Acionamento MCC

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Acionamento de Mquinas

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  • 1

    Universidade Federal do Ceara - Campus Sobral

    Curso de Engenharia Eltrica

    Disciplina: Acionamentos de Mquinas

    Introduo

    Os motores de corrente contnua ainda so largamente usados em acionamentos

    velocidade varivel, e apresentam caractersticas muito particulares, como

    simplicidade de equacionamento e modelagem e controle relativamente simples. A

    comutao permite um desacoplamento entre as variveis de fluxo principal e

    corrente de armadura, responsveis diretos pelo conjugado, mantendo-os em

    ortogonalidade. Entretanto outros fatores tambm inerentes maquina dc devem

    ser levados em conta. O alto custo de fabricao, manuteno e algumas

    caractersticas de difcil modelagem como as tenses de contato das escovas,

    pesam na escolha de uma nova aplicao. Algumas aplicaes que exigem muita

    preciso, como em mquinas operatrizes, ainda prevalece, em alguns aspectos,

    os motores de corrente contnua.

    Na mquina de corrente contnua o enrolamento de campo pode ser conectado de

    diferentes maneiras em relao ao enrolamento de armadura: em srie (as

    correntes de campo e de armadura so iguais); em paralelo (as tenses de campo

    e a tenso terminal, Vt, de armadura so iguais) e independente. Embora

    historicamente tenha se utilizado em grande escala a conexo srie para

    aplicaes em trao, devido ao alto torque de partida que produz, com o advento

    dos conversores eletrnicos de potncia passou-se a utilizar a excitao

    independente, em virtude da maior flexibilidade que apresenta em termos do

    controle da MCC.

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  • 2

    Acionamentos em corrente contnua

    Drives trifsicos

    Os acionamentos em cc de altas e mdias potncias so, normalmente,

    alimentados por fontes trifsicas. Nestes, os motores cc so acionados por

    conversores por conversores que controlam a tenso mdia disponibilizada em

    seus terminais.

    Dentre as configuraes possveis pode-se destacar os conversores em ponte

    totalmente controlada e os conversores Dual (ou bidirecional).

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  • 3

    Conversor trifsico unidirecional totalmente controlado

  • 4

    Nesta configurao permite-se a conduo unidirecional da corrente com inverso

    da tenso, possibilitando a operao em dois quadrantes. Caracteriza-se por

    ripple na tenso e corrente praticamente contnua, devido indutncia da carga. A

    frenagem ocorre de acordo com a potncia regenerativa do sistema mecnico.

    A tenso mdia nos terminais do conversor dada por:

    ( )

    ==

    =

    =

    ++

    +

    cosV35,1cosV34,2cosV63

    )t(d)VV(3V

    Lefef

    36

    6

    BA

    A velocidade mdia em regime determinada por:

    =a

    aaa

    KIR)(V

    Como, para excitao independente,

    ( )2aa

    a

    a

    K

    TRK

    )(V

    =

    O segundo termo determina a queda de velocidade devido ao conjugado

    motor, que reflete o conjugado de carga, em regime. Observa-se que para baixos

    valores de aR , haver baixa queda na velocidade e, conseqentemente, melhor

    regulao de velocidade.

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  • 5

    Conversores Dual

    Nesta configurao, tanto corrente como tenso so bidirecionais, permitindo

    operao nos quatro quadrantes. Os conversores Dual so a verso esttica dos

    acionamentos Ward-Leonard (Gerador-Motor).

    Conversor dual Ideal

    Caracterizado pela ausncia de ripple na tenso. Neste caso pode-se

    representar os conversores por duas fontes de tenso pura com diodos em srie,

    determinando fluxo unidirecional da corrente em cada fonte. A tenso de sada de

    cada conversor regulada pela tenso de controle Ec, que determina os ngulos

    de gatilhamento. Ambos produzem a mesma tenso terminal, um como retificador

    e o outro como inversor.

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  • 6

    2mx2a

    1mx1a

    cosVEcosVE

    =

    =

    o2121

    2mx1mx

    2a1aa

    1800coscos

    cosVcosV

    EEV

    =+=+

    =

    ==

    Neste esquema, a tenso na carga a mesma tenso do conversor (sem Ripple), logo, a corrente tem liberdade para fluir atravs de ambos os conversores.

    aV

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  • 7

    Controle do ngulo de disparo

    Avano de o60 em VA ou utilizao de VB a partir de t1 para gatilhamento do tiristores da fase A (S11 e S21).

    =

    =

    cosKe

    cosKe

    a'a

    o2121

    21c

    180:dosen0coscos

    cosKcosKE

    =+=+

    ==

  • 8

    KE

    VcosEE

    KE

    VcosEE

    cmx2mx2a

    cmx1mx1a

    ==

    ==

    cmx

    2a1aa EKV

    EEV ===

    A equao acima mostra que o conversor um amplificador linear de tenso e potncia

  • 9

    1. Equaes Estticas

    Existem 2 equaes bsicas para a MCC que relacionam as grandezas eltricas

    s mecnicas:

    aa iKT =

    = aa K)s(E

    Onde:

    Ea: fora contra-eletromotriz de armadura;

    Ka: constante determinada por caractersticas construtivas;

    : fluxo de entreferro;

    : velocidade angular da mquina;

    ia: corrente de armadura;

    T: Conjugado (torque);

    2. Acionamento em malha fechada

    A curva caracterstica de conjugado-velocidade da mquina dc, mostra que

    h variaes na velocidade se o ngulo de disparo dos tiristores se mantm

    constante, quando h variaes no conjugado resistente de carga. Entretanto os

    acionamentos que requerem velocidades constantes ou controladas, devem ser

    capazes de controlar o ngulo de gatilhamento de sua ponte retificadora. Isto

    permite que a tenso aplicada armadura do motor seja controlada de acordo

    com o erro de velocidade .

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    Um sistema em malha fechada tem, geralmente, vantagens como grande

    preciso, resposta dinmica otimizada e reduo dos efeitos dos distrbios de

    carga.

    2.1. Funo de transferncia do motor de corrente contnua

    O modelo eltrico do motor de corrente contnua representado pela equao

    diferencial 1.

    dtdi

    L+iR+E=V aaaaaa (1)

    Onde: aa K=E = Tenso induzida na armadura. (2)

    A equao de equilbrio do conjugado resultante :

    dtd

    J+B+T=T L

    (3)

    Onde: aa iK=T = Conjugado eletromagntico. (4)

    Figura 1. Caractersticas Mecnicas: a) motor dc com excitao independente b) motor de induo; c) motor sncrono

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    Figura 2 Desenvolvimento da funo de transferncia a) Modelo do motor com

    excitao independente b) Diagrama de blocos do motor c) Diagrama

    simplificado.

    1m

    mm1

    s1)s1(k

    ++

    m

    m2

    s1k

    +

    Va (s) Ia (s)

    (c)

    (a)

    (b)

    a

    a

    s+11/R

    Ia (s)

    ms+11/B

    TL (s)

    aK

    T (s)

    Campo

    (s)

    aK

    Campo

    +

    -

    -

    +

    a (s)

    Eg (s)

    Va

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    Transformando as equaes de equilbrio para o domnio de Laplace:

    aaaaaa sIL+iR+)s(E=)s(V (5)

    )s(K=)s(E:Onde aa (6)

    A equao de equilbrio de conjugado mostrado pela equao 7.

    )s(Js+)s(B+)s(T=)s(T L (8)

    ===>iK=T:Onde aa Conjugado eletromagntico;

    B = Coeficiente de amortecimento (frico esttica, dinmica ...)

    E, a partir da equao 5, pode-se determinar a corrente de armadura, conforme

    equao 9.

    ( )s1

    R/1)]s(E)s(V[sLR

    )s(E)s(V)s(I

    a

    aaa

    aa

    aaa +

    =

    +

    = (9)

    Onde: a

    aa R

    L= = Constante de tempo eltrica da armadura.

    Da equao 7,

    ( )

    s1B/1)]s(T)s(T[

    JsB)s(T)s(T

    m

    LL

    +

    =+

    (10)

    Onde: BJ

    =m = Constante de tempo mecnica.

    Observe atravs da figura 2b, que a realimentao (feedback) uma f.c.e.m.

    Esta realimentao proporciona uma regulao moderada de velocidade, o que

    inerente s mquinas de campo independente.

    Va

    Ia

    T

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    A partir da figura 2b, pode-se obter uma expresso da velocidade em funo de

    distrbios na tenso aplicada Va(s) e no conjugado de carga TL(s).

    (s)T(s)(s)HG1

    (s)G(s)V

    (s)(s)HG1(s)G

    (s) L22

    2a

    11

    1

    ++

    += (11)

    Onde:

    s+1

    )B/1()K(

    s+1)R/1(

    =)s(Gm

    aa

    a1

    (11a)

    a1 K=(s)H (11b)

    s1

    )B/1()s(G

    m2 +

    = -

    (11c)

    s1