Controle do motor de indução

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1 CONTROLE Fundação Universidade DO MOTOR DE Federal de Mato Grosso do Sul 1 Acionamentos Eletrônicos de Motores Controle do motor de indução Prof. Márcio Kimpara Prof. João Onofre. P. Pinto FAENG Faculdade de Engenharias, Arquitetura e Urbanismo e Geografia Campo Grande MS

2 Controle de velocidade CONTROLE DO MOTOR DE 2 Do ponto de vista do acionamento, a velocidade de um motor de indução pode ser variada das seguintes maneiras: Controle da resistência do rotor Controle da tensão do estator Controle da frequência do estator Controle da tensão e da frequência do estator

3 Controle dos Parâmetros da Máquina Resistência Rotórica Controle de Velocidade de um Motor de Indução com Rotor Bobinado (anéis) Métodos de variar a velocidade do motor: Usar Resistências Externas 3

4 Motor de rotor bobinado Ajuste do circuito do rotor Varia R r CONTROLE DO MOTOR DE Controle dos Parâmetros da Máquina Resistência Rotórica 4 T em 3 sin c R s r R s R s r V 2 2 X X 2 s r

5 Controle dos Parâmetros da Máquina Resistência Rotórica Em uma maquina de rotor bobinado, uma conexão trifásica de resistores externos pode ser feita aos anéis, como mostrado na figura anterior. 5 O torque desenvolvido pode ser variado através da variação da resistência Rx. Esse método aumenta o torque de partida, além de limitar a corrente de partida. Entretanto, é um método ineficiente e haverá desequilíbrio nas tensões e correntes se as resistências no circuito do rotor não forem exatamente iguais.

6 Controle dos Parâmetros da Máquina Resistência Rotórica Uma maquina de indução de rotor bobinado e projetada para ter baixa resistência de rotor de tal forma que a eficiência de operação seja elevada e o escorregamento a plena carga seja baixo. 6 O controle de velocidade por variação da resistência só pode ser efetuado em maquinas com rotores bobinados. Devido à disponibilidade dos enrolamentos do rotor para a variação da resistência deste, a maquina de rotor bobinado oferece maior flexibilidade para o controle, mas ha um aumento do custo e necessidade de manutenção devido aos anéis e escovas

7 Controle dos Parâmetros da Máquina Resistência Rotórica 7 O aumento na resistência do rotor não afeta o valor do torque Maximo, mas aumenta o escorregamento no torque Maximo. As maquinas de rotor bobinado são amplamente utilizadas em aplicações que requerem frequentes partidas e frenagens com torques elevados (por exemplo, guindastes).

8 Controle dos Parâmetros da Máquina Resistência Rotórica EXERCÍCIO MIT V=230v, f=60 hz (379,9911 rad/s), Rs= 0.1 ohm, Rr=0.1 ohm, Ls=0.002 Henry, Lr=0.02 Henry. Faça Rext variar de 0.1 a 0.5 ohm e plote a curva torque x velocidade 8

9 Controle dos Parâmetros da Máquina Resistência Rotórica Problemas com variação da resistência rotórica: 9 Sacrifício da eficiência R r leva a P P out in Necessita de acesso ao circuito do rotor Faixa estreita

10 Controle dos Parâmetros da Máquina Amplitude da tensão A magnitude da tensão da fonte poderia ser reduzida mantendo-se a frequência constante, mas esse método é muito inconveniente porque reduziria tanto o fluxo magnético no entreferro quanto a corrente do rotor, resultando em um decréscimo no torque proporcional ao quadrado da redução da tensão, além de elevados valores de escorregamento. 10 Da equação do torque vê-se que ele é proporcional ao quadrado da tensão aplicada ao estator. Assim para um dado torque, uma redução na tensão produz uma diminuição na velocidade (um aumento no escorregamento)

11 Controle dos Parâmetros da Máquina Amplitude da tensão 11 A tensão do estator pode ser variada através de: 1. Controladores CA trifásicos; 2. Inversores trifásicos do tipo fonte de tensão com interligação CC variável; 3. Inversores trifásicos PWM.

12 12 Controle dos Parâmetros da Máquina Amplitude da tensão Implicações deste ajuste: Faixa estreita de variação de velocidade A produção do torque varia com V 2 Abaixo de uma determinada tensão o motor pode parar. Este tipo de acionamento não é aplicável a cargas que necessitem de torque constante, nem elevado conjugado de partida. A faixa de ajuste de velocidade é relativamente estreita e é feita ao custo de uma redução significativa do torque disponível

13 Controle dos Parâmetros da Máquina Amplitude da tensão EXEMPLO MIT V=230v, f=60 hz (379,9911 rad/s), Rs= 0.1 ohm, Rr=0.1 ohm, Ls=0.002 Henry, Lr=0.02 Henry. Faça V variar de 100 a 300 volts e plote a curva torque x velocidade 13

14 Controle dos Parâmetros da Máquina Frequência da tensão O torque e a velocidade das maquinas de indução podem ser controlados variando-se somente a frequência da fonte de alimentação. Se a tensão for mantida fixa em seu valor nominal enquanto a frequência é reduzida abaixo do seu valor nominal, o fluxo aumentará, o que pode levar a saturação do fluxo do entreferro. Assim, os parâmetros da maquina podem perder sua validade. Em baixa frequência, as reatâncias diminuem e a corrente da maquina pode ser muito elevada. Devido a estes problemas, o controle de velocidade por frequência normalmente não é muito utilizado 14

15 Controle dos Parâmetros da Máquina Frequência da tensão 15 Motor para em velocidades muito altas Problemas com saturação magnética Se a freqüência for aumentada acima do seu valor nominal, o fluxo e o torque diminuem

16 Controle dos Parâmetros da Máquina Frequência da tensão EXEMPLO MIT V=230v, f=60 hz (379,9911 rad/s), Rs= 0.1 ohm, Rr=0.1 ohm, Ls=0.002 Henry, Lr=0.02 Henry. Faça a frequência variar de 10 a 100 Hz e plote a curva torque x velocidade 16

17 17 Controle escalar Se a relação entre a tensão e a frequência for mantida constante, o fluxo permanecerá constante. O torque Máximo, que é independente da frequência, pode ser mantido aproximadamente constante. Entretanto, em baixa frequência o fluxo do entreferro e reduzido devido à queda na impedância do estator, tendo a tensão de ser aumentada para manter o nível de torque. Controla apenas a variação de amplitude das variáveis de controle e despreza efeitos de acoplamento na máquina V Controla f ou s Controla No entanto ψ T f f V, V, f f T e

18 Características Operacionais CONTROLE DO MOTOR DE 18 A tensão aplicada na bobina de um estator é dada por: 4,44. f. N. [first row of matrix] Portanto, o fluxo no entreferro é diretamente proporcional à relação entre tensão e frequência. V f E

19 Características Operacionais CONTROLE DO MOTOR DE 19 Para um desempenho adequado do motor de indução, especialmente com respeito ao conjugado desenvolvido, o fluxo no entreferro deve ser mantido o mais constante possível. Assim, ao variar a frequência, a tensão aplicada também deve variar para manter o fluxo magnético [first constante. row of matrix] Os inversores devem manter uma relação linear entre tensão e frequência até o ponto de tensão e frequência nominais.

20 Controle escalar CONTROLE DO MOTOR DE 20 Caso variemos a frequência e a magnitude da tensão simultaneamente, obteremos a seguinte família de curvas de torque pela velocidade mecânica:

21 Controle escalar CONTROLE DO MOTOR DE 21 Para velocidades síncronas inferiores à velocidade base (nominal), a frequência da fonte (idealmente senoidal) deve ser reduzida (abaixo de 60Hz no Brasil) e para evitar a elevação do fluxo no entreferro, que poderia resultar na saturação do material ferromagnético, e manter o torque ( T.i R ) constante, a magnitude da tensão também é reduzida de maneira proporcional: f V

22 Controle escalar CONTROLE DO MOTOR DE 22 Para velocidades síncronas superiores à velocidade base (nominal), a frequência da fonte deve ser elevada (acima de 60Hz). Entretanto, não é possível elevar o módulo da tensão aplicada e o fluxo magnético no entreferro necessariamente deverá ser reduzido: V f Em consequência, tem-se uma redução proporcional no torque T.i R gerado, pois. Nessa região (enfraquecimento do campo magnético), a potência mecânica é constante.

23 Controle escalar A partir do advento da modulação PWM para controle de máquinas de indução, três esquemas possíveis para obtenção de tensão e frequência variáveis são apresentados ao lado: CONTROLE DO MOTOR DE 23

24 Acionamento do motor de indução Inversor tipo ponte conectado a retificador Modos de acionamento: Onda quadrada Modulação de largura de pulso (PWM) CONTROLE DO MOTOR DE 24

25 Controle escalar CONTROLE DO MOTOR DE 25 O controle eletrônico da velocidade e torque desenvolvidos por motores de indução trifásicos possui inúmeras aplicações em sistemas industriais e comerciais; O controle escalar permite um bom controle não apenas da velocidade, mas também do torque. Para aplicações ainda mais complexas e precisas, utiliza-se o controle vetorial (discutido nas próximas aulas); Esse controle consiste na mera variação da magnitude e frequência da tensão alternada aplicada ao estator. Por isso, ele também é denominado controle VVVF (Variable Voltage, Variable Frequency).

26 26 Controle escalar Performance inferior ao controle vetorial Fácil de implementar Amplamente usado na indústria Vem perdendo a importância nos últimos tempos

27 27 Controle Via Inversor Alimentado com Fonte de Tensão (VFI) - Introdução Controle Amplitude/Frequência (Volts/Hertz) em Malha Aberta É o método mais popular de controle de velocidade por causa da sua simplicidade e ao fato de máquinas de indução serem muito usadas na indústria Tradicionalmente MIT são alimentados a frequência constante Variação de frequência é a forma natural de controle de velocidade variável desprezando a resistência do estator, para o fluxo permanecer constante a tensão precisa ser proporcional a frequência ( =V s / e )

28 28 Controle Via Inversor Alimentado com Fonte de Tensão (VFI) - Introdução Controle volts/hz em malha aberta: Método mais popular de controle de velocidade Frequência comanda velocidade, assumindo-se escorregamento pequeno Ganho G mantém relação tensão/frequência e fluxo constantes Tensão boost V0 mantém fluxo e torque até com velocidade nula

29 Controle Via VFI Diagrama de Blocos CONTROLE DO MOTOR DE 29

30 Controle Via VFI Diagrama de Blocos CONTROLE DO MOTOR DE 30 Circuito de Potência Retificador a diodo alimentado com rede monofásica ou trifásica Filtro LC VFI PWM Idealmente, não é necessário nenhum sinal de realimentação para o controle e é a variável de controle primária e é aproximadamente igual a velocidade r, se desprezarmos a velocidade de escorregamento sl. A referência de tensão de fase V * s é gerada diretamente da referência de frequência através da multiplicação por um fator de ganho G, de maneira que o fluxo s fique constante

31 Controle Via VFI Diagrama de Blocos CONTROLE DO MOTOR DE Se a resistência do rotor e a indutância de dispersão da máquina são desprezadas, então o fluxo do estator s também corresponderá ao fluxo do entreferro m e ao do rotor r. Para baixas frequências, a resistëncia do estator tende a absorver toda a tensão do estator, o que enfraquece o campo Uma tensão de boost V 0 é somada para que que o fluxo nominal seja estabelecido e seja possível desenvolver o torque total em velocidade zero. Para altas velocidades o efeito de V 0 torna-se desprezível O sinal de velocidade e * é integrado para gerar o sinal de ângulo e*, e as tensões de fase correspondentes v a*, v b * e v c*. 31

32 Controle Via VFI Diagrama de Blocos CONTROLE DO MOTOR DE 32 O controlador PWM é representado junto com o bloco do inversor Com retificadores a diodo na entrada, o inversor necessitará um freio dinâmico, como indicado no diagrama de blocos A figura a seguir mostra a performance do sistema em regime permanente no plano torque-velocidade para carga do tipo ventilador ou bomba (T L =K r2 ) A medida que a frequência é aumentada gradualmente, a velocidade também aumenta proporcionalmente, como indica nos pontos 1, 2, 3, 4,... A operação pode suavemente entrar na região de campo enfraquecido, onde a tensão de alimentação satura.

33 Controle Via VFI Diagrama de Blocos CONTROLE DO MOTOR DE 33

34 Controle Via VFI Diagrama de Blocos CONTROLE DO MOTOR DE Efeito das variações de torque de carga e tensão da rede Se o sistema estiver inicialmente operando no ponto 3 e o torque é aumentado para T L para a mesma frequência de comando, a velocidade irá cair de r para r. Esta queda é pequena, principalmente para máquinas de alta eficiência (baixo escorregamento) e é tolerada para aplicações do tipo ventiladores, e bombas, onde a precisão no controle de velocidade não é necessária. Assuma agora que o a operação esteja no ponto a da curva torque-velocidade. Se a tensão da rede cair, então a tensão nos terminais da máquina também cairão. A velocidade então cairá para o ponto b. Melhoria do controle em malha aberta pode ser feita utilizado um estimador de escorregamento, e somando o valor estimado ao comando de frequência. 34

35 Controle Via VFI Diagrama de Blocos CONTROLE DO MOTOR DE 35 Se a frequência de comando muda abruptamente por um quantidade pequena, o escorregamento mudará também para mudar o torque desenvolvido, mas a velocidade tenderá a permanecer constante devido a inércia da máquina

36 Controle Via VFI Performance do sistema 36 Uma performance típica de um sistema de controle Volts/Hertz em malha aberta de um motor de indução, em condições de aceleração e desaceleração com torque de carga T L =K r 2 é mostrado na figura a seguir. O efeito do acoplamento inerente da máquina faz a resposta do torque ser lenta. Há um subamortecimento nas respostas de torque, o qual é maior para baixas frequências Tais oscilações são filtradas pela inércia e portanto não aparecem na velocidade

37 Controle Via VFI Performance do sistema 37

38 Sistema de controle com velocidade variável 38 Uma aplicação típica de MIT é carga tipo bomba para controle de fluxo de fluído. Forma de controle tradicional: Motor opera a velocidade constante e uma válvula controla o fluxo do fluído; A vazão é controlada pela abertura e fechamento parcial da válvula instalada em série com a bomba;

39 Sistema de controle com velocidade variável 39 A figura abaixo mostra uma sucessão de pontos de operação de uma bomba para uma família de curvas do sistema gerada pelo fechamento progressivo de uma válvula de estrangulamento. Notase que a medida que a válvula é fechada, a vazão do sistema vai sendo reduzida (Q1 para Q4)

40 Sistema de controle com velocidade variável Forma de controle com velocidade variável: A velocidade do ventilador ou bomba é controlada para controlar o fluxo, e a válvula opera completamente aberta sempre. Consumo é reduzido drasticamente Rápido retorno do investimento Aumento do lucro Diminui a demanda, o que implica em contribuir para a proteção ambiental 40

41 Sistema de controle com velocidade variável 41 Para uma determinada vazão menor que a vazão nominal de projeto, a linha vertical indica dois valores de pressão distintos. O primeiro ponto (A) se refere à pressão que a bomba deve fornecer ao sistema estrangulado para estabilizar na vazão desejada. O segundo ponto (B) indica qual seria a pressão necessária para estabelecer a mesma vazão sem estrangular a curva do sistema. A diferença de pressão entre estes dois pontos indica o excesso de pressão que a bomba deve fornecer. Esse excesso é dissipado na válvula, tornando-se uma parcela adicional de perdas.

42 Sistema de controle com velocidade variável 42 O uso da válvula de estrangulamento possibilita um controle preciso da vazão do sistema, porém com um grande desperdício de energia. O uso do acionamento eletrônico permite uma precisão ainda maior do controle de vazão, aliada a uma significativa economia de energia.

43 Controle via VFI Controle de velocidade em Malha Fechada Uma melhoria do controle Volts/Hertz em malha aberta, é o controle Volts/Hertz em malha fechada 43 Regulação de escorregamento

44 44 Controle Via VFI Controle com Regulação de Escorregamento Nesta técnica, o erro do laço de velocidade gera a referência de escorrregamento sl * via o controlador Proposcional-Integral (PI) e um limitador. O escorregamento é somado ao sinal de realimentação de velocidade para gerar o comando de frequência. O comando de frequência e * também gera o comando de tensão através de um gerador de função Volts/Hertz, o qual incorpora a compensação à queda de tensão estatórica em baixa velocidade

45 Simulação Controle escalar malha aberta CONTROLE DO MOTOR DE 45 Implementação no Matlab/Simulink.

46 Simulação Controle escalar malha aberta CONTROLE DO MOTOR DE 46 Note que o controle em malha aberta apresenta uma resposta razoável, principalmente para torque de carga baixo (neste caso proporcional à velocidade). Para torque de carga elevado, a velocidade começa a apresentar erro de regime mais visível. Forma de onda da velocidade. Comparação entre velocidade de referência (amarelo) e a velocidade de saída (magenta)

47 Simulação Controle escalar malha aberta CONTROLE DO MOTOR DE 47 Forma de onda na saída do inversor, evidenciando que a frequência e amplitude da tensão são ajustadas de acordo com a velocidade requerida

48 Simulação Controle escalar com regulação de escorregamento 48 Implementação no Matlab/Simulink.

49 Simulação Controle escalar com regulação de escorregamento 49 Note que, para o mesmo perfil de velocidade, a malha fechada pela regulação do escorregamento corrigiu o erro de regime apresentado na simulação anterior., em situação de torque de carga elevado (velocidade alta). Forma de onda da velocidade. Comparação entre velocidade de referência (amarelo) e a velocidade de saída (magenta)

50 Problemas do Controle Escalar de Motores de Indução 50 Inerentemente acoplado: tanto torque quanto o fluxo dependem da tensão e da frequência Resposta lenta Comportamento não-linear Facilmente instabilizável Alternativa: Controle vetorial