Eletricista de Instalações

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1 Eletricista de Instalações UFCD Variadores de velocidade - instalação e ensaio 2014/ 2015 Aperfeiçoamento nos métodos de produção e sua racionalização, mediante a automação e o controle os processos. Necessidade de controlo e variação de velocidade e binário em máquinas elétricas. Variações de velocidade mediante o uso de sistemas mecânicos, como caixas de engrenagens, correias e polias, limitando os processos e as máquinas. Gamboa 1 Gamboa 2 Controlo de rotação feito mediante o uso de motores de indução (gaiola) e acoplamentos magnéticos. Método com baixo rendimento, causado pelas perdas elétricas do acoplamento. Controle de velocidade com motores bobinados, mediante resistências rotóricas com reóstato externo. Este método apresenta baixa precisão no controle da velocidade. É usado apenas no arranque destes motores. Gamboa 3 Gamboa 4 1

2 Nos motores de corrente contínua a velocidade pode ser continuamente alterada mediante a variação da tensão de alimentação. Apresentam binário constante em toda a gama de velocidade. Com o aparecimento dos semicondutores de potência, apareceram os conversores estáticos de ponte tiristorizada, que é o método mais usado e difundido atualmente. Gamboa 5 Gamboa 6 Os sistemas de velocidade variável utilizando motores de corrente contínua e conversores estáticos aliam grandes gamas de variação de velocidade, robustez e precisão à economia de energia, o que garante um ótimo desempenho e flexibilidade. Recentemente surgiu o controlo de velocidade de motores de indução (gaiola) mediante a variação da frequência de alimentação, através de conversor CA/CA. Este método necessita de alguns cuidados em aplicações que exijam baixas rotações e/ou sistemas sincronizados. Gamboa 7 Gamboa 8 2

3 Métodos Convencionais de Controlo da Velocidade A velocidade de saída de um motor pode ser variada interpondo entre o motor e a carga de diversos tipos de dispositivos: caixas de velocidade com engrenagens sistemas de correia com polias de diâmetro variável embraiagens excêntricas de disco seco transmissões hidráulicas embraiagens eletromagnéticas Variadores Eletrónicos de Velocidade (VEV) Os VEV convertem a tensão da rede de 50 Hz numa tensão contínua e em seguida numa tensão com frequência variável sob controlo externo do utilizador que pode ir de 0 a 300 Hz, ou mais, consoante o tipo de aplicações Gamboa 9 Gamboa 10 Variadores Eletrónicos de Velocidade (VEV) Diagrama geral dos variadores eletrónicos de velocidade que utilizam inversores na saída 3 Alimentação AC trifásica input Rectificador AC CA para CC to DC converter Ligação DC linkdc Filtro Filter Inverter: DC to Inversor variable CC para CA voltage com Frequência & e tensão frequency variável AC Motor Motor O que é um variador de velocidade? É uma unidade eletrónica de potência para o controlo contínuo da velocidade de motores de indução O controlo da velocidade economiza energia, protege a rede elétrica e a máquina, e incrementa a qualidade e o volume de produção Gamboa 11 Gamboa 12 3

4 O que é um variador de velocidade? Os variadores de velocidade são também designador por: o Conversores de frequência o Variadores de frequência A velocidade do motor é controlada pela alteração da frequência da alimentação elétrica Converte a frequência da rede para outra frequência entre 0 a 300 Hz ou mesmo superior, controlando a velocidade do motor, proporcionalmente à frequência. Gamboa 13 Gamboa 14 Principais componentes de um variador de velocidade AC; o Retificador o circuito CC o inversor 1. Unidade Retificador O variador de velocidade é alimentado pela rede elétrica através de um retificador A unidade retificadora pode ser unidirecional ou bidirecional Gamboa 15 Gamboa 16 4

5 1. Unidade Retificador Se unidirecional, a unidade AC pode acelerar e rodar o motor, recebendo a energia da rede Se bidirecional, o variador de velocidade também pode receber a energia mecânica de rotação do motor e do processo e injetá-la na rede elétrica 2. Circuito CC Irá armazenar a energia elétrica a partir do retificador para posteriormente ser utilizada pelo inversor Na maioria dos casos, a energia é armazenada em condensadores de alta potência Gamboa 17 Gamboa Unidade Inversor A unidade inversor recebe a energia elétrica do circuito DC e fornece-a ao motor. O inversor utiliza técnicas de modulação para criar as 3 fases AC necessárias à saída para alimentar o motor A frequência pode ser ajustada para corresponder à necessidade do processo. Benefícios de um variador de velocidade As unidades de velocidade variável para controlar o processo poupam energia e poupam a empresa de custos energéticos valiosos Controlar a velocidade do motor por meio de variadores de velocidade, dá vários benefícios em termos de controlo de processo, stress do sistema e economia de energia Gamboa 19 Gamboa 20 5

6 Benefícios de um variador de velocidade Poupança de energia o Operação mais suave o Controlo da aceleração o Diferentes velocidades de funcionamento para processos diferentes o Arranque suave, baixa intensidade de arranque o Paragem controlada, sem golpes de ariete Benefícios de um variador de velocidade Não é necessária compensação do fator de potência o Compensações alterando variáveis de processo o Permitir operação lenta para fins de instalação e manutenção o Ajustar à taxa de produção o Controlo de posicionamento preciso o Controlo de binário Gamboa 21 Gamboa 22 Benefícios de um variador de velocidade Menor manutenção mecânica graças à redução do stress mecânico Arranque Motor de Indução Controlo de velocidade Gamboa 23 Gamboa 24 6

7 Arranque direto Robustos para arrancarem diretamente da rede, isto é, acelerarem a carga desde parado até à velocidade nominal, estando aplicada a tensão nominal. O arranque direto implica um consumo de corrente cinco a sete vezes superior à corrente nominal do motor. Gamboa 25 Arranque direto Efeitos nocivos: Para o motor o O excesso de corrente causa sobreaquecimento, deteriorando os isolamentos. Para a instalação elétrica. o Ou é dimensionada para estes valores de corrente, ou disparam os dispositivos de proteção. o Uma apreciável queda de tensão na linha afetará o funcionamento de outros equipamentos alimentados pela mesma linha. Gamboa 26 Arranque alternativos Os método de arranque alternativo, baseiam-se todos na redução da tensão de alimentação: o Arranque por reóstato o Arranque por transformador ou autotransformador o Arranque estrela-triângulo o Arranque por conversor eletrónico de potência Arranque por reóstato Resistência variável introduzida em série com o enrolamento do estator. Método pouco económico, devido às perdas por Efeito de Joule no reóstato. Gamboa 27 Gamboa 28 7

8 Arranque por transformador ou autotransformador É utilizado um transformador ou um autotransformador trifásico para auxiliar o arranque por variação da tensão de alimentação. Dispendioso, dado o preço do transformador. Arranque estrela-triângulo Inicialmente o estator está em estrela, e, após uma certa velocidade, comuta-se a ligação para triângulo, aumentando a tensão aplicada a cada um dos enrolamentos. Antes da utilização dos conversores eletrónicos era o método de arranque mais comum. Gamboa 29 Gamboa 30 Arranque por conversor eletrónico de potência O mesmo equipamento de controlo controla a velocidade e o arranque do motor. Motor rotor bobinado Os motores de rotor bobinado podem arrancar (e controlar a velocidade) por introdução de uma resistência rotórica, na fase de arranque. Gamboa 31 Gamboa 32 8

9 Arranque Motor de Indução Controlo de velocidade Controlo de velocidade O controlo de velocidade dos motores de indução (de rotor em curto-circuito) poderá ser efetuado por: o Variação do número de pólos (do estator) o Variação da frequência o Variação da tensão de alimentação o Variação da tensão e da frequência de alimentação Gamboa 33 Gamboa 34 Variação do número de pólos (do estator) Os enrolamentos do estator são projetados de forma que, alterando as ligações das bobinas, o número de pólos possa ser alterado nas relações 2:1, 4:1, etc. Desvantagens o Só se obtêm velocidades discretas o Estator mais complexo, aumentando o custo do motor Variação da frequência A expressão da velocidade de sincronismo é proporcional à frequência da tensão de alimentação. A rede elétrica nacional tem uma frequência fixa (50 Hz), exigindo um dispositivo eletrónico que forneça uma tensão com frequência variável - um conversor eletrónico de potência. Estes dispositivos fornecem uma tensão proporcional à variação da frequência por forma a manter o binário constante. Gamboa 35 Gamboa 36 9

10 Variação da tensão de alimentação A variação da tensão de alimentação poderá ser feita por: o Autotransformador; o Conversor eletrónico de potência. Variação da tensão e da frequência de alimentação Os sistemas modernos de controlo de velocidade baseados em conversores eletrónicos de potência permitem: o Controlar ao mesmo tempo a tensão e a frequência de alimentação o Permitem um adequado arranque e controlo de velocidade dos motores de indução Gamboa 37 Gamboa 38 Motor de Indução Variador de velocidade eletrónico Variador de velocidade eletrónico CA para motores de indução trifásicos de 0,25kW a 4kW Gamboa 39 Gamboa 40 10

11 Variador de velocidade eletrónico FIM Gamboa 41 Gamboa 42 11