Apostila Teoria de Conversores

TEORIA DE CONVERSORES

DE FREQNCIA, SOFT STARTERS E CONTROLES EM MALHA ABERTA E MALHA FECHADA

TEORIA DE CONVERSORES DE FREQUENCIA, SOFT STARERS E METODOS DE CONTROLES AUTOR: TEC. DAVIDSON S. TIBURCIO GB AUTOMAO LTDA RUA TRIPUI N 91A GUARANI BELO HORIZONTE - MG Telefax: ( 31) 3433-4565 E-mail: [email protected]

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NDICEIntroduo ......................................................................................................................3 Motores Eltricos ....................................................................................................4 Motores Assncronos ...................................................................................................6 Estator..........................................................................................................................6 Rotor ............................................................................................................................8 Escorregamento, Torque e Velocidade. .................................................................... ..10 Eficincia e Perdas .......................................................................................................12 Campo Magntico .........................................................................................................13 Circuito Equivalente .....................................................................................................13 Mudanas de velocidade .............................................................................................17 Regulao por Freqncia...........................................................................18 Magnetizao Adicional na Partida..............................................................20 Magnetizao Devido a Variao de Carga............................................... .20 Tipos de Carga .............................................................................................................21 Conversores de Freqncia... ..................................................................................22 O Retificador.............................................................................................................. ..23 . Retificadores no Controlados......................................................................................24 Retificadores Controlados............................................................................................25 O Circuito Intermedirio ...............................................................................................27 Inversores Fonte de Corrente (I-converters). ........................................................27 Circuito Intermedirio com Tenso CC Varivel ...................................................... ....28 O Inversor ....................................................................................................................29 O Circuito de Controle .................................................................................................31 Conversores de Freqncia e Motores .....................................................................32 Caractersticas de Torque do Motor. ....................................................................... ....32 Mtodos de Controle de Maquina de Induo............................................33 Controle da Tenso no Estator...................................................................33 Controle da Tenso no Rotor.................................... .................................34 Controle da Freqncia...............................................................................36 Controle da Tenso e Freqncia...............................................................37 Acionamento do Motor de Induo com Conversores de Freqncia........38 Soft - Starters .............................................................................................................40 Tipos de controle de Soft Starters ............................................................................ ....43 Correo do Fator de Potncia. ....................................................................................44 Introduo ao Sistemas de Controle........................................................44 Controle em Malha Aberta.......................................................................45 Controle em Malha Fechada....................................................................46 Funes de Transferncia.........................................................................47 Funes de Transferncia Malha Fechada..............................................50 Estabilidade...............................................................................................51 Desempenho do Sistema de Controle.......................................................53 Desempenho em Regime Transitrio........................................................53 Desempenho em Regime Permanente.....................................................54 Segmento de Referncia...........................................................................56 Rejeio Perturbaes...........................................................................56 Bibliografia.................................................................................................59


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INTRODUOOs conversores de freqncia so equipamentos eletrnicos que fornecem total controle sobre a velocidade de motores eltricos de corrente alternada atravs da converso das grandezas fixas, tenso e freqncia da rede, em grandezas variveis. Apesar de o princpio ser o mesmo, houve grandes mudanas entre os primeiros conversores de freqncia e os atuais, devido principalmente evoluo dos componentes eletrnicos com destaque aos TIRISTORES e aos microprocessadores digitais. A maioria dos conversores de freqncia usados pela indstria para controlar a velocidade de motores eltricos trifsicos de corrente alternada so desenvolvidos de acordo com dois princpios: Conversores desenvolvidos sem um circuito intermedirio, conhecidos como conversores diretos e; Conversores de freqncia com um circuito intermedirio varivel ou fixo.

Figura 1 - Tipos de Conversores de Freqncia.


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Os circuitos intermedirios podem ser tanto com corrente contnua como com tenso contnua e so conhecidos como conversores com fonte de corrente ou conversores com fonte de tenso. Os conversores de freqncia com circuitos intermedirios oferecem inmeras vantagens sobre os conversores sem circuito intermedirio: Melhor controle sobre a potncia reativa. Reduo de harmnicas No existem limitaes com relao freqncia de sada, mas existe uma limitao nos sistemas de controle e nos componentes utilizados. Conversores de freqncia com altas freqncias de sada so normalmente conversores com circuito intermedirio.) Conversores diretos so relativamente mais baratos do que conversores com circuitos intermedirios, mas sofrem com a baixa reduo de harmnicas. Como a maioria dos conversores de freqncia usa circuito intermedirio com tenso contnua, nossa apostila ir focar nesses conversores.

MOTORES ELTRICOSPara compreender o funcionamento de um Conversor de Freqncia de fundamental importncia entender primeiro como funciona um motor de induo. O primeiro motor eltrico foi, uma mquina de corrente contnua, construda em 1833. O controle de velocidade desse tipo de motor relativamente simples e atende as necessidades da maioria das aplicaes. Em 1889, o primeiro motor de corrente alternada foi desenvolvido. Mais simples e robusto do que os de corrente contnua, a mquina trifsica de corrente alternada sofria com valores fixos de velocidade e caractersticas de torque, o que limitou por vrios anos o uso desses motores em aplicaes especiais. Os motores trifsicos de corrente alternada so conversores eletromagnticos de energia, convertendo energia eltrica em energia mecnica (operando como motor) e vice-versa (operando como gerador) atravs da induo eletromagntica. O princpio da induo eletromagntica que se um condutor movimentado atravs de um campo magntico (B), uma tenso induzida. Se o condutor um circuito fechado, uma corrente (I) ir circular. Quando o condutor movimentado, uma fora(F), que perpendicular ao campo magntico, ir agir sobre o condutor.


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a) Princpio do gerador (induo atravs do movimento). No princpio do gerador, movimentando um condutor atravs de um campo magntico gera uma tenso. b) Princpio do motor. No motor, o princpio da induo reverso e um condutor conduzindo uma corrente posicionado dentro de um campo magntico. O condutor ento influenciado por uma fora (F) que movimento o condutor para fora do campo magntico.

Figura 2 - Princpio da Induo Eletromagntica.

No princpio do motor, o campo magntico e o condutor com uma corrente circulando geram o movimento. O campo magntico gerado na parte estacionria (ESTATOR) e os condutores, que so influenciados pelas foras eletromagnticas, esto na parte girante (o rotor). Motores de corrente alternada trifsicos podem ser divididos em dois grupos principais: Assncronos e sncronos. O estator funciona basicamente da mesma maneira nos dois tipos de motores, mas o projeto e o movimento do rotor em relao ao campo magntico so diferentes. Nos sncronos (que significa simultneo ou o mesmo) a velocidade do rotor e do campo magntico a mesma e no assncrono so diferentes.

Figura 3 - Tipos de motor CA


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MOTORES ASSNCRONOSMotores assncronos so os mais utilizados e praticamente no requerem manuteno. Em termos mecnicos eles so virtualmente unidades padro, de forma que fornecedores esto sempre disponveis. Existem vrios tipos de motor assncrono, mas todos eles seguem o mesmo princpio bsico.

Figura 4-Construo de um motor assncrono.

ESTATORO estator a parte fixa do motor. Na carcaa do motor existe um ncleo de ferro formado por folhas finas de ferro (0,3 a 0,5mm). Essas folhas de ferro possuem ranhuras para o enrolamento trifsico. Os enrolamentos de fase e o ncleo do estator geram o campo magntico. O nmero de par de plos (ou plos) determinam a velocidade que o campo magntico ir girar. Se o motor est ligado na sua freqncia nominal, a velocidade do campo magntico chamada de velocidade sncrona do motor(n0). Par de plos (p) 1 2 3 4 6 Nmero de plos (2p) 2 4 6 8 12 Velocidade Sncrona 3600 1800 1200 900 600


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O CAMPO MAGNTICOO campo magntico gira no entreferro entre o estator e o rotor. Aps a conexo de um enrolamento a uma fase de alimentao, um campo magntico induzido.

Figura 5 - Uma fase resulta em um campo alternado.

O sentido do campo magntico no estator fixo, mas a direo muda. A velocidade dessa mudana determinada pela freqncia de alimentao. Numa freqncia de 60Hz (padro brasileiro) o campo alternaria de direo 60 vezes por segundo. Se dois enrolamentos so conectados ao mesmo tempo, cada um em uma fase de alimentao, dois campos magnticos seriam induzidos no ncleo do estator. Em um rotor de dois plos, existe um deslocamento de 120 entre os dois campos. Os valores mximos dos campos tambm esto deslocados no tempo. Isso resulta na criao de um campo magntico girante no estator. Entretanto, o campo altamente assimtrico at que a terceira fase conectada. As trs fases geram trs campos magnticos no estator que esto deslocados 120 entre si.

Figura 6 - Trs fases resultam num campo magntico girante e simtrico.


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O estator est, agora, conectado a uma fonte de tenso trifsica e os campos magnticos de cada enrolamento constroem um campo magntico simtrico, girante chamado de campo girante do motor. A amplitude do campo girante constante e igual a 1,5 vezes o valor mximo dos campos alternados. A velocidade de rotao :

A velocidade ento depende do nmero de par de plos (p) e da freqncia (f) da fonte de alimentao.

Figura 7 - Campo resultante em trs momentos diferentes.

A visualizao do campo magntico como um vetor e sua correspondente velocidade angular forma um crculo. Como uma funo do tempo num sistema de coordenadas, o campo girante forma uma curva senoidal. O campo girante se torna elptico se a amplitude variar durante a rotao.

ROTORAssim como o estator o rotor feito de folhas de ferro com abertura entre elas. Existem dois tipos principais de rotor: O rotor bobinado O rotor curto-circuitado. Rotores bobinados, assim como os estatores, possuem trs enrolamentos, um para cada fase, que so conectados atravs de um anel coletor. Aps o curto-circuito do anel coletor, o rotor ir funcionar como um rotor curto-circuitado. Rotores curto-circuitados possuem barras de alumnio que passam atravs das ranhuras. Um anel de alumnio colocado em cada extremidade do rotor para curto-circuitar as barras. O rotor curto-circuitado o mais usado dos dois. Visto que os dois rotores trabalham basicamente da mesma forma, apenas o rotor curto circuitado ser estudado.TEORIA DE CONVERSORES DE FREQUENCIA, SOFT STARERS E METODOS DE CONTROLES AUTOR: TEC. DAVIDSON S. TIBURCIO GB AUTOMAO LTDA RUA TRIPUI N 91A GUARANI BELO HORIZONTE - MG Telefax: ( 31) 3433-4565 E-mail: [email protected]

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Figura 8 - Campo girante e o rotor curto-circuitado.

Quando uma barra do rotor colocada num campo girante, um plo magntico passa atravs da barra. O campo magntico do plo induz uma corrente (Iw) no rotor que afetada apenas pela fora (F). A fora determinada pela densidade de fluxo (B), a corrente induzida (Iw), o tamanho do rotor (l) e o ngulo () entre a fora e a densidade de fluxo.

O prximo plo que ir passar pelo rotor tem a polaridade invertida. Isso induz uma corrente na direo contrria. Visto que a direo do campo magntico tambm mudou, a fora age na mesma direo que antes. Quando o rotor colocado no campo girante, a velocidade do rotor no ir atingir a velocidade do campo girante, posto que na mesma velocidade , nenhuma corrente seria induzida no rotor.

Figura 9-Induo nas barras do rotor.


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ESCORREGAMENTO, TORQUE E VELOCIDADE.Sobre circunstncia normais, a velocidade do rotor, nn, menor do que a velocidade do campo girante, n0. O escorregamento, s, a diferena entre a velocidade do campo girante e a velocidade do rotor. O escorregamento normalmente expresso como uma porcentagem da velocidade sncrona e normalmente est entre 4 e 11% da velocidade nominal. A densidade de fluxo (B) definida como o fluxo ( ) que atravessa a seo transversal (A). Da equao 1 a seguinte fora pode ser calculada:

Barras do rotor, uma tenso induzida via um campo magntico. Essa tenso faz com que uma corrente (Iw) circule atravs das barras curto circuitadas. As foras de cada barra do rotor so combinadas para gerar um torque, T, no eixo do motor.

w=pxt

= 9,55

Figura 10 - O torque do motor: "fora vezes o brao da alavanca".


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A relao entre o torque do motor e a sua velocidade tem uma caracterstica que varia com a construo do rotor. O torque do motor resulta numa fora que faz girar o seu eixo. A fora aparece, por exemplo, no caso de um volante montado no eixo. Com a fora (F) e o raio (r) do volante, o torque do motor pode ser calculado:

O trabalho feito pelo motor pode ser expresso como: W F d= , onde d a distncia que o motor percorre para uma dada carga, n o nmero de revolues:

O trabalho tambm pode ser expresso pela potncia multiplicada pelo tempo pelo qual essa potncia solicitada: O Toque ento:

Essa frmula mostra a relao entre a velocidade, n, o T [Nm] e a potncia do motor P [kW]. A frmula d uma viso rpida quando observamos n, T e P em relao aos valores correspondentes num ponto de operao (nr, Tr, Pr). Existem alguns pontos importantes na regio de trabalho do motor: Cp o torque de partida - aparece quando aplicado aos terminais do motor tenso e freqncia nominal quando o motor ainda est estacionrio. Cmx o toqur mximo - o maior torque que o motor capaz de fornecer enquanto a tenso e a freqncia nominal so aplicadas. Cn o torque nominal. Os valores nominais indicam o ponto de operao timo do motor para uma conexo direta rede de alimentao. Eles podem ser lidos na placa do motor e so tambm conhecidos como dados de placa do motor.


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EFICINCIAS E PERDASO motor toma potncia eltrica da rede. Numa carga constante, a entrada de potncia maior que a potncia mecnica de sada que o motor pode fornecer devido as perdas - ou ineficincia - do motor. A relao entre a potncia de sada e a potncia de entrada dada por :

A eficincia tpica de um motor de induo est entre 0,7 e 0,9, dependendo do tamanho o motor e do nmero de plos.

Figura 11 - Perdas num motor de induo.

Existem quatro principais causas de perdas no motor de induo: perdas no enrolamento estatrico (perdas no cobre); perdas magnticas no ncleo (perdas no ferro); perdas por atrito perdas na ventilao;


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As perdas no cobre ocorrem devido resistncia hmica dos enrolamentos do estator e do rotor. As perdas no ferro so devidas s perdas por histerese e por correntes de Foucault. Perdas por atrito so devidas aos rolamentos. Perdas na ventilao so devidas resistncia do ar no ventilador do motor.

CAMPO MAGNTICOOs motores eltricos so desenvolvidos para tenso e freqncia de alimentao fixa e a magnetizao do motor depende da relao entre a tenso e a freqncia. Se a relao tenso/freqncia aumenta, o motor sobre magnetizado, se a relao diminui, o motor sub-magnetizado. O campo magntico de um motor sub-magnetizado enfraquecido e o torque que o motor capaz de fornecer reduzido, possivelmente levando a uma situao que o motor no consegue partir ou permanece estacionrio. Ou ento, o tempo de partida estendido, levando a uma sobrecarga no motor. Um motor sobre magnetizado sobrecarregado durante a operao. A potncia dessa magnetizao extra convertida em calor no motor e pode danificar a sua isolao. Entretanto, motores CA e - em particular - os assncronos so muito robustos e o problema de magnetizao s ir danificar o motor se ela ocorrer em operao contnua. O jeito que o motor trabalha indica quando as condies de magnetizao esto ruins - sinais a serem considerados so a diminuio de velocidade na variao de carga, instabilidade, vibrao do motor, etc...

CIRCUITO EQUIVALENTEBasicamente, motores assncronos consistem em seis bobinas: trs no estator e trs no rotor curto-circuitado (que magneticamente se comportam como se consistissem em trs bobinas). Atravs do estudo do conjunto de bobinas possvel a construo de um diagrama eltrico, que retrata como o motor trabalha.

Figura 12- Layout das bobinas do estator e do rotor.TEORIA DE CONVERSORES DE FREQUENCIA, SOFT STARERS E METODOS DE CONTROLES AUTOR: TEC. DAVIDSON S. TIBURCIO GB AUTOMAO LTDA RUA TRIPUI N 91A GUARANI BELO HORIZONTE - MG Telefax: ( 31) 3433-4565 E-mail: [email protected]

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Figura 13 - Circuito eltrico equivalente do motor aplicado fase 1.

Figura 14 - Circuito eltrico equivalente do motor.


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A corrente da bobina do estator no limitada apenas pela resistncia hmica da bobina. Quando esta ligada a uma fonte CA uma outra resistncia aparece. Esta resistncia denominada reatncia

e medida em ohms () F a freqncia e a freqncia angular medida em

L a indutncia da bobina e medida em Henry (H). A corrente efetiva ento limitada com dependncia da freqncia. As bobinas se influenciam mutuamente atravs do campo magntico (B). A bobina do rotor gera uma corrente gera uma corrente na bobina do estator e vice versa. Essa influencia mtua indica que os dois circuitos eltricos podem ser conectados atravs de uma ligao comum formada por RFe e Xh - a contra resistncia e a contra reatncia. A corrente que o motor drena para magnetizao do estator e do rotor fluem atravs deles. A queda de tenso no ramo comum chamada de tenso induzida.

CONDIES DE OPERAO DO MOTORSe o motor trabalha na sua faixa de operao normal, a freqncia do rotor menor que a freqncia do campo girante e X2 reduzido por um fator s (slip ou escorregamento). No circuito equivalente, o efeito descrito atravs da mudana da resistncia rotrica R2 por um fator pode ser escrito como sobre o motor onde a carga mecnica

Os valores R2 e X2 representam o rotor. R2 a causa das perdas por temperatura do rotor quando o motor est sob regime.


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15 Circuito equivalente do motor

O escorregamento, S, tende a zero quando o motor est a vazio. Isto significa que: aumenta.

Conseqentemente isto significa que nenhuma corrente ira passar pelo rotor. Idealmente, essa situao em que a resistncia ( respondendo carga mecnica) removida do circuito eltrico equivalente. Quando colocamos carga no motor, o escorregamento aumenta reduzindo :

A corrente, I2, no rotor tambm aumenta quando a carga aumentada.


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Figura 16 Circuito equivalente do motor a vazio e motor com rotor bloqueado

O circuito a vazio pode ento ser usado para descrever as condies de trabalho de motor eltrico. Existe o perigo de erroneamente tomarmos a tenso de magnetizao (Uq) como sendo a tenso no terminal (U1). Isso acontece por que o diagrama eltrico e simplificado para nos dar uma noo das diferentes condies de trabalho do motor. Entretanto, devemos que a tenso induzida tem seu valor prximo ao da tenso terminal apenas quando o motor esta a vazio. Se a carga aumenta, I2 e I1, tambm aumentam e a queda de tenso deve ser levada em considerao. Isso importante, particularmente, quando o motor controlado por um conversor de freqncia.

MUDANAS DE VELOCIDADEA velocidade, n, do motor dependente da velocidade do campo girante e pode ser expressa como:


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A velocidade do motor pode ento ser alterada atravs da mudana: Do numero de par de plos ( por exemplo motores de dois enrolamentos) Do escorregamento do motor (por exemplo motor com rotor bobinado) Da freqncia, F, da alimentao do motor.

Figura 17 Possibilidades de mudana de velocidade do motor

REGULAO POR FREQUENCIACom uma fonte de alimentao com freqncia varivel possvel controlar a velocidade do motor sem maiores perdas. A velocidade de giro do campo magntico muda com a freqncia. A velocidade do rotor muda de velocidade proporcionalmente ao campo girante. Para manter o torque do motor a tenso deve tambm variar com a freqncia.


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Para uma carga qualquer a seguinte formula se aplica:

Para uma relao constante entre a freqncia e a tenso de alimentao do motor, magnetizao na faixa de operao do motor tambm constante.

Figura 18 caracterstica de torque para um controle tenso / freqncia

Em dois casos, porem, a magnetizao no ideal: na partida em freqncias muito baixas, onde uma magnetizao extra necessria, e quando operando com variao de carga, onde a variao da magnetizao juntamente com a variao da carga necessria .

Figura 19 Circuito equivalente do motorTEORIA DE CONVERSORES DE FREQUENCIA, SOFT STARERS E METODOS DE CONTROLES AUTOR: TEC. DAVIDSON S. TIBURCIO GB AUTOMAO LTDA RUA TRIPUI N 91A GUARANI BELO HORIZONTE - MG Telefax: ( 31) 3433-4565 E-mail: [email protected]

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MAGNETIZAO ADICIONAL NA PARTIDAE importante observar a queda de tenso Us em relao tenso induzida Uq. Tenso nos terminais:

Reatncia do estator: O motor foi projetado para seus valores nominais. Por exemplo a tenso de magnetizao pode ser 350 V quando a tenso de alimentao de 380 V e a freqncia de 60 Hz A relao tenso freqncia vale:

Se a freqncia reduzida para 2,5Hz, a tenso nos terminais ser15,8V. Por causa da freqncia baixa o valor da reatncia, X1 econseqentemente Xh -, tambm menor, e no tem nenhuma influncia na queda de tenso total no estator. A queda de tenso ser determinada apenas por R1, que corresponde aproximadamente ao valor de 15,8V. A tenso nos terminais agora corresponde a queda de tenso atravs da resistncia do estator, R1. No existe tenso para magnetizao do motor e o motor no tem condies de fornecer torque em freqncias baixas se a relao tenso freqncia se manter constante em toda faixa.Conseqentemente, importante compensar a queda de tenso durante a partida e operando com freqncias baixas.

MAGNETIZAO DEVIDO A VARIAO DA CARGAAps a adaptao do motor para funcionamento com freqncias baixas e durante a partida, ocorrer uma sobre magnetizao se o motor girar com pequenas cargas. Nessa situao a corrente I1 ir diminuir e a tenso induzida ir aumentar. O motor ir drenar uma corrente de magnetizao maior e ficar desnecessariamente quente. A magnetizao, ento, depende da tenso aplicada ao motor, mudando automaticamente em resposta as cargas do motor. Para uma magnetizao tima, a freqncia e a variao de carga devem ser levadas em conta.


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TIPOS DE CARGAQuando o toque do eixo do motor igual ao torque exigido pela carga, o motor est estacionrio. Nesses casos o torque e a velocidade so constantes. As caractersticas para o motor e a mquina so dimensionadas como a relao entre velocidade e torque ou sada. As caractersticas de torque j foram discutidas. As caractersticas da mquina podem ser divididas em quatro grupos.

Figura 20 - Caractersticas tpicas das mquinas.TEORIA DE CONVERSORES DE FREQUENCIA, SOFT STARERS E METODOS DE CONTROLES AUTOR: TEC. DAVIDSON S. TIBURCIO GB AUTOMAO LTDA RUA TRIPUI N 91A GUARANI BELO HORIZONTE - MG Telefax: ( 31) 3433-4565 E-mail: [email protected]

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O primeiro grupo (1) consiste em mquinas para girar materiais sobre tenso. Este grupo inclui, por exemplo, cortadoras de chapa e mquinas ferramenta. O grupo (2) consiste em correias transportadoras, guindastes, bombas de deslocamento positivo, assim como mquinas ferramentas. O grupo (3) consiste em mquinas cilndricas, mquinas para aplainamento e outras mquinas de processamento. O grupo (4) compreende mquinas operando por foras centrfugas, como centrfugas, bombas centrfugas e ventiladores. O estado estacionrio ocorre quando o torque do motor e da mquina so idnticos.

Figura 21 - O motor precisa de um torque extra para acelerar.

Quando um motor dimensionado para uma dada mquina, o ponto de interseco deveria ser o mais prximo possvel do ponto N para os valores nominais do motor. Um torque excedente deve estar disponvel dentro da faixa (parado ao ponto de interseco).Se esse no o caso, a operao se tornar instvel e o estado estacionrio pode mudar se a velocidade muito baixa. Uma das razes disso que o torque excedente necessrio para acelerao. Em particular para as mquinas dos grupos 1 e 2, necessrio levar em conta essa condio de partida. Estes tipos de carga podem ter um torque inicial que o mesmo torque de partida do motor. Quando o torque inicial da carga maior que o torque de partida do motor, o motor no conseguir partir.

CONVERSORES DE FREQNCIADesde de meados da dcada de 60, os conversores de freqncia tem passado por vrias e rpidas mudanas, principalmente pelo desenvolvimento da tecnologia dos microprocessadores e semi-condutores e a reduo dos seus preos. Entretanto, os princpios bsicos dos conversores de freqncia continuam o mesmo. Os conversores de freqncia podem ser divididos em quatro componentes principais:


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Figura 22-Conversor de freqncia simplificado.

O retificador que conectado a uma fonte de alimentao externa alternada mono ou trifsica e gera uma tenso contnua pulsante. Existem basicamente dois tipos de retificadores - controlados e no controlados. O circuito intermedirio. Existem trs tipos: Um que converte a tenso do retificador em corrente contnua. Um que estabiliza ou alisa a tenso contnua e coloca-a a disposio do inversor. Um que converte a tenso contnua do retificador em uma tenso alternada varivel. O Inversor que gera a tenso e a freqncia para o motor. Alternativamente, existem inversores que convertem a tenso contnua numa tenso alternada varivel. O circuito de controle, que transmite e recebe sinais do retificador, do circuito intermedirio e do inversor. As partes que so controladas em detalhes dependem do projeto individual de cada conversor de freqncia. O que todos os conversores de freqncia tem em comum que o circuito de controle usa sinais para chavear o inversor. Conversores de freqncia so divididos de acordo com o padro de chaveamento que controla a tenso de sada para o motor. Conversores diretos tambm devem ser mencionados para conhecimento. Esses conversores so usados em potncias da ordem de MW para gerar freqncias baixas diretamente da alimentao e sua sada mxima est em torno de 30Hz.

O RETIFICADORA tenso de alimentao do tipo tenso alternada trifsica ou monofsica com freqncia fixa (ex 3 x 380V/60Hz ou 1 x 220V/60Hz) e suas caractersticas podem ser ilustradas abaixo:


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Figura 24 Retificador Trifsico.

Figura 25 - Tenses monofsica e trifsica.

Na figura 22, as trs fases esto deslocadas no tempo, o valor da tenso constantemente muda de direo, e a freqncia indica o nmero de perodos por segundo. Uma freqncia de 60Hz significa que so 60 perodos por segundo (50 x T), cada perodo dura 16,67ms. O retificador de um conversor de freqncia consiste tanto de diodos quanto de tiristores ou uma combinao deles. O retificador feito apenas com diodos um retificador no controlado e o composto por tiristores controlado, se ambos so utilizados, ento o retificador semi-controlado.

RETIFICADORES NO CONTROLADOSOs diodos so componentes semi-condutores que permitem a passagem da corrente em apenas uma direo: do nodo (A) para o catodo (K). No possvel - como o caso de outros componentes semi condutores - controlar a intensidade da corrente. Uma tenso alternada sobre um diodo convertida em uma tenso CC pulsante. Se uma fonte trifsica utilizada junto com um retificador no controlado, a tenso CC continuar a ser pulsante.


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Figura 26 Modo de operao do diodo.

Figura 27 - Sada de um retificador no controlado.

RETIFICADORES CONTROLADOSNos retificadores controlados os diodos so trocados pelos tiristores. Assim como os diodos, o tiristor permite a passagem da corrente em apenas uma direo. Entretanto, a diferena entre esses dois componentes que o tiristor tem um terceiro terminal o gate ou porta (G). Essa porta deve ser comandada por um sinal antes do tiristor conduzir. Quando uma corrente passa pelo tiristor, o tiristor ir conduzi-la at que ela atinja o valor nulo. A corrente no pode ser interrompida por um sinal na porta (G). Tiristores so utilizados tanto nos retificadores quanto nos inversores. O sinal para a porta o sinal de controle do tiristor, que um atraso de tempo, expresso em graus.TEORIA DE CONVERSORES DE FREQUENCIA, SOFT STARERS E METODOS DE CONTROLES AUTOR: TEC. DAVIDSON S. TIBURCIO GB AUTOMAO LTDA RUA TRIPUI N 91A GUARANI BELO HORIZONTE - MG Telefax: ( 31) 3433-4565 E-mail: [email protected]

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O valor em graus representa o atraso entre a passagem da tenso por zero e o instante em que o tiristor inicia sua conduo.

Figura 28 - Conduo do tiristor.

Figura 29 - Retificador controlado trifsico.

O retificador controlado tem basicamente a mesma configurao do retificador no controlado com exceo de que os tiristores so controlados por e comeam a conduzir a partir do ponto que um diodo normal inicia at 30 de atraso em relao a passagem da tenso por zero. A regulao de a permite a variao do valor da tenso contnua na sada do retificador. Um retificador controlado fornece uma tenso CC com um valor mdio de 1, 35 x a teso de alimentao. Comparado com o retificador no controlado, o controlado causa maiores perdas e distrbios na rede de alimentao, porque o retificador drena uma corrente reativa maior se o tiristor conduzir por um curto perodo de tempo. Entretanto, a vantagem dos retificadores controlados que a energia poder ser devolvida para rede.TEORIA DE CONVERSORES DE FREQUENCIA, SOFT STARERS E METODOS DE CONTROLES AUTOR: TEC. DAVIDSON S. TIBURCIO GB AUTOMAO LTDA RUA TRIPUI N 91A GUARANI BELO HORIZONTE - MG Telefax: ( 31) 3433-4565 E-mail: [email protected]

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O CIRCUITO INTERMEDIRIOO circuito intermedirio pode ser visto como um reservatrio do qual o motor pode drenar energia atravs do inversor. Ele pode ser construdo de acordo com trs princpios diferentes de dependendo do tipo de retificador e inversor. Inversores fonte de corrente (I-converters).

Figura 30 - I-converters

Em inversores fonte de corrente o circuito intermedirio consiste de um grande indutor e combinado apenas com um retificador controlado. O indutor transforma a tenso varivel do retificador em uma corrente contnua varivel. A carga determina a amplitude da tenso do motor. Inversores fonte de tenso (U-converters)

Figura 31 Conversores de tenso

Em conversores fonte de tenso o circuito intermedirio consiste em um filtro capacitivo e pode ser combinado com os dois tipos de retificador. O filtro alisa a tenso pulsante do retificador. Num retificador controlado, a tenso constante numa dada freqncia, e fornecida ao inversores como uma tenso contnua pura com amplitude varivel. Com retificadores no controlados, a tenso na entrada do conversor uma tenso CC com amplitude constante.


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CIRCUITO INTERMEDIRIO COM TENSO CC VARIVEL

Figura 32 - Circuito intermedirio com tenso varivel.

Finalmente, num circuito intermedirio com tenso varivel um chopper pode ser inserido na frente do filtro, como visto na figura 32. O chopper tem um transistor que funciona como uma chave para ligar ou desligar a tenso do retificador. O circuito de controle regula o chopper atravs da comparao da tenso varivel depois do filtro com um sinal de entrada. Se existe diferena, a relao regulada pelo tempo que o transistor conduz e o tempo que ele bloqueado. Isso varia o valor efetivo e o tamanho da tenso contnua pode ser expresso como:

Quando o transistor do chopper interrompe a corrente, a bobina do filtro faz com que a tenso atravs do transistor seja muito grande. Para impedir que isso acontea, o chopper protegido por um diodo de roda-livre. O filtro do circuito intermedirio alisa a tenso quadrada que fornecida pelo chopper. O filtro capacitivo e indutivo mantm a tenso constante para uma dada freqncia.O circuito intermedirio tambm pode fornecer inmeras funes adicionais dependendo do seu projeto, como: Desacoplamento entre o retificador e o inversor. Reduo de harmnicas. Reserva de energia para suportar variaes bruscas de carga.


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220Vac 380Vac

311,12 Vdc 537,40 Vdc

Figura 33 - Circuito intermedirio e seus nveis de tenso.

O INVERSORO inversor a ltimo conexo do inversor de freqncia antes do motor e o ponto final onde a adaptao da tenso de sada ocorre. Do circuito intermedirio o conversor pode receber tanto: Uma corrente contnua varivel Uma tenso contnua varivel Uma tenso contnua constante. Em todos os casos o inversor assegura que a sada para o motor se torna varivel. Em outras palavras, a freqncia para o motor gerada no inversor. Se a corrente ou tenso so variveis, o inversor gera apenas a freqncia. Se a tenso constante o inversor gera a tenso e a freqncia. Mesmo que os inversores trabalhem de formas diferentes, sua estrutura bsica sempre a mesma. Os componentes principais so semi condutores controlveis, colocados em para em trs ramos. Atualmente os tiristores tem sido largamente substitudos pelos transistores que podem ser chaveados de forma mais rpida. Apesar de depender do tipo de semicondutor utilizado, a freqncia de chaveamento esta tipicamente entre 300Hz e 20kHz. Os semi condutores no inversor so ligados e desligados por sinais gerados no circuito de controle. Os sinais podem ser controlados de diversas formas.


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Figura 34 - Inversor Tradicional.

Inversores tradicionais, trabalhando principalmente com circuitos intermedirios de tenso varivel, consistem de seis diodos, seis tiristores e seis capacitores. Os capacitores habilitam os tiristores a chavear, de forma que a corrente esteja defasada 120 eltricos nas bobinas do motor e devem ser adaptadas ao tamanho do motor. Um campo girante intermitente com a freqncia desejada produzido quando os terminais do motor so excitados com corrente U-V, VW, W-U, U-V... Mesmo que isso faa a corrente do motor quase quadrada, a tenso do motor quase senoidal. Entretanto, sempre existem picos de tenso quando a corrente chaveada. Os diodos isolam os capacitores da corrente de carga do motor.

Figura 35 - Inversor para tenso constante ou varivel com sada que depende da freqncia


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Em inversores com circuitos intermedirios de tenso constante ou varivel existem seis componentes chaveadores e independentemente do tipo de semicondutor utilizado, a funo basicamente a mesma. O circuito de controle chaveia os semicondutores utilizando-se das mais diversas tcnicas de modulao, mudando, dessa forma, a freqncia de sada do inversor. A primeira tcnica trabalha com tenso ou corrente varivel no circuito intermedirio. Os intervalos em que os semicondutores individualmente so conduzidos so colocadas numa seqncia que usada para se obter as freqncias de sada desejada. Essa seqncia de chaveamento controlada pela amplitude da tenso ou corrente do circuito intermedirio. Utilizando-se um oscilador controlado por tenso, a freqncia sempre obedece a amplitude da tenso. Esse tipo de inversor chamado de PAM (Pulse Amplitude Modulation ou Modulao por amplitude de pulso). A outra principal tcnica usa um circuito intermedirio de tenso constante. A tenso no motor conseguida aplicando-se a tenso do circuito intermedirio por perodos mais longos ou mais curtos.

Figura 36 - Modulao por amplitude e por largura de pulso.

A freqncia mudada atravs da variao dos pulsos de tenso ao longo do eixo do tempo - positivamente para meio perodo e negativamente por o outro meio. Como a tcnica muda a largura dos pulsos de tenso, ela chamada de PWM (Pulse Width Modulation ou Modulao por Largura de Pulso). PWM (e tcnicas relacionadas com ela como PWM controlada pelo seno) a tcnica mais utilizada no controle dos inversores. Nas tcnicas PWM o circuito de controle determina os tempos de chaveamento dos semicondutores atravs da interseco entre um tenso triangular e uma tenso senoidal superposta (PWM controlada pelo seno).

O CIRCUITO DE CONTROLEO circuito de controle ou placa de controle a quarta pea do conversor de freqncia e tem quatro tarefas essenciais: Controlar os semicondutores do conversor de freqncia. Troca de dados entre o conversor de freqncia e os perifricos. Verificar e reportar mensagens de falha. Cuidar das funes de proteo do conversor de freqncia e do motor.TEORIA DE CONVERSORES DE FREQUENCIA, SOFT STARERS E METODOS DE CONTROLES AUTOR: TEC. DAVIDSON S. TIBURCIO GB AUTOMAO LTDA RUA TRIPUI N 91A GUARANI BELO HORIZONTE - MG Telefax: ( 31) 3433-4565 E-mail: [email protected]

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Os micro-processadores tem aumentado sua capacidade de processamento e velocidade, aumentando significativamente o nmero de aplicaes possveis aos conversores de freqncia e reduzindo o nmero de clculos necessrios a sua aplicao. Com os micro-processadores o processamento integrado dentro do conversor de freqncia e este est apto a determinar o melhor padro de chaveamento para cada estado de operao.

CONVERSORES DE FREQNCIA E MOTORESCaractersticas de torque do motor.Se um inversor de freqncia fosse capaz de fornecer uma corrente muitas vezes maior que a corrente nominal do motor, a sua caracterstica de torque seria como visto na figura 10. Mas correntes dessa magnitude podem danificar tanto o motor como o conversor de freqncia. Conseqentemente o conversor de freqncia indiretamente limita os valores de corrente atravs da reduo da tenso e da freqncia. O limite de corrente varivel e garante que o motor no ficar excedendo por muito tempo sua corrente nominal. Visto que o conversor de freqncia controla a velocidade do motor independentemente da carga, possvel parametrizar diferentes limites dentro da faixa de trabalho do motor. As caractersticas de torque do motor esto dentro dos valores nominais para alguns tipos conversores de freqncia. Entretanto, seria uma vantagem se o conversor permitisse que o torque atingisse 160% do torque nominal por exemplo. tambm normal que o inversor opere o motor numa velocidade acima da velocidade sncrona como por exemplo 200% da velocidade nominal. O conversor de freqncia no consegue fornecer uma tenso maior que a tenso de alimentao o que leva a um declnio da relao tenso freqncia se a velocidade nominal for excedida. O campo magntico enfraquece e o torque gerado pelo motor cai na razo de 1/n.

Figura 37 - Torque e sobre-torque do motor


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A corrente mxima de sada do conversor se mantm constante. Isso leva a uma potncia constante de sada mesmo com velocidades acima de 200%.

MTODOS DE CONTROLE DE VELOCIDADE E TORQUE EM MQUINASDE INDUO:Controle da tenso no estator; Controle da tenso do rotor; Controle da freqncia; Controle da tenso e freqncia do estator; Controle da corrente do estator; Controle da tenso, corrente e freqncia.

CONTROLE DA TENSO NO ESTATORO torque proporcional ao quadrado da tenso de alimentao do estator, e uma reduo nesta produzir uma reduo na velocidade. Em qualquer circuito magntico, a tenso induzida proporcional ao fluxo no entreferro e a freqncia. medida que a tenso no estator reduzida, o fluxo no entreferro e o torque tambm sero. A uma tenso mais baixa, a corrente ter um mximo a um escorregamento de 1/3. A faixa de controle de velocidade depende do escorregamento para o torque mximo. Para mquinas de baixo escorregamento, a faixa de velocidade muito estreita. Esse tipo de controle de tenso no adequado para uma carga de torque constante e em geral aplicado em situaes que requerem baixo torque de partida e faixa estreita de velocidade a um escorregamento relativamente baixo.

Figura 38 Curvas caracterstica torque-velocidade para tenso do estator varivel.


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A tenso no estator pode ser variada atravs de controladores de tenso CA, inversores trifsicos (do tipo fonte de tenso com interligao CC varivel) ou inversores trifsicos PWM. Entretanto, devido s caractersticas de faixa de velocidade limitada, os controladores de tenso CA normalmente so utilizados nesses casos e so muito simples, porm o contedo harmnico elevado e o fator de potncia de entrada dos controladores baixo. Eles so utilizados principalmente em aplicaes de baixa potncia, tais como ventiladores sopradores e bombas centrfugas, onde o torque de partida baixo. So tambm utilizados em mquinas de induo de alta potncia para limitar o pico de corrente.

CONTROLE DA TENSO DO ROTOREm uma mquina de rotor bobinado, uma conexo trifsica de resistores externos pode ser feita aos anis. O torque desenvolvido pode ser variado atravs da variao da resistncia externa (Rx). Se essa resistncia for referida ao enrolamento do estator e somada resistncia de rotor (Rr), poderemos determinar o torque desenvolvido. Esse mtodo aumenta o torque de partida alm de limitar a corrente de partida. Entretanto, esse um mtodo ineficiente e haver desequilbrio nas tenses e nas correntes se as resistncias no circuito do rotor no forem iguais. Uma mquina de induo de rotor bobinado projetada para ter baixa resistncia de rotor de tal forma que a eficincia de operao seja elevada e o escorregamento plena carga seja baixo. O aumento da resistncia no rotor no afeta o valor do torque mximo, mas aumenta o escorregamento no torque mximo. As mquinas de rotor bobinado so amplamente utilizadas em aplicaes que requerem freqentes partidas e frenagens com torque elevado (por exemplo, guindastes). Devido disponibilidade dos enrolamentos do rotor para variao da resistncia deste, a mquina de rotor bobinado oferece maior flexibilidade para o controle. Mas h um aumento do custo e necessidade de manuteno devido aos anis e escovas. A mquina de rotor bobinado no to amplamente utilizada quanto de rotor em gaiola.

Figura 39. Controle da velocidade atravs da resistncia do rotor.

Os resistores com conexes trifsicas podem ser substitudos por um retificador trifsico com diodos e um chopper, onde o GTO opera como chave no chopper. O indutor agir como fonte de corrente e o chopper varia a resistncia efetiva. A velocidade pode ser controlada variando-se o ciclo de trabalho. A parcela da potncia no entreferro que no convertida em potncia mecnica chamada de potncia do escorregamento (do ingls slip power). A potncia do escorregamento dissipada no resistor R.TEORIA DE CONVERSORES DE FREQUENCIA, SOFT STARERS E METODOS DE CONTROLES AUTOR: TEC. DAVIDSON S. TIBURCIO GB AUTOMAO LTDA RUA TRIPUI N 91A GUARANI BELO HORIZONTE - MG Telefax: ( 31) 3433-4565 E-mail: [email protected]

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A potncia do escorregamento no circuito do rotor pode ser devolvida para a alimentao substituindo-se o chopper e a resistncia R por um conversor trifsico controlado. O conversor operado no modo de inverso com um ngulo de disparo na faixa de /2 , devolvendo, assim, energia para a rede. A variao do ngulo de disparo permite o fluxo de potncia e o controle da velocidade. Esse tipo de acionamento conhecido como Kramer esttico (do ingls static Kramer). Novamente, substituindo-se os retificadores em ponte por conversores duais trifsicos (ou cicloconversores), o fluxo da potncia do escorregamento em ambos os sentidos possvel, e esse arranjo chamado de acionamento Sherbius esttico (do ingls static Sherbius). Os acionamentos Kramer e Sherbius estticos so utilizados em aplicaes como bombas e sopradores de grande potncia, onde necessria uma faixa limitada de controle de velocidade. Como a mquina conectada diretamente rede, o fator de potncia desses acionamentos geralmente elevado.

Figura 40. Controle da potncia do escorregamento .


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CONTROLE DA FREQNCIA

O torque e a velocidade das mquinas de induo podem ser controlados variando-se a freqncia da fonte de alimentao. Pode-se notar, que a tenso e freqncia nominal o fluxo ter seu valor nominal. Se a tenso for mantida fixa a seu valor nominal enquanto a freqncia for reduzida abaixo do seu valor nominal, o fluxo aumentar. Isto levaria saturao do fluxo no entreferro e os parmetros da mquina no seriam vlidos na determinao da curva da caracterstica torque-velocidade. Em baixa freqncia, as reatncias diminuem e a corrente da mquina pode ser muita elevada. Esse tipo de controle de freqncia normalmente no muito utilizado. Se a freqncia for aumentada acima do seu valor nominal, o fluxo e o torque diminuem. Se a velocidade sncrona correspondente freqncia nominal for chamada velocidade base b, a velocidade sncrona em qualquer outra freqncia torna-se s=b. Assim, pode-se concluir que o torque mximo inversamente proporcional ao quadrado da freqncia e Tm2 permanece constante, similar ao comportamento das mquinas CC em srie. Nesse tipo de controle, diz-se que a mquina opera no modo de enfraquecimento de campo. Para >1, a mquina operada tenso terminal constante e o fluxo reduzido, limitando dessa maneira a sua capacidade de torque. Para

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