Mec Variadores Velocidade

Caderno Tcnico Schneider Electric no. 208 autor D. Clenet /traduo Ludgero Leote 1/31

Escola Secundria Emdio Navarro

Curso Profissional de Electrnica, Automao e Computadores

Disciplina de Automao e Computadores

Arrancadores electrnicos e Variadores de velocidade


Arrancadores electrnicos e Variadores de velocidade

O modo mais habitual de arrancar motores assncronos por ligao directa rede elctrica. Esta tcnica adequada a muitos tipos de mquinas. No entanto, o mtodo colide por vezes com restries que podem ser inconvenientes para algumas aplicaes, ou mesmo incompatveis com as funes desejadas para a mquina: A corrente de pico no arranque pode interferir com o funcionamento de outros equipamentos ligados na mesma linha de alimentao. Os choques mecnicos durante o arranque que no podem ser tolerados pela mquina ou podem pr em perigo o conforto e a segurana dos utilizadores. A acelerao e desacelerao que no podem ser controladas. A velocidade que no pode ser controlada. Arrancadores e variadores de velocidade so capazes de lidar com estes problemas. A tecnologia electrnica tornou esses sistemas mais flexveis e alterou o seu campo de aplicao. Contudo, ainda importante efectuar a escolha com correco. O propsito deste Caderno Tcnico providenciar uma informao mais profunda sobre estes dispositivos de modo a facilitar a sua definio no projecto de equipamentos ou na melhoria ou mesmo substituio de um conjunto de comutao para controlo e proteco de motores.

Tabela de contedos

1 Breve histria e notas 1.1 Breve histria p. 2 1.2 Notas: Principais funes dos arrancadores electrnicos p. 2 e dos variadores de velocidade 2 Principais modos de 2.1 Principais modos de funcionamento p. 6 funcionamento e tipos de 2.2 Principais tipos de dispositivos p. 9 controladores electrnicos 3 Estrutura e constituio de 3.1 Estrutura p. 11 arrancadores e variadores 3.2 Constituio p. 13 4 Regulador de velocidade 4.1 Princpio geral p. 17 varivel para motores CC 4.2 Modos de funcionamento possveis p. 18 5 Inversor de frequncia 5.1 Princpio geral p. 19 para motores assncronos 5.2 Funcionamento V/f p. 20

5.3 Controlo Vectorial p. 21 5.4 Controlador de tenso para motores assncronos p. 26 5.5 Controlador de motores sncronos p. 28 5.6 Controlador de motores passo-a-passo p. 29

6 Outras funes dos 6.1 Opes de dilogo p. 30 variadores de velocidade 6.2 Funes integradas p. 30 6.3 Cartas opcionais p. 31

7 Concluso p. 31


1.2 Notas: As funes principais dos arrancadores electrnicos e dos variadores de velocidade

Acelerao controlada

A subida de velocidade de um motor controlada usando uma rampa linear ou em S. Esta rampa normalmente ajustvel e apresenta ainda um tempo de subida da velocidade que adequado aplicao seleccionada.

Controlo de velocidade

Um variador de velocidade no pode ser ao mesmo tempo um regulador. Isso significa que um sistema rudimentar onde o princpio de

realimentao, (feedback) pelo que descrito como em malha aberta. A velocidade do motor definida por um valor de entrada (tenso ou corrente) conhecido por referncia ou setpoint. Para um dado valor de referncia, esta velocidade pode variar dependendo de perturbaes (variaes na tenso de alimentao, carga, temperatura). A gama de velocidades definida em relao velocidade nominal.

Breve histria e notas

1.1 Breve histria

Inicialmente, utilizavam-se para o arranque de motores elctricos e controlo de velocidade, arrancadores a restato, controladores mecnicos e conjuntos rotativos (Ward Leonard nomeadamente). Mais tarde, surgiram os arrancadores electrnicos e controladores de velocidade como sistemas modernos de baixo custo, como soluo eficiente e de fcil manuteno para as aplicaes industriais. Um arrancador ou controlador electrnico um conversor de energia, que modula a energia elctrica fornecida ao motor. Os arrancadores electrnicos so utilizados apenas para motores assncronos. So uma espcie de controladores de tenso. Os variadores de velocidade garantem uma acelerao e desacelerao gradual e permitem adequar a velocidade s condies precisas de funcionamento. Os variadores de velocidade do tipo rectificao controlada so utilizados para fornecer potncia a motores CC e os inversores de frequncia so usados para os motores CA.

Historicamente, os controladores para os motores DC apareceram primeiro. Os inversores de frequncia eficientes e de baixo custo apareceram como resultado dos avanos verificados na electrnica de potncia e na microelectrnica. Os modernos inversores de frequncia podem ser usados para fornecer potncia a motores assncronos normais com nveis de qualidade idnticos aos dos melhores variadores de velocidade para CC. Alguns fabricantes disponibilizam mesmo motores assncronos com variador de velocidade acondicionado numa caixa prpria com terminais. Esta soluo desenhada para conjuntos de baixa potncia (alguns poucos kW). Os recentes desenvolvimentos em variadores de velocidade e informaes sobre fabricantes so apresentados no final deste Caderno Tcnico. Estes desenvolvimentos esto expandindo significativamente as ofertas de variadores e as opes disponveis.


Regulao de velocidade

Um regulador de velocidade um sistema controlado (ver Fig. 1). Trata-se de um sistema de controlo com amplificao de potncia e uma malha de realimentao pelo que descrito como em malha fechada. A velocidade de um motor definida por uma referncia. O valor da referncia comparado continuamente com um sinal de realimentao , que uma imagem da velocidade do motor. Este sinal fornecido ou por um tacmetro (gerador tacomtrico) ou por um

gerador de impulsos associado ao eixo do motor. Se detectado um desvio devido a uma variao de velocidade, os valores aplicados ao motor (tenso e/ou frequncia) so automaticamente corrigidos de modo a repor a velocidade no valor inicial. O controlo de realimentao torna a velocidade virtualmente imune s perturbaes. A preciso de um regulador expressa normalmente em % do valor nominal da grandeza a ser controlada.

Controlo da desacelerao

Quando um motor desligado, vai desacelerar apenas em funo do binrio resistivo da mquina (desacelerao natural). Os arrancadores e variadores electrnicos podem ser usados para controlar a desacelerao por meio de uma rampa linear ou em S, que normalmente independente da rampa de acelerao. Esta rampa pode ser ajustada de modo a produzir um tempo de desacelerao desde o a velocidade de funcionamento at uma velocidade intermdia ou mesmo nula. Se a desacelerao desejada maior do que a desacelerao natural, o motor tem

que desenvolver um binrio resistivo a somar ao binrio resistivo da mquina. Esta situao chamada de travagem elctrica, a qual pode ser obtida seja pelo fornecimento de energia rede de alimentao seja pela dissipao numa resistncia de travagem. Se a desacelerao desejada mais lenta do que a desacelerao natural, o motor deve desenvolver um binrio motor maior do que o binrio resistente da mquina e continuar a alimentar a carga at paragem do motor.

Inverso do sentido de rotao

A maior parte dos actuais variadores possuem esta funo. A ordem das fases de alimentao do motor invertida seja por inverso da referncia de entrada seja por um comando lgico no terminal ou por informao transmitida por uma linha de comando.


Travagem at paragem

Este tipo de travagem pra o motor sem controlo da rampa de desacelerao. Para os arrancadores e variadores de velocidade de motores assncronos, isso consegue-se de um modo econmico, injectando corrente contnua no motor atravs de um sistema de potncia especial. Como toda a energia mecnica dissipada no rotor da mquina, a travagem tem que ser intermitente. Num variador para um motor CC, esta funo conseguida ligando uma resistncia aos terminais da armadura.

Proteco incorporada

Os modernos sistemas de variao possuem proteco trmica prpria e para os motores. Nestes sistemas, um microprocessador usa a corrente medida e a informao da velocidade (se a velocidade de ventilao depende da velocidade de rotao), para calcular a subida de temperatura do motor e envia um sinal de alarme no caso de uma subida excessiva de temperatura. Os controladores, em particular os inversores de frequncia, so geralmente protegidos contra: Curtocircuitos entre fases e entre fase e terra. Sobretenses e quedas de tenso. Fases desiquilibradas. Funcionamento a uma fase.


2 Principais modos de funcionamento e tipos de controladores electrnicos

2.1 Principais modos de funcionamento

Dependendo do tipo de conversor electrnico, os variadores de velocidade podem ser usados para operar um motor num nico sentido de rotao (caso em que so conhecidos por unidireccionais) ou para controlar ambos os sentidos de rotao (caso em que so conhecidos por bidireccionais). Os controladores capazes de regenerar energia do motor funcionando como gerador (modo travagem) podem ser reversveis. A reversibilidade pode ser obtida seja pela entrega de energia rede de alimentao (ponte de entrada reversvel) ou por dissipao de energia atravs de uma resistncia com um chopper de travagem.

A figura 2 apresenta uma tabela resumo das quatro situaes possveis no diagrama binrio-velocidade de uma mquina. Note bem que quando a mquina funciona como gerador, deve ser-lhe fornecida uma fora. Este estado usado em particular para a travagem. A energia cintica ento presente no eixo da mquina ou transferida para a rede de energia de alimentao ou dissipada nas resistncias ou, no caso de potncias reduzidas, em perdas na prpria mquina

Fig. 2 : As quatro situaes possveis de uma mquina no seu diagrama binrio-velocidade

Sentido de Rotao

Funcionamento Binrio Velocidade Produto T x n

Quadrante

Como motor Sim Sim Sim 1 1 (CW) Como gerador Sim 2 Como motor Sim 3 2 (CCW) Como gerador Sim 4


Controlador unidireccional

Habitualmente este tipo de controlador no reversvel e usado para:

Motores CC com conversor directo (CA => CC) composto por uma ponte mista de dodos e tiristores (ver Fig.3a)

Motores CA com conversor indirecto (com transformao intermdia para CC) constitudo por uma ponte de dodos na entrada e de um inversor de frequncia, que fora a mquina a funcionar no quadrante 1 (ver Fig.3b). Nalguns casos, este conjunto pode ser usado em configuraes bidireccionais (quadrantes 1 e 3)

Um conversor indirecto constitudo por um chopper de travagem e uma resistncia correctamente dimensionada a soluo ideal para uma travagem instantnea (desacelerao ou para engrenagens de elevao quando o motor necessita de gerar um binrio de travagem para segurar a carga). Um conversor reversvel essencial para um funcionamento duradouro com uma carga negativa, como o caso, por exemplo, de um motor usado para travagem numa bancada de testes.

Controlador bidireccional

Este tipo de controlador pode ser reversvel ou no-reversvel. Se reversvel, a mquina funciona nos quatro quadrantes e pode tolerar uma travagem significativa, Se no reversvel, a mquina apenas funciona nos quadrantes 1 e 3.

Funcionamento com binrio constante

O funcionamento descrito como sendo a binrio constante quando as caractersticas da carga so tais que em estado estacionrio, o binrio exigido aproximadamente o mesmo, independentemente da velocidade (ver Fig.4). Este modo de funcionamento encontra-se em telas transportadoras e amassadores. Para este tipo de aplicao, o controlador deve ser capaz de fornecer um binrio de arranque elevado (pelo menos 1.5 vezes o binrio nominal) de modo a superar o atrito esttico e acelerar a mquina (inrcia).

Funcionamento com binrio varivel

O funcionamento descrito como sendo com binrio varivel quando as caractersticas da carga so tais que, em estado estacionrio, o binrio exigido varia com a velocidade. o caso, por exemplo, de bombas de deslocamento helicoidal em que o binrio aumenta linearmente com a velocidade (ver Fig.5a) ou de bombas centrfugas (bombas e ventiladores) em que o binrio varia com o quadrado da velocidade (ver Fig.5b).


Para um controlador destinado a este tipo de aplicao, suficiente um binrio de arranque reduzido (normalmente 1.2 vezes o binrio nominal do motor). O controlador apresenta funes adicionais tais como a opo de saltar as frequncias de ressonncia causadas inadvertidamente pelas vibraes da mquina. O funcionamento acima da frequncia nominal impossvel devido sobrecarga que isso iria impor ao motor e ao controlador.

Funcionamento a potncia constante

Este um caso especial de binrio varivel. O funcionamento descrito como sendo de potncia constante quando o binrio fornecido pelo motor inversamente proporcional velocidade angular (ver Fig.6).

este o caso, por exemplo, para um moinho com uma velocidade angular que tem que ser reduzida, medida que o dimetro aumenta com o material a ser modo. tambm o caso dos motores em mquinas ferramenta. A gama de funcionamento a potncia constante limitada naturalmente, nas velocidades baixas pela corrente fornecida pelo controlador e nas velocidades altas pelo binrio motor disponvel. Da resulta a necessidade de controlar cuidadosamente o binrio motor disponvel nas mquinas assncronas e a capacidade de comutao nas mquinas CC.


2.2 Tipos principais de controlador

Iremos apenas referir os tipos de controlador mais actuais e as solues tecnolgicas normalizadas. Existem inmeros tipos de esquemas para variadores de velocidade: subsncronos em cascata, cicloconversores, comutadores de corrente, choppers, etc. Os leitores mais interessados encontraro uma descrio exaustiva nas seguintes publicaes: Accionamento elctrico a velocidade varivel, (obra de Jean Bonal e Guy Sguier que descreve sistemas elctricos de variadores de velocidade) e Utilizao industrial dos motores de corrente alternada (por Jean Bonal que descreve motores CA em aplicaes industriais).

Rectificadores controlados para motores CC

O rectificador fornece corrente contnua a partir de uma alimentao CA monofsica ou trifsica onde o valor mdio da tenso controlado. Os semicondutores de potncia, so configurados como pontes de Graetz mono ou trifsicas (ver Fig.7). A ponte pode ser do tipo dodo/tiristor (mista) ou tiristor/tiristor (completa). Esta ltima soluo a mais comum pois melhora o factor de forma da corrente fornecida. O motor CC possui normalmente excitao separada, excepto para as potncias reduzidas, onde se usam motores de man permanente. Este tipo de variador adequado a qualquer tipo de aplicao. As nicas restries so as impostas pelo motor CC, em particular a dificuldade de atingir velocidades elevadas e a respectiva manuteno (as escovas tm que ser substitudas).

Os motores CC e os respectivos variadores foram as primeiras solues industriais. O seu uso foi declinando nas ltimas dcadas medida que os inversores de frequncia assumiam o papel de liderana. Os motores assncronos so de facto mais robustos e econmicos do que os motores CC. Ao contrrio dos motores CC, os motores assncronos so normalizados num invlucro de ndice de proteco IP55 e so quase invulnerveis s condies de trabalho e quase imunes s condies de ambientais (derrames de gua, p, atmosferas instveis, etc.).

Inversor de frequncia para motores assncronos

O inversor fornece uma frequncia trifsica varivel CA a partir de uma frequncia fixa alternada da rede de alimentao (ver Fig.8). Pode ser utilizada uma alimentao monofsica no caso das potncias reduzidas (poucos kW) e uma alimentao trifsica para potncias mais elevadas. Alguns variadores para potencies reduzidas podem aceitar quer alimentao monofsica quer trifsica. A tenso de sada do variador sempre trifsica. De facto os motores assncronos monofsicos no so adequados para alimentao a partir de inversores de frequncia.


Os inversores de frequncia podem alimentar motores de rotor em gaiola normais com todas as vantagens inerentes a esses motores: normalizao, baixo custo, resistncia, proteco contra derrames, manuteno nula. Como estes motores so auto-refrigerados, a sua nica restrio de funcionamento o uso continuado em velocidade reduzida, devido reduo de ventilao. Se for necessrio este tipo de funcionamento, dever usar-se um motor especial, dotado de um sistema de ventilao forada.

Variador de tenso para arranque de motores assncronos

O variador fornece, a partir da rede de CA, uma tenso alternada de frequncia igual da rede, obtendo-se o controlo do valor eficaz da tenso por modificao do ngulo de disparo dos semicondutores de potncia dois tiristores ligados nodo-ctodo para cada fase do motor. (ver Fig.9).


3 Estrutura e constituio dos arrancadores e variadores electrnicos

3.1 Estrutura

Os arrancadores e variadores de velocidade electrnicos so constitudos por dois mdulos, includos num invlucro nico (ver Fig.10):

Um mdulo de controlo, que gere o funcionamento do dispositivo. Um modulo de potncia, que fornece potncia ao motor na forma de energia elctrica.

O mdulo de controlo

Nos modernos arrancadores e variadores, todas as funes so controladas por um microprocessador, que utiliza os parmetros, os comandos enviados por um operador ou por uma unidade de processamento e os resultados de medies, como por exemplo, a velocidade, a corrente, etc. Juntamente com circuitos dedicados (ASICs), as funes de clculo dos microprocessadores tornam possvel executar algoritmos de controlo muito eficientes e, em especial, reconhecer os parmetros da mquina associada. O microprocessador usa esta informao para gerir as rampas de desacelerao e acelerao, o controlo de velocidade e a limitao de corrente, assim como para controlar os componentes de potncia. As medidas de proteco e de segurana so processadas por circuitos dedicados (ASICs) ou por circuitos integrados em mdulos de potncia (IPMs).

Os limites de velocidade, perfis de rampa, limites de corrente e outros parmetros de funcionamento so definidos atravs de teclados integrados, ou atravs de PLCs (em redes de campo) ou PCs. De igual modo, os diferentes comandos (run, stop, travagem, etc.) podem ser enviados via HMIs, PLCs ou PCs. Os parmetros de funcionamento, alarmes e dados de falhas podem ser visualizados por LEDs, displays de segmentos ou LCDs. Em alternativa, podem ser enviados distncia por redes de campo para sistemas de superviso. Os rels internos, que so normalmente programveis, fornecem os seguintes dados:

Falha (alimentao de rede, trmico, produto, sequncia, sobrecarga, etc.). Monitorizao (nvel de velocidade, pr-alarme, fim do arranque)

As tenses necessrias para todas as medies e circuitos de controlo so fornecidos por uma fonte de alimentao que est integrada no variador e electricamente isolada da linha de alimentao.

O modulo de potncia

Os componentes principais do modulo de potncia so:

Componentes de potncia (dodos, tiristores, IGBTs, etc.) Interfaces para medida de tenses e/ou correntes. Na maior parte dos casos uma unidade de ventilao.


3.2 Constituio

Os componentes de potncia (ver Fig.11) so semicondutores discretos e como tal podem ser ligados como comutadores estticos que podem assumir um de dois estados: on ou off. Estes componentes, combinados num modulo de potncia, formam um conversor que fornece potncia ao motor elctrico a uma tenso varivel e/ou frequncia varivel a partir da tenso e frequncia fixas da rede de alimentao. Os componentes de potncia so a chave do controlo de velocidade e o progresso verificado nos ltimos anos levou ao desenvolvimento de variadores de velocidade de custo reduzido.

Nota

Os materiais semicondutores como o silcio possuem uma resistividade entre a dos condutores e a dos isoladores. Os seus tomos possuem 4 electres perifricos. Cada tomo associa-se com os quatro adjacentes para criar uma estrutura estvel de 8 electres. Um semicondutor tipo P obtm-se adicionando ao silcio puro uma pequena proporo de uma substncia cujos tomos possuam 3 electres perifricos. ento necessrio adicionar um outro electro para criar a estrutura estvel de 8 electres, no que resulta um excesso de cargas positivas. Um semicondutor tipo N obtm-se adicionando ao silcio puro uma pequena proporo de uma substncia cujos tomos possuam 5 electres perifricos. Da resulta um excesso de electres e logo, de cargas negativas.

O dodo

O dodo um semicondutor no controlado, constitudo por duas regies, P (nodo) e N (ctodo), que apenas permitem a passagem da corrente num nico sentido, do nodo para o ctodo. O dodo conduz a corrente quando a tenso do nodo estiver mais positive do que a do ctodo e assim comporta-

se como um interruptor fechado. O dodo bloqueia a corrente e comporta-se como um interruptor aberto se a tenso do nodo se tornar menos positiva do que a tenso do ctodo. As caractersticas principais do dodo so as seguintes: No estado condutor (on): o Uma queda de tenso constituindo

um limiar de tenso devido a uma resistncia interna.

o Uma corrente mxima contnua (da ordem de grandeza dos 5000 A eficazes para a maior parte dos componentes)

No estado no condutor (off), uma tenso mxima possvel que no pode exceder os 5000 V de pico.

O tiristor

Trata-se de um componente semicondutor constitudo por quatro camadas alternadas: P-N-P-N. Comporta-se como um dodo ao ser enviado um impulso de controlo ao elctrodo chamado gate. Esta comutao (ou disparo) apenas possvel se o nodo estiver a uma tenso mais positiva do que o ctodo. O tiristor comuta para o estado off quando a corrente deixa de por ele passar. A energia de disparo a ser fornecida gate independente da corrente a ser controlada.


As caractersticas principais do tiristor so as seguintes:

No estado de conduo (on): o Uma queda de tenso resultante

de uma tenso limiar e de uma resistncia interna.

o Uma corrente contnua mxima admissvel (da ordem de grandeza dos 5000 A eficazes para a maior parte dos componentes)

No estado de no conduo (off):

o Uma tenso inversa e directa mxima admissvel (superior a 5000 V pico). As tenses directa e inversa so normalmente idnticas.

o Um tempo de recuperao inversa que o tempo mnimo durante o qual, se for aplicada ao dispositivo uma tenso nodo-ctodo positiva, este voltar a comutar espontaneamente (disparar).

o Uma corrente de gate que comuta (dispara) o componente.

Alguns tiristores so projectados para funcionar frequncia da rede de alimentao e outros, designados por tiristores rpidos (high-speed), podero funcionar a vrios kHz utilizando um circuito de extino. Alguns tiristores rpidos (high-speed) possuem tenses de corte directa e inversa assimtricas.

Em esquemas normais, aparecem normalmente associados a dodos ligados back-to-back e os fabricantes de semicondutores usam esta caracterstica especial para aumentar a tenso directa que o componente pode tolerar no estado de no-conduo (off).

Actualmente, estes componentes so substitudos por GTOs, transstores de potncia e, fundamentalmente por IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors).

No se torna necessrio manter a corrente na gate enquanto o tiristor conduz.

O tiristor GTO (Gate Turn Off)

Trata-se de um tipo especial de tiristor rpido que pode ser extinto pela gate. O fornecimento de uma corrente positiva gate leva o semicondutor a iniciar a conduo, desde que a tenso nodo-ctodo seja positiva. O tiristor bloqueado por inverso da polaridade da corrente de gate. Os GTOs so utilizados em conversores de muito alta potncia pois so capazes de controlar correntes e tenses elevadas (at 5000 V e 5000 A). Contudo, como os IGBTs continuam em desenvolvimento, o mercado de GTOs vai declinando.

As caractersticas principais dos tiristores GTO so as seguintes:

No estado de conduo (on):

o Uma queda de tenso resultante de um limiar de tenso e de uma resistncia interna.

o Uma corrente de manuteno destinada a reduzir quedas na tenso directa.

o Uma corrente contnua directa mxima admissvel

o Uma corrente de corte para bloquear a corrente.

No estado de no-conduo (off):

o Tenses mximas, directa e inversa admissveis assimtricas, como os tiristores rpidos e pelas mesmas razes.

o Um tempo de recuperao que o tempo mnimo durante o qual a corrente de extino deve ser mantida para impedir o disparo espontneo.

o Uma corrente de gate que dispara o componente.

Os GTOs podem funcionar a frequncias de vrios kHz.


O transstor

Trata-se de um dispositivo semicondutor bipolar controlado, constitudo por trs camadas, P-N-P ou N-P-N. Apenas permite a conduo de corrente num dos sentidos: do emissor para o colector. No tipo P-N-P e do colector para o emissor no tipo N-P-N. Os transstores tipo N-P-N, muitas vezes configurados como transstores tipo Darlington, podem funcionar s tenses industriais. O transstor pode funcionar como um amplificador. O valor da corrente que atravessa o transstor determinado pela corrente de controlo que circula na sua base. Contudo, pode tambm funcionar como interruptor esttico discreto: aberto quando no existe corrente de base e fechado quando est saturado. Este segundo modo de funcionamento o usado em circuitos de potncia e variadores. Os transstores bipolares podem ser utilizados para tenses at1200 V admitem correntes at 800 V. Este componente tem vindo a ser substitudo em conversores por IGBTs. Quanto ao tipo de funcionamento no qual estamos interessados, as caractersticas principais do transstor bipolar so as seguintes:


o Uma queda de tenso composta de um limiar de tenso e de uma resistncia interna.

o Uma intensidade de corrente contnua mxima admissvel

o Um ganho de corrente (para manter a saturao do transstor a corrente injectada na base deve ser maior do que a corrente que circula no componente, dividida pelo ganho)

No estado de no-conduo (off), a tenso mxima directa permitida.

Os transstores de potncia utilizados no controlo de velocidade podem funcionar at frequncias de vrios kHz.

O IGBT

Este dispositivo um transstor de potncia controlado pela tenso aplicada a um elctrodo designado por gate que est isolado do circuito de potncia, da o nome Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT). Este dispositivo necessita de nveis mnimos de energia para fazer circular correntes elevadas. Actualmente, este dispositivo utilizado como interruptor discreto na maior parte dos inversores de frequncia at s mais elevadas potncias. (vrios MW). As suas caractersticas tenso/corrente so idnticas s dos transstores bipolares, embora os seus nveis de eficincia em termos de controlo de energia e frequncia de comutao sejam significativamente maiores do que dos outros semicondutores. As caractersticas dos IGBTs esto sempre a melhorar e esto hoje disponveis verses para tenses (> 3 kV) e correntes elevadas (vrias centenas de amperes). As principais caractersticas dos IGBTs so as seguintes:

Uma tenso de controlo que permite ligar ou desligar o componente.


o Uma queda de tenso composta de um limiar de tenso e de uma resistncia interna.

o Uma intensidade de corrente contnua mxima admissvel

No estado de no-conduo (off), uma tenso directa mxima admissvel.

Os IGBTs utilizados no controlo de velocidade podem funcionar a frequncias de vrias dezenas de kHz


O transistor MOS

O princpio de funcionamento deste componente difere significativamente dos anteriores em resultado da alterao do campo elctrico no semicondutor, obtida por polarizao de uma gate isolada. Da resulta o nome Metal Oxide Semiconductor. A sua utilizao no controlo de velocidade est limitado s tenses reduzidas (variadores de velocidade alimentados a baterias) ou s aplicaes de reduzida potncia, em resultado do excessivo preo a pagar pela superfcie de silcio requerida, para obter, no estado de conduo, uma tenso de corte elevada, com uma queda de tenso reduzida. As caractersticas principais de um transstor MOS so as seguintes:

Uma tenso de controlo que garanta a comutao on/off.


o Uma resistncia interna o Uma intensidade de corrente

contnua mxima admissvel.

No estado de no-conduo (off), uma tenso directa mxima admissvel (pode exceder 1000 V).

Os transstores MOS utilizados no controlo de velocidade podem funcionar a frequncias de vrias centenas de kHz. Vamos encontr-los certamente na maioria das fontes de alimentao comutada na forma de componentes discretos ou como circuitos integrados contendo a potncia (MOS) e os circuitos de comando e controlo.

Os IPM (Intelligent Power Module)

Na realidade, no se trata de um novo semicondutor, antes uma srie de transstores IGBT. Este mdulo (ver Fig.12) combina, num nico invlucro, uma ponte inversora com transstores IGBT e a electrnica bsica para o controlo dos semicondutores, a saber:

7 x IGBT componentes (seis para a ponte inversora e um para travagem).

Os circuitos de controlo dos IGBT 7 x dodos de potncia de roda livre associados aos IGBTs de forma a garantirem a circulao da corrente.

Proteco contra curto-circuitos, sobrecorrentes e temperaturas excessivas.

Isolamento elctrico para o mdulo.

A ponte rectificadora de dodos est normalmente integrada no mdulo. Este conjunto a melhor forma de lidar com as ligaes e controlo dos IGBTs.


4 Variador/regulador de velocidade para motores CC

4.1 Princpio geral

O conjunto Ward Leonard foi o primeiro sistema de variao de velocidade para motores CC. Este conjunto, que compreendia um motor controlado (normalmente assncrono) e um gerador CC de excitao varivel, fornecia energia a um ou mais motores CC. A excitao era controlada por um dispositivo electromecnico (Amplidyne, Rototrol, Regulex) ou por um sistema esttico (amplificador magntico ou regulador electrnico). Hoje, tal dispositivo est completamente obsoleto e foi substitudo pelos variadores de velocidade a semicondutor, capazes de realizar as mesmas operaes com nvel superior de eficincia.

Os variadores electrnicos de velocidade so alimentados em potncia com uma tenso fixa pela rede de alimentao CA e fornecem ao motor uma tenso CC varivel. O circuito de excitao alimentado por uma ponte de dodos ou tiristores (normalmente monofsica).

O circuito de potncia um rectificador. Como a tenso a ser fornecida varivel, este rectificador deve ser um rectificador controlado, i.e., deve conter componentes de potncia com caractersticas de conduo que possam ser controladas (tiristores). A tenso de sada controlada pela limitao em maior ou menor extenso do tempo de conduo em cada alternncia. Quanto maior for o atraso do disparo do tiristor em relao passagem por zero, menor o valor mdio da tenso e portanto menor a velocidade do motor (lembre-se que o tiristor entra no corte automaticamente quando a corrente passa por zero).

Para variadores de potncia reduzida ou alimentados por baterias, o circuito de potncia, que pode ser

constitudo por transstores de potncia (chopper), vai variar a tenso de sada CC por ajuste do tempo de conduo. Este modo de funcionamento designado por PWM (Pulse Width Modulation).

Regulao

A Regulao a manuteno precisa do valor imposto, apesar das perturbaes (variao do binrio resistente, da fonte de alimentao, da temperatura). Contudo, durante a acelerao, ou no caso de uma sobrecarga, a corrente no deve atingir um valor que possa fazer perigar o motor ou a fonte de alimentao.

Um loop de controlo interno do variador mantm a corrente num valor aceitvel. Este valor pode ser acedido de forma a ser ajustado em funo das caractersticas do motor.

A referncia de velocidade determinada por um sinal analgico ou digital fornecido pela rede de campo ou qualquer outro dispositivo, que fornea uma tenso correspondente velocidade requerida. A referncia pode ser fixa ou varivel durante um ciclo de funcionamento. A aplicao da tenso de referncia feita atravs de rampas de acelerao e desacelerao que garantem a variao gradual da velocidade at ao valor ajustado. Estas rampas podem ter diversos perfis. O ajuste das rampas define a durao da acelerao ou desacelerao.

No modo de funcionamento em malha fechada (closed loop mode), a velocidade real medida continuamente por um tacogerador ou por um gerador de impulsos e comparada com a referncia. Se for detectado um desvio, a electrnica de controlo vai corrigir a velocidade. A gama de velocidades estende-se por por revolues por minuto at velocidade mxima Nesta gama de variao, fcil atingir taxas de preciso inferiores a 1% em.


regulao analgica e inferiores a 1/1000 em regulao digital, tendo em conta todas as possveis variaes (sem carga/com carga, variao da tenso, variao da temperatura, etc.).

Este modo de regulao pode ser implementado usando a medio da tenso do motor e tendo em conta a corrente que atravessa o motor

Neste caso, os nveis de eficincia so ligeiramente inferiores, quer no que respeita gama de velocidades, quer em termos de preciso (valores % variveis quanto ao funcionamento sem carga e com carga).

Inverso do sentido de funcionamento e travagem regenerativa

Para inverter o sentido de rotao, a tenso da armadura deve ser invertida. Isso pode ser obtido usando contactores (esta soluo hoje obsoleta) ou estaticamente por inverso da polaridade de sada do variador de velocidade ou a polaridade da corrente de excitao. O uso desta ltima soluo pouco frequente, devido constante de tempo do campo do enrolamento.

Se for necessria travagem controlada, seja por pedido seja pela natureza da carga (binrio motor), a energia deve ser restituda rede de alimentao.

Durante a travagem, o variador funciona como inversor ou, por outras palavras, a corrente que circula negativa. Os variadores capazes de realizar estes dois tipos de funes (inverso e travagem regenerativa) possuem duas pontes ligadas costas com costas (ver Fig.13).

Cada uma destas pontes pode ser usada para inverter a tenso e a corrente bem como o sinal para a energia que circula entre a linha de alimentao e a carga.

4.2 Modos de funcionamento possveis

Funcionamento a binrio constante

Com excitao constante, a velocidade do motor determinada pela tenso aplicada armadura do motor. O controlo de velocidade possvel entre o repouso e a tenso nominal do motor, que seleccionada com base na tenso CA da alimentao. O binrio motor proporcional corrente na armadura e o binrio nominal da mquina pode ser mantido para qualquer velocidade.


Quando a mquina alimentada tenso nominal, a sua velocidade

deve possuir uma ponte rectificadora controlada que alimente o circuito de excitao. A tenso da armadura vai manter-se fixa e igual tenso nominal e a corrente de excitao ajustada de modo a obter-se a velocidade requerida.

A potncia exprime-se por

P = E x I onde

E a tenso de alimentao I a corrente na armadura

Para uma dada corrente na armadura a potncia vai ser constante durante toda a variao de velocidade, mas a velocidade mxima limitada por dois parmetros:


pode ainda ser aumentada por reduo da corrente de excitao. Neste caso, o variador de velocidade

As opes de comutao da mquina que so, em geral, mais restritivas.

Os limites mecnicos da armadura e em particular, a potncia centrfuga mxima que tolerada pelo comutador.

O fabricante do motor deve assim seleccionar o motor adequado, nomeadamente no que respeita gama de variao a potncia constante.

5 Inversor de frequncia para motor assncrono

5.1 Princpio geral O inversor de frequncia, que

alimentado a tenso e frequncia constante pela rede de alimentao, fornece uma alimentao CA a tenso e frequncia variveis ao motor em funo das suas necessidades de velocidade. O fluxo deve ser mantido constante de modo a facilitar o fornecimento de potncia a um motor assncrono a binrio constante, independentemente da velocidade. Isso exige que a tenso e frequncia aumentem simultaneamente em igual proporo.

Constituio

O circuito de potncia constitudo por um rectificador e um inversor, que utiliza a tenso rectificada para produzir uma tenso de amplitude e frequncia variveis. (ver Fig.8). Para cumprir com as directivas e normas europeias (Comunidade Europeia), instala-se um filtro na rede de alimentao antes da ponte rectificadora. O rectificador normalmente equipado com uma ponte de dodos rectificadores e um filtro constitudo por um ou mais condensadores, conforme a potncia. Um circuito limitador controla a corrente no arranque. Alguns conversores usam uma ponte de tirstores para limitar o pico de corrente destes condensadores de filtro, que so carregados a um valor aproximadamente igual ao valor de pico da sinuside da linha de alimentao (aprox. 560 V a 400 V trifsica).

Nota: Embora estejam equipados com circuitos de descarga, estes condensadores podem armazenar tenses elevadas perigosas mesmo

semicondutores de potncia (normalmente IGBTs) e dodos de roda livre associados.

Este tipo de controlador destina-se a alimentar motores de rotor em gaiola de esquilo. A gama Altivar da Telemecanique Pode ser utilizada para criar uma pequena rede de alimentao de tenso e frequncia variveis capaz de alimentar um ou vrios motores em paralelo.

constitudo por: Um rectificador com condensadores de filtragem Um inversor com 6 IGBTs e 6 dodos Um chopper, ligado a uma resistncia de travagem (normalmente externa ao produto) Circuitos de controlo com transstores IGBT Uma unidade de controlo baseada num microprocessador, que usado para controlar o inversor Sensores internos para medir a corrente do motor, a tenso CC aos terminais do condensador e, nalguns casos, as tenses aos terminais da ponte rectificadora e do motor bem como de todos os valores necessrios para controlar e proteger o variador de velocidade. Uma fonte de alimentao para alimentar os circuitos electrnicos.

Esta fonte de alimentao constituda por um circuito de comutao ligado aos terminais do condensador do filtro de modo a utilizar esta reserva de energia. Os variadores Altivar utilizam esta caracterstica para evitar os efeitos dos transitrios produzidos pelas flutuaes da alimentao, garantindo assim


com a alimentao desligada. O trabalho neste tipo de produtos deve ser efectuado por pessoal trinado com conhecimentos das precaues essenciais a serem tomadas (circuitos adicionais de descarga ou conhecimento do perodo de espera). A ponte inversora ligada a estes condensadores utiliza seis Esta tcnica, conhecida por PWM (Pulse Width Modulation), condiciona a rotao a baixas velocidades e limita as subidas de temperatura.

excelente comportamento em linhas sujeitas a perturbaes significativas.

Controlo de velocidade

A tenso de sada gerada pela comutao da tenso rectificada, utilizando impulsos de durao, e portanto largura, que modulada de modo a que a corrente alternada resultante seja o mais sinusoidal possvel (ver Fig.14).

A frequncia de modulao escolhida um compromisso: deve ser suficientemente alta para reduzir o ripple na corrente e o rudo acstico no motor sem perdas significativas na ponte rectificadora e nos semicondutores. Duas rampas controlam a acelerao e a desacelerao.

Proteco integrada

O variador possui auto-proteco e protege o motor contra as subidas de temperatura excessivas desligando-o at que a temperatura caia para um nvel seguro.

O variador dispe ainda de proteco contra qualquer perturbao ou problema que possa afectar a falha de uma fase. Para algumas gamas, o rectificador, o inversor, o chopper, o controlador e o sistema de proteco contra curto-circuitos esto integrados num nico IPM.

5.2 Funcionamento V/f

Neste tipo de funcionamento, a referncia de velocidade impe uma frequncia no inversor e consequentemente no motor, que determina a velocidade de rotao. Existe uma relao directa entre a tenso da rede de alimentao e a frequncia (ver Fig.15). Este modo de funcionamento normalmente descrito como funcionamento a V/f constante ou funcionamento escalar.

Se no for aplicada compensao, a veIocidade real varia com a carga, o que limita a gama de funcionamento. Pode ser aplicada compensao para lidar com a impedncia interna do motor e para limitar a queda de velocidade no arranque.


5.3 Controlo vectorial

Os nveis de eficincia podem ser significativamente aumentados atravs do controlo electrnico baseado no controlo vectorial de fluxo (FVC) (ver Fig.16). A maior parte dos variadores actuais possuem esta funo. O conhecimento ou o clculo dos parmetros da mquina permitem omitir o sensor de velocidade na maior parte das aplicaes. Nesse caso, pode usar-se um motor normal sujeito s restries habituais relativas ao funcionamento prolongado a baixa velocidade.

O variador produz informao a partir dos valores medidos nos terminais da mquina (tenso e corrente).

Este modo de funcionamento possibilita nveis aceitveis de rendimento sem aumento dos custos. Para obter estes nveis, necessrio conhecer os parmetros da mquina. A mquina de reparao, se solicitada, deve em particular, aplicar as caractersticas indicadas na placa sinaltica do motor.

Parmetros de regulao.

Estes so, nomeadamente: UNS: Tenso nominal do motor FRS: Frequncia nominal do estator NCR: Corrente nominal do estator

NSP: Velocidade nominal COS: Factor potncia do motor (desfasagem)

O variador utiliza estes valores para calcular as caractersticas do rotor (Lm, Tr).

Variador com controlo vectorial de fluxo sem sensores

No arranque, um variador de controlo vectorial sem sensor (como o Telemecanique ATV58F) realiza auto-ajuste para determinar os parmetros do estator Rs, Lf. Estas medies podem ser realizadas com o motor ligado mquina controlada.

A durao destes ajustes varia de 1 a 10s, dependendo da potncia da mquina. Estes valores so armazenados e podem ser usados pelo controlador para estabelecer relaes de controlo.

O oscilograma da Figura 17 ilustra a acelerao de um motor carregado at ao seu binrio nominal, controlado por um variador sem sensores. Repare que o binrio nominal atingido rapidamente (em menos do que 0.2 s) e que a acelerao linear. A velocidade nominal atingida em 0.8 s.


Controlador com controlo vectorial de fluxo em malha fechada com sensor

Outra opo consiste no uso de controlo vectorial de fluxo em malha fechada com sensor. Esta soluo pode ser usada para controlar separadamente a corrente (Id) que fornece o fluxo mquina e a corrente (Iq) que fornece o binrio O motor controlado da mesma maneira que um motor CC. Esta soluo (ver Fig.18) cumpre as especificaes das aplicaes complexas: dinmica elevada no caso de fenmenos transitrios, preciso da velocidade, binrio nominal na paragem. O binrio mximo transitrio igual a 2 ou 3 vezes o binrio nominal, dependendo do tipo de motor. Para alm disso, a velocidade mxima atinge frequentemente o dobro ou mais da velocidade nominal, se a mecnica do motor o permitir. Este tipo de controlo permite ainda bandas passantes elevadas e nveis de rendimento comparveis ou superiores aos melhores controladores para


motores CC.

Por outro lado, o motor usado no um modelo normal, devido presena de um sensor e, se necessrio, ventilao forada. O oscilograma da Figura 19 apresenta a acelerao de um motor carregado com o binrio nominal alimentado por um variador de controlo vectorial de fluxo com sensor. A escala de tempo de 0.1 s por diviso.

Comparado com o mesmo produto sem sensor, o aumento de performance significativo. O binrio nominal atingido aps 80 ms e o tempo de subida da velocidade nas mesmas condies de carga de 0.5 s.

Como concluso, a tabela da Figura 20 compara os nveis de performance de um controlador nas trs configuraes possveis.


Inverso do sentido de funcionamento e travagem

O sentido de funcionamento invertido pelo envio de uma ordem externa (seja para uma entrada designada para essa funo seja atravs de um sinal pelo bus de comunicaes), que inverte a sequncia de funcionamento dos componentes do inversor, invertendo assim o sentido de rotao do motor.

So possveis diferentes cenrios:

Cenrio 1: Inverso imediata do sentido de controlo dos semicondutores. Se o motor ainda roda quando o sentido de rotao invertido, isso ir provocar um escorregamento brusco e a corrente no controlador ir subir at ao nvel mximo possvel (limite interno). O binrio de travagem reduzido devido ao elevado escorregamento e a regulao interna ir reduzir muito a velocidade de referncia. Assim que o motor atinge a

velocidade zero, a velocidade ser invertida seguindo a rampa. A energia em excesso no absorvida pelo binrio resistivo e a frico dissipada no rotor.

Cenrio 2: Inverso do sentido de controlo dos semicondutores precedido por desacelerao com ou sem rampa.

Se o binrio resistivo da mquina tal que a desacelerao natural mais rpida do que a rampa imposta pelo controlador, o controlador ir continuar a fornecer energia ao motor. A velocidade ir descer gradualmente e inverter.

Pelo contrrio, se o binrio resistente da mquina tal que a desacelerao natural mais lenta do que a rampa imposta pelo controlador, o motor ir funcionar como gerador hipersncrono e devolver energia ao controlador. No entanto, como a presena da ponte de dodos impede a energia de ser restituda rede de alimentao, o condensador de filtragem vai carregar, a tenso ir subir e o controlador ir


bloquear. Para evitar isso, deve-se ligar uma resistncia aos terminais do condensador atravs de um chopper, de modo a limitar a tenso a um valor adequado. O binrio de travagem vai ser limitado apenas pelas capacidades do controlador, isto , a velocidade vai diminuir lentamente e inverter.

Para este tipo de aplicao o fabricante disponibiliza resistncias de travagem dimensionadas de acordo com a potncia do motor e a energia a ser dissipada.

Como na maioria dos casos o chopper est includo de fbrica no controlador apenas a presena de uma resistncia de travagem evidencia a presena de um variador com capacidade de travagem.

Este tipo de travagem muito econmico. Assim vemos este tipo de funcionamento usado para desacelerar motores at ao repouso sem ter que inverter o sentido de rotao.

Travagem dinmica por injeco CC

Pode obter-se a travagem de uma forma econmica e fcil modificando o andar de sada do variador para um chopper, o que injecta corrente contnua nos enrolamentos. O binrio de travagem no controlvel e pouco eficaz, particularmente para velocidades altas. Portanto, a rampa de desacelerao no controlada. Apesar disso trata-se de uma soluo prtica para reduzir o tempo de travagem da mquina. Como a energia dissipada no rotor, este tipo de funcionamento , naturalmente, pouco utilizado.

Modos de funcionamento possveis

Funcionamento a binrio constante

Como a tenso aplicada pelo variador pode variar e assim como o fluxo da mquina constante (relao V/f constante ou mesmo melhor com controlo vectorial de fluxo), o binrio motor vai ser aproximadamente proporcional corrente e vai ser possvel obter o binrio nominal da mquina em toda a gama de

velocidade da mquina (ver Fig.21).

No entanto, o funcionamento permanente a baixas velocidades s possvel se o motor estiver equipado de uma unidade de ventilao forada, o que exige um motor especial. Os variadores modernos de velocidade possuem circuitos de proteco, que criam uma imagem trmica do motor em funo da corrente, dos ciclos de funcionamento e da velocidade de rotao, protegendo assim o motor.


Quando a mquina alimentada tenso nominal, ainda possvel aumentar a sua velocidade fornecendo-lhe uma frequncia maior do que da rede de alimentao. No entanto, como a tenso de sada do inversor no pode exceder a da linha de alimentao, o binrio disponvel diminui na proporo inversa do aumento de velocidade (ver Fig.21). Acima da sua velocidade nominal, o motor deixa de funcionar a binrio constante e funciona a potncia constante (P = Cw) enquanto isso for permitido pela caracterstica natural do motor.

A velocidade mxima limitada por dois parmetros: A limitao mecnica associada ao rotor. O binrio de reserva disponvel. Para uma mquina assncrona alimentada a tenso constante, onde o binrio mximo varia com o quadrado da velocidade, o funcionamento a potncia constante s possvel numa gama de velocidades determinada pela caracterstica do binrio da prpria mquina.


5.4 Controlador de tenso para motores assncronos

Este dispositivo de controlo de tenso, que pode ser utilizado para iluminao e aquecimento, s pode ser utilizado com motores assncronos de gaiola resistiva ou de colector de anel (ver Fig.22). A maior parte destes motores assncronos so trifsicos, embora alguns sejam monofsicos, para baixas potncias (aprox. at 3 kW). Frequentemente utilizados como unidades de arranque/paragem suaves, desde que no seja necessrio um binrio de arranque elevado, os controladores de potncia

podem ser utilizados para limitar a corrente de arranque, a queda de tenso resultante e os choques mecnicos produzidos pelo sbito aumento de binrio. As aplicaes mais frequentes deste tipo so em bombas e ventiladores centrfugos, correias transportadoras, passadeiras rolantes, prticos de lavagem de carros, mquinas equipadas com correias, etc. e no controlo de velocidade em motores de potncia reduzida ou motores universais como os das ferramentas elctricas.

Contudo, para algumas aplicaes, como o controlo de velocidade de pequenos ventiladores, os controladores de potncia foram todos substitudos pelos inversores de frequncia, que so mais econmicos durante o seu funcionamento.

No caso das bombas, a funo de paragem suave pode ser tambm usada para eliminar os impulsos de presso.

No entanto, deve ter-se algum cuidado na seleco deste tipo de variador de velocidade. Quando um motor escorrega, as suas perdas so na realidade proporcionais ao binrio resistivo e inversamente proporcionais velocidade. Um controlador de potncia baseia-se no princpio de reduo da tenso de forma a igualar o binrio resistivo para a velocidade pedida. O motor de

gaiola resistiva deve assim ser capaz de, para velocidades reduzidas, dissipar as perdas (pequenos motores at 3kW so adequados para estas condies). Acima disso, necessrio utilizar motores com ventilao forada. No caso dos motores em anel, as resistncias associadas devem ser dimensionadas em funo dos ciclos de trabalho. A deciso deixada ao especialista, que deve seleccionar o motor adequado.

Esto disponveis trs tipos de arrancadores no mercado: Arrancadores com uma fase controlada para potncias reduzidas, arrancadores com duas fases controladas (a terceira em ligao directa), ou arrancadores com todas as fases controladas. Os dois primeiros sistemas s devem ser utilizados em aplicaes pouco exigentes, devido ao aumento da taxa de frequncias harmnicas.


5.5 Controladores de motores sncronos

Princpio geral

Os controladores de motores sncronos (ver Fig. 23) combinam um inversor de frequncia e um motor sncrono de mane permanente dotado de um sensor. Estes controladores so destinados a mercados especficos como os robots ou mquinas-ferramenta, onde se exige um volume reduzido de motores, acelerao rpida e uma grande banda passante.

Princpio geral

O circuito de potncia possui 2 tiristores ligados head to tail em cada fase. (ver Fig.9). A variao de tenso obtida variando o tempo de conduo dos tiristores em cada alternncia. Quanto maior o atraso no disparo, menor ser o valor da tenso resultante.

O disparo dos tirstores controlado por um microprocessador, que tambm executa as seguintes funes:

Controlo do ajuste das rampas de subida e descida da tenso; a rampa de desacelerao apenas pode ser executada se a durao natural de desacelerao do sistema controlado for superior. Ajuste do limite de corrente. Binrio de arranque. Travagem controlada por injeco CC. Proteco do controlador contra sobrecargas. Proteco do motor contra aquecimento devido a sobrecargas ou arranques frequentes. Deteco de desequilbrio de fases, falha de fase ou falhas de tiristores.

Um painel de controlo, que mostra vrios dos parmetros de funcionamento, fornece assistncia durante a regulao, o funcionamento e a manuteno

Alguns controladores de potncia podem controlar o arranque e a paragem de:

Um nico motor Vrios motores simultaneamente dentro de limites de potncia. Vrios motores em sucesso por comutao. Em situao normal, cada motor alimentado directamente a parir da linha de alimentao atravs de um contactor.

Inverso do sentido de rotao e travagem O sentido de rotao invertido por inverso das fases do inversor. A travagem por contra-corrente ento aplicado e toda a energia dissipada no rotor da mquina. O funcionamento por natureza intermitente.

Travagem por injeco CC dinmica

Pode ter-se travagem econmica fazendo funcionar o andar de sada do arrancador como rectificador, o que injecta corrente contnua nos enrolamentos. O binrio de travagem no controlado e a travagem pouco eficaz, em particular a velocidades elevadas. Desse modo, a rampa de desacelerao no incontrolada. Esta soluo prtica para reduzir a durao natural de paragem da mquina. Como a energia dissipada no rotor, este tipo de funcionamento tambm raro.


O motor

O rotor do motor dotado de magnetos de imane permanente de modo a obter uma intensidade de campo reforada num volume reduzido. O estator possui trs enrolamentos de fase. Estes motores aceitam sobrecargas de corrente elevadas de modo a obter acelerao elevada. So dotados com um sensor de modo a indicar ao controlador a posio angular dos plos do motor garantindo assim a comutao dos enrolamentos.

O controlador

Nestes termos, o controlador funciona no mesmo modo que um inversor de frequncia. Possui tambm um rectificador e um inversor com transstores para modulao por largura de impulsos (PWM) que restitui uma corrente de sada de forma sinusoidal.

frequente encontrar diversos controladores deste tipo alimentados por uma simples fonte de alimentao CC. Numa mquina-ferramenta, cada equipamento controla um dos motores ligados aos eixos da mquina. Uma fonte CC fornece energia a este conjunto paralelo de controladores. Este tipo de instalao permite que a energia gerada na travagem de um dos eixos seja fornecida ao conjunto.

Pode usar-se uma resistncia associada a um chopper, como nos inversores de frequncia, para dissipar o excesso de energia de travagem. As funes electrnicas de servocontrolo, as constantes reduzidas de tempo mecnicas e elctricas, permitem aceleraes e, mais geralmente, bandas passantes que so muito grandes, associadas a velocidades dinmicas elevadas.

5.6 Controlador de motor passo-a-passo

Princpio geral

Os controladores de motores passo-a-passo combinam electrnica de potncia idntica aos inversores de frequncia com um motor passo-a-passo (ver Fig. 24.)

Podem funcionar em modo malha aberta (sem sensor) e destinam-se a aplicaes com controlo de posio.

O motor

O motor pode ser um motor de relutncia varivel, um motor de imane permanente ou uma combinao de ambos.

O controlador

Quanto a esquema, o controlador semelhante a um inversor de frequncia (rectificador, filtros e ponte constituda por semicondutores de potncia).


No entanto, quanto ao funcionamento, fundamentalmente diferente na medida em que o seu objective o de injectar corrente contnua nos enrolamentos. Por vezes, utiliza impulsos de largura varivel (PWM) para melhorar a eficincia, em particular o tempo de subida da corrente (ver Fig.25), o que possibilita alargar a gama de funcionamento.

O funcionamento em micro-passos (ver Fig.26) pode ser utilizado para multiplicar artificialmente o nmero das posies possveis do rotor pela gerao de passos sucessivos nos

enrolamentos em cada sequncia As correntes nos dois enrolamentos parecem duas correntes alternadas desfasadas de 90. O campo elctrico resultante a composio vectorial dos campos criados pelos dois enrolamentos. O rotor toma assim todas as posies intermdias possveis. O diagrama abaixo mostra as correntes de alimentao dos enrolamentos B1 e B2 e as posies do rotor so representadas por um vector.


6 Outras funes dos controladores de velocidade varivel

6.1 Opes de dilogo

Para assegurar que o motor funciona correctamente, os controladores so equipados com vrios sensores de monitorizao da tenso, das correntes do motor e do estado trmico do motor. Esta informao, que essencial para o controlador, pode ser til para o funcionamento. Os controladores e arrancadores mais recentes dispem de funes de dilogo baseadas em redes de campo. Isso fornece um meio de produzir informao que usada por um PLC e um supervisor para controlar a mquina. O PLC usa ainda o mesmo canal para enviar informao de controlo.

A informao transmitida inclui:

Referncias de velocidade Ordens de arranque ou paragem Definies iniciais de controlo ou modificaes dessas definies durante o funcionamento. O estado do controlador (run, stop, sobrecarga, falha) Alarmes O estado do motor (velocidade, binrio, corrente, temperatura).

Estas opes de dilogo so tambm utilizadas em ligao com PCs de modo a simplificar os parmetros de arranque (download) ou para guardar parmetros de arranque.

6.2 Funes incorporadas de fbrica Com o fim de serem compatveis com

o maior nmero de aplicaes possveis, os controladores possuem um nmero significativo de ajustes e parametrizaes, nomeadamente:

Tempos de rampas de acelerao e desacelerao Perfis de rampas (linear, S ou U) Comutao de rampas, o que pode ser utilizado, por exemplo, para permitir uma aproximao suave. Reduo do binrio mximo controlado, usando uma entrada ou referncia lgica. Funcionamento por joystick Gesto do controlo de travagem em aplicaes de elevao Seleco de velocidades pr-definidas. Presena de um somador de sinais de entrada, que pode ser usado para somar referncias de velocidade. Comutao das referncias presentes na entrada do controlador Presena de regulao PID para aplicaes simples de servocontrolo. Paragem automtica no caso de falha de alimentao Proteco trmica do motor usando uma imagem gerada no controlador

Opo de ligao a sensores trmicos PTC integrados no motor Salto da frequncia de ressonncia da mquina, evitando o funcionamento a essa frequncia. Bloqueio com atraso programado do controlador a velocidades reduzidas nas aplicaes de bombagem onde o fluido usado para lubrificar a bomba.

Estas funes so cada vez mais integradas de fbrica em controladores sofisticados. (ver Fig. 27).


6.3 Cartas opcionais

Os fabricantes disponibilizam cartas opcionais para aplicaes mais complexas, que podem ser utilizadas seja para funes especiais, por exemplo no controlo vectorial de fluxo com sensor, seja para aplicaes especficas.

Estes tipos de cartas incluem:

Cartas para Estaes de bombagem como meio de baixos custos para parametrizar uma estao de bombagem constituda por um nico controlador que fornece energia a vrios motores em cadeia.

Cartas Multi-motor Cartas Multi-parmetros, que podem ser usados para a comutao automtica de parmetros de regulao. Cartas especiais desenvolvidas para uma dada necessidade do utilizador.

Alguns fabricantes tambm oferecem cartas PLC para inserir no controlador, para uso em aplicaes simples. Isso disponibiliza ao operador instrues de programao, entradas e sadas para parametrizao de pequenos sistemas automticos onde se no justifica a presena de um PLC separado

7 Concluso

Como a seleco de um variador de velocidade est fortemente ligada ao tipo de carga e aos nveis de performance desejados, a seleco de qualquer variador de velocidade deve incluir uma anlise das necessidades de funcionamento do equipamento e dos nveis de performance do prprio motor.

Binrio constante, binrio varivel, potncia constante, controlo vectorial de fluxo, controlador bidireccional, etc. so termos frequentes na documentao de fabricante.

Essencialmente, trata-se de todos os dados que vai precisar de forma a identificar o controlador mais adequado.

A escolha errada do controlador pode resultar num funcionamento pouco eficaz. De igual modo, essencial considerara gama de velocidades desejadas de modo a seleccionar a combinao motor/controlador mais adequada.

Mec Variadores Velocidade

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