-
2Conversores de freqncia1 O motor
assncrono................................................................................................41.1
Princpio de funcionamento
................................................................................41.2
Motor com rotor em gaiola de
esquilo.................................................................51.3
Motor com rotor bobinado (motor de anis)
........................................................51.4
Circuito equivalente do motor
assncrono...........................................................5
2 Equaes da mquina assncrona
.........................................................................62.1
Fora eletromotriz e corrente
induzida................................................................62.2
Conjugado
eletromagntico................................................................................7
3 Caracterstica conjugado
velocidade...................................................................74
Caracterstica corrente velocidade
......................................................................85
Regies de operao de uma mquina
assncrona................................................86 Regulao
da velocidade do motor assncrono por variao de freqncia
...........97 Conversores estticos de freqncia
...................................................................108
Conversores de freqncia com modulao por largura de pulsos
......................109 Constituio bsica do controlador eletrnico
......................................................119.1
Microcontrolador...............................................................................................119.2
Memrias (EPROM . EEPROM . RAM)
............................................................129.3
Entrada e sada de dados no conversor de
freqncia.....................................12
10 Funcionamento do conversor de freqncia
........................................................1311
Modulao Por largura de pulsos
senoidal...........................................................1412
Controle
escalar...................................................................................................1513
Controle
vetorial...................................................................................................1613.1
Vantagens do conversor com controle
vetorial:.............................................16
14 Caractersticas e funes bsicas dos conversores de
freqncia.......................1614.1 Parmetros
comuns......................................................................................1614.1.1
Seleo da referncia de
freqncia......................................................1614.1.2
Freqncia mnima
................................................................................1714.1.3
Freqncia mxima
...............................................................................1714.1.4
Tempo de acelerao
............................................................................1714.1.5
Tempo de
desacelerao.......................................................................1714.1.6
Corrente limite para
sobrecarga.............................................................1714.1.7
Caracterstica V / F
................................................................................1714.1.8
Reforo ( boost ) da tenso de partida
...................................................1714.1.9
Compensao do escorregamento
........................................................1714.1.10
Freqncia de
chaveamento..................................................................1714.1.11
Rejeio de freqncias
criticas.............................................................1814.1.12
Rampa "S"
.............................................................................................18
15 Algumas funes especiais dos conversores de
freqncia.................................1915.1 Ciclo automtico
...........................................................................................1915.2
Multi-speed
...................................................................................................1915.3
Partida com o motor girando ( flying start
)....................................................1915.4
Frenagem reosttica
.....................................................................................1915.5
Frenagem por corrente
contnua...................................................................20
16 Regulador PID superposto tipo proporcional, integral e
derivativo .......................2116.1
Introduo.....................................................................................................2116.2
Circuitos de regulao
..................................................................................2116.2.1
Sistema de Controle em Malha Fechada
...............................................21
16.3 Realimentao de velocidade por tacogerador de pulsos
.............................2217 Observaes e consideraes
importantes..........................................................2218
Aplicao de conversores de
freqncia..............................................................2418.1
Introduo.....................................................................................................24
19 Tipos de conjugados
resistentes..........................................................................2419.1
Conjugado constante (x = 0)
.........................................................................24
-
319.2 Conjugado linear
(x=1)..................................................................................25Conjugado
quadrtico (x=2)
....................................................................................2519.4
Conjugado hiperblico (x=1)
.........................................................................2619.5
Conjugados no
definidos.............................................................................26
20 Critrios de
aplicao...........................................................................................2720.1
Operao abaixo da rotao
nominal............................................................2720.2
Motores autoventilados
.................................................................................2820.3
Motores com ventilao
independente..........................................................2920.4
Operao acima da rotao
nominal.............................................................2920.5
Operao em ambientes com temperatura elevada (T > 40 C)
...................30Operao em regies de altitude elevada (ALT.
> 1000 m) .....................................3020.7
Consideraes sobre acionamentos multimotores
........................................3120.7.1 Sistema de
acionamento monoconversor
..............................................3120.7.2 Sistema de
acionamento multiconversores
............................................32
20.8 Consideraes sobre acionamento de motor monofsico
.............................3221 Efeito dos harmnicos na
rede.............................................................................3321.1
Fator de potncia e fator de deslocamento
...................................................33Utilizao de
reatncia de rede
...............................................................................3421.3
Utilizao de filtro de rdio freqncia
..........................................................3521.4
Correo do fator de
potncia.......................................................................3621.4.1
Cuidados para a Instalao de bancos de capacitores na presena
deharmnicos
..........................................................................................................3621.4.2
Efeitos dos harmnicos sobre
capacitores.............................................3621.4.3
Sobretenses decorrentes de
harmnicos.............................................3621.4.4
Soluo para o problema de ressonncia
..............................................37
22 Aplicaes tpicas
................................................................................................3722.1
Consideraes gerais
...................................................................................3722.2
Bombas
........................................................................................................3722.2.1
Bombas dinmicas ou turbobombas
......................................................3722.2.2
Bombas de deslocamento positivo ou volumtricas
...............................38
22.3
Ventiladores..................................................................................................3822.4
Sistemas de refrigerao e ar condicionado
.................................................3822.5 Torno de
superfcie / laminador desfolhador
.................................................3822.6 Sistemas de
transporte
.................................................................................3922.7
Extrusoras.....................................................................................................4022.8
Trefilas..........................................................................................................4022.9
Misturadores
.................................................................................................4022.10
Sistemas de
elevao...................................................................................4022.11
Bobinadores e
desbobinadores.....................................................................4122.12
Fresadoras....................................................................................................4122.13
Sistemas de
dosagem...................................................................................4222.14
Centrfugas
...................................................................................................4222.15
Moinhos a tambor
.........................................................................................42
-
41 O motor assncrono1.1 Princpio de funcionamentoOs motores
assncronos ou de induo , por serem os mais robustos e mais baratos,
so osmotores mais amplamente empregados na indstria. A ausncia do
comutador grandevantagem dos motores assncronos sobre os motores de
corrente contnua.Na mquina assncrona, existe um conjunto de bobinas
no estator alimentadas por uma redetrifsica e que produzem um campo
magntico girante. Imerso neste campo est o rotor, que constitudo
por enrolamento em curto circuito. O movimento de rotao do fluxo
produz umatenso nos condutores do rotor. Como o enrolamento est
fechado, haver portanto ,circulao de corrente. Devido indutncia
natural do enrolamento, essa corrente estatrasada com relao tenso.
A interao da corrente de rotor e do fluxo de estator , resultaem um
conjugado desenvolvido no rotor , na mesma direo do campo girante.A
velocidade do campo conhecida como velocidade sncrona (nS) , dada
por:
O rotor sempre ir girar com uma rotao abaixo da rotao do campo
girante (velocidadesncrona) e, portanto, haver corrente e conjugado
induzidos. A diferena relativa entre asvelocidades do rotor e do
fluxo do estator conhecida como escorregamento e
representadapor:
Se o motor gira a uma velocidade diferente da velocidade
sncrona, o enrolamento do rotorcorta as linhas de fora magnticas do
campo girante e, pelas leis do eletromagnetismo,circularo nele
correntes induzidas. Quanto maior a carga , maior dever ser o
conjugado paraacion-la. Para obter um maior conjugado,
proporcionalmente ter que ser maior a diferena develocidades entre
rotor e o campo girante no estator para que as correntes induzidas
e oscampos produzidos seja maiores. Portanto , medida que a carga
aumenta , cai a rotao domotor. Quando a carga for zero (motor a
vazio) o rotor ir girar quase na rotao sncrona.A freqncia da
corrente induzida no rotor igual ao escorregamento multiplicado
pelafreqncia do estator. Ou seja:
n fpfp
S120.
frequncia em Hertznmero de plos do motor
s n nnsnn
s
s
s
escorregamentovelocidade sncronavelocidade rotrica
f s fff
2 1
2
1
.freqncia da corrente rotrica [ Hz ]freqncia da corrente
estatrica [ Hz ]
-
5A vazio o escorregamento muito pequeno , assim como no rotor,
sua reatncia e sua f.e.m.induzida so muito pequenas. Assim , a
corrente do rotor reduzida , apenas o suficiente paraproduzir o
conjugado necessrio a vazio. O fator de potncia extremamente baixo
e ematraso , com cos < 0,3 , pois a corrente que circula no
motor utilizada apenas para a suamagnetizao.Quando uma carga
mecnica aplicada ao rotor , a velocidade decresce um pouco.
Opequeno decrscimo na velocidade causa um aumento no
escorregamento, na freqnciarotrica , na sua reatncia e na sua fora
eletromotriz induzida. O aumento da corrente induzidano rotor
reflete num aumento da corrente primria do estator . Uma corrente
maior serproduzida no estator , com melhor fator de potncia,
tendendo a produzir mais potnciamecnica e solicitar mais potncia da
linha. plena carga o motor de induo ir girar a umescorregamento que
corresponde ao equilbrio entre o conjugado desenvolvido e o
conjugadoresistente da carga.O fator de potncia a plena carga varia
de 0,8 (em pequenos motores de com potncia emtorno de 1CV ) e
aproximadamente 0,95 (nos grandes motores , acima de 150 CV). Com
oaumento da carga , o fator de potncia aproxima-se de um mximo e
ento decrescerapidamente.
1.2 Motor com rotor em gaiola de esquiloOs motores desta
categoria so comumente chamados de motores de gaiola de esquilo.
Ocircuito rotrico constitudo de barras isoladas e interligadas nas
extremidades por anis emcurto-circuito.
1.3 Motor com rotor bobinado (motor de anis)O motor de anis
possui a mesma caracterstica construtiva do motor de induo com
relaoa estator , mas o seu rotor bobinado com um enrolamento
trifsico , acessvel externamenteatravs de trs anis com escovas
coletoras no eixo.Graas caracterstica do ajuste da curva de
conjugado por rotao em funo do aumento daresistncia rotrica pela
incluso de resistores externos , estes motores so utilizados
noacionamento de cargas de inrcia elevada e com alto conjugado
resistente de partida. Poroutro lado , para acionamentos com baixa
inrcia , estes motores podem apresentar correntesde acelerao
reduzidas.
1.4 Circuito equivalente do motor assncronoQuando o
escorregamento do varia entre 0 e 1 , haver f.e.m. induzida no
rotor e,consequentemente haver converso eletromecnica de potncia.
Nesta situao , vlido ocircuito equivalente mostrado a seguir.
E1 : tenso de rotor I1 : corrente de rotor IE : corrente de
excitao
-
6 E2 : tenso de rotor referida ao estator I2 : corrente de rotor
R1 : resistncia do enrolamento de estator X1 : reatncia de estator
Rp : resistncia associada as perdas no ncleo magntico Xp : reatncia
de magnetizao R2 : resistncia de rotor referida ao estator X2 :
reatncia de rotor referida ao estator
2 Equaes da mquina assncrona2.1 Fora eletromotriz e corrente
induzidaA fora eletromotriz induzida no rotor funo do
escorregamento. Com o rotor parado, ocampo rotativo estatrico gira
com a mesma velocidade com relao aos enrolamentos do rotore
estator, induzindo no circuito rotrico uma f.e.m. proporcional
freqncia de rotor (f1).Quando o rotor est bloqueado, a tenses
induzidas no rotor e estator so dadasrespectivamente por:
Na presena de escorregamento, tem-se:
Portanto:
Desta forma a anlise da mquina pode ser descrita de forma
aproximada por:
A equao acima mostra de forma aproximada o comportamento do
fluxo de magnetizao datenso e freqncia de estator.
E f N KE f N K
EEK KN N
f f
m e
m e
e e
m
1 1 1 1
2 2 2 2
1
2
1 2
1 2
2 1
4 444 44, . . . ., . . . .
,,
Fora contra eletromotriz induzida no estatorFora eletromotriz
induzida no rotor
Fator de enrolamento do estator e rotor , respectivamenteNmero
de espiras do estator e rotor , respectivamente
Fluxo de magnetizaoPara rotor bloqueado
f s f2 1.
E s Es2 2.
MEf1
1
-
72.2 Conjugado eletromagnticoA interao entre a corrente de rotor
e o fluxo produzido por cada plo unitrio do campomagntico girante
que concatena o condutor do rotor , resulta no conjugado motor ,
que dadopor:
Onde: K = Constante de conjugado para o nmero de plos,
enrolamento, converso de
unidades, etc. cos 2 = fator de potncia do circuito rotrico
M = fluxo de magnetizao I2 = corrente de rotorPara um estudo
aproximado da mquina, a expresso do conjugado pode ser simplificada
por:
Por sua vez, a corrente de rotor dada por:
Onde : Z2 = Impedncia rotrica E2 = Fora eletromotriz induzida no
rotor s = escorregamentoO conjugado desenvolvido funo do
escorregamento , isto , com o aumento da cargaaplicada mquina,
aumenta-se o escorregamento e consequentemente o
conjugadodesenvolvido. Esta relao apresenta um limite, com o qual
consegue-se obter o conjugadomximo, e a partir do qual,
aumentando-se o escorregamento aumenta-se a Impednciarotrica ,
diminuindo-se o conjugado.
3 Caracterstica conjugado velocidade a curva que mostra a
dependncia entre o conjugado desenvolvido por um motor eltrico e
asua rotao. Nos motores de induo assncronos o conjugado disponvel
aumenta medidaque a velocidade rotrica diminui em relao velocidade
sncrona, at a velocidade ondeocorre o conjugado mximo. A relao
entre o conjugado e a rotao de um motor definidapara freqncias e
tenses especficas, com uma certa carga aplicada ao motor.
C K IM. . .cos2 2
C IM . 2
I s ER s X2
2
22 2
22
..
-
84 Caracterstica corrente velocidadeA corrente do motor
assncrono depende diretamente da velocidade , diminuindo seu valor
medida em que a rotao se aproxima da rotao sncrona.
O efeito da carga o de reduzir ligeiramente a velocidade ,
fazendo com que a correnteconsumida pelo motor aumente. A corrente
de partida pode atingir de 5 a 7 vezes a correntenominal.
5 Regies de operao de uma mquina assncronaA mquina sncrona pode
funcionar em trs regies distintas de operao:a) Regio motora: A
mquina aciona a carga e a velocidade do rotor situa-se entre zero e
a
rotao sncrona.b) Regio geradora: A mquina acionada por uma fonte
externa de energia mecnica a uma
rotao acima da rotao sncrona. Nesta regio funciona o gerador de
induo.c) Regio de frenagem por inverso de fases: Nesta regio, duas
fases so invertidas com o
motor ainda em funcionamento. O sentido de rotao do campo
girante passa a ser opostoao do rotor e carga passa a ser freada
.
-
96 Regulao da velocidade do motor assncrono por variaode
freqncia
Ao se variar a freqncia da tenso do estator , varia-se a
velocidade do campo girante. Comisto pode se variar a velocidade do
rotor , mantendo-se constante o escorregamento damquina e ,
portanto , as perdas podem ser otimizadas de acordo com as condies
da carga.Quando se regula a velocidade de um motor assncrono por
variao de freqncia , existemteoricamente duas faixas de atuao:a)
Fluxo constante: Nesta regio a freqncia de estator varia entre zero
e a freqncia
nominal e a relao entre a tenso e freqncia mantida constante ( U
/ F = constante ).b) Enfraquecimento de campo: A freqncia maior que
a nominal e a tenso de estator
mantida constante . O fluxo magntico de estator nesta regio
decresce com o aumento dafreqncia.
Para que as duas faixas mencionadas se tornem possveis de serem
realizadas , hnecessidade das seguintes consideraes:a) Se um motor
auto-ventilado trabalha com velocidade menor que a nominal, ter
sua
capacidade de refrigerao diminuda.b) A tenso de sada dos
conversores apresenta uma forma no senoidal , o que implica em
harmnicas de ordem superior , que provocam um aumento de perdas
no motor .Devido s consideraes mencionadas anteriormente, torna-se
necessrio reduzir o conjugadoe potncias admissveis no motor.
Recomenda-se seguir a curva mostrada a seguir.
O valor de K est entre 0,7 e 1,0 e depende do contedo de
harmnicas do conversor.
-
10
7 Conversores estticos de freqnciaO mais eficiente mtodo de
controle de velocidade de motores assncronos trifsicos , commenores
perdas no dispositivo responsvel pela variao da velocidade,
consiste na variaoda freqncia da fonte alimentadora por meio de
conversores estticos de freqncia. Paraesta tcnica , podemos
considerar as seguintes relaes:
Onde:M = Fluxo de magnetizao
I2 = Corrente do rotor V1 = Tenso de estator f1 = Freqncia da
redePara possibilitar a operao do motor com conjugado constante
para diferentes velocidades,deve-se fazer variar a tenso V1
proporcionalmente com a variao da freqncia f1 mantendo-se desta
forma o fluxo constante.
8 Conversores de freqncia com modulao por largura depulsos
C I
Vf
M
M
. 2
1
1
-
11
Um conversor de freqncia com modulao por largura de pulsos
consiste basicamente dosseguintes blocos:a) Fonte de tenso contnua
elaborada a partir de uma ponte retificadora alimentada por uma
rede monofsica ou trifsica;b) Filtro capacitivo;c) Inversor
constitudo de transistores de potncia.d) ControladorA ponte
retificadora de diodos transforma a tenso alternada de entrada em
uma tensocontnua que filtrada por um banco de capacitores. O
circuito de corrente contnua chamado de circuito intermedirio .
Esta tenso contnua alimenta uma ponte inversoraformada por
transistores de potncia ( BJT, IGBT ou MOSFET ) e diodos roda
livre. O comandodas bases dos transistores , feito pelo
microcontrolador , permite a gerao de pulsos para omotor com tenso
e freqncia controladas. O formato dos pulsos obedece ao princpio
demodulao denominado de PWM senoidal, que permite um acionamento
com correntepraticamente senoidal no motor. Usando-se transistores
, ao invs de tiristores , no circuitoinversor , evita-se a utilizao
de elementos de comutao .Para formar um sistema de tenses trifsicas
com um conversor, os transistores sochaveados com sinais gerados
pelo microcontrolador numa seqncia preestabelecida ,gerando uma
forma de onda retangular ou escalonada de um sistema trifsico nos
terminais desada CA.Aumentando-se ou diminuindo-se a taxa de variao
do chaveamento , pode-se alterar afreqncia do sistema trifsico
gerado, inclusive aumentando a freqncia acima do valor darede , uma
vez que a converso CC desacopla a sada da entrada.O circuito de
controle responsvel pela gerao dos pulsos para conduo dos
transistores,monitorao e proteo dos componentes de potncia ,
interpretao dos comandos externos ,proteo e segurana.
9 Constituio bsica do controlador eletrnicoOs controladores
eletrnicos dos conversores de freqncia na atualidade so
constitudosbasicamente de controladores lgicos digitais, que
executam todas as funes operacionais doconversor, como: gerao dos
pulsos de disparo dos transistores, monitorao e proteo
doscomponentes de potncia, interpretao dos comandos, implementao
das funes especiaisde controle, etc. De uma forma genrica, o
controlador pode ser basicamente dividido nasseguintes partes:-
Microcontrolador (CPU)- Memrias (EPROM - EEPROM - RAM)- Sistema de
entrada e sada de dadosCada parte do controlador tem uma funo
especfica, ao qual veremos a seguir.
9.1 MicrocontroladorO Microcontrolador, ou unidade central de
processamento (UCP), a unidade responsvel emcoordenar todas as
tarefas e executar os clculos. Ela tambm pode ser chamada
deprocessador e pode ser dividida em trs partes bsicas: Unidade
Lgica Aritmtica (ULA),Unidade de Controle e Rede de Registradores.A
unidade aritmtica a responsvel pela execuo dos clculos com os
dados. Por exemplo,as operaes lgicas bsicas (E, OU, etc.) entre
dois dados ou as operaes aritmticas comosoma, diviso, subtrao,
multiplicao, etc.A unidade de controle a responsvel Por gerar os
sinais de controle para os sistemas, comoleitura ou escrita da
memria, de sincronizao de interface de comunicao, enfim, todos
ossinais de controle necessrios para o sistema.
-
12
A rede de registradores constituda Por uma srie de registradores
que so utilizadosgeralmente para armazenar dados temporariamente,
dados que esto sendo manipulados peloprocessador, ou registrador
utilizado como contador de programa, ou ainda, registradorutilizado
como armazenador de endereos, etc.Com o avano da microeletrnica, a
construo de microprocessadores dedicados(microcontroladores)
tomou-se mais generalizada, onde todas as funes que
anteriormenteeram executadas atravs da utilizao de vrios circuitos
integrados individuais, foram sendocondensadas em um nico circuito
integrado (CHIP). Da ento se tomou perceptvel adistino entre
microprocessadores, que so circuitos integrados para aplicao
genrica emicrocontroladores, que so circuitos integrados para
aplicaes dedicadas.
9.2 Memrias (EPROM . EEPROM . RAM)As memrias em circuito
integrado pode ser divididas em dos grupos distintos:- Memria ROM
(Read Only Memory) - Memria apenas de leitura- Memria RAM (Random
Acess Memory) - Memria de acesso aleatrioAs memrias ROM so
designadas como memrias de programa Por serem memrias que nopodem
ser alteradas pelo programa, porm tem a vantagem de no perderem as
suasinformaes mesmo quando desligada a alimentao. As memrias ROM so
utilizadas paraarmazenar os programas ou dados que no necessitam
ser alterados.Entre os principais tipos de memrias ROM, podem ser
destacados os seguintes:- ROM MSCARA - So memrias nas quais as
informaes so gravadas em sua
fabricao.- PROM (Programmable Read Only Memory) - So memrias que
podem ser eletricamente
programveis, porm, aps programadas, o seu contedo no pode ser
mais alterado.- EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory) - So
memrias que podem ser
eletricamente programveis e podem ser apagadas posteriormente,
para seremreutilizadas com uma nova programao. Para serem apagadas,
estas memrias devemser expostas luz ultravioleta.
- EEPROM (Electrical Erasable Programmable Read Only Memory) -
Tambm so memriasque podem ser eletricamente programveis e podem ser
apagadas posteriormente, paraserem reutilizadas com uma nova
programao. Estas memrias podem ser apagadasatravs de sinais
eltricos, o que as toma muito mais versteis onde necessrioprogramar
dados que devem ser alterados continuamente, mas que no podem
serperdidos quando da falta de alimentao. Este tipo de memria que
utilizadainternamente dos controladores dos conversores de
freqncia, pois nela que searmazenam os dados referentes aos
parmetros de operao e caractersticas defuncionamento do conversor,
dados que so alterados conforme as caractersticas daaplicao e que
no podem ser perdidos quando da desenergizao do conversor.
As memrias RAM so designadas como memrias de dados e so memrias
que podem serlidas ou gravadas pelo programa. As memrias RAM so
utilizadas para armazenartemporariamente dados que so alterados no
decorrer do programa. As memrias RAMpossuem a caracterstica de
perder os dados armazenados quando da falta de alimentao,
eatualmente, elas j se encontram incorporadas no mesmo circuito
integrado doMicrocontrolador, visando a diminuio de espao e nmero
de componentes na placa decircuito impresso.
9.3 Entrada e sada de dados no conversor de freqnciaO sistema de
entrada e sada de dados composto Por dispositivos que possibilitam
aconexo do conversor de freqncias e o ambiente externo. Os
dispositivos mais comuns so: Interface homem-mquina : um
dispositivo Por meio do qual o operador pode inserir
parmetros de operao na memria do conversor, como , Por exemplo :
ajuste develocidade, tempo de acelerao e desacelerao, freqncia
mxima e mnima , limitaode corrente etc. possvel tambm acessar dados
internos do conversor , como :velocidade do motor , corrente e
tenso fornecida , freqncia de sada , protees atuadasetc.
-
13
Entradas e sadas analgicas : Permitem controlar e monitorar o
conversor Por meio desinais eletrnicos analgicos , tais como :
sinais de tenso ( 0 a 10V ) ou de corrente ( 0 a20 mA, 4 a 20mA ).
Por meio destes sinais pode - se fazer o controle de
velocidade(entrada) e leituras de corrente ou freqncia ( sada).
Entradas e sadas digitais : Possibilitam o controle e monitorao
do conversor Por meio desinais discretos ( digitais ). Este tipo de
controle permite basicamente o acesso a funessimples como a seleo
do sentido de rotao, bloqueio , seleo de velocidades pr
-programadas etc.
Interface de comunicao serial : Permite que o conversor seja
controlado e monitoradoremotamente Por um sistema de processamento
central (computador , SDCD , CLP), quePor vez , pode acessar os
parmetros de programao do conversor. Os sistemas decomunicao
normalmente utilizam os padres de comunicao RS-232 ou RS-485.
10 Funcionamento do conversor de freqnciaComparados com
tiristores, os transistores podem chavear muito mais rapidamente.
Portanto ,possuem uma vasta rea de aplicao em inversores de alta
freqncia que empregammodulao por largura de pulsos. A maior
desvantagem do que os transistores necessitam decorrente contnua na
base durante todo o perodo de conduo.A variao U/f feita linearmente
at a freqncia nominal do motor (50/60 Hz), acima desta, atenso que
j a nominal permanece constante e h ento apenas a variao da
freqnciaque aplicada ao enrolamento do estator.Com isto
determinamos uma rea acima da freqncia nominal que chamamos regio
deenfraquecimento de campo, ou seja, uma regio onde o fluxo comea a
decrescer e, portanto,o conjugado tambm comea a diminuir.Assim a
curva caracterstica conjugado x velocidade do motor acionado com
conversor defreqncia pode ser colocada da seguinte maneira :
Podemos notar ento, que o conjugado permanece constante at a
freqncia nominal e, destaforma, comea a decrescer. A potncia de
sada do conversor de freqncia comporta-se damesma forma que a
variao U/f, ou seja, cresce linearmente at a freqncia
nominalpermanece constante acima desta.
-
14
A figura a seguir mostra o comportamento conjugado x velocidade,
idealizado da mquinaassncrona em todos os quadrantes de
acionamento. Com a variao da freqncia obtm-seum deslocamento
paralelo da curva caracterstica conjugado x velocidade em relao
curvacaracterstica para freqncia nominal (50 ou 60 Hz).
Ou tambm de uma forma mais simplificada :
11 Modulao Por largura de pulsos senoidalCom este mtodo os
transistores de potncia so acionados e desligados em uma
freqnciaelevada, de modo que o valor mdio da tenso de sada varie de
forma senoidal. A modulaoPor largura de pulsos possui harmnicos de
ordem muito menor que outras formas de ondapulsantes , tais como :
formas de onda quadrada, onda trapezoidal , onda escalonada e
pulsosde largura no controlada.
-
15
Para determinar os pontos de conduo necessrios para sintetizar
corretamente a modulaopor largura de pulsos, um mtodo pode ser
usado tomando-se uma senide de referncia e ,atravs do circuito de
controle , comparar a senide com uma forma de onda triangular ,
comomostra a figura. Em (a) tem-se uma tenso de sada mxima, em (b)
uma tenso de sadareduzida pela metade e em (c) a metade da tenso e
metade da freqncia.
12 Controle escalarO controle escalar utilizado por conversores
de freqncia convencionais , onde necessriaapenas a variao de
velocidade em aplicaes normais e que no requerem elevadassolicitaes
dinmicas , preciso , nem controle de conjugado (corrente).
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16
Em um sistema de controle escalar , possvel uma preciso de
velocidade de at 0,5% darotao nominal sem variao de carga, e de 3%
a 5% com variao de carga de 0 a 100% doconjugado nominal. Pelo
princpio de funcionamento e aplicao , so utilizados na maioria
dasvezes motores de induo convencionais sem nenhum sistema de
realimentao develocidade. A faixa de variao de velocidade pequena e
da ordem de 1:10.Com estas caractersticas o conversor de freqncia
convencional (escalar ) , utilizado commais freqncia, pois
apresenta um custo relativo menor que o conversor com o
controlevetorial, como tambm em relao a um acionamento por motor CC
e conversor CA/CC.
13 Controle vetorialEm aplicaes nas quais o alto desempenho
dinmico ( repostas rpidas e alta preciso deregulao) , o motor
eltrico dever fornecer um controle preciso de conjugado para uma
amplafaixa de condies de operao. Para tais aplicaes os acionamentos
de corrente contnuasempre representam uma soluo adequada , pois, a
proporcionalidade da corrente dearmadura , do fluxo e do conjugado
num motor de corrente contnua proporciona um meiodireto para o
controle de conjugado.No motor assncrono a corrente de estator
responsvel por gerar o fluxo de magnetizao e ofluxo de conjugado,
no permitindo que este ltimo possa ser controlado diretamente.
Nosconversores de freqncia convencionais , a variao de velocidade
obtida variando-se atenso e a freqncia aplicadas ao motor sem levar
em conta as variaes da impedinciainterna dos enrolamentos e os
fenmenos de saturao.O controle vetorial uma forma de regulao que
possibilita a avaliao individual dascomponentes eltricas internas
do motor de corrente alternada ( resistncias e indutncias )
,permitindo uma regulao mais precisa .O circuito de potncia do
conversor de freqncia vetorial no diferente de um conversor
defreqncia escalar, sendo composto dos mesmos blocos funcionais. O
controlador vetorialcalcula a corrente necessria para determinar a
conjugado requerido pela mquina,monitorando a corrente de
estator.
13.1 Vantagens do conversor com controle vetorial:- Elevada
preciso de regulao de velocidade (0,01%);- Alta performance
dinmica;- Controle de conjugado linear para aplicaes de posio ou de
trao;- Operao suave em baixa velocidade e sem oscilaes de
conjugado, mesmo com variaode carga.O controle vetorial representa,
sem dvida, um avano tecnolgico significativo, aliando
asperformances dinmicas de um acionamento CC e as vantagens de um
motor CC porm, emalguns sistemas que utilizam controle vetorial
necessrio o uso de tacogerador de pulsosacoplado ao motor para que
se tenha uma melhor dinmica, o que toma o motor especial.porem
disso, a funo de regenerao mais complicada, pois requer circuitos
adicionais taiscomo ponte retificadora antiparalela na entrada e
hardware adicionais para regenerao, emcomparao a um acionamento Por
motor CC e conversor CA/CC.
14 Caractersticas e funes bsicas dos conversores defreqncia
14.1 Parmetros comuns
14.1.1 Seleo da referncia de freqncia possvel selecionar qual
ser a referncia de freqncia utilizada pelo conversor, que podeser
estabelecida na IHM, por meio do canal serial ou atravs das
entradas analgicas oudigitais.
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17
14.1.2 Freqncia mnimaPermite determinar mnima freqncia de sadia
entregue ao motor pelo conversor.
14.1.3 Freqncia mximaDetermina a mxima freqncia de sada do
conversor.
14.1.4 Tempo de aceleraoEstabelece o tempo que conversor leva
para variar de 0 Hz at o limite superior da faixa defreqncia
selecionada.
14.1.5 Tempo de desaceleraoEstabelece o tempo que conversor leva
para variar do limite superior da faixa de freqnciaselecionada at 0
Hz.
14.1.6 Corrente limite para sobrecargaDefine o valor mximo para
a corrente de sada do conversor. Deve ser determinada em funodo
motor a ser utilizado.
14.1.7 Caracterstica V / FDetermina a relao entre a tenso /
freqncia na sadia do conversor. Normalmente possvel estabelecer uma
relao linear para motores de 50Hz ou 60Hz ou ainda uma
relaoarbitrria.
14.1.8 Reforo ( boost ) da tenso de partidaAumenta a relao V / F
em baixas freqncias , de modo a permitir a partida de cargas
comconjugado resistente de partida elevado.
14.1.9 Compensao do escorregamentoPermite melhorar a regulao de
velocidade com as variaes de carga. Com a compensaode
escorregamento a freqncia de sadia aumentada na proporo do aumento
da corrente.
14.1.10 Freqncia de chaveamentoEstabelece qual deve ser a
freqncia de chaveamento dos transistores de do inversor desada.
Freqncias de chaveamento elevadas implicam em menor rudo acstico no
motor,porm aumentam as perdas nos semicondutores, elevando sua
temperatura e reduzindo suavida til.
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18
A reduo da freqncia de chaveamento , por sua vez , colabora na
reduo de problemas deinstabilidade e ressonncias que ocorrem em
determinadas condies de aplicao.
14.1.11 Rejeio de freqncias criticasPermite ao conversor a
possibilidade de evitar a operao em determinadas freqnciascrticas
que possam provocar ressonncia no acionamento mecnico acoplado ao
motor,causando vibrao e rudo indesejveis.
14.1.12 Rampa "S"Possibilita a substituio das convencionais
rampas de acelerao lineares por rampas do tipo"S" , as quais impem
ao motor e carga maior suavidade nos instantes de acelerao
edesacelerao.
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15 Algumas funes especiais dos conversores de freqncia16.1.
Regulao de velocidade em malha fechada uma utilizada quando se
necessita de alta preciso de velocidade , independente devariaes
nas condies da carga.Para garantir uma preciso elevada o conversor
faz o controle de velocidade do motor emmalha fechada, o que torna
necessrio a utilizao de um sinal de realimentao develocidade. A
realimentao de velocidade obtida por meio de um transdutor de
velocidade (encoder incremental) acoplado ao eixo do motor.
15.1 Ciclo automticoO ciclo automtico utilizado para acionar um
motor em uma determinada seqncia deoperao que repetida a cada
liberao do conversor.O ciclo , aps iniciado, pode ser interrompido
, sendo que a parada da mquina ocorreseguindo a rampa de
desacelerao, e poder ser reiniciado a partir do mesmo ponto em
queocorreu a parada. Ao final do ciclo completo , o conversor
aguardar um comando externo quehabilite o inicio de um novo
ciclo.
15.2 Multi-speedEsta funo permite a variao da freqncia de sada
do conversor atravs de combinaesdas entradas digitais, que por sua
vez podem comandadas por vrias formas , tais como:chaves seletoras
, contatores, rels, chaves fim-de-curso etc. Seu uso recomendado
quandose necessita de duas ou mais velocidades fixas e
pr-definidas.
15.3 Partida com o motor girando ( flying start )Este recurso
utilizado quando necessrio o religamento do motor com o conversor
defreqncia mesmo que o motor ainda esteja em movimento. Quando o
motor ainda encontra-se girando , existe um magnetismo residual que
faz com que seja gerada uma tenso nos seusterminais. Com o
religamento do conversor , surgem picos transitrios de corrente que
podemlevar a atuao da proteo contra curto circuito e ao bloqueio do
conversor.O recurso "flying start" faz com que o conversor imponha
a tenso de alimentao sem queocorra o bloqueio causado pelo pico
transitrio de corrente.
15.4 Frenagem reostticaEste tipo de frenagem utilizada nos casos
em que so desejados tempos de desaceleraocurtos ou quando forem
acionadas cargas de elevada inrcia.
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Durante os perodos de desacelerao o motor passa a funcionar como
gerador e a energiaretorna atravs do inversor , fazendo com que a
tenso no circuito intermedirio aumente.Neste momento conectado ao
circuito intermedirio um resistor para dissipar a energiadevolvida
pela carga.
15.5 Frenagem por corrente contnuaNeste caso, a frenagem do
motor conseguida removendo-se a alimentao CA e aplicando-se uma
tenso contnua em seu estator.Durante a frenagem CC , necessrio um
intervalo para a desmagnetizao do motor, demodo a evitar um pico de
corrente no conversor.
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16 Regulador PID superposto tipo proporcional, integral
ederivativo
16.1 IntroduoO uso de conversor de freqncia comum em aplicaes de
controle de processos. Nestescasos, deseja-se controlar uma
determinada grandeza do processo, sendo a velocidade domotor
variada para tanto.A incorporao da funo regulador PID em um
conversor de freqncia transforma oacionamento do sistema em malha
aberta para um sistema em malha fechada (realimentado),o que
permite um controle automtico do processo, a partir de uma
referncia (set-point)definida pelo mesmo e ajustada (programada)
diretamente no conversor de freqncia. Comoexemplo temos o controle
de vazio:
Em muitas aplicaes, com a utilizao do Regulador PID interno
evita-se o uso de umcontrolador de processo externo ao
conversor.
16.2 Circuitos de regulaoO principal objetivo de um conversor
regular a velocidade do motor, tomando-a insensvel svariaes de
carga. Atravs de um sinal de referncia (Ex.: 0-10 Vcc, 0-15 Vcc,
0-2O mA, 4-20mA, etc.) ajustamos um nvel de velocidade desejado,
que dever ser mantido independente dacarga. Para a construo de
circuitos de regulao so usados amplificadores operacionais,cujas
principais caractersticas so : Alta Impedncia de entrada, alto
ganho e baixa inrcia.Os circuitos de regulao devem possuir as
seguintes caractersticas :1 - Baixo desvio entre o valor de
controle e o valor controlado;2 - Alta estabilidade;3 - Boa dinmica
de regulao, isto , aps uma perturbao a nova condio em
regimepermanente deve ser atingida o mais rpido possvel
16.2.1 Sistema de Controle em Malha FechadaNeste tipo de
sistema, a varivel de sada regulada mediante o envio de uma amostra
de seuvalor entrada (realimentao). Na figura a seguir temos um
diagrama simplificado de umsistema em malha fechada.
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Um exemplo prtico o do conjunto motor, realimentado Por
tacogerador. Neste caso, otacogerador (G) informa ao conversor
qualquer variao de velocidade que ocorra no motor.Desta forma, o
conversor, atravs de seus reguladores, alteram a frequncia de
sada,modificando assim a velocidade do motor. Logo, quanto mais
rpida for a resposta dosreguladores, menor ser a variao da
velocidade e mais estvel ser o sistema.
16.3 Realimentao de velocidade por tacogerador de pulsosA
configurao padro do conversor apresenta controle de velocidade em
malha aberta. Nestecaso a preciso de velocidade depende do
escorregamento do motor. Valores tpicos deregulao situam-se entre
3% a 5% da velocidade nominal para variaes de carga no eixo deO a
1OO% da carga nominal.A operao em lao fechado de velocidade tem o
objetivo de melhorar a preciso desta com asvariaes de carga. Para
isto, deve ser acoplado ao eixo do motor um encoder do
tipoincremental (tacogerador de pulsos) utilizado como sensor de
velocidade.Neste caso possvel atingir-se uma preciso de at O,5%,
para uma variao de carga de Oa 1OO% da carga nominal, com
velocidades entre 1O% a lOO% da rotao nominal.
Alm da instalao do encoder incremental, o conversor dever ser
configurado para operarcomo "regulador de velocidade". Com esta
configurao, o conversor utiliza o regulador PIDinterno para que o
conversor tenha uma resposta otimizada na regulao de velocidade
(amais rpida e sem oscilaes), para cada tipo de aplicao.
17 Observaes e consideraes importantes1. Quanto menor a tenso e
a freqncia do estator, mais significativa a queda de tenso
no estator, de modo que para baixas freqncias, mantendo-se a
proporcionalidade entre afreqncia e a tenso, o fluxo e
consequentemente o conjugado da mquina diminuibastante. Para que
isto seja evitado, a tenso do estator para baixas freqncias deve
sera1-lmentada, atravs da compensao lxR, conforme figura a
seguir:
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Para a faixa compreendida entre 0 a aproximadamente 10 Hz, a
relao entre Ui e no determinada facilmente, pois dependem tanto de
f1 (freqncia estatrica) como de f2(freqncia rotrica). Portanto, a
elevao da tenso em baixas freqncias depende tambmda freqncia do
escorregamento e consequentemente da carga.
2. Relaes U1/f1 acima dos valores nominais esto limitadas em
funo de que para altosvalores de tenso ocorre a saturao e o
conseqente enfraquecimento do campo.Combinando as equaes j
apresentadas e com a considerao de pequenos valores
deescorregamento e supondo f2 proporcional a f1, podemos dizer
que:- o conjugado mximo decresce com o quadrado da velocidade;- o
conjugado nominal decresce hiperbolicamente com a velocidade, e
decresce
aproximadamente com o quadrado do fluxo;
3. Em funo de que as formas de onda, tanto de tenso como de
corrente, produzidas pelosconversores de freqncia no so senoidais,
com um alto contedo de harmnicos de 5a,7a, 11a e 13a ordem, as
perdas nos motores so maiores. Portanto, faz-se necessrio umareduo
nas caractersticas nominais do motor de aproximadamente 10%.
4. O controle de velocidade de mquinas assncronas,
principalmente em aplicaes queexigem elevadas dinmicas do
acionamento, mais difcil do que nas mquinas decorrente contnua. Ao
contrrio do motor CC, no qual as grandezas que resultam noconjugado
motor, ou seja, a corrente de amadura e corrente de campo podem
sercontroladas, no motor assncrono apenas a corrente do estator
acessvel. A corrente demagnetizao e a corrente do rotor podem ser
determinadas apenas indiretamente.Entretanto, altas performances de
acionamentos CA podem ser tambm alcanadasquando, por processos de
decomposio vetorial, a corrente do estator dividida em
duascomponentes, uma componente de fluxo e outra de conjugado, onde
ambas socontroladas independentemente, de forma anloga aos
acionamentos com motores CC deexcitao independentemente.
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18 Aplicao de conversores de freqncia18.1 IntroduoAfirmar que
uma carga mecnica requer uma determinada potncia P, equivalente a
dizerque esta carga necessita de um dado conjugado C, a uma dada
veleidade de rotao n.Matematicamente existem infinitas combinaes de
C e n de modo a resultar no mesmo valorde P; fisicamente, contudo,
uma especfica carga mecnica associa-se a um nico par (C,n)
erespectivamente a uma potncia P, atravs da relao:
onde:P = PotnciaC = Conjugadon = Rotaok = Constante relacionada
com unidades utilizadasA curva C em funo de n uma caracterstica
fundamental para o processo de seleo domotor adequado ao
acionamento, sendo que o conjugado resistente depende da carga,
mastodos podem ser representados pela expresso:
onde:Cc = Conjugado resistente da cargaCo = Conjugado da carga
para rotao zerokc = Constante que depende da cargax = Parmetro que
depende da carga, podendo assumir os valores -1, 0, 1, 2De acordo
com a equao, percebe-se que o conjugado da carga varia com a rotao
n. Estavariao depende do parmetro 'x", e em funo deste as cargas
podem ser classificadas emquatro grupos:- Cargas com conjugado
resistente CONSTANTE- Cargas com conjugado resistente LINEAR-
Cargas com conjugado resistente QUADRTICO- Cargas com conjugado
resistente HIPERBLICO
19 Tipos de conjugados resistentes19.1 Conjugado constante (x =
0)Para este tipo de carga o parmetro x igual a zero, ficando:
Nas mquinas deste tipo, o conjugado permanece constante durante
a variao de velocidade,e a potncia aumenta proporcionalmente com a
velocidade. Logo:
P= k. n
Onde k uma constante que depende da carga.Alguns exemplos de
aplicaes tpicas: equipamentos de iamento (guindastes, elevadores
decarga), correias transportadoras, laminadores, extrusoras, bombas
de deslocamento positivo,bombas de presso controlada.A relao do
conjugado e da potncia da carga em relao a rotao mostrada na figura
aseguir:
P C nk.
C C K nc c x0 .
C C K cons tec c0 tan
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19.2 Conjugado linear (x=1)Neste grupo de carga, faz-se o
parmetro x igual a 1, de onde temos:
Nestes tipos de mquina o conjugado varia linearmente com a rotao
e a potncia com oquadrado da rotao. Portanto:
Exemplos de aplicaes tpicas: calandras, freios a corrente de
Foucault. A figura a seguirmostra este caso:
19.3 Conjugado quadrtico (x=2)Neste caso, faz-se o parmetro x
igual a 2, e o conjugado dado por :
Neste caso o conjugado varia com o quadrado da rotao e a potncia
com o cubo da rotao.Logo:
Alguns exemplos de aplicaes tpicas: bombas centrfugas,
ventiladores centrfugos,agitadores, compressores, etc., que
representam as cargas tpicas para ser acionadas porconversor de
freqncia. A figura a seguir mostra este caso:
C C K n linearc c0 .
P C n K nc c0 2. .
C C K n parabolicoc c0 2.
P C n K nc c0 3. .
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19.4 Conjugado hiperblico (x=1)Para este grupo de carga, temos o
parmetro x = -1, e o seu conjugado dado por:
Neste tipo de carga desprezamos a constante C0 pois a mesma
teria valor infinito, pois pelaexpresso acima pode-se perceber que
para n=0 o conjugado seria infinito, o que no temsentido fsico.
Este fato na prtica no acontece porque a rotao da mquina s pode
variarentre um limite mnimo (n0) e mximo (n2).A potncia, neste
caso, permanece constante, isto , no varia com a rotao, ou
seja:
Exemplos de aplicao: bobinadores, tornos de superfcie,
mandrilhadoras, furadeiras,perfuratriz, tornos, tipos de
agitadores. A figura a seguir representa este caso:
19.5 Conjugados no definidosNeste caso a equao genrica do
conjugado no pode ser aplicada, pois no podemosdeterminar sua equao
de maneira precisa, logo temos que determinar o seu
conjugadoutilizando tcnicas de integrao grfica. Na prtica,
analisa-se como conjugado constante,pelo mximo valor de conjugado
absorvido.
C Kncc
P k cons tec c tan
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20 Critrios de aplicao20.1 Operao abaixo da rotao
nominalConsiderando-se que as perdas no cobre so resultado da
corrente do motor, ento a perda depotncia ser proporcional carga.
Dessa forma, se o motor gira mais lento, com a mesmacorrente
nominal (determinada pela carga) gerando a mesma perda de potncia
que ocorre emvelocidades mais elevadas, o motor se sobreaquece,
pois h um menor fluxo de ar derefrigerao disponvel quando o
ventilador do motor se movimenta em velocidades menores(motores
autoventilados). Quando o motor utilizado em aplicaes para controle
deventiladores ou bombas centrfugas, a carga normalmente diminui,
conforme a velocidade sereduz, dessa forma o sobreaquecimento deixa
de existir. Em aplicaes onde o motor devedesenvolver pleno
conjugado (100% da corrente) em baixa velocidade,
osuperdimensionamento ou utilizao de motores com um fator de servio
mais elevado se tomanecessrio.
Geralmente, em aplicaes que possuam carga com conjugado
constante e variao develocidade de 0 a 50% da rotao nominal,
utiliza-se o fator K de reduo de potncia, dafigura anterior, ou se
quisermos, poderemos utilizar o fator de servio e/ou o aumento da
classede isolamento para manter o conjugado constante.
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Observao:Chama-se fator de servio (FS) o fator que aplicado
potncia nominal, indica a cargapermissvel que pode ser aplicada
continuamente no motor, sob condies especificadas. Noteque se trata
de uma capacidade de sobrecarga continua, ou seja, uma reserva de
potncia qued ao motor uma capacidade de ainda suportar o
funcionamento em condies desfavorveis.O fator de servio no deve ser
confundido com a capacidade de sobrecarga momentnea,durante alguns
segundos. O fator de servio FS = 1,o, significa que o motor no foi
projetadopara funcionar continuamente acima da sua potncia nominal.
Isto, entretanto, no muda a suacapacidade para sobrecargas
momentneas.
20.2 Motores autoventiladosPara a operao com motores
autoventilados padres, aconselhvel a utilizao de operaona faixa
entre 50% a 100% da rotao nominal, faixa em que o ventilador
acoplado ao prprioeixo do motor ainda possui eficincia na
refrigerao. Para rotaes abaixo de 50%, em casode cargas com
conjugado constante, necessrio o sobredimensionamento da carcaa
domotor, ou atravs do simples aumento da potncia nominal do motor,
ou ento atravs dafabricao de um motor especial com a carcaa
sobredimensionada, a fim de prover a devidarefrigerao do motor.Para
o clculo da carcaa a ser utilizada, deve-se levar em considerao o
conjugadonecessrio pela carga a ser acionada e a faixa de variao de
velocidade. Definindo-se avelocidade mnima de operao, utiliza-se o
grfico abaixo:
Pelo valor da freqncia mnima (rotao mnima) necessria aplicao,
utilizando o grfico,defini-se o valor do conjugado mximo disponvel
(em p.u.) no motor sem ocorrersobreaquecimento, utilizando a
potncia necessria ao acionamento.Com este valor, defini-se ento o
novo conjugado do motor (sobredimensionado) que deveriaser
utilizado sem sobreaquecimento utilizando o conjugado necessrio
para acionar a carga,por:
Com o conjugado sobredimensionado obtido, define-se atravs de
uma tabela decaractersticas de motores padres, qual o motor que
possui este conjugado. Este motorportanto ter a carcaa que perimir
a utilizao na faixa de rotaes necessria sem oproblema de
sobreaquecimento, fornecendo o conjugado necessrio para acionar a
carga.Pode-se ento utilizar este motor diretamente, que estar
sobredimensionado em carcaa etambm em potncia, ou ento utilizar um
motor que possua esta carcaa sobredimensionada,mas com a potncia
ajustada ao acionamento, atravs da bobinarem de enrolamentos
emcarcaa maior (motor especial).
C C ker ensionadoc a
sup dimarg
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20.3 Motores com ventilao independenteCom a utilizao de motores
com ventilao independente, no existir mais o problema
desobreaquecimento do motor por reduo de refrigerao, podendo o
mesmo ser dimensionadocom a carcaa normal e potncia necessria ao
acionamento. Para motores com ventilaoindependente, o ventilador
que era acoplado ao prprio eixo do motor agora acoplado umoutro
motor independente, que geralmente acoplado ao motor principal por
intermdio deuma flange defletora especial (reforada) que permite o
suporte mecnico do motor daventilao.
20.4 Operao acima da rotao nominalUm motor padro para operar em
rede de freqncia de 50 ou 60 Hz pode girar a freqnciasmais altas
quando alimentado por um conversor de freqncia. A velocidade mxima
dependedos limites de isolao para a tenso do motor e seu
balanceamento mecnico.Neste caso, como o motor funcionar com
enfraquecimento de campo, a mxima velocidadeestar limitada pelo
conjugado disponvel do motor e pela mxima velocidade perifrica
daspartes girantes do motor (ventilador, rotor, mancais).
Casos especiais:
A potncia admissvel de um conversor de freqncia determinada
levando-se emconsiderao, principalmente, dois fatores:- Altitude em
que o conversor ser instalado;
-
30
- Temperatura do meio refrigerante;Conforme a NBR-7094, as
condies usuais de servio, so:a) Altitude no superior a 1000 m acima
do nvel do mar;b) Meio refrigerante (ar ambiente) com temperatura
no superior a 40 oC;Nos casos em que o conversor deva trabalhar com
temperatura do ar de refrigerao napotncia nominal, motor do que
40oC e/ou em altitude maior do que 1000m acima do nvel domar,
deve-se considerar os seguintes fatores de reduo:
20.5 Operao em ambientes com temperatura elevada (T > 40 C)A
reduo da potncia (corrente) nominal do conversor de freqncia,
devido elevao datemperatura ambiente, acima de 40C e limitada a
50C, dada pela relao e grfico a seguir:
20.6 Operao em regies de altitude elevada (ALT. > 1000
m)Conversores funcionando em altitudes acima de 1000 m , apresentam
problemas deaquecimento causado pela rarefao do ar e,
consequentemente, diminuio do seu poder dearrefecimento.A
insuficiente troca de calor entre o conversor e o ar circundante,
leva a exigncia de reduode perdas, o que significa, tambm reduo de
potncia. Os conversores tem aquecimentodiretamente proporcional s
perdas e estas variam, aproximadamente, numa razo quadrticacom a
potncia.Segundo a norma NBR-7094, os limites de elevao de
temperatura devero ser reduzidos de1% para cada 100 m de altitude
acima de 1000 m.A reduo da potncia (corrente) nominal do conversor
de freqncia, devido elevao daaltitude acima de 1000 m e limitada a
4000 m, dada pela relao e grfico a seguir:
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31
20.7 Consideraes sobre acionamentos multimotoresOs conversores
de freqncia podem alimentar mltiplos motores, controlando-os na
mesmaproporo para dar partida/parada em uma mquina, tal como um
sistema transportador.
20.7.1 Sistema de acionamento monoconversorPara este acionamento
considera-se a utilizao de um conversor para cada motor, e
osincronismo entre os motores pode ser obtido utilizando-se uma
lgica (equipamentos) auxiliarpara permitir que se tenha a
acelerao/desacelerao do sistema em conjunto para que noaconteam
sobrecargas individuais em alguns motores.Um sistema possvel de se
interligar os conversores demonstrado na figura a seguir, em
umaconfigurao designada "Mestre-Escravo", onde a referncia
principal de velocidade colocadano conversor "Mestre", e a partir
deste conversor enviado um sinal de referncia develocidade para o
conversor seguinte, e assim sucessivamente para os demais
conversores"Escravos" em cascata.
Como caractersticas deste tipo de acionamento podemos citar:a) A
proteo de cada motor feita individualmente e diretamente pelo
respectivo conversor e
fusveis ultra-rpidos.b) A potncia de cada conversor a prpria
potncia do motor acionado.c) Pode haver o desligamento e
religamento de cada motor individualmente, caso no seja
necessrio o sincronismo entre todos os motores.
-
32
20.7.2 Sistema de acionamento multiconversoresPara este
acionamento considera-se a utilizao de um conversor para vrios
motores, e osincronismo entre os motores obtido pela simples injeo
da mesma freqncia dealimentao para todos os motores. A figura a
seguir demonstra a ligao destes motores:
Como caractersticas deste tipo de acionamento podemos citar:
a) A proteo de cada motor feita atravs de um rel trmico
adicional, individualmente paracada motor na sada do conversor.
b) A potncia do conversor igual a somatria de todas as potncias
dos motores acionados.c) No pode haver o desligamento e religamento
de cada motor individualmente, pois isto
seria encarado como a condio de uma partida direta do motor,
ocasionando um pico decorrente no religamento que causaria o
bloqueio do conversor por sobrecorrente. No casode desligamento de
um motor, necessrio o desligamento de toda a mquina para aposterior
partida conjunta pela rampa de acelerao.
20.8 Consideraes sobre acionamento de motor monofsicoO
acionamento de motores monofsicos no pode ser feito atravs da
utilizao deconversores de freqncia, devido aos princpios fsicos de
funcionamento (partida) do motor.Em motores monofsicos, a partida
efetuada atravs da utilizao de um enrolamentoestatrico auxiliar e
de um capacitor de partida, que de uma forma genrica, causam
umadeformao no campo girante do motor, que por sua vez produz
conjugado. Aps o processode partida, quando o motor atinge uma
determinada velocidade, um contato auxiliar (centrfugo)desconecta o
enrolamento auxiliar e o capacitor da rede, operando o motor apenas
com oenrolamento principal conectado rede.Caso fosse utilizado um
conversor de freqncia, o mesmo teria de ter sua sada monofsica
ehaveria a necessidade da utilizao do enrolamento auxiliar e do
capacitor para a partida(criao de campo girante). Como a tenso de
sada do conversor possui uma forma de ondapulsante (PWM), a
utilizao do capacitor se toma proibitiva, pois os pulsos de
tensocausariam a destruio do capacitor.
-
33
21 Efeito dos harmnicos na rede21.1 Fator de potncia e fator de
deslocamentoQuando se trabalha com retificadores a diodo e filtro
capacitivo, deve-se ter um cuidadoespecial para no confundir o
fator de potncia com o fator de deslocamento (cos p). O fator
depotncia dado por:
onde:FP = Fator de potnciaP = Potncia mdia de entrada do
circuitoV;f = Valor eficaz da tenso senoidal de entradaI,f= Valor
eficaz da corrente total de entrada.
Devido a corrente de entrada possuir harmnicas, temos:
sendo:li(t) = Corrente total de entrada
n = Ordem da harmnica de corrente.
Como a transferncia de potncia ativa ocorre para harmnicas de
tenso e corrente damesma ordem, a potncia mdia de entrada ser
definida por:
onde:lief = Valor eficaz da componente fundamental da corrente
de carga = Angulo de deslocamento entre a tenso e a componente
fundamental da corrente de
entrada.Portanto, substituindo combinando-se as equaes,
tem-se:
ou
Definindo-se taxa de distoro harmnica (TDH):
FP PV Iief ief.
I t I t I ti i in( ) ( ) ( )1
I tin ( ) = Somatrio das harmnicas de corrente
I I Iief ef inef2 12 2
P V Iief ief. .cos
FP II I
i ef
i ef inef
1
12 2
cos
cos
II1
1FP
2ef1i
2inef
THD IIinef
i ef
2
1
-
34
Obtm-se:
Dessa forma, para se ter fator de potncia unitrio, necessrio:-
Deslocamento nulo entre tenso de entrada e a fundamental da
corrente de entrada (cos = );- Ausncia de harmnicas de
corrente.Portanto, se a forma de onda da corrente de entrada
apresentar harmnicas (corrente nosenoidal), o fator de potncia
deixar de ser unitrio, mesmo que o fator de deslocamento(cos ) seja
unitrio.Na figura abaixo possvel observar que o fator de potncia
ser igual ao fator dedeslocamento para correntes de entrada
puramente senoidais.
21.2 Utilizao de reatncia de redeA utilizao de reatncias
trifsicas entre a rede e a entrada do conversor possibilita o
efeito defiltragem das correntes de entrada reduzindo as harmnicas
nestas. Como resultado tem-se:- reduo da corrente RMS de entrada;-
aumento do fator de potncia;- aumento da vida til dos capacitores
do circuito intermedirio;- diminuio da distoro harmnica na rede de
alimentao.A rede, ou transformador de alimentao, dever apresentar
uma capacidade mnima de 1,5vezes a potncia em kVA do conversor,
para que este opere corretamente, sem problemas deaquecimento
devido a existncia de correntes harmnicas.Os critrios para utilizao
ou no destas so os seguintes:
a) Utilizar quando:- conversor com corrente < 50, potncia da
rede (ou transformador) de alimentao > 500
kVA e queda na cablagem de alimentao do conversor < 2% na
corrente nominal deentrada;
- conversores com corrente > ou = 50A alimentados direto da
rede;- vrios conversores em um painel alimentados pela mesma rede;-
desejado fator de potncia na entrada > 0,9 na condio
nominal.
b) No utilizar quando:- conversor com corrente < 50A, potncia
da rede (ou transformador) de alimentao < ou =
500 kVA;- conversor com corrente < 50A, potncia da rede (ou
transformador) de alimentao >500
kVA e queda na cablagem de alimentao do conversor > 2% na
corrente nominal deentrada;
FP ITHDi ef1
21cos
-
35
- forem utilizados transformadores, ou autotransformadores, para
alimentao individual deconversores (potncia menor que 3 vezes a
potncia em kVA do conversor). A prpriareatncia de disperso de fluxo
do transformador associado a resistncia hmica dos fiosfazem o papel
da reatncia de rede, sendo esta portanto, dispensvel.
Deve-se dimensionar estas reatncias para uma queda de tenso de
2% a 4% da tensonominal de entrada quando circular a corrente
nominal do conversor. Isto se faz necessriopelo fato de que no se
deve ter uma distoro na forma de onda da tenso de rede maior doque
4%.
Comparao entre as componentes harmnicas Includas na corrente
quando o conversor acionado para diferentes capacidades, com e sem
reatncia de rede.
Comparao entre as componentes harmnicas Includas na corrente
quando o conversor acionado para diferentes condies de carga e
diferentes valores de lmpedncia da reatncia
21.3 Utilizao de filtro de rdio freqnciaOs conversores de
freqncia transmitem fortes ondas eletromagnticas de alta
freqncia,que podem interferir em outros equipamentos eletrnicos. Os
seguintes cuidados reduzem estainterferncia:- instalao do conversor
dentro de um painel metlico (aterrado);- uso de cabos blindados
para conexes do motor;- aterramento de boa qualidade (baixa
resistncia);- uso de filtros supressores na alimentao do
conversor.
-
36
O uso de filtros supressores se faz necessrio pelo fato de que
na corrente pulsante que circulaentre o conversor e a rede existem
alm das harmnicas de baixa ordem (harmnicas de 5a, 7a,11a e13a
ordem basicamente), harmnicas de ordem superior que ultrapassam a
freqncia de100 kHz (rdio freqncia). A reatncia de rede que est
instalada na entrada do conversor utilizada para reduzir
principalmente as harmnicas de corrente de baixa ordem, sendo
queesta no tem efeito algum para as harmnicas de alta freqncia.Para
estas freqncias que no podem ser atenuadas pela reatncia de rede,
so utilizados oque se define por filtros de linha. Estes filtros de
linha so circuitos formados por capacitores eindutores associados,
que podem efetuar a atenuao de determinadas freqncias
crticasdefinidas a princpio. Estas freqncias crticas podem causar
interferncia eletromagntica emequipamentos sensveis, tais como
equipamentos de telecomunicaes, sistemas digitais decomputao,
sistemas de transmisso de dados, etc.
21.4 Correo do fator de potncia
21.4.1 Cuidados para a Instalao de bancos de capacitores na
presenade harmnicosUm grande problema decorrente da necessidade de
melhoria de fator de potncia dosconsumidores refere-se ao fato de
que a aplicao conjunta de bancos de capacitores com osdiversos
tipos de cargas presentes nos sistema industriais, principalmente
com conversoresestticos (CA/CC e CA/CA), requer uma anlise
particular sobre alguns cuidados especiais quedevem ser tomados
pelo consumidor. Estes cuidados geralmente levam a
investimentosadicionais, como a aquisio de capacitores com tenses
nominais mais elevadas do que onecessrio, a instalao de reatores de
dessintonia ou ainda, composio de filtros deharmnicos, quando os
estudos indicam a possibilidade de condies de ressonnciaharmnica.Os
conversores estticos de potncia (CA/CA ou CA/CC) so, na atualidade,
m principaisfontes de correntes harmnicas. So em geral de mdia
potncia, da ordem de quilowatts, eseu nmero tende a crescer
rapidamente, principalmente para controle de motores de
correntealternada.
21.4.2 Efeitos dos harmnicos sobre capacitoresEm muitos casos,
os nveis de harmnicos por si s no apresentam maiores problemas.
Oproblema porm pode agravar-se, existindo a possibilidade de um a
amplificao de corrente,pela ressonncia entre os capacitores de
potncia e a indutncia do sistema. Isto resultar emsobretenses e na
circulao de correntes proibitivas para os capacitores. Haver um
aumentodas perdas e conseqente sobreaquecimento, levando muitas
vezes a destruio do capacitor.Deve-se ressaltar a dependncia dos
capacitores em relao tenso de pico resultante(harmnicos inclusos) e
ao problema de efeito corona (descargas eletrostticas
pontuaisinternas ao capacitor), podendo a sua vida til variar de
acordo com a expresso (1/s.t)7.5,onde s a sobretenso e t a
sobretemperatura (ambos em "p.u." do valor nominal). Como atenso
medida em valor eficaz, o pico de tenso que contm harmnicos
geralmente maiorque o da mesma .tenso que no os contm. Assim, o
dieltrico fica sujeito a um campo maior,o que pode romper o
dieltrico e destruir o capacitor.
21.4.3 Sobretenses decorrentes de harmnicosO processo mais
seguro possvel para se avaliar a influncia de harmnicos em bancos
decapacitores consiste em se fazer uma anlise harmnica efetiva,
comparando as medies decorrentes e tenses harmnicas ao longo do
sistema com os estudos do alcance dasharmnicas no mesmo.De forma
geral, nas condies normais de operao, ser suficiente especificar os
bancos decapacitores com uma tenso nominal um pouco acima da tenso
de operao do sistema. Noentanto, deve ser analisado o fenmeno de
amplificao harmnica pelo sistema deressonncia. As correntes
harmnicas amplificadas podem causar a queima dos
fusveis,aquecimento e danificao dos capacitores. A existncia da
ressonncia pode ser confirmadapela confrontao das medies de campo
com resposta em freqncia do sistema, isto ,grficos de Impedncia
prpria da barra em funo da freqncia (na ressonncia paralela a,
aImpedncia aparece como um pico).
-
37
21.4.4 Soluo para o problema de ressonnciaPara resolver o
problema de ressonncia, a soluo mais utilizada a instalao de
reatoresem srie com o banco de capacitores (filtro LC), de forma a
deslocar a freqncia para umaharmnica que no cause preocupao na
amplificao das correntes.Deve-se ressaltar que embora os reatores
sejam necessrios para se evitar o efeito deamplificao de harmnicas,
sempre que uma indutncia colocada em srie com umcapacitor, a tenso
nos terminais desse ltimo diminui na freqncia fundamental, assim
comopode aumentar para freqncias diferentes da fundamental.Como
exemplo, se a dessintonizao levada para o quarto harmnico, seria
encontrada umasobretenso de 6,7% alm daquela reserva de 10%
permissvel e j esgotada pelas variaesda rede e desequilbrio de
bancos, podendo acarretar com isso uma sobretenso excessiva
nocapacitor, causando em alguns casos a sua destruio (rompimento do
diettico).Os reatores de dessintoria por si s resolvem os problemas
de ressonncia. No entanto,quando a reduo do contedo harmnico da
instalao, principalmente na interface com aconcessionria, uma
necessidade, filtros de harmnicos devem ser previstos,
utilizando-se osbancos de capacitores para a composio dos
mesmos.
22 Aplicaes tpicas22.1 Consideraes geraisPara a utilizao de
motores eltricos de induo para o acionamento das mais
variadascargas, devem ser levadas em considerao as caractersticas
da carga acionada conformedescrito no item anterior, tanto para
acionamentos com o motor operando com velocidade fixacomo tambm
para com velocidade varivel, pois em funo das caractersticas de
partida,regime contnuo ou transitrio, que se pode fazer o correto
dimensionamento do motor.Para as aplicaes aqui ilustradas, levamos
em considerao apenas o acionamento da cargaatravs de motores de
induo com conversores de freqncia, determinando suas vantagense
limitaes.
22.2 BombasLevando-se em considerao o acionamento de bombas de
vrios Tipos, podemos fazer aseparao destas entre dois grupos bsicos
pela sua caracterstica de conjugado resistente,que so:
22.2.1 Bombas dinmicas ou turbobombasEsta famlia de bombas
(principalmente as bombas centrfugas) possuem como caractersticater
o conjugado de forma quadrtica, isto , o seu conjugado resistente
varia com o quadradoda rotao aplicada. Por exemplo, caso seja
duplicada a rotao da bomba para se aumentar avazio/presso do
sistema hidrulico, consequentemente dever ser fornecido um
conjugadoquatro vezes maior para tal.Caso se deseje fazer controle
de vazio/presso atravs da variao da velocidade do motor,deve-se
levar em considerao os seguintes itens com rotao a faixa de variao
develocidade: Para rotaes acima da nominal, deve-se utilizar apenas
alguma margem de potncia que
o motor possa ter, sem que, entretanto, seja ultrapassada a sua
potncia nominal, para queno entre em condio de sobrecarga e
acarrete em diminuio de sua vida til.
Para faixas de rotaes entre rotao nula at a rotao nominal, no
existem problemascom relao a estia operao, uma vez que, com a
diminuio da rotao da bomba,haver tambm uma diminuio do conjugado
resistente da carga (de forma quadrtica),diminuindo-se
consequentemente a corrente aplicada ao motor, no havendo
portantoproblemas de sobreaquecimento por reduo de ventilao nem de
sobrecarga no motor
0 controle de vazo, atravs da variao de velocidade de bombas
centrfugas, possibilita umagrande economia de energia, uma vez que
em outros casos, o controle de vazio/presso desistemas hidrulicos
feito atravs de dispositivos limitadores (vlvulas, recirculao,
etc.),onde o motor que aciona a bomba opera sempre em condio de
carga nominal, absorvendopotncia nominal da rede.
-
38
Em sistemas de controle de vazio/presso utilizando conversores
de freqncia, a potnciaabsorvida da rede apenas a necessria condio
de operao do sistema (funo dacarga).
22.2.2 Bombas de deslocamento positivo ou volumtricasEsta famlia
de bombas possui como caracterstica ter o conjugado de forma
constante paraqualquer rotao, isto , o seu conjugado resistente no
varia com a rotao. Nesta famlia seenquadram as bombas a pisto,
bombas helicoidais e as bombas de engrenagens.Caso seja necessrio
fazer controle de vazo/presso atravs da variao da velocidade
domotor, deve-se levar em considerao que o motor no poder operar
acima da sua rotaonominal, pois isto significa operar em condio de
sobrecarga.Para condies onde se necessita a operao com rotaes
abaixo da metade de sua rotaonominal (30 Hz), dever ser considerado
o problema de sobreaquecimento por reduo deventilao para motores
convencionais. Portanto este que pode ser contornado atravs
dosobredimensionamento da carcaa do motor ou a utilizao de ventilao
forada.
22.3 VentiladoresEsta aplicao possui como caracterstica ter o
conjugado de forma quadrtica, isto , o seuconjugado resistente
varia com o quadrado da rotao aplicada, da mesma forma que
foiconsiderado para as bombas centrfugas. .Para a utilizao de
acionamento por conversores de freqncia para o controle
depresso/vazo, deve-se levar em considerao as mesmas caractersticas
das bombascentrfugas, apenas tomando-se o cuidado de observar que
certos ventiladores possueminrcias elevadas e que devem serem
levadas em considerao para determinar o sistema departida e tempos
de acelerao.
22.4 Sistemas de refrigerao e ar condicionadoPara sistemas de
refrigerao e ar condicionado, os conversores de freqncia so
utilizadosbasicamente nos motores de acionamento das bombas e
ventiladores do sistema.A vantagem em se utilizar este equipamento
est no fato de que a automao de grandessistemas (por ex.: Shopping
Centers, prdios comerciais, parques de exposies, etc.) se tornabem
mais verstil e com possibilidade de racionalizao do consumo de
energia comrespectiva economia.Com a utilizao de conversores de
freqncia, no necessria a utilizao de vlvulas decontrole de fluxo
nas bombas ou dampers nos ventiladores/exaustores, possibilitando
umcontrole automtico por meio de um controlador central de
temperatura, diminuindo-se osgastos com a utilizao destes
equipamentos e tambm a diminuio de manuteno dasinstalaes.
22.5 Torno de superfcie / laminador desfolhadorEsta aplicao tem
como caracterstica possuir o conjugado do tipo que varia
inversamentecom a rotao (hiperblico), pois no processo deve ser
obedecida a condio de que avelocidade tangencial da pea ou cilindro
seja sempre constante, isto , a velocidadesuperficial entre a pea e
a ferramenta de corte (BIT) tem de ser constante. Esta velocidade
definida por:
V rt .Como:
2. .nEnto:
V n r n Dt 2. . . . .Onde:Vt = Velocidade tangencial [m/s]n =
Rotao [rps]r = Raio [m]
-
39
D = Dimetro [m] = Velocidade angular [rad/s]
Nota-se ento que, na medida em que o raio (ou dimetro) da pea
diminui, necessrio que ada rotao aumente para que a velocidade
tangencial (ou de superfcie) permanea constante.Sendo que a fora de
corte tambm constante, o conjugado resistente oferecido pela carga
definido por:
C F rc c .Onde:Cc = Conjugado da cargaFc = Fora de corter =
Raio
Dessa forma, na medida em que o raio (ou dimetro) da pea
diminui, o conjugado resistentetambm diminui. Destas duas
consideraes tem-se ento que para peas de pequenodimetro a sua rotao
deve ser alta e o conjugado resistente baixo, e que para peas
degrande dimetro a rotao deve ser baixa e o seu conjugado
resistente alto.Para o acionamento deste tipo de carga com motor de
induo e conversor de freqncia,pode-se utilizar a faixa de rotao
entre zero at a rotao nominal, levando-se emconsiderao o problema
de sobreaquecimento do motor em baixas rotaes.Outra forma de se
poder fazer o acionamento utilizando o motor operando acima de
suarotao nominal, entrando em sua regio de enfraquecimento de
campo, onde a curva deconjugado resistente da carga e o conjugado
motor se assemelham, no havendo problemasde sobrecarga no motor e
tambm no havendo problemas de sobreaquecimento por reduode
ventilao.
22.6 Sistemas de transporteFazem parte desta famlia de aplicao
as esteiras, correias, roscas, correntes, mesastransportadoras,
nrias, monovias, etc. Estas aplicaes podem ser agrupadas, pois
possuemas mesmas caractersticas quanto ao seu acionamento, tendo o
conjugado resistente constantepara toda a faixa de velocidade.
Dever ser tomado cuidado especial para condies onde sejanecessria a
operao com rotaes abaixo da metade da rotao nominal do motor
acionado,onde dever ser considerado o problema de sobreaquecimento
por reduo de ventilao paramotores convencionais. Problema este que
pode ser contornado atravs dosobredimensionamento da carcaa do
motor ou a utilizao de ventilao forada. .Outro item que merece
ateno com relao a condio de parada do sistema, pois podehaver a
possibilidade de se partir o sistema de transporte a vazio
(conjugado resistentereduzido) ou carregado (conjugado resistente
elevado). Para esta ltima condio, deve-selevar em considerao a
sobrecarga inercial do sistema, que por sua vez levar a
umsobredimensionamento da corrente nominal do conversor de
freqncia, proporcional asobrecarga exigida pelo sistema.
Importante:Para sistemas de transportes inclinados em elevao,
deve se ter especial ateno na partidado mesmo, pois surge a condio
de sobrecarga do motor, cuja a intensidade est
diretamenterelacionada com o grau de inclinao do mesmo.Quando o
sistema de transporte apresenta inclinao em declive, pode ser
necessria autilizao de frenagem do motor, que poder ser efetuada
por resistores auxiliares (frenagemreosttica) ou atravs de sistemas
regenerativos. A no utilizao desta frenagem poderacarretar em
sobrecarga no conversor e conseqente desligamento.Em ambos os
sistemas deve-se utilizar motores com freio mecnico de
estacionamento paraque no haja movimentao do sistema quando da
parada do motor, seja ela por paradanormal, como tambm por parada
acidental (queda de rede).
-
40
22.7 ExtrusorasEstas mquinas tem como caracterstica possuirem o
conjugado resistente do tipo constantepara qualquer velocidade.
Deve-se novamente ter cuidado especial para condies onde
sejanecessria a operao com rotaes abaixo da metade da rotao nominal
do motor, ondedever ser considerado o problema de sobreaquecimento
pela reduo de ventilao paramotores convencionais. Problema este que
pode ser contornado atravs dosobredimensionamento da carcaa do
motor ou a utilizao de ventilao forada.Dependendo do material a ser
extrudado, tambm deve-se ter especial ateno regulao develocidade do
acionamento (preciso de velocidade), pois para extrusoras de
plstico ouborracha, a variao de velocidade permitida em relao
velocidade ajustada deve ser menorque 1%, caso que s possvel atravs
de acionamentos com motor de corrente contnua ouconversores de
freqncia com controle vetorial.Como exemplo destas extrusoras,
temos as extrusoras de filme plstico e tubos de PVC oupolietileno,
onde uma variao de velocidade acarreta em uma alterao do processo
produtivo(espessura do filme plstico). Para outros materiais no
crticos (rao, fio, etc.), pode-seutilizar conversores de freqncia
convencionais.Outro detalhe que merece muita ateno com relao a
condio de partida do sistema, poispode haver a possibilidade de se
partir a extrusora carregada a quente (conjugado resistentenominal)
ou carregada a frio (conjugado resistente muito elevado). Para esta
ltima condio,deve-se levar em considerao a sobrecarga inicial da
extrusora, que por sua vez levar a umsobredimensionamento da
corrente nominal do conversor de freqncia, proporcional asobrecarga
exigida pela extrusora.
22.8 TrefilasPara este tipo de equipamento, a caracterstica de
conjugado constante para qualquer valorde velocidade, devendo-se
atentar para a operao em baixas rotaes comsobredimensionamento do
motor como descrito anteriormente.Um outro fator a ser levado em
considerao a condio de sobrecarga na partida quando daintroduo do
material a ser trefilado, e que deve ser previsto quando do
dimensionamento doconversor de freqncia.Outro fator importante a
ser considerado quando o sistema de trefilao acionado por maisde um
motor (vrios puxadores com vrias fieiras, com vrias bitolas de
fiao), onde emmuitos casos necessrio o perfeito ajuste de
velocidade entre os vrios motores(sincronismo) com adequada
distribuio de carga entre os puxadores.Em sistemas deste tipo
deve-se fazer uma analise criteriosa a respeito da colocao
deacionamento por conversores de freqncia convencionais, pois em
muitos casos isto se tornaproibitivo, sendo aconselhvel a colocao
de acionamento atravs de motores de correntecontnua ou conversor de
freqncia com controle vetorial, devido a preciso de
velocidade,sincronismo e controle de carga (trao) necessrios neste
tipo de aplicao.
22.9 MisturadoresPara este tipo de aplicao, a princpio no
possvel determinar qual a caractersticaparticular do conjugado
resistente, uma vez que as condies da carga (material a
serprocessado) podem variar durante o processo.Em muitos casos,
durante o processo de mistura ou agitao, as caractersticas do
material semodificam, em funo da temperatura, viscosidade, presso,
etc., sendo necessrio que sejafeita uma anlise especifica para a
colocao de acionamento por conversores de freqncia,devendo-se ter
cuidados com relao a faixa de variao de velocidade, conjugados
inicial efinal do processo (mnimo e mximo) e a existncia de
redutores mecnicos.
22.10 Sistemas de elevaoFazem parte desta famlia de aplicaes os
guinchos, guindastes, pontes rolantes (iamento) eelevadores em
geral. Nestes sistemas de elevao, a utilizao de acionamentos
porconversores de freqncia convencionais e motor de induo trifsicos
no geralmenteaconselhvel, pois neste caso o motor no ter condies de
fornecer conjugado com rotorparado (conjugado com rotao nula).
-
41
Esta condio se faz necessria por exigir, quando da partida no
sistema de elevao (tanto nasubida como na descida da carga), um
pequeno intervalo de tempo entre a gerao da rampade acelerao e a
conseqente magnetizao do motor (gerao de correntes
rotricasinduzidas devido ao escorregamento e conseqente rendimento
de conjugado motor), em queocorre a inverso de rotao do motor e
conseqente queda da carga, podendo at haver obloqueio do conversor
pelo surgimento de picos de corrente considerveis.Para este tipo de
aplicao mais indicada a utilizao de acionamentos por motores
decorrente contnua ou a utilizao de conversores de freqncia por
controle vetorial que tornampossvel fornecimento de conjugado mesmo
com rotao nula.
22.11 Bobinadores e desbobinadoresOs bobinadores e
desbobinadores so classificados em dois grupos, sendo:
Bobinadores/desbobinadores axiais Bobinadores/desbobinadores
tangenciaisOs bobinadores/desbobinadores axiais so sistemas
acionados diretamente pelo eixo dabobina, tendo como caracterstica
possuir o conjugado do tipo que varia inversamente com arotao
(hiperblico), pois no processo de bobinagem, temos a condio s vezes
necessriade que a velocidade tangencial do cilindro bobinador seja
sempre constante durante todo oprocesso, isto , a velocidade
superficial da bobina ou a velocidade do material bobinado temde
ser constante. Esta velocidade definida da mesma forma que nos
casos de torno desuperfcie/laminador desfolhador.Da mesma forma,
para o acionamento deste tipo de carga com motor de induo e
conversorde freqncia, pode-se utilizar a faixa de rotao entre zero
at a rotao nominal, levando-seem considerao o problema de
sobreaquecimento do motor em baixas rotaes.Outra forma de se poder
fazer o acionamento utilizando o motor operando acima de darotao
nominal, entrando em sua regio de enfraquecimento de campo, onde a
curva deconjugado resistente da carga e o conjugado motor se
assemelham, no havendo problemasde sobrecarga no motor e tambm no
havendo problemas de sobreaquecimento por reduode ventilao.Para
sistemas de bobinamento, deve-se ter cuidado em relao ao material a
ser bobinado,pois muitas vezes a colocao de conversores de freqncia
convencionais se tornaimpraticvel, devido a preciso de velocidade e
controle de trao do material, sendonecessrio acionamentos por
motores de corrente contnua ou conversores de freqncia comcontrole
vetorial.Existem vrios tipos de bobinadores acionados pelo eixo da
bobina onde no necessrio quea velocidade do material a ser bobinado
seja constante, podendo no incio a sua velocidade serbaixa e no
final, alta. Nestas condies, a velocidade do motor no varia, sendo
que a cargaaumenta com o conseqente aumento do dimetro da bobina.Os
bobinadores/desbobinadores tangenciais so sistemas acionados
indiretamente, onde oacionamento do rolo bobinador feito por um ou
mais dos suportes auxiliares, tendo comocaracterstica possuir o
conjugado do tipo constante. A velocidade do motor
permanececonstante durante todo o processo, a fim de manter a
velocidade superficial da bobinaconstante. Este sistema bem mais
simplificado, tendo-se apenas que atentar para a condiode operao do
motor em baixas rotaes (sobreaquecimento).
22.12 FresadorasEsta aplicao tem como caracterstica a
necessidade de se manter a velocidade de desbaste(retirada de
material) constante (velocidade superficial do rebolo
constante).Para isto, interessante que se possa aumentar a
velocidade do rebolo conforme o desgastedo mesmo. Nesta condio,
quando o rebolo novo, a velocidade necessria baixa e oconjugado
alto.Conforme ocorre o desgaste do rebolo, a rotao aumenta e o
conjugado diminui, podendo omotor operar acima de sua rotao
nominal, entrando em sua regio de enfraquecimento decampo, onde a
curva de conjugado resistente da carga e o conjugado motor se
assemelham.
-
42
22.13 Sistemas de dosagemEntende-se por sistemas de dosagem as
aplicaes as quais utilizam conversores defreqncia para variar a
rotao do motor responsvel pela alimentao do sistema, emprocessos
contnuos e que no envolvam controle preciso de quantidade, volume
ou vazo.Temos como exemplo aplicaes tais como: esteiras, rosca sem
fim e bombas.Nestes sistemas, a quantidade a ser fornecida no tem
preciso, e o controle de velocidade dodosador feito atravs do
conversor de freqncia. A velocidade determinada em funo deparmetros
do processo, como corrente, presso, vazo, temperatura, etc., atravs
de umsistema de realimentao (malha fechada) com operao
automtica.Para a utilizao de conversor de freqncia nestas aplicaes,
necessrio a utilizao doRegulador PID Superimposto para que o
sistema responda de forma otimizada sem oscilaesou respostas muito
lentas.
22.14 CentrfugasAs centrfugas so equipamentos utilizados para
separao de compostos de vrias naturezas.Entre estes equipamentos
podemos salientar as centrfugas de acar, roupa, produtosqumicos,
etc. Este tipo de aplicao possui caractersticas de conjugado
resistente baixo einrcia extremamente alta. O conjugado resistente
devido principalmente a atrito derolamentos e resistncia do
ar.Neste tipo de aplicao os motores, bem como os conversores, devem
ser sobredimensionadoe para permitir a acelerao da carga de alta
inrcia, levando-se em considerao o tempo derotor bloqueado do motor
(tempo permissvel com corrente acima da nominal) e
sobrecorrenteadmissvel pelo conversor (atuao da proteo por
sobrecarga).Esta aplicao possui grande potencial para conversores
que permitam frenagem regenerativa,pois dependendo do ciclo de
carga, a economia de energia proporciona um rpido retorno
deinvestimento. Tambm podem ser utilizados conversores com frenagem
reosttica, porm coma energia de frenagem sendo dissipada em banco
de resistores.Os acionamentos mais comuns em centrfugas so
constitudos de um motor de duplapolaridade (ex.: 4:24 plos),
acionados por chave compensadora, com limitao do nmero departidas
por hora, com conseqente limitao da produo. Com a utilizao de
conversores,pode-se aumentar o nmero de partidas/hora e utilizar-se
um motor de induo especial, comventilao independente.
22.15 Moinhos a tamborEntre os tipos de moinho a tambor,
salientam-se os moinhos de bolas (indstria cermica) epor analogia
do princpio de funcionamento, so aplicaes semelhantes as mquinas de
lavarroupa industrial. Este tipo de aplicao possui caracterstica de
conjugado que varialinearmente com a rotao, ou seja, quanto maior a
rotao, maior o conjugado resistente. Estesistema possui elevadas
inrcia na partida que dependem diretamente da quantidade de cargado
moinho.Como exemplo, temos a pior condio quando o moinho est
carregado pela metade, poisneste caso, o centro de gravidade
deslocado para uma posio diferente do centro do tambor(eixo
acionado) causando o problema de excentricidade do acionamento.
Devido a estaexcentricidade, o conversor sofre uma sobrecarga e
deve ser sobredimensionado em suapotncia nominal.O acionamento
tpico para este tipo de carga composto por um acoplamento
hidrulico, paraevitar esforos mecnicos, e a partida feita por
intermedio de chaves compensadoras. Aaplicao de conversores de
freqncia proporciona algumas vantagens em relao aosmtodos
convencionais, como:- diminuio na corrente de partida;- facilidade
para posicionar as bocas do moinho;- melhoria no fator de potncia;-
melhoria na qualidade do produto e principalmente, definindo-se um
ciclo ideal de trabalho,ciclo este que depende das caractersticas
do moinho e do produto a ser processado (modo,lavado, etc.),
pode-se diminuir o tempo de processamentoe com isso economizar
energia.