Inversores de Frequência, Notas de estudo de Engenharia Elétrica

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Guia de Aplicação Invergores (le Frequência 3º Edição [UE Transformando energia em soluções GUIA DE APLICAÇÃO DE INVERSORES DE FREQÜÊNCIA WEG AUTOMAÇÃO www.weg.com.br 3ª EDIÇÃO 1.1 Sistemas de velocidade variável _______________ 13 1.2 Sistemas de variação de velocidade tradicionais ________________________________ 16 1.2.1 Variadores mecânicos __________________ 17 · Variador com polias cônicas e correia ___ 17 · Variador com polias cônicas e corrente __ 18 · Variador com discos de fricção _________ 18 1.2.2 Variadores hidráulicos _________________ 18 · Motor hidráulico _____________________ 18 · Variador hidrocinético ________________ 19 1.2.3 Variadores eletromagnéticos - Embreagens eletromagnéticas ______________________ 19 2.1 Princípios básicos de funcionamento ___________ 23 2.2 Análise de funcionamento ____________________ 27 2.3 Curvas características do motor de indução _____ 29 2.3.1 Torque x Velocidade____________________ 29 2.3.2 Corrente x Velocidade __________________ 30 2.4 Potência e perdas ___________________________ 30 2.5 Características de temperatura – classes de isolamento térmico__________________________ 31 2.6 Tempo de rotor bloqueado ____________________ 32 3.1 Categorias de partida ________________________ 37 3.2 Formas de partida __________________________ 38 · Partida direta _____________________________ 38 · Partida estrela-triângulo ____________________ 39 · Partida eletrônica (soft-starter) ______________ 40 3.3 Frenagem __________________________________ 42 3.3.1 Frenagem por contra-corrente ___________ 42 3.3.2 Frenagem por injeção de CC ____________ 44 3.4 Vantagens e desvantagens dos métodos de partida ____________________________________ 45 · Partida direta _____________________________ 45 · Partida estrela-triângulo ____________________ 46 · Partida eletrônica (soft-starter) ______________ 46 4.1 Métodos de controle dos inversores de freqüência _________________________________ 54 · Controle escalar ___________________________ 54 · Controle vetorial ___________________________ 58 4.2 Características dos motores de indução acionados com inversores de freqüência ________ 61 ÍNDICE 1 INTRODUÇÃO 2 COMO FUNCIONA UM MOTOR DE INDUÇÃO? 3 MÉTODOS DE COMANDO DE UM MOTOR DE INDUÇÃO 4 O INVERSOR DE FREQÜÊNCIA WEG 3ª EDIÇÃO 5.1 Parâmetros de leitura ________________________ 66 5.2 Parâmetros de regulação _____________________ 67 · Rampas de aceleração / desaceleração ________ 67 · Curva U/F ajustável ________________________ 69 5.3 Parâmetros de configuração __________________ 70 · Frenagem _________________________________ 70 · Injeção de corrente contínua ________________ 72 · Rampa de desaceleração e frenagem reostática 72 · Rejeição de freqüências críticas ______________ 73 · Partida com motor girando (flying start) ______ 74 · Compensação do escorregamento ____________ 75 5.4 Parâmetros do motor ________________________ 76 5.5 Parâmetros das funções especiais______________ 76 · Ciclo automático __________________________ 76 · Controle de processos com inversores de freqüência _________________________________ 77 6.1 Sensores de posição e velocidade______________ 82 6.2 Medição de velocidade ______________________ 84 6.2.1 Algoritmo de estimação de freqüência ____ 85 6.2.2 Algoritmo de estimação do período ______ 85 6.2.3 Algoritmo de estimação simultânea de período e freqüência ___________________ 86 6.3 Ruídos ____________________________________ 86 6.4 Sincronização de velocidade _________________ 87 7.1 Introdução, definições, fundamentos e princípios __________________________________ 91 7.1.1 Definições ____________________________ 91 7.1.2 Relações básicas ______________________ 92 7.2 O que a carga requer? _______________________ 96 7.2.1 Tipos de cargas _______________________ 96 7.2.2 O pico de carga _______________________ 98 7.2.3 Estimando cargas _____________________ 99 7.3 Seleção de acionamentos (motor/inversor) _____100 7.3.1 Operação abaixo da rotação nominal ___100 · Motor autoventilado _________________100 · Motor com ventilação independente ___102 7.3.2 Operação acima da rotação nominal ____103 7.3.3 Casos especiais ______________________104 · Efeito da temperatura ambiente _______104 · Efeito da altitude____________________105 7.4 Aplicações Típicas dos Inversores de Freqüência 106 7.4.1 Sistemas de bombeamento de fluidos ____106 . Definições _______________________________106 . Classificação _____________________________106 . Bombas volumétricas ou de deslocamento positivo _________________________________106 . Classificação das bombas volumétricas ou de deslocamento positivo __________________107 5 PARÂMETROS DO INVERSOR DE FREQÜÊNCIA 6 COMANDO E CONTROLE DE VELOCIDADE EM MOTORES DE INDUÇÃO ACIONADOS POR INVERSORES DE FREQÜÊNCIA 7 APLICAÇÃO DE ACIONAMENTOS COM MOTORES DE INDUÇÃO E INVERSORES DE FREQÜÊNCIA ANEXO 3 CHECK-LIST PARA DETALHAMENTO DA APLICAÇÃO 1 Introdução ________________________________241 2 Distorção harmônica _______________________242 2.1 Origens ______________________________242 2.2 Definições ____________________________243 2.3 Obtenção das harmônicas de corrente ____245 3 Normas relacionadas _______________________246 4 Alternativas para correção do fator de potência e redução de correntes harmônicas ___248 4.1 Capacitores ___________________________248 4.2 Reatância de rede e bobina CC ___________248 4.3 Filtros sintonizados ____________________250 4.4 Filtros “broad-band” ___________________251 4.5 Filtros ativos __________________________252 4.6 Retificadores de 12 e 18 pulsos __________254 4.7 Retificadores com IGBTs ________________255 4.7.1 Inversores de freqüência com entrada monofásica ______________255 4.7.2 Inversores de freqüência com entrada trifásica _________________255 4.8 Filtros de corrente do neutro ____________256 4.9 Transformadores defasadores ____________257 5 Conclusão _______________________________258 Inversores de freqüência Folha de dados para dimensionamento ____________261 Referências Bibliográficas _______________________263 ANEXO 2 CORREÇÃO DE FATOR DE POTÊNCIA E REDUÇÃO DA DISTORÇÃO HARMÔNICA 1 INTRODUÇÃO 1.1 Sistemas de velocidade variável 1.2 Sistemas de variação de velocidade tradicionais 1.2.1 Variadores mecânicos Variador de polias cônicas e correia Variador com polias e corrente Variador com discos de fricção 1.2.2 Variadores hidráulicos Motor hidráulico Variador hidrocinético 1.2.3 Variadores eletromagnéticos - Embreagens eletromagnéticas 14 primeiro dispositivo de conversão de energia elétrica para energia mecânica. Para a obtenção de velocidade variável o sistema necessitava de um segundo dispositivo de conversão de energia que utilizava componentes mecânicos, hidráulicos ou elétricos. Com a disponibilidade no mercado dos semicondutores a partir dos anos 60 este quadro mudou completamente. Mas foi mesmo na década do 80 que, com o desenvolvimento de semicondutores de potência com excelentes características de desempenho e confiabilidade, foi possível a implementação de sistemas de variação de velocidade eletrônicos. O dispositivo de conversão de energia elétrica para mecânica continuou sendo o motor de indução mas agora sem a utilização de dispositivos secundários mecânicos, hidráulicos ou elétricos. Em muitos casos a eficiência das instalações equipadas com estes novos dispositivos chegou a ser duplicada quando comparada com os sistemas antigos. Estes sistemas de variação continua de velocidade eletrônicos proporcionam, entre outras, as seguintes vantagens: Economia de energia Melhoramento do desempenho de máquinas e equipamentos, devido a adaptação da velocidade a os requisitos do processo Elimina o pico de corrente na partida do motor Reduz a freqüência de manutenção dos equipamentos Etc. Estes novos dispositivos eletrônicos para variação de velocidade de motores de indução são conhecidos como Inversores de Freqüência. Trataremos neste guia de descrever o funcionamento e aplicações dos inversores de freqüência. Com este Guia, a WEG não tem a pretensão de esgotar o assunto, pois ele se renova a cada dia que passa. Temos como objetivo maior fornecermos maiores conhecimentos em comando e proteção de motores elétricos de indução utilizando-se inversores de freqüência. A aplicação de motores de indução tem se regido historicamente pelas características descritas na placa de identificação do motor. INTRODUÇÃO1 15 P la ca d e Id en tif ic aç ão (m er ca do b ra si le iro ) P la ca d e Id en tif ic aç ão (m er ca do a m er ic an o) P la ca d e Id en tif ic aç ão (m er ca do la tin o) Exemplo: Figura 1.1 INTRODUÇÃO1 16 Na aplicação dos inversores de freqüência o motor de indução, ao contrário do que acontece quando ligado diretamente à rede de distribuição de energia elétrica, é alimentado com freqüência e tensão variável. Isto possibilita, como veremos neste guia, obter velocidade variável no eixo do próprio motor. É muito importante, assim, conhecer e entender o funcionamento destes sistemas (motor + inversor) para prevenir erros de aplicação que poderiam acabar com os benefícios que estes dispositivos proporcionam. Os técnicos ou engenheiros envolvidos com aplicações de velocidade variável não precisam de conhecimentos sobre o projeto de motores e projeto de sistemas eletrônicos de comando/controle, mas sim sobre o funcionamento e utilização dos mesmos. As dúvidas mais freqüentes podem resumir-se nas seguintes perguntas: • Como funciona meu motor? • Como o motor se comporta ante uma determinada carga? • Como eu posso melhorar/otimizar o funcionamento do meu motor e carga? • Como eu posso identificar problemas no meu sistema? Este guia tem por intenção, fornecer, mesmo para pessoas sem experiência no assunto, informações sobre o funcionamento dos modernos sistemas de velocidade variável disponíveis e como eles se comportam ante diferentes cargas, tentando assim responder as perguntas formuladas anteriormente. 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 1.2 SISTEMAS DE VARIAÇÃO DE VELOCIDADE TRADICIONAIS INTRODUÇÃO1 19 disposição (tubulações, bombas, motores elétricos auxiliares), que faz com que, em uma análise global do conjunto, o sistema tenha um rendimento baixo e um nível de manutenção elevado pela existência de várias partes mecânicas. O controle da variação de velocidade do motor é feita através da vazão do fluido injetado no motor (quanto maior a vazão, maior a velocidade) que é feito através de válvulas de estrangulamento no circuito hidráulico, ocasionando perdas elevadas. Variador Hidrocinético Este método permite variação contínua de velocidade. O sistema consiste basicamente em um variador de velocidade de princípio hidrocinético, composto de um eixo de entrada, de rotação fixa, e de um eixo de saída, cuja rotação pode variar linearmente de zero até uma rotação muito próxima à do eixo de entrada. O princípio de operação pode ser demonstrado pelo seguinte: Colocando-se dois ventiladores frente a frente e fazendo-se a hélice de um deles girar, a hélice do segundo ventilador irá começar a girar também ao receber a corrente de ar. Se não houvesse perdas, a rotação do segundo ventilador seria praticamente a mesma que a do ventilador acionador. Agora se colocarmos entre os dois ventiladores uma folha de papelão, poderemos diminuir ou aumentar a rotação do segundo ventilador conforme o desejado, em função do fluxo de ar existente. No variador hidráulico, no lugar de ar usa-se óleo como fluido, e em vez das hélices, são usados discos aletados que são alojados em uma caixa fechada, montada sobre dois eixos independentes. Com os variadores eletromagnéticos mudou-se o conceito de variação exclusivamente mecânica para variação eletromecânica, através de técnicas baseadas no princípio físico das correntes de Foucault, utilizando um sistema de discos acoplados a bobinas que podem ter o seu campo magnético variável, variando-se assim o torque (e também a velocidade) na saída do variador. Algumas limitações devem ser observadas para a aplicação deste equipamento: 1.2.3 Variadores Eletromagnéticos - Embreagens Eletromagnéticas INTRODUÇÃO1 20 A rotação máxima de saída é sempre a nominal do motor, nunca além desta; Aqui também o motor sempre estará girando na rotação nominal, independente da rotação desejada no eixo de saída. Isto proporciona um consumo inadequado (desperdício de energia), quando se opera em rotações abaixo da rotação nominal; rendimento deste tipo de acionamento é muito baixo, pois apresenta perdas por aquecimento e ruído; As manutenções preventivas e corretivas são freqüentes, pois existem muitas partes girantes as quais necessitam de ajustes constantes e substituições periódicas. Tabela Comparativa dos Sistemas de Variação de Velocidade Tradicionais Polias Variadoras Hidráulico Eletromecânico Faixa de variação de velocidade pequena (1 a 4 máx.) grande média Limite de potência baixo elevado Eficiência baixa baixa baixa Custo baixo elevado baixo Pontos fortes partida suave Pontos fracos Escorregamento Vazamentos Manutenção difícil Manutenção difícil INTRODUÇÃO1 2 COMO FUNCIONA UM MOTOR DE INDUÇÃO 2.1 Princípios básicos de funcionamento 2.2 Análise de funcionamento 2.3 Curvas características do motor de indução 2.3.1 Torque x velocidade 2.3.2 Corrente x velocidade 2.4 Potência e perdas 2.5 Características de temperatura - classes de isolamento térmico 2.6 Tempo de rotor bloqueado 24 Figura 2.4 3. Dois condutores adjacentes (a e b) pelos quais está circulando uma corrente elétrica (ia e ib) produzem cada um deles um campo magnético (Item 1). A interação entre estes dois campos magnéticos produzirá uma força (F) de atração ou repulsão entre os condutores (figura 2.3), proporcional à corrente que circula por ambos condutores e à distância (d) entre eles. Figura. 2.3 4. Um bobinado polifásico, igual ao mostrado na figura 2.4, alimentado por um sistema de tensões trifásico (figura 2.5) produzirá um campo magnético girante (figura 2.6). Este princípio é similar ao visto na figura 2.1, com a diferença que neste o campo magnético é estático. COMO FUNCIONA UM MOTOR DE INDUÇÃO?2 25 Figura 2.5 Na figura 2.6, os pontos identificados com os números ... correspondem aos momentos em que a tensão de uma das três fases é igual a zero. Desta maneira é mais fácil fazer a composição dos vetores de indução magnética para cada instante. Na figura pode-se ver que a resultante destes vetores está girando (campo girante) com uma velocidade proporcional a freqüência e ao número de pólos do motor. Figura 2.6 COMO FUNCIONA UM MOTOR DE INDUÇÃO?2 26 5. A velocidade do campo girante descrito anteriormente, chamada de velocidade síncrona, é proporcional à freqüência do sistema de tensões trifásico e ao número de pólos do bobinado. Velocidade do campo girante [rpm]= (freqüência [1/ s] x 120 ) / n° de pólos 6. Torque: força aplicada num eixo, que provocará a rotação do mesmo (figura 2.7). Torque [Kgm]= força [Kg] x distância [m] Figura 2.7 Os motores de indução mais utilizados na indústria são os chamados motores de gaiola trifásicos (figura 2.8 - rotor e estator). COMO FUNCIONA UM MOTOR DE INDUÇÃO?2 1 23 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Figura 2.8 NÚCLEO DE CHAPAS BARRAS DE ANÉIS DE CURTO-CIRCUITO NÚCLEO DE CHAPAS VENTILADOR PROTEÇÃO DO VENTILADOR CAIXA DE LIGAÇÃO EIXO TAMPAS CARCAÇA ENTROLAMENTO TRIFÁSICO ROLAMENTOS TERMINAIS 29 Descritas estas três condições, podemos agora imaginar o que acontece na prática com nosso motor de indução. Na partida acontece algo similar ao descrito no caso 1, mas na prática a diferença do rotor bloqueado do caso 1 nosso motor pode girar livremente. Sendo assim circulará no bobinado do estator uma corrente elevada (6 a 8 vezes maior que a corrente nominal do motor) que diminuirá a medida que a velocidade do motor aumenta. Quando a velocidade do rotor se aproxima da velocidade síncrona (caso 2) o torque produzido diminuirá, fazendo diminuir também a velocidade do rotor. Existirá então um ponto de equilíbrio entre a carga do motor e a velocidade do rotor (caso 3). Se a carga no eixo do motor aumenta, a velocidade do rotor tenderá a diminuir, e o escorregamento aumentará. Se o escorregamento aumenta a velocidade com que as linhas de indução do campo magnético do rotor “cortam” o estator aumentará, aumentando também a tensão e corrente induzida no rotor. Se a corrente é maior, o campo magnético gerado por esta também será maior, aumentando assim o torque disponível no eixo do motor, chegando novamente numa condição de equilíbrio. Se o torque requerido pela carga é maior que o nominal do motor, e se esta condição é mantida por muito tempo, a corrente do motor será maior que a nominal e o motor será danificado. É a curva que mostra a relação entre o torque desenvolvido pelo motor e a sua rotação. Na partida, quando o motor é ligado diretamente à rede, o torque (torque de partida) será de aproximadamente 2 a 2,5 vezes o torque nominal, diminuindo a medida que a velocidade aumenta até atingir um valor de 1,5 a 1,7 do torque nominal a aproximadamente 30% da velocidade nominal. A medida que a velocidade aumenta o torque aumenta novamente até atingir o seu valor máximo (80% da velocidade nominal) chegando a seu valor nominal na velocidade nominal. Como mostra a curva (linha cheia) da figura 2.9. COMO FUNCIONA UM MOTOR DE INDUÇÃO?2 2.3 CURVAS CARACTERÍSTICAS DO MOTOR DE INDUÇÃO 2.3.1 Torque x Velocidade 30 É a curva (linha tracejada da figura 2.9) que mostra a relação entre a corrente consumida pelo motor em função da sua velocidade. A figura mostra que na partida, quando o motor é ligado diretamente à rede, a corrente que circula por ele será 5 a 6 vezes maior que a corrente nominal, diminuindo a medida que a velocidade aumenta até atingir um valor estacionário determinado pela carga acoplada ao motor. Se a carga for a nominal a corrente será também a corrente nominal. Figura 2.9 - Curva Torque x Velocidade e Corrente x Velocidade para motores de indução de rotor em gaiola alimentados com tensão e freqüência constantes Na placa de identificação do motor existe um parâmetro chamado de rendimento e identificado pela letra grega η. Este parâmetro é uma medida da quantidade de potência elétrica transformada pelo motor em potência mecânica. A potência transmitida à carga pelo eixo do motor é menor que a potência elétrica absorvida da rede, devido às perdas no motor. Essas perdas podem ser classificadas em: 2.3.2 Corrente x Velocidade 2.4 POTÊNCIA E PERDAS COMO FUNCIONA UM MOTOR DE INDUÇÃO?2 31 perdas no enrolamento estatórico (perdas no cobre); perdas no rotor; perdas por atrito e ventilação; perdas magnéticas no núcleo (perdas no ferro); Sendo o motor de indução uma máquina robusta e de construção simples, a sua vida útil depende quase exclusivamente da vida útil da isolação do bobinado e da vida mecânica dos rolamentos. Vida útil da isolação refere-se ao envelhecimento gradual do isolante, não suportando mais a tensão aplicada e produzindo curto-circuito entre as espiras do bobinado. Para fins de normalização, os materiais isolantes e os sistemas de isolamento (cada um formado pela combinação de vários materiais) são agrupados em CLASSES DE ISOLAMENTO, cada qual definida pelo respectivo limite de temperatura, ou seja, pela maior temperatura que o material pode suportar continuamente sem que seja afetada sua vida útil. As classes de isolamento utilizadas em máquinas elétricas e os respectivos limites de temperatura conforme norma NBR-7094, são mostradas na tabela a seguir: Tabela 2.1 - Classes de isolamento CLASSE TEMPERATURA (°C) A 105 E 120 B 130 F 155 H 180 As classes B e F são as freqüentemente utilizadas. O sistema de isolamento convencional dos motores, que tem sido utilizado com sucesso em todos os casos de alimentação com fontes senoidais tradicionais (50/ 60Hz) pode não atender os requisitos necessários se os mesmos forem alimentados por outro tipo de fonte. É o caso dos motores alimentados por inversores de freqüência. Atualmente, com a utilização generalizada destes equipamentos, o problema do rompimento da isolação provocado pelos altos picos de tensão decorrentes da rapidez de crescimento dos COMO FUNCIONA UM MOTOR DE INDUÇÃO?2 2.5 CARACTERÍSTICAS DE TEMPERATURA - CLASSES DE ISOLAMENTO TÉRMICO 3 MÉTODOS DE COMANDO DE UM MOTOR DE INDUÇÃO 3.1 Categorias de Partida 3.2 Formas de Partida Partida direta Partida estrela-triângulo Partida eletrônica (soft-starter) 3.3. Frenagem 3.3.1 Frenagem por contra-corrente 3.3.2 Frenagem por injeção de CC 3.4 Vantagens e desvantagens dos métodos de partida Partida direta Partida estrela-triângulo Partida eletrônica (soft-starter) 39 PARTIDA ESTRELA - TRIÂNGULO (Y- Δ) Este tipo de partida só pode ser utilizado em motores que possuam ligação em dupla tensão (por exemplo 3 x 380 V e 3 x 220 V). A menor tensão deverá ser igual à tensão de rede e a outra 1,73 vezes maior. Esta partida é implementada com dois contatores como mostra a figura 3.3. Na partida o motor é ligado na conexão de maior tensão, isto possibilita uma redução de até 1/3 da corrente de partida do motor, como mostra a figura 3.4. A partida estrela-triângulo poderá ser usada quando a curva de torque do motor for suficientemente elevada para poder garantir a aceleração da máquina com a corrente reduzida, ou seja, o torque resistente da carga não deverá ser superior ao torque do motor quando o motor estiver em estrela. Figura 3.3 - Partida estrela-triângulo MÉTODOS DE COMANDO DE UM MOTOR DE INDUÇÃO3 40 Figura 3.4 - Curva característica de torque e corrente, motor com partida estrela-triângulo PARTIDA ELETRÔNICA (SOFT-STARTER) A chave de partida a estado sólido consiste de um conjunto de pares de tiristores (SCR) ou combinações de tiristores/diodos, para cada fase do motor. O ângulo de disparo de cada par de tiristores é controlado eletronicamente para aplicar uma tensão variável no motor durante a aceleração. Este comportamento é, muitas vezes, chamado de partida suave (soft-starter). No final do período de partida, ajustável conforme a aplicação, a tensão atinge seu valor pleno após uma aceleração suave ou uma rampa ascendente, ao invés de ser submetido a transição brusca, como ocorre com o método de partida por ligação estrela-triângulo. Com isso, consegue-se manter a corrente de partida (ver figura 3.5) próxima da nominal e com suave variação, como desejado. MÉTODOS DE COMANDO DE UM MOTOR DE INDUÇÃO3 41 Figura 3.5 - Curva característica de torque e corrente, motor com partida suave (soft-starter) Além da vantagem do controle da corrente durante a partida, a chave eletrônica apresenta, também, a vantagem de não possuir partes móveis ou que gerem arco elétrico, como nas chaves eletro-mecânicas. Este é um dos pontos fortes das chaves eletrônicas, pois sua vida útil é mais longa, assim como dos componentes acessórios (contatores, fusíveis, cabos, etc.). Ainda, como um recurso adicional, a soft-starter apresenta a possibilidade de efetuar a desaceleração suave para cargas de baixa inércia. MÉTODOS DE COMANDO DE UM MOTOR DE INDUÇÃO3 44 É obtida através da desconexão do estator da rede de alimentação e da posterior conexão a uma fonte de corrente contínua (ver figura 3.9). A corrente contínua enviada ao enrolamento estatórico estabelece um fluxo magnético estacionário cuja curva de distribuição tem uma fundamental de forma senoidal. A rotação do rotor em seu campo produz um fluxo de corrente alternada no mesmo, o qual também estabelece um campo magnético estacionário com respeito ao estator. Devido à interação do campo magnético resultante e da corrente rotórica, o motor desenvolve um torque de frenagem (ver figura 3.8) cuja magnitude depende da intensidade do campo, da resistência do circuito rotórico e da velocidade do rotor. Figura 3.8 - Curva de torque x rotação durante a frenagem CC Como veremos posteriormente, quando utilizado um inversor de freqüência, a tensão contínua a ser aplicada no estator do motor é obtida através do disparo dos transistores do inversor, não necessitando de nenhum dispositivo adicional, pois a tensão CC é proveniente do próprio circuito intermediário do inversor. Na prática, a frenagem CC tem sua aplicação limitada devido ao fato de que toda a energia de frenagem é dissipada no próprio motor, podendo causar sobreaquecimento excessivo no mesmo. Assim, para não comprometer a vida útil do motor, utiliza-se a frenagem CC com tensões contínuas limitadas a aproximadamente 20% da tensão nominal CA do motor. MÉTODOS DE COMANDO DE UM MOTOR DE INDUÇÃO3 3.3.2 Frenagem por injeção de corrente contínua (CC) 45 PARTIDA DIRETA Vantagens • Menor custo de todas • Muito simples de implementar • Alto torque de partida Desvantagens • Alta corrente de partida, provocando queda de tensão na rede de alimentação. Em função disto pode provocar interferência em equipamentos ligados na mesma instalação • É necessário sobredimencionar cabos e contatores • Limitação do número de manobras/hora Figura 3.9 - Frenagem por injeção de CC 3.4 VANTAGENS E DESVANTAGENS DOS MÉTODOS DE PARTIDA MÉTODOS DE COMANDO DE UM MOTOR DE INDUÇÃO3 46 PARTIDA ESTRELA-TRIÂNGULO Vantagens • Custo reduzido • A corrente de partida é reduzida a 1/3 quando comparada com a partida direta • Não existe limitação do número de manobras/hora Desvantagens • Redução do torque de partida a aproximadamente 1/3 do nominal • São necessários motores com seis bornes • Caso o motor não atingir pelo menos 90% da velocidade nominal, o pico de corrente na comutação de estrela para triângulo é equivalente ao da partida direta • Em casos de grande distância entre motor e chave de partida, o custo é levado devido a necessidade de seis cabos. PARTIDA ELETRÔNICA (SOFT-STARTER) Vantagens • Corrente de partida próxima à corrente nominal • Não existe limitação do número de manobras/hora • Longa vida útil pois não possui partes eletromecânicas móveis • Torque de partida próximo do torque nominal • Pode ser empregada também para desacelerar o motor Desvantagens • Maior custo na medida em que a potência do motor é reduzida MÉTODOS DE COMANDO DE UM MOTOR DE INDUÇÃO3 49 No capítulo anterior vimos diferentes alternativas de comandar um motor de indução a partir da rede de alimentação; em todos estes casos a freqüência de alimentação foi a da rede, isto é, 60Hz. É assim que a velocidade do motor será a velocidade nominal, podendo ser calculada pela seguinte equação: 120 x ƒ x ( 1 - s ) n = ––––––––––––––––––––––––– p onde: n = velocidade em rotações por minuto (rpm) ƒ = freqüência da rede em Hertz (Hz) s = escorregamento p = número de pólos Figura 4.1 Se considerarmos como exemplo um motor de 4 pólos, com escorregamento nominal (s = 0,0278) teremos: 120 x 60 ( 1 - s ) n = ––––––––––––––––––– = 1750 rpm 4 A partir da simples observação da equação anterior podemos deduzir que se pudéssemos dispor de um dispositivo que permita variar a freqüência da tensão de alimentação poderíamos variar diretamente no motor a sua velocidade de rotação. O INVERSOR DE FREQÜÊNCIA4 50 Vamos ver agora o que acontece se alimentarmos o motor a partir de um dispositivo que permita variar a freqüência da tensão de alimentação. A seguir mostraremos dois casos, um abaixo da freqüência nominal e outro acima. 120 x 30 (1 - s) n = ––––––––––––––––––– = 875 rpm 4 Figura 4.2 120 x 90 (1 - s) n = ––––––––––––––––––––––– = 2625 rpm 4 Figura 4.3 O INVERSOR DE FREQÜÊNCIA4 51 Vamos ver agora como podemos através de um dispositivo eletrônico, e a partir da tensão e freqüência constante da rede, obter um sistema trifásico com freqüência variável. As figuras 4.1 a 4.3 acima mostram para um mesmo período de tempo exemplos de ondas senoidais trifásicas com diferentes valores de freqüência. Figura 4.4 O diagrama de blocos da figura 4.4 mostra as partes componentes deste dispositivo. O retificador da figura 4.4 gera uma tensão contínua que é posteriormente filtrada e introduzida no bloco seguinte, chamado de Inversor. O inversor é composto de seis chaves implementadas numa configuração como mostrada na figura 4.5. O INVERSOR DE FREQÜÊNCIA4 Figura 4.5 54 A figura 4.7 mostra o padrão de chaveamento da tensão e a corrente resultante numa fase do motor, quando utilizada a técnica PWM para comando dos transistores de potência. Figura 4.7 CONTROLE ESCALAR O funcionamento dos inversores de freqüência com controle escalar está baseado numa estratégia de comando chamada “V/F constante”, que mantém o torque do motor constante, igual ao nominal, para qualquer velocidade de funcionamento do motor. O estator do motor de indução possui um bobinado trifásico como mostrado na figura 2.4. Este bobinado tem dois parâmetros que definem suas características. Um deles é a sua resistência ôhmica R [Ohm] e o outro e a sua indutância L [Henry]. A resistência depende do tipo de material (cobre) e do comprimento do fio com qual é realizado o bobinado. Já a indutância depende fundamentalmente da geometria (forma) do bobinado e da interação com o rotor. O INVERSOR DE FREQÜÊNCIA4 4.1 MÉTODOS DE CONTROLE DOS INVERSORES DE FREQUÊNCIA 55 Fazendo uma análise muito simplificada podemos dizer que a corrente que circulará pelo estator do motor será proporcional ao valor da resistência “R” e ao valor da reatância Indutiva “XL” que é dependente da indutância L e da freqüência f. Assim: XL = 2.π.f.L e I = V /( R2 + XL 2 ) 1/2 Para valores de freqüência acima de 30Hz o valor da resistência é muito pequeno quando comparado com o valor da reatância indutiva; desta maneira podemos, nesta aproximação, e para um método de controle simples como o escalar, desprezá-lo. Assim teremos que o valor da corrente será proporcional à tensão de alimentação V, à indutância L e à freqüência f. O valor de indutância L é uma constante do motor, mas a tensão e a freqüência são dois parâmetros que podem ser “controlados” pelo inversor de freqüência. Assim, se para variar a velocidade do motor de indução temos que variar a freqüência da tensão de alimentação, a estratégia de controle “V/F constante” varia a tensão proporcionalmente com a variação da freqüência de alimentação (e da reatância indutiva) do motor para obter no estator uma corrente constante da ordem da corrente nominal do motor, como mostra a equação e a figura 4.8. O INVERSOR DE FREQÜÊNCIA4 56 I ≅ V/f = Cte. Figura 4.8 Como se pode observar na figura 4.8, acima de 60Hz a tensão não pode continuar subindo, pois já foi atingida a tensão máxima (tensão da rede), É assim que a partir deste ponto a corrente, e conseqüentemente o torque do motor, diminuirão. Esta região (acima dos 60Hz no exemplo) é conhecida como região de enfraquecimento de campo. A figura 4.9 a seguir mostra o gráfico do torque em função da freqüência onde fica em evidência este comportamento. Figura 4.9 O INVERSOR DE FREQÜÊNCIA4 59 algumas vezes de maneira não muito apropriada. Vamos tentar esclarecer um pouco estes conceitos. Um vetor é uma representação matemática de um grandeza física que possui magnitude e direção, um exemplo típico é a representação vetorial de uma força ou uma corrente elétrica. Os inversores vetoriais recebem este nome devido a que: 1. A corrente que circula no bobinado estatórico de um motor de indução pode ser separada em duas componentes: Id, ou corrente de magnetização (produtora de FLUXO) e Iq ou o corrente produtora de TORQUE 2. A corrente total é a soma vetorial destas duas componentes 3. O torque produzido no motor é proporcional ao “produto vetorial” das duas componentes 4. A qualidade com a qual estas componentes são identificadas e controladas define o nível de desempenho do inversor. Para calcular estas correntes é necessário resolver em “tempo real” uma equação que representa matematicamente o comportamento do motor de indução (modelo matemático do motor). Tempo real significa que este cálculo tem que ser feito muitas vezes por segundo, tantas vezes quanto necessário para poder controlar o motor. É por isto que este tipo de controle requer microprocessadores muito potentes que realizam milhares de operações matemáticas por segundo. Para resolver esta equação é necessário conhecer ou calcular os seguinte parâmetros do motor: Resistência do estator Resistência do rotor Indutância do estator Indutância do rotor Indutância de magnetização O INVERSOR DE FREQÜÊNCIA4 60 Curva de saturação Muitos inversores vem com estes valores pré- programados para diferentes motores, outros mais sofisticados utilizam rotinas de autoajuste para calcular estes parâmetros, característica muito útil quando utilizados motores rebobinados ou já existentes. O controle vetorial representa, sem dúvida, um avanço tecnológico significativo, aliando as performances dinâmicas de um acionamento CC e as vantagens de um motor CA. Porém, em alguns sistemas que utilizam controle vetorial é necessário o uso de um encoder (tacogerador de pulsos) acoplado ao motor para que se tenha uma melhor dinâmica, o que torna o motor especial. Sendo assim podemos dizer que existem dois tipos de implementação de inversores vetoriais: o inversor “sensorless” (sem sensores) e o inversor com realimentação por encoder (controle orientado pelo campo). O inversor com realimentação por encoder é capaz de controlar a velocidade e o torque no motor, pois calcula as duas componentes da corrente do motor. Este tipo de inversores conseguem excelentes características de regulação e resposta dinâmica, como por exemplo: Regulação de velocidade: 0,01% Regulação de torque: 5% Faixa de variação de velocidade: 1:1000 Torque de partida: 200% máx. Torque máximo (não contínuo): 200% O inversor “sensorless” tem um grau de desempenho menor que o anterior, mas é superior ao inversor v/f . A seguir alguns valores típicos para estes inversores: Regulação de velocidade: 0,3% Regulação de torque: 5% * Faixa de variação de velocidade: 1:100 Torque de partida: 150% Torque máximo (não contínuo): 150% O INVERSOR DE FREQÜÊNCIA4 * A regulação de torque somente é possível para rotações acima de uma determinada freqüência estatórica, tipicamente 3Hz. 61 O INVERSOR DE FREQÜÊNCIA4 Como já vimos na seção anterior, a curva característica “corrente x velocidade” e “torque x velocidade” do motor de indução mostra que a partir do valor de torque equivalente a 150% do nominal (área de trabalho intermitente) as duas curvas apresentam o mesmo comportamento. Isto significa que torque e velocidade tem um comportamento linear com a corrente. Figura 4.11 Os inversores de freqüência trabalham exclusivamente nesta região. Vejamos agora o comportamento da curva “torque x velocidade” quando o motor é alimentado através do inversor de freqüência. A figura 4.12 mostra um conjunto de curvas para diferentes velocidades (freqüências) de operação. A 60Hz temos exatamente o caso da figura 4.11, que coincide com a resposta de um motor acionado diretamente da rede. O motor do exemplo é um motor de quatro pólos, assim sua velocidade síncrona será de 1800 rpm e a velocidade do eixo, com carga nominal, será 1750 rpm. Podemos ver assim que, com o motor com carga nominal, existe uma diferença de 50 rpm entre a velocidade síncrona calculada e a velocidade de rotação do motor, devida ao escorregamento. 4.2 CARACTERÍSTICAS DOS MOTORES DE INDUÇÃO ACIONADOS COM INVERSORES DE FREQÜÊNCIA 65 Um parâmetro do inversor de freqüência é um valor de leitura ou escrita, através do qual o usuário pode ler ou programar valores que mostrem, sintonizem ou adeqüem o comportamento do inversor e motor em uma determinada aplicação. Exemplos simples de parâmetros: Parâmetro de Leitura P003: Corrente consumida pelo motor Parâmetro Programável P121: Velocidade de giro do motor, quando comandado pelo teclado (referência de velocidade, valor de freqüência) . Quase todos os inversores disponíveis no mercado possuem parâmetros programáveis similares. Estes parâmetros são acessíveis através de uma interface composta por um mostrador digital (“display”) e um teclado, chamado de Interface Homem-Máquina (IHM), ver figura 5.1. Figura 5.1. Interface Homem-Máquina (IHM) PARÂMETROS DO INVERSOR DE FREQÜÊNCIA5 66 Para facilitar a descrição, os parâmetros serão agrupados pelas suas características: Parâmetros de leitura Parâmetros de regulação Parâmetros de configuração Parâmetros do motor Parâmetros das funções especiais Os parâmetros de leitura, como seu nome indica, permitem visualizar os valores programados nos parâmetros de regulação, de configuração, do motor e das funções especiais. Por exemplo, na linha de inversores WEG são identificados do P001 até o P099. Estes parâmetros não permitem a edição do valor programado; somente a sua leitura. EXEMPLOS: 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, Subtensão e E00, ... E11 PARÂMETROS DO INVERSOR DE FREQÜÊNCIA5 5.1 PARÂMETROS DE LEITURA 69 Figura 5.3 CURVA U/F AJUSTÁVEL Esta função permite a alteração das curvas características padrões definidas, que relacionam a tensão e a freqüência de saída do inversor e conseqüentemente o fluxo de magnetização do motor, a fim de adequar a uma necessidade específica. PARÂMETROS DO INVERSOR DE FREQÜÊNCIA5 70 Esta característica pode ser utilizada em aplicações especiais nas quais os motores utilizados necessitam de tensão nominal ou freqüência nominal diferentes dos padrões. O ajuste da relação entre a tensão e a freqüência é feito através do software do inversor (parâmetros de programação), onde se define a inclinação de uma reta (conforme ilustrado na figura a seguir) através de três pares (U, f) de pontos distintos que são: Ponto mínimo, ponto médio e ponto máximo. Figura 5.4 - Curva U/f ajustável Esta característica é necessária, pois nestes casos o fluxo de magnetização do motor é diferente dos motores padrões, o que pode acarretar picos de corrente ou operação com corrente acima da nominal do motor, que podem ocasionar a sua destruição ou bloqueio do inversor. Definem as características do inversor, as funções a serem executadas, bem como as funções das entradas e saídas. 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 passa a funcionar então como um gerador, injetando esta PARÂMETROS DO INVERSOR DE FREQÜÊNCIA5 5.3 PARÂMETROS DE CONFIGURAÇÃO 71 energia no barramento DC do inversor, o que provoca uma sobretensão neste. 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 no mesmo. A magnitude da corrente contínua, que define o torque de frenagem, e o período durante o qual ela é aplicada, são parâmetros que podem ser especificados pelo usuário. Este modo é 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. A frenagem mecânica consiste em comandar, através de um relé, um sistema capaz de segurar o eixo do rotor. Normalmente estes sistemas tem um tempo de atraso elevado, tanto para ligar como desligar o freio. Assim o usuário deve ter certeza que o rotor está liberado do freio antes de dar um comando para movê-lo, caso contrário o motor irá partir com uma condição de sobrecarga provocando uma sobrecorrente elevada. Parâmetros associados: Duração da frenagem (P300); freqüência de início da frenagem (P301); tensão aplicada durante a frenagem (P302) PARÂMETROS DO INVERSOR DE FREQÜÊNCIA5 74 ventiladores, que causam a vibração excessiva do mesmo, podem causar a destruição de rolamentos e eixos. A rejeição de freqüências críticas é feita através do ajuste da freqüência central e de uma banda em torno desta freqüência a qual o inversor não permitirá acionar o motor, conforme mostra a figura 5.7. Figura 5.7 - Rejeição de freqüências críticas Quando da aceleração ou desaceleração do motor, o inversor atua através das rampas ajustadas, passando pelas freqüências críticas, chegando aos valores desejados. Caso o valor ajustado seja uma freqüência crítica, o inversor irá operar na freqüência imediatamente acima ou abaixo do limite imposto. PARTIDA COM MOTOR GIRANDO (“FLYING START”) Este recurso se utiliza para quando é necessário o religamento do motor com o inversor de freqüência mesmo que o motor (ou máquina) ainda esteja em movimento. Para os inversores comuns sem este recurso, o religamento não é possível devido ao fato de que quando o motor ainda encontra-se girando, existe uma magnetização residual que faz com que seja gerada uma tensão nos seus terminais. Com o religamento do inversor, surgem então picos de corrente transitórias que faz com que a proteção contra curto-circuito do inversor atue, bloqueando-o. Com o recurso de partida com motor girando, o inversor atua de forma a impor a freqüência de PARÂMETROS DO INVERSOR DE FREQÜÊNCIA5 75 referência instantaneamente, fazendo uma rampa de tensão num tempo especificado pelo usuário. Caso exista uma realimentação de posição, através de encoder ou resolver, o driver pode calcular a velocidade atual do motor e iniciar seu comando nesta freqüência, utilizando as rampas de aceleração ou desaceleração para atingir a velocidade de referência, não sendo necessário especificar nenhum parâmetro auxiliar para o procedimento de “Flying Start”. Parâmetros associados: Tempo para que a tensão de saída varie de 0 Volts até a tensão de trabalho, proporcional a freqüência de referência (P311). COMPENSAÇÃO DO ESCORREGAMENTO Para que um motor de indução desenvolva torque é necessário que a velocidade do rotor seja inferior a velocidade do estator (Hz), sendo a diferença entre ambas denominada escorregamento. A quantidade de escorregamento é determinada diretamente pela condição de carga do motor, assim por exemplo o campo girante produzido no estator, de um motor de quatro pólos ligado à rede de 220 V/60 Hz, gira à velocidade de 1800 rpm, mas a velocidade do rotor será aproximadamente 1750 rpm a plena carga e 1795 rpm a vazio. A compensação do escorregamento é empregada para manter a velocidade constante independente de mudanças na carga, atuando como um controle de velocidade em malha aberta. Assim, a freqüência de saída do inversor aumenta ou diminui conforme a corrente do motor varia em função do aumento ou diminuição da carga. PARÂMETROS DO INVERSOR DE FREQÜÊNCIA5 76 Define os parâmetros obtidos dos dados de placa. EXEMPLOS P400 - Tensão do motor P401 - Corrente do motor P402 - Rotação do motor P403 - Freqüência do motor Inclui os parâmetros relacionados com ciclo automático, regulador PID e regulador de velocidade. CICLO AUTOMÁTICO O ciclo automático é utilizado para acionar um motor em uma determinada seqüência de operação a ser repetida a cada liberação do inversor. Conforme demonstrado na figura a seguir, a freqüência de cada patamar, bem como a sua duração podem ser ajustadas (programadas) independentemente. Figura 5.8 Esta função proporciona as seguintes vantagens dentro do processo: Não necessita de comando externo para troca de velocidades (operador ou dispositivo de comando temporizados); tempos de atuação precisos e mais estáveis e não apresentam influência externa (grande repetibilidade); imunidade a ruído elétrico; PARÂMETROS DO INVERSOR DE FREQÜÊNCIA5 5.4 PARÂMETROS DO MOTOR 5.5 PARÂMETROS DAS FUNÇÕES ESPECIAIS 6 COMANDO E CONTROLE DE VELOCIDADE EM MOTORES DE INDUÇÃO ACIONADOS POR INVERSORES DE FREQÜÊNCIA 6.1 Sensores de posição e velocidade 6.2 Medição de velocidade 6.2.1 Algoritmo de estimação de freqüência 6.2.2 Algoritmo de estimação de período 6.2.3 Algoritmo de estimação simultânea de período e freqüência 6.3 Ruídos 6.4 Sincronização de velocidade 81 Comandar a velocidade de um motor acionado por um inversor de freqüência significa simplesmente programar ou colocar uma referência de velocidade numa entrada do inversor, sem ter informação real se essa velocidade programada está presente no eixo do motor. Em sistemas que não requerem muita precisão ou que são acoplados a cargas conhecidas e constantes, o comando de velocidade pode ser suficiente para atingir as especificações projetadas. Mas em sistemas que requerem maior precisão no valor da velocidade do eixo do motor é necessário “controlar” o sistema. Controlar o sistema significa colocar um sensor que indique o valor real da variável, por exemplo, a velocidade (acoplando um sensor ao eixo do motor), e realimentar este valor num regulador do inversor que atuará no sentido de diminuir a diferença entre o valor lido no sensor e o valor desejado (programado). É assim que continuamente o sensor está informando ao inversor o valor real da variável, para este poder corrigir em forma dinâmica (em todo momento) o desvio do valor programado. Figura 6.1 COMANDO E CONTROLE DE VELOCIDADE EM MOTORES DE INDUÇÃO ACIONADOS POR INVERSORES DE FREQÜÊNCIA6 84 valor conhecido e constante. Se o encoder possui p pulsos por revolução, o valor unitário de deslocamento será 1/p: ΔXk =ΔX=1/p [rev]. Desta maneira a posição Xk (posição depois de acontecidos k pulsos), é k . ΔX =k/p [rev.] =k . 2Π/p [rad.] Logo, para medir posição basta um dispositivo que possa contar os pulsos gerados pelo encoder. Até pouco tempo atrás só eram utilizados tacogeradores analógicos para realimentação de velocidade em motores elétricos; mas estes apresentavam problemas como: • não-linearidades • variação da resposta com a temperatura • baixa precisão (0,5% no melhor dos casos) • muito sensíveis à ruído (sinal analógico) Com a maciça utilização dos encoders tem surgido diferentes tipos de técnicas de medição digital de velocidade. Para analisar estes métodos é importante definir os parâmetros que caracterizam um sistema de medição, a saber: Resolução: É o menor incremento de velocidade que pode ser medido pelo sistema Precisão: É o máximo desvio que o valor medido sofre em relação ao valor real de velocidade Tempo de detecção: É o tempo que o sistema necessita para realizar a medição. Faixa de medição: É a faixa de velocidades (velocidade máxima, velocidade mínima) dentro da qual o sistema opera dentro das especificações. Assim, um bom sistema é aquele cujo método de medição propicia alta resolução, alta precisão e baixo tempo de detecção numa larga faixa de medição. Existem vários médodos de medição de velocidade. Cada método pode ser caracterizado por um “algoritmo de estimção”, já que o valor da velocidade é “estimado” a partir de um dado de posição. COMANDO E CONTROLE DE VELOCIDADE EM MOTORES DE INDUÇÃO ACIONADOS POR INVERSORES DE FREQÜÊNCIA6 6.2 MEDIÇÃO DE VELOCIDADE 85 A velocidade é aproximada contando o número de pulsos M1 vindos do transdutor durante um tempo fixo Tp, ver figura 6.5. Este método é indicado para sistemas com faixa de medição estreita e para medição de altas velocidades. Figura 6.5 A velocidade é aproximada medindo-se o tempo compreendido entre um número inteiro de pulsos consecutivos do encoder “Pe” (dois ou mais). Este tempo é computado com a ajuda de uma base de tempo “Pc” com freqüência fixa conhecida (ver figura 6.6), contando os pulsos M2. Este método tal como o anterior é utilizado para faixas de medição estreitas, mas em baixas velocidades. Figura 6.6 COMANDO E CONTROLE DE VELOCIDADE EM MOTORES DE INDUÇÃO ACIONADOS POR INVERSORES DE FREQÜÊNCIA6 6.2.1 Algoritmo de Estimação de Freqüência 6.2.2 Algoritmo de Estimação do Período 86 A velocidade é aproximada medindo período e freqüência. Desta maneira as duas medições são realizadas sincronizadamente permitindo obter com este método bons resultados tanto em altas como em baixas velocidades. O ambiente industrial é normalmente muito poluído por ruídos de origem eletromagnética, podendo comprometer a integridade dos sinais transmitidos desde os sensores até à máquina. Os cabos que conduzem os sinais atuam como antenas receptoras dos ruídos, corrompendo a informação, podendo causar sérios problemas. A quantidade de ruído eletromagnético induzido nos cabos pode ser minimizada utilizando-se cabos blindados, níveis de sinal elevados (12 ou 24 V) ou transmissão de sinais em forma diferencial. Figura 6.7 A figura 6.7 mostra uma linha de transmissão diferencial; se um ruído for induzido na linha, os dois canais serão afetados e como no final da linha é realizada uma operação de subtração dos sinais o ruído será rejeitado. Dependendo do tipo de cabo e da impedância de saída do dispositivo que gera o sinal diferencial, os sinais podem ser transmitidos até uma distância máxima de aproximadamente 1000 metros. COMANDO E CONTROLE DE VELOCIDADE EM MOTORES DE INDUÇÃO ACIONADOS POR INVERSORES DE FREQÜÊNCIA6 6.2.3 Algoritmo de Estimação Simultânea de Período e Freqüência 6.3 RUÍDOS 7 APLICAÇÃO DE ACIONAMENTOS COM MOTORES DE INDUÇÃO E INVERSORES DE FREQÜÊNCIA 7.1 Introdução, definições, fundamentos e princípios 7.1.1 Definições 7.1.2 Relações básicas 7.2 O que a carga requer 7.2.1 Tipos de carga Torque constante Potência constante Torque linearmente crescente Torque com crescimento quadrático 7.2.2 O pico de carga 7.2.3 Estimando cargas 7.3 Seleção de acionamentos (motor/inversor) 7.3.1 Operação abaixo da rotação nominal Motor autoventilado Motor com ventilação independente 7.3.2 Operação acima da rotação nominal 7.3.3 Casos especiais Efeito da temperatura ambiente Efeito da altitude 7.4 Aplicações típicas 7.4.1 Sistemas de bombeamento de fluídos 7.4.2 Sistemas de ventilação 7.4.3 Ar-condicionado (sistemas de chiller à água) 7.4.4 Papel e celulose 7.4.5 Movimentação de Cargas 91 Uma das maiores fontes de problemas ao se tratar de sistemas de acionamento é a aplicação inadequada dos diversos tipos existentes. Acionamentos ca e cc têm características peculiares, que devem ser levadas em conta ao se fazer uma escolha. Não só as características de torque são diferentes, mas também há consideráveis diferenças de custos, perturbações introduzidas na rede elétrica, fator de potência gerado, dimensões de carcaça disponíveis, etc. É necessário, portanto, um conhecimento básico de como o motor interage com o sistema de controle, e estes dois por sua vez, com a máquina a ser acionada, a fim de se poder fazer uma aplicação apropriada. O dimensionamento do acionamento é feito com base no torque requerido pela carga (veja a definição de torque e de carga na seção 7.1.1 abaixo). Assim, pode- se dizer que é necessário conhecer muito bem a máquina a ser acionada. É muito importante fazer uma quantidade tão grande quanto possível de perguntas, mesmo a respeito de coisas aparentemente insignificantes. É impossível perguntar demais, e um dos segredos está em entender muito bem a aplicação. É necessário ainda uma compreensão das relações entre torque, potência, velocidade e aceleração/ desaceleração, bem como do efeito de uma transmissão mecânica nestas grandezas. Finalmente, é necessário utilizar um método sistemático para selecionar o equipamento adequado. MOTOR - Sempre que houver uma menção genérica a ”motor” nesta seção, estará se referindo ao motor de corrente alternada (ca) de indução, assíncrono, com rotor tipo gaiola de esquilo, a menos de declaração explícita ao contrário. ACIONAMENTO - A palavra acionamento significa aqui, o conjunto compreendido pelo motor e seu sistema de partida, mais qualquer aparelho eletrônico de controle envolvido (tal como um inversor). APLICAÇÃO DE ACIONAMENTOS COM MOTORES DE INDUÇÃO E INVERSORES DE FREQÜÊNCIA7 7.1 INTRODUÇÃO, DEFINIÇÕES, FUNDAMENTOS E PRINCÍPIOS 7.1.1 Definições 94 P = (2*π/60) * 45,0 * 1.760 = 8.294 W (~ 8,3 kW) ACELERAÇÃO (DESACELERAÇÃO) O torque T (Nm) necessário para acelerar (ou desacelerar) uma carga com momento de inércia de massa (ou simplesmente inércia) J (kgm2), da velocidade de rotação n1 (rpm) para n2 (rpm), em um tempo t (s), é dado por Td ac = (2*π/60) * J * (n2 – n1) / t (7.4) Este torque é chamado de torque dinâmico de aceleração, Td ac . Se n2 > n1 (aceleração), Td ac é positivo, significando que seu sentido é igual ao sentido de rotação; se n2 < n1 (desaceleração), Td ac é negativo, significando que seu sentido é contrário ao sentido de rotação. Exemplo: Um cilindro maciço de alumínio, de diâmetro d = 165 mm e comprimento l = 1.200 mm, e portanto com uma massa m de aproximadamente 69,3 kg, tem momento de inércia de massa J de (eq. A1.7, Anexo 1) J = 1/8 x 69,3 x 0,1652 = 2,36E10–1 kgm2 Se o corpo deve acelerar de de 0 a 1.760 rpm no tempo de 1,0s, então o torque de aceleração será (eq. 7.4) Td ac = (2*π/60) * 2,36E10 -1 * (1.760 – 0) / 1,0 = 43,5 Nm Adicionando-se o torque de aceleração acima calculado ao torque de atrito calculado no primeiro exemplo acima, tem-se T = 45,0 + 43,5 = 88,5 Nm e para a potência (eq. 4.3) P = (2*π/60) * 88,5 * 1.760 = 16.303 W (~ 16,3 kW) EFEITO DE UMA TRANSMISSÃO MECÂNICA Por transmissão mecânica entende-se um redutor (ou multiplicador) de velocidade como, por exemplo, um APLICAÇÃO DE ACIONAMENTOS COM MOTORES DE INDUÇÃO E INVERSORES DE FREQÜÊNCIA7 95 redutor de engrenagens, ou uma redução por polias e correia em V, ou ainda correia dentada. Uma transmissão mecânica tem dois parâmetros importantes para o dimensionamento do acionamento, que são: (a) a razão de transmissão iR, e (b) a eficiência ηR . No caso de redutores de engrenagens estes parâmetros são fornecidos pelo fabricante do mesmo, e no caso de transmissões por polias e correias, podem ser calculados a partir dos parâmetros da transmissão (razão dos diâmetros efetivos ou razão dos números de dentes). Redutores de velocidade são utilizados, por exemplo, no acionamento de máquinas de baixa velocidade, entre o eixo do motor e o eixo de entrada da máquina. Assim como a velocidade de rotação do motor é reduzida na proporção da razão de transmissão iR, também o torque do motor é multiplicado na mesma proporção. Além disso, uma parte da energia que entra é consumida pelas perdas internas (atritos, ruído, etc), quantificadas pela eficiência ηR . Assim, o torque necessário na entrada de um redutor, T1 (Nm) em função do torque demandado na saída T2 (Nm) é dado por T1 = T2 /( iR * ηR ) (7.5) Exemplo: Se no exemplo 4, com T2 = 88,5 Nm, houvesse um redutor de engrenagens de 1 estágio com razão de transmissão iR = 1,8 e eficiência ηR = 0,85 teríamos para o torque T1 (eq. 7.5) T1 = 88,5 / (1,8 * 0,85) = 57,8 Nm A velocidade máxima do motor deveria ser então n1 = 1.760 * 1,8 = 3.168 rpm E a potência (eq. 7.3) P = (2*π/60) * 57,8 * 3.168 = 19.179 W (~ 19,2 kW) APLICAÇÃO DE ACIONAMENTOS COM MOTORES DE INDUÇÃO E INVERSORES DE FREQÜÊNCIA7 96 Antes de mais nada convém relembrar a definição do termo carga, da Sec. 7.1.1: Neste material a palavra carga significa: “O conjunto de componentes da máquina que se move, ou que está em contato e exerce influência sobre eles, começando a partir da ponta-de- eixo do motor”. Devemos iniciar preocupando-nos com a carga, e não com o motor ou com o inversor. Um bom trabalho de decisão a respeito do melhor sistema de acionamento de uma máquina requer que a máquina em sí seja considerada primeiramente. Se você não conhece a máquina em profundidade não poderá tomar decisões acertadas com respeito ao seu acionamento. Com esta finalidade é de grande utilidade um “check list”, que contenha uma coletânea de sugestões de perguntas a serem feitas. Pergunte-se a respeito da performance e das demandas da máquina. A carga é constante ou variável? É necessária uma aceleração rápida? Neste caso, qual é o máximo tempo de aceleração admitido? O regime de serviço é contínuo, ou interrompido, e repetido em intervalos? O Anexo 2 apresenta uma proposta bem mais extensa de um tal “check list”, que pode inclusive ser expandido, adaptado para o seu caso específico. Vamos nos concentrar daqui por diante na determinação do torque demandado pela carga. Geralmente os dados a respeito do torque demandado pela carga são apresentados na forma de um gráfico “torque versus velocidade”. Não precisa ser um gráfico impecavelmente produzido, com linhas perfeitas e coloridas. Importante é que seja de bom tamanho (não muito pequeno), e em escala. Pode muito bem ser feito a mão. Geralmente as cargas caem em uma das seguintes categorias: Torque constante O torque demandado pela carga apresenta o mesmo valor ao longo de toda a faixa de velocidades. Logo, a demanda de potência cresce linearmente com a velocidade (figura 7.2a). Uma esteira transportadora movimentando uma carga de 1 ton APLICAÇÃO DE ACIONAMENTOS COM MOTORES DE INDUÇÃO E INVERSORES DE FREQÜÊNCIA7 7.2 O QUE A CARGA REQUER ? 7.2.1 Tipos de cargas