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ELETROTÉCNICA Professor Etevaldo Costa ACIONAMENTO DE MOTORES ELÉTRICOS Prof° Msc Etevaldo Costa.

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1 ELETROTÉCNICA Professor Etevaldo Costa ACIONAMENTO DE MOTORES ELÉTRICOS Prof° Msc Etevaldo Costa

2 ELETROTÉCNICA Professor Etevaldo Costa MOTORES ELÉTRICOS

3 ELETROTÉCNICA Professor Etevaldo Costa LIGAÇÕES NOS SISTEMAS TRIFÁSICOS: ILIL IFIF VFVF VLVL ILIL Triângulo: Estrela: IFIF VFVF VLVL

4 ELETROTÉCNICA Professor Etevaldo Costa LIGAÇÕES NOS SISTEMAS TRIFÁSICOS: Triângulo: Estrela:

5 ELETROTÉCNICA Professor Etevaldo Costa MOTOR DE INDUÇÃO TRIFÁSICO: ESTATOR 1111PARTES: è è Carcaça; è è Núcleo de Chapas; è è Enrolamento Trifásico è è Eixo; è è Núcleo de Chapas; è è Barras e anéis de curto. 3333ROTOR OUTRAS PARTES è è Tampas; è è Ventilador; è è Caixa de ligação; è è Rolamentos; è è Placa de Identificação; è è Defletora, etc.

6 ELETROTÉCNICA Professor Etevaldo Costa O Motor de Corrente Alternada Para melhor entendermos o inversor de freqüência, temos que fazer uma previa sobre o funcionamento do motor de corrente alternada. "Por que motor de corrente alternada?“ Nos processos de automação industrial, a tecnologia em corrente continua praticamente deixou de existir. É fato que ela ainda pode ser encontrada em equipamentos antigos, mas seus dias estão contados: a tecnologia em CA é mais barata, versátil e de maior confiabilidade. Existem vários tipos de motor CA no mercado (síncrono, assíncrono, universal, servos-motores, etc). No momento, vamos nos ater nos dois mais utilizados na industria: motor CA assíncrono e servo-motor.

7 ELETROTÉCNICA Professor Etevaldo Costa a) O Motor CA Assíncrono A Figura A mostra a estrutura do motor CA simplificada. A carcaça, por não executar movimento, recebe o nome de estator.É no estator onde se localizam as bobinas do motor. A outra parte é o rotor, onde temos a rotação do eixo. O motor elétrico, portanto, e uma maquina que converte energia elétrica em mecânica. No caso do motor CA assíncrono o rotor não tem bobinas. Chamamos isso de rotor em curto-circuito, ou "gaiola de esquilo". O principio de funcionamento pode ser visto na Figura B. Fig A - Estrutura básica de motor de CA

8 ELETROTÉCNICA Professor Etevaldo Costa Basicamente, o que temos e um campo girante que induz uma corrente no rotor. Como esse está em curto-circuito, um campo eletromagnético cria-se ao seu redor, e é atraído pelo campo. Analogamente, é como um ima permanente atraindo um objeto metálico sobre a mesa."Mas por que o nome assincrono?" Fig B- Campo Girante em um Motor CA Assincrono

9 ELETROTÉCNICA Professor Etevaldo Costa No ambiente industrial a maior parte da rede elétrica é trifásica. Em uma rede deste tipo temos três senoides defasadas de 120o elétricos uma da outra, conforme Figura C.A própria natureza da tensão, portanto, causa o campo girante entre os pólos.Obviamente a velocidade com que esse campo gira é proporcional a freqüência da rede elétrica. O fato e que, sob carga, temos uma forca contraria atuando no rotor, afinal, ele esta movimentando uma carga mecânica. Isso cria um fenômeno chamado escorregamento, ou seja, a velocidade do campo girante e sempre maior que a velocidade de rotação do rotor, uma vez que ele esta sendo atrasado devido a forca necessária para provocar tal movimento. Sendo assim, quanto maior o torque exigido no motor, maior será o atraso em relação ao campo girante. Dai o nome motor assíncrono. Mesmo girando em vazio, sem carga, a própria massa do rotor, e os atritos com os rolamentos ja provocam um torque resistente, e uma conseqüente "assincronia"entre a velocidade do campo girante e o rotor. Bem, o fato é que ha. "n“ parâmetros a serem considerados em um motor elétrico.

10 ELETROTÉCNICA Professor Etevaldo Costa Fig. C - Tensão e/ou Corrente Alternada Trifásica

11 ELETROTÉCNICA Professor Etevaldo Costa A velocidade do motor CA pode ser calculada pela formula N = 120*f p n = velocidade de rotação em rpm. f = freqüência da rede de alimentação p= numero de pólos.

12 ELETROTÉCNICA Professor Etevaldo Costa Podemos concluir, então, que a velocidade e diretamente proporcional a freqüência de alimentação, e inversamente ao numero de pólos. A formula, entretanto, e valida apenas para o motor em vazio, ou seja, sem carga. A medida que colocamos um torque resistente ao seu eixo, sua velocidade tende a cair. Uma das funções do inversor de freqüência e justamente impedir que isto ocorra através de compensações. A potencia elétrica do motor e o produto da tensão de alimentação pela corrente e pelo fator de potencia. Para um motor monofásico teremos: P = U * I * cos α Para um motor trifasico: P = √3 * U * I * cos α.

13 ELETROTÉCNICA Professor Etevaldo Costa O Servo-Motor Todos os conceitos anteriores aplicam-se também ao servo-motor. Mas afinal: por que o nome "servo"antes do motor? A principal diferença entre o servo-motor e o motor CA convencional é que ao invés de termos um rotor em curto-circuito (gaiola de esquilo), o rotor do servo é um ima permanente. Esta técnica atribui algumas características de funcionamento que proporciona um outro tipo de aplicação. Enquanto o motor AC convencional pode atingir altíssimas velocidades (10000 rpm, por exemplo) e ainda ter um bom torque, seu peso e volume são grandes se comparados a um servo-motor. O servo não consegue atingir velocidades tão altas, porem, como seu rotor é um ima permanente, ele tem grande torque. Alem disso, suas dimensões (tamanho e peso) são bem menores. Este tipo de motor é muito utilizado na movimentação de partes de maquinas (eixos), e braços robóticos, etc. Já o motor CA assíncrono convencional é utilizado para cargas maiores (pontes rolantes, "placas"de tornos etc.). "Servo-motor e motor de passo e a mesma coisa?" Não. Cada um tem sua própria estrutura, e aplicações distintas. Basicamente, a principal diferença entre um motor-de-passo ("Stepper") e o servo-motor e o numero de pólos.

14 ELETROTÉCNICA Professor Etevaldo Costa A Figura mostra o perfil dos dois tipos. Enquanto um servo-motor tem, no Maximo, oito pólos, o de passo tem, no mimo, quinze. Com certeza, isto causa uma performance diferente entre eles. O motor-de-passo é indicado para movimentação em curtas distancias e alto torque. Por ter mais pólos, entretanto, suas paradas são mais bruscas. O servo-motor, por outro lado, tem um comportamento mais suave. Veja que Isto é uma questão pura e simplesmente de aplica»cao. O que e desvantagem em uma pode ser vantagem em outra, e vice-versa. A Tabela mostra um pequeno comparativo entre os dois tipos. Comparação entre Servo-Motor e Motor de Passo Servo-motor Motor de passo Baixo ruído ótimo médio Preço alto médio Torque médio alto Suavidade de operação ótimo baixa

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16 ELETROTÉCNICA Professor Etevaldo Costa 1-2 Partes

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18 ELETROTÉCNICA Professor Etevaldo Costa ROTOR DE GAIOLA ROTOR BOBINADO (ANÉIS)

19 ELETROTÉCNICA Professor Etevaldo Costa TENSÕES USUAIS: Baixa Tensão: Baixa Tensão: 220, 380, 440, 660 V Média Tensão: Média Tensão: 2.300, 3.300, 4.160, 6.600, V

20 ELETROTÉCNICA Professor Etevaldo Costa Tripla Tensão Nominal - Tensões: 220/380/440/760 V - Cabos: 12 ( doze ) LIGAÇÕES: LIGAÇÕES: Série - Paralela - Cada fase é dividida em 2 partes; - Segunda tensão é o dobro da primeira; - Tensões: 220/440 V e 230/460 V - Cabos: 9 ( nove ) Estrela - Triângulo - Segunda tensão  3 vezes maior que a primeira; - Tensões: 220/380 V, 380/660 V, 440/760 V - Cabos: 6 ( seis )

21 ELETROTÉCNICA Professor Etevaldo Costa MÉTODOS DE PARTIDA: DIRETA ESTRELA - TRIÂNGULO SÉRIE - PARALELA CHAVE COMPENSADORA ELETRÔNICA POR RESISTOR POR REATOR PRIMÁRIO

22 ELETROTÉCNICA Professor Etevaldo Costa PARTIDA DIRETA è IDEAL è IDEAL (Sempre que possível); Nos casos em que a corrente de partida é elevada, podem ocorrer: è è Elevada queda de tensão no sistema de alimentação da rede; è è Imposição das concessionárias de energia elétrica, devido as implicações de variação na tensão da rede; è è Sistema de proteção dos motores (cabos, contatores) mais caro (superdimencionado);

23 ELETROTÉCNICA Professor Etevaldo Costa PARTIDA ESTRELA-TRIÂNGULO Utilizada em aplicações cujas cargas tem conjugados baixos ou partidas a vazio è è O motor deve possuir 6 terminais; è è A corrente e o conjugado de partida ficam reduzidos a 33%; è è Dupla tensão, sendo a segunda tensão  3 vezes a primeira. (a) Corrente em triângulo (b) Conjugado em triângulo (c) Corrente em estrela (d) Conjugado em estrela (e) Conjugado resistente % rpm (e) (d) (c) (b) (a) Ip / In Cp / Cn Ex.:(220/380Volts)

24 ELETROTÉCNICA Professor Etevaldo Costa PARTIDA SÉRIE-PARALELA è è O motor deve possuir 9 terminais; è è Dupla tensão, sendo a segunda tensão 2 vezes a primeira. Ex.:(220/440Volts); è è Na partida o motor é ligado em série até atingir sua rotação nominal e, então, faz-se a comutação para a configuração paralelo.

25 ELETROTÉCNICA Professor Etevaldo Costa PARTIDA COM CHAVE COMPENSADORA è è Partida de motores sob carga; è è Reduz a corrente de partida, evitando sobrecarga no circuito; è è A tensão na chave compensadora é reduzida através de auto-transformador; è è Tap´s do auto-transformador: 50, 65 e 80% da tensão.

26 ELETROTÉCNICA Professor Etevaldo Costa RELAÇÕES DE TENSÕES Fatores de redução K1 e K2 em função das relações de tensão do motor e da rede Um / Un K1 K Um / Un 0 Exemplo: Para 85% da tensão nominal PARTIDA COM CHAVE COMPENSADORA

27 ELETROTÉCNICA Professor Etevaldo Costa 100% Conjugado ( % ) do conj. nominal Relação de corrente Relação em porcentagem da rotação síncrona EXEMPLO: Características de desempenho de um motor de 425 cv, VI pólos, quando parte com 85% da tensão PARTIDA COM CHAVE COMPENSADORA

28 ELETROTÉCNICA Professor Etevaldo Costa PARTIDA ELETRÔNICA POR SOFT-STARTER è è Método de partida suave; è è Controle apenas da tensão ( 25 a 90% da tensão nominal ); è è Tempo de aceleração regulável entre 1 e 240 segundos.

29 ELETROTÉCNICA Professor Etevaldo Costa PARTIDA COM RESISTOR PRIMÁRIO è è Resistores em série com cada uma das fases; è è Queda de tensão nos bornes do motor; è è Redução na corrente absorvida; è è Próximo da velocidade nominal o motor é ligado diretamente à rede; è è Melhora o fator de potência na partida; è è Maior perda de energia na partida, devido aos resistores; è è Método pouco utilizado.

30 ELETROTÉCNICA Professor Etevaldo Costa PARTIDA COM REATOR PRIMÁRIO è è Reatância indutiva em série com cada uma das fases; è è Queda de tensão nos bornes do motor; è è Redução na corrente absorvida; è è Próximo da velocidade nominal o motor é ligado diretamente à rede; è è Fator de potência e torque máximo melhores do que com resistores; è è Perdas menores; è è Método utilizado apenas para partida de motores de grande potência e de média tensão.

31 ELETROTÉCNICA Professor Etevaldo Costa CURVA DE CONJUGADO X ROTAÇÃO: N - Conjugados normais, Corrente de partida normal, Baixo escorregamento; H - Conjugados altos, Corrente de partida normal, Baixo escorregamento; D - Conjugados altos (C p  275% C n ), Corrente de partida normal, Alto escorregamento ( 5 a 8% e 8 a 13% ). Os valores de C máx, C mín e C p são especificados pela norma NBR 7094 CATEGORIAS: Cp Cmín Cmáx Cn n nsns Conjugado Rotação s

32 ELETROTÉCNICA Professor Etevaldo Costa ROTAÇÃO SÍNCRONA E ROTAÇÃO NOMINAL : FORMAS DE VARIAÇÃO DA VELOCIDADE: VARIANDO O ESCORREGAMENTO VARIANDO A FREQUÊNCIA VARIANDO O NÚMERO DE PÓLOS 2 3 1

33 ELETROTÉCNICA Professor Etevaldo Costa VARIAÇÃO DA FREQUÊNCIA: UTILIZAÇÃO DE INVERSORES DE FREQUÊNCIA Variação : è è 6 a 30 Hz - Perda de ventilação; 30 a 60 Hz - Motores standard; 6 a 60 Hz - Depende da carga acionada. è è Acima de 60 Hz - Enfraquecimento de campo.

34 ELETROTÉCNICA Professor Etevaldo Costa è è Utilização de motores DAHLANDER; è è Utilização de motores de ENROLAMENTOS INDEPENDENTES. è è Variação da resistência rotórica ( MOTORES DE ANÉIS ); è è Variação da tensão no estator. VARIAÇÃO DO NÚMERO DE PÓLOS: VARIAÇÃO DO ESCORREGAMENTO: VARIAÇÃO DO ESCORREGAMENTO:

35 ELETROTÉCNICA Professor Etevaldo Costa Símbolos literais segundo NBR 5280  F - Dispositivos de proteção: Fusíveis, pára-raios, disparadores, relés  H - Dispositivos de sinalização Indicadores acústicos e ópticos  K – Contatores: Contatores de potência e auxiliares  M - Motores  Q - Dispositivos de manobra para circuitos de potência: Disjuntores, seccionadores, interruptores  S Dispositivos de manobra, seletores auxiliares: Dispositivos e botões de comando e de posição (fim-decurso) e seletores  T Transformadores Transformadores de distribuição, de potência, de potencial, de corrente, autotransformadores

36 ELETROTÉCNICA Professor Etevaldo Costa  Curto-circuito: quando não existe uma resistência (ou impedância)significativa entre duas fases com diferenças de potencial. Neste caso sobrecorrente excede em muito a corrente nominal.  Sobrecarga: não existe falha elétrica, mas um aumento da carga. Excede em algumas vezes o valor nominal e o seu efeito é nocivo após o funcionamento do circuito por um tempo longo, causando deterioração do material isolante dos cabos.

37 ELETROTÉCNICA Professor Etevaldo Costa OS "DEZ MANDAMENTOS" DA INSTALAÇÃO DO INVERSOR DE FREQUÊNCIA  1. Cuidado! Não há inversor no mundo que resista à ligação invertida de entrada da rede elétrica (trifásica ou monofásica), com a saída trifásica para o motor.  2. O aterramento elétrico deve estar bem conectado, tanto ao inversor como ao motor. O valor do aterramento nunca deve ser maior que 5Ω (norma IEC536), e isso pode ser facilmente comprovado com um terrômetro, antes da instalação.  3. Caso o inversor possua uma interface de comunicação( RS 232, ou RS 485) para o PC, o tamanho do cabo deve ser o menor possível.  4. Devemos evitar ao máximo, misturar (em um mesmo eletroduto ou canaleta), cabos de potência (rede elétrica, ou saída para o motor) com cabos de comando (sinais analógicos, digitais, RS 232, etc...).  5. O inversor deve estar alojado próximo a “orifícios” de ventilação, ou, caso a potência seja muito alta, deve estar submetido a uma ventilação (ou exaustão). Alguns inversores já possuem um pequeno exaustor interno.  6. A rede elétrica deve ser confiável, isto é, jamais ultrapassar variações de +ou- 10% em sua amplitude.

38 ELETROTÉCNICA Professor Etevaldo Costa  7. Sempre que possível, utilizar os cabos de comando devidamente blindados.  8. Os equipamentos de controle (PLC, CNC, PC, etc...), que funcionarem em conjunto com o inversor, devem possuir o "terra" em comum. Normalmente, esse terminal vem indicado pela referência “PE” ( proteção elétrica), e sua cor é amarela e verde (ou apenas verde ).  9. Utilizar sempre parafusos e arruelas adequadas para garantir uma boa fixação ao painel. Isso evitará vibrações mecânicas. Além disso, muitos inversores utilizam o próprio painel em que são fixados como dissipador de calor. Uma fixação pobre, nesse caso, causará um aquecimento excessivo ( e possivelmente sua queima ).  10. Caso haja contatores e bobinas agregadas ao funcionamento do inversor, utilizar sempre supressores de ruídos elétricos (circuitos RC para bobinas AC, e diodos para bobinas DC). Essas precauções não visam apenas melhorar o funcionamento do inversor, mas evitar que ele interfira em outros equipamentos ao seu redor O inversor de frequência é, infelizmente,um grande gerador de EMI ( interferências eletromagnéticas), e, caso não o instalarmos de acordo com as orientações acima, poderemos prejudicar toda a máquina (ou sistema) ao seuredor. Basta dizer que, para um equipamento atender o mercado europeu, a certificação CE (Comunidade Européia ) exige que a emissão eletromagnética chegue a niveis baixissimos (norma IEC 22G - WG4 (CV) 21).

39 ELETROTÉCNICA Professor Etevaldo Costa PARAMETRIZAÇÃO Para que o inversor funcione a contento, não basta instalá-lo corretamente. É preciso "informar" a ele em que condições de trabalho irá operar. Essa tarefa é justamente a parametrização do inversor. Quanto maior o número de recursos que o inversor oferece, tanto maior será o número de parâmetros disponíveis. Existem inversores com tal nível de sofisticação, que o número de parâmetros ultrapassa a marca dos 900!

40 ELETROTÉCNICA Professor Etevaldo Costa PARAMETRIZAÇÃO SIMOVERT MICROMASTER do fabricante SIEMENS Parâmetro P009: Liberação de alteração de parâmetros  Ajuste = 0 : somente os parâmetros P001 a P009 podem ser alterados.  Ajuste = 1 : os parâmetros P001 a P009 podem ser alterados e todos os demais podem ser somente lidos.  Ajuste = 2 : todos os parâmetros podem ser alterados porém P009 retorna automaticamente a 0 na próxima vez que o inversor for desenergizado.  Ajuste = 3 : todos os parâmetros podem ser alterados indefinidamente. Esse parâmetro é uma proteção contra "curiosos". Para impedir que alguém, inadvertidamente, altere algum parâmetro da máquina, utiliza-se um ajuste específico como proteção.

41 ELETROTÉCNICA Professor Etevaldo Costa  Parâmetro P084: Tensão nominal do motor. Esse parâmetro existe na maioria dos inversores comerciais, 1embrando que não necessariamente como P084, e serve para informarmos ao inversor qual é a tensão nominal em que o motor irá operar. Suponha que o motor tenha tensão nominal 220VCA.  Parâmetro P083: Corrente nominal do motor. Esse parâmetro determina o valor de corrente que será utilizado nos cálculos que serão feitos pelo inversor, como por exemplo para protegê-lo de sobrecargas.  Parâmetro P003: Frequência mínima de saída. Esse parâmetro determina a velocidade mínima do motor. Pode variar de 0,0Hz a 650Hz, porém deve ser sempre menor que a frequência máxima.  Parâmetro P013: Frequência máxima de saída. Esse parâmetro determina a velocidade máxima do motor. Pode variar de 0,0Hz a 650Hz, porém deve ser sempre maior que a frequência mínima.  Parâmetro P031: Frequência de JOG. JOG (impulso) é um recurso que faz o motor girar com velocidade bem baixa. Isso facilita o posicionamento de peças antes da máquina funcionar em seu regime normal. Por exemplo : Encaixar o papel em uma bobinadeira, antes do papel ser bobinado efetivamente

42 ELETROTÉCNICA Professor Etevaldo Costa  Parâmetro P002: Tempo de partida (rampa de aceleração). Esse parâmetro indica em quanto tempo deseja-se que o motor chegue a velocidade programada, estando ele parado. Pode variar de 0 a 650 segundos. Você pode pensar : "Quanto mais rápido melhor". Mas, caso o motor esteja conectado mecanicamente a cargas pesadas ( Ex: placas de tornos com peças grandes, guindastes, etc...), uma partida muito rápida poderá “desarmar" disjuntores de proteção do sistema. Isso ocorre, pois o pico de corrente, necessário para vencer a inércia do motor, será muito alto. Portanto, esse parâmetro deve respeitar a massa da carga, e o limite de corrente do inversor. Veja a figura abaixo:

43 ELETROTÉCNICA Professor Etevaldo Costa  Parâmetro P003: Tempo de parada (rampa de desaceleração). O inversor pode produzir uma parada gradativa do motor. Essa facilidade pode ser parametrizada variando de 0 a 650 segundos, e, como a anterior, deve levar em consideração a massa (inércia) da carga acoplada. Veja a figura seguinte:

44 ELETROTÉCNICA Professor Etevaldo Costa  Parâmetro P006: Tipo de referência de entrada. • Ajuste = 0 a entrada significativa é digital. • Ajuste = 1 a entrada significativa é analógica. • Ajuste = 2 a velocidade é fixada dependendo da programação das entradas binárias (P051 a P055). Esse parâmetro diz ao inversor como vamos controlar a velocidade do motor. Caso esteja em 1, a velocidade será proporcional a tensão analógica de entrada. A entrada digital será ignorada. Caso o parâmetro esteja em 0, a velocidade será controlada por um sinal digital (na entrada digital), e o sinal analógico não mais influenciará.  Parâmetro P076: Frequência de chaveamento PWM. Esse parâmetro determina a frequência de PWM do inversor. Para este modelo, a mesma pode ser 2KHz, 4KHz, 8KHz ou 16KHz. Para evitarmos perdas no motor, e interferências eletromagnéticas (EMI), quanto menor essa freqüência, melhor. O único inconveniente de parametrizarmos o PWM com freqüências baixas (2 ou 4 kHz) é a geração de ruídos sonoros, isto é, a máquina fica mais “barulhenta”. Portanto, devemos fazer uma "análise crítica" das condições gerais do ambiente de trabalho, antes de optarmos pelo melhor PWM. Como dito anteriormente, existe uma infinidade de parâmetros nos inversores. Nesta slide, foram mostrados apenas os 10 principais, que já serão suficientes para "colocar para rodar" qualquer máquina. Para parametrizar um inversor diferente do estudado, basta consultar o manual do fabricante, e fazer uma analogia com essa.

45 ELETROTÉCNICA Professor Etevaldo Costa DIMENSIONAMENTO Capacidade do inversor: Para definirmos o “tamanho” do inversor temos de saber qual a corrente do motor (e qual carga) ele acionará. Normalmente se escolhe um inversor com uma capacidade de corrente igual ou um pouco superior à corrente nominal do motor. A tensão, tanto do inversor quanto do motor deve ser igual a da rede de alimentação. Tipo de inversor: A maioria dos inversores utilizados são do tipo escalar. Só utilizamos o tipo vetorial em duas ocasiões: extrema precisão de rotação, torque elevado para rotação baixa ou zero (ex: guindaste, pontes rolantes, elevadores, etc...). Modelo e fabricante : Para escolher o modelo, basta consultarmos os catálogos dos fabricantes, e procurar um que atenda as seguintes características mínimas necessárias: Quanto ao fabricante, o preço e qualidade desejada deve determinar a escolha. Apenas como referência ao leitor os mais encontrados na indústria são: Siemens, Weg, Yaskawa, Allen Bradley e ABB.

46 ELETROTÉCNICA Professor Etevaldo Costa Modulação PWM Agora que j¶a temos uma boa idéia do motor de corrente alternada, vamos a outro conceito fundamental para entendermos o inversor: a técnica de PWM, que significa "pulse width modulation". Se traduzirmos a sigla PWM para português temos "modulação por largura de pulso". Ela e uma técnica de controle de potencia, tensão, ou corrente através da largura do pulso de excitação oriundos dos sistemas de controle. Esse controle e feito através do seu ciclo de trabalho (Duty Cycle). O ciclo de trabalho e uma característica de um sinal quadrado que representa a porcentagem ativa do seu pero do. Podemos entender melhor o processo através da Figura abaixo. Nela notamos três sinais cuja forma de onda é quadrada. A amplitude dos três também é mesma, no exemplo, igual a 5 Vcc. Como os três tem mesmo período, então, a freqüência tem o mesmo valor para todos (f = 1=T ). Se os sinais tem a mesma forma-de-onda, mesma amplitude, e mesma freqüência, qual a diferença entre eles? O ciclo de trabalho. O primeiro sinal tem o seu ciclo divido em duas partes iguais: metade "ativa"(on), e metade "desativada"(off). Nesse caso temos um ciclo de trabalho de 50%, ou 0,5. Já, na segunda situação, apenas 30% do total do período, esta em "ON", portanto, temos um ciclo de trabalho igual a 30%. E, ¯finalmente, na terceira situação um ciclo de 70%.

47 ELETROTÉCNICA Professor Etevaldo Costa Ciclo de trabalho

48 ELETROTÉCNICA Professor Etevaldo Costa "E para que isso serve?“ Podemos controlar a tens~ao sob uma carga através desta técnica. Imaginem, ainda com base no exemplo anterior, que o sinal de ciclo de trabalho de 50% fosse aplicado a uma lâmpada, o de 30% em outra, e o de 70% em uma terceira (todas com as mesmas características). A primeira lâmpada teria um brilho médio, a segunda pouco brilho, e a terceira seria a mais brilhante. Como isso aconteceu se não variamos a amplitude? A resposta a esta pergunta é justamente a razão de ser da técnica de controle da potencia através da largura de pulso, e não da amplitude. Em outras palavras, variamos sim a tensão, mas a eficaz, e não a tensão da fonte-de-alimentacao. Esta, permanece invariável. Com a técnica de PWM, então, podemos alterar a tensão eficaz na carga sem alterar a tensão na fonte. Como isto pode ser feito na pratica? A Figura abaixo mostra um amplificador operacional em malha aberta (sem realimentação). Desta maneira ele se comporta como um comparador de tensão. Em sua saída, como o ganho é infinito, ou temos toda a tensão da fonte (+ Vcc), ou nada (0 Volt, terra). Depende apenas de qual sinal tem maior amplitude em determinado momento. Conforme pode-se observar, tem-se um sinal dente-de-serra na entrada inversora, e um sinal perfeitamente continuo fixo na entrada não inversora (também conhecida como entrada de referencia).

49 ELETROTÉCNICA Professor Etevaldo Costa O resultado é que entre to e t1 a tensão na entrada não inversora é maior que a inversora, levando a saída do AmpOp para saturação (+ Vcc). Já entre t1 e t2, a tensão dente-de- serra supera a referencia, levando agora a saída a zero Volt. Ou seja, a saída do circuito é função da comparação entre os sinais, e a largura do pulso depende do nível da tensão cc de referencia. Na Figura abaixo aumentou-se o valor da entrada não inversora, e, consequentemente, a largura do pulso também, uma vez que modificou-se o ponto de intersecção entre o sinal dente-de-serra e o de referencia. Tecnica PWM

50 ELETROTÉCNICA Professor Etevaldo Costa Modulacao PWM

51 ELETROTÉCNICA Professor Etevaldo Costa Se for mantida a inclinação da rampa de subida do sinal dente-de-serra, pode-se controlar a largura do pulso de saída através de uma tensão cc de referencia. A Figura abaixo mostra uma sugestão de como isto pode ser feito utilizando dois CI's bem famosos: o 555 e o 741. E fato que este PWM não é tão preciso, visto que a forma dente-de-serra no 555 é um pouco diferente de uma rampa, porem, funciona bem para aplicações não criticas. Os valores de C1, RA e RB dependem da freqüência de PWM desejada. Apenas como parâmetro, para fontes chaveadas ela varia de 20 kHz a 50 kHz. já, para inversores, de 2,5 kHz a 16 kHz.

52 ELETROTÉCNICA Professor Etevaldo Costa Estrutura do Inversor de Freqüência O inversor de freqüência, também chamado por alguns fabricantes de conversor de freqüência, é um equipamento capaz de controlar a velocidade e torque de motores de corrente alternada. Esse equipamento pode ter varias filosofias de controle e varias potencias. No caso iremos comentar sobre o inversor mais básico, conhecido como inversor de freqüência escalar. Independentemente do fabricante, e ate modelo, a estrutura básica do inversor e a mesma, conforme ilustra a Figura abaixo. O que muda significativamente de um tipo para outro e a filosofia de controle. Podemos notar que a rede AC e reticada logo na entrada. Através de um capacitor (fltro), forma-se um barramento de tensão continua (barramento DC), ou circuito intermediário. A tens~ao DC, que, pode chegar a 380 Vcc para redes trifásicas de 220VCA (220p3), e ate 660 Vcc (380p3) para redes de 380VCA, alimenta seis IGBTs (transistor bipolar de gate isolado). Os IGBTs são chaveados três a três formando uma tensão alternada na saída U, V, e W, defasadas de 1200 elétricos, exatamente como a rede. A única diferença e que, ao invés de uma senoide, temos uma forma-de-onda quadrada. Portanto, o motor elétrico AC alimentado por um inversor tem em seus terminais uma onda quadrada de tensão, isto, conforme veremos, não afeta muita sua performance. "Mas, como uma tensão DC pode tornar-se AC?"Nada melhor que um exemplo pratico

53 ELETROTÉCNICA Professor Etevaldo Costa Estrutura básica de um inversor de freqüência

54 ELETROTÉCNICA Professor Etevaldo Costa para responder esta questão. Embora a grande maioria dos inversores de freqüência encontrados no mercado sejam trifásicos, para fins didáticos, nos utilizaremos um modelo monofásico. "Afinal o que e corrente alternada?"A corrente alternada, portanto, e uma corrente que muda de sentido periodicamente. Ou seja, ora vai do positivo para o negativo, ora ao contrario. A Figura abaixo ilustra um diagrama de blocos de um inversor monofásico. A diferença entre o trifásico e que ele possui apenas quatro transistores "chaveadores"na saída. Mas o principio de funcionamento e o mesmo. Inversor monofásico simplicado

55 ELETROTÉCNICA Professor Etevaldo Costa O funcionamento e simples: a tensão da rede e retificada e filtrada, formando um barramento DC. De um lado da ponte de transistores temos um pólo positivo, e do outro negativo. Imaginem que a lógica de controle, representada agora como apenas um bloco, envie pulsos de disparo para os transistores na seguinte ordem: ora TR1 e TR4 conduzem, ficando TR2 e TR3 em corte; ora TR2 e TR3 em condução, e TR1 e TR4 no corte. Reparem que no primeiro comando a corrente circula pelo motor no sentido de A para B. Já, na segunda situação, a corrente circula no sentido oposto, ou seja, de B para A. Pronto! Esta feita uma corrente alternada através de um barramento DC. O mesmo vale para circuitos trifásicos, basta a lógica de controle obedecer a uma seqüência correta de disparo. Em circuitos trifásicos os transistores s~ao disparados três a três, sendo sempre dois na parte superior"da ponte de IGBTs, e um na inferior, e vice-versa.

56 ELETROTÉCNICA Professor Etevaldo Costa Condução dos transistores

57 ELETROTÉCNICA Professor Etevaldo Costa Como Instalar um Inversor de Freqüência A única regra comum a todos os modelos e aplicações e tomar cuidado para não confundir os bornes de entrada de energia (R, S, e T); com a saída para o motor (U, V, e W). Com exceção desta regra, o restante da instalação dependera do modelo e da aplicação. Para concretizar melhor a idéia vamos a um exemplo pratico, no qual utilizamos um inversor da WEG, modelo CFW 08. Podemos notar através da Figura abaixo que temos três conexões, sendo dois barramentos (o de potencia, e o de comando), e um ponto de aterramento. A Figura detalha o barramento de potencia. Vejam que os pontos de entrada e saída estão bem definidos. Jamais os inverta, isto e fatal para o dispositivo. Pois bem, uma vez conectada a rede e a saída para o motor, temos o barramento de comando. E justamente, nessa parte que podemos encontrar muitas variações, porem, de posse do manual do fabricante e do projeto tudo fica fácil. A Figura mostra a tabela descritiva da função de cada borne no conector de controle (XC) deste inversor. Na Figura temos um exemplo de acionamento por controle remoto (distante do aparelho). A chave S1 controla o sentido de giro do inversor (horário / anti-horário). A chave S2 e o Reset. A chave S3 comanda parar / girar; e a R1 e um potenciômetro que ajusta a velocidade do motor através de uma tensão DC de controle. Esta tensão, alias, e típica, e varia de 0 a 10 Vcc.

58 ELETROTÉCNICA Professor Etevaldo Costa Inversor WEG, barramento de potencia

59 ELETROTÉCNICA Professor Etevaldo Costa Parametrizado um Inversor de Freqüência

60 ELETROTÉCNICA Professor Etevaldo Costa Cada borne para se tornar ativo ou não deve ser parametrizado (programado). Se o inversor não for informado através de um parâmetro que a velocidade de rotação do motor deve ser controlada através de 0 a 10 Vcc no borne 6 por exemplo, o equipamento obedecera ao comando local da IHM (Inferface Homem Maquina) no painel, visto que esta e a programação "default"(de fabrica). Portanto, alem de instalado, o inversor deve ser "programado"(parametrizado de acordo com cada aplicação especifica).

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63 ELETROTÉCNICA Professor Etevaldo Costa Curva Tensao-Frequencia O inversor que estamos analisando e denominado "escalar". Ha um outro tipo para aplicações mais criticas, onde a precisão e alto torque em velocidades muito baixas são necessários, chamado "vetorial". Para que o torque se mantenha constante diante de uma variação de carga no eixo do motor, a razão tensão pela freqüência de alimentação também deve permanecer constante. Por exemplo: Imaginem que um motor AC esta sendo acionado com 200 Vca em 60 Hz. Se dividirmos tens~ao pela freqüência (V=f), teremos: 220=60 = 3; 7(aproximadamente). Esta, então, e a constante V=f. Pois bem, vamos supor que façamos uma redução de velocidade proporcional a 15 Hz. Para que não haja variação no torque, a tensão deve ser reduzida na mesma proporção, afim de manter V=f constante. Assim, a nova tensão será: (V/15Hz = 3; 7 ) V = 55; 5V ca

64 ELETROTÉCNICA Professor Etevaldo Costa Pode parecer estranho ter que reduzir a tensão para manter constante o torque. A Figura abaixo mostra um exemplo de curva V=f na qual podemos observar que, na pratica, ha limites para se manter o torque constante. No exemplo, o torque e constante apenas entre os pontos A e B. Para freqüências menores que 5 Hz o motor nem gira, pois não ha tensão suficiente para faze-lo. Já, para freqüências acima de 60 Hz, a tensão de alimentação nominal permanece constante, mesmo se aumentarmos a freqüência. Embora seja possível aumentar a velocidade do motor, seu torque sofrera alterações segundo a variação de carga. Resumindo, fora da região limitada pelos pontos A e B, o torque não pode ser considerado constante. A função do inversor escalar e tentar manter a curva V=f o mais invariável possível. Como a tensão no barramento DC e fixa, a única forma de aumentarmos ou reduzirmos a tensão de alimentação do motor segundo uma variação na freqüência e através da técnica de PWM. Lembre-se: "A largura do pulso pode controlar a tensão eficaz na carga sem alterar a tensão da fonte". Quando e solicitado um aumento de velocidade (freqüência), a largura do pulso de saída e aumentada, de forma a manter V=f invariável. Já, quando reduzimos a freqüência, a largura do pulso e reduzida, pela mesma razão.

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