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Page 1: Apostila - Conversores de Frequência - (Senai-MG)

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SERVIÇO NACIONAL DE APRENDIZAGEM INDUSTRIAL

CENTRO TECNOLÓGICODE ELETROELETRÔNICA“CÉSAR RODRIGUES”

CENATEC

CONVERSORES DEFREQÜÊNCIA

Rua Santo Agostinho 1717 - Horto - Belo Horizonte - MG - CEP 31035-490Tel.: (031) 482-5582 - FAX (031) 482-5580

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Conversores de freqüência1 O motor assíncrono................................................................................................4

1.1 Princípio de funcionamento ................................................................................41.2 Motor com rotor em gaiola de esquilo.................................................................51.3 Motor com rotor bobinado (motor de anéis) ........................................................51.4 Circuito equivalente do motor assíncrono...........................................................5

2 Equações da máquina assíncrona .........................................................................62.1 Força eletromotriz e corrente induzida................................................................62.2 Conjugado eletromagnético................................................................................7

3 Característica conjugado ×××× velocidade...................................................................74 Característica corrente ×××× velocidade ......................................................................85 Regiões de operação de uma máquina assíncrona................................................86 Regulação da velocidade do motor assíncrono por variação de freqüência ...........97 Conversores estáticos de freqüência ...................................................................108 Conversores de freqüência com modulação por largura de pulsos ......................109 Constituição básica do controlador eletrônico ......................................................11

9.1 Microcontrolador...............................................................................................119.2 Memórias (EPROM . EEPROM . RAM) ............................................................129.3 Entrada e saída de dados no conversor de freqüência.....................................12

10 Funcionamento do conversor de freqüência ........................................................1311 Modulação Por largura de pulsos senoidal...........................................................1412 Controle escalar...................................................................................................1513 Controle vetorial...................................................................................................16

13.1 Vantagens do conversor com controle vetorial:.............................................1614 Características e funções básicas dos conversores de freqüência.......................16

14.1 Parâmetros comuns......................................................................................1614.1.1 Seleção da referência de freqüência......................................................1614.1.2 Freqüência mínima ................................................................................1714.1.3 Freqüência máxima ...............................................................................1714.1.4 Tempo de aceleração ............................................................................1714.1.5 Tempo de desaceleração.......................................................................1714.1.6 Corrente limite para sobrecarga.............................................................1714.1.7 Característica V / F ................................................................................1714.1.8 Reforço ( boost ) da tensão de partida ...................................................1714.1.9 Compensação do escorregamento ........................................................1714.1.10 Freqüência de chaveamento..................................................................1714.1.11 Rejeição de freqüências criticas.............................................................1814.1.12 Rampa "S" .............................................................................................18

15 Algumas funções especiais dos conversores de freqüência.................................1915.1 Ciclo automático ...........................................................................................1915.2 Multi-speed ...................................................................................................1915.3 Partida com o motor girando ( flying start )....................................................1915.4 Frenagem reostática .....................................................................................1915.5 Frenagem por corrente contínua...................................................................20

16 Regulador PID superposto tipo proporcional, integral e derivativo .......................2116.1 Introdução.....................................................................................................2116.2 Circuitos de regulação ..................................................................................21

16.2.1 Sistema de Controle em Malha Fechada ...............................................2116.3 Realimentação de velocidade por tacogerador de pulsos .............................22

17 Observações e considerações importantes..........................................................2218 Aplicação de conversores de freqüência..............................................................24

18.1 Introdução.....................................................................................................2419 Tipos de conjugados resistentes..........................................................................24

19.1 Conjugado constante (x = 0) .........................................................................24

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19.2 Conjugado linear (x=1)..................................................................................25Conjugado quadrático (x=2) ....................................................................................2519.4 Conjugado hiperbólico (x=1) .........................................................................2619.5 Conjugados não definidos.............................................................................26

20 Critérios de aplicação...........................................................................................2720.1 Operação abaixo da rotação nominal............................................................2720.2 Motores autoventilados .................................................................................2820.3 Motores com ventilação independente..........................................................2920.4 Operação acima da rotação nominal.............................................................2920.5 Operação em ambientes com temperatura elevada (T > 40 °C) ...................30Operação em regiões de altitude elevada (ALT. > 1000 m) .....................................3020.7 Considerações sobre acionamentos multimotores ........................................31

20.7.1 Sistema de acionamento monoconversor ..............................................3120.7.2 Sistema de acionamento multiconversores ............................................32

20.8 Considerações sobre acionamento de motor monofásico .............................3221 Efeito dos harmônicos na rede.............................................................................33

21.1 Fator de potência e fator de deslocamento ...................................................33Utilização de reatância de rede ...............................................................................3421.3 Utilização de filtro de rádio freqüência ..........................................................3521.4 Correção do fator de potência.......................................................................36

21.4.1 Cuidados para a Instalação de bancos de capacitores na presença deharmônicos ..........................................................................................................3621.4.2 Efeitos dos harmônicos sobre capacitores.............................................3621.4.3 Sobretensões decorrentes de harmônicos.............................................3621.4.4 Solução para o problema de ressonância ..............................................37

22 Aplicações típicas ................................................................................................3722.1 Considerações gerais ...................................................................................3722.2 Bombas ........................................................................................................37

22.2.1 Bombas dinâmicas ou turbobombas ......................................................3722.2.2 Bombas de deslocamento positivo ou volumétricas ...............................38

22.3 Ventiladores..................................................................................................3822.4 Sistemas de refrigeração e ar condicionado .................................................3822.5 Torno de superfície / laminador desfolhador .................................................3822.6 Sistemas de transporte .................................................................................3922.7 Extrusoras.....................................................................................................4022.8 Trefilas..........................................................................................................4022.9 Misturadores .................................................................................................4022.10 Sistemas de elevação...................................................................................4022.11 Bobinadores e desbobinadores.....................................................................4122.12 Fresadoras....................................................................................................4122.13 Sistemas de dosagem...................................................................................4222.14 Centrífugas ...................................................................................................4222.15 Moinhos a tambor .........................................................................................42

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1 O motor assíncrono

1.1 Princípio de funcionamentoOs motores assíncronos ou de indução , por serem os mais robustos e mais baratos, são osmotores mais amplamente empregados na indústria. A ausência do comutador é grandevantagem dos motores assíncronos sobre os motores de corrente contínua.

Na máquina assíncrona, existe um conjunto de bobinas no estator alimentadas por uma redetrifásica e que produzem um campo magnético girante. Imerso neste campo está o rotor, que éconstituído por enrolamento em curto circuito. O movimento de rotação do fluxo produz umatensão nos condutores do rotor. Como o enrolamento está fechado, haverá portanto ,circulação de corrente. Devido à indutância natural do enrolamento, essa corrente estáatrasada com relação à tensão. A interação da corrente de rotor e do fluxo de estator , resultaem um conjugado desenvolvido no rotor , na mesma direção do campo girante.

A velocidade do campo é conhecida como velocidade síncrona (nS) , dada por:

O rotor sempre irá girar com uma rotação abaixo da rotação do campo girante (velocidadesíncrona) e, portanto, haverá corrente e conjugado induzidos. A diferença relativa entre asvelocidades do rotor e do fluxo do estator é conhecida como escorregamento e é representadapor:

Se o motor gira a uma velocidade diferente da velocidade síncrona, o enrolamento do rotorcorta as linhas de força magnéticas do campo girante e, pelas leis do eletromagnetismo,circularão nele correntes induzidas. Quanto maior a carga , maior deverá ser o conjugado paraacioná-la. Para obter um maior conjugado, proporcionalmente terá que ser maior a diferença develocidades entre rotor e o campo girante no estator para que as correntes induzidas e oscampos produzidos seja maiores. Portanto , à medida que a carga aumenta , cai a rotação domotor. Quando a carga for zero (motor a vazio) o rotor irá girar quase na rotação síncrona.

A freqüência da corrente induzida no rotor é igual ao escorregamento multiplicado pelafreqüência do estator. Ou seja:

nf

p

f

p

S ====

========

120.

frequência em Hertz

número de pólos do motor

sn n

n

s

n

n

s

s

s

====−−−−

====

========

escorregamento

velocidade síncrona

velocidade rotórica

f s f

f

f

2 1

2

1

============

.

freqüência da corrente rotórica [ Hz ]

freqüência da corrente estatórica [ Hz ]

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A vazio o escorregamento é muito pequeno , assim como no rotor, sua reatância e sua f.e.m.induzida são muito pequenas. Assim , a corrente do rotor é reduzida , apenas o suficiente paraproduzir o conjugado necessário a vazio. O fator de potência é extremamente baixo e ematraso , com cos ϕ < 0,3 , pois a corrente que circula no motor é utilizada apenas para a suamagnetização.

Quando uma carga mecânica é aplicada ao rotor , a velocidade decresce um pouco. Opequeno decréscimo na velocidade causa um aumento no escorregamento, na freqüênciarotórica , na sua reatância e na sua força eletromotriz induzida. O aumento da corrente induzidano rotor reflete num aumento da corrente primária do estator . Uma corrente maior seráproduzida no estator , com melhor fator de potência, tendendo a produzir mais potênciamecânica e solicitar mais potência da linha. À plena carga o motor de indução irá girar a umescorregamento que corresponde ao equilíbrio entre o conjugado desenvolvido e o conjugadoresistente da carga.

O fator de potência a plena carga varia de 0,8 (em pequenos motores de com potência emtorno de 1CV ) e aproximadamente 0,95 (nos grandes motores , acima de 150 CV). Com oaumento da carga , o fator de potência aproxima-se de um máximo e então decrescerapidamente.

1.2 Motor com rotor em gaiola de esquiloOs motores desta categoria são comumente chamados de motores de gaiola de esquilo. Ocircuito rotórico é constituído de barras isoladas e interligadas nas extremidades por anéis emcurto-circuito.

1.3 Motor com rotor bobinado (motor de anéis)O motor de anéis possui a mesma característica construtiva do motor de indução com relaçãoa estator , mas o seu rotor é bobinado com um enrolamento trifásico , acessível externamenteatravés de três anéis com escovas coletoras no eixo.

Graças à característica do ajuste da curva de conjugado por rotação em função do aumento daresistência rotórica pela inclusão de resistores externos , estes motores são utilizados noacionamento de cargas de inércia elevada e com alto conjugado resistente de partida. Poroutro lado , para acionamentos com baixa inércia , estes motores podem apresentar correntesde aceleração reduzidas.

1.4 Circuito equivalente do motor assíncronoQuando o escorregamento do varia entre 0 e 1 , haverá f.e.m. induzida no rotor e,consequentemente haverá conversão eletromecânica de potência. Nesta situação , é válido ocircuito equivalente mostrado a seguir.

• E1 : tensão de rotor

• I1 : corrente de rotor

• IE : corrente de excitação

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• E2 : tensão de rotor referida ao estator

• I2 : corrente de rotor

• R1 : resistência do enrolamento de estator

• X1 : reatância de estator

• Rp : resistência associada as perdas no núcleo magnético

• Xp : reatância de magnetização

• R2 : resistência de rotor referida ao estator

• X2 : reatância de rotor referida ao estator

2 Equações da máquina assíncrona

2.1 Força eletromotriz e corrente induzidaA força eletromotriz induzida no rotor é função do escorregamento. Com o rotor parado, ocampo rotativo estatórico gira com a mesma velocidade com relação aos enrolamentos do rotore estator, induzindo no circuito rotórico uma f.e.m. proporcional à freqüência de rotor (f1).

Quando o rotor está bloqueado, a tensões induzidas no rotor e estator são dadasrespectivamente por:

Na presença de escorregamento, tem-se:

Portanto:

Desta forma a análise da máquina pode ser descrita de forma aproximada por:

A equação acima mostra de forma aproximada o comportamento do fluxo de magnetização datensão e freqüência de estator.

(((( ))))

E f N K

E f N K

E

E

K K

N N

f f

m e

m e

e e

m

1 1 1 1

2 2 2 2

1

2

1 2

1 2

2 1

4 44

4 44

========

========

========

========

, . . . .

, . . . .

,

,

φφφφφφφφ

φφφφ

Força contra eletromotriz induzida no estator

Força eletromotriz induzida no rotor

Fator de enrolamento do estator e rotor , respectivamente

Número de espiras do estator e rotor , respectivamente

Fluxo de magnetização

Para rotor bloqueado

f s f2 1==== .

E s Es2 2≅≅≅≅ .

φφφφ M

E

f≈≈≈≈ 1

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2.2 Conjugado eletromagnéticoA interação entre a corrente de rotor e o fluxo produzido por cada pólo unitário do campomagnético girante que concatena o condutor do rotor , resulta no conjugado motor , que é dadopor:

Onde:

• K = Constante de conjugado para o número de pólos, enrolamento, conversão deunidades, etc.

• cos ϕ2 = fator de potência do circuito rotórico

• φM = fluxo de magnetização

• I2 = corrente de rotor

Para um estudo aproximado da máquina, a expressão do conjugado pode ser simplificada por:

Por sua vez, a corrente de rotor é dada por:

Onde :

• Z2 = Impedância rotórica

• E2 = Força eletromotriz induzida no rotor

• s = escorregamento

O conjugado desenvolvido é função do escorregamento , isto é , com o aumento da cargaaplicada à máquina, aumenta-se o escorregamento e consequentemente o conjugadodesenvolvido. Esta relação apresenta um limite, com o qual consegue-se obter o conjugadomáximo, e a partir do qual, aumentando-se o escorregamento aumenta-se a Impedânciarotórica , diminuindo-se o conjugado.

3 Característica conjugado ×××× velocidadeÉ a curva que mostra a dependência entre o conjugado desenvolvido por um motor elétrico e asua rotação. Nos motores de indução assíncronos o conjugado disponível aumenta à medidaque a velocidade rotórica diminui em relação à velocidade síncrona, até a velocidade ondeocorre o conjugado máximo. A relação entre o conjugado e a rotação de um motor é definidapara freqüências e tensões específicas, com uma certa carga aplicada ao motor.

C K IM==== . . .cosφφφφ ϕϕϕϕ2 2

C IM≈≈≈≈ φφφφ . 2

Is E

R s X2

2

22 2

22

====++++

.

.

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4 Característica corrente ×××× velocidadeA corrente do motor assíncrono depende diretamente da velocidade , diminuindo seu valor àmedida em que a rotação se aproxima da rotação síncrona.

O efeito da carga é o de reduzir ligeiramente a velocidade , fazendo com que a correnteconsumida pelo motor aumente. A corrente de partida pode atingir de 5 a 7 vezes a correntenominal.

5 Regiões de operação de uma máquina assíncronaA máquina síncrona pode funcionar em três regiões distintas de operação:

a) Região motora: A máquina aciona a carga e a velocidade do rotor situa-se entre zero e arotação síncrona.

b) Região geradora: A máquina é acionada por uma fonte externa de energia mecânica a umarotação acima da rotação síncrona. Nesta região funciona o gerador de indução.

c) Região de frenagem por inversão de fases: Nesta região, duas fases são invertidas com omotor ainda em funcionamento. O sentido de rotação do campo girante passa a ser opostoao do rotor e carga passa a ser freada .

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6 Regulação da velocidade do motor assíncrono por variaçãode freqüência

Ao se variar a freqüência da tensão do estator , varia-se a velocidade do campo girante. Comisto pode se variar a velocidade do rotor , mantendo-se constante o escorregamento damáquina e , portanto , as perdas podem ser otimizadas de acordo com as condições da carga.

Quando se regula a velocidade de um motor assíncrono por variação de freqüência , existemteoricamente duas faixas de atuação:

a) Fluxo constante: Nesta região a freqüência de estator varia entre zero e a freqüêncianominal e a relação entre a tensão e freqüência é mantida constante ( U / F = constante ).

b) Enfraquecimento de campo: A freqüência é maior que a nominal e a tensão de estator émantida constante . O fluxo magnético de estator nesta região decresce com o aumento dafreqüência.

Para que as duas faixas mencionadas se tornem possíveis de serem realizadas , hánecessidade das seguintes considerações:

a) Se um motor auto-ventilado trabalha com velocidade menor que a nominal, terá suacapacidade de refrigeração diminuída.

b) A tensão de saída dos conversores apresenta uma forma não senoidal , o que implica emharmônicas de ordem superior , que provocam um aumento de perdas no motor .

Devido às considerações mencionadas anteriormente, torna-se necessário reduzir o conjugadoe potências admissíveis no motor. Recomenda-se seguir a curva mostrada a seguir.

O valor de K está entre 0,7 e 1,0 e depende do conteúdo de harmônicas do conversor.

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7 Conversores estáticos de freqüênciaO mais eficiente método de controle de velocidade de motores assíncronos trifásicos , commenores perdas no dispositivo responsável pela variação da velocidade, consiste na variaçãoda freqüência da fonte alimentadora por meio de conversores estáticos de freqüência. Paraesta técnica , podemos considerar as seguintes relações:

Onde:

• φM = Fluxo de magnetização

• I2 = Corrente do rotor

• V1 = Tensão de estator

• f1 = Freqüência da rede

Para possibilitar a operação do motor com conjugado constante para diferentes velocidades,deve-se fazer variar a tensão V1 proporcionalmente com a variação da freqüência f1 mantendo-se desta forma o fluxo constante.

8 Conversores de freqüência com modulação por largura depulsos

C I

V

f

M

M

====

====

φφφφ

φφφφ

. 2

1

1

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Um conversor de freqüência com modulação por largura de pulsos consiste basicamente dosseguintes blocos:

a) Fonte de tensão contínua elaborada a partir de uma ponte retificadora alimentada por umarede monofásica ou trifásica;

b) Filtro capacitivo;

c) Inversor constituído de transistores de potência.

d) Controlador

A ponte retificadora de diodos transforma a tensão alternada de entrada em uma tensãocontínua que é filtrada por um banco de capacitores. O circuito de corrente contínua échamado de circuito intermediário . Esta tensão contínua alimenta uma ponte inversoraformada por transistores de potência ( BJT, IGBT ou MOSFET ) e diodos roda livre. O comandodas bases dos transistores , feito pelo microcontrolador , permite a geração de pulsos para omotor com tensão e freqüência controladas. O formato dos pulsos obedece ao princípio demodulação denominado de PWM senoidal, que permite um acionamento com correntepraticamente senoidal no motor. Usando-se transistores , ao invés de tiristores , no circuitoinversor , evita-se a utilização de elementos de comutação .

Para formar um sistema de tensões trifásicas com um conversor, os transistores sãochaveados com sinais gerados pelo microcontrolador numa seqüência preestabelecida ,gerando uma forma de onda retangular ou escalonada de um sistema trifásico nos terminais desaída CA.

Aumentando-se ou diminuindo-se a taxa de variação do chaveamento , pode-se alterar afreqüência do sistema trifásico gerado, inclusive aumentando a freqüência acima do valor darede , uma vez que a conversão CC desacopla a saída da entrada.

O circuito de controle é responsável pela geração dos pulsos para condução dos transistores,monitoração e proteção dos componentes de potência , interpretação dos comandos externos ,proteção e segurança.

9 Constituição básica do controlador eletrônicoOs controladores eletrônicos dos conversores de freqüência na atualidade são constituídosbasicamente de controladores lógicos digitais, que executam todas as funções operacionais doconversor, como: geração dos pulsos de disparo dos transistores, monitoração e proteção doscomponentes de potência, interpretação dos comandos, implementação das funções especiaisde controle, etc. De uma forma genérica, o controlador pode ser basicamente dividido nasseguintes partes:- Microcontrolador (CPU)- Memórias (EPROM - EEPROM - RAM)- Sistema de entrada e saída de dadosCada parte do controlador tem uma função específica, ao qual veremos a seguir.

9.1 MicrocontroladorO Microcontrolador, ou unidade central de processamento (UCP), é a unidade responsável emcoordenar todas as tarefas e executar os cálculos. Ela também pode ser chamada deprocessador e pode ser dividida em três partes básicas: Unidade Lógica Aritmética (ULA),Unidade de Controle e Rede de Registradores.A unidade aritmética é a responsável pela execução dos cálculos com os dados. Por exemplo,as operações lógicas básicas (E, OU, etc.) entre dois dados ou as operações aritméticas comosoma, divisão, subtração, multiplicação, etc.A unidade de controle é a responsável Por gerar os sinais de controle para os sistemas, comoleitura ou escrita da memória, de sincronização de interface de comunicação, enfim, todos ossinais de controle necessários para o sistema.

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A rede de registradores é constituída Por uma série de registradores que são utilizadosgeralmente para armazenar dados temporariamente, dados que estão sendo manipulados peloprocessador, ou registrador utilizado como contador de programa, ou ainda, registradorutilizado como armazenador de endereços, etc.Com o avanço da microeletrônica, a construção de microprocessadores dedicados(microcontroladores) tomou-se mais generalizada, onde todas as funções que anteriormenteeram executadas através da utilização de vários circuitos integrados individuais, foram sendocondensadas em um único circuito integrado (CHIP). Daí então se tomou perceptível adistinção entre microprocessadores, que são circuitos integrados para aplicação genérica emicrocontroladores, que são circuitos integrados para aplicações dedicadas.

9.2 Memórias (EPROM . EEPROM . RAM)As memórias em circuito integrado pode ser divididas em dos grupos distintos:- Memória ROM (Read Only Memory) - Memória apenas de leitura- Memória RAM (Random Acess Memory) - Memória de acesso aleatórioAs memórias ROM são designadas como memórias de programa Por serem memórias que nãopodem ser alteradas pelo programa, porém tem a vantagem de não perderem as suasinformações mesmo quando é desligada a alimentação. As memórias ROM são utilizadas paraarmazenar os programas ou dados que não necessitam ser alterados.Entre os principais tipos de memórias ROM, podem ser destacados os seguintes:- ROM MÁSCARA - São memórias nas quais as informações são gravadas em sua

fabricação.- PROM (Programmable Read Only Memory) - São memórias que podem ser eletricamente

programáveis, porém, após programadas, o seu conteúdo não pode ser mais alterado.- EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory) - São memórias que podem ser

eletricamente programáveis e podem ser apagadas posteriormente, para seremreutilizadas com uma nova programação. Para serem apagadas, estas memórias devemser expostas à luz ultravioleta.

- EEPROM (Electrical Erasable Programmable Read Only Memory) - Também são memóriasque podem ser eletricamente programáveis e podem ser apagadas posteriormente, paraserem reutilizadas com uma nova programação. Estas memórias podem ser apagadasatravés de sinais elétricos, o que as toma muito mais versáteis onde é necessárioprogramar dados que devem ser alterados continuamente, mas que não podem serperdidos quando da falta de alimentação. Este tipo de memória é que é utilizadainternamente dos controladores dos conversores de freqüência, pois é nela que searmazenam os dados referentes aos parâmetros de operação e características defuncionamento do conversor, dados que são alterados conforme as características daaplicação e que não podem ser perdidos quando da desenergização do conversor.

As memórias RAM são designadas como memórias de dados e são memórias que podem serlidas ou gravadas pelo programa. As memórias RAM são utilizadas para armazenartemporariamente dados que são alterados no decorrer do programa. As memórias RAMpossuem a característica de perder os dados armazenados quando da falta de alimentação, eatualmente, elas já se encontram incorporadas no mesmo circuito integrado doMicrocontrolador, visando a diminuição de espaço e número de componentes na placa decircuito impresso.

9.3 Entrada e saída de dados no conversor de freqüênciaO sistema de entrada e saída de dados é composto Por dispositivos que possibilitam aconexão do conversor de freqüências e o ambiente externo. Os dispositivos mais comuns são:

• Interface homem-máquina : É um dispositivo Por meio do qual o operador pode inserirparâmetros de operação na memória do conversor, como , Por exemplo : ajuste develocidade, tempo de aceleração e desaceleração, freqüência máxima e mínima , limitaçãode corrente etc. É possível também acessar dados internos do conversor , como :velocidade do motor , corrente e tensão fornecida , freqüência de saída , proteções atuadasetc.

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• Entradas e saídas analógicas : Permitem controlar e monitorar o conversor Por meio desinais eletrônicos analógicos , tais como : sinais de tensão ( 0 a 10V ) ou de corrente ( 0 a20 mA, 4 a 20mA ). Por meio destes sinais pode - se fazer o controle de velocidade(entrada) e leituras de corrente ou freqüência ( saída).

• Entradas e saídas digitais : Possibilitam o controle e monitoração do conversor Por meio desinais discretos ( digitais ). Este tipo de controle permite basicamente o acesso a funçõessimples como a seleção do sentido de rotação, bloqueio , seleção de velocidades pré -programadas etc.

• Interface de comunicação serial : Permite que o conversor seja controlado e monitoradoremotamente Por um sistema de processamento central (computador , SDCD , CLP), quePor vez , pode acessar os parâmetros de programação do conversor. Os sistemas decomunicação normalmente utilizam os padrões de comunicação RS-232 ou RS-485.

10 Funcionamento do conversor de freqüênciaComparados com tiristores, os transistores podem chavear muito mais rapidamente. Portanto ,possuem uma vasta área de aplicação em inversores de alta freqüência que empregammodulação por largura de pulsos. A maior desvantagem do é que os transistores necessitam decorrente contínua na base durante todo o período de condução.

A variação U/f é feita linearmente até a freqüência nominal do motor (50/60 Hz), acima desta, atensão que já é a nominal permanece constante e há então apenas a variação da freqüênciaque é aplicada ao enrolamento do estator.Com isto determinamos uma área acima da freqüência nominal que chamamos região deenfraquecimento de campo, ou seja, uma região onde o fluxo começa a decrescer e, portanto,o conjugado também começa a diminuir.Assim a curva característica conjugado x velocidade do motor acionado com conversor defreqüência pode ser colocada da seguinte maneira :

Podemos notar então, que o conjugado permanece constante até a freqüência nominal e, destaforma, começa a decrescer. A potência de saída do conversor de freqüência comporta-se damesma forma que a variação U/f, ou seja, cresce linearmente até a freqüência nominalpermanece constante acima desta.

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A figura a seguir mostra o comportamento conjugado x velocidade, idealizado da máquinaassíncrona em todos os quadrantes de acionamento. Com a variação da freqüência obtém-seum deslocamento paralelo da curva característica conjugado x velocidade em relação à curvacaracterística para freqüência nominal (50 ou 60 Hz).

Ou também de uma forma mais simplificada :

11 Modulação Por largura de pulsos senoidalCom este método os transistores de potência são acionados e desligados em uma freqüênciaelevada, de modo que o valor médio da tensão de saída varie de forma senoidal. A modulaçãoPor largura de pulsos possui harmônicos de ordem muito menor que outras formas de ondapulsantes , tais como : formas de onda quadrada, onda trapezoidal , onda escalonada e pulsosde largura não controlada.

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Para determinar os pontos de condução necessários para sintetizar corretamente a modulaçãopor largura de pulsos, um método pode ser usado tomando-se uma senóide de referência e ,através do circuito de controle , comparar a senóide com uma forma de onda triangular , comomostra a figura. Em (a) tem-se uma tensão de saída máxima, em (b) uma tensão de saídareduzida pela metade e em (c) a metade da tensão e metade da freqüência.

12 Controle escalarO controle escalar é utilizado por conversores de freqüência convencionais , onde é necessáriaapenas a variação de velocidade em aplicações normais e que não requerem elevadassolicitações dinâmicas , precisão , nem controle de conjugado (corrente).

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Em um sistema de controle escalar , é possível uma precisão de velocidade de até 0,5% darotação nominal sem variação de carga, e de 3% a 5% com variação de carga de 0 a 100% doconjugado nominal. Pelo princípio de funcionamento e aplicação , são utilizados na maioria dasvezes motores de indução convencionais sem nenhum sistema de realimentação develocidade. A faixa de variação de velocidade é pequena e da ordem de 1:10.

Com estas características o conversor de freqüência convencional (escalar ) , é utilizado commais freqüência, pois apresenta um custo relativo menor que o conversor com o controlevetorial, como também em relação a um acionamento por motor CC e conversor CA/CC.

13 Controle vetorialEm aplicações nas quais o alto desempenho dinâmico ( repostas rápidas e alta precisão deregulação) , o motor elétrico deverá fornecer um controle preciso de conjugado para uma amplafaixa de condições de operação. Para tais aplicações os acionamentos de corrente contínuasempre representam uma solução adequada , pois, a proporcionalidade da corrente dearmadura , do fluxo e do conjugado num motor de corrente contínua proporciona um meiodireto para o controle de conjugado.

No motor assíncrono a corrente de estator é responsável por gerar o fluxo de magnetização e ofluxo de conjugado, não permitindo que este último possa ser controlado diretamente. Nosconversores de freqüência convencionais , a variação de velocidade é obtida variando-se atensão e a freqüência aplicadas ao motor sem levar em conta as variações da impediênciainterna dos enrolamentos e os fenômenos de saturação.

O controle vetorial é uma forma de regulação que possibilita a avaliação individual dascomponentes elétricas internas do motor de corrente alternada ( resistências e indutâncias ) ,permitindo uma regulação mais precisa .

O circuito de potência do conversor de freqüência vetorial não é diferente de um conversor defreqüência escalar, sendo composto dos mesmos blocos funcionais. O controlador vetorialcalcula a corrente necessária para determinar a conjugado requerido pela máquina,monitorando a corrente de estator.

13.1 Vantagens do conversor com controle vetorial:- Elevada precisão de regulação de velocidade (0,01%);- Alta performance dinâmica;- Controle de conjugado linear para aplicações de posição ou de tração;- Operação suave em baixa velocidade e sem oscilações de conjugado, mesmo com variaçãode carga.O controle vetorial representa, sem dúvida, um avanço tecnológico significativo, aliando asperformances dinâmicas de um acionamento CC e as vantagens de um motor CC porém, emalguns sistemas que utilizam controle vetorial é necessário o uso de tacogerador de pulsosacoplado ao motor para que se tenha uma melhor dinâmica, o que toma o motor especial.porem disso, a função de regeneração é mais complicada, pois requer circuitos adicionais taiscomo ponte retificadora antiparalela na entrada e hardware adicionais para regeneração, emcomparação a um acionamento Por motor CC e conversor CA/CC.

14 Características e funções básicas dos conversores defreqüência

14.1 Parâmetros comuns

14.1.1 Seleção da referência de freqüênciaÉ possível selecionar qual será a referência de freqüência utilizada pelo conversor, que podeser estabelecida na IHM, por meio do canal serial ou através das entradas analógicas oudigitais.

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14.1.2 Freqüência mínimaPermite determinar mínima freqüência de sadia entregue ao motor pelo conversor.

14.1.3 Freqüência máximaDetermina a máxima freqüência de saída do conversor.

14.1.4 Tempo de aceleraçãoEstabelece o tempo que conversor leva para variar de 0 Hz até o limite superior da faixa defreqüência selecionada.

14.1.5 Tempo de desaceleraçãoEstabelece o tempo que conversor leva para variar do limite superior da faixa de freqüênciaselecionada até 0 Hz.

14.1.6 Corrente limite para sobrecargaDefine o valor máximo para a corrente de saída do conversor. Deve ser determinada em funçãodo motor a ser utilizado.

14.1.7 Característica V / FDetermina a relação entre a tensão / freqüência na sadia do conversor. Normalmente épossível estabelecer uma relação linear para motores de 50Hz ou 60Hz ou ainda uma relaçãoarbitrária.

14.1.8 Reforço ( boost ) da tensão de partidaAumenta a relação V / F em baixas freqüências , de modo a permitir a partida de cargas comconjugado resistente de partida elevado.

14.1.9 Compensação do escorregamentoPermite melhorar a regulação de velocidade com as variações de carga. Com a compensaçãode escorregamento a freqüência de sadia é aumentada na proporção do aumento da corrente.

14.1.10 Freqüência de chaveamentoEstabelece qual deve ser a freqüência de chaveamento dos transistores de do inversor desaída. Freqüências de chaveamento elevadas implicam em menor ruído acústico no motor,porém aumentam as perdas nos semicondutores, elevando sua temperatura e reduzindo suavida útil.

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A redução da freqüência de chaveamento , por sua vez , colabora na redução de problemas deinstabilidade e ressonâncias que ocorrem em determinadas condições de aplicação.

14.1.11 Rejeição de freqüências criticasPermite ao conversor a possibilidade de evitar a operação em determinadas freqüênciascríticas que possam provocar ressonância no acionamento mecânico acoplado ao motor,causando vibração e ruído indesejáveis.

14.1.12 Rampa "S"Possibilita a substituição das convencionais rampas de aceleração lineares por rampas do tipo"S" , as quais impõem ao motor e carga maior suavidade nos instantes de aceleração edesaceleração.

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15 Algumas funções especiais dos conversores de freqüência16.1. Regulação de velocidade em malha fechada

É uma utilizada quando se necessita de alta precisão de velocidade , independente devariações nas condições da carga.

Para garantir uma precisão elevada o conversor faz o controle de velocidade do motor emmalha fechada, o que torna necessário a utilização de um sinal de realimentação develocidade. A realimentação de velocidade é obtida por meio de um transdutor de velocidade (encoder incremental) acoplado ao eixo do motor.

15.1 Ciclo automáticoO ciclo automático é utilizado para acionar um motor em uma determinada seqüência deoperação que é repetida a cada liberação do conversor.

O ciclo , após iniciado, pode ser interrompido , sendo que a parada da máquina ocorreseguindo a rampa de desaceleração, e poderá ser reiniciado a partir do mesmo ponto em queocorreu a parada. Ao final do ciclo completo , o conversor aguardará um comando externo quehabilite o inicio de um novo ciclo.

15.2 Multi-speedEsta função permite a variação da freqüência de saída do conversor através de combinaçõesdas entradas digitais, que por sua vez podem comandadas por várias formas , tais como:chaves seletoras , contatores, relés, chaves fim-de-curso etc. Seu uso é recomendado quandose necessita de duas ou mais velocidades fixas e pré-definidas.

15.3 Partida com o motor girando ( flying start )Este recurso é utilizado quando é necessário o religamento do motor com o conversor defreqüência mesmo que o motor ainda esteja em movimento. Quando o motor ainda encontra-se girando , existe um magnetismo residual que faz com que seja gerada uma tensão nos seusterminais. Com o religamento do conversor , surgem picos transitórios de corrente que podemlevar a atuação da proteção contra curto circuito e ao bloqueio do conversor.

O recurso "flying start" faz com que o conversor imponha a tensão de alimentação sem queocorra o bloqueio causado pelo pico transitório de corrente.

15.4 Frenagem reostáticaEste tipo de frenagem é utilizada nos casos em que são desejados tempos de desaceleraçãocurtos ou quando forem acionadas cargas de elevada inércia.

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Durante os períodos de desaceleração o motor passa a funcionar como gerador e a energiaretorna através do inversor , fazendo com que a tensão no circuito intermediário aumente.Neste momento é conectado ao circuito intermediário um resistor para dissipar a energiadevolvida pela carga.

15.5 Frenagem por corrente contínuaNeste caso, a frenagem do motor é conseguida removendo-se a alimentação CA e aplicando-se uma tensão contínua em seu estator.

Durante a frenagem CC , é necessário um intervalo para a desmagnetização do motor, demodo a evitar um pico de corrente no conversor.

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16 Regulador PID superposto tipo proporcional, integral ederivativo

16.1 Introdução

O uso de conversor de freqüência é comum em aplicações de controle de processos. Nestescasos, deseja-se controlar uma determinada grandeza do processo, sendo a velocidade domotor variada para tanto.A incorporação da função regulador PID em um conversor de freqüência transforma oacionamento do sistema em malha aberta para um sistema em malha fechada (realimentado),o que permite um controle automático do processo, a partir de uma referência (set-point)definida pelo mesmo e ajustada (programada) diretamente no conversor de freqüência. Comoexemplo temos o controle de vazio:

Em muitas aplicações, com a utilização do Regulador PID interno evita-se o uso de umcontrolador de processo externo ao conversor.

16.2 Circuitos de regulaçãoO principal objetivo de um conversor é regular a velocidade do motor, tomando-a insensível àsvariações de carga. Através de um sinal de referência (Ex.: 0-10 Vcc, 0-15 Vcc, 0-2O mA, 4-20mA, etc.) ajustamos um nível de velocidade desejado, que deverá ser mantido independente dacarga. Para a construção de circuitos de regulação são usados amplificadores operacionais,cujas principais características são : Alta Impedância de entrada, alto ganho e baixa inércia.Os circuitos de regulação devem possuir as seguintes características :1 - Baixo desvio entre o valor de controle e o valor controlado;2 - Alta estabilidade;3 - Boa dinâmica de regulação, isto é, após uma perturbação a nova condição em regimepermanente deve ser atingida o mais rápido possível

16.2.1 Sistema de Controle em Malha Fechada

Neste tipo de sistema, a variável de saída é regulada mediante o envio de uma amostra de seuvalor à entrada (realimentação). Na figura a seguir temos um diagrama simplificado de umsistema em malha fechada.

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Um exemplo prático é o do conjunto motor, realimentado Por tacogerador. Neste caso, otacogerador (G) informa ao conversor qualquer variação de velocidade que ocorra no motor.Desta forma, o conversor, através de seus reguladores, alteram a frequência de saída,modificando assim a velocidade do motor. Logo, quanto mais rápida for a resposta dosreguladores, menor será a variação da velocidade e mais estável será o sistema.

16.3 Realimentação de velocidade por tacogerador de pulsos

A configuração padrão do conversor apresenta controle de velocidade em malha aberta. Nestecaso a precisão de velocidade depende do escorregamento do motor. Valores típicos deregulação situam-se entre 3% a 5% da velocidade nominal para variações de carga no eixo deO a 1OO% da carga nominal.A operação em laço fechado de velocidade tem o objetivo de melhorar a precisão desta com asvariações de carga. Para isto, deve ser acoplado ao eixo do motor um encoder do tipoincremental (tacogerador de pulsos) utilizado como sensor de velocidade.Neste caso é possível atingir-se uma precisão de até O,5%, para uma variação de carga de Oa 1OO% da carga nominal, com velocidades entre 1O% a lOO% da rotação nominal.

Além da instalação do encoder incremental, o conversor deverá ser configurado para operarcomo "regulador de velocidade". Com esta configuração, o conversor utiliza o regulador PIDinterno para que o conversor tenha uma resposta otimizada na regulação de velocidade (amais rápida e sem oscilações), para cada tipo de aplicação.

17 Observações e considerações importantes

1. Quanto menor a tensão e a freqüência do estator, mais significativa é a queda de tensãono estator, de modo que para baixas freqüências, mantendo-se a proporcionalidade entre afreqüência e a tensão, o fluxo e consequentemente o conjugado da máquina diminuibastante. Para que isto seja evitado, a tensão do estator para baixas freqüências deve sera1-lmentada, através da compensação lxR, conforme figura a seguir:

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Para a faixa compreendida entre 0 a aproximadamente 10 Hz, a relação entre Ui e Φ não édeterminada facilmente, pois dependem tanto de f1 (freqüência estatórica) como de f2(freqüência rotórica). Portanto, a elevação da tensão em baixas freqüências depende tambémda freqüência do escorregamento e consequentemente da carga.

2. Relações U1/f1 acima dos valores nominais estão limitadas em função de que para altosvalores de tensão ocorre a saturação e o conseqüente enfraquecimento do campo.Combinando as equações já apresentadas e com a consideração de pequenos valores deescorregamento e supondo f2 proporcional a f1, podemos dizer que:- o conjugado máximo decresce com o quadrado da velocidade;- o conjugado nominal decresce hiperbolicamente com a velocidade, e decresce

aproximadamente com o quadrado do fluxo;

3. Em função de que as formas de onda, tanto de tensão como de corrente, produzidas pelosconversores de freqüência não são senoidais, com um alto conteúdo de harmônicos de 5a,7a, 11a e 13a ordem, as perdas nos motores são maiores. Portanto, faz-se necessário umaredução nas características nominais do motor de aproximadamente 10%.

4. O controle de velocidade de máquinas assíncronas, principalmente em aplicações queexigem elevadas dinâmicas do acionamento, é mais difícil do que nas máquinas decorrente contínua. Ao contrário do motor CC, no qual as grandezas que resultam noconjugado motor, ou seja, a corrente de amadura e corrente de campo podem sercontroladas, no motor assíncrono apenas a corrente do estator é acessível. A corrente demagnetização e a corrente do rotor podem ser determinadas apenas indiretamente.Entretanto, altas performances de acionamentos CA podem ser também alcançadasquando, por processos de decomposição vetorial, a corrente do estator é dividida em duascomponentes, uma componente de fluxo e outra de conjugado, onde ambas sãocontroladas independentemente, de forma análoga aos acionamentos com motores CC deexcitação independentemente.

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18 Aplicação de conversores de freqüência

18.1 IntroduçãoAfirmar que uma carga mecânica requer uma determinada potência P, é equivalente a dizerque esta carga necessita de um dado conjugado C, a uma dada veleidade de rotação n.Matematicamente existem infinitas combinações de C e n de modo a resultar no mesmo valorde P; fisicamente, contudo, uma específica carga mecânica associa-se a um único par (C,n) erespectivamente a uma potência P, através da relação:

onde:P = PotênciaC = Conjugadon = Rotaçãok = Constante relacionada com unidades utilizadasA curva C em função de n é uma característica fundamental para o processo de seleção domotor adequado ao acionamento, sendo que o conjugado resistente depende da carga, mastodos podem ser representados pela expressão:

onde:Cc = Conjugado resistente da cargaCo = Conjugado da carga para rotação zerokc = Constante que depende da cargax = Parâmetro que depende da carga, podendo assumir os valores -1, 0, 1, 2De acordo com a equação, percebe-se que o conjugado da carga varia com a rotação n. Estavariação depende do parâmetro 'x", e em função deste as cargas podem ser classificadas emquatro grupos:- Cargas com conjugado resistente CONSTANTE- Cargas com conjugado resistente LINEAR- Cargas com conjugado resistente QUADRÁTICO- Cargas com conjugado resistente HIPERBÓLICO

19 Tipos de conjugados resistentes

19.1 Conjugado constante (x = 0)Para este tipo de carga o parâmetro x é igual a zero, ficando:

Nas máquinas deste tipo, o conjugado permanece constante durante a variação de velocidade,e a potência aumenta proporcionalmente com a velocidade. Logo:

P= k. n

Onde k é uma constante que depende da carga.Alguns exemplos de aplicações típicas: equipamentos de içamento (guindastes, elevadores decarga), correias transportadoras, laminadores, extrusoras, bombas de deslocamento positivo,bombas de pressão controlada.A relação do conjugado e da potência da carga em relação a rotação é mostrada na figura aseguir:

PC n

k= .

C C K nc cx= +0 .

C C K cons tec c= + =0 tan

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19.2 Conjugado linear (x=1)Neste grupo de carga, faz-se o parâmetro x igual a 1, de onde temos:

Nestes tipos de máquina o conjugado varia linearmente com a rotação e a potência com oquadrado da rotação. Portanto:

Exemplos de aplicações típicas: calandras, freios a corrente de Foucault. A figura a seguirmostra este caso:

19.3 Conjugado quadrático (x=2)Neste caso, faz-se o parâmetro x igual a 2, e o conjugado é dado por :

Neste caso o conjugado varia com o quadrado da rotação e a potência com o cubo da rotação.Logo:

Alguns exemplos de aplicações típicas: bombas centrífugas, ventiladores centrífugos,agitadores, compressores, etc., que representam as cargas típicas para ser acionadas porconversor de freqüência. A figura a seguir mostra este caso:

C C K n linearc c= + =0 .

P C n K nc c= +02. .

C C K n parabolicoc c= + =02.

P C n K nc c= +03. .

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19.4 Conjugado hiperbólico (x=1)Para este grupo de carga, temos o parâmetro x = -1, e o seu conjugado é dado por:

Neste tipo de carga desprezamos a constante C0 pois a mesma teria valor infinito, pois pelaexpressão acima pode-se perceber que para n=0 o conjugado seria infinito, o que não temsentido físico. Este fato na prática não acontece porque a rotação da máquina só pode variarentre um limite mínimo (n0) e máximo (n2).A potência, neste caso, permanece constante, isto é, não varia com a rotação, ou seja:

Exemplos de aplicação: bobinadores, tornos de superfície, mandrilhadoras, furadeiras,perfuratriz, tornos, tipos de agitadores. A figura a seguir representa este caso:

19.5 Conjugados não definidosNeste caso a equação genérica do conjugado não pode ser aplicada, pois não podemosdeterminar sua equação de maneira precisa, logo temos que determinar o seu conjugadoutilizando técnicas de integração gráfica. Na prática, analisa-se como conjugado constante,pelo máximo valor de conjugado absorvido.

CK

ncc=

P k cons tec c= = tan

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20 Critérios de aplicação

20.1 Operação abaixo da rotação nominalConsiderando-se que as perdas no cobre são resultado da corrente do motor, então a perda depotência será proporcional à carga. Dessa forma, se o motor gira mais lento, com a mesmacorrente nominal (determinada pela carga) gerando a mesma perda de potência que ocorre emvelocidades mais elevadas, o motor se sobreaquece, pois há um menor fluxo de ar derefrigeração disponível quando o ventilador do motor se movimenta em velocidades menores(motores autoventilados). Quando o motor é utilizado em aplicações para controle deventiladores ou bombas centrífugas, a carga normalmente diminui, conforme a velocidade sereduz, dessa forma o sobreaquecimento deixa de existir. Em aplicações onde o motor devedesenvolver pleno conjugado (100% da corrente) em baixa velocidade, osuperdimensionamento ou utilização de motores com um fator de serviço mais elevado se tomanecessário.

Geralmente, em aplicações que possuam carga com conjugado constante e variação develocidade de 0 a 50% da rotação nominal, utiliza-se o fator K de redução de potência, dafigura anterior, ou se quisermos, poderemos utilizar o fator de serviço e/ou o aumento da classede isolamento para manter o conjugado constante.

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Observação:Chama-se fator de serviço (FS) o fator que aplicado à potência nominal, indica a cargapermissível que pode ser aplicada continuamente no motor, sob condições especificadas. Noteque se trata de uma capacidade de sobrecarga continua, ou seja, uma reserva de potência quedá ao motor uma capacidade de ainda suportar o funcionamento em condições desfavoráveis.O fator de serviço não deve ser confundido com a capacidade de sobrecarga momentânea,durante alguns segundos. O fator de serviço FS = 1,o, significa que o motor não foi projetadopara funcionar continuamente acima da sua potência nominal. Isto, entretanto, não muda a suacapacidade para sobrecargas momentâneas.

20.2 Motores autoventiladosPara a operação com motores autoventilados padrões, é aconselhável a utilização de operaçãona faixa entre 50% a 100% da rotação nominal, faixa em que o ventilador acoplado ao próprioeixo do motor ainda possui eficiência na refrigeração. Para rotações abaixo de 50%, em casode cargas com conjugado constante, é necessário o sobredimensionamento da carcaça domotor, ou através do simples aumento da potência nominal do motor, ou então através dafabricação de um motor especial com a carcaça sobredimensionada, a fim de prover a devidarefrigeração do motor.Para o cálculo da carcaça a ser utilizada, deve-se levar em consideração o conjugadonecessário pela carga a ser acionada e a faixa de variação de velocidade. Definindo-se avelocidade mínima de operação, utiliza-se o gráfico abaixo:

Pelo valor da freqüência mínima (rotação mínima) necessária à aplicação, utilizando o gráfico,defini-se o valor do conjugado máximo disponível (em p.u.) no motor sem ocorrersobreaquecimento, utilizando a potência necessária ao acionamento.Com este valor, defini-se então o novo conjugado do motor (sobredimensionado) que deveriaser utilizado sem sobreaquecimento utilizando o conjugado necessário para acionar a carga,por:

Com o conjugado sobredimensionado obtido, define-se através de uma tabela decaracterísticas de motores padrões, qual o motor que possui este conjugado. Este motorportanto terá a carcaça que perimirá a utilização na faixa de rotações necessária sem oproblema de sobreaquecimento, fornecendo o conjugado necessário para acionar a carga.Pode-se então utilizar este motor diretamente, que estará sobredimensionado em carcaça etambém em potência, ou então utilizar um motor que possua esta carcaça sobredimensionada,mas com a potência ajustada ao acionamento, através da bobinarem de enrolamentos emcarcaça maior (motor especial).

CC

ker ensionadoc a

sup dimarg=

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20.3 Motores com ventilação independenteCom a utilização de motores com ventilação independente, não existirá mais o problema desobreaquecimento do motor por redução de refrigeração, podendo o mesmo ser dimensionadocom a carcaça normal e potência necessária ao acionamento. Para motores com ventilaçãoindependente, o ventilador que era acoplado ao próprio eixo do motor agora é acoplado à umoutro motor independente, que geralmente é acoplado ao motor principal por intermédio deuma flange defletora especial (reforçada) que permite o suporte mecânico do motor daventilação.

20.4 Operação acima da rotação nominal

Um motor padrão para operar em rede de freqüência de 50 ou 60 Hz pode girar a freqüênciasmais altas quando alimentado por um conversor de freqüência. A velocidade máxima dependedos limites de isolação para a tensão do motor e seu balanceamento mecânico.Neste caso, como o motor funcionará com enfraquecimento de campo, a máxima velocidadeestará limitada pelo conjugado disponível do motor e pela máxima velocidade periférica daspartes girantes do motor (ventilador, rotor, mancais).

Casos especiais:

A potência admissível de um conversor de freqüência é determinada levando-se emconsideração, principalmente, dois fatores:- Altitude em que o conversor será instalado;

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- Temperatura do meio refrigerante;Conforme a NBR-7094, as condições usuais de serviço, são:a) Altitude não superior a 1000 m acima do nível do mar;b) Meio refrigerante (ar ambiente) com temperatura não superior a 40 oC;Nos casos em que o conversor deva trabalhar com temperatura do ar de refrigeração napotência nominal, motor do que 40oC e/ou em altitude maior do que 1000m acima do nível domar, deve-se considerar os seguintes fatores de redução:

20.5 Operação em ambientes com temperatura elevada (T > 40 °C)

A redução da potência (corrente) nominal do conversor de freqüência, devido à elevação datemperatura ambiente, acima de 40°C e limitada a 50°C, é dada pela relação e gráfico a seguir:

20.6 Operação em regiões de altitude elevada (ALT. > 1000 m)Conversores funcionando em altitudes acima de 1000 m , apresentam problemas deaquecimento causado pela rarefação do ar e, consequentemente, diminuição do seu poder dearrefecimento.A insuficiente troca de calor entre o conversor e o ar circundante, leva a exigência de reduçãode perdas, o que significa, também redução de potência. Os conversores tem aquecimentodiretamente proporcional às perdas e estas variam, aproximadamente, numa razão quadráticacom a potência.Segundo a norma NBR-7094, os limites de elevação de temperatura deverão ser reduzidos de1% para cada 100 m de altitude acima de 1000 m.A redução da potência (corrente) nominal do conversor de freqüência, devido à elevação daaltitude acima de 1000 m e limitada a 4000 m, é dada pela relação e gráfico a seguir:

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20.7 Considerações sobre acionamentos multimotoresOs conversores de freqüência podem alimentar múltiplos motores, controlando-os na mesmaproporção para dar partida/parada em uma máquina, tal como um sistema transportador.

20.7.1 Sistema de acionamento monoconversorPara este acionamento considera-se a utilização de um conversor para cada motor, e osincronismo entre os motores pode ser obtido utilizando-se uma lógica (equipamentos) auxiliarpara permitir que se tenha a aceleração/desaceleração do sistema em conjunto para que nãoaconteçam sobrecargas individuais em alguns motores.Um sistema possível de se interligar os conversores é demonstrado na figura a seguir, em umaconfiguração designada "Mestre-Escravo", onde a referência principal de velocidade é colocadano conversor "Mestre", e a partir deste conversor é enviado um sinal de referência develocidade para o conversor seguinte, e assim sucessivamente para os demais conversores"Escravos" em cascata.

Como características deste tipo de acionamento podemos citar:a) A proteção de cada motor é feita individualmente e diretamente pelo respectivo conversor e

fusíveis ultra-rápidos.b) A potência de cada conversor é a própria potência do motor acionado.c) Pode haver o desligamento e religamento de cada motor individualmente, caso não seja

necessário o sincronismo entre todos os motores.

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20.7.2 Sistema de acionamento multiconversoresPara este acionamento considera-se a utilização de um conversor para vários motores, e osincronismo entre os motores é obtido pela simples injeção da mesma freqüência dealimentação para todos os motores. A figura a seguir demonstra a ligação destes motores:

Como características deste tipo de acionamento podemos citar:

a) A proteção de cada motor é feita através de um relé térmico adicional, individualmente paracada motor na saída do conversor.

b) A potência do conversor é igual a somatória de todas as potências dos motores acionados.c) Não pode haver o desligamento e religamento de cada motor individualmente, pois isto

seria encarado como a condição de uma partida direta do motor, ocasionando um pico decorrente no religamento que causaria o bloqueio do conversor por sobrecorrente. No casode desligamento de um motor, é necessário o desligamento de toda a máquina para aposterior partida conjunta pela rampa de aceleração.

20.8 Considerações sobre acionamento de motor monofásicoO acionamento de motores monofásicos não pode ser feito através da utilização deconversores de freqüência, devido aos princípios físicos de funcionamento (partida) do motor.Em motores monofásicos, a partida é efetuada através da utilização de um enrolamentoestatórico auxiliar e de um capacitor de partida, que de uma forma genérica, causam umadeformação no campo girante do motor, que por sua vez produz conjugado. Após o processode partida, quando o motor atinge uma determinada velocidade, um contato auxiliar (centrífugo)desconecta o enrolamento auxiliar e o capacitor da rede, operando o motor apenas com oenrolamento principal conectado à rede.Caso fosse utilizado um conversor de freqüência, o mesmo teria de ter sua saída monofásica ehaveria a necessidade da utilização do enrolamento auxiliar e do capacitor para a partida(criação de campo girante). Como a tensão de saída do conversor possui uma forma de ondapulsante (PWM), a utilização do capacitor se toma proibitiva, pois os pulsos de tensãocausariam a destruição do capacitor.

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21 Efeito dos harmônicos na rede

21.1 Fator de potência e fator de deslocamentoQuando se trabalha com retificadores a diodo e filtro capacitivo, deve-se ter um cuidadoespecial para não confundir o fator de potência com o fator de deslocamento (cos p). O fator depotência é dado por:

onde:FP = Fator de potênciaP = Potência média de entrada do circuitoV;f = Valor eficaz da tensão senoidal de entradaI,f= Valor eficaz da corrente total de entrada.

Devido a corrente de entrada possuir harmônicas, temos:

sendo:li(t) = Corrente total de entrada

n = Ordem da harmônica de corrente.

Como a transferência de potência ativa ocorre para harmônicas de tensão e corrente damesma ordem, a potência média de entrada será definida por:

onde:lief = Valor eficaz da componente fundamental da corrente de cargaϕ = Angulo de deslocamento entre a tensão e a componente fundamental da corrente deentrada.Portanto, substituindo combinando-se as equações, tem-se:

ou

Definindo-se taxa de distorção harmônica (TDH):

FPP

V Iief ief

=.

I t I t I ti i in( ) ( ) ( )= + ∑1

∑ I tin ( ) = Somatório das harmônicas de corrente

I I Iief ef inef2

12 2= + ∑

P V Iief ief= . .cosϕ

FPI

I I

i ef

i ef inef

=+ ∑1

12 2

cosϕ

ϕ∑

+

= cos

I

I1

1FP

2ef1i

2inef

THDI

Iinef

i ef

=∑ 2

1

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Obtém-se:

Dessa forma, para se ter fator de potência unitário, é necessário:- Deslocamento nulo entre tensão de entrada e a fundamental da corrente de entrada (cosϕ = );- Ausência de harmônicas de corrente.Portanto, se a forma de onda da corrente de entrada apresentar harmônicas (corrente nãosenoidal), o fator de potência deixará de ser unitário, mesmo que o fator de deslocamento(cosϕ) seja unitário.Na figura abaixo é possível observar que o fator de potência será igual ao fator dedeslocamento para correntes de entrada puramente senoidais.

21.2 Utilização de reatância de rede

A utilização de reatâncias trifásicas entre a rede e a entrada do conversor possibilita o efeito defiltragem das correntes de entrada reduzindo as harmônicas nestas. Como resultado tem-se:- redução da corrente RMS de entrada;- aumento do fator de potência;- aumento da vida útil dos capacitores do circuito intermediário;- diminuição da distorção harmônica na rede de alimentação.A rede, ou transformador de alimentação, deverá apresentar uma capacidade mínima de 1,5vezes a potência em kVA do conversor, para que este opere corretamente, sem problemas deaquecimento devido a existência de correntes harmônicas.Os critérios para utilização ou não destas são os seguintes:

a) Utilizar quando:- conversor com corrente < 50, potência da rede (ou transformador) de alimentação > 500

kVA e queda na cablagem de alimentação do conversor < 2% na corrente nominal deentrada;

- conversores com corrente > ou = 50A alimentados direto da rede;- vários conversores em um painel alimentados pela mesma rede;- desejado fator de potência na entrada > 0,9 na condição nominal.

b) Não utilizar quando:- conversor com corrente < 50A, potência da rede (ou transformador) de alimentação < ou =

500 kVA;- conversor com corrente < 50A, potência da rede (ou transformador) de alimentação >500

kVA e queda na cablagem de alimentação do conversor > 2% na corrente nominal deentrada;

FPI

THD

i ef=+

1

21cosϕ

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- forem utilizados transformadores, ou autotransformadores, para alimentação individual deconversores (potência menor que 3 vezes a potência em kVA do conversor). A própriareatância de dispersão de fluxo do transformador associado a resistência ôhmica dos fiosfazem o papel da reatância de rede, sendo esta portanto, dispensável.

Deve-se dimensionar estas reatâncias para uma queda de tensão de 2% a 4% da tensãonominal de entrada quando circular a corrente nominal do conversor. Isto se faz necessáriopelo fato de que não se deve ter uma distorção na forma de onda da tensão de rede maior doque 4%.

Comparação entre as componentes harmônicas Incluídas na corrente quando o conversor éacionado para diferentes capacidades, com e sem reatância de rede.

Comparação entre as componentes harmônicas Incluídas na corrente quando o conversor éacionado para diferentes condições de carga e diferentes valores de lmpedância da reatância

21.3 Utilização de filtro de rádio freqüência

Os conversores de freqüência transmitem fortes ondas eletromagnéticas de alta freqüência,que podem interferir em outros equipamentos eletrônicos. Os seguintes cuidados reduzem estainterferência:- instalação do conversor dentro de um painel metálico (aterrado);- uso de cabos blindados para conexões do motor;- aterramento de boa qualidade (baixa resistência);- uso de filtros supressores na alimentação do conversor.

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O uso de filtros supressores se faz necessário pelo fato de que na corrente pulsante que circulaentre o conversor e a rede existem além das harmônicas de baixa ordem (harmônicas de 5a, 7a,11a e13a ordem basicamente), harmônicas de ordem superior que ultrapassam a freqüência de100 kHz (rádio freqüência). A reatância de rede que está instalada na entrada do conversor éutilizada para reduzir principalmente as harmônicas de corrente de baixa ordem, sendo queesta não tem efeito algum para as harmônicas de alta freqüência.Para estas freqüências que não podem ser atenuadas pela reatância de rede, são utilizados oque se define por filtros de linha. Estes filtros de linha são circuitos formados por capacitores eindutores associados, que podem efetuar a atenuação de determinadas freqüências críticasdefinidas a princípio. Estas freqüências críticas podem causar interferência eletromagnética emequipamentos sensíveis, tais como equipamentos de telecomunicações, sistemas digitais decomputação, sistemas de transmissão de dados, etc.

21.4 Correção do fator de potência

21.4.1 Cuidados para a Instalação de bancos de capacitores na presençade harmônicosUm grande problema decorrente da necessidade de melhoria de fator de potência dosconsumidores refere-se ao fato de que a aplicação conjunta de bancos de capacitores com osdiversos tipos de cargas presentes nos sistema industriais, principalmente com conversoresestáticos (CA/CC e CA/CA), requer uma análise particular sobre alguns cuidados especiais quedevem ser tomados pelo consumidor. Estes cuidados geralmente levam a investimentosadicionais, como a aquisição de capacitores com tensões nominais mais elevadas do que onecessário, a instalação de reatores de dessintonia ou ainda, composição de filtros deharmônicos, quando os estudos indicam a possibilidade de condições de ressonânciaharmônica.Os conversores estáticos de potência (CA/CA ou CA/CC) são, na atualidade, m principaisfontes de correntes harmônicas. São em geral de média potência, da ordem de quilowatts, eseu número tende a crescer rapidamente, principalmente para controle de motores de correntealternada.

21.4.2 Efeitos dos harmônicos sobre capacitoresEm muitos casos, os níveis de harmônicos por si só não apresentam maiores problemas. Oproblema porém pode agravar-se, existindo a possibilidade de um a amplificação de corrente,pela ressonância entre os capacitores de potência e a indutância do sistema. Isto resultará emsobretensões e na circulação de correntes proibitivas para os capacitores. Haverá um aumentodas perdas e conseqüente sobreaquecimento, levando muitas vezes a destruição do capacitor.Deve-se ressaltar a dependência dos capacitores em relação à tensão de pico resultante(harmônicos inclusos) e ao problema de efeito corona (descargas eletrostáticas pontuaisinternas ao capacitor), podendo a sua vida útil variar de acordo com a expressão (1/s.t)7.5,onde s é a sobretensão e t é a sobretemperatura (ambos em "p.u." do valor nominal). Como atensão é medida em valor eficaz, o pico de tensão que contém harmônicos é geralmente maiorque o da mesma .tensão que não os contém. Assim, o dielétrico fica sujeito a um campo maior,o que pode romper o dielétrico e destruir o capacitor.

21.4.3 Sobretensões decorrentes de harmônicosO processo mais seguro possível para se avaliar a influência de harmônicos em bancos decapacitores consiste em se fazer uma análise harmônica efetiva, comparando as medições decorrentes e tensões harmônicas ao longo do sistema com os estudos do alcance dasharmônicas no mesmo.De forma geral, nas condições normais de operação, será suficiente especificar os bancos decapacitores com uma tensão nominal um pouco acima da tensão de operação do sistema. Noentanto, deve ser analisado o fenômeno de amplificação harmônica pelo sistema deressonância. As correntes harmônicas amplificadas podem causar a queima dos fusíveis,aquecimento e danificação dos capacitores. A existência da ressonância pode ser confirmadapela confrontação das medições de campo com resposta em freqüência do sistema, isto é,gráficos de Impedância própria da barra em função da freqüência (na ressonância paralela a, aImpedância aparece como um pico).

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21.4.4 Solução para o problema de ressonânciaPara resolver o problema de ressonância, a solução mais utilizada é a instalação de reatoresem série com o banco de capacitores (filtro LC), de forma a deslocar a freqüência para umaharmônica que não cause preocupação na amplificação das correntes.Deve-se ressaltar que embora os reatores sejam necessários para se evitar o efeito deamplificação de harmônicas, sempre que uma indutância é colocada em série com umcapacitor, a tensão nos terminais desse último diminui na freqüência fundamental, assim comopode aumentar para freqüências diferentes da fundamental.Como exemplo, se a dessintonização é levada para o quarto harmônico, seria encontrada umasobretensão de 6,7% além daquela reserva de 10% permissível e já esgotada pelas variaçõesda rede e desequilíbrio de bancos, podendo acarretar com isso uma sobretensão excessiva nocapacitor, causando em alguns casos a sua destruição (rompimento do dietético).Os reatores de dessintoria por si só resolvem os problemas de ressonância. No entanto,quando a redução do conteúdo harmônico da instalação, principalmente na interface com aconcessionária, é uma necessidade, filtros de harmônicos devem ser previstos, utilizando-se osbancos de capacitores para a composição dos mesmos.

22 Aplicações típicas

22.1 Considerações geraisPara a utilização de motores elétricos de indução para o acionamento das mais variadascargas, devem ser levadas em consideração as características da carga acionada conformedescrito no item anterior, tanto para acionamentos com o motor operando com velocidade fixacomo também para com velocidade variável, pois em função das características de partida,regime contínuo ou transitório, é que se pode fazer o correto dimensionamento do motor.Para as aplicações aqui ilustradas, levamos em consideração apenas o acionamento da cargaatravés de motores de indução com conversores de freqüência, determinando suas vantagense limitações.

22.2 BombasLevando-se em consideração o acionamento de bombas de vários Tipos, podemos fazer aseparação destas entre dois grupos básicos pela sua característica de conjugado resistente,que são:

22.2.1 Bombas dinâmicas ou turbobombasEsta família de bombas (principalmente as bombas centrífugas) possuem como característicater o conjugado de forma quadrática, isto é, o seu conjugado resistente varia com o quadradoda rotação aplicada. Por exemplo, caso seja duplicada a rotação da bomba para se aumentar avazio/pressão do sistema hidráulico, consequentemente deverá ser fornecido um conjugadoquatro vezes maior para tal.Caso se deseje fazer controle de vazio/pressão através da variação da velocidade do motor,deve-se levar em consideração os seguintes itens com rotação a faixa de variação develocidade:• Para rotações acima da nominal, deve-se utilizar apenas alguma margem de potência que

o motor possa ter, sem que, entretanto, seja ultrapassada a sua potência nominal, para quenão entre em condição de sobrecarga e acarrete em diminuição de sua vida útil.

• Para faixas de rotações entre rotação nula até a rotação nominal, não existem problemascom relação a estia operação, uma vez que, com a diminuição da rotação da bomba,haverá também uma diminuição do conjugado resistente da carga (de forma quadrática),diminuindo-se consequentemente a corrente aplicada ao motor, não havendo portantoproblemas de sobreaquecimento por redução de ventilação nem de sobrecarga no motor

0 controle de vazão, através da variação de velocidade de bombas centrífugas, possibilita umagrande economia de energia, uma vez que em outros casos, o controle de vazio/pressão desistemas hidráulicos é feito através de dispositivos limitadores (válvulas, recirculação, etc.),onde o motor que aciona a bomba opera sempre em condição de carga nominal, absorvendopotência nominal da rede.

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Em sistemas de controle de vazio/pressão utilizando conversores de freqüência, a potênciaabsorvida da rede é apenas a necessária à condição de operação do sistema (função dacarga).

22.2.2 Bombas de deslocamento positivo ou volumétricas

Esta família de bombas possui como característica ter o conjugado de forma constante paraqualquer rotação, isto é, o seu conjugado resistente não varia com a rotação. Nesta família seenquadram as bombas a pistão, bombas helicoidais e as bombas de engrenagens.Caso seja necessário fazer controle de vazão/pressão através da variação da velocidade domotor, deve-se levar em consideração que o motor não poderá operar acima da sua rotaçãonominal, pois isto significa operar em condição de sobrecarga.Para condições onde se necessita a operação com rotações abaixo da metade de sua rotaçãonominal (30 Hz), deverá ser considerado o problema de sobreaquecimento por redução deventilação para motores convencionais. Portanto este que pode ser contornado através dosobredimensionamento da carcaça do motor ou a utilização de ventilação forçada.

22.3 VentiladoresEsta aplicação possui como característica ter o conjugado de forma quadrática, isto é, o seuconjugado resistente varia com o quadrado da rotação aplicada, da mesma forma que foiconsiderado para as bombas centrífugas. .Para a utilização de acionamento por conversores de freqüência para o controle depressão/vazão, deve-se levar em consideração as mesmas características das bombascentrífugas, apenas tomando-se o cuidado de observar que certos ventiladores possueminércias elevadas e que devem serem levadas em consideração para determinar o sistema departida e tempos de aceleração.

22.4 Sistemas de refrigeração e ar condicionadoPara sistemas de refrigeração e ar condicionado, os conversores de freqüência são utilizadosbasicamente nos motores de acionamento das bombas e ventiladores do sistema.A vantagem em se utilizar este equipamento está no fato de que a automação de grandessistemas (por ex.: Shopping Centers, prédios comerciais, parques de exposições, etc.) se tornabem mais versátil e com possibilidade de racionalização do consumo de energia comrespectiva economia.Com a utilização de conversores de freqüência, não é necessária a utilização de válvulas decontrole de fluxo nas bombas ou dampers nos ventiladores/exaustores, possibilitando umcontrole automático por meio de um controlador central de temperatura, diminuindo-se osgastos com a utilização destes equipamentos e também a diminuição de manutenção dasinstalações.

22.5 Torno de superfície / laminador desfolhadorEsta aplicação tem como característica possuir o conjugado do tipo que varia inversamentecom a rotação (hiperbólico), pois no processo deve ser obedecida a condição de que avelocidade tangencial da peça ou cilindro seja sempre constante, isto é, a velocidadesuperficial entre a peça e a ferramenta de corte (BIT) tem de ser constante. Esta velocidade édefinida por:

V rt = ω.Como:

ω π= 2. .n

Então:

V n r n Dt = =2. . . . .π π

Onde:Vt = Velocidade tangencial [m/s]n = Rotação [rps]r = Raio [m]

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D = Diâmetro [m]ω = Velocidade angular [rad/s]

Nota-se então que, na medida em que o raio (ou diâmetro) da peça diminui, é necessário que ada rotação aumente para que a velocidade tangencial (ou de superfície) permaneça constante.Sendo que a força de corte também é constante, o conjugado resistente oferecido pela carga édefinido por:

C F rc c= .

Onde:Cc = Conjugado da cargaFc = Força de corter = Raio

Dessa forma, na medida em que o raio (ou diâmetro) da peça diminui, o conjugado resistentetambém diminui. Destas duas considerações tem-se então que para peças de pequenodiâmetro a sua rotação deve ser alta e o conjugado resistente é baixo, e que para peças degrande diâmetro a rotação deve ser baixa e o seu conjugado resistente é alto.Para o acionamento deste tipo de carga com motor de indução e conversor de freqüência,pode-se utilizar a faixa de rotação entre zero até a rotação nominal, levando-se emconsideração o problema de sobreaquecimento do motor em baixas rotações.Outra forma de se poder fazer o acionamento é utilizando o motor operando acima de suarotação nominal, entrando em sua região de enfraquecimento de campo, onde a curva deconjugado resistente da carga e o conjugado motor se assemelham, não havendo problemasde sobrecarga no motor e também não havendo problemas de sobreaquecimento por reduçãode ventilação.

22.6 Sistemas de transporteFazem parte desta família de aplicação as esteiras, correias, roscas, correntes, mesastransportadoras, nórias, monovias, etc. Estas aplicações podem ser agrupadas, pois possuemas mesmas características quanto ao seu acionamento, tendo o conjugado resistente constantepara toda a faixa de velocidade. Deverá ser tomado cuidado especial para condições onde sejanecessária a operação com rotações abaixo da metade da rotação nominal do motor acionado,onde deverá ser considerado o problema de sobreaquecimento por redução de ventilação paramotores convencionais. Problema este que pode ser contornado através dosobredimensionamento da carcaça do motor ou a utilização de ventilação forçada. .Outro item que merece atenção é com relação a condição de parada do sistema, pois podehaver a possibilidade de se partir o sistema de transporte a vazio (conjugado resistentereduzido) ou carregado (conjugado resistente elevado). Para esta última condição, deve-selevar em consideração a sobrecarga inercial do sistema, que por sua vez levará a umsobredimensionamento da corrente nominal do conversor de freqüência, proporcional asobrecarga exigida pelo sistema.

Importante:Para sistemas de transportes inclinados em elevação, deve se ter especial atenção na partidado mesmo, pois surge a condição de sobrecarga do motor, cuja a intensidade está diretamenterelacionada com o grau de inclinação do mesmo.Quando o sistema de transporte apresenta inclinação em declive, pode ser necessária autilização de frenagem do motor, que poderá ser efetuada por resistores auxiliares (frenagemreostática) ou através de sistemas regenerativos. A não utilização desta frenagem poderáacarretar em sobrecarga no conversor e conseqüente desligamento.Em ambos os sistemas deve-se utilizar motores com freio mecânico de estacionamento paraque não haja movimentação do sistema quando da parada do motor, seja ela por paradanormal, como também por parada acidental (queda de rede).

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22.7 ExtrusorasEstas máquinas tem como característica possuirem o conjugado resistente do tipo constantepara qualquer velocidade. Deve-se novamente ter cuidado especial para condições onde sejanecessária a operação com rotações abaixo da metade da rotação nominal do motor, ondedeverá ser considerado o problema de sobreaquecimento pela redução de ventilação paramotores convencionais. Problema este que pode ser contornado através dosobredimensionamento da carcaça do motor ou a utilização de ventilação forçada.Dependendo do material a ser extrudado, também deve-se ter especial atenção à regulação develocidade do acionamento (precisão de velocidade), pois para extrusoras de plástico ouborracha, a variação de velocidade permitida em relação à velocidade ajustada deve ser menorque 1%, caso que só é possível através de acionamentos com motor de corrente contínua ouconversores de freqüência com controle vetorial.Como exemplo destas extrusoras, temos as extrusoras de filme plástico e tubos de PVC oupolietileno, onde uma variação de velocidade acarreta em uma alteração do processo produtivo(espessura do filme plástico). Para outros materiais não críticos (ração, fio, etc.), pode-seutilizar conversores de freqüência convencionais.Outro detalhe que merece muita atenção é com relação a condição de partida do sistema, poispode haver a possibilidade de se partir a extrusora carregada a quente (conjugado resistentenominal) ou carregada a frio (conjugado resistente muito elevado). Para esta última condição,deve-se levar em consideração a sobrecarga inicial da extrusora, que por sua vez levará a umsobredimensionamento da corrente nominal do conversor de freqüência, proporcional asobrecarga exigida pela extrusora.

22.8 TrefilasPara este tipo de equipamento, a característica de conjugado é constante para qualquer valorde velocidade, devendo-se atentar para a operação em baixas rotações comsobredimensionamento do motor como descrito anteriormente.Um outro fator a ser levado em consideração é a condição de sobrecarga na partida quando daintrodução do material a ser trefilado, e que deve ser previsto quando do dimensionamento doconversor de freqüência.Outro fator importante a ser considerado é quando o sistema de trefilação é acionado por maisde um motor (vários puxadores com várias fieiras, com várias bitolas de fiação), onde emmuitos casos é necessário o perfeito ajuste de velocidade entre os vários motores(sincronismo) com adequada distribuição de carga entre os puxadores.Em sistemas deste tipo deve-se fazer uma analise criteriosa a respeito da colocação deacionamento por conversores de freqüência convencionais, pois em muitos casos isto se tornaproibitivo, sendo aconselhável a colocação de acionamento através de motores de correntecontínua ou conversor de freqüência com controle vetorial, devido a precisão de velocidade,sincronismo e controle de carga (tração) necessários neste tipo de aplicação.

22.9 MisturadoresPara este tipo de aplicação, a princípio não é possível determinar qual a característicaparticular do conjugado resistente, uma vez que as condições da carga (material a serprocessado) podem variar durante o processo.Em muitos casos, durante o processo de mistura ou agitação, as características do material semodificam, em função da temperatura, viscosidade, pressão, etc., sendo necessário que sejafeita uma análise especifica para a colocação de acionamento por conversores de freqüência,devendo-se ter cuidados com relação a faixa de variação de velocidade, conjugados inicial efinal do processo (mínimo e máximo) e a existência de redutores mecânicos.

22.10 Sistemas de elevaçãoFazem parte desta família de aplicações os guinchos, guindastes, pontes rolantes (içamento) eelevadores em geral. Nestes sistemas de elevação, a utilização de acionamentos porconversores de freqüência convencionais e motor de indução trifásicos não é geralmenteaconselhável, pois neste caso o motor não terá condições de fornecer conjugado com rotorparado (conjugado com rotação nula).

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Esta condição se faz necessária por exigir, quando da partida no sistema de elevação (tanto nasubida como na descida da carga), um pequeno intervalo de tempo entre a geração da rampade aceleração e a conseqüente magnetização do motor (geração de correntes rotóricasinduzidas devido ao escorregamento e conseqüente rendimento de conjugado motor), em queocorre a inversão de rotação do motor e conseqüente queda da carga, podendo até haver obloqueio do conversor pelo surgimento de picos de corrente consideráveis.Para este tipo de aplicação é mais indicada a utilização de acionamentos por motores decorrente contínua ou a utilização de conversores de freqüência por controle vetorial que tornampossível fornecimento de conjugado mesmo com rotação nula.

22.11 Bobinadores e desbobinadoresOs bobinadores e desbobinadores são classificados em dois grupos, sendo:• Bobinadores/desbobinadores axiais• Bobinadores/desbobinadores tangenciaisOs bobinadores/desbobinadores axiais são sistemas acionados diretamente pelo eixo dabobina, tendo como característica possuir o conjugado do tipo que varia inversamente com arotação (hiperbólico), pois no processo de bobinagem, temos a condição às vezes necessáriade que a velocidade tangencial do cilindro bobinador seja sempre constante durante todo oprocesso, isto é, a velocidade superficial da bobina ou a velocidade do material bobinado temde ser constante. Esta velocidade é definida da mesma forma que nos casos de torno desuperfície/laminador desfolhador.Da mesma forma, para o acionamento deste tipo de carga com motor de indução e conversorde freqüência, pode-se utilizar a faixa de rotação entre zero até a rotação nominal, levando-seem consideração o problema de sobreaquecimento do motor em baixas rotações.Outra forma de se poder fazer o acionamento é utilizando o motor operando acima de darotação nominal, entrando em sua região de enfraquecimento de campo, onde a curva deconjugado resistente da carga e o conjugado motor se assemelham, não havendo problemasde sobrecarga no motor e também não havendo problemas de sobreaquecimento por reduçãode ventilação.Para sistemas de bobinamento, deve-se ter cuidado em relação ao material a ser bobinado,pois muitas vezes a colocação de conversores de freqüência convencionais se tornaimpraticável, devido a precisão de velocidade e controle de tração do material, sendonecessário acionamentos por motores de corrente contínua ou conversores de freqüência comcontrole vetorial.Existem vários tipos de bobinadores acionados pelo eixo da bobina onde não é necessário quea velocidade do material a ser bobinado seja constante, podendo no início a sua velocidade serbaixa e no final, alta. Nestas condições, a velocidade do motor não varia, sendo que a cargaaumenta com o conseqüente aumento do diâmetro da bobina.Os bobinadores/desbobinadores tangenciais são sistemas acionados indiretamente, onde oacionamento do rolo bobinador é feito por um ou mais dos suportes auxiliares, tendo comocaracterística possuir o conjugado do tipo constante. A velocidade do motor permanececonstante durante todo o processo, a fim de manter a velocidade superficial da bobinaconstante. Este sistema é bem mais simplificado, tendo-se apenas que atentar para a condiçãode operação do motor em baixas rotações (sobreaquecimento).

22.12 FresadorasEsta aplicação tem como característica a necessidade de se manter a velocidade de desbaste(retirada de material) constante (velocidade superficial do rebolo constante).Para isto, é interessante que se possa aumentar a velocidade do rebolo conforme o desgastedo mesmo. Nesta condição, quando o rebolo é novo, a velocidade necessária é baixa e oconjugado alto.Conforme ocorre o desgaste do rebolo, a rotação aumenta e o conjugado diminui, podendo omotor operar acima de sua rotação nominal, entrando em sua região de enfraquecimento decampo, onde a curva de conjugado resistente da carga e o conjugado motor se assemelham.

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22.13 Sistemas de dosagem

Entende-se por sistemas de dosagem as aplicações as quais utilizam conversores defreqüência para variar a rotação do motor responsável pela alimentação do sistema, emprocessos contínuos e que não envolvam controle preciso de quantidade, volume ou vazão.Temos como exemplo aplicações tais como: esteiras, rosca sem fim e bombas.Nestes sistemas, a quantidade a ser fornecida não tem precisão, e o controle de velocidade dodosador é feito através do conversor de freqüência. A velocidade é determinada em função deparâmetros do processo, como corrente, pressão, vazão, temperatura, etc., através de umsistema de realimentação (malha fechada) com operação automática.Para a utilização de conversor de freqüência nestas aplicações, é necessário a utilização doRegulador PID Superimposto para que o sistema responda de forma otimizada sem oscilaçõesou respostas muito lentas.

22.14 CentrífugasAs centrífugas são equipamentos utilizados para separação de compostos de várias naturezas.Entre estes equipamentos podemos salientar as centrífugas de açúcar, roupa, produtosquímicos, etc. Este tipo de aplicação possui características de conjugado resistente baixo einércia extremamente alta. O conjugado resistente é devido principalmente a atrito derolamentos e resistência do ar.Neste tipo de aplicação os motores, bem como os conversores, devem ser sobredimensionadoe para permitir a aceleração da carga de alta inércia, levando-se em consideração o tempo derotor bloqueado do motor (tempo permissível com corrente acima da nominal) e sobrecorrenteadmissível pelo conversor (atuação da proteção por sobrecarga).Esta aplicação possui grande potencial para conversores que permitam frenagem regenerativa,pois dependendo do ciclo de carga, a economia de energia proporciona um rápido retorno deinvestimento. Também podem ser utilizados conversores com frenagem reostática, porém coma energia de frenagem sendo dissipada em banco de resistores.Os acionamentos mais comuns em centrífugas são constituídos de um motor de duplapolaridade (ex.: 4:24 pólos), acionados por chave compensadora, com limitação do número departidas por hora, com conseqüente limitação da produção. Com a utilização de conversores,pode-se aumentar o número de partidas/hora e utilizar-se um motor de indução especial, comventilação independente.

22.15 Moinhos a tamborEntre os tipos de moinho a tambor, salientam-se os moinhos de bolas (indústria cerâmica) epor analogia do princípio de funcionamento, são aplicações semelhantes as máquinas de lavarroupa industrial. Este tipo de aplicação possui característica de conjugado que varialinearmente com a rotação, ou seja, quanto maior a rotação, maior o conjugado resistente. Estesistema possui elevadas inércia na partida que dependem diretamente da quantidade de cargado moinho.Como exemplo, temos a pior condição quando o moinho está carregado pela metade, poisneste caso, o centro de gravidade é deslocado para uma posição diferente do centro do tambor(eixo acionado) causando o problema de excentricidade do acionamento. Devido a estaexcentricidade, o conversor sofre uma sobrecarga e deve ser sobredimensionado em suapotência nominal.O acionamento típico para este tipo de carga é composto por um acoplamento hidráulico, paraevitar esforços mecânicos, e a partida é feita por intermedio de chaves compensadoras. Aaplicação de conversores de freqüência proporciona algumas vantagens em relação aosmétodos convencionais, como:- diminuição na corrente de partida;- facilidade para posicionar as bocas do moinho;- melhoria no fator de potência;- melhoria na qualidade do produto e principalmente, definindo-se um ciclo ideal de trabalho,ciclo este que depende das características do moinho e do produto a ser processado (moído,lavado, etc.), pode-se diminuir o tempo de processamentoe com isso economizar energia.


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