Acionamento de motores de indução

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1 Acionamento de motores de indução Acionamento de motores de indução Vantagens dos motores de indução Baixo custo Robustez construtiva 1

2 Controle da velocidade de motores de indução Através de conversores de freqüência Geram harmônicas Interferência eletromagnética Controle da velocidade de motores de indução Através de conversores de freqüência Eficiência energética em bombas e ventiladores Automação do processo 2

3 Aplicações de controle de velocidade de M.I. Exemplos mais comuns de aplicação Bombas centrífugas Ventiladores e exaustores Esteiras transportadoras Seção transversal de um M.I. Bornes de conexão Rolamentos Ventilador Eixo Enrolamentos Rotor 3

4 Corte de um M.I. Motores de Indução Trifásicos A corrente de magnetização de cada fase cria um fluxo alternado pulsante. O fluxo total na máquina é a soma dos três fluxos. A soma dos três fluxos resulta em um fluxo rotativo com velocidade e amplitude constantes. O nome Motor de Indução deriva do fato de que fem são induzidas no rotor pelo campo girante do estator. 4

5 Motores de Indução Trifásicos O campo magnético girante induz uma fem nas barras do rotor. A fem no rotor é proporcional à diferença entre a velocidade do campo girante do estator e a velocidade do rotor. A interação entre o campo magnético girante e as correntes induzidas no rotor produz uma força que aciona o motor. Motores de Indução Trifásicos O rotor é um cilindro laminado com ranhuras. O tipo mais comum é o com enrolamento em gaiola de esquilo. Feito de barras de alumínio conectadas a anéis de alumínio. O enrolamento do rotor pode ser também bobinado. 5

6 Operação nas condições nominais O fluxo no entreferro φ ag constante tem amplitude O fluxo rotaciona com uma velocidade constante A velocidade síncrona desse fluxo é dada por: n s = 120 p f [ r p m] Faixa de operação com velocidade reduzida A relação tensão/freqüência (fluxo) é mantida constante Assim mantém-se o torque nominal disponível O fluxo rotaciona com uma velocidade que depende da freqüência n s = 120 p f [ r p m] 6

7 Faixa de operação com velocidade expandida Região de enfraquecimento de campo A tensão mantém-se constante e a freqüência varia Nessas condições, o fluxo se reduz com o aumento da freqüência O torque disponível diminui Variação do torque em função da velocidade C CN 2,5 2,0 CN = constante CN Cn = 1 N 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 N N S zona fluxo cte zona enfraq. campo 7

8 Circuito equivalente monofásico do motor I 1 R 1 L 1 I 2 R 2 L I m V 1 _ E ag _ L m 1 s R 2 s Diagrama fasorial por fase I& m δ V& 1 θ r ( R 1 + j w L 1 ) I 1 I& 2 E& ag I& 1 & Pode-se considerar I m e I 2 defasadas de 90 8

9 Análise do torque disponível A corrente de magnetização gera o fluxo O torque é produzido pela interação entre fluxo e corrente rotórica Tem = k4 φag I2 Variação da velocidade devido à variação de carga O rotor não gira na velocidade síncrona Há um escorregamento entre a velocidade do rotor e do fluxo no entreferro O escorregamento é dado por: s = ns nr ns 9

10 Síntese dos tópicos anteriores Para se controlar a velocidade mantendo o fluxo constante, é necessário variar a tensão e a freqüência Fluxo constante implica em disponibilidade de torque nominal para qualquer velocidade Curva característica do motor Motor de indução operando com tensão e freqüência nominais 2,0 T 1,5 1,0 nominal 1,0 n 10

11 Partida do motor de indução Curva característica da corrente em função da velocidade I 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 nominal 1,0 n (300%) (600%) Curva de torque e corrente TORQUE CORRENTE (200%) Torque de partida (150%) Torque nominal (100%) (300%) Torque Mínimo (125%) Torque Máximo (Breakdown) ( %) CORRENTE NOMINAL ESCORREGAMENTO CORRENTE EM VAZIO (30%) ROTAÇÃO ROTAÇÃO NOMINAL NS 11

12 Partida com conversor de freqüência O controle dos conversores eletrônicos promovem uma partida suave Isso protege as chaves semicondutoras e a instalação Região de operação do motor de indução O funcionamento normal do motor ocorre com baixo escorregamento Para baixo escorregamento, o torque eletromagnético e a corrente variam linearmente O funcionamento normal do motor pode ser alcançado para diversas velocidades (freqüências) 12

13 Curva de torque do motor quando acionado por inversores TORQUE Torque de partida (150%) Torque nominal (100%) FREQUÊNCIA (Hz) 60 Corrente do motor quando acionado com inversores TORQUE A CORRENTE DE PARTIDA DIMINUI COM A REDUÇÃO DA FREQUÊNCIA. TEMOS ENTÃO TORQUE NOMINAL COM CORRENTE NOMINAL Torque de partida (150%) Torque nominal (100%) FREQUÊNCIA (Hz) 13

14 Categoria dos motores de indução Categoria N: torque de partida e escorregamento normais, sobrecorrente de partida alta. Utilização: uso geral Categoria H: alto torque de partida, escorregamento normal e sobrecorrente de partida média. Utilização: partida de cargas de alta inércia. TORQUE D 250% 225% H 150% N D Categoria D: alto torque de partida, escorregamento alto, sobrecorrente baixa. Utilização: equipamentos com picos de torque repetitivos. 0 ROTAÇÃO 100% Análise das categorias dos motores Recomendações ao aplicar inversores em motores categorias N, H e D: Cat. Características Recomendações N H D Torque e corrente de partida normal Torque de partida é menor que na Partida direta Corrente de partida pode ser maior. O escorregamento elevado resultará em perda de velocidade. Torque de partida é menor que na Partida direta. É o motor normal para utilização com inversores de freqüência Verifique se a redução do torque de parida é suficiente para atender as solicitações da aplicação. Verifique se o inversor é capaz de atender a corrente solicitada. Verifique se a aplicação aceita quedas acentuadas de velocidade com o aumento da carga. Verifique se a redução do torque de partida é suficiente para atender as solicitações da aplicação. 14

15 Categoria N X Categoria D Torque Torque Torque de partida (300%) Torque de partida (150%) Torque nominal (100%) Torque nominal (100%) 6 Freqüência (Hz) 60 6 Freqüência (Hz) 60 Torque cat. N 6.0Hz - 150% Torque cat. D 6.0Hz - 50% Elevação da tensão em baixas freqüência A relação (V 1 /f ) = cte é suficiente enquanto a queda de tensão no estator é desprezível Para baixas freqüências, o efeito da resistência do estator não é desprezível 15

16 Análise da queda de tensão na resistência R1 L1 L2 10V 220V 210V M R2 S Gráfico que relaciona a tensão e a freqüência V V 1 nominal Elevação de tensão Baixas freqüências f nom f 16

17 V motor Correção contínua da curva V/f 460V Curva V/f programável Operação c/ Boost de Tensão f N f Curva V/f - considerações Efeitos da seleção de uma curva V/F imprópria : Relação V/f baixa: Redução do fluxo do motor e conseqüente redução de torque. Aumento na corrente consumida pelo motor. Pode levar o motor a situação de Stall Relação V/f alta: Pode levar o motor a saturação com elevação da corrente e perda de torque. Sobreaquecimento do motor. Pode gerar vibrações no motor. 17

18 Velocidade acima da nominal O torque nominal não é mais disponível para velocidades acima da nominal Na região de potência constante, o torque disponível é inversamente proporcional à freqüência Velocidade acima da nominal Característica torque - velocidade T f 1 f 2 1,0 f 3 f 4 Varia com 1 f 1,0 2,0 n Região de torque constante Região de potência constante 18

19 Tensão e corrente acima da velocidade nominal V I V n V I n 1,0 2,0 n Generalização Simplificada da Curva de Funcionam. Queda de tensão na Rs é significativa Problemas de sobreaquecimento (ventilação) Enfraquecimento de fluxo Problemas mecânicos 19

20 Frenagem em motores de indução Os seguintes meios de redução de velocidade podem ser usados: Parada por amortecimento natural; Freios mecânicos; Freios a indução (injeção de c.c.); Frenagem dissipativa (reostática); Frenagem regenerativa. Frenagem em motores de indução O M. I. pode operar como um gerador de indução O rotor deve estar a uma velocidade superior à síncrona 20

21 Máquina de indução funcionando como motor e com gerador T OPERAÇÃO COMO MOTOR n n s OPERAÇÃO COMO GERADOR Máquina de indução funcionando como gerador O T em desenvolvido na operação como gerador é negativo O escorregamento também é negativo O gerador de indução necessita de uma tensão de alimentação A energia associada com a inércia é transformada em energia elétrica 21

22 Excitação não senoidal Os inversores não geram ondas senoidais puras V dc tempo -V dc Excitação não senoidal Os sinais gerados contêm harmônicas da freqüência fundamental As harmônicas são ímpares e diferentes de um múltiplo de três 22

23 Harmônicas São distorções na forma de onda da tensão e/ou corrente, caracterizadas por sinais senoidais com freqüências múltiplas e inteiras da freqüência fundamental. Harmônicas 23

24 Forma de onda da corrente A corrente é filtrada e fica praticamente senoidal V dc Corrente senoidal tempo -V dc Freqüência de chaveamento Quanto maior a freqüência, menor a amplitude da I h Um bom conversor eletrônico deve minimizar a geração de harmônicas de tensão de baixa ordem Aumentando-se a freqüência de chaveamento, as harmônicas de baixa ordem são minimizadas 24

25 Perdas harmônicas Perdas adicionais devido às correntes harmônicas As perdas adicionais causadas no cobre superam as perdas adicionais causadas no núcleo Pulsações no torque A presença de componentes harmônicas no motor resulta em componentes de torque pulsantes Se os torques pulsantes são de baixa freqüência, eles podem causar flutuações na velocidade 25