PROVA DE ACIONAMENTOS ELÉTRICOS

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PROVA DE ACIONAMENTOS ELÉTRICOS
Grupo: Jéssica Moraes, Gabriela Lino, Lucca Muniz e Suzy Miranda 
Questão 1:
O SCR (tiristor) é considerado uma chave semi-controlada, pois é possível controlar apenas o seu ligamento, para desligar, há a necessidade de que ela seja alimentada por uma corrente inferior à de manutenção.
O tiristor é constituído de dois transistores, sendo um PNP e outro NPN, estes são ligados conforme a imagem 1, ao alimentar o circuito, o gate do NPN inicia o funcionamento do tiristor que se mantem ligado até mesmo com a interrupção da alimentação. Para interromper o funcionamento, é necessário interromper a passagem de corrente entre os pontos A e K (imagem 1).
 
Imagem 1 – Circuito do tiristor.
Questão 2:
Conversor ca/cc monofásico em ponte semi-controlado.
Figura 2 -
Sinal gerado
Figura 3 - 
Questão 3:
	O motor necessita de maior demanda de potência na sua partida e frenagem, atribuindo a ele um maior torque. Logo, ao dimensionar o motor é necessário analisar criteriosamente o Softstarter, inversor e conversor ca/cc internos dele, já que esses controlam a corrente, potência e tensão do sistema que devem ter valores adequados e sem mudanças bruscas para o funcionamento correto do equipamento. Para isso, deve se escolher bons profissionais das áreas da engenharia.
Questão 4:
A partida e parada de um motor é o momento mais crítico de funcionamento, porque durante esses dois estágios é que ocorre a maior parte dos problemas que as industrias enfrentam com bombas, pois se partida e parada da bomba for feita de forma indevida pode acarretar problemas mecânicos com rompimento de selo. 
Vamos entender como ocorre esses dois eventos
Partida: Um motor só começa a girar quando o momento de carga a ser vencido, quando parado, for menor do que seu conjugado de partida.
Parada: Em determinadas aplicações há necessidade de uma rápida desaceleração do motor e da carga. Ao ser desligado o motor da linha de alimentação utiliza-se um dispositivo de inversão de rotação com o motor ainda rodando. A parada ou desligamento do motor da rede efetua-se através de um relé impedindo-o de partir na direção contrária.
Para o controle da velocidade nos motores de indução é feita através do inversor de frequência, o qual possibilita o controle do motor CA variando a frequência, mas também realiza a variação da tensão de saída para que seja respeitada a característica V/F ( Tensão / Frequência) do motor. Portanto a importância do inversor é permite o aumento e diminuição gradual da velocidade do motor para evitar problemas mecânicas. 
Figura 4 - Velocidade do motor ao longo das fases.
Questão 5
Descreva os seguintes processos de Frenagem usadas:
a) Frenagem Reostática
Figura 5 - Frenagem Reostática.
Nesse momento, iremos destacar a parte de controle do circuito até o link DC, conforme figura abaixo:
Figura 6 - Controle do circuito até o link DC.
Assim, iremos ter uma tensão no barramento de corrente contínua e o estado inicial do motor como parado. Quando esse motor começar a funcionar, ele irá puxar uma carga no inversor e é normal que irá ocorrer uma pequena queda de tensão no link DC, principalmente nesse momento inicial.
Ao enviar um comando para parar o motor, o inversor irá fazer isso obedecendo seu tempo de desaceleração, e nesse momento que ele está parando, a tensão no barramento DC irá subir. Essa subida de tensão é normal até certo ponto, e quando o motor parar, esta tensão será estabilizada. Isso ocorre porque a inércia no eixo do motor tendo a mantê-lo girando, fazendo com que o motor funcione como se fosse um gerador de tensão, colocando mais tensão no link DC.
Quando um motor com carga muito alta, inversor dimensionado no limite e tempo de desaceleração muito curto vai parar, a tensão no barramento DC pode subir muito, estendendo a capacidade dos capacitores de filtro, podendo ocasionar uma explosão. Porém, esse inversor estará seguro se for configurado um circuito de frenagem para ele. 
Figura 7 – Circuito da Frenagem Reostática.
O circuito de frenagem possui um IGBT que será controlado pela parte lógica do inversor, assim como os IGBTs da saída. Esse IGBT do circuito de frenagem, funciona como se fosse uma chave eletrônica.
Assim, quando temos nosso motor girando e este recebe um comando para realizar uma parada brusca, a placa de controle chaveia o IGBT do circuito de frenagem, colocando assim o resistor de frenagem como uma carga extra no circuito, que vai puxar a carga de forma a equilibrar a subida de tensão no barramento DC, impedindo que seja gerada uma tensão extremamente alta nesse link DC, protegendo assim, o inversor.
Para puxar a carga necessária, é preciso um resistor de frenagem com resistência baixa e potência alta, o que resulta em resistores normalmente grandes. O próprio fabricante do inversor fornece uma tabela para selecionar este resistor de frenagem, sabendo informações de quanto será o tempo de parada, características técnicas do motor e da carga aplicada no seu eixo, será possível selecioná-lo.
b) Frenagem por injeção de Corrente CC
Na frenagem por corrente contínua, aplica-se um campo magnético estacionário no entreferro por injeção de corrente contínua nos enrolamentos do estator, induzindo um conjugado também estacionário no rotor. Esse campo irá induzir corrente no secundário, fazendo com que as perdas no rotor aumentem. Enquanto houver corrente contínua nos enrolamentos, o motor buscará se alinhar ao campo, ou seja, parar o movimento e permanecer estacionado, assim como o campo. Dessa forma, existirá uma resistência a um conjugado em qualquer sentido e essa força que resiste ao movimento é proporcional a corrente contínua que alimenta o motor.
O tipo de topologia do sistema de frenagem CC irá variar conforme o tipo de aplicação. Na topologia mais simples, é injetado corrente contínua diretamente no motor até que ele pare completamente, como é evidenciado na Fig. 4. Nesta, a energia é dissipada nos enrolamentos do motor na forma de calor. A simplicidade do sistema facilita a sua utilização, porém deve ser tomadas algumas precauções, devido ao fato de que caso a frenagem seja realizada frequentemente ou com duração muito prolongada, pode superaquecer o motor, danificando-o ou reduzindo sua vida útil. Tal topologia é conhecida como frenagem por injeção de corrente contínua não dissipativa.
Figura 8 – Frenagem por Injeção de Corrente Contínua Não Dissipativa.
Outro tipo de topologia de frenagem por corrente contínua é utilizar um sistema de dissipação de energia acoplado ao motor, como pode ser visto na Fig. 5. Durante a realização da frenagem, utiliza-se um resistor para dissipar a energia que seria descarregada nos enrolamentos, assim, reduzindo o aumento da temperatura. Esse modelo é mais recomendado para frenagens que demandam um período mais elevado, como as frenagens frequentes. Além disso, os inversores de frequência são amplamente utilizados nesse tipo de sistema chamado de frenagem por injeção de corrente contínua dissipativa, pois muitos deles já possuem essa função programada e permitem a conexão de resistores.
Figura 9 – Frenagem por Injeção de Corrente Contínua Dissipativa.
O processo de dissipação da energia em resistores exige a utilização de uma chave semicondutora para conectar a carga resistiva ao circuito. O comando da chave pode ser feito pelo nível de tensão contínua, e o tempo para diminuir a velocidade depende da razão de dissipação da energia no banco de resistores, que deve ser dimensionado, considerando também a inércia da carga.
As duas topologias de frenagem CC citadas anteriormente podem ser classificadas como frenagens de elevado escorregamento, pois a diferença entre a velocidade síncrona com a injeção de corrente contínua passa a ser zero e a velocidade do motor antes de iniciar a frenagem é muita alta. Essa é uma característica que pode ser comparada à partida de um motor elétrico de indução, em que o rotor está parado e a velocidade do campo do estator é equivalente à síncrona. Portanto,devem ser tomadas algumas precauções com os níveis de tensão CC a serem aplicados no motor para que não haja danos nos enrolamentos.
Os condutores percorridos por corrente dentro do campo magnético produzem força mecânica em sentido contrário ao movimento, freando o rotor. Para que surta efeito e que não haja saturação, a corrente contínua injetada deve estar entre 1 e 2 vezes a corrente nominal.
Considera-se que o efeito térmico equivale a duas partidas, o que é uma vantagem sobre a frenagem com contracorrente, pois permite maior número de manobras, porém o torque de frenagem será menor. A frenagem não deve ultrapassar o tempo de rotor bloqueado, que é tipicamente 10s.
Logo, temos as seguintes conclusões sobre a frenagem por injeção de corrente CC:
· A alimentação em CA é interrompida e o enrolamento estatórico é então alimentado por corrente contínua;
· A CC cria um campo fixo no motor, um conjugado frenante (é proporcional à corrente CC);
· A energia é convertida em calor no motor, ou em resistências externas;
· A saturação limita a conjugado de frenagem;
· Tempo de frenagem maior do que o por contracorrente, porém o aquecimento é menor;
· A CC é mantida por certo tempo.
c) Frenagem Regenerativa
Sempre que um sistema possui conversões eletromecânicas há perdas de energia, pois parte dela transforma-se em perdas indesejáveis como calor, som, vibração, entre outras. Assim, é desejável diminuir essas conversões quando se quer aumentar a eficiência de um sistema, convertendo a energia cinética que é gerada durante a frenagem em energia elétrica e aproveitá-la para outros fins. Para isso, pode-se armazená-la em baterias, banco de capacitores ou até mesmo devolvê-la para a rede CA em que o motor está conectado. Os sistemas de frenagens que utilizam essa lógica são chamados de Frenagem Regenerativa.
Para ser possível a aplicação da frenagem regenerativa em um sistema, é preciso que o controle de velocidade do motor seja realizado por meio de um inversor de frequência. Sabe-se que o inversor de frequência controla a velocidade de um motor por intermédio da frequência aplicada ao estator, mantendo-se a razão (V/f) constante, método esse chamado de controle escalar. Quando se diz que um inversor irá fazer a frenagem de um motor, significa que ele irá fazer uma redução na velocidade dele, parando completamente ou não. Pelo método escalar, pode-se dizer que para o inversor praticar essa ação, deve-se diminuir a frequência da tensão aplicada ao estator, chamada de velocidade síncrona, e a tensão aplicada. Essa variação pode ser vista na Fig. 6, sendo o estado inicial de alimentação do motor representado pelo ponto (1) e o estado final após a frenagem o ponto final (2).
Figura 10 – Curva (V/f) da frenagem regenerativa.
Quando a máquina, que está inicialmente funcionando como motor, passa a ser acionada pela carga a uma velocidade superior à do funcionamento, a força eletromotriz torna-se maior que a tensão de alimentação. Nesse caso, a corrente de armadura muda de sentido e a máquina passa a operar como gerador, podendo a energia resultante ser armazenada ou devolvida à rede.
Os principais itens a serem considerados no dimensionamento do resistor de frenagem são:
· Valor ôhmico
· Potência wattada
· Ciclo de trabalho (%ED)
Motores elétricos controlados por inversores podem, em certos casos, funcionar como geradores devolvendo energia à rede elétrica.
Figura 11 – Motor funcionando como gerador.
Se o motor for parado ou tiver que reduzir sua velocidade, liga-se ao inversor um resistor com valor ôhmico previamente calculado e potência definida de tal forma que ele possa absorver a energia do movimento e convertê-la em calor que será dissipado no ambiente.
A potência calculada para o resistor proporcionar a frenagem do motor, à rotação e carga nominais, deve ser igual à potência do motor.
Mas, como a frenagem se processa em tempo curto (poucos segundos) a potência do resistor pode ser menor que a potência do motor, podendo o resistor sofrer uma sobrecarga, consentida, por um curto intervalo de tempo e, proporcionando a frenagem desejada.
É importante ressaltar, que este método não serve para parar o motor e sim para reduzir a sua velocidade, sendo muito utilizado nos elevadores antes de aplicar o freio mecânico.
Logo, temos as seguintes conclusões sobre a frenagem regenerativa:
· A energia é retornada para a rede CA;
· Melhor solução para frenagem contínua;
· Economia de energia;
· Uma desvantagem é o custo de inicial comparado com o retorno da economia de energia;
· O retorno depende do tipo de aplicação.
Questão 7
Circuito Completo
Figura 12 – Motor funcionando como gerador.
Carga RL Predominantemente Resistiva
- L = 10mH e R = 50Ω, portadora 1kΩ
Como XL = 3.7 Ω, logo consideramos como predominantemente resistiva
Figura 13 – Motor funcionando como gerador.
- L = 10mH e R = 50Ω, portadora 5kΩ
Figura 14 – Motor funcionando como gerador.
Carga RL Medianamente Resistiva
- L = 100mH e R = 50Ω, portadora 1kΩ
Como XL = 37.7 Ω, logo consideramos como medianamente resistiva
Figura 15 – Motor funcionando como gerador.
- L = 100mH e R = 50Ω, portadora 5kΩ
Figura 16 – Motor funcionando como gerador.
Carga RL Predominantemente Indutiva
- L = 1000mH e R = 50Ω, portadora 1kΩ
Como XL = 377 Ω, logo consideramos como predominantemente indutiva.
Figura 17 – Motor funcionando como gerador.
- L = 1000mH e R = 50Ω, portadora 5kΩ
Questão 8
No vídeo “Motor trifásico por dentro - veja o funcionamento na prática”, foi apresentado a estrutura do motor de indução, e as principais que o compõem, Estator (parte estática) e Rotor (parte móvel), onde o espaço entre o estator e o rotor é denominado entreferro. 
Num motor de indução não há conceções elétricas na parte girante (rotor) como ocorre com motores universais através do coletor e das escovas. Devido a isso o estator do mesmo é composto de chapas finas de aço magnético tratadas termicamente ou de aço silício para reduzir ao mínimo as perdas por correntes parasitas e histerese. Estas chapas têm o formato de um anel com ranhuras internas (vista frontal) de tal maneira que possam ser alojados enrolamentos, os quais por sua vez, quando em operação, deverão criar um campo magnético girante no estator.
No vídeo também foi comprovado a presença do campo magnético girante no estator do motor, para isso o professor inseriu um pedaço tubo de metal (magnetizável) no vão do rotor acionou o mesmo por um curto instante de tempo, fazendo isso o tubo foi atraído e acompanhou a rotação do campo magnético (girando na área interna do estator).
O professor sinalizou também que o tubo não girou com a mesma velocidade pois não é adaptado para aproveitar o campo girante da melhor forma possível, como é o caso do rotor, que é composto de chapas finas de aço magnético tratadas termicamente, com o formato também de anel (vista frontal) e com os enrolamentos alojados longitudinalmente.
No vídeo “PSIM 9 - Introdução à Simulação (ROC semi-controlado)”, retrata um vídeo aula onde se analisa através do software PSIM um circuito Retificador Monofásico Semi-controlado em ponte mista, com os seguintes parâmetros Figura 01.
Figura 18 – Motor funcionando como gerador.
No vídeo foi abordado a montagem do esquemático no software, a configuração de componentes, controle de simulação e a visualização de formas de onda.
Abaixo encontra-se o registro da simulação realizada pela equipe.
Figura 19 – Circuito montado pela equipe
 
Figura 20 - Ondas de Saída (Tensão e Corrente)
 
Figura 21 - Tensão de Entrada (azul) e Tensão de Saída (vermelho)
 
Figura 22 - Tensão de Entrada (vermelho) e Corrente de Entrada (verde)
 
Figura 23 - Fator de Potência
No vídeo “Simulação de Acionamento de Motor de Indução Trifásico com Softstarter”, retrata um vídeo aula onde se faz uma simulação através do software PSIM de um acionamento de um motor de indução trifásico com um Softstarter. Onde o mesmo tem como objetivo regular a tensão na saída (tensão eficaz na carga(motor). Para montar o circuito se utilizou-se de um conversor trifásico a base de tiristores que opera como regulador de tensão alternada. Com esse circuito, é possível partir um motor de indução de forma suave (softstarter), e com uma corrente de partida diversas vezes menor que a partida direta, o que viabiliza aplicações de maiores potências. 
No vídeo foi mostramos a operação do motor em partida direta (inicio do vídeo) e ao longo dele foi construído com base na literatura, uma lógica de disparo para o circuito dos tiristores pra garantir o desfasamento de 60º entre cada chave, com as simulações que foram apresentadas e rodadas constatou-se que o circuito Softstarter diminui consideravelmente a corrente necessária para se iniciar o motor.