guia inversores de frequencia weg

Guia de Aplicao deInversores de FreqnciaGuia de Aplicao deInversores de Freqncia

Transformando energiaem solues

GUIA DEAPLICAO DE

INVERSORES DEFREQNCIA

GUIA DEAPLICAO DE

INVERSORES DEFREQNCIA

WEG AUTOMAOwww.weg.com.br

AUTORIAAUTORIAAUTORIAAUTORIAAUTORIA

AUTORIA:

Este Guia de Inversores deFreqncia foi escrito pelos M. Engo.Jos M. Mascheroni (coordenao dotrabalho e criao dos captulos 2, 4, 6 e8), M. Engo. Marcos Lichtblau e Enga.Denise Gerardi (captulo 7 e o Anexo 1),todos integrantes da ISA EngenhariaLtda. Florianpolis / SC.

Os captulos 1, 3 e 5 foramescritos utilizando-se materiaisfornecidos pela Weg e revisados pelocoordenador.

Coube Weg a criao doscaptulos 9, 10, Anexos 2, 3 e 4, comotambm a reviso tcnica do mesmo.

1.1 Sistemas de velocidade varivel ______________ 091.2 Sistemas de variao de velocidade

tradicional _______________________________ 121.2.1 Variadores mecnicos _________________ 13

Variador com polias cnicas e correia ___ 13 Variador com polias cnicas e corrente __ 14 Variador com discos de frico _________ 14

1.2.2 Variadores hidrulicos _________________ 14 Motor hidrulico ____________________ 14 Variador hidrocintico _______________ 15

1.2.3 Variadores eletromagnticos - Embreagenseletromagnticas _____________________ 15

2.1 Princpios bsicos de funcionamento __________ 192.2 Anlise de funcionamento ___________________ 232.3 Curvas caractersticas do motor de induo _____ 25

2.3.1 Torque x velocidade ___________________ 252.3.2 Corr ente x velocidade _________________ 26

2.4 Potncia e perdas __________________________ 262.5 Caractersticas de temperatura classes de

isolamento trmico _________________________ 272.6 Tempo de rotor bloqueado ___________________ 28

3.1 Categorias de partida _______________________ 333.2 Formas de partida _________________________ 34

Partida direta ____________________________ 34 Partida estrela-tringulo ___________________ 35 Partida eletrnica (soft-starter) ______________ 36

3.3 Frenagem ________________________________ 383.3.1 Frenagem por contra-corrente __________ 383.3.2 Frenagem por injeo de CC ____________ 40

3.4 Vantagens e desvantagens dos mtodos departida __________________________________ 41

4.1 Mtodos de controle dos inversores defreqncia ________________________________ 50 Controle escalar __________________________ 50 Controle vetorial _________________________ 54

4.2 Caracterstica s dos motores de induoaciona dos com inversores de freqncia________ 57

NDICENDICE1

INTRODUO

2

COMO FUNCIONA UMMOTOR DE INDUO?

3

MTODOS DE COMANDODE UM MOTOR DEINDUO

4

O INVERSOR DEFREQNCIA WEG

5.1 Parmetros de leitura _______________________ 625.2 Parmetros de regulao ____________________ 635.3 Parmetros de configurao _________________ 665.4 Parmetros do motor _______________________ 725.5 Parmetros das funes especiais _____________ 72

6.1 Sensores de posio e velocidade _____________ 786.2 Medio de velocidade _____________________ 80

6.2.1 Algoritmo de estimao de freqncia ____ 816.2.2 Algoritmo de estimao do perodo ______ 816.2.3 Algoritmo de estimao simultnea de

perodo e freqncia __________________ 826.3 Rudo s ___________________________________ 826.4 Sincronizao de velocidade _________________ 83

7.1 Introduo, defini es, fundamentos eprincpios ________________________________ 877.1.1 Defini es __________________________ 877.1.2 Relaes bsicas _____________________ 88

7.2 O que a carga requer? ______________________ 927.2.1 Tipos de cargas ______________________ 927.2.2 O pico de carga ______________________ 947.2.3 Estimando cargas ____________________ 95

7.3 Seleo de acionamentos (motor/inversor) ______ 967.3.1 Operao abaixo da rotao nominal ____ 96

Motor autoventilado_________________ 96 Motor com ventilao independente ____ 98

7.3.2 Operao acima da rotao nominal _____ 997.3.3 Casos especiais ____________________ 100

Efeito da temperatura ambiente _____ 100 Efeito da altitude _________________ 101

7.4 Aplica es tpicas ________________________ 102 Bombas centrfugas e ventiladores _________ 102 Extru soras ____________________________ 105 B obinado res/desbobinadores _____________ 106

8.1 Rede de alimentao eltrica ______________ 1128.2 Fusveis ________________________________ 1128.3 Condicionamento da rede de alimentao ____ 1128.4 Interferncia eletromagntica (EMI) _________ 1138.5 Cabos _________________________________ 1168.6 Aterramento ____________________________ 1188.7 Dispositivo s de sada _____________________ 1198.8 Instalao em painis princpios bsicos ___ 120

5

PARMETROS DOINVERSOR DEFREQNCIA

6

COMANDO E CONTROLEDE VELOCIDADE EMMOTORES DE INDUOACIONADOS PORINVERSORES DEFREQNCIA

7

APLICAO DEACIONAMENTOS COMMOTORES DE INDUOE INVERSORES DEFREQNCIA

8

INSTALAO DEINVERSORES DEFREQNCIA

9.1 Introduo _____________________________ 1259.2 Inversor de freqncia CFW-08 _____________ 127

Recursos / Funes especiais ______________ 130 Superdrive ____________________________ 130 Interface homem-mquina _______________ 130

9.3 Inversor de freqncia CFW-09 _____________ 131 Interface homem x mquina ______________ 134 Superdrive ____________________________ 135 Co dificao ___________________________ 138 Acessrios e perifricos __________________ 142

10.1 Introduo _____________________________ 14710.2 Princpio de funcionamento ________________ 147

Circuito de potncia _____________________ 148 Circuito de controle _____________________ 149

10.3 Principais caractersticas __________________ 14910.3.1 Principai s funes __________________ 149

Rampa de tenso na acelerao _____ 149 Rampa de tenso na desacelerao ___ 150 Kick start ________________________ 151 Limitao de corrente ______________ 152 Pump control _____________________ 153 Economia de energia ______________ 154

10.3.2 Protees _________________________ 15510.3.3 Acionamentos tpicos _______________ 158

10.4 Principai s aplicaes para soft-starter _______ 16410.5 Critrio s para dimensionamento ____________ 17010.6 Consideraes importantes ________________ 18310.7 Introduo - Soft-starter SSW-03 Plus / SSW-04 18610.8 Soft-starter SSW-05 ______________________ 195

1 Momento de inrcia de formas simples _______ 2012 Teorema dos eixos paralelos _______________ 2033 Momento de inrcia de formas compostas ____ 2044 Momento de inrcia de corpos que se movem

linearmente _____________________________ 2055 Transmisso mecnica ____________________ 2056 Exemplos de clculos de momento de inrcia

de massa _______________________________ 2066.1 Clculo do momento de inrcia de massa _ 2066.2 Clculo do momento de inrcia total _____ 207

1 Introduo _____________________________ 2112 Distoro harmnica _____________________ 212

2.1 Origens ____________________________ 2122.2 Defini es __________________________ 2132.3 Obteno das harmnicas de corrente ___ 215

3 Normas relacionadas _____________________ 2164 Alternativas para correo do fator de

potncia e reduo de correntes harmnicas __ 218

9

LINHA DE INVERSORESDE FREQNCIA WEG

10

SOFT-STARTER

ANEXO 1

CLCULO DO MOMENTODE INRCIA DE MASSA

ANEXO 2

CORREO DE FATORDE POTNCIA EREDUO DADISTOROHARMNICA

4.1 Capacitores _________________________ 2184.2 Reatncia de rede e bobina CC _________ 2184.3 Filtros sintonizados __________________ 2204.4 Filtros broad-band _________________ 2214.5 Filtros ativos ________________________ 2224.6 Retificadores de 12 e 18 pulsos _________ 2244.7 Retificadores com IGBTs _______________ 225

4.7.1 Inversores de freqncia comentrada monofsica ____________ 225

4.7.2 Inversores de freqncia comentrada trifsica _______________ 225

4.8 Filtros de corrente do neutro ___________ 2264.9 Transformadores defasadores ___________ 227

5 Concl uso _____________________________ 228

Inversores de freqncia - CFW-09Folha de dados para dimensionamento __________ 231

Soft- starterFolha de dados para dimensionamento __________ 235

Referncias Biblio grficas _____________________ 237

ANEXO 3

CHECK-LIST PARADETALHAMENTO DAAPLICAO- CFW-09

ANEXO 4

CHECK-LIST PARADETALHAMENTO DAAPLICAO- SOFT-STARTER

1INTRODUO

1.1 Sistemas de velocidade varivel

1.2 Sistemas de variao de velocidadetradicionais1.2. 1 Variadores mecnicos

l Variador de polias cnicas e correia

l Variador com polias e corrente

l Variador com discos de frico

1.2. 2 Variadores hidrulicos

l Motor hidrulico

l Variador hidrocintico

1.2. 3 Variadores eletromagnticos - Embreagens eletromagnticas

9Um acionamento eltrico um sistema capaz deconverter energia eltrica em energia mecnica(movimento), mantendo sob controle tal processo deconverso. Estes so normalmente utilizados paraacionar mquinas ou equipamentos que requeremalgum tipo de movimento controlado, como porexemplo a velocidade de rotao de uma bomba.

Um acionamento eltrico moderno formadonormalmente pela combinao dos seguinteselementos:

l Motor ................................ converte energia eltricaem energia mecnica

l Dispositivo eletrnico ..... comanda e/ou controla apotncia eltricaentregue ao motor

l Transmisso mecnica ... adapta a velocidade einrcia entre motor emquina (carga)

Os motores mais amplamente utilizados nosacionamentos eltricos so os motores de induomonofsicos e trifsicos.

Estes motores, quando alimentados com tenso efreqncia constantes, sempre que no estejamoperando a plena carga (potncia da carga igual apotncia nominal do motor) estaro desperdiandoenergia.

importante ressaltar tambm o fato de que ummotor de induo transforma em energia mecnicaaproximadamente 85% de toda a energia eltrica querecebe e que os 15% restantes so desperdiados,sendo assim o acionamento eltrico de mquinas umassunto de extraordinria importncia no que serefere a economia de energia.

Durante muitos anos, as aplicaes industriais develocidade varivel foram ditadas pelos requisitos dosprocessos e limitadas pela tecnologia, pelo custo, pelaeficincia e pelos requisitos de manuteno doscomponentes empregados.

Os sistemas mais utilizados para variao develocidade foram por muito tempo implementadoscom motores de induo de velocidade fixa, como

INTRODUO

1.1 SISTEMAS DEVELOCIDADEVARIVEL

1

10

primeiro dispositivo de converso de energia eltricapara energia mecnica. Para a obteno de velocidadevarivel o sistema necessitava de um segundodispositivo de converso de energia que utilizavacomponentes mecnicos, hidrulicos ou eltricos.

Com a disponibilidade no mercado dos semicondutoresa partir dos anos 60 este quadro mudoucompletamente. Mas foi mesmo na dcada do 80 que,com o desenvolvimento de semicondutores de potnciacom excelentes caractersticas de desempenho econfiabilidade, foi possvel a implementao desistemas de variao de velocidade eletrnicos. Odispositivo de converso de energia eltrica paramecnica continuou sendo o motor de induo masagora sem a utilizao de dispositivos secundriosmecnicos, hidrulicos ou eltricos. Em muitos casos aeficincia das instalaes equipadas com estes novosdispositivos chegou a ser duplicada quando comparadacom os sistemas antigos.

Estes sistemas de variao continua de velocidadeeletrnicos proporcionam, entre outras, as seguintesvantagens:

l Economia de energial Melhoramento do desempenho de mquinas e

equipamentos, devido a adaptao da velocidade aos requisitos do processo

l Elimina o pico de corrente na partida do motorl Reduz a freqncia de manuteno dos

equipamentosl Etc.

Estes novos dispositivos elet rnicos para variao develocidade de motores de induo so conhecidoscomo Inversores de Freqncia . Trataremos nesteguia de descrever o funcionamento e aplicaes dosinversores de freqncia. Com este Guia, a WEG notem a pretenso de esgotar o assunto, pois ele serenova a cada dia que passa. Temos como objetivomaior fornecermos maiores conhecimentos emcomando e proteo de motores eltricos de induoutilizando-se inversores de freqncia.

A aplicao de motores de induo tem se regidohistoricamente pelas caractersticas descritas na placade identificao do motor.

INTRODUO1

11

Pla

ca d

e Id

entif

ica

o(m

erca

do b

rasi

leiro

)

Pla

ca d

e Id

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ica

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Pla

ca d

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ica

o(m

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do la

tino)

Exemplo:

Figura 1.1

INTRODUO1

12

Na aplicao dos inversores de freq ncia o motor deinduo, ao contrrio do que acontece quando ligadodiretamente rede de distribuio de energia eltrica, alimentado com freqncia e tenso varivel. Istopossibilita, como veremos neste guia, obter velocidadevarivel no eixo do prprio motor.

muito importante, assim, conhecer e entender ofuncionamento destes sistemas (motor + inversor) paraprevenir erros de aplicao que poderiam acabar comos benefcios que estes dispositivos proporcionam.

Os tcnicos ou engenheiros e nvolvidos com aplicaesde velocidade varivel no precisam de conhecimentossobre o projeto de motores e projeto de sistemaseletrnicos de comando/controle, mas sim sobre ofuncionamento e utilizao dos mesmos. As dvidasmais freqentes podem resumir-se nas seguintesperguntas:

Como funciona meu motor? Como o motor se comporta ante uma determinada

carga? Como eu posso melhorar/otimizar o funcionamento

do meu motor e carga? Como eu posso identificar problemas no meu

sistema?

Este guia tem por inteno, fornecer, mesmo parapessoas sem experincia no assunto, informaes sobreo funcionamento dos modernos sistemas de velocidadevarivel disponveis e como eles se comportam antediferentes cargas, tentando assim responder asperguntas formuladas anteriormente.

Muitos processos industriais requerem dispositivos deacionamento de cargas com velocidade varivel.

Exemplos:

Bombas variao de vazo de lquidos Ventiladores variao de vazo de ar Sistemas de transporte variao da velocidade

de transporte Sistemas de dosagem variao da velocidade

de alimentao Tornos variao da velocidade de corte

1.2 SISTEMAS DE VARIAODE VELOCIDADETRADICI ONAIS

INTRODUO1

13

Bobinadeiras compensao da variao dedimetro da bobina.

Os sistemas de variao de velocidade tradicionaisempregavam motores de induo como dispositivoprimrio de converso de energia. Como sabemosestes motores quando alimentados diretamente darede de distribuio de energia eltrica possuem umacaracterstica de velocidade constante. assim quepara se obter velocidade varivel eram necessriosadicionalmente outros dispositivos, que podem ser:

Variadores mecnicos Variadores hidrulicos Variadores eletromagnticos

Os primeiros sistemas utilizados para se obter umavelocidade diferente das velocidades que erampossveis utilizando motores de induo foram ossistemas mecnicos, pois so os de maior simplicidadede construo e baixo custo.

l Variador com polias cnicas e correiaCada uma das polias cnicas constituda de doispratos cnicos, montados um de frente para o outro,sobre um eixo ranhurado, que podem se aproximarou se afastar. O prato de uma das polias acionadopelo dispositivo de variao, e o prato da outra pressionado por uma mola. O fluxo de fora transmitido por frico entre os discos das polias e acorreia, que tem uma seo transversal trapezoidal. Afaixa de variao de velocidade mxima de 1:8neste tipo de variador.

Figura 1.2 - Variador com polias cnicas e correia

1.2.1 Variadores Mecnicos

INTRODUO1

14

l Variador com polias cnicas e correnteIdem ao anterior, somente com uma corrente ao invsde correia.

l Variador com discos de fricoNos variadores com discos de frico o fluxo de fora transmitido por frico entre um par de discos,construdos com materiais de grande resistncia presso superficial e ao desgaste, e de alto coeficientede atrito. A presso de contato necessria paratransmitir a potncia entre o eixo de entrada e o eixode sada se auto-regula em funo do torquetransmitido. Um dispositivo de variao desloca um dosdiscos, variando a relao de transmisso. A faixa devariao de velocidade mxima neste tipo de variador de 1:5.

l Motor HidrulicoEste mtodo permite variao contnua de velocidade.O motor hidrulico de deslocamento positivo projetado e desenvolvido para converter a potnciahidrulica de um fludo em potncia mecnica. Estaconverso feita atravs de um dispositivo deengrenagens planetrias ou atravs de acionamentode pistes com controle efetuado por vlvulas e quepermite se obter as seguintes caractersticas:

n Baixa rotao (5 a 500 rpm aproximadamente)n Elevado torquen Permite rotao nos dois sentidosn Motores de baixa potncian Baixo custo

Para o acionamento dos motores hidrulicos necessrio que se tenha um sistema hidrulico a

1.2.2 Variadores Hidrulicos

Figura 1.3 - Variadores com discos de frico

INTRODUO1

15

disposio (tubulaes, bombas, motores eltricosauxiliares), que faz com que, em uma anlise globaldo conjunto, o sistema tenha um rendimento baixo eum nvel de manuteno elevado pela existncia devrias partes mecnicas. O controle da variao develocidade do motor feita atravs da vazo do fluidoinjetado no motor (quant o maior a vazo, maior avelocidade) que feito atravs de vlvulas deestrangulament o no circuito hidrulico, ocasionandoperdas elevadas.

l Variador HidrocinticoEste mtodo permite variao contnua de velocidade.O sistema consiste basicamente em um variador develocidade de princpio hidrocintico, composto deum eixo de entrada, de rotao fixa, e de um eixo desada, cuja rotao pode variar linearmente de zeroat uma rotao muito prxima do eixo de entrada.O princpio de operao pode ser demonstrado peloseguinte:

Colocando-se dois ventiladores frente a frente efazendo-se a hlice de um deles girar, a hlice dosegundo vent ilador ir comear a girar tambm aoreceber a corrente de ar. Se no houvesse perdas, arotao do segundo ventilador seria praticamente amesma que a do v entilador acionador. Agora secolocarmos entre os dois ventiladores uma folha depapelo, poderemos diminuir ou aumentar a rotaodo segundo ventilador conforme o desejado, emfuno do fluxo de ar existente.

No variador hidrulico, no lugar de ar usa-se leocomo fluido, e em vez das hlices, so usados discosaletados que so alojados em uma caixa fechada,montada sobre dois eixos independentes.

Com os variadores eletromagnticos mudou-se oconceito de variao exclusivamente mecnica paravariao eletromecnica, atravs de tcnicas baseadasno princpio fsico das correntes de Foucault,utilizando um sistema de discos acoplados a bobinasque podem ter o seu campo magntico varivel,variando-se assim o torque (e tambm a velocidade)na sada do variador. Algumas limitaes devem serobservadas para a aplicao deste equipamento:

1.2.3 VariadoresEletromagnticos -EmbreagensEletromagnticas

INTRODUO1

16

n A rotao mxima de sada sempre a nominal domotor, nunca alm desta;

n Aqui tambm o motor sempre estar girando narotao nominal, independente da rotao desejadano eixo de sada. Isto proporciona um consumoinadequado (desperdcio de energia), quando seopera em rotaes abaixo da rotao nominal;

n rendimento deste tipo de acionamento muitobaixo, pois apresenta perdas por aquecimento erudo;

n As manutenes preventivas e corretivas sofreqentes, pois existem muitas partes girantes asquais necessitam de ajustes constantes esubstituies peridicas.

Tabela Comparativa dos Sistemas de Variao de Velocidade Tradicionais

Polias Variadoras Hidrulico Eletromecnico

Faixa de variao de velocidade pequena (1 a 4 mx.) grande mdia

Limite de potncia baixo elevado

Eficincia baixa baixa baixa

Custo baixo elevado baixo

Pontos fortes partida suave

Pontos fracos Escorregamento Vazamentos

Manuteno difcil Manuteno difcil

INTRODUO1

2COMO FUNCIONA UM MOTOR DE INDUO

2.1 Princpios bsicos de funcionamento

2.2 Anlise de funcionamento

2.3 Curvas caractersticas do motor deinduo2.3. 1 Torque x velocidade

2.3. 2 Corrente x velocidade

2.4 Potncia e perdas

2.5 Caractersticas de temperatura - classesde isolamento trmico

2.6 Tempo de rotor bloqueado

19

Para compreender o funcionamento de um Inversorde Freqncia de fundamental importnciaentender primeiro como funciona um motor deinduo. Para comear enunciaremos os princpiosfsicos bsicos da converso de energia eltrica emenergia mecnica.

1. Uma corrente circulando por um condutor produzum campo magntico, representado na figura 2.1pelas linhas circulares chamadas de linhas deinduo magntica. No centro da figura seencontra o condutor e as linhas circulares em voltaso uma representao grfica do campomagntico gerado pela corrente.

Figura 2.1

2. Se um condutor movimentado dentro de umcampo magntico, aparecer uma tenso induzidaentre os terminais do condutor, proporcional aonmero de linhas de induo cortadas por segundo(figura 2.2). Se o dito condutor forma um circuitofechado, circular por ele uma corrente eltrica.

Figura 2.2

COMO FUNCIONA UM MOTOR DE INDUO?2

2.1 PRINCPIOSBSICOS DEFUNCIONAMENTO

20

Figura 2.4

3. Dois condutores adjacentes (a e b) pelos quais estcirculando uma corrente eltrica (i a e i b) produzemcada um deles um campo magntico (Item 1). Ainterao entre estes dois campos magnticosproduzir uma fora (F) de atrao ou repulsoentre os condutores (figura 2.3), proporcional corrente que circula por ambos condutores e distncia (d) entre eles.

Figura. 2.3

4. Um bobinado polifsico, igual ao mostrado na figura2.4, alimentado por um sistema de tenses trifsico(figura 2.5) produzir um campo magntico girante(figura 2.6). Este princpio similar ao visto nafigura 2.1, com a diferena que neste o campomagntico esttico.


21

Figura 2.5

Na figura 2.6, os pontos identificados com osnmeros ... correspondem aos momentos emque a tenso de uma das trs fases igual a zero.Desta maneira mais fcil fazer a composio dosvetores de induo magntica para cada instante.Na figura pode-se ver que a resultante destesvetores est girando (campo girante) com umavelocidade proporcional a freqncia e ao nmerode plos do motor.

Figura 2.6


22

5. A velocidade do campo girante descritoanteriormente, chamada de velocidade sncrona, proporcional freqncia do sistema de tensestrifsico e ao nmero de plos do bobinado.

Velocidade do campo girante [rpm]= (freqncia [1/s] x 120 ) / n de plos

6. Torque: fora aplicada num eixo, que provocar arotao do mesmo (figura 2.7).

Torque [Kgm]= fora [Kg] x distncia [m]

Figura 2.7

Os motores de induo mais utilizados na indstriaso os chamados motores de gaiola trifsicos(figura 2.8 - rotor e estator).


1

23

4

5

6

7

8

9

10

11

12

Figura 2.8

NCLEO DECHAPAS

BARRAS DEANIS DE

CURTO-CIRCUITO

NCLEO DECHAPAS

VENTILADOR

PROTEO DOVENTILADOR

CAIXA DELIGAO

EIXO

TAMPAS

CARCAA

ENTROLAMENTOTRIFSICO

ROLAMENTOS

TERMINAIS

23

Estator: Carcaa (1), Ncleo de Chapas (2),Enrolamento trifsico (8)Rotor: Eixo (7), Ncleo de chapas (3), Barras eanis de curto-circuito (12)Outras partes: Tampas (4), Ventilador (5),Proteo do ventilador (6), Caixa de ligao (9),Terminais (10), Rolamentos (11).

Nestes motores o rotor fabricado com espiras emcurto-circuito formando uma verdadeira gaiola. Oestator formado por trs bobinas (bobinadotrifsico), com pares de plos em cada fase.

Para anlise de funcionamento pode se considerar omotor de induo como um transformador, onde oenrolamento primrio deste transformador formadopelo estator e o enrolamento secun drio pelo rotor. Oprprio nome motor de induo se deve ao fato deque toda a energia requerida pelo rotor para agerao de torque induzida pelo primrio dotransformador (estator) no secundrio (rotor).

Como existem dois campos magnticos, um no estatore outro no rotor, e como descrito no item 3, apareceruma fora entre o rotor e o estator que far com que orotor gire, j que o nico que pode se movimentarpois est montado sobre rolamentos, disponibilizandoassim energia mecnica (torque) no seu eixo.

Para facilitar o entendimento do funcionamento domotor de induo dividiremos o estudo em trs casoshipotticos:

CASO 1Primeiramente consideraremos um motor de doisplos com o rotor bloqueado, isto significa queatravs de algum dispositivo mecnico impediremosque o eixo do motor (rotor) gire. Nesta condio, seaplicarmos tenso trifsica com freqncia de 60Hznos terminais do bobinado do estator, este produzirum campo magntico girante com velocidade de3600 rpm (item 5). As linhas de induo deste campomagntico cortaro as espiras do rotor comvelocidade mxima induzindo assim a mxima tensonas espiras do rotor, e como estas esto em curto-circuito, circular tambm a mxima corrente porelas. Como toda a energia produzida no rotor tem de


2.2 ANLISE DEFUNCIONAMENTO

24

ser induzida pelo estator, circular no bobinado doestator uma corrente elevada (6 a 8 vezes maior que acorrente nominal do motor).

Se esta condio for mantida por mais que algunssegundos os fios do bobinado do estator iro esquentarde forma indevida, podendo at danificar (queimar) obobinado, pois no foram projetados para suportar estacorrente por um perodo de tempo grande.

CASO 2Agora vamos para o outro extremo. Vamos supor que orotor do motor possa girar exatamente velocidade de3600 rpm. Neste caso as linhas de induo do campomagntico girante produzido pelo estator nocortaro as espiras do rotor pois os dois esto girandocom mesma velocidade. Sendo assim no havertenso induzida, nem corrente, nem gerao de campomagntico.

Para a produo de energia mecnica (torque) nomotor necessria a existncia de dois camposmagnticos, sendo assim, no haver torque no eixo domotor.

CASO 3Vamos supor agora que, nas mesmas condies do Caso2, baixamos a velocidade do rotor do motor para 3550rpm. O campo magntico girante tem uma velocidadede 3600 rpm, assim que as linhas de induo docampo magntico girante do est ator cortaro asespiras do rotor com uma velocidade de 50 rpm (3600rpm 3550 rpm = 50 rpm), produzindo uma tenso euma corrente induzida no rotor. A interao entre osdois campos magnticos, o do estator e o do rotor,produziro uma fora, que pela sua vez produzirtorque no eixo do motor.

A diferena entre a velocidade sncrona (3600 rpm) e avelocidade do rotor conhecida comoescorregamento.

Escorregamento = velocidade sncrona velocidadedo rotor

S = (N s N)

Ns


25

Descritas estas trs condies, podemos agoraimaginar o que acontece na prtica com nosso motorde induo.

Na partida acontece algo similar ao descrito no caso1, mas na prtica a diferena do rotor bloqueado docaso 1 nosso motor pode girar livremente. Sendoassim circular no bobinado do estator uma correnteelevada (6 a 8 vezes maior que a corrente nominal domotor) que diminuir a medida que a velocidade domotor aumenta.

Quando a velocidade do rotor se aproxima davelocidade sncrona (caso 2) o torque produzidodiminuir, fazendo diminuir tambm a velocidade dorotor. Existir ento um ponto de equilbrio entre acarga do motor e a velocidade do rotor (caso 3).

Se a carga no eixo do motor aumenta, a velocidade dorotor tender a diminuir, e o escorregamentoaumentar. Se o escorregamento aumenta avelocidade com que as linhas de induo do campomagntico do rotor cortam o estator aumentar,aumentando tambm a tenso e corrente induzida norotor. Se a corrente maior, o campo magnticogerado por esta tambm ser maior, aumentandoassim o torque disponvel no eixo do motor, chegandonovamente numa condio de equilbrio. Se o torquerequerido pela carga maior que o nominal do motor,e se esta condio mantida por muito tempo, acorrente do motor ser maior que a nominal e o motorser danificado.

a curva que mostra a relao entre o torquedesenvolvido pelo motor e a su a rotao. Na partida,quando o motor ligado diretamente rede, o torque(torque de partida) ser de aproximadamente 2 a 2,5vezes o torque nominal, diminuindo a medida que avelocidade aumenta at atingir um valor de 1,5 a 1,7do torque nominal a aproximadamente 30% davelocidade nominal. A medida que a velocidadeaumenta o torque aumenta novamente at atingir oseu valor mximo (80% da velocidade nominal)chegando a seu valor nominal na velocidade nominal.Como mostra a curva (linha cheia) da figura 2.9.


2.3 CURVASCARACTERSTICASDO MOTOR DEINDUO

2.3.1 Torque x Velocidade

26

a curva (linha tracejada da figura 2.9) que mostra arelao entre a corrente consumida pelo motor emfuno da sua velocidade. A figura mostra que napartida, quando o motor ligado diretamente rede, acorrente que circula por ele ser 5 a 6 vezes maior quea corrente nominal, diminuindo a medida que avelocidade aumenta at atingir um valor estacionriodeterminado pela carga acoplada ao motor. Se a cargafor a nominal a corrente ser tambm a correntenominal.

Figura 2.9 - Curva Torque x Velocidade e Corrente x Velocidade paramotores de induo de rotor em gaiola alimentados com tenso efreqncia constantes

Na placa de identificao do motor existe umparmetro chamado de rendimento e identificado pelaletra grega h. Este parmetro uma medida daquantidade de potncia eltrica transformada pelomotor em potncia mecnica. A potncia transmitida carga pelo eixo do motor menor que a potnciaeltrica absorvida da rede, devido s perdas no mot or.Essas perdas podem ser classificadas em:

2.3.2 Corrente x Velocidade

2.4 POTNCIA E PERDAS


27

n perdas no enrolamento estatrico (perdas nocobre);

n perdas no rotor;n perdas por atrito e ventilao;n perdas magnticas no ncleo (perdas no ferro);

Sendo o motor de induo uma mquina robusta e deconstruo simples, a sua vida til depende quaseexclusivamente da vida til da isolao do bobinado eda vida mecnica dos rolamentos. Vida til da isolaorefere-se ao envelhecimento gradual do isolante, nosuportando mais a tenso aplicada e produzindocurto-circuito entre as espiras do bobinado.

Para fins de normalizao, os materiais isolantes e ossistemas de isolamento (cada um formado pelacombinao de vrios materiais) so agrupados emCLASSES DE ISOLAMENTO, cada qual definida pelorespectivo limite de temperatura, ou seja, pela maiortemperatura que o material pode suportarcontinuamente sem que seja afetada sua vida til. Asclasses de isolamento utilizadas em mquinas eltricase os respectivos limites de temperatura conformenorma NBR-7094, so mostradas na tabela a seguir:

Tabela 2.1 - Classes de isolamento

CLASSE TEMPERATURA (C)

A 105

E 120

B 130

F 155

H 180

As classes B e F so as freqentemente utilizadas.

O sistema de isolamento convencional dos motores,que tem sido ut ilizado com sucesso em todos os casosde alimentao com fontes senoidais tradicionais (50/60Hz) pode no atender os requisitos necessrios seos mesmos forem alimentados por outro tipo de fonte. o caso dos motores alimentados por inversores defreqncia. Atualmente, com a ut ilizaogeneralizada destes equipamentos, o problema dorompimento da isolao provocado pelos altos picosde tenso decorrentes da rapidez de crescimento dos


2.5 CARACTERSTICASDE TEMPERATURA -CLASSES DEISOLAMENTOTRMICO

28

pulsos gerados pelo inversor, bem como a altafreqncia com que estes so produzidos, obrigou aimplementar melhorias no isolamento dos fios e nosistema de impregnao, afim de garantir a vida dosmotores. Estes motores com isolamento especial sochamados de Inverter Duty Motors.

Tempo de rotor bloqueado o tempo necessrio paraque o enrolamento da mquina, quando percorridopela sua corrente de partida, atinja a sua temperaturalimite, partindo da temperatura em condies nominaisde servio e considerando a temperatura ambiente noseu valor mximo.

Este tempo um parmetro que depende do projetoda mquina. Encontra-se normalmente no catlogo ouna folha de dados do fabricante. A tabela abaixomostra os valores limites da temperatura de rotorbloqueado, de acordo com as normas NEMA e IEC.

2.6 TEMPO DE ROTORBLOQUEADO

Tabela 2.2 - Temperatura limite de rotor bloqueado

CLASSE TEMP ERATURA MXIMA (C)DE DTmx(C)

ISOLAMENTO NEMA MG1.12.53 IEC 79.7

B 175 185 80

F 200 210 100

H 225 235 125


29

Para partidas com tenso reduzida o tempo de rotorbloqueado pode ser redefinido como segue:

trb = t b x ( U n / U r )2

Onde:trb = Tempo de rotor bloqueado com tenso

reduzida

tb = Tempo de rotor bloqueado tensonominal

Un = Tenso nominal

U r = Tenso reduzida

Outra forma de se redefinir o tempo de rotorbloqueado atravs da utilizao da correnteaplicada ao motor, como segue:

Ipntrb = t b . ( )

Ipc

Onde:trb = Tempo de rotor bloqueado com corrente

reduzida

tb = Tempo de rotor bloqueado correntenominal

Ipn = Corrente de partida direta do motor

Ipc = Corrente de partida do motor comcorrente reduzida

Geralmente, I pn obtido de catlogos e possui o valorem torno de 6 a 8 vezes a corrente nominal do motor,e Ipc depende do mt odo de partida do motor. Se porexemplo esta partida for do tipo estrela-tringulo ovalor da corrente ser de aproximadamente 1/3 dacorrente de partida.


3MTODOS DE COMANDO DE UM MOTOR DEINDUO

3.1 Categorias de Partida

3.2 Formas de Partidal Partida direta

l Partida estrela-tringulo

l Partida eletrnica (soft-starter)

3.3. Frenagem3.3. 1 Frenagem por contra-corrente

3.3. 2 Frenagem por injeo de CC

3.4 Vantagens e desvantagens dos mtodosde partidal Partida direta

l Partida estrela-tringulo

l Partida eletrnica (soft-starter)

33

Os mtodos de comando de um motor de induo, soimplementados com equipamentos eletromecnicos,eltricos e eletrnicos. Estes equipamentos permitemacelerar (partir) e desacelerar (frenar) o motor deacordo com requisitos impostos pela carga,segurana, concessionrias de energia eltrica, etc.

Conforme as suas caractersticas de torque em relao velocidade e corrente de partida, os motores deinduo trifsicos com rotor de gaiola, soclassificados em categorias, cada uma adequada a umtipo de carga. Estas categorias so definidas emnorma (NBR 7094), e so as seguintes:

a) CATEGORIA NConstituem a maioria dos motores encontrados nomercado e prestam-se ao acionamento de cargasnormais, como bombas, mquinas operatrizes, eventiladores.

b) CATEGORIA HUsados para cargas que exigem maior torque napartida, como peneiras, transportadorescarregadores, cargas de alta inrcia, britadores, etc.

c) CATEGORIA DUsados em prensas excntricas e mquinassemelhantes, onde a carga apresenta picos peridicos.Usados tambm em elevadores e cargas quenecessitam de torques de partida muito altos ecorrente de partida limitada.

MTODOS DE COMANDO DE UM MOTOR DE INDUO3

3.1 CATEGORIAS DEPARTIDA

Tabela 3.1 - Caractersticas das categorias de partida direta

Categorias Torque Corrente Escorregamentode partida de partida de partida

N Normal Normal Baixo

H Alto Normal Baixo

D Alto Normal Alto

As curvas torque x velocidade das diferentes categorias esto mostradas na figu ra 3.1.

34


3.2 FORMAS DE PARTIDA

Figura 3.1 - Curvas caractersticas de torque em funo da categoria domotor (partida direta)

l PARTIDA DIRETAA maneira mais simples de partir um motor de induo a chamada partida direta, aqui o motor ligado

rede diretamente atravs de um contator(ver figura 3.2). Porm, deve-se observarque para este tipo de partida existemrestries de utilizao. Como j foi vistoanteriormente, a corrente de partida de ummotor de induo quando ligadodiretamente tenso da rede 5 a 6 vezesmaior que a corrente nominal. Por estemotivo, e fundamentalmente para motoresde grande porte, a partida direta no utilizada.

Figura 3.2 - Partida Direta

35

l PARTIDA ESTRELA - TRINGULO(Y- D)

Este tipo de partida s pode ser utilizado em motoresque possuam ligao em dupla tenso (por exemplo 3x 380 V e 3 x 220 V). A menor tenso dever ser igual tenso de rede e a out ra 1,73 vezes maior. Estapartida implementada com dois contatores comomostra a figura 3.3. Na partida o motor ligado naconexo de maior tenso, isto possibilita uma reduode at 1/3 da corrente de partida do motor, comomostra a figura 3.4.

A partida estrela-tringulo poder ser usada quandoa curva de torque do motor for suficientementeelevada para poder garantir a acelerao da mquinacom a corrente reduzida, ou seja, o torque resistenteda carga no dever ser superior ao torque do motorquando o motor estiver em estrela.

Figura 3.3 - Partida estrela-tringulo


36

Figura 3.4 - Curva caracterstica de torque e corrente, motor com partidaestrela-tringulo

l PARTIDA ELETRNICA(SOFT-STARTER)

A chave de partida a estado slido consiste de umconjunto de pares de tiristores (SCR) ou combinaesde tiristores/diodos, para cada fase do motor.

O ngulo de disparo de cada par de tiristores controlado eletronicamente para aplicar uma tensovarivel no motor durante a acelerao. Estecomportamento , muitas vezes, chamado de partidasuave (soft-starter). No final do perodo de partida,ajustvel conforme a aplicao, a tenso atinge seuvalor pleno aps uma acelerao suave ou uma rampaascendente, ao invs de ser submetido a transiobrusca, como ocorre com o mtodo de partida porligao estrela-tringulo. Com isso, consegue-se mantera corrente de partida (ver figura 3.5) prxima danominal e com suave variao, como desejado.


37

Figura 3.5 - Curva caracterstica de torque e corrente, motor com partidasuave (soft-starter)

Alm da vantagem do controle da corrente durante apartida, a chave eletrnica apresenta, tambm, avantagem de no possuir partes mveis ou que geremarco eltrico, como nas chaves eletro-mecnicas. Este um dos pontos fortes das chaves eletrnicas, poissua vida til mais longa, assim como doscomponentes acessrios (contatores, fusveis, cabos,etc.).

Ainda, como um recurso adicional, a soft-starterapresenta a possibilidade de efetuar a desaceleraosuave para cargas de baixa inrcia.


38

Os motores de induo possibilitam vrias formas defrenagem, isto , onde se tem s < 0 e o motor operacom caractersticas de gerador. A seguirapresentaremos dois mtodos de frenagem eltrica.

Obtm-se a frenagem por contra-corrente atravs dainverso de duas fases da tenso de alimentao doenrolamento estatrico (ver figura 3.7), para reverter adireo de rotao do campo girante do motor com omesmo girando ainda na direo inicial. Dessa forma, arotao do rotor fica agora contrria a um torque queatua em direo oposta (ver figura 3.6) e comea adesacelerar (frenar). Quando a velocidade cai a zero omotor deve ser desenergizado, caso contrrio, passara funcionar em sentido oposto. Para este tipo defrenagem, as correntes induzidas nos enrolamentosrotricos so de freqncias altas (duas vezes afreqncia estatrica) e de elevada intensidade, pois otorque desenvolvido pelo motor elevado, onde h aabsoro de potncia eltrica da rede com correntemaior que a nominal, acarretando em umsobreaquecimento do motor.

Figura 3.6. Curva de torque x rotao na frenagem por contra-corrente


3.3.1 Frenagem porcontra-corrente

3.3 FRENAGEM

39


Figura 3.7 - Frenagem por contracorrente

40

obtida atravs da desconexo do estator da rede dealimentao e da posterior conexo a uma fonte decorrente contnua (ver figura 3.9). A corrente contnuaenviada ao enrolamento estatrico estabelece um fluxomagntico estacionrio cuja curva de distribuio temuma fundamental de forma senoidal. A rotao dorotor em seu campo produz um fluxo de correntealternada no mesmo, o qual tambm estabelece umcampo magntico estacionrio com respeito ao estator.Devido interao do campo magntico resultante eda corrente rotrica, o motor desenvolve um torque defrenagem (ver figura 3.8) cuja magnitude depende daintensidade do campo, da resistncia do circuitorotrico e da velocidade do rotor.

Figura 3.8 - Curva de torque x rotao durante a frenagem CC

Como veremos posteriormente, quando utilizado uminversor de freqncia, a tenso contnua a seraplicada no estator do motor obtida atravs dodisparo dos transistores do inversor, no necessitandode nenhum dispositivo adicional, pois a tenso CC proveniente do prprio circuito intermedirio doinversor.

Na prtica, a frenagem CC tem sua aplicao limitadadevido ao fato de que toda a energia de frenagem dissipada no prprio motor, podendo causarsobreaquecimento excessivo no mesmo. Assim, parano comprometer a vida til do motor, utiliza-se afrenagem CC com tenses contnuas limitadas aaproximadamente 20% da tenso nominal CA do motor.

MTODOS DE COMANDO DE UM MOTOR DE INDUO33.3.2 Frenagem por injeo

de corrente contnua(CC)

41

l PARTIDA DIRETAVantagens Menor custo de todas Muito simples de implementar Alto torque de partida

Desvantagens Alta corrente de partida, provocando queda de

tenso na rede de alimentao. Em funo distopode provocar interferncia em equipamentosligados na mesma instalao

necessrio sobredimencionar cabos e contatores Limitao do nmero de manobras/hora

Figura 3.9 - Frenagem por injeo de CC

3.4 VANTAGENS EDESVANTAGENS DOSMTODOS DEPARTIDA


42

l ESTRELA-TRINGULOVantagens Custo reduzido A corrente de partida reduzida a 1/3 quando

comparada com a partida direta No existe limitao do nmero de manobras/hora

Desvantagens Reduo do torque de partida a aproximadamente

1/3 do nominal So necessrios motores com seis bornes Caso o motor no atingir pelo menos 90% da

velocidade nominal, o pico de corrente nacomutao de estrela para tringulo equivalenteao da partida direta

Em casos de grande distncia entre motor e chavede partida, o custo levado devido a necessidade deseis cabos.

l SOFT-STARTERVantagens Corrente de partida prxima corrente nominal No existe limitao do nmero de manobras/hora Longa vida til pois no possui partes

eletromecnicas mveis Torque de partida prximo do torque nominal Pode ser empregada tambm para desacelerar o

motor

Desvantagens Maior custo na medida em que a potncia do motor

reduzida


4O INVERSOR DE FREQNCIA

4.1 Mtodos de controle dos inversores defreqncial Controle escalar

l Controle vetorial

4.2 Caractersticas dos motores de induoacionados com inversores de freqncia

45

No captulo anterior vimos diferentes alternativas decomandar um motor de induo a partir da rede dealimentao; em todos estes casos a freqncia dealimentao foi a da rede, isto , 60Hz. assim que avelocidade do motor ser a velocidade nominal,podendo ser calculada pela seguinte equao:

120 x x ( 1 - s )n =

p

onde:n = velocidade em rotaes por minuto (rpm) = freqncia da rede em Hertz (Hz)s = escorregamentop = nmero de plos

Figura 4.1

Se considerarmos como exemplo um motor de 4 plos,com escorregamento nominal (s = 0,0278) teremos:

120 x 60 ( 1 - s )n = = 1750 rpm

4

A partir da simples observao da equao anteriorpodemos deduzir que se pudssemos dispor de umdispositivo que permita variar a freqncia da tensode alimentao poderamos variar diretamente nomotor a sua velocidade de rotao.

O INVERSOR DE FREQNCIA4

46

Vamos ver agora o que acontece se alimentarmos omotor a partir de um dispositivo que permita variar afreqncia da tenso de alimentao. A seguirmostraremos dois casos, um abaixo da freqncianominal e outro acima.

120 x 30 (1 - s)n = = 875 rpm

4

Figura 4.2

120 x 90 (1 - s)n = = 2625 rpm

4

Figura 4.3


47

Vamos ver agora como podemos atravs de umdispositivo eletrnico, e a partir da tenso efreqncia constante da rede, obter um sistematrifsico com freqncia varivel. As figuras 4.1 a 4.3acima mostram para um mesmo perodo de tempoexemplos de ondas senoidais trifsicas com diferentesvalores de freqncia.

Figura 4.4

O diagrama de blocos da figura 4.4 mostra as partescomponentes deste dispositivo.

O retificador da figura 4.4 gera uma tenso contnuaque posteriormente filtrada e introduzida no blocoseguinte, chamado de Inversor.

O inversor composto de seis chaves implementadasnuma configurao como mostrada na figura 4.5.


Figura 4.5

48

Dependendo da combinao de chaves abertas oufechadas pode se obter na sada do inversor formas deonda diferentes. Estas chaves so implementadas nosinversores de freqncia com dispositivossemicondutores chamados de transistores de potncia.Existem vrias tecnologias de fabricao para este tipode transistores. Os transistores mais freqentementeutilizados so os chamados:

IGBT - Transistor Bipolar com Porta Isolada (InsulatedGate Bipolar Transistor)

A figura 4.6 a seguir mostra um exemplo simples decomo pode ser gerada uma primeira aproximao deuma onda senoidal. A linha cheia representa a ondagerada pela combinao de seis estados das chaves1..6.

A onda senoidal representada com linha tracejadaserve como referncia para o leitor identificar aaproximao mencionada.

Durante o primeiro estado as chaves 1, 5 e 6 estofechadas e as chaves 2, 3 e 4 abertas. Assim no motor atenso entre as fases U e V positiva, entre as fases V eW zero e entre as fases U e W positiva, comorepresentado na forma de onda. Nos cinco estadosseguintes mud a a combinao de chaves abertas efechadas permanecendo o mesmo tipo de anlise doprimeiro estado.

Pode se deduzir tambm a partir da figura 4.6 quevariando o tempo que cada combinao de chavespermanece num determinado estado, podemos variara freqncia da onda de sada.

Os inversores de freqncia modernos utilizam para acombinao de abertura e fechamento das chaves umaestratgia chamada de PWM (Pulse WidthModulation) ou Modulao por Largura de Pulsos.Esta estratgia permite a gerao de ondas senoidaisde freqn cia varivel com resoluo de at 0,01Hz.

OBSERVAOOs nmeros correspondem as chaves fechadas.


49

Figura 4.6


50

A figura 4.7 mostra o padro de chaveamento datenso e a corrente resultante numa fase do motor,quando utilizada a tcnica PWM para comando dostransistores de potncia.

Figura 4.7

l CONTROLE ESCALARO funcionamento dos inversores de freqncia comcontrole escalar est baseado numa estratgia decomando chamada V/F constante, que mantm otorque do motor constante, igu al ao nominal, paraqualquer velocidade de funcionamento do motor.

O estator do motor de induo possui um bobinadotrifsico como mostrado na figura 2.4. Este bobinadotem dois parmetros que defin em suas caractersticas.Um deles a sua resistncia hmica R [Ohm] e o outroe a sua indutncia L [Henry].

A resistncia depende do tipo de material (cobre) e docomprimento do fio com qual realizado o bobinado.J a indutncia depende fundamentalmente dageometria (forma) do bobinado e da interao com orotor.

Fazendo uma anlise muito simplificada podemos dizer


4.1 MTODOS DECONTROLE DOSINVERSORES DEFREQUNCIA

51

que a corrente que circular pelo estator do motorser proporcional ao valor da resistncia R e aovalor da reatncia Indutiva XL que dependente daindutncia L e da freqncia f. Assim:

XL = 2.p.f.L

e

I = V /( R 2 + X L2

)1/2

Para valores de freqn cia acima de 30Hz o valor daresistncia muito pequeno quando comparado como valor da reatncia indutiva; desta maneirapodemos, nesta aproximao, e para um mtodo decontrole simples como o escalar, desprez-lo. Assimteremos que o valor da corrente ser proporcional tenso de alimentao V, indutncia L e freqnciaf. O valor de indutncia L uma constante do motor,mas a tenso e a freqncia so dois parmetros quepodem ser controlados pelo inversor de freqncia.Assim, se para variar a velocidade do motor deinduo temos que variar a freqncia da tenso dealimentao, a estratgia de controle V/F constantevaria a tenso proporcionalmente com a variao dafreqncia de alimentao (e da reatncia indutiva)do motor para obter no estator uma correnteconstante da ordem da corrente nominal do motor,como mostra a equao e a figura 4.8.


52

I @ V/f = Cte.

Figura 4.8

Como se pode observar na figura 4.8, acima de 60Hz atenso no pode continuar subindo, pois j foi atingidaa tenso mxima (tenso da rede), assim que a partirdeste ponto a corrente, e conseqentemente o torquedo motor, diminuiro. Esta regio (acima dos 60Hz noexemplo) conhecida como regio deenfraquecimento de campo. A figura 4.9 a seguirmostra o grfico do torque em funo da freqnciaonde fica em evidncia este comportamento.

Figura 4.9


53

Para freqncias abaixo de 30Hz o termocorrespondente a resistncia R do estator, que foidesprezado anteriormente, comea a ter influncia noclculo da corrente. assim que, de para baixasfreqncias, mantendo-se a proporcionalidade entrea freqncia e a tenso, a corrente econseqentemente o torque do motor diminuembastante. Para que isto seja evitado, a tenso doestator em baixas freqncias deve ser aumentada,atravs de um mtodo chamado de compensao Ix R , conforme figu ra 4.10 a seguir.

Figura 4.10

Podemos deduzir assim que o cont role escalar eminversores de freqn cia utilizado em aplicaesnormais que no requerem elevada dinmica(grandes aceleraes e frenagens), nem elevadapreciso e nem controle de torque. Um inversor comcontrole escalar pode controlar a velocidade derotao do motor com uma preciso de at 0,5 % darotao nominal para sistemas sem variao de carga,e de 3 % a 5 % com variao de carga de 0 a 100 % dotorque nominal. Pelo princpio de funcionamento eaplicao, so utilizados na maioria das vezes motoresde induo convencionais sem nenhum sistema derealimentao de velocidade (tacogerador de pulsosacoplado ao motor) em malha fechada. A faixa devariao de velocidade pequena e da ordem de1:10 (Ex: 6 a 60Hz).

Com estas caractersticas, o inversor de freqnciaescalar a mais utilizado em sistemas que norequerem alto desempenho. Este apresenta tambmum custo relativo menor quando comparado com


54

outros tipos de inversores mais sofisticados, como porexemplo o inversor com controle vetorial.

Veremos na continuao uma descrio dos inversorescom controle vetorial.

l CONTROLE VETORIALEm aplicaes onde se faz necessria uma altaperformance dinmica, respostas rpidas e altapreciso de regulao de velocidade, o motor eltricodever fornecer essencialmente um controle preciso detorque para uma faixa extensa de condies deoperao. Para tais aplicaes os acionamentos decorrente contnua sempre representaram uma soluoideal, pois a proporcionalidade da corrente dearmadura, do fluxo e do torque num motor de correntecontnua proporcionam um meio direto para o seucontrole.

Contudo, a busca por avanos tecnolgicossignificativos tem diminudo esta hegemonia e,gradativamente, esto aparecendo opes de novasalternativas, como o uso de acionamentos em correntealternada do tipo controle vetorial.

Vantagens do Inversor com Controle Vetorial Elevada preciso de regulao de velocidade; Alta performance dinmica; Controle de torque linear para aplicaes de posio

ou de trao; Operao suave em baixa velocidade e sem

oscilaes de torque, mesmo com variao de carga.

No motor de induo a corrente do estator responsvel por gerar o fluxo de magnetizao e ofluxo de torque, no permitindo obter um controledireto do torque. Basicamente, o circuito de potnciado inversor de freqncia vetorial no diferente deum inversor de freqncia v/f, sendo composto dosmesmos blocos funcionais. No inversor v/f a refernciade velocidade usada como sinal para gerar osparmetros tenso/freqnc ia varivel e disparar ostransistores de potncia. J o inversor vetorial calcula acorrente necessria para produzir o torque requeridopela mquina, calculando a corrente do estator e acorrente de magnetizao.

A palavra vetorial est sendo nos ltimos temposmuito utilizada para dar nome aos novos inversores,


55

algumas vezes de maneira no muito apropriada.Vamos tentar esclarecer um pouco estes conceitos.Um vetor uma representao matemtica de umgrandeza fsica que possui magnitude e direo, umexemplo tpico a representao vetorial de umafora ou uma corrente eltrica.Os inversores vetoriais recebem este nome devido aque:

1. A corrente que circula no bobinado estatrico deum motor de induo pode ser separada em duascomponentes:Id, ou corrente de magnetizao (produtora deFLUXO)eIq ou o corrente produtora de TORQUE

2. A corrente total a soma vetorial destas duascomponentes

3. O torque produzido no motor proporcional aoproduto vetorial das duas componentes

4. A qualidade com a qual estas componentes soidentificadas e controladas define o nvel dedesempenho do inversor.

Para calcular estas correntes necessrio resolver emtempo real uma equao que representamatematicamente o comportamento do motor deinduo (modelo matemtico do motor). Tempo realsignifica que este clculo tem que ser feito muitasvezes por segundo, tantas vezes quanto necessriopara poder controlar o motor. por isto que este tipode controle requer microprocessadores muitopotentes que realizam milhares de operaesmatemticas por segundo.

Para resolver esta equao necessrio conhecer oucalcular os seguinte parmetros do motor:

Resistncia do estator

Resistncia do rotor

Indutncia do estator

Indutncia do rotor

Indutncia de magnetizao


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Curva de saturao

Muitos inversores vem com estes valores pr-programados para diferentes motores, outros maissofisticados utilizam rotinas de autoajuste para calcularestes parmetros, caracterstica muito til quandoutilizados motores rebobinados ou j existentes.

O controle vetorial representa, sem dvida, um avanotecnolgico significativo, aliando as performancesdinmicas de um acionamento CC e as vantagens deum motor CA. Porm, em alguns sistemas que utilizamcontrole vetorial necessrio o uso de um encoder(tacogerador de pulsos) acoplado ao motor para que setenha uma melhor dinmica, o que torna o motorespecial. Sendo assim podemos dizer que existem doistipos de implementao de inversores vetoriais: oinversor sensorless (sem sensores) e o inversor comrealimentao por encoder (controle orientado pelocampo).

O inversor com realimentao por encoder capaz decontrolar a velocidade e o torque no mot or, pois calculaas duas componentes da corrente do motor. Este tipode inversores conseguem excelent es caractersticas deregulao e resposta dinmica, como por exemplo:

Regulao de velocidade: 0,01%

Regulao de torque: 5%

Faixa de variao de velocidade: 1:1000

Torque de partida: 400% mx.

Torque mximo (no contnuo): 400%

O inversor sensorless tem um grau de desempenhomenor que o anterior, mas superior ao inversor v/f . Aseguir alguns valores tpicos para estes inversores:

Regulao de velocidade: 0,1%

Regulao de torque: No tem

Faixa de variao de velocidade: 1:100

Torque de partida: 250%

Torque mximo (no contnuo): 250%


57

O INVERSOR DE FREQNCIA4Como j vimos na seo anterior, a curva caractersticacorrente x velocidade e torque x velocidade domotor de induo mostra que a partir do valor detorque equivalente a 150% do nominal (rea detrabalho intermitente) as duas curvas apresentam omesmo comportamento. Isto significa que torque evelocidade tem um comportamento linear com acorrente.

Figura 4.11

Os inversores de freqncia trabalhamexclusivamente nesta regio.

Vejamos agora o comportamento da curva torque xvelocidade quando o motor alimentado atravs doinversor de freqncia. A figura 4.12 mostra umconjunto de curvas para diferentes velocidades(freqncias) de operao. A 60Hz temos exatamenteo caso da figura 4.11, que coincide com a resposta deum motor acionado diretamente da rede.

O motor do exemplo um motor de quatro plos,assim sua velocidade sncrona ser de 1800 rpm e avelocidade do eixo, com carga nominal, ser 1750rpm. Podemos ver assim que, com o motor com carganominal, existe uma diferena de 50 rpm entre avelocidade sncrona calculada e a velocidade derotao do motor, devida ao escorregamento.

4.2 CARACTERSTICASDOS MOTORES DEINDUOACIONADOS COMINVERSORES DEFREQNCIA

58


Figura 4.12

Observando novamente a figura 4.9 vemos que parauma freqncia de alimentao de 30Hz a velocidadesncrona ser de 900 rpm, novamente para torquenominal o escorregamento ser o nominal equivalentea 50 rpm, e a velocidade do motor ser de 850 rpm.

interessante observar que diminuindo a freqnciapela metade a velocidade sncrona tambm cai ametade, mas a velocidade do motor no, pois sempretem uma diferena constante equivalente aoescorregamento.

Outra caracterstica importante do acionamento demotores com inversores de freqncia que a correntede partida praticamente da ordem da correntenominal, e que alimentando o motor a partir de 3 ou4Hz podemos obter no rotor um torque de 150 % donominal, suficiente para acionar qualquer cargaacoplada ao motor.

5PARMETROS DO INVERSOR DEFREQNCIA

5.1 Parmetros de leitura

5.2 Parmetros de regulaol Rampas de acelerao/desacelerao

l Curva U/F ajustvel

5.3 Parmetros de configuraol Frenagem

l Rampa de acelerao e frenagem reosttica

l Rejeio de freqncias crticas

l Partida com motor girando (flying start)

l Compensao do escorregamento

5.4 Parmetros do motor

5.5. Parmetros das funes especiaisl Ciclo automtico

l Controle de processos com inversores de freqncia

61

Um parmetro do inversor de freqncia um valorde leitura ou escrita, atravs do qual o usurio podeler ou programar valores que mostrem, sintonizem ouadeqem o comportamento do inversor e motor emuma determinada aplicao. Exemplos simples deparmetros:

l Parmetro de Leitura P003: Corrente consumidapelo motor

l Parmetro Programvel P121: Velocidade de girodo motor, quando comandado pelo teclado(referncia de velocidade, valor de freqncia) .

Quase todos os inversores disponveis no mercadopossuem parmetros programveis similares.Estes parmetros so acessveis atravs de umainterface composta por um mostrador digital(display) e um teclado, chamado de InterfaceHomem-Mquina (IHM), ver figura 5.1.

Figura 5.1. Interface Homem-Mquina (IHM)

PARMETROS DO INVERSOR DE FREQNCIA5

62

Para facilitar a descrio, os parmetros seroagrupados pelas suas caractersticas:

l Parmetros de leitura

l Parmetros de regulao

l Parmetros de configurao

l Parmetros do motor

l Parmetros das funes especiais

Os parmetros de leitura, como seu nome indica,permitem visualizar os valores programados nosparmetros de regulao, de configurao, do motor edas funes especiais. Por exemplo, na linha deinversores WEG so identificados do P001 at o P099.Estes parmetros no permitem a edio do valorprogramado; somente a sua leitura.

EXEMPLOS:P001 - Referncia de Velocidade

Valor da referncia de velocidade antes darampa.Independe da fonte de origem da referncia.Indicao em rpm.

P002 - Velocidade do MotorIndica o valor da velocidade real, em rpm.

P003 - Corrente do motorIndica a corrente de sada do inversor emampres.

P004 - Tenso do circuito intermedirioIndica a tenso atual no circuito intermediriode corrente contnua, em Volts.

P005 - Freqncia aplicada ao motorValor da freqncia de sada do inversor, emHz .

P006 - Estado do inversorIndica o estado atual do inversor.As sinalizaes disponveis so: Ready, Run,Subtenso e E00, ... E11


5.1 PARMETROS DELEITURA

63

P009 - Torque no MotorIndica a parcela da Corrente Total que proporcional ao torque, em %.

So os valores ajustveis a serem utilizados pelasfunes do inversor.

EXEMPLOS:P100 - Tempo de acelerao e P101 - Tempo de

desaceleraoDefinem os tempos para acelerar linearmentede 0 at a velocidade mxima ou desacelerarlinearmente da velocidade mxima at 0. Avelocidade mxima definida peloparmetro P134.

P133 - Referncia mnima e P134 - RefernciamximaDefine os valores mximo/mnimo develocidade na sada quando o inversor habilitado.

RAMPAS DE ACELERAO/DESACELERAOAs rampas permitem ao usurio do inversor modificara velocidade de rotao do motor de formacontrolada. Especificando o valor de tempo evelocidade final podemos assim controlar a aceleraoe desacelerao do motor. Os inversores possuemnormalmente dois tipos de rampas:

Rampa linearA rampa linear a mais simples, e indicada paracargas com pouca inrcia.

Na transio da velocidade zero para a rampa e darampa para a velocidade final, o sistema acoplado aomotor recebe um impulso chamado de jerk. Esteimpulso produz vibraes no equipamento acopladoao motor.

Rampa em SA rampa S um recurso no qual se permite obter aacelerao/desacelerao de cargas onde se necessitade uma partida/parada de forma suave, no

5.2 PARMETROS DEREGULAO


64

ocorrendo choques mecnicos no sistem a. A rampa Spode ser ajustada em fun o da aplicao atravs dosoftware do inversor (parmetros de programao),onde se define os tempos d e acelerao edesacelerao e tambm o percentual de distoro Sda curva, conforme descrito na figura a seguir:

Figura 5.2 - Acelerao e desacelerao por rampa S

Multi-SpeedEsta funo permite a variao da freqncia de sadado inversor atravs de combinaes das entradasdigitais, as quais podem ser comandadas atravs de:chaves seletoras, contatores, CLPs, chaves fim-de-curso, etc. Seu uso recomendado quando utiliza-seduas ou mais velocidades fixas (pr-ajustadas), poistraz as seguintes vantagens:l imunidade a rudo eltricol simplificao de comandos e ajustes

EXEMPL O:

P124 - Ref. 1 Multispeed _______ 90 rpm







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Figura 5.3

CURVA U/F AJUSTVELEsta funo permite a alterao das curvascaractersticas padres definidas, que relacionam atenso e a freqncia de sada do inversor econseqentemente o fluxo de magnetizao do motor,a fim de adequar a uma necessidade especfica.


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Esta caracterstica pode ser utilizada em aplicaesespeciais nas quais os motores utilizados necessitam detenso nominal ou freqncia nominal diferentes dospadres. O ajuste da relao entre a tenso e afreqncia feito atravs do software do inversor(parmetros de programao), onde se define ainclinao de uma reta (conforme ilustrado na figura aseguir) atravs de trs pares (U, f) de pontos distintosque so: Ponto mnimo, ponto mdio e ponto mximo.

Figura 5.4 - Curva U/f ajustvel

Esta caracterstica necessria, pois nestes casos ofluxo de magnetizao do motor diferente dosmotores padres, o que pode acarretar picos decorrente ou operao com corrente acima da nominaldo motor, que podem ocasionar a sua destruio oubloqueio do inversor.

Definem as caractersticas do inversor, as funes aserem executadas, bem como as funes das entradas esadas.

FRENAGEMQuando o motor de induo est sendo empregado emprocessos que exigem paradas rpidas, o tempo dedesacelerao muito pequeno e deve ser empregadoo recurso de frenagem eltrica ou mecnica.

Durante a frenagem a freqncia do rotor maior quea freqncia do estator, provocando um fluxo reversoda energia do rotor para o estator. O motor passa afuncionar ento como um gerador, injetando esta


5.3 PARMETROS DECONFIGURAO

67

energia no barramento DC do inversor, o que provocauma sobretenso neste.

A frenagem eltrica pode ser feita atravs de um dosprocedimentos abaixo, ou uma combinao deles:

1. Injeo de corrente contnuaPermite a parada do motor atravs da aplicao decorrente contnua no mesmo. A magnitude dacorrente contnua, que define o torque defrenagem, e o perodo durante o qual ela aplicada, so parmetros que podem serespecificados pelo usurio. Este modo geralmente usado com cargas de baixa inrcia, epode causar um aquecimento excessivo do motorquando os ciclos de parada so muito repetitivos.

2. Rampa de desaceleraoA freqncia diminui at zero, conforme o tempode desacelerao especificado pelo usurio,podendo ser empregado quando os requisitos deparada no so muito rgidos.

3. Frenagem reosttica usada para dissipar a energia que retorna domotor atravs de um banco de resistores, durante arpida frenagem do motor, evitando a sobretensono barramento DC do driver.

Geralmente se utiliza a frenagem reosttica parabaixar a velocidade at um determinado valor, apartir do qual se aplica corrente contnua no motor,conseguindo uma frenagem rpida e preservando oinversor.

A frenagem mecnica consiste em comandar, atravsde um rel, um sistema capaz de segurar o eixo dorotor. Normalmente estes sistemas tem um tempo deatraso elevado, tanto para ligar como desligar o freio.Assim o usurio deve ter certeza que o rotor estliberado do freio antes de dar um comando paramov-lo, caso contrrio o motor ir partir com umacondio de sobrecarga provocando umasobrecorrente elevada.

Parmetros associados: Durao da frenagem(P300); freqncia de incio da frenagem (P301);tenso aplicada durante a frenagem (P302)


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INJEO DE CORRENTE CONTNUAEste tipo de frenagem do motor conseguidaaplicando-se no seu estator uma tenso contnua. Esta obtida pelo disparo dos transisto res do inversor, nonecessitando nenhum dispositivo adicional. Este tipode frenagem til quando se deseja a parada domotor (freio) apenas, diferentemente da frenagemreosttica que pode ser utilizada para reduzir avelocidade, mas mantendo-se o motor girando.O torque de frenagem pode ser ajustado de acordocom a aplicao, atravs do tempo de injeo decorrente contnua e do nvel de tenso CC aplicada nomotor. Durante a frenagem CC, necessrio umintervalo para a desmagnetizao do mo tor (TempoMorto), para no haver um pico de corrente noinversor, que poder atuar a proteo e bloquear omesmo.

Figura 5.5 - Frenagem CC com bloqueio por rampa de desacelerao

RAMPA DE DESACELERAO EFRENAGEM REOSTTICA possvel uma frenagem controlada atravs de umarampa de desacelerao quando a freqncia aplicadaao motor reduzida de uma forma controlada,necessitando-se para isso de um inversor defreqncia, sendo que dessa forma o motor secomporta como um gerador assncrono e fornece umtorque de frenagem. Em outras palavras, quando oescorregamento torna-se negativo, isto , quando avelocidade sncrona (ou freqncia estatrica aplicadapelo inversor) torna-se menor do que a velocidade domotor (velocidade rotrica), o torque gerado pelomotor torna-se negativo e este frenado. Neste estadoo motor opera como gerador com a energia cintica(do motor e da carga) convertida em energia eltrica


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que transmitida ao circuito intermedirio (CC),atravs da ponte de transistores, como energia que consumida atravs de um mdulo de frenagemreosttica.

A potncia da frenagem funo do tempo dedesacelerao, da inrcia das massas em movimento edo torque resistente. Uma parte da energia defrenagem dissipada em perdas no moto r, e orestante dever ser dissipada de alguma forma.

Os inversores de freqncia apresentam a opo deutilizao de mdulos de frenagem reosttica, que sobancos de resistores controlados eletronicamente econectados ao circuito intermedirio (CC) que permitese obter at um torque de frenagem prximo aotorque nominal do motor, assegurando a dissipaoda energia de frenagem nestas resistncias externas.A corrente mxima admissvel na resistncia defrenagem est relacionada aos seguintes fatores:

l Valor hmico da resistncia de frenagem;

l Corrente de limitao do inversor associado;

l Corrente mxima do transistor de potncia.

Figura 5.6 - Curva de torque x rotao da mquina assncrona commotor e gerador

REJEIO DE FREQNCIASCRTICASEste recurso se utiliza quando o sistema a seracionado possui faixas de operao com rotaescrticas e que no podem ser utilizadas. Comoexemplo, problemas de ressonncia mecnica em


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ventiladores, que causam a vibrao excessiva domesmo, podem causar a destruio de rolamentos eeixos.

A rejeio de freqncias crticas feita atravs doajuste da freqncia central e de uma banda em tornodesta freqncia a qual o inversor no permitiracionar o motor, conforme mostra a figura 5.7.

Figura 5.7 - Rejeio de freqncias crticas

Quando da acelerao ou desacelerao do moto r, oinversor atua atravs das rampas ajustadas, passandopelas freqncias crticas, chegando aos valoresdesejados. Caso o valor ajustado seja uma freqnciacrtica, o inversor ir operar na freqnciaimediatamente acima ou abaixo do limite imposto.

PARTIDA COM MOTOR GIRANDO(FLYING START)Este recurso se utiliza para quando necessrio oreligamento do motor com o inversor de freqnciamesmo que o motor (ou mquina) ainda esteja emmovimento. Para os inversores comuns sem esterecurso, o religamento no possvel devido ao fato deque quando o motor ainda encontra-se girando, existeuma magnetizao residual que faz com que sejagerada uma tenso nos seus terminais. Com oreligamento do inversor, surgem ento picos decorrente transitrias que faz com que a proteo contracurto-circuito do inversor atue, bloqueando-o.

Com o recurso de partida com motor girando, oinversor atua de forma a impor a freqncia de


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referncia instantaneamente, fazendo uma rampa detenso num tempo especificado pelo usurio.

Caso exista uma realimentao de posio, atravs deencoder ou resolver, o driver pode calcular avelocidade atual do motor e iniciar seu comandonesta freqncia, ut ilizando as rampas de aceleraoou desacelerao para atingir a velocidade dereferncia, no sendo necessrio especificar nenhumparmetro auxiliar para o procedimento de FlyingStart .

Parmetros associados: Tempo para que a tensode sada varie de 0 Volts at a tenso de trabalho,proporcional a freqncia de referncia (P311).

COMPENSAO DOESCORREGAMENTOPara que um motor de induo desenvolva torque necessrio que a velocidade do rotor seja inferior avelocidade do estator (Hz), sendo a diferena entreambas denominada escorregamento. A quantidadede escorregamento determinada diretamente pelacondio de carga do motor, assim por exemplo ocampo girante produzido no estator, de um motor dequatro plos ligado rede de 220 V/60 Hz, gira velocidade de 1800 rpm, mas a velocidade do rotorser aproximadamente 1750 rpm a plena carga e1795 rpm a vazio.

A compensao do escorregamento empregadapara manter a velocidade constante indep endente demudanas na carga, atuando como um controle develocidade em malha aberta. Assim, a freqncia desada do inversor aumenta ou diminui conforme acorrente do motor varia em funo do aumento oudiminuio da carga.


72

Define os parmetros obtidos dos dados de placa.

EXEMPLOSl P400 - Tenso do motor

l P401 - Corrente do motor

l P402 - Rotao do motor

l P403 - Freqncia do motor

Inclui os parmetros relacionados com cicloautomtico, regulador PID e regulador de velocidade.

CICLO AUTOMTICOO ciclo automtico utilizado para acionar um motorem uma determinada seqncia de operao a serrepetida a cada liberao do inversor. Conformedemonstrado na figura a seguir, a freqncia de cadapatamar, bem como a sua durao podem ser ajustadas(programadas) independentemente.

Figura 5.8

Esta funo proporciona as seguintes vantagens dentrodo processo:l No necessita de comando externo para troca de

velocidades (operador ou dispositivo de comandotemporizados);

l tempos de atuao precisos e mais estveis e noapresentam influncia externa (granderepetibilidade);

l imunidade a rudo eltrico;

PARMETROS DO INVERSOR DE FREQNCIA55.4 PARMETROS DO

MOTOR

5.5 PARMETROS DASFUNES ESPECIAIS

73

PARMETROS DO INVERSOR DE FREQNCIA5l simplificao de comandos e ajustes;l eliminao da manuteno de dispositivos de

comandos externos;l maior flexibilidade na programao do ciclo do

processo.

CONTROLE DE PROCESSOS COMINVERSORES DE FREQNCIARegulador PID (Proporcional Integral Derivativo)Um regulador pode ser descrito como um sistema quel do processo a varivel que se deseja controlar e acompara com o valor de referncia desejado,produzindo um sinal de sada que atuar sobre oprocesso no sentido de diminuir a diferena entre ovalor lido e o desejado. O algoritmo de um reguladorPID consegue obter erro nulo em regime.

Este regulador pode ser ut ilizado para controlardiversas variveis do sistema, como vazo, nvel,temperatura, ou presso, superpondo seu sinal decontrole ao controle normal de velocidade do inversor(U/F).

Exemplos de aplicaoControle de vazo em uma tu bulao, comrealimentao da vazo e com o inversor acionando amotobomba que faz o fluido circular; controle de nvel,controle de presso; controle de temperatura, etc.

Parmetros associados: Ganho proporcional; ganhointegral; ganho diferencial; tipo de realimentao;referncia; tipo de ao (reversa ou direta); nmerode pulsos por revoluo (no caso de realimentaopor encoder).Como exemplo temos o controle de vazo:

Figura 5.9 - Controle de vazo com inversor de freqncia

6COMANDO E CONTROLE DE VELOCIDADEEM MOTORES DE INDUO ACIONADOSPOR INVERSORES DE FREQNCIA

6.1 Sensores de posio e velocidade

6.2 Medio de velocidade6.2. 1 Algoritmo de estimao de freqncia

6.2. 2 Algoritmo de estimao de perodo

6.2. 3 Algoritmo de estimao simultnea de perodo e freqncia

6.3 Rudos

6.4 Sincronizao de velocidade

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Comandar a velocidade de um motor acionado porum inversor de freqncia significa simplesmenteprogramar ou colocar uma referncia de velocidadenuma entrada do inversor, sem ter informao real seessa velocidade programada est presente no eixo domotor. Em sistemas que no requerem muita precisoou que so acoplados a cargas conhecidas econstantes, o comando de velocidade pode sersuficiente para atingir as especificaes projetadas.

Mas em sistemas que requerem maior preciso novalor da velocidade do eixo do motor necessriocontrolar o sistema.

Controlar o sistema significa colocar um sensor queindique o valor real da varivel, por exemplo, avelocidade (acoplando um sensor ao eixo do motor), erealimentar este valor num regulador do inversor queatuar no sentido de diminuir a diferena entre ovalor lido no sensor e o valor desejado (programado).

assim que continuamente o sensor est informandoao inversor o valor real da varivel, para este podercorrigir em forma dinmica (em todo momento) odesvio do valor programado.

Figura 6.1

COMANDO E CONTROLE DE VELOCIDADE EM MOTORES DEINDUO ACIONADOS POR INVERSORES DE FREQNCIA6

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Dada sua simplicidade e baixo preo os codificadoresangulares ou tacogeradores de pulsos, chamadosnormalmente de encoders, transformaram-se nosltimos anos, num dos dispositivos mais utilizados para

medio de posio angular e velocidade.Figura 6.2

Os codificadores incrementais so dispositivos pto-mecnico-eletrnicos que fornecem informaodiscreta de deslocamento (posio relativa). Estes sofabricados com um disco de vidro ou metal que tem nasua periferia uma trilha com segmentos opacos etransparentes (ver figura 6.2) Trs conjuntos deemissores de luz e detetores fotoeltricos socuidadosamente dispostos a cada lado do discocodificado. Este disco montado em um eixo podendogirar livremente, sendo acoplado pela sua vez ao eixodo elemento do qual se deseja determinar odeslocamento ou velocidade (por exemplo o eixo domotor). Quando o eixo gira, as linhas o pacas etransparentes do disco passam entre o emissor edetetor de luz, modulando desta maneira o feixeluminoso produzido pelo emissor de luz, atingindo odetetor, e gerando neste um sinal eltricocorrespondente com as divises gravadas no disco. Ofeixe de luz focalizado no disco mediante sistemas

6.1 SENSORES DEPOSIO EVELOCIDADE


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pticos (lentes, espelhos, prismas, etc).

Os dois pares emissor/detetor so posicionados demaneira tal a produzir no detetor dois sinaisdefasados de 90, ver figura 6.3 (sinais A e B). Estessinais so processados (decodificados) por um circuitoeletrnico obtendo-se informao do sentido derotao e a quadruplicao da resoluo bsica doencoder (nr. pulsos/rev x 4).

Figura 6.3

Portanto o nmero de pulsos do encoder detectados,por exemplo eletronicamente em um dispositivo decontagem, uma medida do deslocamento angulardo dispositivo. A distncia entre dois pulsosadjacentes do encoder :

Xk - Xk-1= DXk (ver figura 6.4)

Figura 6.4


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valor conhecido e constante. Se o encoder possui ppulsos por revoluo, o valor unitrio de deslocamentoser 1/p:

DXk = DX=1/p [rev].

Desta maneira a posio Xk (posio depois deacontecidos k pulsos),

k . DX =k/p [rev.] =k . 2P/p [rad.]

Logo, para medir posio basta um dispositivo quepossa contar os pulsos gerados pelo encoder.

At pouco tempo atrs s eram utilizadostacogeradores analgicos para realimentao develocidade em motores eltricos; mas estesapresentavam problemas como:

no- linearidades variao da resposta com a temperatura baixa preciso (0,5% no melhor dos casos) muito sensveis rudo (sinal analgico)

Com a macia utilizao dos encoders t em surgidodiferentes tipos de t cnicas de medio digital develocidade. Para analisar estes mtodos importantedefinir os parmetros que caracterizam um sistema demedio, a saber:

Resoluo: o menor incremento de velocidade quepode ser medido pelo sistema

Preciso: o mximo desvio que o valor medido sofreem relao ao valor real de velocidade

Tempo de detec o: o tempo que o sistemanecessita para realizar a medio.

Faixa de medio: a faixa de velocidades(velocidade mxima, velocidade mnima) dentro daqual o sistema opera dentro das especificaes.

Assim, um bom sistema aquele cujo mtodo demedio propicia alta resoluo, alta preciso e baixotempo de deteco numa larga faixa de medio.Existem vrios mdodos de medio de velocidade.Cada mtodo pode ser caracterizado por um algoritmode estimo, j que o valor da velocidade estimado a partir de um dado de posio.


6.2 MEDIO DEVELOCIDADE

81

A velocidade aproximada contando o nmero depulsos M1 vindos do transdutor durante um tempofixo T p, ver figura 6.5.Este mtodo indicado para sistemas com faixa demedio estreita e para medio de altas velocidades.

Figura 6.5

A velocidade aproximada medindo-se o tempocompreendido entre um nmero inteiro de pulsosconsecutivos do encoder Pe (dois ou mais). Estetempo computado com a ajuda de uma base detempo Pc com freqncia fixa conhecida (ver figura6.6), contando os pulsos M2.

Este mtodo t al como o anterior utilizado para faixasde medio estreitas, mas em baixas velocidades.

Figura 6.6


6.2.1 Algoritmo deEstimao deFreqncia

6.2.2 Algoritmo deEstimao doPerodo

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A velocidade aproximada medindo perodo efreqncia. Desta maneira as duas medies sorealizadas sincronizadamente permitindo obter comeste mtodo bons resultados tanto em altas como embaixas velocidades.

O ambiente industrial normalmente muito poludopor rudos de origem eletromagntica, podendocomprometer a integridade dos sinais transmitidosdesde os sensores at mquina. Os cabos queconduzem os sinais atuam como antenas receptorasdos rudos, corrompendo a informao, podendocausar srios problemas.

A quantidade de rudo eletromagntico induzido noscabos pode ser minimizada utilizando-se cabosblindados, nveis de sinal elevados (12 ou 24 V) outransmisso de sinais em forma diferencial.

Figura 6.7

A figura 6.7 mostra uma linha de transmissodiferencial; se um rudo for induzido na linha, os doiscanais sero afetados e como no final da linha realizada uma operao de subtrao dos sinais o rudoser rejeitado. Dependendo do tipo de cabo e daimpedncia de sada do dispositivo que gera o sinaldiferencial, os sinais podem ser transmitidos at umadistncia mxima de aproximadamente 1000 metros.


6.2.3 Algoritmo deEstimaoSimultnea dePerodo eFreqncia

6.3 RUDOS

83


A figura 6.8 mostra uma representao esquemticade um mecanismo convencional para variao develocidades e sentido de rotao. Normalmente utilizada uma cadeia cinemtica, com projeto baseadoem especificaes de velocidade, sentido de rotao etorque; as caractersticas de sada esto determinadaspelas caractersticas do acionamento combinadas comum determinado conjunto de engrenagens.

Figura 6.8

Este tipo de configu rao utilizado em aplicaesonde so necessrias relaes de transmisso fixas. Noentanto, em aplicaes onde se precisa de umarelao varivel, necessrio um sistema que gereinstantaneamente uma n ova relao de transmisso.A figura 6.9 mostra um exemplo onde no obstanteexistir redutores, necessrios para adaptarvelocidades e/ou torques dos motores com asrespectivas cargas, existe tambm para cada eixo umacionamento controlado eletronicamente. Este tipo desistema alm de eliminar a complicada cadeiacinemtica oferece a grande flexibilidade do controleeletrnico onde qualquer combinao de velocidade esentido de rotao pode ser programado.

6.4 SINCRONIZAO DEVELOCIDADE

84


Figura 6.9

O sistema possui um motor e um acionamento por eixo.Um dos eixos opera com a funo de mestre, isto , seuvalor real de velocidade fornecido para sincronizar osoutros eixos, considerados escravos, pois suasvelocidades sero proporcionais, com razo deproporcionalidade programvel, velocidade do eixomestre.

Sistema multimotores: quando um inversor de f reqncia alimenta vriosmotores conectados em paralelo. Todos os motoresdevero ter a mesma tenso e freqncia dealimentao. A velocidade de funcionamento dosmotores depender do nmero de plos e doescorregamento (que fun o da carga) de cadamotor.Neste tipo de aplicao deve se levar em conta que umou vrios dos motores ligados ao sistema multimotorespode necessitar ser desligado com o inversorfuncionando, este fato precisa ser levado emconsiderao na hora do dimensionamento.

7APLICAO DE ACIONAMENTOS COMMOTORES DE INDUO E INVERSORES DEFREQNCIA

7.1 Introduo, definies, fundamentos eprincpios7.1. 1 Definies

7.1. 2 Relaes bsicas

7.2 O que a carga requer7.2. 1 Tipos de carga

l Torque constante

l Potncia constante

l Torque linearmente crescente

l Torque com crescimento quadrtico

7.2. 2 O pico de carga

7.2. 3 Estimando cargas

7.3 Seleo de acionamentos(motor/inversor)7.3. 1 Operao abaixo da rotao nominal

l Motor autoventilado

l Motor com ventilao independente

7.3. 2 Operao acima da rotao nominal

7.3. 3 Casos especiais

l Efeito da temperatura ambiente

l Efeito da altitude

7.4 Aplicaes tpicasl Bombas centrfugas e ventiladores

l Extrusoras

l Bobinadores/desbobinadores

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Uma das maiores fontes de problemas ao se tratar desistemas de acionamento a aplicao inadequadados diversos tipos existentes. Acionamentos ca e cctm caractersticas peculiares, que devem ser levadasem conta ao se fazer uma escolha. No s ascaractersticas de torque so diferentes, mas tambmh considerveis diferenas de custos, perturbaesintroduzidas na rede eltrica, fator de potnciagerado, dimenses de carcaa disponveis, etc.

necessrio, portanto, um conhecimento bsico decomo o motor interage com o sistema de controle, eestes dois por sua vez, com a mquina a ser acionada,a fim de se poder fazer uma aplicao apropriada.

O dimensionamento do acionamento feito com baseno torque requerido p ela carga (veja a definio detorque e de carga na seo 7.1.1 abaixo). Assim,pode-se dizer que necessrio conhecer muito bem amquina a ser acionada. muito importante fazeruma quantidade to grande quanto possvel deperguntas, mesmo a respeito de coisasaparentemente insignificantes. impossvelperguntar demais, e um dos segredos est ementender muito bem a aplicao.

necessrio ainda uma compreenso das relaesentre torque , potncia, velocidade e acelerao/desacelerao, bem como do efeito de umatransmisso mecnica nestas grandezas.

Finalmente, necessrio utilizar um mtodosistemtico para selecionar o equipamento adequado.

MOTOR - Sempre que houver uma meno genricaa motor nesta seo, estar se referindo ao motorde corrente alternada (ca) de induo, assncrono,com rotor tipo gaiola de esquilo, a menos dedeclarao explcita ao contrrio.

ACIONAMENTO - A palavra acionamento significaaqui, o conjunto compreendido pelo motor e seusistema de partida, mais qualquer aparelho eletrnicode controle envolvido (tal como um inversor).

APLICAO DE ACIONAMENTOS COM MOTORES DEINDUO E INVERSORES DE FREQNCIA7

7.1 INTRODUO,DEFINIES,FUNDAMENTOS EPRINCPIOS

7.1.1 Definies

88

CARGA - A palavra carga significa aqui, o conjunto decomponentes da mquina que se movem, ou que estoem contato e exercem influncia sobre eles,comeando a partir da ponta-de-eixo do motor.

TORQUE - O torque pode ser definido como a foranecessria para girar um eixo. Ele dado peloproduto da fora tangencial F (N) pela distncia r (m),do ponto de aplicao da fora ao centro do eixo. Aunidade de torque no SI (Sistema Internacional) oNm (Newton-metro).

INRCIA - Inrcia a resistncia que uma massaoferece modificao do seu estado de movimento.Todo corpo que tem massa tem inrcia. Uma massa emrepouso requer um torqu e (ou fora) para coloc-la emmovimento; uma massa em movimento requer umtorque (ou fora) para modificar a sua velocidade oupara coloc-la em repouso. O momento de inrcia demassa J (kgm 2) de um corpo depende da sua massa m(kg) e da distribuio da massa ao redor do eixo degiro, ou seja, da sua geometria. O Anexo 1 traz asfrmulas para o clculo do momento de inrcia demassa de diversos corpos comuns.

TorqueO torque T (Nm) o produto da fora F (N) necessriapara girar o eixo, pela distncia r (m) do ponto deaplicao da fora ao centro do eixo

T = F * r(7.1)

Este o torque necessrio para vencer os atritosinternos da mquina parada, e por isso denominadode torque esttico de atrito, Te at .

Pode-se determinar o torque demandado para por emmoviment

guia inversores de frequencia weg

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