Aplicação de Inversor de Freqüência em Motor de Anéis André Ribeiro Corrêa & Cláudio Castro Prado Abstract This document provides the information necessary for the application of frequency inverters in ring motors showing the characteristics of the torque and the motor torque, for it will be presented the structure of the motor and the inverter so you can make the application ensuring a smooth operation equipment involved in the process. Index Terms -torque motor, frequency converter, engine rings, engine torque. Resumo Este documento apresenta as informações necessárias para a aplicação de inversores de freqüência em motores de anéis mostrando as características do torque e do conjugado do motor, para isso serão apresentadas as características do motor e do inversor para que se possa fazer a aplicação garantindo um bom funcionamento dos equipamentos envolvidos no processo. Palavras chave conjugado do motor, inversor de freqüência, motor de anéis, torque do motor. I. INTRODUÇÃO As indústrias têm procurado continuamente instalar sistemas de acionamento que proporcionem qualidade tanto no controle como também no aspecto de eficiência energética em suas máquinas e o motor é o principal equipamento a ser controlado. O inversor de freqüência é utilizado para controles de torque e velocidade, acionando eletronicamente os motores de indução. Para o motor de anéis a aplicação exige que alguns detalhes sejam observados no momento da especificação, pois estes diferem dos motores de indução tipo gaiola comumente utilizados. O motor de anéis atualmente não é tão utilizado quanto o tipo gaiola, mas ainda é bastante encontrado em indústrias siderúrgicas, em máquinas antigas ou onde houver cargas que necessitem de grande torque de partida e controle de velocidade. Através da variação da resistência rotórica a velocidade e o torque de partida deste tipo de motor pode ser controlado, porém sem grande precisão. Além disso, na maioria dos casos esses motores são acionados alimentados diretamente ligados à rede elétrica, sendo necessário um grande número de comutações durante a partida, exigindo solicitações transitórias no barramento de alimentação, além de submeter o motor a grandes elevações de temperatura, favorecendo a utilização de inversores de freqüência. Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Instituto Nacional de Telecomunicações, como parte dos requisitos para a obtenção do Certificado de Pós-Graduação em Engenharia de Sistemas Eletro-Eletrônicos, Automação e Controle Industrial. Orientador: Prof. Cláudio Castro Prado. Trabalho aprovado em 03/2014. Para especificar o inversor de freqüência para o motor de anéis, informações importantes do funcionamento devem ser consideradas. Dados de torque e ciclo de funcionamento da máquina devem ser observados. Esta aplicação é feita em casos que necessite da modernização do equipamento mas não seja possível substituir o motor de anéis que é o indicado a ser realizado para modernização do equipamento. Nem sempre isto é possível por diversas questões, como tempo de parada de máquina e dificuldades de adaptações mecânicas. Se todas as informações do acionamento forem observadas nesta etapa, em uma próxima melhoria o inversor de freqüência já estará pronto para a substituição do motor de anéis por um motor de indução do tipo gaiola. A aplicação do inversor de freqüência em motor de anéis não é muito comum e pode ocasionar o desgaste precário do motor devido ao fato do rotor deste tipo de motor ser parecido com o estator, ou seja, feito por fios. Ao executar o fechamento sem os resistores para a aplicação do inversor de freqüência, dependendo do tipo de funcionamento, valores altos de partida e frenagem podem danificar o motor. Este tipo de aplicação é adotada como possível solução imediata, mas a troca do motor deve ser planejada e executada em uma próxima etapa. II. MOTOR DE ANÉIS O motor de anéis se enquadra nos tipo de motor assíncrono, assim como os motores de gaiola de esquilo. Sua principal diferença é a possibilidade de acesso no circuito do rotor em sua caixa de ligação através de anéis coletores. Com este recurso é possível inserir resistências no circuito do rotor, alterando sua característica de torque e também possibilitando um pequeno ajuste de velocidade. O rotor recebe um enrolamento de três fases, cujo número de pólos deve corresponder ao do campo girante do estator. Como mostrado na Figura 1; os terminais U/V/W são disponibilizados na caixa de ligação do motor, enquanto os terminais das extremidades u/v/w são ligados conjuntamente em estrela. O circuito de corrente do rotor é fechado por um segundo ponto estrela no dispositivo de partida do rotor e este não deve ter posição de desligamento. [11] A corrente no rotor é mais elevada que a corrente do estator. Assim, para a ligação de partida do rotor, é necessário escolher um condutor cuja seção seja superior aquela utilizada para ligar o motor à rede.[1]
III. CONJUGADO DOS MOTORES O conjugado nada mais é que é a força que o motor pode exercer na ponta do eixo do rotor, também referido como torque. Uma das principais características dos motores de indução é a curva de conjugado versus rotação que pode ser observado na Figura 3. Fig. 1. Motor de anéis com rotor trifásico e resistores de partida. [11] O motor de anéis fornece um alto conjugado de partida e baixa corrente com a aplicação dos resistores de partida. O conjugado máximo pode ser deslocado ao ponto de partida e após alcançar as condições nominais retirar as resistências do rotor e novamente retornar o conjugado à posição normal com a rotação do motor elevada. Neste tipo de motor também é possível uma partida com corrente e conjugado nominal no momento da partida. Se o dispositivo de partida do rotor é dimensionado para carga permanente, então é possível efetuar uma regulação de velocidade para valores inferiores, por meio de um aumento do escorregamento.[1] Devido às características apresentadas os motores de anéis são utilizados em acionamentos com elevado conjugado de partida, para partida de grandes motores a plena carga, ou sob carga pesada com longo tempo de partida, para potências de motores onde os métodos atuais de partidas não atendam a especificação e acionamentos de reguladores de velocidade. A Figura 2 apresenta as características de velocidade e de conjugado, para partidas com resistores inseridos no rotor. Fig. 3. Característica de Conjugado versus Rotação. [11] Na Figura 3 há varias características de conjugado que devem ser observadas para especificação de motores e que também influenciam na aplicação de inversores de freqüência nesses motores. O conjugado mínimo é o que o motor desenvolve durante o momento da partida até que ele alcance o conjugado nominal. Conjugado de partida é o conjugado que o motor desenvolve quando esta em repouso é e aplicado a tensão na freqüência nominal do motor. Conjugado máximo é que o motor consegue fornecer sobre condições nominais sem ocasionar uma queda abrupta de velocidade. Conjugado nominal é o que o motor consegue fornecer atingindo sua potência nominal com a sua rotação nominal. As perdas rotóricas são proporcionais ao escorregamento e estão confinadas no rotor. Nos motores de anéis as perdas se dividem proporcionalmente entre a resistência rotórica e as resistências externas inseridas no circuito.[3] Na Figura 2 pode-se observar as características de conjugado dos motores de anéis de acordo com a inserção das resistências. Mesmo sem as resistências externas a característica de conjugado de um motor de anéis ainda se diferencia dos motores gaiola, diferenciando também a aplicação de inversor de freqüência neste motor. De acordo com as características de conjugado em relação à velocidade e corrente de partida, os motores são divididos em categorias, cada uma adequada à carga que o motor será acoplado. Estas categorias são definidas por norma, mostradas na Tabela 1. Fig. 2. Característica de velocidade e conjugado para partida com resistores. [5]
CATEGORIA N H D NY HY TABELA I CATEGORIA DE CONJUGADO. DESCRICÃO Conjugado normal, corrente de partida normal e baixo escorregamento. Conjugado alto, corrente de partida normal e baixo escorregamento. Conjugados altos (Cp= 275% Cn), corrente de partida normal e alto escorregamento (8 a 13%). Esta categoria inclui os motores semelhantes aos de categoria N, porém, previstos para partida estrelatriângulo. Para estes motores na ligação estrela, os valores mínimos do conjugado com rotor bloqueado e do conjugado mínimo de partida são iguais a 25% dos valores indicados para os motores categoria N. Esta categoria inclui os motores semelhantes aos de categoria H, porém previstos para partida estrelatriângulo. Para estes motores na ligação estrela, os valores mínimos do conjugado com rotor bloqueado e do conjugado mínimo de partida são iguais a 25% dos valores indicados para os motores de categoria H. IV. ESCORREGAMENTO A diferença de rotação entre o rotor e o campo girante é chamada de escorregamento, sendo geralmente apresentado em porcentagem. O escorregamento para motores assíncronos é definido por: s (1) = n s n s n.100 Onde: s é o escorregamento percentual. n s é a rotação síncrona (velocidade do campo girante). n é a rotação do rotor. Fig. 4. Característica de Conjugado versus Rotação e Escorregamento. [5] Se a carga do motor aumentar acima do conjugado máximo o motor travará. Este conjugado máximo também é conhecido como torque de ruptura. [3] V. INVERSOR DE FREQÜÊNCIA O inversor de freqüência é utilizado para controlar velocidade, partida e torque de motores. Ele executa ainda funções de proteção e monitoramento de corrente e tensão do circuito. Os inversores são essenciais em motores de máquinas onde são necessários controle de posicionamento e também de sincronismo de mais de um eixo. Existem vários fabricantes e modelos de inversores e, a melhor aplicação de cada um depende do tipo de acionamento e controle que deve executar. Na figura 5 é mostrada a estrutura básica de um inversor de freqüência. O escorregamento pode ser definido pelas informações contidas na placa do motor, ou também pode ser definido medindo-se a rotação do motor. A velocidade síncrona do motor é definida por: n s f = 120 (2) p Onde: n s é a velocidade síncrona. f é a freqüência da rede. p é o número de pólos do motor. Na Figura 4 pode ser observado que para um escorregamento de aproximadamente 5% o motor atinge seu conjugado nominal, enquanto que chegando a um escorregamento de 25% o motor atinge seu conjugado máximo. Fig. 5. Estrutura básica de um inversor de freqüência. [4] A CPU do inversor de freqüência é baseada em um microcontrolador e é o cérebro do inversor, sendo responsável por todo processamento do sistema de dados e parâmetros do inversor.[4] A IHM é a interface de acesso do usuário para poder parametrizar o inversor de freqüência, podendo ser parametrizados também via software próprio instalados em computadores.[4] A interface eletrônica é onde estão disponíveis os acessos das entradas e saídas digitais e analógicas, além dos módulos de redes de comunicação. Muitos inversores têm os recursos
de entradas, saídas e redes de comunicação disponíveis em blocos modulares adaptados a eles. Este recurso é vantajoso na concepção do projeto, pois pode-se configurar do sistema de acordo com a necessidade da instalação. O inversor pode também ser dividido basicamente em dois blocos: o bloco de controle, constituído pela CPU, interface eletrônica e IHM, mostrado na Figura 5; e o bloco de potência constituído pela seção retificadora, barramento DC e seção inversora, como mostrado na Figura 6. Fig.6. Arquitetura de potência do inversor de freqüência. [4] Existem dois tipos de inversores de freqüência: de controle escalar e de controle vetorial. O inversor de controle escalar executa o controle de torque através da relação tensão/freqüência, sendo utilizado em aplicações simples onde a principal função é o controle de velocidade.[4] A Figura 7 mostra a relação tensão/freqüência de um inversor escalar. VI. ESPECIFICAÇÃO DO INVERSOR DE FREQÜÊNCIA A especificação do inversor de freqüência com controle escalar é mais simples que a do controle vetorial, sendo necessário apenas ter informações dos dados de placa do motor, como: corrente, tensão, potência e velocidade. Este inversor é utilizado em aplicações onde a principal variável a ser controlada é a velocidade do motor, tendo funções básicas como rampa de aceleração, desaceleração e sentido de rotação como as principais funções de controle. O inversor de freqüência com controle escalar é utilizado em aplicações onde não são requeridos grandes valores de aceleração e frenagem, ou um controle preciso de torque. Quando utilizados em motores não adequados para esta aplicação, deve-se verificar qual será a velocidade de trabalho, pois geralmente estes motores possuem o ventilador acoplado ao seu eixo e, em baixas rotações, esta ventilação passa a não ser suficiente para promover a refrigeração necessária, exigindo um sistema de ventilação externo para evitar sobreaquecimento. O inversor deve atender todas as características nominais do motor e, para o bom funcionamento do sistema, o motor também deve ter sido especificado corretamente atendendo todas as características da carga a qual estiver acoplado. A aplicação de inversor de freqüência com controle vetorial é mais complexa e, além de conhecer as características do motor, é essencial conhecer a característica de funcionamento da carga a qual ele estiver acoplado. O ciclo de funcionamento da máquina é uma característica que deve ser conhecida, sendo este ciclo composto pelas informações sobre características de partida, parada e de torque da máquina. influenciando as características da corrente que o inversor de freqüência deve fornecer ao motor. A Figura 8 apresenta o exemplo de um ciclo de corrente no funcionamento de máquina e, no caso de aplicação de inversores de freqüência em máquinas já existentes, é fundamental a medição antes da implementação do novo equipamento para que ele possa no mínimo manter as características atuais de funcionamento. Fig.7. Relação tensão/freqüência inversor escalar. [4] O inversor de controle vetorial é o tipo mais complexo, onde o controle de torque é executado através de seu software que altera automaticamente a relação tensão/freqüência para compensar o torque necessário pelo motor que acontecem em rotações baixas ou elevadas, podendo ser instalados sensores de rotação, para melhor regulação de sua malha de velocidade.[4] O inversor utilizado para aplicação em motor de anéis deve ser do tipo de controle vetorial, pois a dinâmica neste tipo de aplicação é mais exigida. Fig.8. Ciclo de Corrente no funcionamento de máquina. No ciclo de corrente de uma máquina representado na Figura 8 pode ser observado que em um período de 97 segundos a corrente varia entre picos que duram em média 16
segundos com um valor de corrente de aproximadamente 700 A e 3 segundos com valores próximos de zero. Trata-se apenas de um exemplo, sendo que cada máquina tem seu ciclo de trabalho. Esta informação é utilizada para a especificação do inversor que é projetado para atender algumas condições de sobrecarga, possibilitando otimizar sua especificação. A aplicação de inversores de freqüência de controle vetorial não é feita somente com os dados básicos do motor. Informações da dinâmica da máquina são necessárias para definir a potência do inversor de freqüência, podendo ser necessários inversores de freqüência com potência superior a do motor para atender características de aceleração e frenagem. Há também casos em que pode-se ter inversores de freqüência com potência inferior a do motor, em acionamentos em que o tempo de repouso da máquina seja elevado. Os inversores de freqüência de controle vetorial podem trabalhar em regime intermitente com uma corrente de sobrecarga de até 150%. Para utilizar este recurso é necessário que o ciclo da máquina tenha as mesmas características que o ciclo de sobrecarga do inversor de freqüência. Fig.10. Característica de sobrecarga do inversor com controle vetorial. [7] Para conectar um motor de anéis a um inversor de freqüência, além das considerações já apresentada, existem mais duas característica que devem ser levadas em consideração: a primeira diz que para a aplicação do inversor de freqüência não é necessária a inserção dos resistores externos ao circuito do rotor e os pontos de interligação do rotor devem ser conectados, como mostrado na Figura 11. Fig.9. Ciclo de sobrecarga do Inversor com controle vetorial. [7] A Figura 9 mostra um ciclo de sobrecarga que o inversor de freqüência com controle vetorial pode alimentar um motor. O gráfico mostra que em um ciclo de trabalho de 300 segundos o inversor fornece uma corrente de 1,5 vezes a corrente de base I H, sendo esta corrente aproximadamente 85% da corrente nominal de saída do inversor de freqüência, de acordo com dados de catálogo. Existem vários tipos de características de sobrecarga que o inversor de freqüência pode suportar, devendo verificar essas informações no manual do equipamento utilizado. A Figura 10 traz exemplos de características de sobrecarga de inversores de freqüência com controle vetorial. Fig.11. Motor de anéis com rotor interconectado. O segundo ponto a ser observado é que para o motor manter a característica de torque sem os resistores do circuito do rotor, o inversor deve ser dimensionado com uma corrente suficientemente grande para atender esta especificação, ou seja, a corrente necessária para o motor manter o torque máximo com a mesma característica do funcionamento com os resistores inseridos no rotor, variando entre 2,5 a 3 vezes a corrente nominal do motor, devendo este valor ser retirado do manual do motor. Considerando que o inversor de freqüência trabalha com uma sobrecarga de 1,5 vezes a corrente nominal de saída, a corrente nominal de um inversor de freqüência aplicado em motor de anéis é definida por: I inv CP I N = (3) 1,5
Onde: I inv é a corrente nominal do inversor de freqüência. C P é o fator de multiplicação da corrente nominal para o motor trabalhar com torque máximo na partida. I N é a corrente nominal do motor. Um motor de anéis pode ter o rendimento de 2,5 a 3 vezes maior que um motor de gaiola com a mesma potência. Porém este valor depende das características de cada tipo ou fabricante e, no caso da substituição de um modelo por outro, essas informações devem ser levantadas no manual de cada motor. Utilizando os dados necessários para a aplicação de um inversor para um motor de anéis de 125 cv, 440V e 159ª, aplicado em um leito de resfriamento de um laminador contínuo de barras, com o ciclo de funcionamento de 20 segundos, ele operará com corrente máxima por 5 segundos e permanecerá desacionado por 15 segundos, sendo que o motor utilizado tem torque de partida aproximadamente 2,5 vezes o torque nominal. Com o uso da equação (3) obtém-se a indicação da corrente do inversor, a qual deve ser de 265 A. Utilizando um inversor da família SINAMICS S120 Siemens com o ciclo de trabalho conforme a Figura 12, pode-se utilizar o inversor com corrente máxima de 290 A. Na Figura 13 é mostrado o inversor utilizado devido ao fato de se conhecer o ciclo de máquina. Fig.12. Ciclo de sobrecarga do Inversor com controle vetorial. [7] Fig.13. Iversor de frequência especificado para ciclo de trabalho intermitente. [7] Se não conhecêssemos o ciclo de trabalho da máquina e considerasse o trabalho em regime continuo o inversor especificado teria que ser um inversor com corrente nominal de trabalho de 310 A, conforme representado na Figura 14. Fig.14. Iversor de freqüência especificado para ciclo de trabalho contínuo.[7] Pode ser observado que sem o conhecimento do ciclo de trabalho do motor de anéis o inversor especificado tem uma corrente quase duas vezes maior para atender o mesmo motor. Lembrando que os inversores de freqüência têm seu preço determinado, entre outras características, de acordo com a relação de sua corrente nominal, haveria um investimento desnecessário para esta aplicação. Outra desvantagem em aplicar o inversor maior seria também dado seu tamanho físico, o qual pode levar a dificuldades na instalação e também em eventuais reparos. VII. CONCLUSÕES A implementação de inversor de freqüência para controle de máquinas apresenta ganhos como qualidade de energia, melhor controle dos motores, funções de monitoramento, diagnóstico de operação, melhora na dinâmica de acionamento e frenagem e redução na manutenção, entre outros. A obtenção destas vantagens se dá desde que se conheçam todos os recursos que o equipamento utilizado disponibiliza. Existem no mercado desde equipamentos mais simples, onde o custo é reduzido, até equipamentos mais modernos onde o nível de controle é avançado. A utilização de cada tipo depende do conhecimento não só das características elétricas do conjunto motor-inversor, mas também das características mecânicas da carga a qual o motor está acoplado. Para a aplicação de inversores de freqüência em motores de anéis as características mecânicas são essenciais, pois a dinâmica deste tipo de motor é muito exigida na partida. O dimensionamento correto, além de garantir o funcionamento perfeito da máquina, em caso de necessidade de troca do motor de anéis, por um novo motor que atenda as características dinâmicas da máquina, já estará preparada. O funcionamento do motor de anéis por inversor de freqüência altera as características de alimentação e, dependendo da faixa de velocidade que o motor de anéis trabalhará, sua vida útil pode ser reduzida. Há vários casos de inversores de freqüência alimentando motores de anéis e funcionando perfeitamente, entretanto não se pode evitar um desgaste maior e conseqüente redução de vida útil. Em caso da necessidade de aplicação de inversor de freqüência, deve-se considerar a substituição do motor de anéis por um motor de indução tipo gaiola. Caso não seja possível, o melhor a se fazer em uma primeira etapa é aplicar os conceitos apresentados para a especificação do inversor de freqüência, e deixar preparado para uma próxima etapa a
substituição do motor de anéis, pois assim o inversor de freqüência já estará pronto para a substituição do motor em caso de um eventual dano. REFERÊNCIAS [1] LOBOSCO, Orlando; DIAS, José. Seleção e aplicação de motores elétricos. 1. Ed. São Paulo: McGraw-Hill, 1988. [2] FRANCHI, Claiton. Acionamentos Elétricos. 3. Ed São Paulo: Érica, 2008. [3] REZEK, Angelo. Fundamentos básicos de máquinas elétricas. 1. Ed. Rio de Janeiro: SYNERGIA, 2011. [4] SILVA, Clodoaldo. Inversor de Freqüência. Fonte: www.clubedaeletronica.com.br [5] SILVA, Clodoaldo. Motor de indução Trifásico. Fonte: www.clubedaeletronica.com.br [6] MOHAN, Ned, UNDELAND, Tore M, ROBBINS, William P. Power Electronics Converters, Applications and Design. Ed. Canada: John Wiley & Sons, 1989. [7] RASHID, Muhammad. Power Electronics Circuits, devices and applications. 2. Ed. New Jersey: Prentice Hall, 1993. [8] WEG, Variação de velocidade. 2 a Ed. Jaraguá do Sul: WEG, 2006. [9] SINAMICS S120 Ac Drive (on-line).manual 2008-. Disponível na Internet. URL: http://www.automation.siemens.com [10] SIMOTION, SINAMICS S120 and Motors for Production Machines (on-line). Catalog PM21 2008-. Disponível na Internet. URL: http://www.automation.siemens.com [11] PINTO, Joel Rocha. Máquinas Elétricas. Sorocaba, 1995. 109p. Apostila Faculdade de Engenharia de Sorocaba. André Ribeiro Corrêa nasceu em São José dos Campos, SP, em 23 de junho de 1980. Possui os títulos: Técnico em Mecatrônica (Colégio de Itajubá, 2003), Tecnólogo em Automação Industrial (FEPI Itajubá, MG, 2007). Leciona no Colégio de Itajubá Itajubá MG, nas disciplinas de automação industrial e automação residencial. Atualmente responsável pelo setor de Engenharia e Projetos da Empresa Nery Engenharia Comercio e Representações. Tem interesse nas áreas de Máquinas Elétricas e Automação e Controle. Cláudio Castro Prado nasceu em Itajubá, MG, em 04 de janeiro de 1969. Recebeu os títulos de Engenheiro Eletricista pelo Inatel em 1992 e Mestre em Sistemas Elétricos de Potência pelo Departamento de Engenharia Elétrica da Escola Federal de Engenharia de Itajubá em 1999. Professor no Curso de Pós- Graduação em Engenharia de Sistemas Eletroeletrônicos, Automação e Controle Industrial do Inatel desde 2010. Tem interesse nas áreas de Sistemas Elétricos de Potência, Qualidade de Energia, Máquinas Elétricas, Materiais Isolantes, além de Automação e Controle.