Contole De Velocidade Mca 4w11u

Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul - PUCRS Faculdade de Engenharia - FENG Departamento de Engenharia Elétrica

Conversão de Energia B Prof. Fausto Líbano

Controle de Velocidade de Máquinas CA

INTRODUÇÃO • A Eletrônica de Potência, vem com o ar do tempo, tornando mais fácil (e mais barato) o acionamento de motores. Com isto, sistemas que antes usavam motores CC, pela facilidade de controle, hoje podem usar motores CA de indução com características funcionais equivalente aos dos sistemas de acionamento CC, graças ao desenvolvimento inversores de freqüência, também chamados de conversores de freqüência, agora compondo sistemas de acionamento CA.

INTRODUÇÃO •

O avanço da Eletrônica de Potência permitiu o desenvolvimento de conversores de freqüência com dispositivos de estado sólido, inicialmente com tiristores e atualmente com transistores, mais especificamente IGBTs, onde sua denominação é transistor bipolar de porta isolada. Os inversores podem ser classificados pela sua topologia, esta por sua vez é dividida em três partes, sendo a primeira para o tipo de retificação de entrada, a segunda para o tipo de controle do circuito intermediário e a terceira para a saída.

Justificativa de uso Muitos processos industriais requerem dispositivos de acionamento de cargas com velocidade variável. Exemplos: Bombas - variação de vazão de líquidos Ventiladores - variação de vazão de ar Sistemas de transporte - variação da velocidade de transporte Sistemas de dosagem - variação da velocidade de alimentação Tornos - variação da velocidade de corte

Os sistemas tradicionais que empregavam motores de indução como dispositivo primário de conversão de energia, alimentados diretamente da rede de distribuição de energia elétrica, possuíam uma característica de velocidade constante.

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Sendo assim para se obter velocidade variável eram necessários adicionalmente outros dispositivos, tipo: · Variadores mecânicos · Variadores hidráulicos · Variadores eletromagnéticos Variadores Mecânicos O fluxo de força é transmitido por fricção entre os discos das polias e a correia, que tem uma seção transversal trapezoidal. A faixa de variação de velocidade máxima é de 1:8 neste tipo de variador.

Do que depende a velocidade dos motores de indução - n [rpm] • Escorregamento - S • Número dos pólos do motor - p • Freqüência da tensão de alimentação - f [Hz]

Inversores de Freqüência • É um dispositivo eletrônico que varia e controla a freqüência da tensão de alimentação de um motor de indução. A partir do controle desta freqüência, podemos obter o controle da velocidade do motor.

A partir da equação podemos observar que se tivermos um dispositivo que permita variar a freqüência da tensão de alimentação poderíamos variar diretamente no motor a sua velocidade de rotação. Abaixo temos duas situações em que variamos a freqüência, consequentemente variando a velocidade de rotação do motor.

Diagrama em blocos dos Inversores

Função de cada bloco • Retificador: recebe a tensão alternada da rede e a transforma em tensão contínua pulsante. • Filtro: faz a filtragem da tensão pulsante, transformando-a em tensão contínua “pura”. Esta tensão é aplicada ao Inversor através do barramento DC. • Inversor: faz o chaveamento da tensão que será aplicada ao motor, estabelecendo assim um controle da freqüência de alimentação do motor.

Função de cada bloco • Unidade de Controle Microprocessada: responsável pelo controle do chaveamento que é realizado pelo Inversor. Este bloco também faz a interface entre o homem e a máquina, ou seja, recebe as informações externas de controle, processa e atua no chaveamento do inversor.

Detalhe do Diagrama em blocos

Detalhe da Interface Homem Máquina

Funcionamento do Inversor • Para um bom entendimento do funcionamento do bloco do Inversor podemos tratá-lo como seis chaves interligadas na seguinte maneira:

Funcionamento do Inversor

• Conforme a combinação das chaves, abertas ou fechadas, podemos obter a forma de onda aplicada ao motor. De acordo com a posição de cada chave, serão aplicados diferentes valores de tensão entre as fases de alimentação do motor, sendo que a tensão resultante terá uma forma senoidal.

Funcionamento do Inversor

Funcionamento do Inversor

• De acordo com os gráficos, pode-se deduzir que variando o tempo que cada combinação de chaves permanece num determinado estado, podemos variar a freqüência da onda senoidal que será aplicada ao motor de indução. Variando, desta forma, a velocidade do motor.

Funcionamento do Inversor • Cabe salientar que as chaves citadas anteriormente não são chaves estáticas, mas dispositivos semicondutores denominados IGBT (transistor bipolar com porta isolado). Tais dispositivos “chaveiam” o circuito a partir da aplicação de um pequeno pulso de tensão em suas portas. Este pulso de tensão é gerado na “Unidade de controle microprocessada”.

Controle tipo PWM • Os inversores mais modernos utilizam para combinação da abertura e fechamento das chaves uma técnica denominada PWM (Pulse Width Modulation) ou Modulação por largura de pulsos. Este tipo de controle permite a geração de ondas senoidais de freqüência variável com resolução de até 0,01Hz.

Controle tipo PWM • Abaixo estão relacionadas as formas de onda da tensão e da corrente aplicadas a um motor a partir de um inversor tipo PWM.

Formação de Onda PWM

a) Em tensão de saída máxima.

b) Em tensão de saída reduzida.

c) Em metade da tensão e metade da freqüência.

Tipos de Inversores • Os Inversores de freqüência dividem-se em dois grupos; os inversores com controle ESCALAR e os inversores com controle VETORIAL. Cada tipo de inversor possuí um princípio de funcionamento. Apesar de ambos possuírem os mesmos blocos, alguns destes blocos tratam de forma diferente os sinais de entrada e saída.

Controle Escalar • Os inversores de freqüência com controle escalar têm o seu funcionamento baseado numa estratégia de comando chamada “V/F constante”, que mantém o torque do motor constante, igual ao nominal, para qualquer velocidade do motor. O comando é chamado de “V/F constante” pois a freqüência e a tensão aplicadas ao motor variam de forma proporcional, a fim de manter o torque constante.

Controle Escalar • Como sabemos o bobinado do estator do motor é formado por uma resistência ôhmica e por uma reatância indutiva. A resistência tem o seu valor determinado pelas características do motor e a reatância depende das características do motor e da freqüência da tensão de alimentação. Portanto, se diminuirmos a freqüência da tensão alimentação, temos que diminuir a amplitude desta tensão para mantermos a corrente no valor nominal e, assim, conseguirmos um torque constante.

Controle Escalar • Para freqüências acima de 30Hz, a resistência ôhmica pode ser desconsiderada pois o seu valor é muito baixo em relação a reatância indutiva.

Controle Escalar

Controle Escalar • Curva de Torque x freqüência

Controle Escalar • Para freqüências abaixo de 30Hz, o termo correspondente a resistência ôhmica dos enrolamentos do estator começa a ter influencia na valor da corrente. Desta forma, para manter a corrente e o torque constantes, a tensão em baixas freqüências é aumentada através de um método chamado de compensação I x R.

Controle Escalar

Controle Escalar • É utilizado em aplicações normais, que não requerem elevadas acelerações e frenagens. • Podem controlar a velocidade do motor com precisão de 3% a 5% com variação da carga. • São utilizados em sistemas sem realimentação. • Possuem faixa de variação de velocidade na ordem 1:10 (ex. 6 a 60Hz). • Possuem menor custo que os inversores vetoriais.

Controle vetorial • Em aplicações onde se faz necessário uma alta performance dinâmica, respostas rápidas e alta precisão de regulação de velocidade é conveniente a utilização de inversores com controle vetorial. Os inversores com controle vetorial possuem controle de torque linear para aplicações de posição ou de tração e operação suave em baixa velocidade e sem oscilações de torque, mesmo com variação da carga.

Controle vetorial • Apesar de ser composto pelos mesmos blocos funcionais do inversor escalar, o inversor vetorial apresenta algumas diferenças no funcionamento. O inversor vetorial calcula a corrente necessária para produzir o torque requerido pela máquina, formando uma corrente no estator e uma corrente de magnetização. Ou seja, a corrente aplicada ao motor é separada em duas componentes Id (magnetização) e Iq (torque).

Controle vetorial

• A corrente total é a soma destas duas componentes. • O torque produzido no motor é o produto vetorial destas duas componentes. • A qualidade com a que estas componentes são identificadas e controladas define o nível de desempenho do inversor.

Controle vetorial • Para calcular as componentes Id e Iq são necessários microprocessadores com alta velocidade, que realizem milhares de operações matemáticas por segundo, e também os parâmetros internos do motor. Alguns inversores possuem parâmetros de diferentes motores na memória, mas outros, mais sofisticados, executam rotinas de auto-ajuste para calcular estes parâmetros.

Controle vetorial

• Os inversores com controle vetorial podem ser utilizados com realimentação (tacogerador de pulsos acoplados ao eixo o motor) ou sem realimentação.

Controle vetorial com realimentação • • • • •

Regulação de velocidade: 0,01% Regulação de torque: 5% Faixa de variação de velocidade: 1:1000 Toque de partida: 400% máximo Torque máximo (não contínuo): 400%

Controle vetorial sem realimentação

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Regulação de velocidade: 0,1% Regulação de torque: Não tem Faixa de variação de velocidade: 1:100 Toque de partida: 250% Torque máximo (não contínuo): 250%

Características dos motores controlados por inversores • As curvas de corrente e torque dos motores de indução, possuem as mesmas características a partir de 150% do torque nominal. Isto significa que o torque e a velocidade tem um comportamento linear nesta faixa. Devido a este comportamento linear, os inversores trabalham nesta faixa.

Características dos motores controlados por inversores

Características dos motores controlados por inversores

FRENAGEM Quando o motor de indução está sendo empregado em processos que exigem paradas rápidas, o tempo de desaceleração é muito pequeno e deve ser empregado o recurso de frenagem elétrica ou mecânica. Durante a frenagem a freqüência do rotor é maior que a freqüência do estator, provocando um fluxo reverso da energia do rotor para o estator. O motor a a funcionar como um gerador, injetando esta energia no barramento DC do inversor, o que provoca uma sobretensão no mesmo. A frenagem elétrica pode ser feita através de um dos procedimentos abaixo, ou uma combinação deles:

1. Injeção de corrente contínua Permite a parada do motor através da aplicação de corrente contínua . A magnitude da corrente contínua, que define o torque de frenagem, e o período durante o qual ela é aplicada, geralmente usado com cargas de baixa inércia, e pode causar um aquecimento excessivo do motor quando os ciclos de parada são muito repetitivos.

2. Rampa de desaceleração A freqüência diminui até zero, conforme o tempo de desaceleração especificado pelo usuário, podendo ser empregado quando os requisitos de parada não são muito rígidos. 3. Frenagem reostática É usada para dissipar a energia que retorna do motor através de um banco de resistores, durante a rápida frenagem do motor, evitando a sobretensão no barramento DC do driver. Geralmente se utiliza a frenagem reostática para baixar a velocidade até um determinado valor, a partir do qual se aplica corrente contínua no motor, conseguindo uma frenagem rápida e preservando o inversor. Quando o motor é frenado , isto é quando o escorregamento tornase negativo, o torque gerado pelo motor torna-se negativo e este é frenado. Neste estado o motor opera como gerador com a energia cinética (do motor e da carga) convertida em energia elétrica.

Parâmetros dos Inversores • Parâmetros de leitura: corrente, velocidade e etc. • Parâmetros de regulação: rampas de aceleração, desaceleração, curva V/F e etc. • Parâmetros de configuração: frenagem, rejeição de freqüências críticas e etc. • Parâmetros do motor: corrente, tensão e rotação do motor. • Parâmetros especiais: ciclo automático e etc.

Exemplos de Parâmetros de Inversores de Freqüência Para o controle dos motores com os inversores é necessário entrar com uma série de parâmetros que definem seu controle sob o motor. Abaixo mostramos alguns parâmetros utilizados para programação de inversores da linha WEG. P001 - Referência de Velocidade - Valor da referência de velocidade antes da rampa. Independe da fonte de origem da referência, indicação em rpm. P002 - Velocidade do Motor - Indica o valor da velocidade real, em rpm. P003 - Corrente do motor - Indica a corrente de saída do inversor em ampères. P004 - Tensão do circuito intermediário indica a tensão atual no circuito intermediário de corrente contínua, em Volts. P005 - Freqüência aplicada ao motor - Valor da freqüência de saída do inversor, em Hz.

P006 - Estado do inversor - Indica o estado atual do inversor. As sinalizações disponíveis são: Ready, Run, P009 - Torque no Motor Indica a parcela da Corrente Total que é proporcional ao torque, em %. São os valores ajustáveis a serem utilizados pelas funções do inversor. P100 - Tempo de aceleração P101 - Tempo de desaceleração Definem os tempos para acelerar linearmente de 0 até a velocidade máxima ou desacelerar linearmente da velocidade máxima até 0. P134 - Velocidade máxima é definida pelo parâmetro. P133 - Referência mínima P134 - Referência máxima

P300 - Duração da frenagem P301 - freqüência de início da frenagem

P302 - tensão aplicada durante a frenagem

PARÂMETROS DO MOTOR Define os parâmetros obtidos dos dados de placa. P400 - Tensão do motor P401 - Corrente do motor P402 - Rotação do motor P403 - Freqüência do motor

Funções Associadas aos Inversores - Funções especiais para inversor CFW (WEG) Esta função permite controle do processo para um regime de trabalho cíclico, através de uma programação das variáveis envolvidas pelo usuário. O inversor a a executar automaticamente o ciclo definido. Ex: processo, tempo, aceleração, desaceleração, velocidade, etc... Esta função tem como finalidade possibilitar o acionamento de motores especiais com tensões e frequências nominais diferentes da frequência da rede. Possibilita aumentar ou diminuir a frequência base para atender as condições nominais do motor. Ex: motor de acabamento em madeira Un=220V Fn=240HZ

Funções Associadas aos Inversores - Funções especiais para inversor CFW (WEG) Este recurso permite ao usuário substituir as rampas atuais de aceleração e desaceleração por rampas do tipo “S” as quais impõe ao motor maior suavidade nos instantes de partida/frenagem e evita choques mecânicos no início e final das rampas.

Esta função permite evitar a operação do motor em determinadas velocidades (freqüências) críticas que possam provocar ressonância no sistema motor/carga causando vibrações e ruídos indesejáveis..

Funções Associadas aos Inversores - Regulador de velocidade (CFW - WEG)

É utilizado quando se quer alta precisão de velocidade no motor/carga. Para garantir precisão elevada o inversor irá controlar a velocidade do motor através de um circuito em malha fechada, e para tal necessita de uma realimentação de velocidade a qual é feita pôr um transdutor de velocidade.

Funções Associadas aos Inversores - Regulador PID superposto (CFW - WEG)

Destina-se a aplicações onde há necessidade de controle de uma variável do processo (Ex: vazão, pressão, nível, temperatura, etc...) para isto o inversor deverá ter um set-point (programado pelo usuário) e receber um sinal de realimentação do sensor de medição da variável do processo formando desta forma uma malha fechada.

Interface em redes rápidas ( Fieldbus ) em protocolosRS485 / RS232

Configuração ideal para integrar grandes plantas de automação industrial, as redes de comunicação rápidas, tem a vantagem de monitoração e controle on-line, sobre os inversores proporcionando elevada performace de atuação em sistemas complexos.

Barramento CC ( Link DC ) Utilizado em sistemas de multimotores, as pontes retificadoras dos inversores são substituídos por uma única unidade retificadora geral de entrada ligada por um barramento CC único tendo as seguintes vantagens; •Economia no custo do sistema •Otimização do consumo energético em função da transferencia de energia entre as unidades inversoras

Inversor Regenerativo Utiliza-se uma unidade retificadora regenerativa junto ao barramento CC do inversor. Permite frenagens regenerativas devolvendo a energia à rede, proporcionando um fator de potência unitário e elimina as correntes harmônicas na entrada do inversor. Este inversor regenerativo destina-se às aplicações de regime cíclico e ou paradas extremamente rápidas.

Diferentes Níveis de Potência

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