Generalidades Sobre Acionamento de Motores e Inversores de Frequência
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O uso de inversores para controle de velocidade de motores trifasicos de inducao e bastante difundido na industria em aplicacoes que variam desde bombeamento de fluidos ate o controle da propria linha de producao.
Os motores de inducao sao muito utilizados em aplicacoes industriais devido a sua construcao simples, sua baixa manutencao e tamanho reduzido se comparado a um motor de mesma potencia, porem de corrente continuah (SA, 1978, p9).
No entanto a forma de controle dos motores trifasicos de inducao e extremamente mais comp4lexa do que a de um motor de corrente continua, devido ao fato de que se trabalha com reatancias indutivas variaveis, de acordo com a frequencia de operacao.
A forma universalmente difundida e comprovadamente eficaz de controle destes motores e por PWM (Modulacao por largura de Pulso), que e apenas uma das formas de controle da potencia aplicada sobre o motor, e possui inúmeras variacoes, desde o simples PWM de Pulsos Multiplos ate o extremamente complexo, porem eficaz, PWM Vetorial.
Em aplicacoes onde a precisao da velocidade do motor nao e critica (sistemas de acionamento de uso geral), deveria existir uma forma alternativa de controle de velocidade que fosse simples e barata.
Seria viavel a criacao de um circuito de controle simples, focado em aplicações especificas, utilizando um unico microcontrolador, e que pudesse controlar avelocidade de pequenos motores de inducao?
ACIONAMENTOS CA
O controle das maquinas CC requer o fornecimento de uma tensao CC variavel que pode ser obtida a partir de choppers ou retificadores controlados, esses controladores de tensao sao simples e baratos. Porem as maquinas CC são relativamente caras e requerem mais manutencao devido as escovas e comutadores que se desgastam rapidamente. Entretanto, os acionamentos CC ainda são utilizados em diversas aplicacoes industriais e de transporte.
As maquinas CA, por sua vez, exibem estruturas altamente acopladas, naolineares e multivariaveis, que sao exatamente o oposto das maquinas CC de excitacao separada, com estruturas desacopladas e muito mais simples.
O controle dos acionamentos CA geralmente requer algoritmos complexos que podem ser implementados atraves de microcontroladores juntamente com conversores de potencia de chaveamento rapido como as pontes H compostas de IGBTS ou MOSFETs.
As maquinas CA possuem inumeras vantagens: sao mais leves (20% a 40% mais leves que as maquinas CC equivalentes), mais baratas e tem menos manutencao.
Requerem basicamente controle de frequencia, tensao e corrente para aplicações de velocidade variavel. (RASHID, 1992, Cap.15).
Os conversores de potencia, inversores e controladores de tensao CA podem controlar a frequencia, a tensao e/ou a corrente para fornecer os requisitos do acionamento. Os conversores de potencia, que sao relativamente complexos e mais caros, requerem tecnicas avancadas de controle com realimentacao, tais como modelo de referencia, controle adaptativo, controle do escorregamento e controle de campo orientado. Entretanto as vantagens dos acionamentos CA compensam as desvantagens de controles tao complexos.
METODOS DE CONTROLE DE MOTORES CA
Controle da tensao do estator
Neste tipo de controle o torque e proporcional ao quadrado da tensao de alimentacao do estator, e uma reducao nesta produzira uma reducao na velocidade.
A figura 2.1 mostra as curvas caracteristicas tipicas torque-velocidade para os varios valores de escorregamento. Os pontos de intersecao com a linha da carga definem os pontos de operacao estavel.
A medida que a tensao do estator e reduzida, o fluxo do entreferro e o torque tambem sao reduzidos. A uma tensao mais baixa, a corrente tera um maximo a um escorregamento de s=1/3. A faixa de controle de velocidade depende do escorregamento para o torque maximo. Para uma maquina de baixo escorregamento, a faixa de velocidade e muito estreita, esse tipo de controle de tensao nao e adequado para uma carga de torque constante e em geral e aplicado em situacoes que requerem baixo torque de partida e faixa estreita de velocidade.
Curvas de torque-velocidade para tensao do estator variavel.
FONTE: RASHID, 1992.
A tensao do estator pode ser variada atraves de:
1. Controladores CA trifasicos;
2. Inversores trifasicos do tipo fonte de tensao com interligacao CC variavel;
3. Inversores trifasicos PWM.
Devido as caracteristicas de faixa de velocidade limitada, os controladores de tensao CA normalmente sao utilizados em controle de tensao de estator e são muito simples, mas o conteudo harmonico e elevado e o fator de potencia de entrada dos controladores e baixo. (RASHID, 1992, Cap.15).
Caso o motor nao tenha um rotor de alta resistencia alguns problemas poderao ocorrer como:
1. A variacao da caracteristica do conjugado motor na faixa entre a partida e o conjugado maximo e instavel. Manter uma velocidade limite nesta faixa so e possível com o auxilio de uma regulacao extremamente rapida.
2. Para conseguir-se um alto conjugado de partida sao necessarias correntes de partida da ordem de 6 a 10 vezes a corrente nominal.
3. O fator de potencia da maquina e baixo para valores altos de escorregamento.
2.3.1.1 Perdas no rotor devido a variacao do escorregamento
A regulacao de velocidade de um motor assincrono atraves da variacao da tensao do estator seria um processo simples e barato, se nao houvesse uma desvantagem que limita sua utilizacao: o aumento do escorregamento resulta em grandes perdas no rotor da maquina.
Para o escorregamento de 3% o motor deve poder absorver no rotor 3% da potencia nominal sob a forma de perdas.
O mesmo motor deveria, para conjugado resistente constante e escorregamento de 50%, admitir 50% da potencia nominal com perdas no rotor.
Sob estas condicoes, os motores de inducao com carga constante não admitem variacao de velocidade atraves do escorregamento.
Quando o conjugado resistente varia com o quadrado da velocidade as relacoes sao mais favoraveis. A potencia maxima de perdas e de 15% da nominal para 2/3 da velocidade sincrona.
Neste caso atraves do sobredimensionamento do motor, e possivel a operacao em toda a faixa de velocidades.
Para maquinas pequenas que sempre apresentam perdas porcentualmente maiores, o sobredimensionamento e menor do que nas maquinas grandes com bom rendimento.
Baseado nestes motivos, o controle de velocidade, em motores de indução tipo gaiola de esquilo, e feito atraves da regulacao da tensao do estator nos seguintes casos:
. Para operacao de curta duracao, com duracao de ligacao do controle de velocidade exatamente definida, por exemplo: partida lenta de maquinas e aceleracao de guindastes.
. Regulacao de velocidade de ventiladores e bombas com variação quadratica e cubica do conjugado resistente e sobredimensionamento correspondente do motor.
. Regulacao de velocidade de pequenos motores que possuam baixo rendimento, por exemplo: industria textil.
Controle da Tensao do Rotor
Em uma maquina de rotor bobinado1, uma conexao trifasica de resistores externos pode ser feita aos aneis, como mostrado na figura 2.2. O torque desenvolvido pode ser variado atraves da variacao da resistencia Rx. Esse método aumenta o torque de partida, alem de limitar a corrente de partida. Entretanto, e um metodo ineficiente e havera desequilibrio nas tensoes e correntes se as resistências no circuito do rotor nao forem exatamente iguais. Uma maquina de inducao de rotor bobinado e projetada para ter baixa resistencia de rotor de tal forma que a eficiência de operacao seja elevada e o escorregamento a plena carga seja baixo.
O controle de velocidade por tensao de rotor so pode ser efetuado em maquinas com rotores bobinados. Ao Contrario das maquinas de rotor bobinado, os motores de inducao com rotores Gaiolas de Esquiloh nao possuem bobinas de rotor nem tampouco aneis de comutacao, contudo são os motores mais utilizados em aplicacoes industriais de qualquer tipo.
Controle de velocidade atraves da tensao do rotor. FONTE: RASHID, 1992.
O aumento na resistencia do rotor nao afeta o valor do torque maximo, mas aumenta o escorregamento no torque maximo. As maquinas de rotor bobinado são amplamente utilizadas em aplicacoes que requerem frequentes partidas e frenagens com torques elevados (por exemplo, guindastes). Devido a disponibilidade dos enrolamentos do rotor para a variacao da resistencia deste, a maquina de rotor bobinado oferece maior flexibilidade para o controle, mas ha um aumento do custo e necessidade de manutencao devido aos aneis e escovas. Rashid (1992, Cap.15) confirma que: gA maquina de rotor bobinado nao e tao amplamente utilizada como a maquina de rotor em gaiola de esquiloh.
Controle da Frequencia
O torque e a velocidade das maquinas de inducao podem ser controlados variando-se somente a frequencia da fonte de alimentacao. Se a tensao for mantida fixa em seu valor nominal enquanto a frequencia e reduzida abaixo do seu valor nominal, o fluxo aumentara, o que pode levar a saturacao do fluxo do entreferro.
Assim, os parametros da maquina podem perder sua validade. Em baixa frequencia, as reatancias diminuem e a corrente da maquina pode ser muito elevada.
Devido a estes problemas, o controle de velocidade por freqüência normalmente nao e muito utilizadoh. (RASHID, 1992, Cap. 15).
Se a frequencia for aumentada acima do seu valor nominal, o fluxo e o torque diminuem.
As curvas caracteristicas tipicas torque-velocidade sao mostradas na figura. Assim, pode-se concluir que o torque maximo e inversamente proporcional ao quadrado da frequencia, similar ao comportamento das maquinas CC em serie.
Nesse tipo de controle, diz-se que a maquina opera no modo de genfraquecimento
de campoh.
Para ƒÀ > 1, a maquina e operada a tensao nominal constante e o fluxo e reduzido, limitando dessa maneira a sua capacidade de torque.
Para 1 < ƒÀ < 1,5, a relacao entre torque e ƒÀ pode ser considerada aproximadamente linear.
Para ƒÀ < 1, a maquina e normalmente operada a fluxo constante, reduzindo-se a tensao nominal juntamente com a frequencia de tal forma que o fluxo permaneca constante. Para este ultimo caso existe o controle escalar V/F, que será visto na sequencia.
Caracteristica do torque com controle da frequencia.
FONTE: RASHID, 1992.
Controle da Tensao e da Frequencia (Controle Escalar V/F)
Se a relacao entre a tensao e a frequencia for mantida constante, o fluxo
permanecera constante. O torque maximo, que e independente da frequencia, pode
ser mantido aproximadamente constante. Entretanto, em baixa frequencia o fluxo do
entreferro e reduzido devido a queda na impedancia do estator, tendo a tensao de
ser aumentada para manter o nivel de torque.
As curvas caracteristicas tipicas torque-velocidade sao mostradas na figura a seguir.
A medida que a frequencia e reduzida, ƒÀ diminui e o escorregamento para o torque
maximo aumenta. Para uma dada demanda de torque, a velocidade pode ser
controlada variando-se a frequencia. Portanto, variando-se tanto a tensao quanto a
frequencia, o torque e a velocidade podem ser controlados. O torque normalmente e
mantido constante, enquanto a velocidade e variada. A tensao a frequencia variavel
pode ser obtida a partir de inversores trifasicos ou cicloconversores.
Os cicloconversores sao utilizados em aplicacoes de potencias muito
elevadas2, nas quais a exigencia de frequencia e de metade ou um terco da
frequencia da rede.
Curvas caracteristicas torque-velocidade para o controle V/F.
FONTE: RASHID, 1992.
A partir do advento da modulacao PWM para controle de maquinas de inducao, tres esquemas possiveis para obtencao de tensao e frequencia variáveis sao apresentados na figura a seguir.
Por exemplo: Locomotivas e moinhos de cimento.
Acionamentos de maquinas CA com fonte de tensao.
FONTE: RASHID, 1992.
Na figura a, a tensao permanece constante e a tecnica PWM3 e aplicada para variar tanto a tensao quanto a frequencia do inversor. Devido ao retificador com diodos, nao e possivel a regeneracao e o inversor ira gerar harmonicos em direcao a alimentacao CA.
Na figura b, o chopper4 varia a tensao CC para o inversor e este controla a frequencia. Devido ao chopper, a injecao de harmonicos na rede de alimentacao CA e reduzida. Neste caso o sistema de controle tera que trabalhar com 2 sinais PWMs, o primeiro fara a variacao do sinal CC do chopper para a entrada do inversor, e o segundo fara a variacao da frequencia do PWM na ponte H, que efetivamente será aplicada ao motor, sendo que o tipo de PWM aplicado ao motor pode aumentar ou reduzir ainda mais os harmonicos gerados.
Na figura c, a tensao CC e controlada pelo conversor Dual e a frequencia e controlada pelo inversor. O arranjo permite regeneracao, entretanto o fator de potencia do conversor e baixo, especialmente quando o angulo de disparo e alto.
INVERSORES TRIFASICOS
Uma saida trifasica em degrau (tensao quase quadrada) pode ser obtida a partir da configuracao padrao de inversores, onde sao utilizados 6 MOSFETs, IGBTs ou Transistores Bipolares de potencia. Os diodos em anti-paralelo servem para permitir um caminho de retorno para a corrente quando se alimenta uma carga indutiva. Este esquema se denomina Ponte H trifasica.
Conducao por 180o
Neste esquema, cada transistor conduz por 180o, ou seja, sempre existem tres transistores conduzindo a qualquer instante de tempo. Quando o transistor Q1 entra em conducao, o terminal a e conectado ao positivo da tensao CC de entrada. Quando o transistor Q4 entra em conducao, o terminal a e levado ao negativo da fonte CC. Existem 6 modos de operacao em um ciclo e a duracao de cada modo e de 60o. Os sinais de comando mostrados na figura a seguir sao defasados de 60o uns dos outros para que se possa obter tensoes trifásicas de saida equilibradas.
A carga pode ser conectada em estrela ou em triangulo.
Para uma carga em triangulo, as correntes de fase podem ser obtidas diretamente a partir das tensoes de linha, uma vez que as correntes de fase são conhecidas as correntes de linha podem ser determinadas.
Para uma carga em estrela, a tensao de fase-neutro tem de ser determinada de modo a se encontrar as correntes de linha e de fase.
Inversor trifasico em ponte e sinais de controle.
FONTE: RASHID, 1992.
Conducao por 120o
Neste tipo de controle cada transistor conduz por 120o. Apenas 2 transistores conduzem simultaneamente. Os sinais de comando sao mostrados na figura a seguir.
A qualquer instante, dois terminais da carga sao conectados a fonte de alimentacao CC e o terceiro permanece em aberto. O potencial desse terminal dependera das caracteristicas da carga. Como cada transistor conduz por 120o, cada um conduz por menos tempo que os de conducao por 180o para as mesmas condicoes de carga.
Sinais de comando para conducao por 120o.
FONTE: RASHID, 1992.
Controle de tensao de inversores
Para que possamos ter um controle V/F, precisamos saber as diversas tecnicas existentes para se alterar o ganho do inversor. O metodo mais eficiente de controle do ganho consiste em incorporar o controle de modulacao por largura de pulso (PWM) dentro do inversor. As técnicas mais utilizadas sao:
Modulacao por largura de pulso unico
Neste tipo de controle, existe somente um pulso por semiciclo e a sua largura e variada para controlar a tensao de saida do inversor. A figura a seguir mostra a geração dos sinais de comando e a tensao de saida do inversor monofasico em ponte completa. Os sinais de comando sao gerados por comparacao de um sinal de referencia retangular, com uma onda portadora triangular. A frequencia do sinal de referencia determina a frequencia fundamental da tensao de saida.
Modulacao por largura de pulso unico.
FONTE: RASHID, 1992.
Harmonicos da modulacao por largura de pulso unico.
FONTE: RASHID, 1992.
Neste tipo de modulacao, conforme figura 2.9, o harmonico dominante e o terceiro, que e muito dificil de ser filtrado por ter uma frequencia muito proxima da fundamental, e o fator de distorcao aumenta significativamente para baixas tensões de saida.
Modulacao por largura de pulsos multiplos (UPWM)
Os harmonicos podem ser reduzidos se ao inves de termos um unico pulso por semiciclo, tivermos diversos pulsos. A geracao dos sinais de comando para ligar e desligar os IGBTs e feita por comparacao de um sinal de referencia CC com uma onda portadora triangular conforme figura a seguir. A frequencia do sinal de referencia estabelece a frequencia de saida, e a frequencia da portadora determina o numero de pulsos por semiciclo. O indice de modulacao controla a tensao de saida. Esse tipo de modulacao tambem e conhecido como modulacao por largura de pulso uniforme.
Modulacao por pulsos multiplos.
FONTE: RASHID, 1992.
Figura 2.11 . Harmonicos da modulacao por largura de pulsos multiplos.
FONTE: RASHID, 1992.
Segundo a figura anterior, para p = 5 pulsos por semiciclo, a ordem dos harmonicos e a mesma da modulacao por pulso unico, entretanto, devido a um maior numero chaveamentos por unidade de tempo, as perdas por comutação aumentarao.
Aumentando-se o valor de p, consegue-se diminuir as amplitudes dos harmonicos de baixa ordem, com o 3o e o 5o, porem as amplitudes de harmonicos de mais alta ordem aumentarao, o que nao e problematico visto que tais harmônicos podem ser facilmente eliminados com filtros, ou na propria bobina do motor.
Modulacao por largura de pulsos senoidal (SPWM)
Ao inves de manter a largura de todos os pulsos sempre a mesma, como no caso da modulacao de pulsos multiplos, a largura de cada pulso e variada em proporcao a amplitude de uma onda senoidal de referencia.
Neste tipo de modulacao, o fator de distorcao e os harmonicos sao reduzidos significativamente.
Os sinais de controle sao gerados atraves da comparacao de um sinal de referencia senoidal com uma onda portadora triangular. Esse tipo de modulacao era muito utilizado em aplicacoes industriais, antes do advento da modulacao vetorial.
A frequencia do sinal de referencia determina a frequencia de saida do inversor, e sua amplitude maxima controla o indice de modulacao M, que, por sua vez, controla a tensao eficaz de saida.
O numero de pulsos por semiciclo depende da frequencia da portadora.
Dentro da restricao de que dois MOSFETs ou IGBTs do mesmo ramo não podem conduzir ao mesmo tempo, a tensao de saida e mostrada na figura a seguir. De acordo com a curva frequencia/torque, o motor de inducao, a partir da tensao nominal de trabalho, consome a corrente nominal e entrega torque nominal a velocidade nominal, normalmente 1800rpm para 60Hz em um motor de 4 polos, conforme dados de placa.
Quando se tem aumento de carga no eixo, em velocidade nominal, ha uma perda de velocidade e tanto o escorregamento como a corrente no estator aumentam. O motor pode suportar ate 2,5 vezes o torque nominal com apenas 20% de diminuicao da velocidade nominal, porem, qualquer acrescimo extra de carga alem deste limite causara a queima do motor.
O torque desenvolvido pelo motor e diretamente proporcional ao campo magnetico produzido pelo estator, isto e, a tensao aplicada ao estator e diretamente proporcional ao produto do fluxo e da velocidade angular. Isto faz o fluxo produzido pelo estator ser proporcional a razao entre tensao e frequencia aplicadas.
Variando a frequencia, a velocidade do motor tambem pode ser variada, porem, variando-se a tensao e a frequencia numa mesma proporcao, obtemos fluxo e torque constantes por toda faixa de velocidades, ou seja, podemos ter torque constante em velocidades extremamente baixas.
Em velocidade nominal, a tensao e a frequencia aplicadas ao motor precisam estar de acordo com os dados de placa do mesmo.
Podemos acionar o motor em velocidades maiores que as nominais, através da aplicacao de frequencias maiores que a nominal, porem, alem do valor nominal, a tensao nao pode ser incrementada, o que ocasiona diminuicao da constante V/F, diminuicao do campo e consequentemente perda de torque.
Sinais de controle e saida da modulacao SPWM.
FONTE: RASHID, 1992.
Harmonicos na modulacao SPWM.
FONTE: RASHID, 1992.
O perfil dos harmonicos e mostrado na figur anterior para cinco pulsos por semiciclo. O fator de distorcao e significativamente reduzido se comparado ao da modulacao por pulsos multiplos.
Mas o mais importante e que este tipo de modulacao elimina todos os harmonicos menores ou iguais a 2p -1. Para p = 5, o harmonico de mais baixa ordem e o 9o.
A tensao de saida de um inversor sempre contem harmonicos, porem, o SPWM forca os harmonicos a uma faixa de alta frequencia em torno da freqüência de chaveamento e de seus multiplos.
Modulacao por largura de pulsos senoidal modificada (MSPWM) 6
As larguras dos pulsos mais proximos do valor de pico da senoide nao mudam significativamente com a variacao do indice de modulacao, isso se deve a caracteristica das ondas senoidais em geral, e a tecnica SPWM pode ser modificada tal que a onda portadora seja aplicada durante o primeiro e o ultimo intervalo de 60º por semiciclo, conforme figura 2.14. Esse tipo de modulacao e conhecido como 6 MSPWM: Modified Sinusoidal Pulse Width Modulation.
MSPWM, que significa PWM senoidal modificada.
Resulta em aumento da componente fundamental e suas características harmonicas sao melhoradas conforme figura a seguir.
Reduz-se tambem o numero de chaveamentos dos dispositivos de potencia e com isso as perdas por chaveamento.
Modulacao MSPWM.
FONTE: RASHID, 1992.
Harmonicos da MSPWM.
FONTE: RASHID, 1992.
Modulacao Trapezoidal
Os sinais de comando sao gerados por comparacao de uma onda portadora triangular com uma onda de referencia trapezoidal, como mostrado na figura a seguir.
Modulacao Trapezoidal.
FONTE: RASHID, 1992.
Modulacao escada ou degrau
O sinal de referencia e uma escada, o qual nao e uma aproximacao de uma onda senoidal. Cada um dos degraus e calculado para que se possa eliminar harmonicos especificos e otimizar o valor da fundamental. Este e um PWM otimizado e nao e recomendado para menos que 15 pulsos por ciclo, conforme figura a seguir.
Neste tipo de modulacao, para que a tensao fundamental de saida seja elevada e o fator de distorcao seja baixo, o numero de pulsos por ciclo deve ser 15 para 2 degraus, 21 para tres e 27 para quatro niveish. (RASHID, 1992, Cap. 15).
Este tipo de modulacao fornece alta qualidade da tensao de saida.
Modulacao em degrau.
FONTE: RASHID, 1992.
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