-
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
-
Caderno Tcnico Schneider Electric no. 208 autor D. Clenet
/traduo Ludgero Leote 2/31
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
-
Caderno Tcnico Schneider Electric no. 208 autor D. Clenet
/traduo Ludgero Leote 3/31
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.
-
Caderno Tcnico Schneider Electric no. 208 autor D. Clenet
/traduo Ludgero Leote 4/31
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.
-
Caderno Tcnico Schneider Electric no. 208 autor D. Clenet
/traduo Ludgero Leote 5/31
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.
-
Caderno Tcnico Schneider Electric no. 208 autor D. Clenet
/traduo Ludgero Leote 6/31
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
-
Caderno Tcnico Schneider Electric no. 208 autor D. Clenet
/traduo Ludgero Leote 7/31
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).
-
Caderno Tcnico Schneider Electric no. 208 autor D. Clenet
/traduo Ludgero Leote 8/31
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.
-
Caderno Tcnico Schneider Electric no. 208 autor D. Clenet
/traduo Ludgero Leote 9/31
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.
-
Caderno Tcnico Schneider Electric no. 208 autor D. Clenet
/traduo Ludgero Leote 10/31
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).
-
Caderno Tcnico Schneider Electric no. 208 autor D. Clenet
/traduo Ludgero Leote 11/31
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.
-
Caderno Tcnico Schneider Electric no. 208 autor D. Clenet
/traduo Ludgero Leote 12/31
-
Caderno Tcnico Schneider Electric no. 208 autor D. Clenet
/traduo Ludgero Leote 13/31
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.
-
Caderno Tcnico Schneider Electric no. 208 autor D. Clenet
/traduo Ludgero Leote 14/31
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.
-
Caderno Tcnico Schneider Electric no. 208 autor D. Clenet
/traduo Ludgero Leote 15/31
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:
No estado de conduo (on):
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.
No estado de conduo (on):
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
-
Caderno Tcnico Schneider Electric no. 208 autor D. Clenet
/traduo Ludgero Leote 16/31
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.
No estado de conduo (on):
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.
-
Caderno Tcnico Schneider Electric no. 208 autor D. Clenet
/traduo Ludgero Leote 17/31
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.
-
Caderno Tcnico Schneider Electric no. 208 autor D. Clenet
/traduo Ludgero Leote 18/31
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.
Funcionamento a potncia constante
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:
-
Caderno Tcnico Schneider Electric no. 208 autor D. Clenet
/traduo Ludgero Leote 19/31
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
-
Caderno Tcnico Schneider Electric no. 208 autor D. Clenet
/traduo Ludgero Leote 20/31
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.
-
Caderno Tcnico Schneider Electric no. 208 autor D. Clenet
/traduo Ludgero Leote 21/31
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.
-
Caderno Tcnico Schneider Electric no. 208 autor D. Clenet
/traduo Ludgero Leote 22/31
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
-
Caderno Tcnico Schneider Electric no. 208 autor D. Clenet
/traduo Ludgero Leote 23/31
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.
-
Caderno Tcnico Schneider Electric no. 208 autor D. Clenet
/traduo Ludgero Leote 24/31
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
-
Caderno Tcnico Schneider Electric no. 208 autor D. Clenet
/traduo Ludgero Leote 25/31
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.
Funcionamento a potncia constante
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.
-
Caderno Tcnico Schneider Electric no. 208 autor D. Clenet
/traduo Ludgero Leote 26/31
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.
-
Caderno Tcnico Schneider Electric no. 208 autor D. Clenet
/traduo Ludgero Leote 27/31
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.
-
Caderno Tcnico Schneider Electric no. 208 autor D. Clenet
/traduo Ludgero Leote 28/31
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).
-
Caderno Tcnico Schneider Electric no. 208 autor D. Clenet
/traduo Ludgero Leote 29/31
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.
-
Caderno Tcnico Schneider Electric no. 208 autor D. Clenet
/traduo Ludgero Leote 30/31
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).
-
Caderno Tcnico Schneider Electric no. 208 autor D. Clenet
/traduo Ludgero Leote 31/31
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.