Inversores

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(Parte 1 de 3)

Conversores de Frequencia e Soft-Starters

Instrutor: Eng. Henrique Matheus Pág. 2

Introdução3
Motores Elétricos4
Motores Assíncronos5
Estator6
Rotor8
Escorregamento, torque e velocidade9
Eficiência e Perdas1
Campo Magnético1
Circuito Equivalente12
Mudanças de velocidade15
Tipos de Carga17
Conversores de Freqüência19
O Retificador20
Retificadores não controlados21
Retificadores controlados21
O circuito intermediário2
Inversores fonte de corrente (I-converters)2
Circuito intermediário com tensão C variável23
O Inversor24
O Circuito de Controle26
Conversores de Freqüência e Motores27
Características de torque do motor27
SOFT – STARTERS29
Tipos de controle de soft Starters31
Correção do fator de potência32
Bibliografia3

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Introdução

Os conversores de freqüência são equipamentos eletrônicos que fornecem total controle sobre a velocidade de motores elétricos de corrente alternada através da conversão das grandezas fixas, tensão e freqüência da rede, em grandezas variáveis.

Apesar do princípio ser o mesmo, houveram grandes mudanças entre os primeiros conversores de freqüência e os atuais, devidas principalmente a evolução dos componentes eletrônicos com destaque aos tiristores e aos microprocessadores digitais.

A grande maioria dos conversores de freqüência usados pela indústria para controlar a velocidade de motores elétricos trifásicos de corrente alternada são desenvolvidos de acordo com dois princípios:

• Conversores desenvolvidos sem um circuito intermediário conhecidos com conversores diretos e;

• Conversores de freqüência com um circuito intermediário variável ou fixo.

Figura 1 - Tipos de Conversores de Freqüência.

Os circuitos intermediários podem ser tanto com corrente contínua como com tensão contínua e são conhecidos como conversores com fonte de corrente ou conversores com fonte de tensão.

Os conversores de freqüência com circuitos intermediários oferecem inúmeras vantagens sobre os conversores sem circuito intermediário:

• Melhor controle sobre a potência reativa.

• Não existem limitações com relação à freqüência de saída (mas existe uma limitação nos sistemas de controle e nos componentes utilizados.

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Conversores de freqüência com altas freqüências de saída são normalmente conversores com circuito intermediário.) Conversores diretos são relativamente mais baratos do que conversores com circuitos intermediários, mas sofrem com a baixa redução de harmônicas.

Como a maioria dos conversores de freqüência usa circuito intermediário com tensão contínua, nossa apostila irá focar nesses conversores.

Motores Elétricos

Para compreender o funcionamento de um Conversor de Freqüência é de fundamental importância entender primeiro como funciona um motor de indução.

O primeiro motor elétrico foi, uma máquina de corrente contínua, construída em 1833. O controle de velocidade desse tipo de motor é relativamente simples e atende as necessidades da maioria das aplicações.

Em 1889, o primeiro motor de corrente alternada foi desenvolvido. Mais simples e robusto do que os de corrente contínua, a máquina trifásica de corrente alternada sofria com valores fixos de velocidade e características de torque, o que limitou por vários anos o uso desses motores em aplicações especiais.

Os motores trifásicos de corrente alternada são conversores eletromagnéticos de energia, convertendo energia elétrica em energia mecânica (operando como motor) e vice-versa (operando como gerador) através da indução eletromagnética.

O princípio da indução eletromagnética é que se um condutor é movimentado através de um campo magnético (B), uma tensão é induzida. Se o condutor é um circuito fechado, uma corrente (I) irá circular. Quando o condutor é movimentado, uma força (F), que é perpendicular ao campo magnético, irá agir sobre o condutor.

a) Princípio do gerador (indução através do movimento). No princípio do gerador, movimentando um condutor através de um campo magnético gera uma tensão.

b) Princípio do motor. No motor, o princípio da indução é reverso e um condutor conduzindo uma corrente é posicionado dentro de um campo magnético. O condutor é então influenciado por uma força (F) que movimento o condutor para fora do campo magnético.

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Figura 2 - Princípio da Indução Eletromagnética.

No princípio do motor, o campo magnético e o condutor com uma corrente circulando geram o movimento.

O campo magnético é gerado na parte estacionária (o estator) e os condutores, que são influenciados pelas forças eletromagnéticas, estão na parte girante (o rotor).

Motores de corrente alternada trifásicos podem ser divididos em dois grupos principais: assíncronos e síncronos.

O estator funciona basicamente da mesma maneira nos dois tipos de motores, mas o projeto e o movimento do rotor em relação ao campo magnético é diferente. Nos síncronos (que significa simultâneo ou o mesmo) a velocidade do rotor e do campo magnético são as mesmas e no assíncrono são diferentes.

Figura 3 - Tipos de motor CA Motores Assíncronos

Motores assíncronos são os mais utilizados e praticamente não requerem manutenção. Em termos mecânicos eles são virtualmente unidades padrão, de forma que fornecedores estão sempre disponíveis. Existem vários tipos de motor assíncrono, mas todos eles seguem o mesmo princípio básico.

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Figura 4-Construção de um motor assincrono.

Estator

O estator é a parte fixa do motor. Na carcaça do motor existe um núcleo de ferro formado por folhas finas de ferro (0,3 a 0,5mm). Essas folhas de ferro possuem ranhuras para o enrolamento trifásico.

Os enrolamentos de fase e o núcleo do estator geram o campo magnético. O número de par de pólos (ou pólos) determinam a velocidade que o campo magnético irá girar. Se o motor está ligado na sua freqüência nominal, a velocidade do campo magnético é chamada de velocidade síncrona do motor

(n0).

Par de pólos (p) 1 2 3 4 6 Número de pólos (2p) 2 4 6 8 12 Velocidade Síncrona 3600 1800 1200 900 600

O Campo Magnético

O campo magnético gira no entreferro entre o estator e o rotor. Após a conexão de um enrolamento a uma fase de alimentação, um campo magnético é induzido.

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Figura 5 - Uma fase resulta em um campo alternado.

O sentido do campo magnético no estato é fixo, mas a direção muda. A velocidade dessa mudança é determinada pela freqüência de alimentação. Numa freqüência de 60Hz (padrão brasileiro) o campo alternaria de direção 60 vezes por segundo.

Se dois enrolamentos são conectados ao mesmo tempo, cada um em uma fase de alimentação, dois campos magnéticos seriam induzidos no núcleo do estator. Em um motor de dois pólos, existe um deslocamento de 120º entre os dois campos. O valor máximo dos campos também estão deslocados no tempo.

Isso resulta na criação de um campo magnético girante no estator.

Entretanto, o campo é altamente assimétrico até que a terceira fase é conectada.

As três fases geram três campos magnéticos no estator que estão deslocados 120º entre si.

Figura 6 - Três fases resultam num campo magnético girante e simétrico.

O estator está, agora, conectado a uma fonte de tensão trifásica e os campos magnéticos de cada enrolamento constroem um campo magnético simétrico, girante chamado de campo girante do motor. A amplitude do campo girante é constante e igual a 1,5 vezes o valor máximo dos campos alternados. A velocidade de rotação é:

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0 velocidade síncrona número de par de polos f n p

A velocidade então dependo do número de par de pólos (p) e da freqüência (f) da fonte de alimentação.

Figura 7 - Campo resultante em três momentos diferentes.

A visualização do campo magnético como um vetor e sua correspondente velocidade angular forma um círculo. Como uma função do tempo num sistema de coordenadas, o campo girante forma uma curva senoidal. O campo girante se torna elíptico se a amplitude variar durante a rotação.

Rotor

Assim como o estator o rotor é feito de folhas de ferro com abertura entre elas. Existem dois tipos principais de rotor: o rotor bobinado e o rotor curto-circuitado.

Rotores bobinados, assim como os estatores, possuem três enrolamentos, um para cada fase, que são conectados através de um anel coletor. Após o curto-circuito do anel coletor, o rotor irá funcionar como um rotor curto-circuitado.

Rotores curto-circuitados possuem barras de alumínio que passam através das ranhuras. Um anel de alumínio é colocado em cada extremidade do rotor para curto-circuitar as barras.

O rotor curto-circuitado é o mais usado dos dois. Visto que os dois rotores trabalham basicamente da mesma forma, apenas o rotor curtocircuitado será estudado.

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Figura 8 - Campo girante e o rotor curto-circuitado.

Quando uma barra do rotor é colocada num campo girante, um pólo magnético passa através da barra. O campo magnético do pólo induz uma corrente (Iw) no rotor que é afetada apenas pela força (F). A força é determinada pela densidade de fluxo (B), a corrente induzida

(Iw), o tamanho do rotor (l) e o ângulo (θ) entre a força e a densidade de fluxo. sen()FBIwlθ=×

Se assumirmos que (θ) vale 90°: FBIwl=× Eq. 1

O próximo pólo que irá passar pelo rotor tem a polaridade invertida. Isso induz uma corrente na direção contrária. Visto que a direção do campo magnético também mudou, a força age na mesma direção que antes.

Quando todo o rotor é colocado no campo girante. A velocidade do rotor não irá atingir a velocidade do campo girante, posto que na mesma velocidade , nenhuma corrente seria induzida no rotor.

Figura 9-Indução nas barras do rotor.

Escorregamento, torque e velocidade.

Sobre circunstância normais, a velocidade do rotor, n, é menor do que a velocidade do campo girante, n0. O escorregamento, s, é a diferença entre a velocidade do campo girante e a velocidade do rotor.

O escorregamento é normalmente expresso como uma porcentagem da velocidade síncrona e normalmente está entre 4 e 1% da velocidade norminal.

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A densidade de fluxo (B) é definida como o fluxo (Φ) que atravessa a seção transversal (A). Da equação 1 a seguinte força pode ser calculada:

IwlF A Φ×= Eq.2

~FIwΦ×

Nas barras do rotor, uma tensão é induzida via um campo magnético.

Essa tensão faz com que uma corrente (Iw) circule através das barras curto circuitadas. As forças de cada barra do rotor são combinadas para gerar um torque, T, no eixo do motor.

Figura 10 - O torque do motor: "força vezes o braço da alavanca".

A relação entre o torque do motor e a sua velocidade tem uma característica que varia com a construção do rotor. O torque do motor resulta numa força que faz girar o seu eixo.

A força aparece, por exemplo, no caso de um volante montado no eixo.

Com a força (F) e o raio (r) do volante, o torque do motor pode ser calculado: Frτ=×

O trabalho feito pelo motor pode ser expresso como: WFd=×, onde d é a distância que o motor percorre para uma dada carga, n é o número de revoluções: 2dnrπ=×.

O trabalho também pode ser expresso pela potência multiplicada pelo tempo pelo qual essa potência é solicitada: WPt=×.

O Toque é então:

WP t rTF r r dn r

PTt s n

Essa fórmula mostra a relação entre a velocidade, n, o T [Nm] e a potência do motor P [kW].

A fórmula dá uma visão rápida quando observamos n, T e P em relação aos valores correspondentes num ponto de operação (nr, Tr, Pr). Existem alguns pontos importantes na região de trabalho do motor:

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Cp é o torque de partida – aparece quando é aplicado aos terminais do motor tensão e freqüência nominal quando o motor ainda está estacionário. Cmáx é o toqur máximo – é o maior torque que o motor é capaz de fornecer enquanto a tensão e a freqüência nominal são aplicadas. Cn é o torque nominal. Os valores nominais indicam o ponto de operação ótimo do motor para uma conexão direta à rede de alimentação. Eles podem ser lidos na placa do motor e são também conhecidos como dados de placa do motor.

Eficiência e Perdas

O motor toma potência elétrica da rede. Numa carga constante, a entrada de potência é maior que a potência mecânica de saída que o motor pode fornecer devido as perdas – ou ineficiência – do motor. A relação entre a potência de saída e a potência de entrada é dada por η.

Psaída

Pentrada η=

A eficiência típica de um motor de indução está entre 0,7 e 0,9, dependendo do tamanho do motor e do número de pólos.

Figura 1 - Perdas num motor de indução.

Existem quatro principais causas de perdas no motor de indução: 1. perdas no enrolamento estatórico (perdas no cobre); 2. perdas magnéticas no núcleo (perdas no ferro); 3. perdas por atrito 4. perdas na ventilação;

As perdas no cobre ocorrem devido à resistência ôhmica dos enrolamentos do estator e do rotor. As perdas no ferro são devidas às perdas por histerese e por correntes de Foucault. Perdas por atrito são devidas aos rolamentos. Perdas na ventilação são devidas à resistência do ar no ventilador do motor.

Campo Magnético

Os motores elétricos tem sido desenvolvidos para tensão e freqüência de alimentação fixas e a magnetização do motor depende da relação entre a tensão e a freqüência.

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Se a relação tensão/freqüência aumenta, o motor é sobre magnetizado, se a relação diminui, o motor é sub magnetizado. O campo magnético de um motor sub magnetizado é enfraquecido e o torque que o motor é capaz de fornecer é reduzido, possivelmente levando a uma situação que o motor não consegue partir ou permanece estacionário. Ou então, o tempo de partida é estendido, levando a uma sobrecarga no motor.

Um motor sobre magnetizado é sobrecarregado durante a operação. A potência dessa magnetização extra é convertida em calor no motor e pode danificar a sua isolação. Entretanto, motores CA e - em particular – os assíncronos são muito robustos e o problema de magnetização só irá danificar o motor se ela ocorrer em operação contínua.

velocidade na variação de carga, instabilidade, vibração do motor, etc

O “jeito” que o motor trabalha indica quando as condições de magnetização estão ruins – sinais a serem considerados são a diminuição de

Circuito Equivalente

Basicamente, motores assíncronos consistem em seis bobinas: três no estator e três no rotor curto-circuitado (que magneticamente se comportam como se consistissem em três bobinas). Através do estudo do conjunto de bobinas é possível a construção de um diagrama elétrico, que retrata como o motor trabalha.

Figura 12- Layout das bobinas do estator e do rotor.

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Figura 13 - Circuito elétrico equivalente do motor aplicado à fase 1.

A corrente da bobina do estator não é limitada apenas pela resistência ôhmica da bobina. Quando esta é ligada a uma fonte CA uma outra resistência aparece. Esta resistência é denominada reatância (2LXfLπ=×) e é medida em ohms (Ω).

F é a freqüência e 2fπ× é a freqüência angular ω medida em 1s .

L é a indutância da bobina e é medida em Henry (H). A corrente efetiva é então limitada com dependência da freqüência.

As bobinas se influenciam mutuamente através do campo magnético (B).

A bobina do rotor gera uma corrente gera uma corrente na bobina do estator e vice versa. Essa influencia mútua indica que os dois circuitos elétricos podem ser conectados através de uma ligação comum formada por RFe e Xh – a contra resistência e a contra reatância. A corrente que o motor drena para magnetização do estator e do rotor fluem através deles. A queda de tensão no “ramo comum” é chamada de tensão induzida.

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