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Caderno Técnico Schneider Electric no. 208 autor D. Clenet /tradução Ludgero Leote 1/31

Escola Secundária Emídio Navarro Curso Profissional de Electrónica, Automação e Comp utadores Disciplina de Automação e Computadores

Arrancadores electrónicos e Variadores de velocidade


Arrancadores electrónicos e Variadores de velocidade

O modo mais habitual de arrancar motores assíncronos é por ligação directa à rede eléctrica. Esta técnica é adequada a muitos tipos de máquinas. No entanto, o método colide por vezes com restrições que podem ser inconvenientes para algumas aplicações, ou mesmo incompatíveis com as funções desejadas para a máquina: � A corrente de pico no arranque pode interferir com o funcionamento de outros equipamentos ligados na mesma linha de alimentação. � Os choques mecânicos durante o arranque que não podem ser tolerados pela máquina ou podem pôr em perigo o conforto e a segurança dos utilizadores. � A aceleração e desaceleração que não podem ser controladas. � A velocidade que não pode ser controlada. Arrancadores e variadores de velocidade são capazes de lidar com estes problemas. A tecnologia electrónica tornou esses sistemas mais flexíveis e alterou o seu campo de aplicação. Contudo, é ainda importante efectuar a escolha com correcção. O propósito deste “Caderno Técnico” é providenciar uma informação mais profunda sobre estes dispositivos de modo a facilitar a sua definição no projecto de equipamentos ou na melhoria ou mesmo substituição de um conjunto de comutação para controlo e protecção de motores.

Tabela de conteúdos 1 Breve história e notas 1.1 Breve história p. 2 1.2 Notas: Principais funções dos arrancadores electrónicos p. 2 e dos variadores de velocidade 2 Principais modos de 2.1 Principais modos de funcionamento p. 6 funcionamento e tipos de 2.2 Principais tipos de dispositivos p. 9 controladores electrónicos 3 Estrutura e constituição de 3.1 Estrutura p. 11 arrancadores e variadores 3.2 Constituição p. 13 4 Regulador de velocidade 4.1 Princípio geral p. 17 variável para motores CC 4.2 Modos de funcionamento possíveis p. 18 5 Inversor de frequência 5.1 Princípio geral p. 19 para motores assíncronos 5.2 Funcionamento V/f p. 20

5.3 Controlo Vectorial p. 21 5.4 Controlador de tensão para motores assíncronos p. 26 5.5 Controlador de motores síncronos p. 28 5.6 Controlador de motores passo-a-passo p. 29

6 Outras funções dos 6.1 Opções de diálogo p. 30 variadores de velocidade 6.2 Funções integradas p. 30 6.3 Cartas opcionais p. 31 7 Conclusão p. 31


1.2 Notas: As funções principais dos arrancadores e lectrónicos e dos variadores de velocidade Aceleração controlada

A subida de velocidade de um motor é controlada usando uma rampa linear ou em S. Esta rampa é normalmente ajustável e apresenta ainda um tempo de subida da velocidade que é adequado à aplicação seleccionada. Controlo de velocidade Um variador de velocidade não pode ser ao mesmo tempo um regulador. Isso significa que é um sistema rudimentar onde o princípio de

realimentação, (feedback) pelo que é descrito como “em malha aberta”. A velocidade do motor é definida por um valor de entrada (tensão ou corrente) conhecido por referência ou setpoint. Para um dado valor de referência, esta velocidade pode variar dependendo de perturbações (variações na tensão de alimentação, carga, temperatura). A gama de velocidades é definida em relação à velocidade nominal.

Breve história e notas

1.1 Breve história

Inicialmente, utilizavam-se para o

arranque de motores eléctricos e controlo de velocidade, arrancadores a reóstato, controladores mecânicos e conjuntos rotativos (Ward Leonard nomeadamente). Mais tarde, surgiram os arrancadores electrónicos e controladores de velocidade como sistemas modernos de baixo custo, como solução eficiente e de fácil manutenção para as aplicações industriais. Um arrancador ou controlador electrónico é um conversor de energia, que modula a energia eléctrica fornecida ao motor. Os arrancadores electrónicos são utilizados apenas para motores assíncronos. São uma espécie de controladores de tensão. Os variadores de velocidade garantem uma aceleração e desaceleração gradual e permitem adequar a velocidade às condições precisas de funcionamento. Os variadores de velocidade do tipo rectificação controlada são utilizados para fornecer potência a motores CC e os inversores de frequência são usados para os motores CA.

Historicamente, os controladores para os motores DC apareceram primeiro. Os inversores de frequência eficientes e de baixo custo apareceram como resultado dos avanços verificados na electrónica de potência e na microelectrónica. Os modernos inversores de frequência podem ser usados para fornecer potência a motores assíncronos normais com níveis de qualidade idênticos aos dos melhores variadores de velocidade para CC. Alguns fabricantes disponibilizam mesmo motores assíncronos com variador de velocidade acondicionado numa caixa própria com terminais. Esta solução é desenhada para conjuntos de baixa potência (alguns poucos kW). Os recentes desenvolvimentos em variadores de velocidade e informações sobre fabricantes são apresentados no final deste “Caderno Técnico”. Estes desenvolvimentos estão expandindo significativamente as ofertas de variadores e as opções disponíveis.


Regulação de velocidade

Um regulador de velocidade é um sistema controlado (ver Fig. 1 ). Trata-se de um sistema de controlo com amplificação de potência e uma malha de realimentação pelo que é descrito como “em malha fechada”. A velocidade de um motor é definida por uma referência. O valor da referência é comparado continuamente com um sinal de realimentação , que é uma imagem da velocidade do motor. Este sinal é fornecido ou por um tacómetro (gerador tacométrico) ou por um

gerador de impulsos associado ao eixo do motor. Se é detectado um desvio devido a uma variação de velocidade, os valores aplicados ao motor (tensão e/ou frequência) são automaticamente corrigidos de modo a repor a velocidade no valor inicial. O controlo de realimentação torna a velocidade virtualmente imune às perturbações. A precisão de um regulador é expressa normalmente em % do valor nominal da grandeza a ser controlada.

Controlo da desaceleração

Quando um motor é desligado, vai desacelerar apenas em função do binário resistivo da máquina (desaceleração natural). Os arrancadores e variadores electrónicos podem ser usados para controlar a desaceleração por meio de uma rampa linear ou em “S”, que é normalmente independente da rampa de aceleração. Esta rampa pode ser ajustada de modo a produzir um tempo de desaceleração desde o a velocidade de funcionamento até uma velocidade intermédia ou mesmo nula. Se a desaceleração desejada é maior do que a desaceleração natural, o motor tem

que desenvolver um binário resistivo a somar ao binário resistivo da máquina. Esta situação é chamada de travagem eléctrica, a qual pode ser obtida seja pelo fornecimento de energia à rede de alimentação seja pela dissipação numa resistência de travagem. Se a desaceleração desejada é mais lenta do que a desaceleração natural, o motor deve desenvolver um binário motor maior do que o binário resistente da máquina e continuar a alimentar a carga até à paragem do motor. Inversão do sentido de rotação A maior parte dos actuais variadores possuem esta função. A ordem das fases de alimentação do motor é invertida seja por inversão da referência de entrada seja por um comando lógico no terminal ou por informação transmitida por uma linha de comando.


Travagem até paragem Este tipo de travagem pára o motor sem controlo da rampa de desaceleração. Para os arrancadores e variadores de velocidade de motores assíncronos, isso consegue-se de um modo económico, injectando corrente contínua no motor através de um sistema de potência especial. Como toda a energia mecânica é dissipada no rotor da máquina, a travagem tem que ser intermitente. Num variador para um motor CC, esta função é conseguida ligando uma resistência aos terminais da armadura.

Protecção incorporada Os modernos sistemas de variação possuem protecção térmica própria e para os motores. Nestes sistemas, um microprocessador usa a corrente medida e a informação da velocidade (se a velocidade de ventilação depende da velocidade de rotação), para calcular a subida de temperatura do motor e envia um sinal de alarme no caso de uma subida excessiva de temperatura. Os controladores, em particular os inversores de frequência, são geralmente protegidos contra: � Curtocircuitos entre fases e entre fase e terra. � Sobretensões e quedas de tensão. � Fases desiquilibradas. � Funcionamento a uma fase.


2 Principais modos de funcionamento e tipos de controladores electrónicos

2.1 Principais modos de funcionamento Dependendo do tipo de conversor

electrónico, os variadores de velocidade podem ser usados para operar um motor num único sentido de rotação (caso em que são conhecidos por “unidireccionais”) ou para controlar ambos os sentidos de rotação (caso em que são conhecidos por “bidireccionais”). Os controladores capazes de regenerar energia do motor funcionando como gerador (modo travagem) podem ser “reversíveis”. A reversibilidade pode ser obtida seja pela entrega de energia à rede de alimentação (ponte de entrada reversível) ou por dissipação de energia através de uma resistência com um chopper de travagem.

A figura 2 apresenta uma tabela resumo das quatro situações possíveis no diagrama binário-velocidade de uma máquina. Note bem que quando a máquina funciona como gerador, deve ser-lhe fornecida uma força. Este estado é usado em particular para a travagem. A energia cinética então presente no eixo da máquina é ou transferida para a rede de energia de alimentação ou dissipada nas resistências ou, no caso de potências reduzidas, em perdas na própria máquina

Fig. 2 : As quatro situações possíveis de uma máquina no seu diagrama binário-velocidade

Sentido de Rotação

Funcionamento Binário Velocidade Produto T x n

Quadrante

Como motor Sim Sim Sim 1 1 (CW) Como gerador Sim 2 Como motor Sim 3 2 (CCW) Como gerador Sim 4


Controlador unidireccional

Habitualmente este tipo de controlador não é reversível e é usado para: � Motores CC com conversor directo (CA => CC) composto por uma ponte mista de díodos e tiristores (ver Fig.3a )

� Motores CA com conversor indirecto (com transformação intermédia para CC) constituído por uma ponte de díodos na entrada e de um inversor de frequência, que força a máquina a funcionar no quadrante 1 (ver Fig.3b ). Nalguns casos, este conjunto pode ser usado em configurações bidireccionais (quadrantes 1 e 3)

Um conversor indirecto constituído por

um chopper de travagem e uma resistência correctamente dimensionada é a solução ideal para uma travagem instantânea (desaceleração ou para engrenagens de elevação quando o motor necessita de gerar um binário de travagem para segurar a carga). Um conversor reversível é essencial para um funcionamento duradouro com uma carga negativa, como é o caso, por exemplo, de um motor usado para travagem numa bancada de testes. Controlador bidireccional Este tipo de controlador pode ser reversível ou não-reversível. Se é reversível, a máquina funciona nos quatro quadrantes e pode tolerar uma travagem significativa, Se não é reversível, a máquina apenas funciona nos quadrantes 1 e 3.

Funcionamento com binário constante O funcionamento é descrito como sendo a binário constante quando as características da carga são tais que em estado estacionário, o binário exigido é aproximadamente o mesmo, independentemente da velocidade (ver Fig.4 ). Este modo de funcionamento encontra-se em telas transportadoras e amassadores. Para este tipo de aplicação, o controlador deve ser capaz de fornecer um binário de arranque elevado (pelo menos 1.5 vezes o binário nominal) de modo a superar o atrito estático e acelerar a máquina (inércia). Funcionamento com binário variável O funcionamento é descrito como sendo com binário variável quando as características da carga são tais que, em estado estacionário, o binário exigido varia com a velocidade. É o caso, por exemplo, de bombas de deslocamento helicoidal em que o binário aumenta linearmente com a velocidade (ver Fig.5a ) ou de bombas centrífugas (bombas e ventiladores) em que o binário varia com o quadrado da velocidade (ver Fig.5b ).


Para um controlador destinado a este

tipo de aplicação, é suficiente um binário de arranque reduzido (normalmente 1.2 vezes o binário nominal do motor). O controlador apresenta funções adicionais tais como a opção de saltar as frequências de ressonância causadas inadvertidamente pelas vibrações da máquina. O funcionamento acima da frequência nominal é impossível devido à sobrecarga que isso iria impor ao motor e ao controlador. Funcionamento a potência constante Este é um caso especial de binário variável. O funcionamento é descrito como sendo de potência constante quando o binário fornecido pelo motor é inversamente proporcional à velocidade angular (ver Fig.6 ).

É este o caso, por exemplo, para um moinho com uma velocidade angular que tem que ser reduzida, à medida que o diâmetro aumenta com o material a ser moído. É também o caso dos motores em máquinas ferramenta. A gama de funcionamento a potência constante é limitada naturalmente, nas velocidades baixas pela corrente fornecida pelo controlador e nas velocidades altas pelo binário motor disponível. Daí resulta a necessidade de controlar cuidadosamente o binário motor disponível nas máquinas assíncronas e a capacidade de comutação nas máquinas CC.


2.2 Tipos principais de controlador Iremos apenas referir os tipos de

controlador mais actuais e as soluções tecnológicas normalizadas. Existem inúmeros tipos de esquemas para variadores de velocidade: subsíncronos em cascata, cicloconversores, comutadores de corrente, choppers, etc. Os leitores mais interessados encontrarão uma descrição exaustiva nas seguintes publicações: “Accionamento eléctrico a velocidade variável”, (obra de Jean Bonal e Guy Séguier que descreve sistemas eléctricos de variadores de velocidade) e “Utilização industrial dos motores de corrente alternada” (por Jean Bonal que descreve motores CA em aplicações industriais). Rectificadores controlados para motores CC O rectificador fornece corrente contínua a partir de uma alimentação CA monofásica ou trifásica onde o valor médio da tensão é controlado. Os semicondutores de potência, são configurados como pontes de Graetz mono ou trifásicas (ver Fig.7 ). A ponte pode ser do tipo díodo/tiristor (mista) ou tiristor/tiristor (completa). Esta última solução é a mais comum pois melhora o factor de forma da corrente fornecida. O motor CC possui normalmente excitação separada, excepto para as potências reduzidas, onde se usam motores de íman permanente. Este tipo de variador é adequado a qualquer tipo de aplicação. As únicas restrições são as impostas pelo motor CC, em particular a dificuldade de atingir velocidades elevadas e a respectiva manutenção (as escovas têm que ser substituídas).

Os motores CC e os respectivos variadores foram as primeiras soluções industriais. O seu uso foi declinando nas últimas décadas à medida que os inversores de frequência assumiam o papel de liderança. Os motores assíncronos são de facto mais robustos e económicos do que os motores CC. Ao contrário dos motores CC, os motores assíncronos são normalizados num invólucro de índice de protecção IP55 e são quase invulneráveis às condições de trabalho e quase imunes às condições de ambientais (derrames de água, pó, atmosferas instáveis, etc.).

Inversor de frequência para motores assíncronos O inversor fornece uma frequência trifásica variável CA a partir de uma frequência fixa alternada da rede de alimentação (ver Fig.8 ). Pode ser utilizada uma alimentação monofásica no caso das potências reduzidas (poucos kW) e uma alimentação trifásica para potências mais elevadas. Alguns variadores para potencies reduzidas podem aceitar quer alimentação monofásica quer trifásica. A tensão de saída do variador é sempre trifásica. De facto os motores assíncronos monofásicos não são adequados para alimentação a partir de inversores de frequência.


Os inversores de frequência podem alimentar motores de rotor em gaiola normais com todas as vantagens inerentes a esses motores: normalização, baixo custo, resistência, protecção contra derrames, manutenção nula. Como estes motores são auto-refrigerados, a sua única restrição de funcionamento é o uso continuado em velocidade reduzida, devido à redução de ventilação. Se for necessário este tipo de funcionamento, deverá usar-se um motor especial, dotado de um sistema de ventilação forçada.

Variador de tensão para arranque de motores assíncronos O variador fornece, a partir da rede de CA, uma tensão alternada de frequência igual à da rede, obtendo-se o controlo do valor eficaz da tensão por modificação do ângulo de disparo dos semicondutores de potência – dois tiristores ligados ânodo-cátodo para cada fase do motor. (ver Fig.9 ).


3 Estrutura e constituição dos arrancadores e varia dores electrónicos

3.1 Estrutura Os arrancadores e variadores de

velocidade electrónicos são constituídos por dois módulos, incluídos num invólucro único (ver Fig.10 ): � Um módulo de controlo, que gere o funcionamento do dispositivo. � Um modulo de potência, que fornece potência ao motor na forma de energia eléctrica. O módulo de controlo Nos modernos arrancadores e variadores, todas as funções são controladas por um microprocessador, que utiliza os parâmetros, os comandos enviados por um operador ou por uma unidade de processamento e os resultados de medições, como por exemplo, a velocidade, a corrente, etc. Juntamente com circuitos dedicados (ASICs), as funções de cálculo dos microprocessadores tornam possível executar algoritmos de controlo muito eficientes e, em especial, reconhecer os parâmetros da máquina associada. O microprocessador usa esta informação para gerir as rampas de desaceleração e aceleração, o controlo de velocidade e a limitação de corrente, assim como para controlar os componentes de potência. As medidas de protecção e de segurança são processadas por circuitos dedicados (ASICs) ou por circuitos integrados em módulos de potência (IPMs).

Os limites de velocidade, perfis de rampa, limites de corrente e outros parâmetros de funcionamento são definidos através de teclados integrados, ou através de PLCs (em redes de campo) ou PCs. De igual modo, os diferentes comandos (run, stop, travagem, etc.) podem ser enviados via HMIs, PLCs ou PCs. Os parâmetros de funcionamento, alarmes e dados de falhas podem ser visualizados por LEDs, displays de segmentos ou LCDs. Em alternativa, podem ser enviados à distância por redes de campo para sistemas de supervisão. Os relés internos, que são normalmente programáveis, fornecem os seguintes dados: � Falha (alimentação de rede, térmico, produto, sequência, sobrecarga, etc.). � Monitorização (nível de velocidade, pré-alarme, fim do arranque) As tensões necessárias para todas as medições e circuitos de controlo são fornecidos por uma fonte de alimentação que está integrada no variador e electricamente isolada da linha de alimentação. O modulo de potência Os componentes principais do modulo de potência são: � Componentes de potência (díodos, tiristores, IGBTs, etc.) � Interfaces para medida de tensões e/ou correntes. � Na maior parte dos casos uma unidade de ventilação.


3.2 Constituição Os componentes de potência (ver

Fig.11 ) são semicondutores discretos e como tal podem ser ligados como comutadores estáticos que podem assumir um de dois estados: on ou off. Estes componentes, combinados num modulo de potência, formam um conversor que fornece potência ao motor eléctrico a uma tensão variável e/ou frequência variável a partir da tensão e frequência fixas da rede de alimentação. Os componentes de potência são a chave do controlo de velocidade e o progresso verificado nos últimos anos levou ao desenvolvimento de variadores de velocidade de custo reduzido. Nota Os materiais semicondutores como o silício possuem uma resistividade entre a dos condutores e a dos isoladores. Os seus átomos possuem 4 electrões periféricos. Cada átomo associa-se com os quatro adjacentes para criar uma estrutura estável de 8 electrões. Um semicondutor tipo P obtém-se adicionando ao silício puro uma pequena proporção de uma substância cujos átomos possuam 3 electrões periféricos. É então necessário adicionar um outro electrão para criar a estrutura estável de 8 electrões, no que resulta um excesso de cargas positivas. Um semicondutor tipo N obtém-se adicionando ao silício puro uma pequena proporção de uma substância cujos átomos possuam 5 electrões periféricos. Daí resulta um excesso de electrões e logo, de cargas negativas. O díodo O díodo é um semicondutor não controlado, constituído por duas regiões, P (ânodo) e N (cátodo), que apenas permitem a passagem da corrente num único sentido, do ânodo para o cátodo. O díodo conduz a corrente quando a tensão do ânodo estiver mais positive do que a do cátodo e assim comporta-

se como um interruptor fechado. O díodo bloqueia a corrente e comporta-se como um interruptor aberto se a tensão do ânodo se tornar menos positiva do que a tensão do cátodo. As características principais do díodo são as seguintes: � No estado condutor (on): o Uma queda de tensão constituindo

um limiar de tensão devido a uma resistência interna.

o Uma corrente máxima contínua (da ordem de grandeza dos 5000 A eficazes para a maior parte dos componentes)

� No estado não condutor (off), uma tensão máxima possível que não pode exceder os 5000 V de pico. O tiristor Trata-se de um componente semicondutor constituído por quatro camadas alternadas: P-N-P-N. Comporta-se como um díodo ao ser enviado um impulso de controlo ao eléctrodo chamado gate. Esta comutação (ou disparo) é apenas possível se o ânodo estiver a uma tensão mais positiva do que o cátodo. O tiristor comuta para o estado off quando a corrente deixa de por ele passar. A energia de disparo a ser fornecida à gate é independente da corrente a ser controlada.


As características principais do tiristor são as seguintes: � No estado de condução (on): o Uma queda de tensão resultante

de uma tensão limiar e de uma resistência interna.

o Uma corrente contínua máxima admissível (da ordem de grandeza dos 5000 A eficazes para a maior parte dos componentes)

� No estado de não condução (off): o Uma tensão inversa e directa

máxima admissível (superior a 5000 V pico). As tensões directa e inversa são normalmente idênticas.

o Um tempo de recuperação inversa que é o tempo mínimo durante o qual, se for aplicada ao dispositivo uma tensão ânodo-cátodo positiva, este voltará a comutar espontaneamente (disparar).

o Uma corrente de gate que comuta (dispara) o componente.

Alguns tiristores são projectados para funcionar à frequência da rede de alimentação e outros, designados por tiristores rápidos (high-speed), poderão funcionar a vários kHz utilizando um circuito de extinção. Alguns tiristores rápidos (high-speed) possuem tensões de corte directa e inversa assimétricas. Em esquemas normais, aparecem normalmente associados a díodos ligados back-to-back e os fabricantes de semicondutores usam esta característica especial para aumentar a tensão directa que o componente pode tolerar no estado de não-condução (off). Actualmente, estes componentes são substituídos por GTOs, transístores de potência e, fundamentalmente por IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors).

Não se torna necessário manter a corrente na gate enquanto o tiristor conduz. O tiristor GTO (Gate Turn Off) Trata-se de um tipo especial de tiristor rápido que pode ser extinto pela gate. O fornecimento de uma corrente positiva à gate leva o semicondutor a iniciar a condução, desde que a tensão ânodo-cátodo seja positiva. O tiristor é bloqueado por inversão da polaridade da corrente de gate. Os GTOs são utilizados em conversores de muito alta potência pois são capazes de controlar correntes e tensões elevadas (até 5000 V e 5000 A). Contudo, como os IGBTs continuam em desenvolvimento, o mercado de GTOs vai declinando. As características principais dos tiristores GTO são as seguintes: � No estado de condução (on): o Uma queda de tensão resultante de

um limiar de tensão e de uma resistência interna.

o Uma corrente de manutenção destinada a reduzir quedas na tensão directa.

o Uma corrente contínua directa máxima admissível

o Uma corrente de corte para bloquear a corrente.

� No estado de não-condução (off): o Tensões máximas, directa e inversa

admissíveis assimétricas, como os tiristores rápidos e pelas mesmas razões.

o Um tempo de recuperação que é o tempo mínimo durante o qual a corrente de extinção deve ser mantida para impedir o disparo espontâneo.

o Uma corrente de gate que dispara o componente.

Os GTOs podem funcionar a frequências de vários kHz.


O transístor

Trata-se de um dispositivo semicondutor bipolar controlado, constituído por três camadas, P-N-P ou N-P-N. Apenas permite a condução de corrente num dos sentidos: do emissor para o colector. No tipo P-N-P e do colector para o emissor no tipo N-P-N. Os transístores tipo N-P-N, muitas vezes configurados como transístores tipo Darlington, podem funcionar às tensões industriais. O transístor pode funcionar como um amplificador. O valor da corrente que atravessa o transístor é determinado pela corrente de controlo que circula na sua base. Contudo, pode também funcionar como interruptor estático discreto: aberto quando não existe corrente de base e fechado quando está saturado. Este segundo modo de funcionamento é o usado em circuitos de potência e variadores. Os transístores bipolares podem ser utilizados para tensões até1200 V admitem correntes até 800 V. Este componente tem vindo a ser substituído em conversores por IGBTs. Quanto ao tipo de funcionamento no qual estamos interessados, as características principais do transístor bipolar são as seguintes: � No estado de condução (on): o Uma queda de tensão composta

de um limiar de tensão e de uma resistência interna.

o Uma intensidade de corrente contínua máxima admissível

o Um ganho de corrente (para manter a saturação do transístor a corrente injectada na base deve ser maior do que a corrente que circula no componente, dividida pelo ganho)

� No estado de não-condução (off), a tensão máxima directa permitida. Os transístores de potência utilizados no controlo de velocidade podem funcionar até frequências de vários kHz.

O IGBT Este dispositivo é um transístor de potência controlado pela tensão aplicada a um eléctrodo designado por gate que está isolado do circuito de potência, daí o nome Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT). Este dispositivo necessita de níveis mínimos de energia para fazer circular correntes elevadas. Actualmente, este dispositivo é utilizado como interruptor discreto na maior parte dos inversores de frequência até às mais elevadas potências. (vários MW). As suas características tensão/corrente são idênticas às dos transístores bipolares, embora os seus níveis de eficiência em termos de controlo de energia e frequência de comutação sejam significativamente maiores do que dos outros semicondutores. As características dos IGBTs estão sempre a melhorar e estão hoje disponíveis versões para tensões (> 3 kV) e correntes elevadas (várias centenas de amperes). As principais características dos IGBTs são as seguintes: � Uma tensão de controlo que permite ligar ou desligar o componente. � No estado de condução (on): o Uma queda de tensão composta de

um limiar de tensão e de uma resistência interna.

o Uma intensidade de corrente contínua máxima admissível

� No estado de não-condução (off), uma tensão directa máxima admissível. � Os IGBTs utilizados no controlo de velocidade podem funcionar a frequências de várias dezenas de kHz


O transistor MOS

O princípio de funcionamento deste componente difere significativamente dos anteriores em resultado da alteração do campo eléctrico no semicondutor, obtida por polarização de uma gate isolada. Daí resulta o nome “Metal Oxide Semiconductor”. A sua utilização no controlo de velocidade está limitado às tensões reduzidas (variadores de velocidade alimentados a baterias) ou às aplicações de reduzida potência, em resultado do excessivo preço a pagar pela superfície de silício requerida, para obter, no estado de condução, uma tensão de corte elevada, com uma queda de tensão reduzida. As características principais de um transístor MOS são as seguintes: � Uma tensão de controlo que garanta a comutação on/off. � No estado de condução (on): o Uma resistência interna o Uma intensidade de corrente

contínua máxima admissível. � No estado de não-condução (off), uma tensão directa máxima admissível (pode exceder 1000 V). Os transístores MOS utilizados no controlo de velocidade podem funcionar a frequências de várias centenas de kHz. Vamos encontrá-los certamente na maioria das fontes de alimentação comutada na forma de componentes discretos ou como circuitos integrados contendo a potência (MOS) e os circuitos de comando e controlo.

Os IPM (Intelligent Power Module) Na realidade, não se trata de um novo semicondutor, antes uma série de transístores IGBT. Este módulo (ver Fig.12) combina, num único invólucro, uma ponte inversora com transístores IGBT e a electrónica básica para o controlo dos semicondutores, a saber: � 7 x IGBT componentes (seis para a ponte inversora e um para travagem). � Os circuitos de controlo dos IGBT 7 x díodos de potência de roda livre associados aos IGBTs de forma a garantirem a circulação da corrente. � Protecção contra curto-circuitos, sobrecorrentes e temperaturas excessivas. � Isolamento eléctrico para o módulo. A ponte rectificadora de díodos está normalmente integrada no módulo. Este conjunto é a melhor forma de lidar com as ligações e controlo dos IGBTs.


4 Variador/regulador de velocidade para motores CC

4.1 Princípio geral O conjunto Ward Leonard foi o

primeiro sistema de variação de velocidade para motores CC. Este conjunto, que compreendia um motor controlado (normalmente assíncrono) e um gerador CC de excitação variável, fornecia energia a um ou mais motores CC. A excitação era controlada por um dispositivo electromecânico (Amplidyne, Rototrol, Regulex) ou por um sistema estático (amplificador magnético ou regulador electrónico). Hoje, tal dispositivo está completamente obsoleto e foi substituído pelos variadores de velocidade a semicondutor, capazes de realizar as mesmas operações com nível superior de eficiência. Os variadores electrónicos de velocidade são alimentados em potência com uma tensão fixa pela rede de alimentação CA e fornecem ao motor uma tensão CC variável. O circuito de excitação é alimentado por uma ponte de díodos ou tiristores (normalmente monofásica). O circuito de potência é um rectificador. Como a tensão a ser fornecida é variável, este rectificador deve ser um rectificador controlado, i.e., deve conter componentes de potência com características de condução que possam ser controladas (tiristores). A tensão de saída é controlada pela limitação em maior ou menor extensão do tempo de condução em cada alternância. Quanto maior for o atraso do disparo do tiristor em relação à passagem por zero, menor o valor médio da tensão e portanto menor a velocidade do motor (lembre-se que o tiristor entra no corte automaticamente quando a corrente passa por zero). Para variadores de potência reduzida ou alimentados por baterias, o circuito de potência, que pode ser

constituído por transístores de potência (chopper), vai variar a tensão de saída CC por ajuste do tempo de condução. Este modo de funcionamento é designado por PWM (Pulse Width Modulation). Regulação A Regulação é a manutenção precisa do valor imposto, apesar das perturbações (variação do binário resistente, da fonte de alimentação, da temperatura). Contudo, durante a aceleração, ou no caso de uma sobrecarga, a corrente não deve atingir um valor que possa fazer perigar o motor ou a fonte de alimentação. Um loop de controlo interno do variador mantém a corrente num valor aceitável. Este valor pode ser acedido de forma a ser ajustado em função das características do motor. A referência de velocidade é determinada por um sinal analógico ou digital fornecido pela rede de campo ou qualquer outro dispositivo, que forneça uma tensão correspondente á velocidade requerida. A referência pode ser fixa ou variável durante um ciclo de funcionamento. A aplicação da tensão de referência é feita através de rampas de aceleração e desaceleração que garantem a variação gradual da velocidade até ao valor ajustado. Estas rampas podem ter diversos perfis. O ajuste das rampas define a duração da aceleração ou desaceleração. No modo de funcionamento em malha fechada (closed loop mode), a velocidade real é medida continuamente por um tacogerador ou por um gerador de impulsos e comparada com a referência. Se for detectado um desvio, a electrónica de controlo vai corrigir a velocidade. A gama de velocidades estende-se por por revoluções por minuto até à velocidade máxima Nesta gama de variação, é fácil atingir taxas de precisão inferiores a 1% em.


regulação analógica e inferiores a 1/1000 em regulação digital, tendo em conta todas as possíveis variações (sem carga/com carga, variação da tensão, variação da temperatura, etc.). Este modo de regulação pode ser implementado usando a medição da tensão do motor e tendo em conta a corrente que atravessa o motor Neste caso, os níveis de eficiência são ligeiramente inferiores, quer no que respeita à gama de velocidades, quer em termos de precisão (valores % variáveis quanto ao funcionamento sem carga e com carga). Inversão do sentido de funcionamento e travagem regenerativa Para inverter o sentido de rotação, a tensão da armadura deve ser invertida. Isso pode ser obtido usando contactores (esta solução é hoje obsoleta) ou estaticamente por inversão da polaridade de saída do variador de velocidade ou a polaridade da corrente de excitação. O uso desta última solução é pouco frequente, devido à constante de tempo do campo do enrolamento.

Se for necessária travagem controlada, seja por pedido seja pela natureza da carga (binário motor), a energia deve ser restituída à rede de alimentação. Durante a travagem, o variador funciona como inversor ou, por outras palavras, a corrente que circula é negativa. Os variadores capazes de realizar estes dois tipos de funções (inversão e travagem regenerativa) possuem duas pontes ligadas costas com costas (ver Fig.13 ). Cada uma destas pontes pode ser usada para inverter a tensão e a corrente bem como o sinal para a energia que circula entre a linha de alimentação e a carga.

4.2 Modos de funcionamento possíveis

Funcionamento a “binário constante” Com excitação constante, a velocidade do motor é determinada pela tensão aplicada à armadura do motor. O controlo de velocidade é possível entre o repouso e a tensão nominal do motor, que é seleccionada com base na tensão CA da alimentação. O binário motor é proporcional à corrente na armadura e o binário nominal da máquina pode ser mantido para qualquer velocidade. Funcionamento a “potência constante” Quando a máquina é alimentada à tensão nominal, a sua velocidade

deve possuir uma ponte rectificadora controlada que alimente o circuito de excitação. A tensão da armadura vai manter-se fixa e igual à tensão nominal e a corrente de excitação é ajustada de modo a obter-se a velocidade requerida. A potência exprime-se por P = E x I onde E é a tensão de alimentação I é a corrente na armadura Para uma dada corrente na armadura a potência vai ser constante durante toda a variação de velocidade, mas a velocidade máxima é limitada por dois parâmetros:


pode ainda ser aumentada por redução da corrente de excitação. Neste caso, o variador de velocidade � As opções de comutação da máquina que são, em geral, mais restritivas.

� Os limites mecânicos da armadura e em particular, a potência centrífuga máxima que é tolerada pelo comutador. O fabricante do motor deve assim seleccionar o motor adequado, nomeadamente no que respeita à gama de variação a potência constante.

5 Inversor de frequência para motor assíncrono

5.1 Princípio geral O inversor de frequência, que é

alimentado a tensão e frequência constante pela rede de alimentação, fornece uma alimentação CA a tensão e frequência variáveis ao motor em função das suas necessidades de velocidade. O fluxo deve ser mantido constante de modo a facilitar o fornecimento de potência a um motor assíncrono a binário constante, independentemente da velocidade. Isso exige que a tensão e frequência aumentem simultaneamente em igual proporção. Constituição O circuito de potência é constituído por um rectificador e um inversor, que utiliza a tensão rectificada para produzir uma tensão de amplitude e frequência variáveis. (ver Fig.8). Para cumprir com as directivas e normas europeias (Comunidade Europeia), instala-se um filtro na “rede de alimentação” antes da ponte rectificadora. O rectificador é normalmente equipado com uma ponte de díodos rectificadores e um filtro constituído por um ou mais condensadores, conforme a potência. Um circuito limitador controla a corrente no arranque. Alguns conversores usam uma ponte de tirístores para limitar o pico de corrente destes condensadores de filtro, que são carregados a um valor aproximadamente igual ao valor de pico da sinusóide da linha de alimentação (aprox. 560 V a 400 V trifásica). Nota : Embora estejam equipados com circuitos de descarga, estes condensadores podem armazenar tensões elevadas perigosas mesmo

semicondutores de potência (normalmente IGBTs) e díodos de roda livre associados. Este tipo de controlador destina-se a alimentar motores de rotor em gaiola de esquilo. A gama Altivar da Telemecanique Pode ser utilizada para criar uma pequena rede de alimentação de tensão e frequência variáveis capaz de alimentar um ou vários motores em paralelo. É constituído por: � Um rectificador com condensadores de filtragem � Um inversor com 6 IGBTs e 6 díodos Um chopper, ligado a uma resistência de travagem (normalmente externa ao produto) � Circuitos de controlo com transístores IGBT � Uma unidade de controlo baseada num microprocessador, que é usado para controlar o inversor Sensores internos para medir a corrente do motor, a tensão CC aos terminais do condensador e, nalguns casos, as tensões aos terminais da ponte rectificadora e do motor bem como de todos os valores necessários para controlar e proteger o variador de velocidade. � Uma fonte de alimentação para alimentar os circuitos electrónicos. Esta fonte de alimentação é constituída por um circuito de comutação ligado aos terminais do condensador do filtro de modo a utilizar esta reserva de energia. Os variadores Altivar utilizam esta característica para evitar os efeitos dos transitórios produzidos pelas flutuações da alimentação, garantindo assim


com a alimentação desligada. O trabalho neste tipo de produtos deve ser efectuado por pessoal trinado com conhecimentos das precauções essenciais a serem tomadas (circuitos adicionais de descarga ou conhecimento do período de espera). A ponte inversora ligada a estes condensadores utiliza seis Esta técnica, conhecida por PWM (Pulse Width Modulation), condiciona a rotação a baixas velocidades e limita as subidas de temperatura.

excelente comportamento em linhas sujeitas a perturbações significativas. Controlo de velocidade A tensão de saída é gerada pela comutação da tensão rectificada, utilizando impulsos de duração, e portanto largura, que é modulada de modo a que a corrente alternada resultante seja o mais sinusoidal possível (ver Fig.14 ).

A frequência de modulação escolhida

é um compromisso: deve ser suficientemente alta para reduzir o ripple na corrente e o ruído acústico no motor sem perdas significativas na ponte rectificadora e nos semicondutores. Duas rampas controlam a aceleração e a desaceleração. Protecção integrada O variador possui auto-protecção e protege o motor contra as subidas de temperatura excessivas desligando-o até que a temperatura caia para um nível seguro.

O variador dispõe ainda de protecção contra qualquer perturbação ou problema que possa afectar a falha de uma fase. Para algumas gamas, o rectificador, o inversor, o chopper, o controlador e o sistema de protecção contra curto-circuitos estão integrados num único IPM.

5.2 Funcionamento V/f Neste tipo de funcionamento, a

referência de velocidade impõe uma frequência no inversor e consequentemente no motor, que determina a velocidade de rotação. Existe uma relação directa entre a tensão da rede de alimentação e a frequência (ver Fig.15 ). Este modo de funcionamento é normalmente descrito como funcionamento a V/f constante ou funcionamento escalar.

Se não for aplicada compensação, a veIocidade real varia com a carga, o que limita a gama de funcionamento. Pode ser aplicada compensação para lidar com a impedância interna do motor e para limitar a queda de velocidade no arranque.


5.3 Controlo vectorial

Os níveis de eficiência podem ser significativamente aumentados através do controlo electrónico baseado no controlo vectorial de fluxo (FVC) (ver Fig.16). A maior parte dos variadores actuais possuem esta função. O conhecimento ou o cálculo dos parâmetros da máquina permitem omitir o sensor de velocidade na maior parte das aplicações. Nesse caso, pode usar-se um motor normal sujeito às restrições habituais relativas ao funcionamento prolongado a baixa velocidade. O variador produz informação a partir dos valores medidos nos terminais da máquina (tensão e corrente). Este modo de funcionamento possibilita níveis aceitáveis de rendimento sem aumento dos custos. Para obter estes níveis, é necessário conhecer os parâmetros da máquina. A máquina de reparação, se solicitada, deve em particular, aplicar as características indicadas na placa sinalética do motor. Parâmetros de regulação. Estes são, nomeadamente: UNS: Tensão nominal do motor FRS: Frequência nominal do estator NCR: Corrente nominal do estator

NSP: Velocidade nominal COS: Factor potência do motor (desfasagem) O variador utiliza estes valores para calcular as características do rotor (Lm, Tr). Variador com controlo vectorial de fluxo sem sensores No arranque, um variador de controlo vectorial sem sensor (como o Telemecanique ATV58F) realiza auto-ajuste para determinar os parâmetros do estator Rs, Lf. Estas medições podem ser realizadas com o motor ligado à máquina controlada. A duração destes ajustes varia de 1 a 10s, dependendo da potência da máquina. Estes valores são armazenados e podem ser usados pelo controlador para estabelecer relações de controlo. O oscilograma da Figura 17 ilustra a aceleração de um motor carregado até ao seu binário nominal, controlado por um variador sem sensores. Repare que o binário nominal é atingido rapidamente (em menos do que 0.2 s) e que a aceleração é linear. A velocidade nominal é atingida em 0.8 s.


Controlador com controlo vectorial de fluxo em malha fechada com sensor Outra opção consiste no uso de controlo vectorial de fluxo em malha fechada com sensor. Esta solução pode ser usada para controlar separadamente a corrente (Id) que fornece o fluxo à máquina e a corrente (Iq) que fornece o binário O motor é controlado da mesma maneira que um motor CC. Esta solução (ver Fig.18 ) cumpre as especificações das aplicações complexas: dinâmica elevada no caso de fenómenos transitórios, precisão da velocidade, binário nominal na paragem. O binário máximo transitório é igual a 2 ou 3 vezes o binário nominal, dependendo do tipo de motor. Para além disso, a velocidade máxima atinge frequentemente o dobro ou mais da velocidade nominal, se a mecânica do motor o permitir. Este tipo de controlo permite ainda bandas passantes elevadas e níveis de rendimento comparáveis ou superiores aos melhores controladores para


motores CC. Por outro lado, o motor usado não é um modelo normal, devido à presença de um sensor e, se necessário, ventilação forçada. O oscilograma da Figura 19 apresenta a aceleração de um motor carregado com o binário nominal alimentado por um variador de controlo vectorial de fluxo com sensor. A escala de tempo é de 0.1 s por divisão.

Comparado com o mesmo produto sem sensor, o aumento de performance é significativo. O binário nominal é atingido após 80 ms e o tempo de subida da velocidade nas mesmas condições de carga é de 0.5 s. Como conclusão, a tabela da Figura 20 compara os níveis de performance de um controlador nas três configurações possíveis.


Inversão do sentido de

funcionamento e travagem O sentido de funcionamento é invertido pelo envio de uma ordem externa (seja para uma entrada designada para essa função seja através de um sinal pelo bus de comunicações), que inverte a sequência de funcionamento dos componentes do inversor, invertendo assim o sentido de rotação do motor. São possíveis diferentes cenários: � Cenário 1: Inversão imediata do sentido de controlo dos semicondutores. Se o motor ainda roda quando o sentido de rotação é invertido, isso irá provocar um escorregamento brusco e a corrente no controlador irá subir até ao nível máximo possível (limite interno). O binário de travagem é reduzido devido ao elevado escorregamento e a regulação interna irá reduzir muito a velocidade de referência. Assim que o motor atinge a

velocidade zero, a velocidade será invertida seguindo a rampa. A energia em excesso não absorvida pelo binário resistivo e a fricção é dissipada no rotor. � Cenário 2: Inversão do sentido de controlo dos semicondutores precedido por desaceleração com ou sem rampa. Se o binário resistivo da máquina é tal que a desaceleração natural é mais rápida do que a rampa imposta pelo controlador, o controlador irá continuar a fornecer energia ao motor. A velocidade irá descer gradualmente e inverter. Pelo contrário, se o binário resistente da máquina é tal que a desaceleração natural é mais lenta do que a rampa imposta pelo controlador, o motor irá funcionar como gerador hipersíncrono e devolver energia ao controlador. No entanto, como a presença da ponte de díodos impede a energia de ser restituída à rede de alimentação, o condensador de filtragem vai carregar, a tensão irá subir e o controlador irá


bloquear. Para evitar isso, deve-se ligar uma resistência aos terminais do condensador através de um chopper, de modo a limitar a tensão a um valor adequado. O binário de travagem vai ser limitado apenas pelas capacidades do controlador, isto é, a velocidade vai diminuir lentamente e inverter. Para este tipo de aplicação o fabricante disponibiliza resistências de travagem dimensionadas de acordo com a potência do motor e a energia a ser dissipada. Como na maioria dos casos o chopper está incluído de fábrica no controlador apenas a presença de uma resistência de travagem evidencia a presença de um variador com capacidade de travagem. Este tipo de travagem é muito económico. Assim vemos este tipo de funcionamento usado para desacelerar motores até ao repouso sem ter que inverter o sentido de rotação. Travagem dinâmica por injecção CC Pode obter-se a travagem de uma forma económica e fácil modificando o andar de saída do variador para um chopper, o que injecta corrente contínua nos enrolamentos. O binário de travagem não é controlável e é pouco eficaz, particularmente para velocidades altas. Portanto, a rampa de desaceleração não é controlada. Apesar disso trata-se de uma solução prática para reduzir o tempo de travagem da máquina. Como a energia é dissipada no rotor, este tipo de funcionamento é, naturalmente, pouco utilizado. Modos de funcionamento possíveis � Funcionamento a “binário constante” Como a tensão aplicada pelo variador pode variar e assim como o fluxo da máquina é constante (relação V/f constante ou mesmo melhor com controlo vectorial de fluxo), o binário motor vai ser aproximadamente proporcional à corrente e vai ser possível obter o binário nominal da máquina em toda a gama de

velocidade da máquina (ver Fig.21 ). No entanto, o funcionamento permanente a baixas velocidades só é possível se o motor estiver equipado de uma unidade de ventilação forçada, o que exige um motor especial. Os variadores modernos de velocidade possuem circuitos de protecção, que criam uma imagem térmica do motor em função da corrente, dos ciclos de funcionamento e da velocidade de rotação, protegendo assim o motor.

� Funcionamento a “potência constante” Quando a máquina é alimentada à tensão nominal, é ainda possível aumentar a sua velocidade fornecendo-lhe uma frequência maior do que da rede de alimentação. No entanto, como a tensão de saída do inversor não pode exceder a da linha de alimentação, o binário disponível diminui na proporção inversa do aumento de velocidade (ver Fig.21). Acima da sua velocidade nominal, o motor deixa de funcionar a binário constante e funciona a potência constante (P = Cw) enquanto isso for permitido pela característica natural do motor. A velocidade máxima é limitada por dois parâmetros: � A limitação mecânica associada ao rotor. � O binário de reserva disponível. Para uma máquina assíncrona alimentada a tensão constante, onde o binário máximo varia com o quadrado da velocidade, o funcionamento a “potência constante” só é possível numa gama de velocidades determinada pela característica do binário da própria máquina.


5.4 Controlador de tensão para motores assíncronos Este dispositivo de controlo de tensão,

que pode ser utilizado para iluminação e aquecimento, só pode ser utilizado com motores assíncronos de gaiola resistiva ou de colector de anel (ver Fig.22 ). A maior parte destes motores assíncronos são trifásicos, embora alguns sejam monofásicos, para baixas potências (aprox. até 3 kW). Frequentemente utilizados como unidades de arranque/paragem suaves, desde que não seja necessário um binário de arranque elevado, os controladores de potência

podem ser utilizados para limitar a corrente de arranque, a queda de tensão resultante e os choques mecânicos produzidos pelo súbito aumento de binário. As aplicações mais frequentes deste tipo são em bombas e ventiladores centrífugos, correias transportadoras, passadeiras rolantes, pórticos de lavagem de carros, máquinas equipadas com correias, etc. e no controlo de velocidade em motores de potência reduzida ou motores universais como os das ferramentas eléctricas.

Contudo, para algumas aplicações, como o controlo de velocidade de pequenos ventiladores, os controladores de potência foram todos substituídos pelos inversores de frequência, que são mais económicos durante o seu funcionamento. No caso das bombas, a função de paragem suave pode ser também usada para eliminar os impulsos de pressão. No entanto, deve ter-se algum cuidado na selecção deste tipo de variador de velocidade. Quando um motor escorrega, as suas perdas são na realidade proporcionais ao binário resistivo e inversamente proporcionais à velocidade. Um controlador de potência baseia-se no princípio de redução da tensão de forma a igualar o binário resistivo para a velocidade pedida. O motor de

gaiola resistiva deve assim ser capaz de, para velocidades reduzidas, dissipar as perdas (pequenos motores até 3kW são adequados para estas condições). Acima disso, é necessário utilizar motores com ventilação forçada. No caso dos motores em anel, as resistências associadas devem ser dimensionadas em função dos ciclos de trabalho. A decisão é deixada ao especialista, que deve seleccionar o motor adequado. Estão disponíveis três tipos de arrancadores no mercado: Arrancadores com uma fase controlada para potências reduzidas, arrancadores com duas fases controladas (a terceira em ligação directa), ou arrancadores com todas as fases controladas. Os dois primeiros sistemas só devem ser utilizados em aplicações pouco exigentes, devido ao aumento da taxa de frequências harmónicas.


5.5 Controladores de motores síncronos

Princípio geral Os controladores de motores síncronos (ver Fig. 23 ) combinam um inversor de frequência e um motor síncrono de ímane permanente dotado de um sensor. Estes controladores são destinados a mercados específicos como os robots ou máquinas-ferramenta, onde se exige um volume reduzido de motores, aceleração rápida e uma grande banda passante.

Princípio geral O circuito de potência possui 2 tiristores ligados head to tail em cada fase. (ver Fig.9). A variação de tensão é obtida variando o tempo de condução dos tiristores em cada alternância. Quanto maior o atraso no disparo, menor será o valor da tensão resultante. O disparo dos tirístores é controlado por um microprocessador, que também executa as seguintes funções: � Controlo do ajuste das rampas de subida e descida da tensão; a rampa de desaceleração apenas pode ser executada se a duração natural de desaceleração do sistema controlado for superior. � Ajuste do limite de corrente. � Binário de arranque. � Travagem controlada por injecção CC. � Protecção do controlador contra sobrecargas. � Protecção do motor contra aquecimento devido a sobrecargas ou arranques frequentes. � Detecção de desequilíbrio de fases, falha de fase ou falhas de tiristores. Um painel de controlo, que mostra vários dos parâmetros de funcionamento, fornece assistência durante a regulação, o funcionamento e a manutenção

Alguns controladores de potência podem controlar o arranque e a paragem de: � Um único motor � Vários motores simultaneamente dentro de limites de potência. � Vários motores em sucessão por comutação. Em situação normal, cada motor é alimentado directamente a parir da linha de alimentação através de um contactor. Inversão do sentido de rotação e travagem O sentido de rotação é invertido por inversão das fases do inversor. A travagem por contra-corrente é então aplicado e toda a energia dissipada no rotor da máquina. O funcionamento é por natureza intermitente. Travagem por injecção CC dinâmica Pode ter-se travagem económica fazendo funcionar o andar de saída do arrancador como rectificador, o que injecta corrente contínua nos enrolamentos. O binário de travagem não é controlado e a travagem é pouco eficaz, em particular a velocidades elevadas. Desse modo, a rampa de desaceleração não é incontrolada. Esta solução é prática para reduzir a duração natural de paragem da máquina. Como a energia é dissipada no rotor, este tipo de funcionamento é também raro.


O motor O rotor do motor é dotado de magnetos de imane permanente de modo a obter uma intensidade de campo reforçada num volume reduzido. O estator possui três enrolamentos de fase. Estes motores aceitam sobrecargas de corrente elevadas de modo a obter aceleração elevada. São dotados com um sensor de modo a indicar ao controlador a posição angular dos pólos do motor garantindo assim a comutação dos enrolamentos. O controlador Nestes termos, o controlador funciona no mesmo modo que um inversor de frequência. Possui também um rectificador e um inversor com transístores para modulação por largura de impulsos (PWM) que restitui uma corrente de saída de forma sinusoidal.

É frequente encontrar diversos controladores deste tipo alimentados por uma simples fonte de alimentação CC. Numa máquina-ferramenta, cada equipamento controla um dos motores ligados aos eixos da máquina. Uma fonte CC fornece energia a este conjunto paralelo de controladores. Este tipo de instalação permite que a energia gerada na travagem de um dos eixos seja fornecida ao conjunto. Pode usar-se uma resistência associada a um chopper, como nos inversores de frequência, para dissipar o excesso de energia de travagem. As funções electrónicas de servocontrolo, as constantes reduzidas de tempo mecânicas e eléctricas, permitem acelerações e, mais geralmente, bandas passantes que são muito grandes, associadas a velocidades dinâmicas elevadas.

5.6 Controlador de motor passo-a-passo Princípio geral

Os controladores de motores passo-a-passo combinam electrónica de potência idêntica aos inversores de frequência com um motor passo-a-passo (ver Fig. 24 .)

Podem funcionar em modo malha aberta (sem sensor) e destinam-se a aplicações com controlo de posição.

O motor O motor pode ser um motor de relutância variável, um motor de imane permanente ou uma combinação de ambos.

O controlador Quanto a esquema, o controlador é semelhante a um inversor de frequência (rectificador, filtros e ponte constituída por semicondutores de potência).


No entanto, quanto ao funcionamento, é fundamentalmente diferente na medida em que o seu objective é o de injectar corrente contínua nos enrolamentos. Por vezes, utiliza impulsos de largura variável (PWM) para melhorar a eficiência, em particular o tempo de subida da corrente (ver Fig.25 ), o que possibilita alargar a gama de funcionamento. O funcionamento em micro-passos (ver Fig.26 ) pode ser utilizado para multiplicar artificialmente o número das posições possíveis do rotor pela geração de passos sucessivos nos

enrolamentos em cada sequência As correntes nos dois enrolamentos parecem duas correntes alternadas desfasadas de 90°. O campo eléctrico resultante é a composição vectorial dos campos criados pelos dois enrolamentos. O rotor toma assim todas as posições intermédias possíveis. O diagrama abaixo mostra as correntes de alimentação dos enrolamentos B1 e B2 e as posições do rotor são representadas por um vector.


6 Outras funções dos controladores de velocidade va riável

6.1 Opções de diálogo Para assegurar que o motor funciona

correctamente, os controladores são equipados com vários sensores de monitorização da tensão, das correntes do “motor” e do estado térmico do motor. Esta informação, que é essencial para o controlador, pode ser útil para o funcionamento. Os controladores e arrancadores mais recentes dispõem de funções de diálogo baseadas em redes de campo. Isso fornece um meio de produzir informação que é usada por um PLC e um supervisor para controlar a máquina. O PLC usa ainda o mesmo canal para enviar informação de controlo.

A informação transmitida inclui: � Referências de velocidade � Ordens de arranque ou paragem � Definições iniciais de controlo ou modificações dessas definições durante o funcionamento. � O estado do controlador (run, stop, sobrecarga, falha) � Alarmes � O estado do motor (velocidade, binário, corrente, temperatura). Estas opções de diálogo são também utilizadas em ligação com PCs de modo a simplificar os parâmetros de arranque (download) ou para guardar parâmetros de arranque.

6.2 Funções i ncorporadas d e fábrica Com o fim de serem compatíveis com

o maior número de aplicações possíveis, os controladores possuem um número significativo de ajustes e parametrizações, nomeadamente: � Tempos de rampas de aceleração e desaceleração � Perfis de rampas (linear, S ou U) � Comutação de rampas, o que pode ser utilizado, por exemplo, para permitir uma aproximação suave. � Redução do binário máximo controlado, usando uma entrada ou referência lógica. � Funcionamento por joystick � Gestão do controlo de travagem em aplicações de elevação � Selecção de velocidades pré-definidas. � Presença de um somador de sinais de entrada, que pode ser usado para somar referências de velocidade. � Comutação das referências presentes na entrada do controlador � Presença de regulação PID para aplicações simples de servocontrolo. � Paragem automática no caso de falha de alimentação � Protecção térmica do motor usando uma imagem gerada no controlador

� Opção de ligação a sensores térmicos PTC integrados no motor � Salto da frequência de ressonância da máquina, evitando o funcionamento a essa frequência. � Bloqueio com atraso programado do controlador a velocidades reduzidas nas aplicações de bombagem onde o fluido é usado para lubrificar a bomba. Estas funções são cada vez mais integradas de fábrica em controladores sofisticados. (ver Fig. 27 ).

�


6.3 Cartas opcionais Os fabricantes disponibilizam cartas

opcionais para aplicações mais complexas, que podem ser utilizadas seja para funções especiais, por exemplo no controlo vectorial de fluxo com sensor, seja para aplicações específicas. Estes tipos de cartas incluem: � Cartas para “Estações de bombagem” como meio de baixos custos para parametrizar uma estação de bombagem constituída por um único controlador que fornece energia a vários motores em cadeia.

� Cartas “Multi-motor” � Cartas “Multi-parâmetros”, que podem ser usados para a comutação automática de parâmetros de regulação. � Cartas especiais desenvolvidas para uma dada necessidade do utilizador. Alguns fabricantes também oferecem cartas PLC para inserir no controlador, para uso em aplicações simples. Isso disponibiliza ao operador instruções de programação, entradas e saídas para parametrização de pequenos sistemas automáticos onde se não justifica a presença de um PLC separado

7 Conclusão

Como a selecção de um variador de

velocidade está fortemente ligada ao tipo de carga e aos níveis de performance desejados, a selecção de qualquer variador de velocidade deve incluir uma análise das necessidades de funcionamento do equipamento e dos níveis de performance do próprio motor. Binário constante, binário variável, potência constante, controlo vectorial de fluxo, controlador bidireccional, etc. são termos frequentes na documentação de fabricante. Essencialmente, trata-se de todos os dados que vai precisar de forma a identificar o controlador mais adequado. A escolha errada do controlador pode resultar num funcionamento pouco eficaz. De igual modo, é essencial considerara gama de velocidades desejadas de modo a seleccionar a combinação motor/controlador mais adequada.

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