 4º Bloco Etapa potência - Constituída por um retificador, que alimenta através de um circuito intermediário denominado barramento DC, a saída do inversor (módulo IGBT). Prof. Msc. Rogério Lúcio Lima Acionamento de Máquinas 17

18 Dimensionamento do inversor Deve-se saber o modelo, tipo e sua potência em acordo com a necessidade. 1º Potência do inversor Rede elétrica = 380 Vca Motor = 1 HP Aplicação = exaustor industrial Cálculos: 1 HP = 746 W Como a rede elétrica é de 380 Vca e os inversores (normalmente) possuem fator de potência igual a 0,8 (cosφ = 0,80), temos: CI = corrente doinversor Potencia em watts CI = Tensão na rede x cosφ = x0,8 = 2,45A Prof. Msc. Rogério Lúcio Lima Acionamento de Máquinas 18

19 Dimensionamento do inversor Deve-se saber o modelo, tipo e sua potência em acordo com a necessidade. 2º Tipos de Inversor A maioria dos inversores utilizados é do tipo escala. Utiliza-se o tipo vetorial em duas ocasiões: extrema precisão de rotação, torque elevado para rotação baixa ou zero (guindastes, pontes rolantes, elevadores etc.). 3º Modelo e Fabricante Deve atender as características mínimas (exemplo): Tensão de entrada = 380 Vca; Tipo = escalar; Prof. Msc. Rogério Lúcio Lima Acionamento de Máquinas 19

20 Sistemas de entrada e saída de dados Interface Homem/Máquina (IHM) Dispositivo de entrada/saída de dados, em que o operador pode entrar com os valores dos parâmetros de operação do conversor, como: ajuste de velocidade, tempo de aceleração/desaceleração etc. Também pode ter acesso aos dados de operação do conversor, como: velocidade do motor, corrente, indicação de erro etc. Entradas e saídas analógicas São os meios de controlar/monitorar o conversor através de sinais eletrônicos analógicos: sinais em tensão ou em corrente e que permitem fazer o controle de velocidade. Entradas e saídas digitais Este tipo de controle permite basicamente ter acesso a funções simples, como seleção de sentido de rotação, bloqueio, seleção de velocidades. Prof. Msc. Rogério Lúcio Lima Acionamento de Máquinas 20

21 Sistemas de entrada e saída de dados Interface de comunicação serial Permite que o conversor seja controlado/monitorado a distância por um computador central, comunicação executada por fios, o que permite a conexão de vários conversores um CP central ou operado por CLP, por rede field bus, RS 232 ou RS 485. O IF permite o acionamento de MI com frequências entre 1 e 60 Hz com um torque constante, sem aquecimentos anormais nem vibrações fora de ordem. Também possui outras vantagens que estão enumeradas a seguir: Rendimento de 90% em toda faixa de velocidade; Fator de potência de aproximadamente 96%; Acionamento de cargas de torque constante ou variável; Faixa de variação de velocidade, que pode chegar até 1:20; Partida e desligamento suave (rampa) ; Prof. Msc. Rogério Lúcio Lima Acionamento de Máquinas 21

22 Formas de variação de velocidade Acionamento da IHM Coloca-se em modo local e pelo teclado incrementa-se ou decrementa-se a velocidade, além de inverter o sentido de giro do motor; Acionamento pelas entradas digitais Em aplicações industriais é inviável acionamento local, por isso, a grande maioria das aplicações usam aplicações remotas coloca-se em modo remoto; Acionamento da função Multispeed Qdo se deseja até oito velocidades fixas pré-programadas modo remoto programar uma ou mais entradas digitais para Multispeed; Prof. Msc. Rogério Lúcio Lima Acionamento de Máquinas

23 Formas de variação de velocidade Acionamento da função Multispeed: CFW 08 plus da WEG. Prof. Msc. Rogério Lúcio Lima Acionamento de Máquinas

24 Formas de variação de velocidade Acionamento pelas entradas analógicas Quando se deseja um controle de velocidade de 0 a 100%. Pelo potenciômetro por meio de um potenciômetro configura-se um divisor de tensão variável de 0 a 10 Vcc; Pela fonte de tensão ou corrente externas mais utilizado para controle de velocidade remotamente, feito por um controlador externo como um CLP ou controlador industrial. Prof. Msc. Rogério Lúcio Lima Acionamento de Máquinas

25 Conexões de entrada e saída do inversor de frequência Conexões de sinais e controle são feitas no conector do cartão eletrônico de controle. Prof. Msc. Rogério Lúcio Lima Acionamento de Máquinas

26 Transferência de configuração pela IHM Inversores de mesmo modelo e versões de software compatíveis; Prof. Msc. Rogério Lúcio Lima Acionamento de Máquinas

27 Aplicação dos inversores de frequência em controle Prof. Msc. Rogério Lúcio Lima Acionamento de Máquinas

28 Considerações Finais Perda de potência Forma de onda perfeitamente senoidal perda de potencia em torno de 15%; Motores instalados verificar a folga de potência; Motores novos considerar acréscimo de potência; Influencia sobre os capacitores São afetados quando percorrido por correntes de alta frequência evitar para que o motor não seja submetido a sobretensões devido a essa influência; Sobretensões no isolamento Comutação em alta frequência elevados picos de tensão que afetam o isolamento das espiras entre fase e entre fase-terra dv/dt é muito elevada no processo de comutação especificar o motor com classe de tensão de, no mínimo, 600 V com tensão suportável de pico de pelo menos 1000 V. Prof. Msc. Rogério Lúcio Lima Acionamento de Máquinas

29 Considerações Finais Limite de comprimento do circuito do motor Comprimento do cabo que pode surgir anomalias danosas a isolação do motor: L CR = (V PO xt CT )/2 V PO - velocidade propagação da onda de tensão aproximadamente 150 m/μs; T CT - tempo de crescimento do pulso de tensão. Prof. Msc. Rogério Lúcio Lima Acionamento de Máquinas

30 Considerações Finais Distorção Harmônica Rendimento de um motor de indução acionado por inversor de frequência: η r = 2 F rth 1 η + F 2 rth 1 η r - rendimento do motor trabalhando com o inversor de frequência; η rendimento do motor alimentado por uma onda senoidal; F rth - fator de redução de torque por distorção harmônica. Prof. Msc. Rogério Lúcio Lima Acionamento de Máquinas

31 Considerações Finais Distorção Harmônica Prof. Msc. Rogério Lúcio Lima Acionamento de Máquinas

32 Simbologia Elétrica Bibliografia COTRIM, A. A. M. B. Instalações Elétricas. São Paulo. CREDER, H. Instalações Elétricas. 14 ed. Rio de Janeiro: LTC, FRANCHI, C. M. Acionamentos Elétricos. 4 ed. São Paulo: Editora Érica, KAWAPHARA, M. K. Apostila de Eletrotécnica Industrial. Cuiabá: UFMT, Manual WEG - Prof. Msc. Rogério Lúcio Lima Acionamento de Máquinas