Acionamento de Motores CA

Fundação Universidade Federal ACIONAMENTOS de Mato Grosso do CA Sul 1 Acionamentos Eletrônicos de Motores Acionamento de Motores CA Prof. Márcio Kimpara Prof. João Onofre. P. Pinto Universidade Federal de Mato Grosso do Sul FAENG Faculdade de Engenharias, Arquitetura e Urbanismo e Geografia Campo Grande MS

2 ACIONAMENTOS CA Introdução Controle de máquinas CA é muito mais complexo do que controle de máquinas CC Razões do aumento da complexidade Frequência variável Demanda conversor com baixo conteúdo harmônico na saída A dinâmica de máquinas CA é muito mais complexa Variação dos parâmetros das máquinas Processamento dos sinais de realimentação na presença de harmônicas

3 ACIONAMENTOS CA Introdução Para aplicação de acionamento de maquinas CA é preciso responder questões referentes as seguintes características: O acionamento será em 1, 2 ou 4 quadrantes? Controle de torque, velocidade ou posição no laço externo ou primário? Acionamento de um ou múltiplos motores? Faixa de controle de velocidade: Velocidade zero? Região de campo enfraquecido (alta velocidade)? Precisão e tempo de resposta? Robustes a variação de torque de carga e variação de parâmetros? Controle com sensores ou sem sensores (sensorless)?

4 ACIONAMENTOS CA Introdução Tipo de conversor? Considerações de manutenção, confiabilidade, custo e eficiência? Harmônicas e fator de potência?

5 ACIONAMENTOS CA Como controlar o MIT? Como pode um motor de indução ser usado em uma aplicação que exige velocidade variável? Nesta aplicações, precisamos fazer ajustes que nos levem a Controle de Velocidade Controle de Torque

6 Introdução Em alta: acionamentos em corrente alternada Máquinas utilizadas: Motores de indução monofásicos e trifásicos; Motores síncronos Motores de indução lineares ( rotor reto). Motor de indução

7 Família das máquinas elétricas GAIOLA DE ESQUILO ASSÍNCRONO TRIFÁSICO ROTOR BOBINADO MOTOR C.A. UNIVERSAL SÍNCRONO RELUTÂNCIA IMÃ PERMANENTE MONOFÁSICO PÓLOS SALIENTES PÓLOS LISOS MOTOR C.C. EXCITAÇÃO SÉRIE EXCITAÇÃO INDEPENDENTE EXCITAÇÃO COMPOUND IMÃ PERMANENTE

8 Acionamento CA As máquinas CA possuem inúmeras vantagens: são mais leves (20% a 40% mais leves que as máquinas CC equivalentes), mais baratas e têm menos manutenção. Requerem basicamente controle de frequência, tensão e corrente para aplicações de velocidade variável. (RASHID, 1992)

9 Acionamento CA Quando se trata de realizar um acionamento controlado, os conversores e sistemas de controle necessários se tornam bem mais sofisticados do que aqueles utilizados para as máquinas CC; Os conversores de potência, inversores e controladores de tensão CA controlam a frequência, a tensão e/ou a corrente para fornecer os requisitos do acionamento. Os conversores de potência, que são relativamente complexos e mais caros, requerem técnicas avançadas de controle com realimentação, tais como modelo de referência, controle adaptativo, controle do escorregamento e controle de campo orientado. As vantagens dos acionamentos CA compensam as desvantagens de controles tão complexos. Em termos de desempenho dinâmico, novas técnicas de controle, como o controle vetorial, têm possibilitado às máquinas CA apresentarem comportamento similar ao das máquinas CC, eliminando, também neste aspecto, as vantagens anteriores das máquinas de corrente contínua.

10 Motor de Indução Duas categorias: Rotor bobinado Rotor tipo gaiola Vantagens dos motores tipo gaiola: Construção simples e de baixo custo Sem escovas Demandam menos manutenção Rotor com menor inércia Mais adequados a atmosferas explosivas ou sujas Desvantagens: Modelo dinâmico mais complexo Controle e acionamento mais difícil

11 Características funcionais Na máquina de indução tanto o rotor quanto o estator conduzem corrente alternada, porém apenas o estator está ligado diretamente a uma fonte de alimentação; A corrente que circula pelo rotor é uma corrente induzida devido a um campo variável dado pela diferença de velocidade de rotação do rotor e do campo girante. Por isso a nomenclatura máquina de indução; Apresentam características excelentes para a operação a velocidades constantes, porque a velocidade é determinada pela frequência da rede de alimentação e o número de polos do motor;

12 Introdução Máquinas de indução são as máquinas elétricas mais usadas no presente. Elas oferecem as seguintes atrativas características: Geralmente mais fácil de fabricar e mais baratas que as correspondentes máquinas CC ou síncornas; Robusta e requer pouca manutenção; Uma administrável curva torque-velocidade Estável operação sem carga Geralmente satisfatória eficiência; Faixa de poucos Watts até alguns MWatts

13 Introdução cont. Algumas desvantagens dos motores de indução são: A velocidade não é facilmente controlável como a de um motor CC; Alta corrente de partida, tipicamente 6 a 8 vezes a corrente nominal; Em condição de baixa carga, opera com fator de potência reativo indutivo (atrasado).

Aspectos construtivos - Estator ACIONAMENTOS CA 14 Enrolamento: Passo polar: pólos - Meio Imbricado - Imbricado - Concêntrico - Define a região dos Passo de bobina: - Inteiro - Fracionário

15 Aspectos construtivos - Rotor ROTOR GAIOLA DE ESQUILO: Consiste de barras de cobre, de grande seção, unidas em cadaextremidade por um anel de cobre ou de bronze. ROTOR BOBINADO: Possui enrolamento isolado semelhante ao enrolamento do estator. Estes enrolamentos do rotor (trifásico) são trazidos para o exterior através de três anéis coletores montados sobre o eixo do motor.

Aspectos construtivos outras partes... Estator: (1) Carcaça; (2) Núcleo magnético; (8) Enrolamento trifásico. Rotor: (7) Eixo; (3) Núcleo magnético; (12) Barras e anéis de curtocircuito. Outras partes do motor: (4) Tampa dianteira; (5) Ventilador; (6) Tampa defletora; (9) Caixa de ligação; (10) Terminais de ligação; (11) Rolamentos (mancais). 16

17 Princípio de funcionamento 1) Uma máquina de indução trifásica possui enrolamentos no estator aos quais é aplicada a tensão alternada de alimentação. 2) Dada a característica trifásica da alimentação do estator e à distribuição espacial dos enrolamentos, o campo produzido pelo estator é girante, ou seja, sua resultante possui um movimento rotacional 3) Por efeito transformador, o campo magnético produzido pelos enrolamentos do estator induz correntes no rotor, de modo que, da interação de ambos campos magnéticos será produzido o torque que levará a máquina à rotação. O campo produzido pelas correntes induzidas no rotor terá a mesma característica, procurando sempre acompanhar o campo girante do estator.

18 Campo Magnético Girante Os enrolamentos trifásicos localizados no estator e representados pelos enrolamentos A-A1, B-B1 e C-C1 estão deslocados de 120 graus entre si.

19 Campo Magnético Girante Para outros instantes...

20 Velocidade Síncrona A velocidade do campo magnético girante é chamada de velocidade síncrona do motor. n s 120 P f onde: ns = velocidade síncrona ou velocidade do campo magnético girante (rpm); f = freqüência da corrente do estator ou frequência da rede (alimentação), Hz; P = número total de pólos.

21 Escorregamento Escorregamento: s ( ns n) n (%) s 100% onde: S(%) = escorregamento percentual, %; ns = velocidade síncrona (ou velocidade do campo girante), rpm; n = velocidade de funcionamento do motor (ou velocidade do rotor), rpm. A velocidade do rotor não pode ser igual à velocidade síncrona, pois assim, nenhuma corrente seria induzida no enrolamento do rotor e consequentemente nenhum torque seria produzido.

Campo Magnético Girante e Escorregamento 22 Dada em radianos mecânicos/segundo a velocidade síncrona mecânica é relacionada a velocidade síncrona elétrica por: sm 2 e P Se o rotor está girando a uma velocidade angular rm a velocidade de escorregamento é simplesmente igual a sm - rm. O escorregamento, s, é a velocidade de escorregamento normalizada e é dado por: s sm rm e r sm e

23 Princípio de funcionamento O motor de indução também é conhecido por motor assíncrono, exatamente por não poder funcionar na velocidade síncrona. A diferença percentual entre as velocidades do campo girante e do rotor é chamada de deslizamento (S de slip ). O deslizamento também é comumente chamado de escorregamento.

24 Equações Para compreendermos os princípios do controle de velocidade e torque do motor de indução trifásico, é necessário o conhecimento de algumas relações que regem o funcionamento dessa máquina. A seguinte análise proporciona apena o entendimento básico do motor de indução trifásico: na prática, essas relações exigem uma modelagem matemática muito mais complexa. Fluxo magnético O fluxo no entreferro do motor de indução trifásico é proporcional à tensão no estator e inversamente proporcional à frequência. V f Portanto, o fluxo magnético pode ser alterado das seguintes maneiras: reduzido pelo decréscimo da magnitude da tensão ou elevação da frequência, mantido constante por uma variação proporcional da tensão e frequência, ou elevado com a redução da frequência da tensão alternada aplicada ao estator. Lembre-se que a magnitude da tensão aplicada ao estator do MIT não pode ser superior à tensão nominal da máquina

25 Características operacionais Para compreendermos os princípios do controle de velocidade e torque do motor de indução trifásico, é necessário o conhecimento de algumas relações que regem o funcionamento dessa máquina. A seguinte análise proporciona apena o entendimento básico do motor de indução trifásico: na prática, essas relações exigem uma modelagem matemática muito mais complexa. Fluxo magnético O fluxo no entreferro do motor de indução trifásico é proporcional à tensão no estator e inversamente proporcional à frequência. V f Portanto, o fluxo magnético pode ser alterado das seguintes maneiras: reduzido pelo decréscimo da magnitude da tensão ou elevação da frequência, mantido constante por uma variação proporcional da tensão e frequência, ou elevado com a redução da frequência da tensão alternada aplicada ao estator. Lembre-se que a magnitude da tensão aplicada ao estator do MIT não pode ser superior à tensão nominal da máquina

26 ACIONAMENTOS CA Características operacionais Torque Para o torque desenvolvido pelo motor, temos a seguinte relação: T.i R Sendo i R, a corrente induzida no rotor.

Característica Torque-Velocidade ACIONAMENTOS CA A característica torque-velocidade de um motor é importante do ponto de vista de suas aplicações a específicas situações. Para calcular o torque produzido pela máquina, primeiro, computa-se a potência do motor. A potência do motor, ou a potência mecânica fornecida para a carga é: 27 P em P in P perdas A potência elétrica entregue ao motor pode ser calculada do circuito equivalente a seguir

Modelo da MI - Circuito Equivalente por Fase 28 O circuito equivalente por fase do motor de indução é mostrado abaixo:

Modelo da MI - Circuito Equivalente por Fase 29 Utilizando o modelo do rotor, onde Xr representa a indutância de dispersão (na freqüência ωs) e Rr é a resistência do enrolamento, obtémse a corrente do rotor: I ' r R ' r s. Er j. s. X ' r O modelo do rotor foi modificado a fim de que o escorregamento afete apenas a resistência do rotor, como se vê no circuito (b), onde se inclui também um circuito equivalente para o estator. Refletindo o lado do rotor para o do estator, tem-se o circuito equivalente mostrado em (c). Indica-se nesta figura a reatância de magnetização, Xm e a resistência relativa às perdas no ferro da máquina, Rm. A resistência do enrolamento do estator é Rs e a reatância de dispersão, Xs. I ' r R s ' r E r j '. X r

30 Circuito Equivalente por Fase Expressões de Potência Potência de Entrada: Perdas no cobre do estator: Perdas no cobre do rotor: Perdas no núcleo: Potência cruzando o entreferro: Potência de saída: Potência no eixo: P 3V I cos in s s 2 ls s s 2 lr 3Ir Rr onde P Fw são perdas por atrito e por ventilação P P P V R 2 lc 3 m / m 3I R P I R s 2 g 3 r r / P P P I R s s 2 o g lr 3 r r (1 / ) P P P sh o Fw onde cos é o FP da entrada

Circuito equivalente por fase simplificado 31 R 2 2 2 Sendo, normalmente, muito grande e X R, X, o ramo m relativo à magnetização pode ser representado apenas pela reatância e colocado na entrada do circuito, como mostrado na figura abaixo. m S S

ACIONAMENTOS CA 32 Circuito equivalente por fase simplificado A corrente do rotor fica então dada por: Substituindo Ir na expressão da potência no entreferro e, esta, na expressão do torque desenvolvido, tem-se: 2 1/ 2 2 r S r S S r X X s R R V I 2 2 2... 3. r s r s s S r m X X s R R s V R T

Circuito Equivalente por Fase Expressão de Torque O Torque também pode ser calculado por: P 3 1 s P R T I R 3 I 2 o 2 2 r e r r r m m s s e 33 Onde 2 2 m r (1 s ) e P P é a velocidade mecânica do rotor (radianos/segundos)

34 Torque de Partida do MI O torque de partida de um motor de indução é obtido, substituindo s=1, resultando em: T 3 P 2. I 2 r Rr. e

35 Cálculo de s max e T max Para encontrar s max, igualamos a derivada em relação a s da equação do torque a zero. O que resulta s max dt m ds 0 R 2 s R r X X 2 s r substituindo s max na equação do torque, resulta em T max T max 3 2 s R s R 2 s V 2 X s X r 2

Característica Torque-Velocidade ACIONAMENTOS CA Equação do escorregamento máximo mostra que o escorregamento no qual ocorre o máximo torque é proporcional a resitência do rotor. A equação do torque máximo é independente da resistência do rotor 36

Curva Torque-Velocidade do MI cont. ACIONAMENTOS CA 37 Ref: R. Krishnan, Electric Motor Drives

38 Curva Torque-Velocidade do MI A curva torque-velocidade como uma função do escorregamento pode ser calculado da equação dada anteriormente.

Curva Torque-Velocidade do MI cont. ACIONAMENTOS CA Três regiões na curva toque-velocidade: 1) Região Plugging (frenagem) (1<s<2) Rotor gira na direção oposta ao fluxo do entreferro. Pode acontecer, por exemplo, se o estator alimentar sequência de fase reversa. 39 2) Região Motora (0<s<1) T e =0 em s=0. A medida que s aumenta (velocidade diminui), T e aumenta até que o torque máximo (torque de quebra (breakdown)) seja atingido. A partir deste ponto, T e decresce com o aumento de s.

Curva Torque-Velocidade do MI cont. 3) Região Regenerativa (s<0) ACIONAMENTOS CA Aqui a máquina de indução opera como um gerador. O rotor gira mais rápido que o fluxo do entreferro, resultando em escorregamento negativo. 40