Acionamento de Máquinas Elétricas de Indução. Diego Brito dos Santos Cesar Fábio da Conceição Cruz Thiago Timbó Matos

Transcrição

1 Acionamento de Máquinas Elétricas de Indução Diego Brito dos Santos Cesar Fábio da Conceição Cruz Thiago Timbó Matos

2 Exercícios de Fixação Qual a importância de se manter a relação V/Hz constante e qual a implicação em variar uma grandeza enquanto a outra se mantém constante? Em uma aplicação rural, um motor trifásico, 2 pólos, é alimentado por uma rede monofásica, 220V, 60Hz. Sua velocidade varia de rpm quando a tensão fasefase varia de 0 a 127 V. Utilizando um bloco retificador monofásico de onda completa e um inversor trifásico, deseja-se alimentar o MIT de modo a obter uma velocidade de 2000 rpm. Determine o ângulo de disparo do retificador e a modulação em amplitude que satisfaçam à condição desejada. Considere que entre o motor e o inversor existe um filtro que elimina todos os harmônicos e atribui ganho unitário à componente fundamental. Considere ainda que o retificador entregará uma tensão DC de 100V para o inversor.

3 Objetivo Adaptar a operação das máquinas a diferentes solicitações de carga Otimizar o funcionamento do motor Prolongar vida útil

4 Motor de Indução Modelo

5 MI Métodos Clássicos de Partida Motivação: - Embora o motores suportem sobrecarga na partida, devido à alimentação dos MITs não ser ideal, ocorre uma queda na tensão de alimentação, refletindo-se em todas as cargas ligadas no mesmo barramento - Há também uma elevada corrente de partida solicitada da rede (cerca de 8 vezes a nominal) Caso a partida seja direta, a instalação deve ser superdimensionada

6 MI Métodos Clássicos de Partida Motivação: - Sendo um MIT de potência nominal (P) e corrente de partida (Ip=k In) produzida em um barramento de potência de curto- circuito(pcc), a queda de tensão na partida expressa em percentagem da tensão nominal é dada pela expressão: ΔV % = 100.k. P/Pcc Caso este valor ultrapasse 10%, são utilizados métodos de partida indireta

7 MI Métodos Clássicos de Partida Partida Direta: - Usado nos casos em que a queda de tensão fica dentro dos valores admissíveis - Método mais barato, e usado para motores de pequena potência Partida com Chave Estrela-Triângulo (Tensão Reduzida): - Método mais econômico e largamente utilizado - Na partida, os enrolamentos do motor são ligado em Y e quando a velocidade de operação é atingida, a conexão é alterada para Δ

8 MI Métodos Clássicos de Partida Partida com Chave Compensadora Automática (Tensão Reduzida): - A tensão de partida é reduzida através do auto-transformador, a corrente de linha e o torque de partida ficam reduzidos pelo quadrado da relação de transformação - Aplicado quando o MIT parte com carga parcial ou o motor não satisfaz as exigências para ser acionado por chave estrela-triângulo Partida com Chave Série-Paralelo (Tensão Reduzida): - A máquina parte em vazio - Neste tipo de partida o pico de corrente e conjugado fica reduzido a 1/4 comparado com a partida direta - Durante a partida o motor é ligado na configuração série, quando a velocidade nominal é atingida faz-se então a transição para a ligação em paralelo - É necessário que o motor seja adaptável às duas tensões

9 Métodos Modernos de Acionamento Controle Escalar Controle da Tensão do Rotor Controle da Tensão do Estator Controle da Frequência Controle da Razão Tensão/Frequência Controle da Corrente do Estator Controle Direto de Torque e Fluxo Controle Vetorial

10 Controle Escalar Tensão do Rotor Utilizado apenas em motores bobinados É implementado ao adicionar resistências ao terminais do rotor

11 Controle Escalar Tensão do Rotor A variação de Rx permite mover a curva torque - velocidade da máquina Quanto maior a resistência, menor é a velocidade para o mesmo conjugado

12 Controle Escalar Tensão do Rotor Ao invés de dissipar a potência na resistência, ela pode ser enviada para a rede A relação entre Vd e Id fornece a resistência equivalente

13 Controle Escalar Tensão do Rotor Vantagens: - Baixo custo - Aumenta o torque e diminui a corrente de partida Desvantagens: - Baixa eficiência energética devido à dissipação de potência nos resistores Aplicações: - Situações que demandem um grande número de partidas/paradas e elevado conjugado

14 Controle Escalar Tensão do Estator Consiste em variar a tensão no estator mantendo a frequência de alimentação constante Pode ser controlado por um Controlador CA formado por tiristores ou um inversor trifásico Usado extensivamente como dispositivo soft starter para motores de indução de velocidade constante O aumento da faixa de velocidade é feito a custo de redução do torque máximo.

15 Controle Escalar Tensão do Estator

16 Controle Escalar Tensão do Estator Vantagens: - Simples Implementação Desvantagens: - Não é recomendado para cargas que necessitam de torque constantes nem elevados conjugados de partida (ex: Gruas, esteiras transportadoras, guindastes); - Faixa de ajuste de velocidade relativamente estreita; Aplicações: - Sistemas de baixa performance e potência, como ventiladores e bombas centrífugas, que precisam de baixo torque de partida.

17 Controle Escalar Frequência Permite controle de torque e velocidade O fluxo aumenta para uma diminuição da frequência à tensão constante

18 Controle Escalar Frequência Para baixas frequências, as reatâncias diminuem, aumentando significativamente a corrente Uma alimentação deste tipo pode ser obtida por meio de um inversor que forneça uma tensão constante, variando apenas a frequência Este tipo de controle não é comumente utilizado

19 Controle Escalar Razão V/f É o método de controle de velocidade mais popular Para baixas frequências, é necessária uma tensão de boost na partida da máquina, depois da partida essa tensão se torna desprezível O ajuste da relação V/Hz é feito através de um algoritmo que determina o índice de modulação em função da freqüência;

20 Controle Escalar Razão V/f

21 Em malha aberta: Controle Escalar Razão V/f

22 Controle Escalar Saturação de Fluxo

23 Controle Escalar Corrente do Rotor O fluxo acompanha o aumento de corrente Também há possibilidade de saturação do fluxo

24 Controle Escalar Realização Indutor como fonte de corrente Inversor de corrente (CSI)

25 Controle Escalar Características Geração de harmônicos e pulsações no torque Maior controle sobre picos de correntes (transitórios) Maior controle sobre falhas (faltas) Sistemas sem restrição de tempo de resposta: ventiladores, bombas, esteiras rolantes, acionamento de veículos pesados

26 Tabela de Aplicações Controle Escalar

27 Controle Direto de Torque e Fluxo Avançada técnica de controle escalar, introduzida na década de 80 Desempenho comparável ao controle vetorial Desvantagens: - Modelo da máquina e suas características são válidos somente para o estado estacionário. Gera problemas de desempenho dinâmico. - Não é possível o gerenciamento de sistemas não balanceados. - O método de controle deve ser concebido de acordo com o tipo do motor (síncrono ou assíncrono)

28 Controle Direto de Torque e Fluxo Trata-se basicamente do Controle da Razão V/Hz em malha fechada

29 Controle Vetorial Também chamado controle por orientação de campo FOC O nome vetorial advém do fato que para ser possível este controle, é feita uma decomposição vetorial da corrente enviada ao motor nos vetores que representam o torque e o fluxo no motor, de forma a possibilitar a regulação independente do torque e do fluxo. Controla o torque (e daí por fim a velocidade) através de uma malha de controle que monitora a corrente enviada a máquina. MALHA FECHADA. Operação suave em baixa velocidade e sem oscilações de torque, mesmo variando a carga.

30 Controle Vetorial O controle vetorial possibilita atingir um elevado grau de precisão e rapidez no controle tanto do torque quanto da velocidade do motor. Limitações do controle escalar: - Não possui controle direto de conjugado - Possui baixa performance dinâmica - Ignora as características técnicas do motor Leva em consideração tanto a amplitude das grandezas como a sua fase, fazendo utilização de "vetores espaciais", cujas projeções são as variáveis trifásicas. Modelo obtido é similar ao das máquinas de C.C. e, portanto, de fácil controle

31 Controle Vetorial Tipos Principais Com encoder (sensor)

32 Controle Vetorial Tipos Principais Encoders: - Transdutores de movimento capazes de converter movimentos lineares ou angulares em informações elétricas. - Programa converte as informações passadas em algo que possa ser entendido como distância, velocidade, etc.

33 Encoders Disco de vidro estampado Encoder absoluto

34 Sensorless Controle Vetorial Tipos Principais Precisão na regulação de velocidade é inferior se comparado a do controle vetorial normal, com limitações ainda maiores em baixíssimas rotações (velocidade zero ou bem próximas a zero).

35 Controle Vetorial Aplicações Máquinas de extrusão Processos de trefilação Sistemas de elevação

36 Controle Vetorial - Desvantagens Exige intensa computação em tempo real e maior velocidade de processamento, quando comparado ao controle escalar. Necessitam da programação de todos os parâmetros do motor como, resistências elétricas, indutâncias, correntes nominais do rotor e estator. Alguns inversores dispõem de sistemas de ajustes automáticos também conhecidos como "Auto-tunning", não sendo necessário a pesquisa de dados sobre o motor.

37 Efeitos da Excitação Não-senoidal Aumento de perdas e temperatura Aumento dos niveis de vibração e ruído e perda de rendimento Stress do sistema de isolamento

38 Efeitos da Excitação Não-senoidal Não existe normalização quanto aos valores limites de tensão e corrente, no entanto as normas consideram o aumento das perdas do motor devido ao uso de inversor

39 Exercícios de Fixação Qual a importância de se manter a relação V/Hz constante e qual a implicação em variar uma grandeza enquanto a outra se mantém constante? Em uma aplicação rural, um motor trifásico, 2 pólos, é alimentado por uma rede monofásica, 220V, 60Hz. Sua velocidade varia de rpm quando a tensão fasefase varia de 0 a 127 V. Utilizando um bloco retificador monofásico de onda completa e um inversor trifásico, deseja-se alimentar o MIT de modo a obter uma velocidade de 2000 rpm. Determine o ângulo de disparo do retificador e a modulação em amplitude que satisfaçam à condição desejada. Considere que entre o motor e o inversor existe um filtro que elimina todos os harmônicos e atribui ganho unitário à componente fundamental. Considere ainda que o retificador entregará uma tensão DC de 100V para o inversor.

40 Referências Bibliográficas POMILIO, J. A. Eletrônica de Potência, DCSE FEEC, Unicamp. LEANDRO, Eduardo. Um novo sistema de refrigeração com controle de temperatura, compressor aberto, máquina de indução trifásica com velocidade variável e correção ativa do fator de potência do estágio de entrada / Eduardo Leandro. Ilha Solteira : [s.n.], 2006 NERY, E. C., ALVARENGA, B., Acionamento Suave e Controle Escalar de Motor de Indução Monofásico Através de Inversor Trifásico, Universidade Federal degoiás Guia técnico WEG. Motores de indução alimentados por inversores de frequência PWM. BARBEIRO, Tácio Luiz S. O Inversor de Frequência e Suas Aplicações ANDRADE, Darizon A.Técnicas de Controle para Motores de Indução com Acionamento a Freqüências Variáveis. UFU Pós-graduação em Engenharia Elétrica Conversores de Frequencia. SENAI-MG ARAÚJO, Mário José. Estado da Arte do Acionamento de Máquinas Elétricas. Centro Federal de Educação Tecnológica da Bahia Departamento de Tecnologia em Eletro-eletrônica STEPHAN, Richard M. Acionamento, Comando e Controle de Máquinas Elétricas. UFRG BIM, Edson. Máquinas Elétricas e Acionamento: uma Introdução. Unicamp Faculdade de Engenharia e Computação ANDRADE, Darizon A.Máquinas de Indução Características Operacionais. UFU Pós-graduação em Engenharia Elétrica Módulo 7 - Conversores para o Acionamento de Máquinas Elétricas. DCSE FEEC, Unicamp. BRAGA, Rafael Poloni. Inversor de frequência em acionamento de motobombas com função booster : comparativo com outros métodos, análise de investimento e projeto. Universidade Federal doespírito Santo Depto de Eng Elétrica HINDMARSH, John. RENFREW, Alasdair. Electrical Machines and Drive Systems Teoria 18 Filosofia de Controle Vetorial. Escola SENAI Mariano Ferraz