ACIONAMENTO ELETRÔNICO DE MÁQUINAS ELÉTRICAS

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1 FACULDADE SENAI DE TECNOLOGIA EM MECATRÔNICA INDUSTRIAL ACIONAMENTO ELETRÔNICO DE MÁQUINAS ELÉTRICAS INVERSORES DE FREQUÊNCIA FUNCIONAMENTO E APLICAÇÕES Professor Ms Volpiano

2 Inversor de freqüência funcionamento Inversor de freqüência é um equipamento eletrônico que converte uma fonte de tensão alternada monofásica ou polifásica com tensão e freqüência fixa em uma fonte de tensão alternada monofásica ou polifásica com tensão e freqüência variável com o objetivo de controlar a rotação e o torque nos motores de corrente alternada trifásico.

3 Inversor de freqüência Controle Escalar No controle escalar a tensão e a freqüência aplicada na carga variam seus valores de forma proporcional com o objetivo de controlar a rotação no motor e ao mesmo tempo manter o torque constante. Controle da Rotação np = 2 pólos np = 4 pólos np = 6 pólos np = 8 pólos Nr = (1 S). Ns

4 NÚMERO DE PÓLOS N N S S N N S

5 Controle do torque O controle do torque do motor depende do controle do fluxo magnético V φm = 4,44.n. =. φm.kdist V 4,44.n.kdist Kmotor = 4,44.n.kdist φm = f 1 Kmotor. V f. f O inversor deve criar um rede trifásica para o motor onde a tensão e a freqüência modulem seus valores de foram proporcional. Constante

6 Tabela da Variação da Tensão em Função da Freqüência Freqüência Tensão de Linha Relação do fluxo magnético 60 Hz 220 V 30 Hz 110 V 15 Hz 55 V

7 Modulo de Potência e Controle do Inversor

8 Modulação por Largura de Pulso Senoidal SPWM O controle SPWM (pwm senoidal) permite criar na carga uma rede de alimentação com tensão e freqüência modulada de forma proporcional, para isso o sistema de modulação compara uma onda triangular chamada portadora com amplitude e freqüência constante com três ondas senoidais de controle defasadas em 120 graus (VS1, VS2 e VS3) com amplitude e freqüência variável. O tempo de chave ligada (Ton) e o tempo de chave desligada (Toff) alteram seus valores proporcionalmente com a variação da amplitude e da freqüência das ondas senoidais de controle, gerando um perfil de modulação sincronizado para as chaves de potência (T1, T4), (T3, T6), (T5, T2) defasados em 120 graus.

9 PWM SENOIDAL No Pwm Senoidal a tensão e a freqüência na carga são definidos pelo controle da onda senoidal modulante. A freqüência de chaveamento é definida pela freqüência da onda triangular chamada de portadora Freqüência na carga 60Hz Freqüência na carga 30Hz

10 Pwm Senoidal Geração dos Pulsos de Disparo

11 Modulação por largura de pulso senoidal SPWM

12 Geração dos Pulsos de Disparo do SPWM

13 Geração dos Pulsos de Disparo para as Chaves T1 e T4 fc = 60HZ

14 Geração dos Pulsos de Disparo para as Chaves T3 e T6 fc = 60HZ

15 Geração dos Pulsos de Disparo para as Chaves T5 e T2 para fc = 60HZ

16 Funcionamento do PWM Senoidal T1 T4 T1 T1 T4 T4 Se Vmod > Vpor T1 ligado e T4 desligado Va0 = Vdc/2 Se Vmod < Vpor T1 desligado e T4 ligado Va0 = -Vdc/2

17 Funcionamento do PWM Senoidal Tensões de Fase e Linha

18 Tensões de Fase Va0

19 Tensões de Fase Vb0

20 Tensões de Fase Vc0

21 Tensões de Linha Vab Vab = Vao Vbo

22 Tensões de Linha Vbc Vbc = Vbo Vco

23 Tensões de Linha Vca Vca = Vco Vao

24 Funcionamento do PWM Senoidal Tensões de Linha Vab Vbc Vca

25 Cálculo das Tensões e das Correntes de Fase e Linha na Carga

26 Cálculo das tensões de fase e linha na carga VLef VLef = 0,612.ma.Vdc ; VFef = 3 Cálculo da impedância na carga ZL = ( Rb) 2 + ( 2π. f. Lb) 2 Cálculo da corrente de linha para a carga em estrela VLef VFef = ; ILef = 3 VFef ZL Cálculo das correntes de fase e linha para a carga em triângulo VLef IFef = ; ILef = 3. ZL IFef Valores de mf recomendado para o inversor SPWM fch portadora mf = mf = f modulante fch portadora 60 (mf)deveseruminteiroimparmúltiplode3 mf (3,9,15 15,21 21,27 27,33 33,39 39,45 45,51 51,57 57,63 63,69 69,75 75,81 81,87 87,93 93,99 99, ( , , , , , , , , , , , ,......)

27 Exemplo de aplicação n 1 Um inversor trifásico com modulação SPWM alimenta uma carga indutiva fechada em triângulo com Rb = 2.5Ω e Lb = 11.49mH. Sabendo que a freqüência de chaveamento é igual a 2700 Hz com tensão no barramento DC do inversor é igual a 311V. Com os valores calcule: a-) O valor da tensão e da corrente de linha solicitada pela carga para uma freqüência igual a 60Hz. b-) O valor da tensão e da corrente de linha solicitada pela carga para uma freqüência igual a 30Hz.

28 Cálculo do Circuito para f = 60Hz Tensão de linha na carga. VLef VLef = 0,612. ma = 190,33 V.Vdc VLef = 0, Impedância por fase da carga 2 3 ( 2,5 ) + ( 2π.60.11,49.10 ) ZL Ω 2 2 ZL = Rb 2 + ( 2π. f.lb ) ZL = = 5 Corrente de linha eficaz na carga. ILef ILef = = Ifef 190,33 5 ILef = ILef 3. = VLef ZL 66 A

29 Valores Simulados para f = 60Hz

30 Cálculo do Circuito para f = 30Hz Tensão de linha na carga. VLef VLef = 0,612. ma = 95,17 V.Vdc VLef = 0, Impedância por fase da carga 2 3 ( 2,5 ) + ( 2π.30.11,49.10 ) ZL 3, Ω 2 2 ZL = Rb 2 + ( 2π. f.lb ) ZL = = 31 Corrente de linha eficaz na carga. ILef ILef = = Ifef 95,17 3,31 ILef = ILef = 3. VLef ZL 49,8A

31 Valores Simulados para f = 30Hz

32 Análise dos valores calculados para a carga em triângulo Freqüência na carga Freqüência de chaveamento Razão de modulação em amplitude ma Razão de modulação em freqüência mf Impedância da carga Tensão de linha eficaz na carga Corrente de linha eficaz na carga Relação de Controle V/f 60Hz 2700Hz Ω 190,33V 66A 3,17 30Hz 2700Hz 0,5 90 3,31Ω 95,17V 49,8A 3,17

33 Exemplo de aplicação n 2 Um inversor trifásico com modulação SPWM alimenta uma carga indutiva fechada em estrela com Rb = 2.5Ω e Lb = 11.49mH. Sabendo que a freqüência de chaveamento é igual a 2700 Hz com tensão no barramento DC do inversor é igual a 311V. Com os valores calcule: a-) O valor da tensão e da corrente de linha solicitada pela carga para uma freqüência igual a 60Hz. b-) O valor da tensão e da corrente de linha solicitada pela carga para uma freqüência igual a 30Hz.

34 Cálculo do Circuito para f = 60Hz Tensão de linha e fase na carga. VLef = 0,612. ma.vdc VLef = 0, VLef = 190,33 V VFef = VLef 3 VFef = 190,33 3 VFef = 109,89V Impedância por fase da carga 2 3 ( 2,5 ) + ( 2π.60.11,49.10 ) ZL Ω 2 2 ZL = Rb 2 + ( 2π. f.lb ) ZL = = 5 Corrente de linha eficaz na carga. VFef 109,89 ILef = ILef = ILef = Z 5 21,98 A

35 Valores Simulados para f = 60Hz

36 Cálculo do Circuito para f = 30Hz Tensão de linha e fase na carga. VLef = 0,612. ma.vdc VLef = 0,612. 0, VLef = 95,17 V VFef = VLef 3 VFef = 95,17 3 VFef = 54,94V Impedância por fase da carga 2 3 ( 2,5 ) + ( 2π.30.11,49.10 ) ZL 3, Ω 2 ZL = Rb 2 + ( 2π. f.lb ) 2 ZL = = 31 Corrente de linha eficaz na carga. VFef 54,94 ILef = ILef = ILef = Z 3,31 16,6 A

37 Valores Simulados para f = 30Hz

38 Análise dos valores calculados para a carga em estrela Freqüência na carga Freqüência de chaveamento Razão de modulação em amplitude ma Razão de modulação em freqüência mf Impedância da carga Tensão de linha eficaz na carga Corrente de linha eficaz na carga Relação de Controle V/f 60Hz 2700Hz Ω 190,33V 21,98A 3,17 30Hz 2700Hz 0,5 90 3,31Ω 95,17V 16,6A 3,17

39 Limitações dos Inversores de Freqüência Curvas de torque do conjunto motor inversor Motor auto ventilado Motor com ventilação forçada

40 Limitações dos Inversores de Freqüência Altitude e Temperatura no Inversor

41 Limitações dos Inversores de Freqüência Altitude e Temperatura no Motor

42 Blocos Básicos do Inversor R S T

43 Diagrama das Conexões do Inversor

44 Referências Bibliográficas Volpiano, Sérgio Luiz. Eletrônica de Potência Aplicada ao Acionamento de Máquinas Elétricas. 1 ed. São Paulo: Editora Senai, p. Volpiano, Sérgio Luiz. Eletrônica de Potência. 1 ed. São Paulo: Editora Senai, p. Goldemberg, Clovis Acionamentos em Corrente Alternada, versão 1.4 novembro 1999 Apostila. WEG EQUIPAMENTOS ELÉTRICOS S.A. Automação : catálogo geral. Jaraguá do Sul, SC p. Apresentações das aulas do Professor José Paulo V S da Cunha UERJ