Aula17_F12_V2 - Introdução ao controle PWM

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<p>1</p><p> Fundamentos sobre conversores CC-CC e Técnica PWM (Modulação por Largura</p><p>de Pulso ou “Pulse Width Modulation”)</p><p>A técnica de modulação por largura de pulso pode ser mais facilmente compreendida</p><p>estudando primeiro sua aplicação ao conversor CC-CC abaixador ou “Buck”.</p><p>Conversores CC-CC são sistemas formados por semicondutores de potência operando como</p><p>interruptores, e por elementos passivos, normalmente indutores e capacitores que tem por</p><p>função controlar o fluxo de potência de uma fonte de entrada para uma fonte de saída.</p><p>Na Figura 1 mostra-se o diagrama elétrico e a forma de onda da tensão de saída de um</p><p>conversor CC-CC básico.</p><p>Figura 1 - Conversor CC-CC e forma de onda da tensão de saída.</p><p>O intervalo de comutação (período) é definido como:</p><p>Fs é a frequência de comutação. Esta frequência tende a ser a mais alta possível, diminuindo</p><p>assim o volume dos elementos magnéticos e capacitivos do conversor. A razão entre o</p><p>intervalo de comutação (Ts) e o intervalo de condução do interruptor S (Ton) é definido por</p><p>razão cíclica (D) e dada por:</p><p>A tensão média na saída deste conversor é calculada por:</p><p>Usando Ton = DTs tem-se: Vo = DVi</p><p>A relação entre a tensão de saída e a tensão de entrada é definida por ganho estático do</p><p>conversor e dada então por:</p><p>2</p><p>Pelo gráfico mostrado na Figura 2 pode-se notar que a variação da tensão média de saída com</p><p>a razão cíclica é linear.</p><p>Figura 2 - Ganho estático em função de D.</p><p>Os sinais de comando do interruptor podem ser gerados com frequência de comutação fixa ou</p><p>variável. Uma forma de gerar os sinais de comando com frequência fixa é através da</p><p>modulação por largura de pulso (PWM). Na Figura 3 mostra-se uma forma simples de realizar</p><p>o PWM. A tensão de controle Vc é comparada a uma onda dente de serra de alta frequência,</p><p>definindo o nível lógico (ON-OFF) da tensão de “gate” Vg a ser aplicada à chave S.</p><p>Figura 3 - Exemplo de um circuito PWM.</p><p>Conversor Buck</p><p>O conversor Buck é um conversor abaixador de tensão, caracterizado por ter entrada</p><p>em tensão e saída em corrente. Na Figura 4 mostra-se o diagrama elétrico do conversor</p><p>Buck. Nota-se que ele é construído a partir do conversor elementar da Fig. 1, pelo acréscimo</p><p>do diodo de roda livre D, e pelos elementos de saída: indutor Lo e capacitor Co, além da carga</p><p>Ro.</p><p>Observação: Quando o conversor é utilizado para o acionamento de motores CC não se faz</p><p>necessário o uso dos elementos de saída, já que a indutância de armadura (La) já atua como</p><p>filtro.</p><p>3</p><p>Figura 4 - Conversor Buck.</p><p>As etapas de funcionamento do conversor Buck são descritas a seguir.</p><p>1ª Etapa (0, DTs): S está conduzindo. A corrente circula por Lo e pela saída. Nesta</p><p>etapa Vi fornece energia para a saída e para a magnetização do indutor Lo.</p><p>2a Etapa (DTs, (1-D)Ts): S está bloqueado. No instante de abertura de S o diodo D</p><p>entra em condução. A energia do indutor é transferida para a carga, isto é, o indutor é</p><p>desmagnetizado.</p><p>A forma de onda da tensão Vab é mostrada na Figura 5.</p><p>Figura 5 - Tensão Vab.</p><p>Como a tensão média sobre o indutor deve ser nula, então:</p><p>Na Figura 6 mostra-se a variação da tensão de saída em função da razão cíclica para o</p><p>conversor Buck.</p><p>Figura 6 - Ganho estático em função de D.</p><p>4</p><p>As principais formas de onda do conversor Buck são mostradas na Figura 7.</p><p>Figura 7 - Principais formas de onda do conversor Buck.</p><p> Técnica PWM aplicada a inversores tipo fonte de tensão.</p><p>Na aula anterior vimos inversores de onda quadrada, que permitem o controle da frequência</p><p>da tensão de saída, porém não possibilitando o controle da amplitude. A forma mais eficiente</p><p>de se obter controle simultâneo da frequência e amplitude da tensão é pela modulação PWM.</p><p>A figura 8 abaixo ilustra o princípio do controle PWM num inversor monofásico em ponte,</p><p>que utiliza transistores tipo IGBT com diodo em anti-paralelo, normalmente intrínseco (no</p><p>mesmo dispositivo). O sinal de controle é agora gerado pela comparação de uma onda</p><p>triangular de alta frequência, denominada portadora, com uma onda senoidal chamada de</p><p>moduladora, esta na frequência fundamental desejada para a onda de tensão de saída.</p><p>Para esta estrutura, podemos sintetizar:</p><p>A frequência da componente fundamental da tensão de saída é igual à frequência da</p><p>tensão de controle (moduladora) e a amplitude da tensão de saída é proporcional à</p><p>amplitude da tensão de controle, de forma similar ao conversor “Buck”. A amplitude e</p><p>frequência da tensão de controle podem variar conforme a necessidade do controle.</p><p>A onda triangular é chamada de portadora, de amplitude e frequência fixas, e sua</p><p>frequência define a frequência de chaveamento das chaves eletrônicas.</p><p>No acionamento de motores, então a frequência do sinal de controle deve ser igual à</p><p>frequência da componente fundamental da tensão que se deseja aplicar ao motor e sua</p><p>amplitude deve ser proporcional à amplitude da tensão que se deseja aplicar.</p><p>Índice de modulação de amplitude (ma)</p><p>5</p><p>Índice de modulação de frequência (mf)</p><p>A lógica de controle é bem simples:</p><p>Condição Chaves Ligadas Chaves em corte</p><p>Vc > Vt Q1 e Q3 Q2 e Q4</p><p>Vc < Vt Q2 e Q4 Q1 e Q3</p><p>Como o sinal de “gate” é aplicado simultaneamente aos pares Q1 e Q3, Q2 e Q4, esta técnica</p><p>é chamada de chaveamento bipolar. A tensão de saída Vab possui pulsos de largura variável,</p><p>cuja amplitude varia entre +Vd e –Vd. A linha tracejada representa a componente</p><p>fundamental da onda de tensão de saída.</p><p>Outra possibilidade de controle para a ponte H da Fig. 8 é ilustrada na Fig. 9 a seguir. Agora</p><p>há uma onda moduladora senoidal e um comparador para cada braço do inversor e por esta</p><p>razão a técnica é denominada chaveamento unipolar. Note que Vbo</p><p>* está defasada de 180º de</p><p>Vao</p><p>* e a onda de tensão de saída é obtida graficamente pela diferença entre as tensões: Vab =</p><p>Vao – Vbo. Há ganhos na qualidade da onda de tensão Vab, já que agora seus pulsos variam</p><p>entre 0 e +Vd no semiciclo positivo e entre 0 e –Vd no negativo.</p><p>Fig. 8: Geração do sinal PWM senoidal num inversor monofásico em ponte (chaveamento bipolar).</p><p>6</p><p>Fig. 9: Geração do sinal PWM senoidal num inversor monofásico em ponte (chaveamento unipolar).</p><p>Inversor Trifásico - Os sinais PWM necessários para comandar o MIT são obtidos através</p><p>da comparação entre uma triangular e três ondas senoidais (de mesma frequência e</p><p>amplitude) defasadas de 120°. O processo de geração dos sinais PWM é o mesmo da Fig.</p><p>9 (monofásico unipolar), onde cada tensão de controle senoidal é responsável pelo</p><p>comando dos IGBTs de um braço.</p><p>Observações:</p><p>1. A transição entre o corte e a saturação dos transistores não é instantânea. Para evitar</p><p>um curto de braço, é introduzido um pequeno tempo morto (t lo) entre a transição do</p><p>sinal de “gate” para desligar uma chave e a transição do sinal de “gate” para ligar a</p><p>chave complementar do mesmo braço.</p><p>2. A técnica discutida é denominada PWM senoidal. Há outras mais vantajosas, que</p><p>estão se tornando mais populares nos inversores comerciais, como a técnica “Space</p><p>Vector Modulation - SVM”.</p><p>7</p><p>vao vbo vco</p><p>t</p><p>t</p><p>+Vd</p><p>-Vd</p><p>Vd</p><p>2</p><p>3</p><p>+</p><p>Vd</p><p>2</p><p>3</p><p>-</p><p>Vd</p><p>1</p><p>3</p><p>+</p><p>Vd</p><p>1</p><p>3</p><p>-</p><p>vab</p><p>van</p><p>vao</p><p>t</p><p>t</p><p>vT * * *</p><p>Vd</p><p>+0.5Vd</p><p>-0.5Vd</p><p>carrier wave</p><p>Sinewave</p><p>singnal</p><p>vP</p><p>0</p><p>0</p><p>0</p><p>0</p><p>-Vd</p><p>Fig. 10: Modulação PWM senoidal para um inversor trifásico.</p><p>Na figura, a tensão de linha Vab = Vao – Vbo, e Van = 2/3 Vao – 1/3 Vbo - 1/3 Vco.</p><p>A análise de Fourier para o sinal PWM é muito complexa. Pode-se demonstrar que a</p><p>amplitude da onda fundamental da tensão entre a fase “a” e o ponto central do Y ‘n’ é dada</p><p>por:</p><p>2</p><p>1</p><p>Vd</p><p>mV aan </p><p>O espectro harmônico do sinal Vao da Fig. 9(b) é ilustrado na Fig. 11 e dado pela equação:</p><p>( ) sin( ) ( )</p><p>2</p><p>d</p><p>ao c</p><p>V</p><p>v t m t M N      </p><p>Onde M e N são</p><p>inteiros, e m = ma = VP / VT.</p><p>8</p><p>.</p><p>Figura 11: Espectro harmônico para Vao ou Vbo.</p><p>Para que o conteúdo harmônico seja pequeno, o índice de modulação de amplituda (ma) deve</p><p>ser menor ou igual a “1”, o que resulta na variação linear da amplitude de Van1 com Vao</p><p>*. Caso</p><p>ma > 1, ocorre sobremodulação, resultando na saturação, conforme ilustrado na Fig. 12.</p><p>Na aplicações práticas, o índice de modulação de frequência (mf) é bem grande, resultando</p><p>numa frequência de chaveamente da ordem de 5 kHz. A indutância de dispersão do motor</p><p>atua como filtro, atenuando fortemente as harmônicas de corrente. Assim, a corrente é quase</p><p>senoidal, e o torque produzido pelo motor praticamente não tem “ripple”.</p><p>Figura 12: Sobremodulação da técnica PWM senoidal.</p><p>9</p><p> Controle da velocidade em malha aberta</p><p>Quando não é exigido um controle preciso de velocidade é possível operar sem realimentação</p><p>de velocidade, isto é, em malha aberta. Para se obter os benefícios potenciais do uso de</p><p>inversores no acionamento dos MIT com inversores, é necessário que a frequência seja</p><p>ajustada de forma gradual, e que a tensão varie de forma essencialmente proporcional com a</p><p>frequência. Estes dois aspectos são contemplados no sistema da Figura 13.</p><p>Se o sistema busca o controle do módulo do fluxo de entreferro ele é chamado de controle</p><p>escalar. Caso se deseje um desempenho dinâmico maior, usa-se o controle vetorial, onde o</p><p>fluxo (usualmente do rotor) é controlado como um vetor, i.e., em módulo e ângulo.</p><p>A Fig. 13 abaixo ilustra um controle escalar em malha aberta utilizando um inversor PWM.</p><p>Outros aspectos deste tipo de controle serão vistos na próxima seção.</p><p>Figura 13: Controle escalar em malha aberta utilizando um inversor PWM e frenagem dinâmica.</p><p>*</p><p>m</p><p> determina f  determina V1 de acordo com KfVV  01</p><p> fluxo constante.</p><p>Corrente limitada  método do limite de corrente</p><p></p><p>Is< valor permitido  m (=ma) é determinado por V1</p><p>Is > valor permitido  saída do limitador de corrente diminui m que reduz Is  o</p><p>acionamento opera com valor de Is próximo ao máximo permitido até a velocidade atingir um</p><p>valor para o qual Is < valor permitido.</p><p>Note que no elo CC há um “Chopper” formado pelo GTO e o resistor de frenagem RB, cujo</p><p>objetivo é permitir a frenagem do MIT, dissipando a energia devolvida pelo inversor ao elo</p><p>CC, e impedindo que a tensão do capacitor Vc (=Vd) alcance valores excessivos.</p><p>10</p><p> Controle em malha fechada</p><p>A Figura 14 ilustra uma aplicação de controle escalar de velocidade em malha fechada, no</p><p>qual o sinal de velocidade é realimentado através de um tacogerador. O erro de velocidade é</p><p>processado pelo controlador G1, cuja saída passa por um limitador, produzindo como sinal de</p><p>controle de torque, a frequência de deslizamento sl. Na região normal de operação, o torque</p><p>desenvolvido pelo MIT é proporcional a esta frequência. Limitar o valor de sl corresponde</p><p>limitar o torque do motor no valor desejado e garantir que o ponto de máximo torque não será</p><p>ultrapassado, i.e., o motor não ficará instável. Indiretamente, ao se limitar o valor de sl</p><p>consegue-se também limitar o valor de Is.</p><p>Fig. 14: Controle da velocidade tipo V/Hz, com regulação do deslizamento.</p><p>A referência de frequência (e*) é obtida pela soma da frequência de deslizamento com a</p><p>velocidade medida no tacômetro, e desta forma, durante uma aceleração, aumenta</p><p>gradualmente com a velocidade. Por outro lado, a referência de tensão é obtida através de um</p><p>gerador de função, que em baixas velocidades adiciona um offset de tensão, e que em altas</p><p>velocidades limita o valor máximo à tensão nominal da máquina. O inversor recebe ambas as</p><p>referências (amplitude e frequência) e é do tipo PWM.</p><p>A operação nos quatro quadrantes e possível desde que seja providenciado um circuito de</p><p>frenagem dinâmica, similar ao mostrado na Fig. 13, ou que o retificador R seja bidirecional</p><p>em potência.</p><p>Frenagem dinâmica </p><p>r</p><p>* diminui  polaridade do erro de velocidade fica negativa, resultando num sl</p><p>* negativo de</p><p>valor limitado.  e</p><p>* diminui ficando menor que r  a máquina opera como gerador</p><p>produzindo torque de frenagem.</p><p>11</p><p> Características comuns e limitações dos inversores V/Hz</p><p>A grande maioria dos inversores de uso geral opera à malha aberta. Entretanto, o</p><p>desenvolvimento da tecnologia permitiu a incorporação de diversas funções que reduzem as</p><p>desvantagens da operação à malha aberta. A seguir serão apresentadas as mais relevantes.</p><p> Funções Principais dos Conversores de Frequência:</p><p>Soft Start:</p><p>Além do controle da velocidade, outro benefício que os conversores de frequência oferecem é</p><p>a redução da corrente de partida com relação à partida direta dos motores de indução. Este</p><p>fato ocorre porque, o conversor alimenta o motor inicialmente com tensões e frequências</p><p>baixas e, através de uma rampa de aceleração pré-ajustada, este é levado à velocidade</p><p>desejada de forma suave.</p><p>Compensação de IR:</p><p>Seja o circuito simplificado por fase de um motor de indução, Figura 1.</p><p>Fig. 1: Representação das quedas de tensão num acionamento.</p><p>Na prática, sempre existirá uma conexão através de cabos entre o conversor e o motor</p><p>acionado. De maneira significativa ou não, isto ocasionará uma queda de tensão como se pode</p><p>ver na equação abaixo:</p><p>Outra queda da tensão localiza-se no próprio motor, mais precisamente nos enrolamentos do</p><p>estator. A condição ideal de trabalho para o motor seria efetivamente se toda tensão (potência)</p><p>entregue pelo conversor fosse absorvida pelo circuito de magnetização caracterizando que</p><p>toda potência entregue seria transferida ao rotor.</p><p>Caso ideal:</p><p>VINV = VCABO + VEST + VMAG</p><p>VINV = VMAG</p><p>12</p><p>Na situação de rotação nominal o motor receberá do conversor a tensão nominal. Nesta</p><p>condição, as perdas no cabo e no estator se tornam desprezíveis permitindo a seguinte</p><p>afirmação:</p><p>Para 20 Hz    60 Hz tem-se</p><p>O problema realmente surge quando a frequência (rotação) é diminuída abaixo de 20 Hz, pois</p><p>nesta condição a tensão gerada pelo conversor é bastante reduzida fazendo com que as perdas</p><p>no cabo e principalmente no estator sejam significativas. É neste caso que opera a chamada</p><p>compensação de IR que nada mais é que um acréscimo da tensão de saída do conversor,</p><p>somente para baixas frequências, com a função de anular o efeito de perdas indesejáveis.</p><p>Assim:</p><p>ΔU + VINV = VCABO + VEST + VMAG  IDEAL !</p><p>Conhecido como Booster. Pode ser manual ou automático.</p><p>Fig. 2: Booster automático na partida.</p><p>Partida com Motor Girando (Flying Start)</p><p>É comum nas indústrias a ocorrência de oscilações momentâneas na rede de alimentação que</p><p>podem levar à parada do motor acionado. No instante do retorno da rede, a partida destes</p><p>motores deverá ocorrer de forma imediata e, de preferência sem ocorrência de trancos que em</p><p>alguns casos, ocasiona danos mecânicos no equipamento acionado.</p><p>VINV = VCABO + VEST + VMAG</p><p>VINV = VMAG  IDEAL !</p><p>13</p><p>Para que isto não ocorra, é comum a implementação de uma função que capture a frequência</p><p>de rotação do motor e faça-o partir de forma suave. Esta função é normalmente chamada de</p><p>FLYING START.</p><p>Fig. 3: Partida com motor rodando.</p><p>Fig.4: Variação da velocidade com o torque de carga.</p><p>Compensação de Escorregamento:</p><p>Quando um motor é ligado diretamente à rede, ao ocorrer uma variação brusca na carga, há</p><p>uma variação da velocidade do motor causando um aumento do escorregamento:</p><p>Nestes casos é comum o aparecimento da seguinte dúvida </p><p>Um conversor de frequência trabalhando em malha aberta é capaz de manter a rotação do</p><p>motor com boa precisão mesmo no caso de alterações bruscas de carga?</p><p>A resposta para esta pergunta</p><p>é afirmativa. Em malha aberta, a única variável possível de ser</p><p>medida é a corrente do motor e é através desta que a chamada compensação de</p><p>escorregamento opera. Quando a corrente do motor sobe indicando um pico de carga, o</p><p>conversor imediatamente aumenta a frequência da tensão de saída de forma a compensar a</p><p>perda de velocidade:</p><p>14</p><p>Desta forma, é garantida uma precisão de velocidade de aproximadamente 3% em motores de</p><p>baixo escorregamento. Quando uma precisão maior de velocidade é requerida é comum o uso</p><p>de um controle em malha fechada.</p><p>Proteção de Motor Travado:</p><p>Duas das principais ocorrências que levam normalmente à queima dos motores de indução em</p><p>aplicações diretas à rede é o travamento do eixo por motivo mecânicos internos ou por</p><p>sobrecargas externas ou à perda de fase de alimentação. A causa que leva os motores à</p><p>queima é a elevação significativa da corrente durante um tempo maior que a capacidade</p><p>máxima de absorção do motor. Para que tudo isto seja evitado os conversores usam de um</p><p>artifício que consiste na diminuição da frequência de saída do conversor e, em consequência</p><p>disto, na diminuição da tensão aplicada ao motor (V/f=cte.), obrigando a corrente a cair a</p><p>níveis aceitáveis normalmente girando em torno de 70% da corrente nominal do motor,</p><p>evitando assim a sua queima através da limitação desta operação em apenas 20 segundos</p><p>aproximadamente.</p><p>Fig. 6: Proteção de motor travado.</p><p>Relação V/f Ajustável:</p><p>Esta função tem um lado prático muito importante, pois através deste ajuste permite-se que o</p><p>motor trabalhe sempre com suas características nominais de tensão e frequência. Devemos</p><p>entender ainda, que um motor que trabalha em condições nominais, deverá permanecer com</p><p>baixo índice de manutenção e será garantido o tempo de vida útil indicado pelo fabricante.</p><p>Exemplos para entender duas das principais aplicações deste ajuste em situações práticas nas</p><p>indústrias:</p><p>1) Suponha que um acionamento é composto de um conversor e um motor para 440V.</p><p>Um certo dia, este motor apresenta problemas e deverá ir para manutenção. Com isto, o</p><p>operador nota que em seu estoque não existem mais motores em 440V e acaba encontrando</p><p>um outro para 380V. Então, surge a questão: Seria possível a aplicação deste motor de tensão</p><p>menor com o conversor original?</p><p>Resposta: Sim, esta possibilidade existe, bastando que o ajuste na relação V/f seja feito da</p><p>seguinte maneira:</p><p>Fig.7: Controle da razão V/Hz.</p><p>∆f = K i</p><p>t</p><p>15</p><p>2)Suponha que o mesmo acionamento do exemplo anterior, ou seja, motor e conversor</p><p>em 440V estejam em pleno funcionamento. O operador nota, numa de suas medições</p><p>periódicas que a tensão de rede permanece constante em 460V. Com isto o operador nota que</p><p>a corrente que flui no motor está apresentando um valor maior do que o esperado.</p><p>Pergunta: Porque a corrente tende a ser maior neste caso? O que fazer para solucionar este</p><p>problema?</p><p>Resposta: A corrente neste caso, tende a subir pela própria característica dos motores de</p><p>indução. Toda vez que uma tensão maior é aplicada ao motor, existe uma tendência da</p><p>corrente de magnetização elevar-se a níveis que dependem exclusivamente da curva</p><p>característica do motor.</p><p>Fig. 8: Ajuste na razão V/Hz, para compensação de sobretensão.</p><p>De forma geral:</p><p>sendo, fN e VN a frequência e a tensão nominais do motor, respectivamente.</p><p>Requerida: 380V – 60Hz</p><p>Rede : 440V - f</p><p>f = 440.60</p><p>380</p><p>f = 70Hz</p><p>fajuste = Vrede  fN</p><p>VN</p><p>Requerida: 440V – 60Hz</p><p>Rede : 460V - f</p><p>f = 460.60</p><p>440</p><p>f = 63Hz</p><p>16</p><p> Valores nominais</p><p>Para resposta transitória rápida  o motor assume correntes maiores que a nominal.</p><p>Corrente nominal do inversor  máxima corrente transitória do motor.</p><p>Neste caso o motor precisa de proteção contra sobrecarga sustentada porque a</p><p>malha de controle de corrente não o protege contra este tipo de falta.</p><p>Quando não for necessária resposta transitória rápida  Corrente nominal do</p><p>inversor  corrente nominal do motor.</p><p> Operação abaixo da rotação nominal</p><p>Um motor padrão para operar em rede de frequência de 50 ou 60 Hz pode girar a frequências</p><p>mais baixas quando alimentado por um inversor.</p><p>Considerando-se que a corrente do motor provoca as perdas no cobre, então a perda de</p><p>potência será proporcional à carga. Se o motor girar mais lento, com a mesma corrente</p><p>nominal (determinada pela carga) gerando a mesma perda de potência que ocorre em</p><p>velocidades mais elevadas  o motor autoventilado se sobreaquece, pois há um menor fluxo</p><p>de ar de refrigeração disponível quando o ventilador do motor se movimenta em velocidades</p><p>menores.</p><p>Quando o motor é utilizado em aplicações para controle de ventiladores ou bombas</p><p>centrífugas, a carga normalmente diminui conforme a velocidade se reduz  dessa forma o</p><p>sobreaquecimento deixa de existir.</p><p>Em aplicações nas quais o motor deve desenvolver pleno torque (100% da corrente) em baixa</p><p>velocidade  o sobredimensionamento ou utilização de motores com um fator de serviço</p><p>mais elevado se torna necessário.</p><p></p><p> MOTOR AUTOVENTILADO</p><p>Para a utilização de motores autoventilados padrão, a redução da ventilação nas baixas</p><p>rotações faz com que seja necessária  uma diminuição no torque demandado do motor ou o</p><p>sobredimensionamento do mesmo, de modo a manter sua temperatura dentro dos limites da</p><p>sua classe térmica. O fator de redução do torque (derating factor), que leva em consideração</p><p>as influências da redução da ventilação em baixas rotações, bem como das harmônicas e do</p><p>enfraquecimento de campo nas rotações acima da nominal para motores fechados,</p><p>autoventilados, com carcaça de ferro-fundido, está representada na Figura 7.3 e equacionada a</p><p>seguir (WEG):</p><p>17</p><p>A curva foi obtida experimentalmente, em condições de alimentação com uma onda senoidal</p><p>e fluxo nominal no entreferro. As equações correspondentes a cada trecho da curva da Figura</p><p>7.3 são as seguintes:</p><p>A frequência normalizada, fr , é dada por</p><p>18</p><p> MOTOR COM VENTILAÇÃO INDEPENDENTE</p><p>Com a utilização de motores com ventilação independente, não existirá mais o problema de</p><p>sobreaquecimento do motor por redução de refrigeração, podendo o mesmo ser dimensionado</p><p>com a carcaça normal e potência necessária ao acionamento.</p><p>Para motores com ventilação independente, o ventilador que era acoplado ao próprio eixo do</p><p>motor agora é acoplado a um outro motor independente, que geralmente é acoplado ao motor</p><p>principal por intermédio de uma flange defletora especial que permite o suporte mecânico do</p><p>motor da ventilação.</p><p> Operação acima da rotação nominal</p><p>Um motor padrão para operar em rede de frequência de 50 ou 60 Hz pode girar a frequências</p><p>mais altas quando alimentado por um conversor de frequência. A velocidade máxima depende</p><p>do seu balanceamento mecânico e dos rolamentos. Neste caso, como o motor funcionará com</p><p>enfraquecimento de campo, a máxima velocidade estará limitada pelo torque disponível do</p><p>motor e pela máxima velocidade periférica das partes girantes do motor (ventilador, rotor,</p><p>mancais).</p><p> Casos especiais</p><p>A potência admissível de um inversor de frequência é determinada levando-se em</p><p>consideração, principalmente, dois fatores:</p><p>Altitude em que o inversor será instalado</p><p>Temperatura do meio refrigerante</p><p>Conforme Norma, as condições usuais de serviço, são:</p><p>Altitude não superior a 1000 m acima do nível do mar</p><p>Meio refrigerante (ar ambiente) com temperatura não superior a 40ºC</p><p>19</p><p>Nos casos em que o inversor for trabalhar com temperatura do ar de refrigeração maior do que</p><p>40ºC e/ou em altitude maior do que 1000m acima do nível do mar devem ser considerados os</p><p>seguintes fatores de redução:</p><p> EFEITO DA TEMPERATURA AMBIENTE</p><p>A redução da potência (corrente) nominal do inversor</p><p>de frequência, devido à elevação da</p><p>temperatura ambiente, acima de 40oC, e limitada a 50oC, é dada pela relação e gráfico a</p><p>seguir, com fator de redução = 2% / ºC</p><p> EFEITO DA ALTITUDE</p><p>Inversores funcionando em altitudes acima de 1000m, apresentam problemas de aquecimento</p><p>causado pela rarefação do ar e, consequentemente, diminuição do seu poder de arrefecimento.</p><p>A troca de calor entre o inversor e o ar circundante insuficiente, leva à exigência de redução</p><p>de perdas, o que significa redução de potência também. Segundo Norma, os limites de</p><p>elevação de temperatura deverão ser reduzidos de 1% para cada 100m de altitude acima de</p><p>1000m. A redução da potência (corrente) nominal do conversor de frequência, devido à</p><p>elevação da altitude acima de 1000m e limitada a 4000m, é dada pela relação e gráfico a</p><p>seguir, com fator de redução = 1 % / 100m</p><p>20</p><p> Sistemas de Bombeamento de fluídos</p><p>Bombeamento pode ser definido como o efeito de adicionar energia a um fluido para movê-lo</p><p>de um ponto a outro. Como energia é a capacidade de produzir trabalho, adicioná-la a um</p><p>fluido permite que o mesmo execute um trabalho, ou seja, fluindo através de uma tubulação</p><p>ou atingindo um ponto com a cota mais elevada. Este efeito é obtido através das bombas que</p><p>são máquinas operatrizes hidráulicas. A grande maioria das aplicações em sistemas de</p><p>bombeamento utiliza turbo-bombas ou bombas centrífugas.</p><p>Arquivos: Bombas.pdf , Aplica_Bombas.pdf</p><p> Variação de velocidade</p><p>Variação de velocidade  é incorporado ao sistema um sensor de pressão ou de vazão que</p><p>envia um sinal analógico ao inversor de frequência que aciona o conjunto moto-bomba.</p><p></p><p>O sistema recebe somente a demanda requerida pelos consumidores, movimentando a curva</p><p>da bomba para o ponto ideal de consumo do sistema conforme a necessidade. Desta maneira,</p><p>o sistema consome da rede elétrica exatamente a potência requisitada reduzindo a potência</p><p>elétrica consumida, em torno de 50% a 20%.</p><p>Nos outros métodos existentes, a curva do sistema é que é variada levando a bomba a</p><p>funcionar em baixos rendimentos.</p><p>file:///C:/Users/Gilberto/Desktop/Documents/DEL/Maquinas%20II/Material%20enviado%20pela%20Jussara/Aula28_04_04_13/Bombas.pdf</p><p>file:///C:/Users/Gilberto/Desktop/Documents/DEL/Maquinas%20II/Material%20enviado%20pela%20Jussara/Aula28_04_04_13/Aplica_Bombas.pdf</p><p>21</p><p>Ajustes convencionais</p><p>O controle de velocidade do conjunto moto bomba através de um inversor de frequência,</p><p>necessita de alguns ajustes especiais para otimizar o funcionamento do sistema, por exemplo:</p><p>Função curva U/F quadrática</p><p>Esta função tem o objetivo de otimizar o consumo de energia elétrica do conjunto motor de</p><p>indução mais inversor de frequência ao acionar um sistema de bombeamento.</p><p>Normalmente o inversor de frequência, envia ao motor a tensão proporcional à frequência de</p><p>trabalho desejada, mantendo o conjugado do motor constante e a potência elétrica linear. Mas,</p><p>em sistemas de bombeamento, a demanda de torque reduz com o quadrado da redução da</p><p>velocidade do sistema  ao utilizar o inversor de frequência com o controle U/F linear em</p><p>sistemas de bombeamento  torque disponível maior que o necessário, como pode-se</p><p>verificar na figura a seguir:</p><p></p><p>Ao habilitar a função U/F quadrática nos inversores, consegue-se otimizar o fornecimento de</p><p>torque à bomba, fazendo o sistema de bombeamento consumir apenas a potência necessária:</p><p>22</p><p> Sistemas de Ventilação</p><p>Ventiladores são definidos como geradores de fluxo que trabalham com fluido no estado</p><p>gasoso, provocando uma diferença de pressão inferior a 0,20 [kgf/cm2] e a massa específica</p><p>do fluido praticamente não se altera. Os ventiladores são considerados máquinas de fluxo</p><p>hidráulicas.</p><p>Vale ressaltar que aproximadamente 40% dos motores elétricos utilizados nas indústrias, são</p><p>aplicados em algum tipo de bomba ou ventilador.</p><p>Função Curva U/F quadrática</p><p>Para os sistemas de ventilação, tem-se o mesmo benefício da redução do consumo de energia</p><p>elétrica, que o obtido com a aplicação de inversores em sistemas de bombeamento.</p><p> Movimentação de Cargas</p><p> PONTES ROLANTES</p><p> Vantagens da utilização do Inversor de frequência</p><p>Eliminação dos impactos elétricos para a rede</p><p>Com o inversor de frequência, pelo fato de se manter o fluxo constante no motor (variam a</p><p>frequência e a tensão), consegue-se manter o torque nominal do motor em toda faixa de</p><p>rotação, partindo com a corrente de entrada do inversor da ordem ou menor que a corrente</p><p>nominal do motor. Desta forma, com o inversor de frequência é possível partir cargas</p><p>pesadas, com torque elevado do motor, com reflexo para a rede da ordem da corrente</p><p>nominal, eliminando as elevadas correntes de partidas diretas do motor (7xIn), ou mesmo se</p><p>comparando com os motores de anéis (rotor bobinado). O inversor de frequência elimina</p><p>esses efeitos que causam afundamentos de tensão, necessidade de sobredimensionamento dos</p><p>dispositivos de comando, cabos e transformador, desligamentos indesejáveis, etc.</p><p>Eliminação dos impactos mecânicos</p><p>23</p><p>O inversor de frequência permite a programação de rampas de aceleração e desaceleração</p><p>suaves, fornecendo ainda torque elevado, eliminando os choques mecânicos durante as</p><p>partidas, trocas de velocidade (comparado com a comutação de resistência dos motores de</p><p>anéis) e paradas suaves, uma vez que o freio mecânico não mais atraca para frenagem (a</p><p>frenagem passa a ser elétrica), sendo utilizado apenas para estacionamento e emergência.</p><p>Desta forma reduz-se drasticamente as paradas para manutenção ou ajuste das sapatas do</p><p>freio, quebra de acoplamento, mancais, redutores, bem como maior facilidade e precisão de</p><p>posicionamento das cargas (como por exemplo, sobre a carroceria de caminhões).</p><p>Todos os ajustes são parametrizáveis, podendo ser facilmente alterados conforme a</p><p>necessidade (rampas de aceleração, desaceleração, velocidades, etc.).</p><p>Economia de energia</p><p>Redução no consumo de energia uma vez que a potência do motor (kW) fica modulada pela</p><p>carga e pela velocidade de trabalho, passando a consumir apenas o que o processo requer,</p><p>eliminando os desperdícios (baixos rendimentos, desperdício e dissipação de calor nos</p><p>acionamentos com motores de anéis, etc.).</p><p>Em aplicações de pontes de produção, com elevados ciclos de operação, torna-se viável a</p><p>utilização de inversores de frequência com capacidade regenerativa possibilitando, além da</p><p>economia de energia citada acima, também o retorno para a rede da potência regenerada no</p><p>momento da descida e frenagem da carga, quando o motor é tracionado e passa a funcionar</p><p>como gerador.</p><p>Automação do sistema</p><p>O inversor de frequência possibilita a automação do sistema, permitindo a comunicação</p><p>através de redes fieldbus, trocando informações com um sistema superior (CLP, supervisório),</p><p>permitindo melhor administração do processo através da monitoração, emissão de relatórios,</p><p>etc.</p><p> Dimensionamento para grande maioria das cargas (bombas, ventiladores,</p><p>compressores, etc.) – ciclo normal</p><p>O dimensionamento do inversor de frequência é feito através da corrente nominal do motor</p><p>elétrico, usando um inversor com corrente nominal igual ou imediatamente superior (para</p><p>condições ambientais: temperatura até 40°C e altitude até 1000m).</p><p>Este dimensionamento ainda prevê sobrecargas de 150% durante 60s a cada 10 min para</p><p>cargas com conjugado constante, ou 120% durante 60s a cada 10 min para cargas com</p><p>conjugado variável.</p><p> Dimensionamento para pontes rolantes - ciclos pesados de operação</p><p>Para aplicações em pontes rolantes, por exemplo, na qual existe a necessidade de se partir</p><p>cargas pesadas com tempos de aceleração relativamente curtos  o inversor vai operar em</p><p>sobrecarga de modo a vencer a inércia da carga durante a aceleração (ou desaceleração).</p><p>Na grande maioria das vezes, para o correto dimensionamento do inversor  deve-se levar</p><p>em consideração o ciclo de operação da ponte no pior caso, para um período de 10 minutos,</p><p>24</p><p>calculando-se o valor eficaz da corrente para este período. O inversor será escolhido então,</p><p>para a corrente igual ou superior à corrente eficaz calculada, tomando-se ainda o cuidado de</p><p>verificar se alguma corrente de sobrecarga do ciclo avaliado não seja maior que 1,5 vezes a</p><p>corrente do inversor escolhido. Se for maior, o inversor deverá ser sobredimensionado de</p><p>maneira a atender a este requisito.</p><p>Lembrar que devem ser levadas em consideração as condições ambientais como a altitude e a</p><p>temperatura ambiente, que podem levar ainda a um sobredimensionamento do inversor.</p><p> Especificação dos inversores de frequência</p><p>Com base na experiência adquirida ao longo dos anos, foram estabelecidos alguns fatores que</p><p>podem ser utilizados para especificação dos inversores de frequência a serem utilizados em</p><p>todos os movimentos de uma ponte rolante, conforme descrito abaixo.</p><p>Movimentos Verticais (Elevação):</p><p>• Para pontes rolantes com regime de trabalho leve e ambiente não agressivo:</p><p>IsCFW = 1,15 x Inmotor</p><p>IsCFW – Corrente de saída do Inversor</p><p>Inmotor – Corrente nominal do motor</p><p>• Para pontes rolantes com regime de trabalho pesado e ambiente agressivo (áreas</p><p>siderúrgicas):</p><p>IsCFW = 1,20 x Inmotor</p><p>IsCFW – Corrente de saída do Inversor</p><p>Inmotor – Corrente nominal do motor</p><p>Importante: Se tiver dúvida quanto ao regime e o ambiente de trabalho, utilize o maior fator</p><p>(1,20), ou entre em contato com o fabricante.</p><p>Movimentos Horizontais (Translação)</p><p>• O inversor deverá ser dimensionado da seguinte forma:</p><p>IsCFW = Inmotor</p><p>IsCFW – Corrente de saída do Inversor</p><p>Inmotor – Corrente nominal do motor</p><p> Características técnicas (WEG)</p><p>25</p><p>26</p><p>27</p><p></p><p>28</p><p>29</p><p>30</p>