Controle escalar de velocidade e partida de motores de indução utilizando inversores
ARTIGO ORIGINAL
MENDONÇA, Luan Aleixo Canário [1]
MENDONÇA, Luan Aleixo Canário. Controle escalar de velocidade e partida de motores de indução utilizando inversores. Revista Científica Multidisciplinar Núcleo do Conhecimento. Ano 06, Ed. 01, Vol. 02, pp. 14-36. Janeiro de 2021. ISSN: 2448-0959, Link de acesso: https://www.nucleodoconhecimento.com.br/engenharia-eletrica/utilizando-inversores
RESUMO
Este trabalho apresenta a aplicação de um inversor de frequência trifásico no controle de velocidade e partida de um motor de indução. O controle da velocidade é realizado através da técnica de fluxo constante, ou também comumente chamada de controle V/F. Inicialmente é apresentado a versão em malha aberta do controle V/F, capaz de atingir a velocidade de referência mantendo o torque desenvolvido aproximadamente constante. Em seguida, é apresentada a versão em malha fechada do controle V/F, que através da implementação de um controlador PI, acrescenta ao controle em malha aberta a capacidade de rejeitar perturbações na velocidade decorrentes de variações do tipo degrau no torque da carga. Para a implementação da partida suave, é desenvolvido um algoritmo de aplicação de tensão em rampa com ângulos e valores iniciais ajustáveis. As simulações dessa etapa destacam a redução obtida na corrente de partida, e o consequente aumento do tempo que o motor leva para atingir o regime permanente.
Palavras-chave: Inversor de frequência trifásico, controle de velocidade de motor de indução, controle V/F, partida em rampa.
1. INTRODUÇÃO
É possível verificar uma grande quantidade de aplicações onde o controle da rotação das máquinas trouxe avanços aos processos de produção existentes e abriu caminho para a criação de novos métodos para as diversas etapas do ciclo produtivo. Como exemplos é possível citar: capacidade de alterar a velocidade
global de um processo industrial tornando o mais eficiente e reduzindo desperdícios de matéria prima, economia de energia, principalmente em aplicações que envolvam bombas centrífugas e ventiladores (os quais apresentam consumo de energia proporcional ao cubo da velocidade), e ainda, a existência de certos tipos de indústrias como as de papel e celulose que não funcionam sem o controle de velocidade (FRANCHI, 2013).
Máquinas de indução, as mais robustas e mais amplamente utilizadas na indústria, são também, essencialmente, máquinas de velocidade constante quando conectadas a fontes de tensão e frequência constantes (SEN, 1996).
O objetivo desse trabalho é desenvolver as etapas de projeto de um inversor de frequência trifásico acionado pela técnica Sinusoidal Pulse Width Modulation (SPWM), com o objetivo de controlar velocidade e partida de um motor de indução trifásico através do controle escalar V/F - Volts/Hertz.
O desenvolvimento seguirá partindo desde a implementação do algoritmo de disparo das chaves estáticas, seguindo da simulação do circuito em malha aberta (controle em regime permanente sem medição de velocidade), projeto de um controlador PI, com o intuito de eliminar erro em regime permanente e rejeitar perturbações do tipo degrau, e posteriormente, realizar a simulação do inversor em malha fechada. Em seguida, será implementado o algoritmo de partida em rampa, e através de simulação, verificar o efeito obtido na corrente do motor.
Ao final deste trabalho, espera-se obter simulações funcionais de um inversor capaz de controlar a velocidade de um motor de indução e de fornecer a opção de partida suave através da aplicação de uma tensão em rampa.
2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 2.1 MOTOR DE INDUÇÃO TRIFÁSICO
Os motores de indução apresentam funcionamento baseado na aplicação de uma corrente alternada diretamente nos enrolamentos do estator, e através de uma relação de transformação, tem-se a corrente no rotor por fenômeno de indução (FITZGERALD; KINGSLEY e UMANS, 2005).
O estator é composto eletricamente por 3 enrolamentos espacialmente separados por 120º. A bobina aa’ é alimentada pela fase a, bem como as bobinas bb’ e cc’ são alimentadas respectivamente pelas fases b e c (SEN, 1996). A conexão elétrica entre os enrolamentos pode ser feita em estrela (Y) ou delta (?), como pode ser visto na Figura 1.
Figura 1 - Conexão estrela à esquerda e delta à direita.
Fonte: SEN, 1996. Adaptada.
2.1.1 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO
Ao aplicar uma fonte de tensão trifásica no estator, uma corrente irá fluir por seus enrolamentos e produzir um campo magnético girante com mesma frequência da corrente aplicada. Este campo por sua vez, será o responsável por induzir uma tensão nos enrolamentos do rotor, e consequentemente, promover o surgimento de uma corrente rotórica cujo módulo e defasagem irá depender da impedância do enrolamento. A corrente produzida estará de acordo com a lei de Lenz, “a corrente induzida tende a se opor ao sentido da variação do campo magnético que a produziu” (SEN, 1996). No motor de indução, a variação é dada pela rotação do campo do estator e a reação que ocorre no rotor é tal que este tenta cancelar essa variação. Isto é, o rotor entra em movimento de rotação no mesmo sentido que o campo do estator com o objetivo de cancelar a variação de campo magnético proveniente do movimento relativo entre eles (PINHEIRO, 2009).
2.1.2 ESCORREGAMENTO
Supondo por um instante que ao iniciar o movimento de rotação o rotor atingisse a velocidade do campo girante (velocidade esta denominada de síncrona ns). Neste exato momento, sessaria o movimento relativo entre o rotor e o campo do estator fazendo com que não houvesse mais corrente induzida, e consequentemente, nenhum torque seria produzido (FITZGERALD; KINGSLEY e UMANS, 2005). Na operação das máquinas de indução trifásicas como motor, a velocidade de rotação sempre será inferior a velocidade síncrona, daí o termo designado para este tipo de máquina: motores assíncronos (TORO, 1994).
A diferença relativa de velocidade entre o rotor e o campo girante do estator é denominada de escorregamento (FITZGERALD; KINGSLEY e UMANS, 2005) e é definida como sendo:
Onde n corresponde à velocidade do rotor em rpm – rotações por minuto.
2.2 CONTROLE ESCALAR V/F
Se o controle aplicado à um determinado sistema tiver como objetivo a manipulação de apenas variáveis escalares tais como amplitude de tensão, corrente e frequência, este controle é denominado escalar (BIM, 2012).
A velocidade síncrona de uma máquina de indução pode ser alterada diretamente a partir da variação da frequência da fonte de tensão que alimenta os enrolamentos do estator (FITZGERALD; KINGSLEY e UMANS, 2005).
O fluxo do entreferro de um motor de indução é proporcional à relação entre a tensão induzida com o rotor parado e a frequência (SEN, 1996). Sendo assim, temos:
Considerando que os valores de R1 e X1 (resistência e reatância do estator) sejam suficientemente pequenos, a queda de tensão sobre esses elementos é pequena, e, portanto, é possível realizar a aproximação: V ? E (SEN, 1996). Sendo assim, a equação (2) se torna:
Se a frequência da fonte de alimentação for reduzida mantendo a tensão constante, o fluxo no entreferro irá aumentar levando a máquina à saturação, além de provocar o aumento excessivo das correntes do motor devido à redução das reatâncias dos enrolamentos (POMILIO, 2014). Já no caso em que se aumenta a frequência mantendo a tensão fixa, a redução do fluxo no entreferro provoca a queda gradativa do torque da máquina (POMILIO, 2014).
de entreferro aproximadamente constante.
Figura 2 - Tensão em função da frequência no controle V/F
Fonte: FRANCHI, 2013.
2.2.1 APLICAÇÕES
A técnica de controle escalar é essencialmente um controle em regime permanente. Isso implica que a principal aplicação para essa técnica está relacionada com a eliminação de erro em regime permanente e com a capacidade de rejeitar variações na velocidade dentro de uma faixa de operação (SUETAKE;
SILVA e GOEDTEL, 2007).
Para aplicações que exigem alto desempenho da resposta dinâmica, a técnica mais utilizada é o controle vetorial (BIM, 2012).
Vale ressaltar, que a principal vantagem do controle escalar em relação ao vetorial é a simplicidade e custos de implementação, o que torna uma opção atrativa para as aplicações que não exigem alto desempenho dinâmico (WEG, 2016).
2.2.2 LIMITAÇÕES DO CONTROLE V/F
Na Figura 3, são apresentadas as curvas de torque de um controle V/F em um motor de indução trifásico com 4 polos. Neste gráfico, é considerado que o valor da resistência de estator R1 é nulo.
Figura 3 - Curvas de torque para diferentes valores de frequência considerando a resistência de estator nula.
Fonte:
FITZGERALD; KINGSLEY e UMANS, 2005.
É possível observar, que a partir da aplicação do controle V/F, as curvas de torque sofrem apenas deslocamentos laterais no eixo da frequência, mantendo a forma e os valores máximos de torque inalterados.
Na Figura 4, são apresentadas as mesmas curvas de torque da Figura 3, porém considerando a resistência de estator com um valor não nulo.
Figura 4 - Curvas de torque para diferentes valores de frequência considerando a resistência de estator não nula.
Fonte:
FITZGERALD; KINGSLEY e UMANS, 2005.
É possível observar, que a consideração da resistência do estator, causa uma pequena redução no torque máximo com a diminuição da frequência da fonte de alimentação. Este fenômeno limita a aplicação do controle V/F a velocidades não muito baixas, pois caso ao contrário, a perda de torque pela influência da resistência de estator e a redução da eficiência por aumento do escorregamento se tornariam consideráveis (FITZGERALD; KINGSLEY e UMANS, 2005).
Para velocidades superiores à frequência nominal do motor, ocorre a região denominada de potência constante, onde para valores de frequência superiores à nominal, o controle V/F não é válido, já que a aplicação de tensões superiores à nominal poderia causar danos ao motor. Portanto, o aumento da frequência acima da nominal causa a redução do fluxo no entreferro, e consequentemente, a perda gradativa de torque do motor (SEN, 1996). Controles que operam na região de potência constante são denominados de field-weakening control, e devido a sua gama de aplicações ser muito restrita, não serão abordados neste trabalho.
2.3 INVERSOR DE FREQUÊNCIA TRIFÁSICO
Os inversores são circuitos estáticos (não contêm partes móveis) que convertem potência DC em AC com a frequência e tensão de saída desejadas (AHMED, 2000). A tensão DC que alimenta os inversores geralmente é obtida através da retificação e filtragem da tensão alternada da rede elétrica. Os retificadores empregados podem ser controlados ou não de acordo com a aplicação (MOHAN; UNDELAND e ROBBINS, 1995).
As formas de onda na saída de um inversor deveriam ser idealmente senoidais. Entretanto, na prática as formas de onda são não-senoidais e apresentam determinado conteúdo harmônico. Para diversas aplicações, a distorção harmônica pode ser aceitável, já para outras, é necessário a utilização de filtros (RASHID, 1999).
Atualmente existem diversas aplicações para os inversores de frequência incluindo transmissão de energia em corrente contínua, fontes ininterruptas de energia, fontes de alimentação para aeronaves, composição da interface elétrica na geração distribuída e controle de máquinas de indução (AHMED, 2000). Este último sendo o foco deste trabalho.
Na Figura 5, é apresentado o diagrama contendo a forma geral de um controle de velocidade de um motor trifásico que será utilizado nas simulações.
Figura 5 - Diagrama elétrico de um circuito inversor aplicado ao controle escalar de motor de indução
Fonte: FRANCHI, 2013. (Adaptada).
3. DESENVOLVIMENTO
3.1 RESUMO DAS CONSIDERAÇÕES INICIAIS DO PROJETO DO INVERSOR
Com base no que foi demonstrado nas seções anteriores, é apresentado o Quadro 1 contendo o resumo das considerações iniciais do projeto.
Quadro 1 - Resumo das considerações de projeto Controle da amplitude da tensão de linha na saída
do inversor.
