Guia de aplicação de inversores

Transformando energia em solues

Guia de Aplicao de Inversores de Freqncia

GUIA DE APLICAO DE INVERSORES DE FREQNCIA

WEG AUTOMAO www.weg.com.br

AUTORIA AUTORIA AUTORIA AUTORIA AUTORIA

AUTORIA: Este Guia de Inversores de Freqncia foi escrito pelos M. Engo . Jos M. Mascheroni (coordenao do trabalho e criao dos captulos 2, 4, 6 e 8), M. Engo . Marcos Lichtblau e Eng a. Denise Gerardi (captulo 7 e o Anexo 1), todos integrantes da ISA Engenharia Ltda. Florianpolis / SC. Os captulos 1, 3 e 5 foram escritos utilizando-se materiais fornecidos pela Weg e revisados pelo coordenador. Coube Weg a criao dos captulos 9, 10, Anexos 2, 3 e 4, como tambm a reviso tcnica do mesmo.

NDICE1 INTRODUO1.1 Sistemas de velocidade varivel ______________ 09 1.2 Sistemas de variao de velocidade tradicional _______________________________ 12 1.2.1 Variadores mecnicos _________________ 13 Variador com polias cnicas e correia ___ 13 Variador com polias cnicas e corrente __ 14 Variador com discos de frico _________ 14 1.2.2 Variadores hidrulicos _________________ 14 Motor hidrulico ____________________ 14 V ariador hidrocintico _______________ 15 1.2.3 Variadores eletromagnticos - Embreagens eletromagnticas _____________________ 15

2 COMO FUNCIONA UM MOTOR DE INDUO?2.1 Princpios bsicos de funcionamento __________ 19 2.2 Anlise de funcionamento ___________________ 23 2.3 Curvas caractersticas do motor de induo _____ 25 2.3.1 Torque x velocidade ___________________ 25 2.3.2 Corr ente x velocidade _________________ 26 2.4 Potncia e perdas __________________________ 26 2.5 Caractersticas de temperatura classes de isolamento trmico _________________________ 27 2.6 Tempo de rotor bloqueado ___________________ 28

3 MTODOS DE COMANDO DE UM MOTOR DE INDUO3.1 Categorias de partida _______________________ 33 3.2 Formas de partida _________________________ 34 Partida direta ____________________________ 34 Partida estrela-tringulo ___________________ 35 Partida eletrnica (soft-starter) ______________ 36 3.3 Frenagem ________________________________ 38 3.3.1 Frenagem por contra-corrente __________ 38 3.3.2 Frenagem por injeo de CC ____________ 40 3.4 Vantagens e desvantagens dos mtodos de partida __________________________________ 41

4 O INVERSOR DE FREQNCIA WEG4.1 Mtodos de controle dos inversores de freqncia ________________________________ 50 Controle escalar __________________________ 50 Controle vetorial _________________________ 54 4.2 Caracterstica s dos motores d induo e aciona dos com inversores de freqncia________ 57

5 PARMETROS DO INVERSOR DE FREQNCIA 6 COMANDO E CONTROLE DE VELOCIDADE EM MOTORES DE INDUO ACIONADOS POR INVERSORES DE FREQNCIA 7 APLICAO DE ACIONAMENTOS COM MOTORES DE INDUO E INVERSORES DE FREQNCIA7.1 Introduo, defini es, fundamentos e princpios ________________________________ 87 7.1.1 Defini es __________________________ 87 7.1.2 Relaes bsicas _____________________ 88 7.2 O que a carga requer? ______________________ 92 7.2.1 Tipos de cargas ______________________ 92 7.2.2 O pico de carga ______________________ 94 7.2.3 Estimando cargas ____________________ 95 7.3 Seleo de acionamentos (motor/inversor) ______ 96 7.3.1 Operao abaixo da rotao nominal ____ 96 Motor autoventilado _________________ 96 Motor com ventilao independente ____ 98 7.3.2 Operao acima da rotao nominal _____ 99 7.3.3 Casos especiais ____________________ 100 Efeito da temperatura ambiente _____ 100 Efeito da altitude _________________ 101 7.4 Aplica es tpicas ________________________ 102 Bombas centrfugas e ventiladores _________ 102 Extru soras ____________________________ 105 B obinado res/desbobinadores _____________ 106 6.1 Sensores de posio e velocidade _____________ 78 6.2 Medio de velocidade _____________________ 80 6.2.1 Algoritmo de estimao de freqncia ____ 81 6.2.2 Algoritmo de estimao do perodo ______ 81 6.2.3 Algoritmo de estimao simultnea de perodo e freqncia __________________ 82 6.3 Rudo s ___________________________________ 82 6.4 Sincronizao de velocidade _________________ 83 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 Parmetros Parmetros Parmetros Parmetros Parmetros de leitura _______________________ 62 de regulao ____________________ 63 de configurao _________________ 66 do motor _______________________ 72 das funes especiais _____________ 72

8 INSTALAO DE INVERSORES DE FREQNCIA8.1 8.2 8.3 8.4 8.5 8.6 8.7 8.8 Rede de alimentao eltrica ______________ Fusveis ________________________________ Condicionamento da rede de alimentao ____ Interferncia eletromagntica (EMI) _________ Cabos _________________________________ Aterramento ____________________________ Dispositivo s de sada _____________________ Instalao em painis princpios bsicos ___ 112 112 112 113 116 118 119 120

9 LINHA DE INVERSORES DE FREQNCIA WEG9.1 Introduo _____________________________ 9.2 Inversor de freqncia CFW-08 _____________ Recursos / Funes especiais ______________ Superdrive ____________________________ Interface homem-mquina _______________ 9.3 Inversor de freqncia CFW-09 _____________ Interface homem x mquina ______________ Superdrive ____________________________ Co dificao ___________________________ Acessrios e perifricos __________________ 125 127 130 130 130 131 134 135 138 142

10 SOFT-STARTER10.1 Introduo _____________________________ 10.2 Princpio de funcionamento ________________ Circuito de potncia _____________________ Circuito de controle _____________________ 10.3 Principais caractersticas __________________ 10.3.1 Principai s fu nes __________________ Rampa de tenso na acelerao _____ Rampa de tenso na desacelerao ___ Kick start ________________________ Limitao de corrente ______________ Pump control _____________________ Economia de energia ______________ 10.3.2 Protees _________________________ 10.3.3 Acionamentos tpicos _______________ 10.4 Principai s aplicaes para soft-starter _______ 10.5 Critrio s para dimensionamento ____________ 10.6 Consideraes importantes ________________ 10.7 Introduo - Soft-starter SSW-03 Plus / SSW-04 10.8 Soft-starter SSW-05 ______________________ 147 147 148 149 149 149 149 150 151 152 153 154 155 158 164 170 183 186 195

ANEXO 1 CLCULO DO MOMENTO DE INRCIA DE MASSA1 2 3 4 5 6 Momento de inrcia de formas simples _______ Teorema dos eixos paralelos _______________ Momento de inrcia de formas compostas ____ Momento de inrcia de corpos que se movem linearmente _____________________________ Transmisso mecnica ____________________ Exemplos de clculos de momento de inrcia de massa _______________________________ 6.1 Clculo do momento de inrcia de massa _ 6.2 Clculo do momento de inrcia total _____ 201 203 204 205 205 206 206 207

ANEXO 2 CORREO DE FATOR DE POTNCIA E REDUO DA DISTORO HARMNICA1 2 Introduo _____________________________ Distoro harmnica _____________________ 2.1 Origens ____________________________ 2.2 Defini es __________________________ 2.3 Obteno das harmnicas de corrente ___ Normas relacionadas _____________________ Alternativas para correo do fator de potncia e reduo de correntes harmnicas __ 211 212 212 213 215 216 218

3 4

4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7

5

Capacitores _________________________ Reatncia de rede e bobina CC _________ Filtros sintonizados __________________ Filtros broad-band _________________ Filtros ativos ________________________ Retificadores de 12 e 18 pulsos _________ Retificadores com IGBTs _______________ 4.7.1 Inversores de freqncia com entrada monofsica ____________ 4.7.2 Inversores de freqncia com entrada trifsica _______________ 4.8 Filtros de corrente do neutro ___________ 4.9 Transformadores defasadores ___________ Concl uso _____________________________

218 218 220 221 222 224 225 225 225 226 227 228

ANEXO 3 CHECK-LIST PARA DETALHAMENTO DA APLICAO - CFW-09Inversores de freqncia - CFW-09 Folha de dados para dimensionamento __________ 231

ANEXO 4 CHECK-LIST PARA DETALHAMENTO DA APLICAO - SOFT-STARTERSoft- starter Folha de dados para dimensionamento __________ 235

Referncias Biblio grficas _____________________ 237

1INTRODUO 1.1 1.2 Sistemas de velocidade varivel Sistemas de variao de velocidade tradicionais1.2. 1 Variadores mecnicos l Variador de polias cnicas e correia l Variador com polias e corrente l Variador com discos de frico 1.2. 2 Variadores hidrulicos l Motor hidrulico l Variador hidrocintico 1.2. 3 Variadores eletromagnticos - Embreagens eletromagnticas

1

INTRODUO

Um acionamento eltrico um sistema capaz de converter energia eltrica em energia mecnica (movimento), mantendo sob controle tal processo de converso. Estes so normalmente utilizados para acionar mquinas ou equipamentos que requerem algum tipo de movimento controlado, como por exemplo a velocidade de rotao de uma bomba. Um acionamento eltrico moderno formado normalmente pela combinao dos seguintes elementos: l Motor ................................ converte energia eltrica em energia mecnica l Dispositivo eletrnico ..... comanda e/ou controla a potncia eltrica entregue ao motor l Transmisso mecnica ... adapta a velocidade e inrcia entre motor e mquina (carga) Os motores mais amplamente utilizados nos acionamentos eltricos so os motores de induo monofsicos e trifsicos. Estes motores, quando alimentados com tenso e freqncia constantes, sempre que no estejam operando a plena carga (potncia da carga igual a potncia nominal do motor) estaro desperdiando energia. importante ressaltar tambm o fato de que um motor de induo transforma em energia mecnica aproximadamente 85% de toda a energia eltrica que recebe e que os 15% restantes so desperdiados, sendo assim o acionamento eltrico de mquinas um assunto de extraordinria importncia no que se refere a economia de energia.

1.1 SISTEMAS DE VELOCIDADE VARIVEL

Durante muitos anos, as aplicaes industriais de velocidade varivel foram ditadas pelos requisitos dos processos e limitadas pela tecnologia, pelo custo, pela eficincia e pelos requisitos de manuteno dos componentes empregados. Os sistemas mais utilizados para variao de velocidade foram por muito tempo implementados com motores de induo de velocidade fixa, como 9

1

INTRODUO

primeiro dispositivo de converso de energia eltrica para energia mecnica. Para a obteno de velocidade varivel o sistema necessitava de um segundo dispositivo de converso de energia que utilizava componentes mecnicos, hidrulicos ou eltricos. Com a disponibilidade no mercado dos semicondutores a partir dos anos 60 este quadro mudou completamente. Mas foi mesmo na dcada do 80 que, com o desenvolvimento de semicondutores de potncia com excelentes caractersticas de desempenho e confiabilidade, foi possvel a implementao de sistemas de variao de velocidade eletrnicos. O dispositivo de converso de energia eltrica para mecnica continuou sendo o motor de induo mas agora sem a utilizao de dispositivos secundrios mecnicos, hidrulicos ou eltricos. Em muitos casos a eficincia das instalaes equipadas com estes novos dispositivos chegou a ser duplicada quando comparada com os sistemas antigos. Estes sistemas de variao continua de velocidade eletrnicos proporcionam, entre outras, as seguintes vantagens: l Economia de energia l Melhoramento do desempenho de mquinas e equipamentos, devido a adaptao da velocidade a os requisitos do processo l Elimina o pico de corrente na partida do motor l Reduz a freqncia de manuteno dos equipamentos l Etc. Estes novos dispositivos elet rnicos para variao de velocidade de motores de induo so conhecidos como Inversores de Freqncia . Trataremos neste guia de descrever o funcionamento e aplicaes dos inversores de freqncia. Com este Guia, a WEG no tem a pretenso de esgotar o assunto, pois ele se renova a cada dia que passa. Temos como objetivo maior fornecermos maiores conhecimentos em comando e proteo de motores eltricos de induo utilizando-se inversores de freqncia. A aplicao de motores de induo tem se regido historicamente pelas caractersticas descritas na placa de identificao do motor.

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1

Figura 1.1

Placa de Identificao (mercado latino)

INTRODUO

Placa de Identificao (mercado brasileiro)

Exemplo:

Placa de Identificao (mercado americano)

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1

INTRODUO

Na aplicao dos inversores de freq ncia o motor de induo, ao contrrio do que acontece quando ligado diretamente rede de distribuio de energia eltrica, alimentado com freqncia e tenso varivel. Isto possibilita, como veremos neste guia, obter velocidade varivel no eixo do prprio motor. muito importante, assim, conhecer e entender o funcionamento destes sistemas (motor + inversor) para prevenir erros de aplicao que poderiam acabar com os benefcios que estes dispositivos proporcionam. Os tcnicos ou engenheiros e nvolvidos com aplicaes de velocidade varivel no precisam de conhecimentos sobre o projeto de motores e projeto de sistemas eletrnicos de comando/controle, mas sim sobre o funcionamento e utilizao dos mesmos. As dvidas mais freqentes podem resumir-se nas seguintes perguntas: Como funciona meu motor? Como o motor se comporta ante uma determinada carga? Como eu posso melhorar/otimizar o funcionamento do meu motor e carga? Como eu posso identificar problemas no meu sistema? Este guia tem por inteno, fornecer, mesmo para pessoas sem experincia no assunto, informaes sobre o funcionamento dos modernos sistemas de velocidade varivel disponveis e como eles se comportam ante diferentes cargas, tentando assim responder as perguntas formuladas anteriormente.

1.2

SISTEMAS DE VARIAO DE VELOCIDADE TRADICI ONAIS

Muitos processos industriais requerem dispositivos de acionamento de cargas com velocidade varivel. Exemplos: Bombas variao de vazo de lquidos Ventiladores variao de vazo de ar Sistemas de transporte variao da velocidade de transporte Sistemas de dosagem variao da velocidade de alimentao Tornos variao da velocidade de corte

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1

INTRODUO

Bobinadeiras compensao da variao de dimetro da bobina. Os sistemas de variao de velocidade tradicionais empregavam motores de induo como dispositivo primrio de converso de energia. Como sabemos estes motores quando alimentados diretamente da rede de distribuio de energia eltrica possuem uma caracterstica de velocidade constante. assim que para se obter velocidade varivel eram necessrios adicionalmente outros dispositivos, que podem ser: Variadores mecnicos Variadores hidrulicos Variadores eletromagnticos

1.2.1 Variadores Mecnicos

Os primeiros sistemas utilizados para se obter uma velocidade diferente das velocidades que eram possveis utilizando motores de induo foram os sistemas mecnicos, pois so os de maior simplicidade de construo e baixo custo. l Variador com polias cnicas e correia Cada uma das polias cnicas constituda de dois pratos cnicos, montados um de frente para o outro, sobre um eixo ranhurado, que podem se aproximar ou se afastar. O prato de uma das polias acionado pelo dispositivo de variao, e o prato da outra pressionado por uma mola. O fluxo de fora transmitido por frico entre os discos das polias e a correia, que tem uma seo transversal trapezoidal. A faixa de variao de velocidade mxima de 1:8 neste tipo de variador.

Figura 1.2 - Variador com polias cnicas e correia

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1

INTRODUO

l Variador com polias cnicas e corrente Idem ao anterior, somente com uma corrente ao invs de correia. l Variador com discos de frico Nos variadores com discos de frico o fluxo de fora transmitido por frico entre um par de discos, construdos com m ateriais de grande resistncia presso superficial e ao desgaste, e de alto coeficiente de atrito. A presso de contato necessria para transmitir a potncia entre o eixo de entrada e o eixo de sada se auto-regula em funo do torque transmitido. Um dispositivo de variao desloca um dos discos, variando a relao de transmisso. A faixa de variao de velocidade mxima neste tipo de variador de 1:5.

Figura 1.3 - Variadores com discos de frico

1.2.2 Variadores Hidrulicos

l Motor Hidrulico Este mtodo permit e variao contnua de velocidade. O motor hidrulico de deslocamento positivo projetado e desenvolvido para converter a potncia hidrulica de um fludo em potncia mecnica. Esta converso feita atravs de um dispositivo de engrenagens planetrias ou atravs de acionamento de pistes com controle efetuado por vlvulas e que permite se obter as seguintes caractersticas: n n n n n Baixa rotao (5 a 500 rpm aproximadamente) Elevado torque Permite rotao nos dois sentidos Motores de baixa potncia Baixo custo

Para o acionamento dos motores hidrulicos necessrio que se tenha um sistema hidrulico a 14

1

INTRODUO

disposio (tubulaes, bombas, motores eltricos auxiliares), que faz com que, em uma anlise global do conjunto, o sistema tenha um rendimento baixo e um nvel de manuteno elevado pela existncia de vrias partes mecnicas. O controle da variao de velocidade do motor feita atravs da vazo do fluido injetado no motor (quant o maior a vazo, maior a velocidade) que feito atravs de vlvulas de estrangulament o no circuito hidrulico, ocasionando perdas elevadas. l V ariador Hidrocintico Este mtodo permite variao contnua de velocidade. O sistema consiste basicamente em um variador de velocidade de princpio hidrocintico, composto de um eixo de entrada, de rotao fixa, e de um eixo de sada, cuja rotao pode variar linearmente de zero at uma rotao muito prxima do eixo de entrada. O princpio de operao pode ser demonstrado pelo seguinte: Colocando-se dois ventiladores frente a frente e fazendo-se a hlice de um deles girar, a hlice do segundo vent ilador ir comear a girar tambm ao receber a corrente de ar. Se no houvesse perdas, a rotao do segundo ventilador seria praticamente a mesma que a do v entilador acionador. Agora se colocarmos entre os dois ventiladores uma folha de papelo, poderemos diminuir ou aumentar a rotao do segundo ventilador conforme o desejado, em funo do fluxo de ar existente. No variador hidrulico, no lugar de ar usa-se leo como fluido, e em vez das hlices, so usados discos aletados que so alojados em uma caixa fechada, montada sobre dois eixos independentes.

1.2.3 Variadores Eletromagnticos Embreagens Eletromagnticas

Com os variadores eletromagnticos mudou-se o conceito de variao exclusivamente mecnica para variao eletromecnica, atravs de tcnicas baseadas no princpio fsico das correntes de Foucault, utilizando um sistema de discos acoplados a bobinas que podem ter o seu campo magntico varivel, variando-se assim o torque (e tambm a velocidade) na sada do variador. Algumas limitaes devem ser observadas para a aplicao deste equipamento: 15

1

INTRODUO

n A rotao mxima de sada sempre a nominal do motor, nunca alm desta; n Aqui tambm o motor sempre estar girando na rotao nominal, independente da rotao desejada no eixo de sada. Isto proporciona um consumo inadequado (desperdcio de energia), quando se opera em rotaes abaixo da rotao nominal; n rendimento deste tipo de acionamento muito baixo, pois apresenta perdas por aquecimento e rudo; n As manutenes preventivas e corretivas so freqentes, pois existem muitas partes girantes as quais necessitam de ajustes constantes e substituies peridicas.

Tabela Comparativa dos Sistemas de Variao de Velocidade TradicionaisPolias Variadoras Faixa de variao de velocidade Limite de potncia Eficincia Custo Pontos fortes Pontos fracos Escorregamento Manuteno difcil Vazamentos Manuteno difcil pequena (1 a 4 mx.) baixo baixa baixo Hidrulico grande elevado baixa elevado baixa baixo partida suave Eletromecnico mdia

16

2COMO FUNCIONA UM MOTOR DE INDUO 2.1 2.2 2.3 Princpios bsicos de funcionamento Anlise de funcionamento Curvas caractersticas do motor de induo2.3. 1 Torque x velocidade 2.3. 2 Corrente x velocidade

2.4 2.5 2.6

Potncia e perdas Caractersticas de temperatura - classes de isolamento trmico Tempo de rotor bloqueado

2

COMO FUNCIONA UM MOTOR DE INDUO?

Para compreender o funcionamento de um Inversor de Freqncia de fundamental importncia entender primeiro como funciona um motor de induo. Para comear enunciaremos os princpios fsicos bsicos da converso de energia eltrica em energia mecnica.

2.1 PRINCPIOS BSICOS DE FUNCIONAMENTO

1. Uma corrente circulando por um condutor produz um campo magntico, representado na figura 2.1 pelas linhas circulares chamadas de linhas de induo magntica. No centro da figura se encontra o condutor e as linhas circulares em volta so uma representao grfica do campo magntico gerado pela corrente.

Figura 2.1

2. Se um condutor movimentado dentro de um campo magntico, aparecer uma tenso induzida entre os terminais do condutor, proporcional ao nmero de linhas de induo cortadas por segundo (figura 2.2). Se o dito condutor forma um circuito fechado, circular por ele uma corrente eltrica.

Figura 2.2

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2


3. Dois condutores adjacentes (a e b) pelos quais est circulando uma corrente eltrica (i a e i b) produzem cada um deles um campo magntico (Item 1). A interao entre estes dois campos magnticos produzir uma fora (F) de atrao ou repulso entre os condutores (figura 2.3), proporcional corrente que circula por ambos condutores e distncia (d) entre eles.

Figura. 2.3

4. Um bobinado polifsico, igual ao mostrado na figura 2.4, alimentado por um sistema de tenses trifsico (figura 2.5) produzir um campo magntico girante (figura 2.6). Este princpio similar ao visto na figura 2.1, com a diferena que neste o campo magntico esttico.

Figura 2.4

20

2


Figura 2.5

Na figura 2.6, os pontos identificados com os nmeros ... correspondem aos momentos em que a tenso de uma das trs fases igual a zero. Desta maneira mais fcil fazer a composio dos vetores de induo magntica para cada instante. Na figura pode-se ver que a resultante destes vetores est girando (campo girante) com uma velocidade proporcional a freqncia e ao nmero de plos do motor.

Figura 2.6

21

2


5. A velocidade do campo girante descrito anteriormente, chamada de velocidade sncrona, proporcional freqncia do sistema de tenses trifsico e ao nmero de plos do bobinado. Velocidade do campo girante [rpm]= (freqncia [1/ s] x 120 ) / n de plos 6. Torque: fora aplicada num eixo, que provocar a rotao do mesmo (figura 2.7). Torque [Kgm]= fora [Kg] x distncia [m]

Figura 2.7

NCLEO DE CHAPAS

NCLEO DE CHAPAS

Os motores de induo mais utilizados na indstria so os chamados motores de gaiola trifsicos (figura 2.8 - rotor e estator).ENTROLAMENTO TRIFSICO

3

2

8VENTILADOR

5BARRAS DE ANIS DE CURTO-CIRCUITO ROLAMENTOS

12

11

6 7EIXO PROTEO DO VENTILADOR

4TAMPAS

9 1CARCAA

10Figura 2.8TERMINAIS

CAIXA DE LIGAO

22

2


Estator: Carcaa (1), Ncleo de Chapas (2), Enrolamento trifsico (8) Rotor: Eixo (7), Ncleo de chapas (3), Barras e anis de curto-circuito (12) Outras partes: Tampas (4), Ventilador (5), Proteo do ventilador (6), Caixa de ligao (9), Terminais (10), Rolamentos (11). Nestes motores o rotor fabricado com espiras em curto-circuito formando uma verdadeira gaiola. O estator formado por trs bobinas (bobinado trifsico), com pares de plos em cada fase.

2.2 ANLISE DE FUNCIONAMENTO

Para anlise de funcionamento pode se considerar o motor de induo como um transformador, onde o enrolamento primrio deste transformador formado pelo estator e o enrolamento secun drio pelo rotor. O prprio nome motor de induo se deve ao fato de que toda a energia requerida pelo rotor para a gerao de torque induzida pelo primrio do transformador (estator) no secundrio (rotor). Como existem dois campos magnticos, um no estator e outro no rotor, e como descrito no item 3, aparecer uma fora entre o rotor e o estator que far com que o rotor gire, j que o nico que pode se movimentar pois est montado sobre rolamentos, disponibilizando assim energia mecnica (torque) no seu eixo. Para facilitar o entendimento do funcionamento do motor de induo dividiremos o estudo em trs casos hipotticos:

CASO 1Primeiramente consideraremos um motor de dois plos com o rotor bloqueado, isto significa que atravs de algum dispositivo mecnico impediremos que o eixo do motor (rotor) gire. Nesta condio, se aplicarmos tenso trifsica com freqncia de 60Hz nos terminais do bobinado do estator, este produzir um campo magntico girante com velocidade de 3600 rpm (item 5). As linhas de induo deste campo magntico cortaro as espiras do rotor com velocidade mxima induzindo assim a mxima tenso nas espiras do rotor, e como estas esto em curtocircuito, circular tambm a mxima corrente por elas. Como toda a energia produzida no rotor tem de 23

2


ser induzida pelo estator, circular no bobinado do estator uma corrente elevada (6 a 8 vezes maior que a corrente nominal do motor). Se esta condio for mantida por mais que alguns segundos os fios do bobinado do estator iro esquentar de forma indevida, podendo at danificar (queimar) o bobinado, pois no foram projetados para suportar esta corrente por um perodo de tempo grande.

CASO 2Agora vamos para o outro extremo. Vamos supor que o rotor do motor possa girar exatamente velocidade de 3600 rpm. Neste caso as linhas de induo do campo magntico girante produzido pelo estator no cortaro as espiras do rotor pois os dois esto girando com mesma velocidade. Sendo assim no haver tenso induzida, nem corrente, nem gerao de campo magntico. Para a produo de energia mecnica (torque) no motor necessria a existncia de dois campos magnticos, sendo assim, no haver torque no eixo do motor.

CASO 3Vamos supor agora que, nas mesmas condies do Caso 2, baixamos a velocidade do rotor do motor para 3550 rpm. O campo magntico girante tem uma velocidade de 3600 rpm, assim que as linhas de induo do campo magntico girante do est ator cortaro as espiras do rotor com uma velocidade de 50 rpm (3600 rpm 3550 rpm = 50 rpm), produzindo uma tenso e uma corrente induzida no rotor. A interao entre os dois campos magnticos, o do estator e o do rotor, produziro uma fora, que pela sua vez produzir torque no eixo do motor. A diferena entre a velocidade sncrona (3600 rpm) e a velocidade do rotor conhecida como escorregamento. Escorregamento = velocidade sncrona velocidade do rotor S = (N s N) Ns 24

2


Descritas estas trs condies, podemos agora imaginar o que acontece na prtica com nosso motor de induo. Na partida acontece algo similar ao descrito no caso 1, mas na prtica a diferena do rotor bloqueado do caso 1 nosso motor pode girar livremente. Sendo assim circular no bobinado do estator uma corrente elevada (6 a 8 vezes maior que a corrente nominal do motor) que diminuir a medida que a velocidade do motor aumenta. Quando a velocidade do rotor se aproxima da velocidade sncrona (caso 2) o torque produzido diminuir, fazendo diminuir tambm a velocidade do rotor. Existir ento um ponto de equilbrio entre a carga do motor e a velocidade do rotor (caso 3). Se a carga no eixo do motor aumenta, a velocidade do rotor tender a diminuir, e o escorregamento aumentar. Se o escorregamento aumenta a velocidade com que as linhas de induo do campo magntico do rotor cortam o estator aumentar, aumentando tambm a tenso e corrente induzida no rotor. Se a corrente maior, o campo magntico gerado por esta tambm ser maior, aumentando assim o torque disponvel no eixo do motor, chegando novamente numa condio de equilbrio. Se o torque requerido pela carga maior que o nominal do motor, e se esta condio mantida por muito tempo, a corrente do motor ser maior que a nominal e o motor ser danificado.

2.3 CURVAS CARACTERSTICAS DO MOTOR DE INDUO 2.3.1 Torque x Velocidade

a curva que mostra a relao entre o torque desenvolvido pelo motor e a su a rotao. Na partida, quando o motor ligado diretamente rede, o torque (torque de partida) ser de aproximadamente 2 a 2,5 vezes o torque nominal, diminuindo a medida que a velocidade aumenta at atingir um valor de 1,5 a 1,7 do torque nominal a aproximadamente 30% da velocidade nominal. A medida que a velocidade aumenta o torque aumenta novamente at atingir o seu valor mximo (80% da velocidade nominal) chegando a seu valor nominal na velocidade nominal. Como mostra a curva (linha cheia) da figura 2.9.

25

2


2.3.2 Corrente x Velocidade

a curva (linha tracejada da figura 2.9) que mostra a relao entre a corrente consumida pelo motor em funo da sua velocidade. A figura mostra que na partida, quando o motor ligado diretamente rede, a corrente que circula por ele ser 5 a 6 vezes maior que a corrente nominal, diminuindo a medida que a velocidade aumenta at atingir um valor estacionrio determinado pela carga acoplada ao mo tor. Se a carga for a nominal a corrente ser tambm a corrente nominal.

Figura 2.9 - Curva Torque x Velocidade e Corrente x Velocidade para motores de induo de rotor em gaiola alimentados com tenso e freqncia constantes

2.4 POTNCIA E PERDAS

Na placa de identificao do motor existe um parmetro chamado de rendimento e identificado pela letra grega . Este parmetro uma medida da quantidade de potncia eltrica transformada pelo motor em potncia mecnica. A potncia transmitida carga pelo eixo do motor menor que a potncia eltrica absorvida da rede, devido s perdas no mot or. Essas perdas podem ser classificadas em:

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2


n perdas no enrolamento estatrico (perdas no cobre); n perdas no rotor; n perdas por atrito e ventilao; n perdas magnticas no ncleo (perdas no ferro);

2.5 CARACTERSTICAS DE TEMPERATURA CLASSES DE ISOLAMENTO TRMICO

Sendo o motor de induo uma mquina robusta e de construo simples, a sua vida til depende quase exclusivamente da vida til da isolao do bobinado e da vida mecnica dos rolamentos. Vida til da isolao refere-se ao envelhecimento gradual do isolante, no suportando mais a tenso aplicada e produzindo curto-circuito entre as espiras do bobinado. Para fins de normalizao, os materiais isolantes e os sistemas de isolamento (cada um formado pela combinao de vrios materiais) so agrupados em CLASSES DE ISOLAMENTO, cada qual definida pelo respectivo limite de temperatura, ou seja, pela maior temperatura que o material pode suportar continuamente sem que seja afetada sua vida til. As classes de isolamento utilizadas em mquinas eltricas e os respectivos limites de temperatura conforme norma NBR-7094, so mostradas na tabela a seguir: Tabela 2.1 - Classes de isolamento CLASSE A E B F H TEMPERATURA (C) 105 120 130 155 180

As classes B e F so as freqentemente utilizadas. O sistema de isolamento convencional dos motores, que tem sido ut ilizado com sucesso em todos os casos de alimentao com fontes senoidais tradicionais (50/ 60Hz) pode no atender os requisitos necessrios se os mesmos forem alimentados por outro tipo de fonte. o caso dos motores alimentados por inversores de freqncia. Atualmente, com a ut ilizao generalizada destes equipamentos, o problema do rompimento da isolao provocado pelos altos picos de tenso decorrentes da rapidez de crescimento dos 27

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pulsos gerados pelo inversor, bem como a alta freqncia com que estes so produzidos, obrigou a implementar melhorias no isolamento dos fios e no sistema de impregnao, afim de garantir a vida dos motores. Estes motores com isolamento especial so chamados de Inverter Duty Motors.

2.6 TEMPO DE ROTOR BLOQUEADO

Tempo de rotor bloqueado o tempo necessrio para que o enrolamento da mquina, quando percorrido pela sua corrente de partida, atinja a sua temperatura limite, partindo da temperatura em condies nominais de servio e considerando a temperatura ambiente no seu valor mximo. Este tempo um parmetro que depende do projeto da mquina. Encontra-se normalmente no catlogo ou na folha de dados do fabricante. A tabela abaixo mostra os valores limites da temperatura de rotor bloqueado, de acordo com as normas NEMA e IEC.

Tabela 2.2 - Temperatura limite de rotor bloqueado CLASSE DE ISOLAMENTO B F H TEMP ERATURA MXIMA (C) NEMA MG1.12.53 175 200 225 IEC 79.7 185 210 235 Tmx (C) 80 100 125

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Para partidas com tenso reduzida o tempo de rotor bloqueado pode ser redefinido como segue: t rb = t b x ( U n / U r ) 2 Onde: t rb = Tempo de rotor bloqueado com tenso reduzida tb = Tempo de rotor bloqueado tenso nominal

U n = Tenso nominal U r = Tenso reduzida Outra forma de se redefinir o tempo de rotor bloqueado atravs da utilizao da corrente aplicada ao motor, como segue: Ipn t rb = t b . ( ) Ipc Onde: t rb = Tempo de rotor bloqueado com corrente reduzida tb = Tempo de rotor bloqueado corrente nominal

Ipn = Corrente de partida direta do motor Ipc = Corrente de partida do motor com corrente reduzida

Geralmente, I pn obtido de catlogos e possui o valor em torno de 6 a 8 vezes a corrente nominal do motor, e I pc depende do mt odo de partida do motor. Se por exemplo esta partida for do tipo estrela-tringulo o valor da corrente ser de aproximadamente 1/3 da corrente de partida.

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3MTODOS DE COMANDO DE UM MOTOR DE INDUO 3.1 3.2 Categorias de Partida Formas de Partidal l l Partida direta Partida estrela-tringulo Partida eletrnica (soft-starter)

3.3. Frenagem3.3. 1 Frenagem por contra-corrente 3.3. 2 Frenagem por injeo de CC

3.4

Vantagens e desvantagens dos mtodos de partidal l l Partida direta Partida estrela-tringulo Partida eletrnica (soft-starter)

3

MTODOS DE COMANDO DE UM MOTOR DE INDUO

Os mtodos de comando de um motor de induo, so implementados com equipamentos eletromecnicos, eltricos e eletrnicos. Estes equipamentos permitem acelerar (partir) e desacelerar (frenar) o motor de acordo com requisitos impostos pela carga, segurana, concessionrias de energia eltrica, etc.

3.1 CATEGORIAS DE PARTIDA

Conforme as suas caractersticas de torque em relao velocidade e corrente de partida, os motores de induo trifsicos com rotor de gaiola, so classificados em categorias, cada uma adequada a um tipo de carga. Estas categorias so definidas em norma (NBR 7094), e so as seguintes: a) CATEGORIA N Constituem a maioria dos motores encontrados no mercado e prestam-se ao acionamento de cargas normais, como bombas, mquinas operatrizes, e ventiladores. b) CATEGORIA H Usados para cargas que exigem maior torque na partida, como peneiras, transportadores carregadores, cargas de alta inrcia, britadores, etc. c) CATEGORIA D Usados em prensas excntricas e mquinas semelhantes, onde a carga apresenta picos peridicos. Usados tambm em elevadores e cargas que necessitam de torques de partida muito altos e corrente de partida limitada.

Tabela 3.1 - Cara ctersticas das categorias de partida direta Categorias de partida N H D Torque de partida Normal Alto Alto Corrente de partida Normal Normal Normal Escorregamento Baixo Baixo Alto

As curvas torque x velocidade das diferentes categorias esto mostradas na figu ra 3.1.

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Figura 3.1 - Curvas caractersticas de torque em funo da categoria do motor (partida direta)

3.2 FORMAS DE PARTIDA

l PARTIDA DIRETAA maneira mais simples de partir um motor de induo a chamada partida direta, aqui o motor ligado rede diretamente atravs de um contator (ver figura 3.2). Porm, deve-se observar que para este tipo de partida existem restries de utilizao. Como j foi visto anteriormente, a corrente de partida de um motor de induo quando ligado diretamente tenso da rede 5 a 6 vezes maior que a corrente nominal. Por este motivo, e fundamentalmente para motores de grande porte, a partida direta no utilizada.

Figura 3.2 - Partida Direta

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l PARTIDA ESTRELA - TRINGULO (Y- )Este tipo de partida s pode ser utilizado em motores que possuam ligao em dupla tenso (por exemplo 3 x 380 V e 3 x 220 V). A menor tenso dever ser igual tenso de rede e a out ra 1,73 vezes maior. Esta partida implementada com dois contatores como mostra a figura 3.3. Na partida o motor ligado na conexo de maior tenso, isto possibilita uma reduo de at 1/3 da corrente de partida do motor, como mostra a figura 3.4. A partida estrela-tringulo poder ser usada quando a curva de torque do motor for suficientemente elevada para poder garantir a acelerao da mquina com a corrente reduzida, ou seja, o torque resistente da carga no dever ser superior ao torque do m otor quando o motor estiver em estrela.

Figura 3.3 - Partida estrela-tringulo

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Figura 3.4 - Curva caracterstica de torque e corrente, motor com partida estrela-tringulo

l PARTIDA ELETRNICA (SOFT-STARTER)A chave de partida a estado slido consiste de um conjunto de pares de tiristores (SCR) ou combinaes de tiristores/diodos, para cada fase do motor. O ngulo de disparo de cada par de tiristores controlado eletronicamente para aplicar uma tenso varivel no motor durante a acelerao. Este comportamento , m uitas vezes, chamado de partida suave (soft-starter). No final do perodo de partida, ajustvel conforme a aplicao, a tenso atinge seu valor pleno aps uma acelerao suave ou uma rampa ascendente, ao invs de ser submetido a transio brusca, como ocorre com o mtodo de partida por ligao estrela-tringulo. Com isso, consegue-se manter a corrente de partida (ver figura 3.5) prxima da nominal e com suave variao, como desejado.

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Figura 3.5 - Curva caracterstica de torque e corrente, motor com partida suave (soft-starter)

Alm da vantagem do controle da corrente durante a partida, a chave eletrnica apresenta, tambm, a vantagem de no possuir partes mveis ou que gerem arco eltrico, como nas chaves eletro-mecnicas. Este um dos pontos fortes das chaves eletrnicas, pois sua vida til mais longa, assim como dos componentes acessrios (contatores, fusveis, cabos, etc.). Ainda, como um recurso adicional, a soft-starter apresenta a possibilidade de efetuar a desacelerao suave para cargas de baixa inrcia. 37

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3.3 FRENAGEM

Os motores de induo possibilitam vrias formas de frenagem, isto , onde se tem s < 0 e o motor opera com caractersticas de gerador. A seguir apresentaremos dois mtodos de frenagem eltrica.

3.3.1 Frenagem por contra-corrente

Obtm-se a frenagem por contra-corrente atravs da inverso de duas fases da tenso de alimentao do enrolamento estatrico (ver figura 3.7), para reverter a direo de rotao do campo girante do motor com o mesmo girando ainda na direo inicial. Dessa forma, a rotao do rotor fica agora contrria a um torque que atua em direo oposta (ver figura 3.6) e comea a desacelerar (frenar). Quando a velocidade cai a zero o motor deve ser desenergizado, caso contrrio, passar a funcionar em sentido oposto. Para este tipo de frenagem, as correntes induzidas nos enrolamentos rotricos so de freqncias altas (duas vezes a freqncia estatrica) e de elevada intensidade, pois o torque desenvolvido pelo motor elevado, onde h a absoro de potncia eltrica da rede com corrente maior que a nominal, acarretando em um sobreaquecimento do motor.

Figura 3.6. Curva de torque x rotao na frenagem por contra-corrente

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Figura 3.7 - Frenagem por contracorrente

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3.3.2 Frenagem por injeo de corrente contnua (CC)

obtida atravs da desconexo do estator da rede de alimentao e da posterior conexo a uma fonte de corrente contnua (ver figura 3.9). A corrente contnua enviada ao enrolamento estatrico estabelece um fluxo magntico estacionrio cuja curva de distribuio tem uma fundamental de forma senoidal. A rotao do rotor em seu campo produz um fluxo de corrente alternada no mesmo, o qual tambm estabelece um campo magntico estacionrio com respeito ao estator. Devido interao do campo magntico resultante e da corrente rotrica, o motor desenvolve um torque de frenagem (ver figura 3.8) cuja magnitude depende da intensidade do campo, da resistncia do circuito rotrico e da velocidade do rotor.

Figura 3.8 - Curva de torque x rotao durante a frenagem CC

Como veremos posteriormente, quando utilizado um inversor de freqncia, a tenso contnua a ser aplicada no estator do motor obtida atravs do disparo dos transistores do inversor, no necessitando de nenhum dispositivo adicional, pois a tenso CC proveniente do prprio circuito intermedirio do inversor. Na prtica, a frenagem CC tem sua aplicao limitada devido ao fato de que toda a energia de frenagem dissipada no prprio mo tor, podendo causar sobreaquecimento excessivo no mesmo. Assim, para no comprometer a vida til do motor, utiliza-se a frenagem CC com tenses contnuas limitadas a aproximadamente 20% da tenso nominal CA do mo tor.

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Figura 3.9 - Frenagem por injeo de CC

3.4 VANTAGENS E DESVANTAGENS DOS MTODOS DE PARTIDA

l PARTIDA DIRETAVantagens Menor custo de todas Muito simples de implementar Alto torque de partida Desvantagens Alta corrente de partida, provocando queda de tenso na rede de alimentao. Em funo disto pode provocar interferncia em equipamentos ligados na mesma instalao necessrio sobredimencionar cabos e contatores Limitao do nmero de manobras/hora

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l ESTRELA-TRINGULOVantagens Custo reduzido A corrente de partida reduzida a 1/3 quando comparada com a partida direta No existe limitao do nmero de manobras/hora Desvantagens Reduo do torque de partida a aproximadamente 1/3 do nominal So necessrios motores com seis bornes Caso o motor no atingir pelo menos 90% da velocidade nominal, o pico de corrente na comutao de estrela para tringulo equivalente ao da partida direta Em casos de grande distncia entre motor e chave de partida, o custo levado devido a necessidade de seis cabos.

l SOFT-STARTERVantagens Corrente de partida prxima corrente nominal No existe limitao do nmero de manobras/hora Longa vida til pois no possui partes eletromecnicas mveis Torque de partida prximo do torque nominal Pode ser empregada tambm para desacelerar o motor Desvantagens Maior custo na medida em que a potncia do motor reduzida

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4O INVERSOR DE FREQNCIA 4.1 Mtodos de controle do s inversores de freqncial l Controle escalar Controle vetorial

4.2

Caractersticas dos motores de induo acionados com inversores de freqncia

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O INVERSOR DE FREQNCIA

No captulo anterior vimos diferentes alternativas de comandar um moto r de induo a partir da rede de alimentao; em todos estes casos a freqncia de alimentao foi a da rede, isto , 60Hz. assim que a velocidade do motor ser a velocidade nominal, podendo ser calculada pela seguinte equao: 120 x x ( 1 - s ) n = p onde: n = velocidade em rotaes por minuto (rpm) = freqncia da rede em Hertz (Hz) s = escorregamento p = nmero de plos

Figura 4.1

Se considerarmos como exemplo um motor de 4 plos, com escorregamento nominal (s = 0,0278) teremos: 120 x 60 ( 1 - s ) n = = 1750 rpm 4 A partir da simples observao da equao anterior podemos deduzir que se pudssemos dispor de um dispositivo que permita variar a freqncia da tenso de alimentao poderamos variar diretamente no motor a sua velocidade de rotao.

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Vamos ver agora o que acontece se alimentarmos o motor a partir de um dispositivo que permita variar a freqncia da tenso de alimentao. A seguir mostraremos dois casos, um abaixo da freqncia nominal e outro acima. 120 x 30 (1 - s) n = = 875 rpm 4

Figura 4.2

120 x 90 (1 - s) n = = 2625 rpm 4

Figura 4.3

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Vamos ver agora como podemos atravs de um dispositivo eletrnico, e a partir da tenso e freqncia constante da rede, obter um sistema trifsico com freqncia varivel. As figuras 4.1 a 4.3 acima mostram para um mesmo perodo de tempo exemplos de ondas senoidais trifsicas com diferentes valores de freqncia.

Figura 4.4

O diagrama de blocos da figura 4.4 mostra as partes componentes deste dispositivo. O retificador da figura 4.4 gera uma tenso contnua que posteriormente filtrada e introduzida no bloco seguinte, chamado de Inversor. O inversor composto de seis chaves implementadas numa configurao como mostrada na figura 4.5.

Figura 4.5

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Dependendo da combinao de chaves abertas ou fechadas pode se obter na sada do inversor formas de onda diferentes. Estas chaves so implementadas nos inversores de freqncia com dispositivos semicondutores chamados de transistores de potncia. Existem vrias tecnologias de fabricao para este tipo de transistores. Os transistores mais freqentemente utilizados so os chamados: IGBT - Transistor Bipolar com Porta Isolada (Insulated Gate Bipolar Transistor) A figura 4.6 a seguir mostra um exemplo simples de como pode ser gerada uma primeira aproximao de uma onda senoidal. A linha cheia representa a onda gerada pela combinao de seis estados das chaves 1..6. A onda senoidal representada com linha tracejada serve como referncia para o leitor identificar a aproximao mencionada. Durante o primeiro estado as chaves 1, 5 e 6 esto fechadas e as chaves 2, 3 e 4 abertas. Assim no motor a tenso entre as fases U e V positiva, entre as fases V e W zero e entre as fases U e W positiva, como representado na forma de onda. Nos cinco estados seguintes mud a a combinao de chaves abertas e fechadas permanecendo o mesmo tipo de anlise do primeiro estado. Pode se deduzir tambm a partir da figura 4.6 que variando o tempo que cada combinao de chaves permanece num determinado estado, podemos variar a freqncia da onda de sada. Os inversores de freqncia modernos utilizam para a combinao de abertura e fechamento das chaves uma estratgia chamada de PWM (Pulse Width Modulation) ou Modulao por Largura de Pulsos. Esta estratgia permite a gerao de ondas senoidais de freqn cia varivel com resoluo de at 0,01Hz. OBSERVAO Os nmeros correspondem as chaves fechadas.

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Figura 4.6

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A figura 4.7 mostra o padro de chaveamento da tenso e a corrente resultante numa fase do motor, quando utilizada a tcnica PWM para comando dos transistores de potncia.

Figura 4.7

4.1 MTODOS DE CONTROLE DOS INVERSORES DE FREQUNCIA

l CONTROLE ESCALARO funcionamento dos inversores de freqncia com controle escalar est baseado numa estratgia de comando chamada V/F constante, que mantm o torque do motor constante, igu al ao nominal, para qualquer velocidade de funcionamento do motor. O estator do motor de induo possui um bobinado trifsico como mostrado na figura 2.4. Este bobinado tem dois parmetros que defin em suas caractersticas. Um deles a sua resistncia hmica R [Ohm] e o outro e a sua indutncia L [Henry]. A resistncia depende do tipo de material (cobre) e do comprimento do fio com qual realizado o bobinado. J a indutncia depende fundamentalmente da geometria (forma) do bobinado e da interao com o rotor. Fazendo uma anlise muito simplificada podemos dizer

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que a corrente que circular pelo estator do motor ser proporcional ao valor da resistncia R e ao valor da reatncia Indutiva XL que dependente da indutncia L e da freqncia f. Assim: XL = 2..f.L e I = V /( R 2 + X L2 )1/2 Para valores de freqn cia acima de 30Hz o valor da resistncia muito pequeno quando comparado com o valor da reatncia indutiva; desta maneira podemos, nesta aproximao, e para um mtodo de controle simples como o escalar, desprez-lo. Assim teremos que o valor da corrente ser proporcional tenso de alimentao V, indutncia L e freqncia f. O valor de indutncia L uma constante do motor, mas a tenso e a freqncia so dois parmetros que podem ser controlados pelo inversor de freqncia. Assim, se para variar a velocidade do motor de induo temos que variar a freqncia da tenso de alimentao, a estratgia de controle V/F constante varia a tenso proporcionalmente com a variao da freqncia de alimentao (e da reatncia indutiva) do motor para obter no estator uma corrente constante da ordem da corrente nominal do motor, como mostra a equao e a figura 4.8.

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I V/f = Cte.

Figura 4.8

Como se pode observar na figura 4.8, acim a de 60Hz a tenso no pode continuar subindo, pois j foi atingida a tenso mxima (tenso da rede), assim que a partir deste ponto a corrente, e conseqentemente o torque do motor, diminuiro. Est a regio (acima dos 60Hz no exemplo) conhecida como regio de enfraquecimento de campo. A figura 4.9 a seguir mostra o grfico do torque em funo da freqncia onde fica em evidncia este comportamento.

Figura 4.9

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Para freqncias abaixo de 30Hz o termo correspondente a resistncia R do estator, que foi desprezado anteriormente, comea a ter influncia no clculo da corrente. assim que, de para baixas freqncias, mantendo-se a proporcionalidade entre a freqncia e a tenso, a corrente e conseqentemente o torque do motor diminuem bastante. Para que isto seja evitado, a tenso do estator em baixas freqncias deve ser aumentada, atravs de um mtodo chamado de compensao I x R , conforme figu ra 4.10 a seguir.

Figura 4.10

Podemos deduzir assim que o cont role escalar em inversores de freqn cia utilizado em aplicaes normais que no requerem elevada dinmica (grandes aceleraes e frenagens), nem elevada preciso e nem controle de torque. Um inversor com controle escalar pode controlar a velocidade de rotao do motor com uma preciso de at 0,5 % da rotao nominal para sistemas sem variao de carga, e de 3 % a 5 % com variao de carga de 0 a 100 % do torque nominal. Pelo princpio de funcionamento e aplicao, so utilizados na maioria das vezes motores de induo convencionais sem nenhum sistema de realimentao de velocidade (tacogerador de pulsos acoplado ao motor) em malha fechada. A faixa de variao de velocidade pequena e da ordem de 1:10 (Ex: 6 a 60Hz). Com estas caractersticas, o inversor de freqncia escalar a mais utilizado em sistemas que no requerem alto desempenho. Este apresenta tambm um custo relativo menor quando comparado com 53

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outros tipos de inversores mais sofisticados, como por exemplo o inversor com controle vetorial. Veremos na continuao uma descrio dos inversores com controle vetorial.

l CONTROLE VETORIALEm aplicaes onde se faz necessria uma alta performance dinmica, respostas rpidas e alta preciso de regulao de velocidade, o motor eltrico dever fornecer essencialmente um controle preciso de torque para uma faixa extensa de condies de operao. Para tais aplicaes os acionamentos de corrente contnua sempre representaram uma soluo ideal, pois a proporcionalidade da corrente de armadura, do fluxo e do torque num motor de corrente contnua proporcionam um meio direto para o seu controle. Contudo, a busca por avanos tecnolgicos significativos tem diminudo esta hegemonia e, gradativamente, esto aparecendo opes de novas alternativas, como o uso de acionamentos em corrente alternada do tipo controle vetorial. Vantagens do Inversor com Controle Vetorial Elevada preciso de regulao de velocidade; Alta performance dinmica; Controle de torque linear para aplicaes de posio ou de trao; Operao suave em baixa velocidade e sem oscilaes de torque, mesmo com variao de carga. No motor de induo a corrente do estator responsvel por gerar o fluxo de magnetizao e o fluxo de torque, no permitindo obter um controle direto do torque. Basicamente, o circuito de potncia do inversor de freqncia vetorial no diferente de um inversor de freqncia v/f, sendo composto dos mesmos blocos funcionais. No inversor v/f a referncia de velocidade usada como sinal para gerar os parmetros tenso/freqnc ia varivel e disparar os transistores de potncia. J o inversor vetorial calcula a corrente necessria para produzir o torque requerido pela mquina, calculando a corrente do estator e a corrente de magnetizao. A palavra vetorial est sendo nos ltimos tempos muito utilizada para dar nome aos novos inversores, 54

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algumas vezes de maneira no muito apropriada. Vamos tentar esclarecer um pouco estes conceitos. Um vetor uma representao matemtica de um grandeza fsica que possui magnitude e direo, um exemplo tpico a representao vetorial de uma fora ou uma corrente eltrica. Os inversores vetoriais recebem este nome devido a que: 1. A corrente que circula no bobinado estatrico de um motor de induo pode ser separada em duas componentes: Id, ou corrente de magnetizao (produtora de FLUXO) e Iq ou o corrente produtora de TORQUE 2. A corrente total a soma vetorial destas duas componentes 3. O torque produzido no motor proporcional ao produto vetorial das duas componentes 4. A qualidade com a qual estas componentes so identificadas e controladas define o nvel de desempenho do inversor. Para calcular estas correntes necessrio resolver em tempo real uma equao que representa matematicamente o comportamento do motor de induo (modelo matemtico do motor). Tempo real significa que este clculo tem que ser feito muitas vezes por segundo, tantas vezes quanto necessrio para poder controlar o motor. por isto que este tipo de controle requer microprocessadores muito potentes que realizam milhares de operaes matemticas por segundo. Para resolver esta equao necessrio conhecer ou calcular os seguinte parmetros do motor: Resistncia do estator Resistncia do rotor Indutncia do estator Indutncia do rotor Indutncia de magnetizao

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Curva de saturao Muitos inversores vem com estes valores prprogramados para diferentes motores, outros mais sofisticados utilizam rotinas de autoajuste para calcular estes parmetros, caracterstica muito til quando utilizados motores rebobinados ou j existentes. O controle vetorial representa, sem dvida, um avano tecnolgico significativo, aliando as performances dinmicas de um acionamento CC e as vantagens de um motor CA. Porm, em alguns sistemas que utilizam controle vetorial necessrio o uso de um encoder (tacogerador de pulsos) acoplado ao motor para que se tenha uma melhor dinmica, o que torna o motor especial. Sendo assim podemos dizer que existem dois tipos de implementao de inversores vetoriais: o inversor sensorless (sem sensores) e o inversor com realimentao por encoder (controle orientado pelo campo). O inversor com realimentao por encoder capaz de controlar a velocidade e o torque no mot or, pois calcula as duas componentes da corrente do motor. Este tipo de inversores conseguem excelent es caractersticas de regulao e resposta dinmica, como por exemplo: Regulao de velocidade: 0,01% Regulao de torque: 5% Faixa de variao de velocidade: 1:1000 Torque de partida: 400% mx. Torque mximo (no contnuo): 400% O inversor sensorless tem um grau de desempenho menor que o anterior, mas superior ao inversor v/f . A seguir alguns valores tpicos para estes inversores: Regulao de velocidade: 0,1% Regulao de torque: No tem Faixa de variao de velocidade: 1:100 Torque de partida: 250% Torque mximo (no contnuo): 250%

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4.2 CARACTERSTICAS DOS MOTORES DE INDUO ACIONADOS COM INVERSORES DE FREQNCIA

Como j vimos na seo anterior, a curva caracterstica corrente x velocidade e torque x velocidade do motor de induo mostra que a partir do valor de torque equivalente a 150% do nominal (rea de trabalho intermitente) as duas curvas apresentam o mesmo comportamento. Isto significa que torque e velocidade tem um comportamento linear com a corrente.

Figura 4.11

Os inversores de freqncia trabalham exclusivamente nesta regio. Vejamos agora o comportamento da curva torque x velocidade quando o motor alimentado atravs do inversor de freqncia. A figura 4.12 mostra um conjunto de curvas para diferentes velocidades (freqncias) de operao. A 60Hz temos exatamente o caso da figura 4.11, que coincide com a resposta de um motor acionado diretamente da rede. O motor do exemplo um motor de quatro plos, assim sua velocidade sncrona ser de 1800 rpm e a velocidade do eixo, com carga nominal, ser 1750 rpm. Podemos ver assim que, com o motor com carga nominal, existe uma diferena de 50 rpm entre a velocidade sncrona calculada e a velocidade de rotao do moto r, devida ao escorregamento. 57

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Figura 4.12

Observando novamente a figura 4.9 vemos que para uma freqncia de alimentao de 30Hz a velocidade sncrona ser de 900 rpm, novamente para torque nominal o escorregamento ser o nominal equivalente a 50 rpm, e a velocidade do motor ser de 850 rpm. interessante observar que diminuindo a freqncia pela metade a velocidade sncrona tambm cai a metade, mas a velocidade do motor no, pois sempre tem uma diferena constante equivalente ao escorregamento. Outra caracterstica importante do acionamento de motores com inversores de freqncia que a corrente de partida praticamente da ordem da corrente nominal, e que alimentando o motor a partir de 3 ou 4Hz podemos obter no rotor um to rque de 150 % do nominal, suficiente para acionar qualquer carga acoplada ao motor.

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5PARMETROS DO INVERSOR DE FREQNCIA 5.1 5.2 Parmetros de leitura Parmetros de regulaol l Rampas de acelerao/desacelerao Curva U/F ajustvel

5.3

Parmetros de configuraol l l l l Frenagem Rampa de acelerao e frenagem reosttica Rejeio de freqncias crticas Partida com motor girando (flying start) Compensao do escorregamento

5.4

Parmetros do motor

5.5. Parmetros das funes especiaisl l Ciclo automtico Controle de processos com inversores de freqncia

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PARMETROS DO INVERSOR DE FREQNCIA

Um parmetro do inversor de freqncia um valor de leitura ou escrita, atravs do qual o usurio pode ler ou programar valores que mostrem, sintonizem ou adeqem o comportamento do inversor e motor em uma determinada aplicao. Exemplos simples de parmetros: l Parmetro de Leitura P003: Corrente consumida pelo motor l Parmetro Programvel P121: Velocidade de giro do motor, quando comandado pelo teclado (referncia de velocidade, valor de freqncia) . Quase todos os inversores disponveis no mercado possuem parmetros programveis similares. Estes parmetros so acessveis atravs de uma interface composta por um mostrador digital (display) e um teclado, chamado de Interface Homem-Mquina (IHM), ver figura 5.1.

Figura 5.1. Interface Homem-Mquina (IHM)

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Para facilitar a descrio, os parmetros sero agrupados pelas suas caractersticas: l Parmetros de leitura l Parmetros de regulao l Parmetros de configurao l Parmetros do motor l Parmetros das funes especiais

5.1 PARMETROS DE LEITURA

Os parmetros de leitura, como seu nome indica, permitem visualizar os valores programados nos parmetros de regulao, de configurao, do motor e das funes especiais. Por exemplo, na linha de inversores WEG so identificados do P001 at o P099. Estes parmetros no permitem a edio do valor programado; somente a sua leitura. EXEMPLOS: P001 - Referncia de Velocidade Valor da referncia de velocidade antes da rampa. Independe da fonte de origem da referncia. Indicao em rpm. P002 - Velocidade do Motor Indica o valor da velocidade real, em rpm. P003 - Corrente do motor Indica a corrente de sada do inversor em ampres. P004 - Tenso do circuito intermedirio Indica a tenso atual no circuito intermedirio de corrente contnua, em Volts. P005 - Freqncia aplicada ao motor Valor da freqncia de sada do inversor, em Hz . P006 - Estado do inversor Indica o estado atual do inversor. As sinalizaes disponveis so: Ready, Run, Subtenso e E00, ... E11

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P009 - Torque no Motor Indica a parcela da Corrente Total que proporcional ao torque, em %.

5.2 PARMETROS DE REGULAO

So os valores ajustveis a serem utilizados pelas funes do inversor. EXEMPLOS: P100 - Tempo de acelerao e P101 - Tempo de desacelerao Definem os tempos para acelerar linearmente de 0 at a velocidade mxima ou desacelerar linearmente da velocidade mxima at 0. A velocidade mxima definida pelo parmetro P134. P133 - Referncia mnima e P134 - Referncia mxima Define os valores mximo/mnimo de velocidade na sada quando o inversor habilitado.

RAMPAS DE ACELERAO/ DESACELERAOAs rampas permitem ao usurio do inversor modificar a velocidade de rotao do motor de forma controlada. Especificando o valor de tempo e velocidade final podemos assim controlar a acelerao e desacelerao do motor. Os inversores possuem normalmente dois tipos de rampas: Rampa linear A rampa linear a mais simples, e indicada para cargas com pouca inrcia. Na transio da velocidade zero para a rampa e da rampa para a velocidade final, o sistema acoplado ao motor recebe um impulso chamado de jerk. Este impulso produz vibraes no equipamento acoplado ao motor. Rampa em S A rampa S um recurso no qual se permite obter a acelerao/desacelerao de car gas onde se necessita de uma partida/parada de forma suave, no 63

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ocorrendo choques mecnicos no sistem a. A rampa S pode ser ajustada em fun o da aplicao atravs do software do inversor (parmetros de programao), onde se define os tempos d e acelerao e desacelerao e tambm o percentual de distoro S da curva, conforme descrito na figura a seguir:

Figura 5.2 - Acelerao e desacelerao por rampa S

Multi-Speed Esta funo permite a variao da freqncia de sada do inversor atravs de combinaes das entradas digitais, as quais podem ser comandadas atravs de: chaves seletoras, contatores, CLPs, chaves fim-decurso, etc. Seu uso recomendado quando utiliza-se duas ou mais velocidades fixas (pr-ajustadas), pois traz as seguintes vantagens: l imunidade a rudo eltrico l simplificao de comandos e ajustes EXEMPL O: P124 - Ref. 1 Multispeed _______ 90 rpm P125 - Ref. 2 Multispeed _______ 300 rpm P126 - Ref. 3 Multispeed _______ 600 rpm P127 - Ref. 4 Multispeed _______ 900 rpm P128 - Ref. 5 Multispeed _______ 1200 rpm P129 - Ref. 6 Multispeed _______ 1500 rpm 64

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P130 - Ref. 7 Multispeed _______ 1800 rpm P131 - Ref. 8 Multispeed _______ 1650 rpm

Figura 5.3

CURVA U/F AJUSTVELEsta funo permite a alterao das curvas caractersticas padres definidas, que relacionam a tenso e a freqncia de sada do inversor e conseqentemente o fluxo de magnetizao do motor, a fim de adequar a uma necessidade especfica.

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5


Esta caracterstica pode ser utilizada em aplicaes especiais nas quais os motores utilizados necessitam de tenso nominal ou freqncia nominal diferentes dos padres. O ajuste da relao entre a tenso e a freqncia feito atravs do software do inversor (parmetros de programao), onde se define a inclinao de uma reta (conforme ilustrado na figura a seguir) atravs de trs pares (U, f) de pontos distintos que so: Ponto mnimo, ponto mdio e ponto mximo.

Figura 5.4 - Curva U/f ajustvel

Esta caracterstica necessria, pois nestes casos o fluxo de magnetizao do motor diferente dos motores padres, o que pode acarretar picos de corrente ou operao com corrente acima da nominal do motor, que podem ocasionar a sua destruio ou bloqueio do inversor.

5.3 PARMETROS DE CONFIGURAO

Definem as caractersticas do inversor, as funes a serem executadas, bem como as funes das entradas e sadas.

FRENAGEMQuando o motor de induo est sendo empregado em processos que exigem paradas rpidas, o tempo de desacelerao muito pequeno e deve ser empregado o recurso de frenagem eltrica ou mecnica. Durante a frenagem a freqncia do rotor maior que a freqncia do estator, provocando um fluxo reverso da energia do rotor para o estator. O motor passa a funcionar ento como um gerador, injetando esta 66

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energia no barramento DC do inversor, o que provoca uma sobretenso neste. A frenagem eltrica pode ser feita atravs de um dos procedimentos abaixo, ou uma combinao deles: 1. Injeo de corrente contnua Permite a parada do motor atravs da aplicao de corrente contnua no mesmo. A magnitude da corrente contnua, que define o torque de frenagem, e o perodo durante o qual ela aplicada, so parmetros que podem ser especificados pelo usurio. Este modo geralmente usado com cargas de baixa inrcia, e pode causar um aquecimento excessivo do motor quando os ciclos de parada so muito repetitivos. 2. Rampa de desacelerao A freqncia diminui at zero, conforme o tempo de desacelerao especificado pelo usurio, podendo ser empregado quando os requisitos de parada no so muito rgidos. 3. Frenagem reosttica usada para dissipar a energia que retorna do motor atravs de um banco de resistores, durante a rpida frenagem do motor, evitando a sobretenso no barramento DC do driver. Geralmente se utiliza a frenagem reosttica para baixar a velocidade at um determinado valor, a partir do qual se aplica corrente contnua no motor, conseguindo uma frenagem rpida e preservando o inversor. A frenagem mecnica consiste em comandar, atravs de um rel, um sistema capaz de segurar o eixo do rotor. Normalmente estes sistemas tem um tempo de atraso elevado, tanto para ligar como desligar o freio. Assim o usurio deve ter certeza que o rotor est liberado do freio antes de dar um comando para mov-lo, caso contrrio o motor ir partir com uma condio de sobrecarga provocando uma sobrecorrente elevada. Parmetros associados: Durao da frenagem (P300); freqncia de incio da frenagem (P301); tenso aplicada durante a frenagem (P302)

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5


INJEO DE CORRENTE CONTNUAEste tipo de frenagem do motor conseguida aplicando-se no seu estator uma tenso contnua. Esta obtida pelo disparo dos transisto res do inversor, no necessitando nenhum dispositivo adicional. Este tipo de frenagem til quando se deseja a parada do motor (freio) apenas, diferentement e da frenagem reosttica que pode ser utilizada para reduzir a velocidade, mas mantendo-se o motor girando. O torque de frenagem pode ser ajustado de acordo com a aplicao, atravs do tempo de injeo de corrente contnua e do nvel de tenso CC aplicada no motor. Durante a frenagem CC, necessrio um intervalo para a desmagnetizao do mo tor (Tempo Morto), para no haver um pico de corrente no inversor, que poder atuar a proteo e bloquear o mesmo.

Figura 5.5 - Frenagem CC com bloqueio por rampa de desacelerao

RAMPA DE DESACELERAO E FRENAGEM REOSTTICA possvel uma frenagem controlada atravs de uma rampa de desacelerao quando a freqncia aplicada ao motor reduzida de uma forma controlada, necessitando-se para isso de um inversor de freqncia, sendo que dessa forma o motor se comporta como um gerador assncrono e fornece um torque de frenagem. Em outras palavras, quando o escorregamento torna-se negativo, isto , quando a velocidade sncrona (ou freqncia estatrica aplicada pelo inversor) torna-se menor do que a velocidade do motor (velocidade rotrica), o torque gerado pelo motor torna-se negativo e este frenado. Neste estado o motor o pera como gerador com a energia cintica (do motor e da carga) convertida em energia eltrica 68

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que transmitida ao circuito intermedirio (CC), atravs da ponte de transistores, como energia que consumida atravs de um mdulo de frenagem reosttica. A potncia da frenagem funo do tempo de desacelerao, da inrcia das massas em movimento e do torque resistente. Uma parte da energia de frenagem dissipada em perdas no moto r, e o restante dever ser dissipada de alguma forma. Os inversores de freqncia apresentam a opo de utilizao de mdulos de frenagem reosttica, que so bancos de resistores controlados eletronicamente e conectados ao circuito intermedirio (CC) que permite se obter at um torque de frenagem prximo ao torque nominal do motor, assegurando a dissipao da energia de frenagem nestas resistncias externas. A corrente mxima admissvel na resistncia de frenagem est relacionada aos seguintes fatores: l Valor hmico da resistncia de frenagem; l Corrente de limitao do inversor associado; l Corrente mxima do transistor de potncia.

Figura 5.6 - Curva de torque x rotao da mquina assncrona com motor e gerador

REJEIO DE FREQNCIAS CRTICASEste recurso se utiliza quando o sistema a ser acionado possui faixas de operao com rotaes crticas e que no podem ser utilizadas. Como exemplo, problemas de ressonncia mecnica em 69

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ventiladores, que causam a vibrao excessiva do mesmo, podem causar a destruio de rolamentos e eixos. A rejeio de freqncias crticas feita atravs do ajuste da freqncia central e de uma banda em torno desta freqncia a qual o inversor no permitir acionar o mot or, conforme mostra a figura 5.7.

Figura 5.7 - Rejeio de freqncias crticas

Quando da acelerao ou desacelerao do moto r, o inversor atua atravs das rampas ajustadas, passando pelas freqncias crticas, chegando aos valores desejados. Caso o valor ajustado seja uma freqncia crtica, o inversor ir operar na freqncia imediatamente acima ou abaixo do limite imposto.

PARTIDA COM MOTOR GIRANDO (FLYING START)Este recurso se utiliza para quando necessrio o religamento do motor com o inversor de freqncia mesmo que o moto r (ou mquina) ainda esteja em movimento. Para os inversores comuns sem este recurso, o religamento no possvel devido ao fato de que quando o motor ainda encontra-se girando, existe uma magnetizao residual que faz com que seja gerada uma tenso nos seus terminais. Com o religamento do in versor, surgem ento picos de corrente transitrias que faz com que a proteo contra curto-circuito do inversor atue, bloqueando-o. Com o recurso de partida com motor girando, o inversor atua de forma a impor a freqncia de 70

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referncia instantaneamente, fazendo uma rampa de tenso num tempo especificado pelo usurio. Caso exista uma realimentao de posio, atravs de encoder ou resolver, o driver pode calcular a velocidade atual do motor e iniciar seu comando nesta freqncia, ut ilizando as rampas de acelerao ou desacelerao para atingir a velocidade de referncia, no sendo necessrio especificar nenhum parmetro auxiliar para o procedimento de Flying Start . Parmetros associados: Tempo para que a tenso de sada varie de 0 Volts at a tenso de trabalho, proporcional a freqncia de referncia (P311).

COMPENSAO DO ESCORREGAMENTOPara que um motor de induo desenvolva torque necessrio que a velocidade do rotor seja inferior a velocidade do estator (Hz), sendo a diferena entre ambas denominada escorregamento. A quantidade de escorregamento determinada diretamente pela condio de carga do motor, assim por exemplo o campo girante produzido no estator, de um motor de quatro plos ligado rede de 220 V/60 Hz, gira velocidade de 1800 rpm, mas a velocidade do rotor ser aproximadamente 1750 rpm a plena carga e 1795 rpm a vazio. A compensao do escorregamento empregada para manter a velocidade constante indep endente de mudanas na carga, atuando como um controle de velocidade em malha aberta. Assim, a freqncia de sada do inversor aumenta ou diminui conforme a corrente do motor varia em funo do aumento ou diminuio da carga.

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5.4 PARMETROS DO MOTOR

Define os parmetros obtidos dos dados de placa.

EXEMPLOSl P400 - Tenso do motor l P401 - Corrente do motor l P402 - Rotao do motor l P403 - Freqncia do motor

5.5 PARMETROS DAS FUNES ESPECIAIS

Inclui os parmetros relacionados com ciclo automtico, regulador PID e regulador de velocidade.

CICLO AUTOMTICOO ciclo automtico utilizado para acionar um motor em uma determinada seqncia de operao a ser repetida a cada liberao do inversor. Conforme demonstrado na figura a seguir, a freqncia de cada patamar, bem como a sua durao podem ser ajustadas (programadas) independentemente.

Figura 5.8

Esta funo proporciona as seguintes vantagens dentro do processo: l No necessita de comando externo para troca de velocidades (operador ou dispositivo de comando temporizados); l tempos de atuao precisos e mais estveis e no apresentam influncia externa (grande repetibilidade); l imunidade a rudo eltrico; 72

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l simplificao de comandos e ajustes; l eliminao da manuteno de dispositivos de comandos externos; l maior flexibilidade na programao do ciclo do processo.

CONTROLE DE PROCESSOS COM INVERSORES DE FREQNCIARegulador PID (Proporcional Integral Derivativo) Um regulador pode ser descrito como um sistema que l do processo a varivel que se deseja controlar e a compara com o valor de referncia desejado, produzindo um sinal de sada que atuar sobre o processo no sentido de diminuir a diferena entre o valor lido e o desejado. O algoritmo de um regulador PID consegue obter erro nulo em regime. Este regulador pode ser ut ilizado para controlar diversas variveis do sistema, como vazo, nvel, temperatura, ou presso, superpondo seu sinal de controle ao controle normal de velocidade do inversor (U/F). Exemplos de aplicao Controle de vazo em uma tu bulao, com realimentao da vazo e com o inversor acionando a motobomba que faz o fluido circular; controle de nvel, controle de presso; controle de temperatura, etc. Parmetros associados: Ganho proporcional; ganho integral; ganho diferencial; tipo de realimentao; referncia; tipo de ao (reversa ou direta); nmero de pulsos por revoluo (no caso de realimentao por encoder). Como exemplo temos o controle de vazo:

Figura 5.9 - Controle de vazo com inversor de freqncia

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6COMANDO E CONTROLE DE VELOCIDADE EM MOTORES DE INDUO ACIONADOS POR INVERSORES DE FREQNCIA 6.1 6.2 Sensores de posio e velocidade Medio de velocidade6.2. 1 Algoritmo de estimao de freqncia 6.2. 2 Algoritmo de estimao de perodo 6.2. 3 Algoritmo de estimao simultnea de perodo e freqncia

6.3 6.4

Rudos Sincronizao de velocidade

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COMANDO E CONTROLE DE VELOCIDADE EM MOTORES DE INDUO ACIONADOS POR INVERSORES DE FREQNCIA

Comandar a velocidade de um motor acionado por um inversor de freqncia significa simplesmente programar ou colocar uma referncia de velocidade numa entrada do inversor, sem ter informao real se essa velocidade programada est presente no eixo do motor. Em sistemas que no requerem muita preciso ou que so acoplados a cargas conhecidas e constantes, o comando de velocidade pode ser suficiente para atingir as especificaes projetadas. Mas em sistemas que requerem maior preciso no valor da velocidade do eixo do motor necessrio controlar o sistema. Controlar o sistema significa colocar um sensor que indique o valor real da varivel, por exemplo, a velocidade (acoplando um sensor ao eixo do motor), e realimentar este valor num regulador do inversor que atuar no sentido de diminuir a diferena entre o valor lido no sensor e o valor desejado (programado). assim que continuamente o sensor est informando ao inversor o valor real da varivel, para este poder corrigir em forma dinmica (em todo momento) o desvio do valor programado.

Figura 6.1

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6.1 SENSORES DE POSIO E VELOCIDADE

Dada sua simplicidade e baixo preo os codificadores angulares ou tacogeradores de pulsos, chamados normalmente de encoders, transformaram-se nos ltimos anos, num dos dispositivos mais utilizados para

medio de posio angular e velocidade.Figura 6.2

Os codificadores incrementais so dispositivos ptomecnico-eletrnicos que fornecem informao discreta de deslocamento (posio relativa). Estes so fabricados com um disco de vidro ou metal que tem na sua periferia uma trilha com segmentos opacos e transparentes (ver figura 6.2) Trs conjuntos de emissores de luz e detetores fotoeltricos so cuidadosamente dispostos a cada lado do disco codificado. Este disco montado em um eixo podendo girar livremente, sendo acoplado pela sua vez ao eixo do elemento do qual se deseja determinar o deslocamento ou velocidade (por exemplo o eixo do motor). Quando o eixo gira, as linhas o pacas e transparentes do disco passam entre o emissor e detetor de luz, modulando desta maneira o feixe luminoso produzido pelo emissor de luz, atingindo o detetor, e gerando neste um sinal eltrico correspondente com as divises gravadas no disco. O feixe de luz focalizado no disco mediante sistemas 78

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pticos (lentes, espelhos, prismas, etc). Os dois pares emissor/detetor so posicionados de maneira tal a produzir no detetor dois sinais defasados de 90, ver figura 6.3 (sinais A e B). Estes sinais so processados (decodificados) por um circuito eletrnico obtendo-se informao do sentido de rotao e a quadruplicao da resoluo bsica do encoder (nr. pulsos/rev x 4).

Figura 6.3

Portanto o nmero de pulsos do encoder detectados, por exemplo eletronicamente em um dispositivo de contagem, uma medida do deslocamento angular do dispositivo. A distncia entre dois pulsos adjacentes do encoder : Xk - X k-1= Xk (ver figura 6.4)

Figura 6.4

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valor conhecido e constante. Se o encoder possui p pulsos por revoluo, o valor unitrio de deslocamento ser 1/p: Xk = X=1/p [rev]. Desta maneira a posio Xk (posio depois de acontecidos k pulsos), k . X =k/p [rev.] =k . 2/p [rad.] Logo, para medir posio basta um dispositivo que possa contar os pulsos gerados pelo encoder.

6.2 MEDIO DE VELOCIDADE

At pouco tempo atrs s eram utilizados tacogeradores analgicos para realimentao de velocidade em motores eltricos; mas estes apresentavam problemas como: no- linearidades variao da resposta com a temperatura baixa preciso (0,5% no melhor dos casos) muito sensveis rudo (sinal analgico) Com a macia utiliza dos encoders t em surgido o diferentes tipos de t cnicas de medio digital de velocidade. Para analisar estes mtodos importante definir os parmetros que caracterizam um sistema de medio, a saber: Resoluo: o menor incremento de velocidade que pode ser medido pelo sistema Preciso: o mximo desvio que o valor medido sofre em relao ao valor real de velocidade Tempo de detec o: o tempo que o sistema necessita para realizar a medio. Faixa de medio: a faixa de velocidades (velocidade mxima, velocidade mnima) dentro da qual o sistema opera dentro das especificaes. Assim, um bom sistema aquele cujo mtodo de medio propicia alta resoluo, alta preciso e baixo tempo de deteco numa larga faixa de medio. Existem vrios mdodos de medio de velocidade. Cada mtodo pode ser caracterizado por um algoritmo de estimo, j que o valor da velocidade estimado a partir de um dado de posio.

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6.2.1 Algoritmo de Estimao de Freqncia

A velocidade aproximada contando o nmero de pulsos M1 vindos do transdutor durante um tempo fixo T p, ver figura 6.5. Este mtodo indicado para sistemas com faixa de medio estreita e para medio de altas velocidades.

Figura 6.5

6.2.2 Algoritmo de Estimao do Perodo

A velocidade aproximada medindo-se o tempo compreendido entre um nmero inteiro de pulsos consecutivos do encoder P e (dois ou mais). Este tempo computado com a ajuda de uma base de tempo Pc com freqncia fixa conhecida (ver figura 6.6), contando os pulsos M2. Este mtodo t al como o anterior utilizado para faixas de medio estreitas, mas em baixas velocidades.

Figura 6.6

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6.2.3 Algoritmo de Estimao Simultnea de Perodo e Freqncia

A velocidade aproximada medindo perodo e freqncia. Desta maneira as duas medies so realizadas sincronizada mente permitindo obter com este mtodo bons resultados tanto em altas como em baixas velocidades.

6.3 RUDOS

O ambiente industrial normalmente muito poludo por rudos de origem eletromagntica, podendo comprometer a integridade dos sinais transmitidos desde os sensores at mquina. Os cabos que conduzem os sinais atuam como antenas receptoras dos rudos, corrompendo a informao, podendo causar srios problemas. A quantidade de rudo eletromagntico induzido nos cabos pode ser minimizada utilizando-se cabos blindados, nveis de sinal elevados (12 ou 24 V) ou transmisso de sinais em forma diferencial.

Figura 6.7

A figura 6.7 mostra uma linha de transmisso diferencial; se um rudo for induzido na linha, os dois canais sero afetados e como no final da linha realizada uma operao de subtrao dos sinais o rudo ser rejeitado. Dependendo do tipo de cabo e da impedncia de sada do dispositivo que gera o sinal diferencial, os sinais podem ser transmitidos at uma distncia mxima de aproximadamente 1000 metros.

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6.4 SINCRONIZAO DE VELOCIDADE

A figura 6.8 mostra uma representao esquemtica de um mecanismo convencional para variao de velocidades e sentido de rotao. Normalmente utilizada uma cadeia cinemtica, com projeto baseado em especificaes de velocidade, sentido de rotao e torque; as caractersticas de sada esto determinadas pelas caractersticas do acionamento combinadas com um determinado conjunto de engrenagens.

Figura 6.8

Este tipo de configu rao utilizado em aplicaes onde so necessrias relaes de transmisso fixas. No entanto, em aplicaes onde se precisa de uma relao varivel, necessrio um sistema que gere instantaneamente uma n ova relao de transmisso. A figura 6.9 mostra um exemplo onde no obstante existir redutores, necessrios para adaptar velocidades e/ou torques dos motores com as respectivas cargas, existe tambm para cada eixo um acionamento controlado eletronicamente. Este tipo de sistema alm de eliminar a complicada cadeia cinemtica oferece a grande flexibilidade do controle eletrnico onde qualquer combinao de velocidade e sentido de rotao pode ser programado.

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Figura 6.9

O sistema possui um motor e um acionamento por eixo. Um dos eixos opera com a funo de mestre, isto , seu valor real de velocidade fornecido para sincronizar os outros eixos, considerados escravos, pois suas velocidades sero proporcionais, com razo de proporcionalidade programvel, velocidade do eixo mestre. Sistema multimotores: quando um inversor de f reqncia alimenta vrios motores conectados em paralelo. Todos os motores devero ter a mesma tenso e freqncia de alimentao. A velocidade de funcionamento dos motores depender do nmero de plos e do escorregamento (que fun o da carga) de cada motor. Neste tipo de aplicao deve se levar em conta que um ou vrios dos motores ligados ao sistema multimotores pode necessitar ser desligado com o inversor funcionando, este fato precisa ser levado em considerao na hora do dimensionamento. 84

7APLICAO DE ACIONAMENTOS COM MOTORES DE INDUO E INVERSORES DE FREQNCIA 7.1 Introduo, definies, fundamentos e princpios7.1. 1 Definies 7.1. 2 Relaes bsicas

7.2

O que a carga requer7.2. 1 Tipos de carga l Torque constante l Potncia constante l Torque linearmente crescente l Torque com crescimento quadrtico 7.2. 2 O pico de carga 7.2. 3 Estimando cargas

7.3

Seleo de acionamentos (motor/inversor)7.3. 1 Operao abaixo da rotao nominal l Motor autoventilado l Motor com ventilao independente 7.3. 2 Operao acima da rotao nominal 7.3. 3 Casos especiais l Efeito da temperatura ambiente l Efeito da altitude

7.4

Aplicaes tpicasl Bombas centrfugas e ventiladores l Extrusoras l Bobinadores/desbobinadores

7

APLICAO DE ACIONAMENTOS COM MOTORES DE INDUO E INVERSORES DE FREQNCIA

7.1 INTRODUO, DEFINIES, FUNDAMENTOS E PRINCPIOS

Uma das maiores fontes de problemas ao se tratar de sistemas de acionamento a aplicao inadequada dos diversos tipos existentes. Acionamentos ca e cc tm caractersticas peculiares, que devem ser levadas em conta ao se fazer uma escolha. No s as caractersticas de torque so diferentes, mas tambm h considerveis diferenas de custos, perturbaes introduzidas na rede eltrica, fator de potncia gerado, dimenses de carcaa disponveis, etc. necessrio, portanto, um conhecimento bsico de como o motor interage com o sistema de controle, e estes dois por sua vez, com a mquina a ser acionada, a fim de se poder fazer uma aplicao apropriada. O dimensionamento do acionamento feito com base no torque requerido p ela carga (veja a definio de torque e de carga na seo 7.1.1 abaixo). Assim, pode-se dizer que necessrio conhecer muito bem a mquina a ser acionada. muito importante fazer uma quantidade to grande quanto possvel de perguntas, mesmo a respeito de coisas aparentemente insignificantes. impossvel perguntar demais, e um dos segredos est em entender muito bem a aplicao. necessrio ainda uma compreenso das relaes entre torque , potncia, velocidade e acelerao/ desacelerao, bem como do efeito de uma transmisso mecnica nestas grandezas. Finalmente, necessrio utilizar um mtodo sistemtico para selecionar o equipamento adequado.

7.1.1Definies

MOTOR - Sempre que houver uma meno genrica a motor nesta seo, estar se referindo ao motor de corrente alternada (ca) de induo, assncrono, com rotor tipo gaiola de esquilo, a menos de declarao explcita ao contrrio. ACIONAMENTO - A palavra acionamento significa aqui, o conjunto compreendido pelo motor e seu sistema de partida, mais qualquer aparelho eletrnico de controle envolvido (tal como um inversor). 87

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CARGA - A palavra carga significa aqui, o conjunto de componentes da mquina que se movem, ou que esto em contato e exercem influncia sobre eles, comeando a partir da ponta-de-eixo do motor. TORQUE - O torque pode ser definido como a fora necessria para girar um eixo. Ele dado pelo produto da fora tangencial F (N) pela distncia r (m), do ponto de aplicao da fora ao centro do eixo. A unidade de torque no SI (Sistema Internacional) o Nm (Newton-metro). INRCIA - Inrcia a resistncia que uma massa oferece modificao do seu estado de movimento. Todo corpo que tem massa tem inrcia. Uma massa em repouso requer um torqu e (ou fora) para coloc-la em movimento; uma massa em movimento requer um torque (ou fora) para modificar a sua velocidade ou para coloc-la em repouso. O momento de inrcia de massa J (kgm 2) de um corpo depende da sua massa m (kg) e da distribuio da massa ao redor do eixo de giro, ou seja, da sua geometria. O Anexo 1 traz as frmulas para o clculo do momento de inrcia de massa de diversos corpos comuns.

7.1.2 Relaes Bsicas

Torque O torque T (Nm) o produto da fora F (N) necessria para girar o eixo, pela distncia r (m) do ponto de aplicao da fora ao centro do eixo T=F*r (7.1) Este o torque necessrio para vencer os atritos internos da mquina parada, e por isso denominado de torque esttico de atrito, Te at . Pode-se determinar o torque demandado para por em movimento uma mquina, medindo a fora, por exemplo, utilizando uma chave de grifo e um dinammetro de mola (figura 7.1).

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Figura 7.1 - Medio de torque

Exemplo: Se obtivermos uma leitura de fora de 75 N (~ 7,6 kgf) a 0,6 m (600 mm) do centro do eixo de entrada, o torque ser (eq. 7.1) Te at = 75 * 0,6 = 45,0 Nm VELOCIDADE DE ROTAO A mxima velocidade sncrona de rotao n (rpm) de um motor controlado por inversor depende do nmero de plos p do motor e da freqncia mxima de sada f (Hz) do inversor selecionado. n = 120 * f / p (7.2) Exemplo: Um motor de 2 plos comandado por um inversor cuja freqncia mxima de sada de 150Hz, permite chegar at uma velocidade sncrona de (eq. 7.2) n = 120 * 150 / 2 = 9.000 rpm POTNCIA A potncia P dada pelo produto do torque T (Nm) pela velocidade de rotao n (rpm) P = (2*/60) * T * n (7.3) e a unidade o Watt. (Lembre-se: 1.000 W = 1 kW) Exemplo: Se a mquina demandasse os mesmos 45,0 Nm a uma velocidade de rotao de 1.760 rpm, ento a potncia seria (eq. 7.3)

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P = (2*/60) * 45,0 * 1.760 = 8.294 W (~ 8,3 kW) ACELERAO (DESACELERAO) O torque T (Nm) necessrio para acelerar (ou desacelerar) uma carga com momento de inrcia de massa (ou simplesmente inrcia) J (kgm2), da velocidade de rotao n1 (rpm) para n2 (rpm), em um tempo t (s), dado por

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