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SIMOVERT INVERSOR DE
FREQUÊNCIA PWM
Ricardo Antunes / Xavier Pereira / Ricardo Ferreira
Relatório Máquinas Eléctricas
Academia de formação
2013
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Relatório Máquinas Eléctricas
Academia de formação
24 de Março de 2013
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Agradecimentos
Os agradecimentos são dados a quem os mereceu.
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Resumo
Nós Alunos da turma ARCIPB.09_12, no dia 5 de Dezembro de 2012, para a
disciplina de máquinas eléctricas, elaboramos um trabalho experimental de 4 horas.
O trabalho consistiu na ligação de um motor trifásico a um variador de frequência
da Siemens (SIMOVERT Micro master). Durante as primeiras duas horas foi
compreendido o esquema de ligação do motor ao variador e as respectivas entradas
analógicas e digitais.
Durante as duas horas finais, foram elaborados os testes e retiradas as conclusões
finais do funcionamento geral do SIMOVERT.
Palavras-Chave
Simovert
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Índice
AGRADECIMENTOS ..................................................................................................................................... I
RESUMO ....................................................................................................................................................... III
ÍNDICE ........................................................................................................................................................ VII
ÍNDICE DE FIGURAS ................................................................................................................................. IX
ÍNDICE DE TABELAS .................................................................................................................................. X
ACRÓNIMOS ................................................................................................................................................ XI
1. INTRODUÇÃO ...................................................................................................................................... 1
1.1. INTRODUÇÃO .................................................................................................................................... 1
1.2. OBJETIVOS ................................................................................ ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED.
1.3. REQUISITOS ...................................................................................................................................... 2
1.4. CALENDARIZAÇÃO ................................................................... ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED.
1.5. ORGANIZAÇÃO DO RELATÓRIO ................................................. ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED.
2. CONCEITOS TEÓRICOS .................................................................................................................. 13
2.1. MOTORES TRIFÁSICOS DE CA ................................................................................................ 13
3. ESTADO DA ARTE ............................................................... ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED.
4. PROJETO ............................................................................... ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED.
5. IMPLEMENTAÇÃO ............................................................. ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED.
5.1. MATERIAL E SUA IMPLEMENTAÇÃO ......................................... ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED.
5.2. IMPLEMENTAÇÃO...................................................................... ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED.
5.3. IMPLEMENTAÇÃO EXTRA .......................................................... ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED.
5.4. IMPLEMENTAÇÃO DO SENSOR DE PISTA AXE121 ....................... ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED.
5.5. IMPLEMENTAÇÃO DOS SONARES SRF05 ................................... ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED.
5.6. IMPLEMENTAÇÃO DOS MOTRES EMG30 ..................................... ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED.
5.7. IMPLEMENTAÇÃO DA GARRA .................................................... ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED.
6. TESTES E RESULTADOS.................................................... ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED.
6.1. TESTES REALIZADOS ......................................................... ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED.
7. CONCLUSÃO E TRABALHO FUTURO ............................ ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED.
7.1. CONCLUSÃO ............................................................................. ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED.
7.2. TRABALHO FUTURO .................................................................. ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED.
REFERÊNCIAS DOCUMENTAIS ............................................................................................................. 22
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Índice de Figuras
Figura 1 Motor de indução – Estator .......................................................................................... 14
Figura 2 Motor de indução – Rotor ............................................................................................ 14
Figura 3 Ligação interna do Estator – Desfasamento 120º ......................................................... 15
Figura 4 Acção das três correntes para produzir o campo magnético rotativo num motor
trifásico. .................................................................................................................................... 16
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Índice de Tabelas
Tabela 1 Tabela com os parâmetros utilizados ............................................................................. 7
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Acrónimos
MHz – Mega Heartz
ACE - Rampa de acelaração
DEC - Rampa de desaceleração
CC
CPU
AC
VCC
GND
PWM
Fmax
Fmin
–
-
-
-
-
-
-
-
Corrente Contínua
Central Processingunit
Alternatingcurrent
Voltagem Corrente Contínua
Ground
Pulse width modulation
Frequência maxima
Frequência minima
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1. INTRODUÇÃO
1.1. INTRODUÇÃO
O MicroMaster é um inversor com circuito intermediário de tensão constante, tipo
P.W.M., para controlar velocidade de motores de indução trifásicos de 250 a 5500 W.
Existem versões para alimentação monofásica de 230V e para alimentação trifásica de 380
a 500V.
O controlo é realizado através de um microprocessador. Com o método especial de
P.W.M. (Modulação por Largura de Pulsos), de frequência de pulsos variável, se consegue
uma operação extremamente silenciosa do motor.
O modo de operação do MicroMaster pode ser ajustado a praticamente todas as
condições operacionais, se forem usados parâmetros especiais, através de seu próprio
teclado. Sofisticados ajustes de velocidade, tempos de rampas, paradas precisas e várias
outras condições de operação podem ser ajustadas com o auxílio da tecnologia de
microcomputadores desenvolvida para a electrónica de potência.
A elevação do valor inicial da relação U/f pode ser programada ou realizada
automaticamente pelo aparelho, sendo possível alcançar alta resolução no ajuste da
rotação. Está incorporado ao aparelho um sistema de frenagem por corrente contínua que
assegura parada rápida e definida. Opcionalmente pode ser incluído o sistema de frenagem
dinâmica por resistência o que permite operações em 4 quadrantes e pode inclusive ser
usada para frenagens rápidas e com tempo definido.
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1.2. OBJECTIVOS
Conhecer as ligações eléctricas necessárias do variador
Controlo de marcha/paragem, sentido de marcha, frequência de saída, tanto pelos
portos digitais como teclado.
Conhecer a programação do funcionamento do variador através da configuração, de
parâmetros de funcionamento.
Verificar a influência da modificação dos parâmetros ( ACE, DEC, Fmax, Fmin).
Verificar quais as funcionalidades disponíveis.
Verificar modos de controlo por teclado e pelo interface Analógico/Digital.
1.3. REQUISITOS
1x Simovert Mirco master
2x Switch de duas posições
1x Potenciómetro 5kΩ
Fio condutor
Multímetro
DatasheetMicromaster
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1.4. IMPLEMENTAÇÃO
Para a implementação da ligação de todo o sistema para controlo do Simovert
externo, foi utilizado o esquema de fábrica para ligação dos componentes externos:
Figura 1 Esquema de ligação Micromaster(Motortrifásico).
Para a ligação do motor trifásico, temos então L1, L2 e L3, que são as três fases da
rede de alimentação trifásica. Para ligação ao motor são utilizados o W, V e U. Temos
também o B+ e B- que servem para colocação de uma resistência de frenagem que por sua
vez esta vai servir para protecção dos componentes internos do Micromaster.
Mas como já estava colocado no Micromaster o chicote de monofásico utilizamos o
seguinte esquema de placa de ligação:
Figura 2 Esquema de ligação Micromaster (Motor monofásico).
A única diferença é que apenas é usada uma das fases e usa-se o L2 como neutro, o
resto das ligações são mantidas.
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Antes de começarmos a fazer as ligações no borne de comando , primeiro
programamos o Micromaster para parâmetros do motor que estávamos a utilizar:
Figura 3 Placa de um motor padrão e parâmetros para programação.
O display do MicroMaster faz indicação em dígitos. Na tabela de parâmetros são
indicados os valores com a respectiva unidade. Por exemplo: 60 Hz = Display 060.0
Quando um valor de parâmetro é ajustado, ele é introduzido automaticamente na
memória. Se for seleccionado para que o display indique a frequência de saída (P001 = 0),
e o motor estiver parado, a cada 1,5 segundos o display mostra a frequência desejada, se
estiver em P000. O MicroMaster é ajustado de fábrica, tomando por base os motores
padronizados SIEMENS de quatro pólos. Se for utilizado outro motor, é necessário entrar
com os valores indicados na placa de dados do motor nos parâmetros P081 até P085,
(acesso permitido por P009).
Após esta reprogramação, foi utilizado o seguinte esquema para ligação dos
componentes externos ao variador de frequências:
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Figura 4 Diagrama de blocos das ligações do Micro master.
Nesta experiência, apenas foram utilizados algumas das funções do Micro master, e
essas foram :
Potenciómetro nas ligações 1, 2 , 3 e 4 , para controlo externo da frequência
de rotação do motor.
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Pinos 8 e 9, para arranque para a direita e arranque para a esquerda
(inversão do sentido de marcha).
Pinos 10 e 11, frequências fixas alteráveis.
W, Ve U para ligação ao motor.
Depois das ligações feitas , começamos então por perceber a programação do
Micromaster , e as funções que utilizamos foram as seguintes :
P000 Faz o display indicar o valor de operação
selecionado via P001. No caso de falhas, o
código da principal falha, conforme a tabela
de “códigos de erros/falhas”, é mostrado no
display. No caso de alarmes, o display
mostra o código correspondente e
alternadamente com o valor de operação. Se
na frequência de saída for seleccionado o
parâmetro P001, a cada 1,5 segundos, o
display mostrará o valor desejado de
frequência, quando o motor estiver parado
P001 Selecção do display:
0 = Frequência de saída
1 = Valor desejado de frequência
2 = Corrente de saída para motor em
Amperes.
3 = Tensão do circuito intermediário. em
Volts
4 = Torque do motor em percentagem (%)
P002 Tempo de rampa de aceleração de 0 a 650
s. (0 a fmáx).
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P003 Tempo de rampa de desaceleração de 0 a
650 s. (fmáxa 0).
P006 Selecção do valor desejado:
0 = Digital;
1 = Analógico;
2 = Potenciómetro motorizado ou
frequências fixas conforme.
P012 Frequência mínima do motor ajustada entre
0.0 e 650.0 Hz.
P013 Frequência máxima do motor ajustada entre
0.0 e 650.0 Hz.
P023 Selecção do tipo de sinal analógico.
0 = 0 a 10 V ou 0 a 20 mA
1 = 2 a 10 V ou 4 a 20 mA
P041 1ª frequência fixa.
P042 2ª frequência fixa.
P051 DIN 1 (Borne 8)
P052 DIN 2 (Borne 9)
P053 DIN 3 (Borne 10)
P054 DIN 4 (Borne 11)
Tabela 1 Tabela com os parâmetros utilizados
Começamos então por colocar o P001 = 0, para podermos observar no P000 a
frequência de rotação do motor. De seguida, definimos a rampa de aceleração e
desaceleração para 10 segundos nos parâmetros P002 e P003. O próximo passo foi definir
qual dos pinos usar para avanço e recuo da marcha do motor, e por uma tabela predefinida
, o pino 8 e 9 correspondem á marcha do motor, logo colocamos o pino 8 parâmetro P051 a
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1 ( 1 = avanço) e o pino 9 parâmetro P052 a 2 ( 2 = recuo), assim podemos então controlar
o avanço e recuo da marcha do motor , a partir de dois switches , um para avanço e outro
para recuo. O teste seguinte necessitava da utilização de um potenciómetro para regular
manualmente a frequência de rotação do motor, então tivemos de habilitar as portas
analógicas do potenciómetro no parâmetro P006, colocando este mesmo a 1. Mas antes
disto colocamos o parâmetro P012 a 0Hz e o P013 a 50Hz, correspondendo estes ao Fmin
e Fmax.
Depois disso verificamos que o potenciómetro começava nos 0Hz e só atingia um
máximo de 50Hz , porque tínhamos pré estabelecido que o Fmin = 0Hz e o Fmax= 50Hz.
Colocando então primeiramente o parâmetro P023 a 0 , para podermos ter uma variação
nas portas analógicas de 0 a 10v.
Para o teste das frequências fixas, utilizamos o pino 10 e 11 , 10 corresponde a 5Hz
e 11 a 10Hz. Foram estas as frequências fixas utilizadas, colocamos então P053 e P054 a 6
(correspondente a alteração para frequência fixa), ligamos um outro switch de cada vez a
cada um dos bornes digitais e verificamos no P000 que as frequências fixas estavam
corretas, e notou-se a diferença de velocidade do motor.
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O trabalho prático foi implementado da seguinte maneira:
Figura 5 Esquema de ligação na prática
Esquema da chapa do motor :
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Figura 6 Chapa de informações do motor
Chapa referente ao variador:
Figura 7 Chapa de informação do variador de frequência
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2. CONCEITOS TEÓRICOS
2.1. MOTORES TRIFÁSICOS DE CA
Os motores trifásicos de CA são menos complexos que os motores de CC. Além
disso, a inexistência de contactos móveis em sua estrutura garante seu funcionamento por
um grande período, sem a necessidade de manutenção. A velocidade dos motores de CA é
determinada pela frequência da fonte de alimentação, o que propicia excelentes condições
para seu funcionamento a velocidades constantes. Os motores trifásicos de CA funcionam
sob o mesmo princípio dos motores monofásicos, ou seja, sob a acção de um campo
magnético rotativo gerado no estator, provocando com isto uma força magnética no rotor.
Esses dois campos magnéticos agem de modo conjugado, obrigando o rotor a girar.
2.1.1. TIPOS DE MOTORES TRIFÁSICOS DE CA
Os motores trifásicos de CA são de dois tipos: motores assíncronos (ou de indução)
e motores síncronos.
2.1.2. MOTOR ASSÍNCRONO DE CA
O motor assíncrono de CA é o mais empregado por ser de construção simples,
resistente e de baixo custo. O rotor desse tipo de motor possui uma parte auto-suficiente
que não necessita de conexões externas. Esse motor também é conhecido como motor de
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indução, porque as correntes de CA são induzidas no circuito do rotor pelo campo
magnético rotativo do estator.
Figura 8 Motor de indução – Estator
No estator do motor assíncrono de CA estão alojados três enrolamentosreferentes
às trêsfases. Estes três enrolamentos estão montados com umadesfasagem de 120º.
O rotor é constituído por um cilindro de chapas em cuja periferia existemranhuras
onde o enrolamento rotórico é alojado.
Figura 9 Motor de indução – Rotor
2.1.3. FUNCIONAMENTO
Quando a corrente alternada trifásica é aplicada aos enrolamentos doestator do
motor assíncrono de CA, produz-se um campo magnético rotativo(campo girante).A figura
10.3 mostra a ligação interna de um estator trifásico em que asbobinas (fases) estão
desfasadas em 120º e ligadas em triângulo.
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Figura 10 Ligação interna do Estator – Desfasamento 120º
O campo magnético gerado por uma bobina depende da corrente que nomomento
circula por ela. Se a corrente for nula, não haverá formação de campomagnético; se ela for
máxima, o campo magnético também será máximo.
Como as correntes nos três enrolamentos estão com uma desfasagem de120º os três
campos magnéticos apresentam também a mesma desfasagem.Os três campos magnéticos
individuais combinam-se e disso resulta umcampo único cuja posição varia com o tempo.
Esse campo único, giratório, é quevai agir sobre o rotor e provocar seu movimento. O
esquema a seguir mostra como agem as três correntes para produzir ocampo magnético
rotativo num motor trifásico.
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Figura 11 Acçãodas três correntes para produzir ocampo magnético rotativo
num motor trifásico.
No esquema vemos que no instante 1, o valor da corrente A é nulo e,portanto não
há formação de campo magnético. Isto é representado pelo O (zero)colocado no pólo do
estator.As correntes B e C possuem valores iguais, porém sentidos opostos.Como
resultante, forma-se no estator, no instante 1, um campo único direccionado no sentido N -
> S.No instante 2, os valores das correntes se alteram. O valor de C é nulo. Ae B têm
valores iguais, mas A é positivo e B é negativo. O campo resultantedesloca-se em 600 em
relação à sua posição anterior.
2.2. PULSO PWM
O módulo de geração de Modulação por Largura de Pulso (PWM) é um
recursomuito utilizado para o controle de motores e conversores CC-CC em geral. A partir
de ele é possível gerar um sinal analógico, apesar de sua saída ser um sinal digital que
assumeapenas os níveis lógicos altos (um) e baixos (zero).
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A saída gerada é uma onda quadrada, com frequência constante e largura de pulso
variável. Estes conceitos estão directamente relacionados com o período fixo e o ciclo
ativo (dutycycle) respectivamente.
A frequência de uma onda pode ser definida como a quantidade de vezes que elase
repete no tempo. E o período é cada pedaço dessa onda que irá se repetir. O dutycycle
define o tempo de sinal ativo (nível lógico alto) em um período fixo. Assim, quando temos
um dutycycle de 100%, temos nível lógico alto por todo o período.Um dutycycle de 50%
define a metade do período em nível lógico alto e a outra metadeem nível lógico baixo. Se
uma saída TTL for utilizada, a tensão média de saída em umdutycycle de 50% será 2,5V.
Estes conceitos são demonstrados na figura abaixo.
Devemos lembrar que o PWM nem sempre possui estado inicial positivo, podendo
iniciaro período com nível lógico baixo.
Figura 12 Gráficos de pulsos de pwm
A base de tempo dos módulos PWM normalmente é implementada de duas formas.
Uma destas formas é utilizando o próprio módulo temporizador como base detempo no
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PWM, ou seja, se o temporizador está configurado para um período de 1ms, afrequência do
PWM será de 1 KHz.
A outra forma é utilizando um temporizador específicopara o PWM, que deve ser
configurado para a frequência desejada. Ainda, umtemporizador pode ser utilizado como
base de tempo de várias saídas PWM, ou seja, vários PWM com a mesma frequência, mas
larguras de pulso diferentes.
A figura a seguir irá exemplificar o funcionamento de um PWM em
ummicrocontrolador onde o registrador PTPER possui o valor referente ao período do
PWM e os registradores PWM1H e PWM2H representam dois canais de saída PWM.
Figura 13 Sinal de PWM e seus estados ativos
2.3. SINAL ANALÓGICO E SINAL DIGITAL
A informação transportada nos modernos sistemas de telecomunicações pode ser
classificada em sinais de áudio, de vídeo e de dados. Esta informação entra no sistema
receptor através de um transdutor, gerando uma diferença de potencial, que é designada
por sinal de informação e pode ser de tipo analógico ou digital.
Um sinal analógico varia no tempo de um modo análogo ao da propriedade física
que esteve na sua origem. Estes sinais são contínuos e podem assumir qualquer valor entre
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dois limites. Um exemplo de sinal analógico é a voltagem gerada por um microfone, já que
é proporcional ao gráfico do deslocamento em função do tempo, das moléculas do ar que
se encontra à sua frente.
Um sinal digital não varia continuamente ao longo do tempo, apenas pode assumir
dois valores, digamos 0 ou 1; é essencialmente uma representação codificada da
informação original. Um exemplo de sinal digital é a sequência de altas e baixas voltagens
produzida durante uma chamada telefónica digital.
2.3.1. CONVERSÃO ANALÓGICO-DIGITAL
Um conversor analógico-digital (ADC) é um aparelho para a conversão de valores
digitais num fenómeno que varia no tempo. Quando os valores numéricos podem ser
armazenados em formato binário (isto é, por um computador), chamamos de dados
multimídia.
Um computador chamado "multimídia" é uma máquina capaz de digitalizar
documentos (papel, áudio, vídeo, etc). Os principais periféricos que contêm conversores
analógico-digitais são:
• As placas de aquisição de vídeo
• Os scanners
• As placas de captura de som (quase todas as placas de som)
• Os leitores (óticos como o leitor de CD-ROM, magnéticos como o disco rígido)
• Os modems (na recepção)
2.4. CONVERSÃO DIGITAL-ANALÓGICO
Os conversores digital-analógicos transformam um sinal digital em sinal analógico.
Na verdade, mesmo se um dado digital for fácil de armazenar e manipular, ele deve ser
explorado. O que seria um som digital se não pudéssemos ouvi-lo...
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Assim sendo, num computador multimídia, encontramos conversores digital-
analógicos para a maioria das saídas:
• saídas de áudio das placas de som
• sintetizador musical
• impressora
• modem (na emissão)
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3. CONCLUSÃO
Para concluir, verificamos que no decorrer do trabalho com o Micro Master, em
que se alteramos os parâmetros podemos trabalhar com diferentes motores. Isto é, não só
funcionar com um motor monofásico que tem uma frequência de, por exemplo 60Hz, em
que vai-se ao programa desejado e altera-se, como também dá para indicarmos o tempo de
aceleração e desaceleração, entre outros parâmetros possíveis para o que queremos.
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Referências Documentais
http://pt.wikipedia.org/wiki/Motor_el%C3%A9trico_trif%C3%A1sico
http://www.automation.siemens.com/mcms/mc/en/converters/low-voltage-
converters/simovert-masterdrives/pages/simovert-masterdrives-frequency-converters.aspx
http://www.automation.siemens.com/WW/forum/guests/PostShow.aspx?PageIndex=1&Po
stID=276096&Language=en
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