Controle de Velocidade me Máquinas Síncronas Através de Sua Frequência

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Controle de Velocidade em Motores Elétricos de 
Corrente Alternada 
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Sumário 
Máquinas Síncronas........................................3 
Formas de Onda.............................................7 
Componentes para geração..............................9 
Projetos e Aplicações.....................................11 
Referências..................................................12 
 
Discente: Victor Sales 
Ribeiro 
Docente: Lucas Costa 
Vichinsky 
 
 
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“A principal característica das máquinas síncronas é a frequência da tensão gerada é 
sincronizada com a velocidade mecânica do equipamento. Isso permite que, por exemplo 
máquinas mais simples o controle da velocidade seja realizado através do de número de 
polos de uma máquina. Durante esse trabalho, vamos verificar o comportamento dessas 
máquinas em sistemas comuns e analisar o comportamento desse equipamento em 
função de ondas quadradas, o que elas implicam no motor e como esse controle deve ser 
realizado. Além disso verificaremos alguns modelos comuns de motores que são 
utilizados e suas principais características. ” 
 
 
Como foi dito na introdução, a principal característica das máquinas síncronas é que 
sua velocidade mecânica está associada a tensão elétrica de entrada através de sua 
frequência elétrica. Algumas características importantes sobre as máquinas síncronas 
serão dissertadas aqui com o intuito de tornar nossa análise na aplicação mais 
simplificada. 
Considere dois tipos de máquinas síncronas para a análise: as máquinas síncronas 
monofásicas e as máquinas síncronas trifásicas. Para o estudo algumas 
características são semelhantes. Isso na prática ajuda a entender muito bem qual o 
comportamento das duas em relação ao seu tipo de operação. Essas características 
são: 
 Sobre a tensão de magnetização: Máquinas síncronas assim como toda 
máquina elétrica necessitam de uma tensão de campo CC para operar, apesar 
de sua tensão gerada ser CA, a análise da onda quadrada será aplicada 
justamente no lado de campo da máquina; 
 A frequência elétrica influência no comportamento mecânico da 
máquina: O número de polos da máquina determina a velocidade, uma vez 
que para um número maior de polos a frequência aumenta, porém, a 
velocidade diminui e vice-versa; 
 
 
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Fig. 1 – Comparação da frequência entre uma máquina síncrona de um polo e dois 
polos. 
Fonte: Synchronous Generators I (Referência 2) 
 Descrição facilitada do comportamento mecânico da máquina: Pelo 
fato de sua velocidade mecânica estar associada com a frequência elétrica, 
podemos facilmente associar o torque de saída/entrada (dependendo do tipo 
de operação da máquina) com seu torque de saída. 
 Diagrama Elétrico: Máquinas síncronas como qualquer máquina elétrica 
deve obedecer seu diagrama elétrico. Algumas grandezas descrevem o 
comportamento da potência de entrada e saída da máquina dependendo da 
maneira que se deseja trabalhar. Entender esse diagrama ajuda na análise 
geral da máquina. 
 
Fig. 2 – Diagrama fasorial de um gerador síncrono com a) FP atrasado; 
 b) FP adiantado 
Fonte: Chapman, 5ª Ed. 
 
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Fig. 3 – Diagrama fasorial para FP unitário 
Fonte: Chapman, 5ª Ed. 
 
 
 
Fig.4 – a) Diagrama fasorial de um motor síncrono para FP atrasado; 
b) Diagrama fasorial de um motor síncrono para FP adiantado. 
Fonte: Chapman, 5ª Ed. 
 
 Diagrama de fluxo potência das máquinas síncronas: descreve o 
comportamento das potências de entrada e saída em máquinas elétricas. 
Importante para a análise do aumento de grandezas na prática. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fig. 5 – Diagrama de Fluxo de Potência para um gerador. 
 
 
 
 
Perdas de 
Desvio 
Perdas 
Mecânicas 
Perdas no 
Núcleo 
Perdas de 
Potência 
Elétrica 
(𝐈𝟐𝐑) 
𝐸𝐴𝐼𝐴 = 𝜏𝑖𝑛𝑑𝜔𝑖𝑛 
 
𝐏𝐢𝐧 = 𝜏𝑎𝑝𝑝𝜔𝑛 
 
S
A
Í
D
A
 
E
N
T
R
A
D
A
 
6 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fig. 6 – Diagrama de fluxo de potência para motores. 
 
Obs.: As perdas de desvio são geralmente consideradas 1% da potência a plena 
carga do equipamento. (Chapman) 
 Sobre a corrente de Campo: Deve-se analisar a característica da corrente 
de campo, uma vez que a corrente de campo pode ser determinada facilmente 
dependendo do tipo de configuração da máquina e além disso ela determina 
a amplitude da corrente de armadura. Procurar quantificar esses valores de 
fato auxilia na análise. 
 
Nesse trabalho será assumido que o leitor já saiba os conceitos de configurações 
série e paralelo. Também já é assumido que o leitor já saiba qual a formulação 
necessária para essa análise prática. A sugestão dada pelo autor é que sejam 
consultadas as referências apresentadas nesse trabalho para quitar suas dúvidas. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
𝐏
𝐢𝐧
 =
𝑉
𝑇
𝐼 𝐿
 
𝐸𝐴𝐼𝐴 = 𝜏𝑖𝑛𝑑𝜔𝑖𝑛 
 
Perdas de 
Desvio Perdas de Potência 
Elétrica 
(𝐈𝟐𝐑) 
Perdas no 
Núcleo 
Perdas 
Mecânicas 
E
N
T
R
A
D
A
 
S
A
Í
D
A
 
 
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“Ondas são tratadas, principalmente, de cinco formas em equipamentos 
elétricos, ondas senoidais, ondas do tipo dente de serra e ondas quadradas. Qualquer 
uma dessas ondas possuem suas vantagens e desvantagens. Nesse trecho do 
trabalho vamos falar sobre as ondas quadradas, retangulares e de pulso 
descrevendo algumas de suas características, procurando entender a importância 
que existe para o controle dessas máquinas. ” 
 
 
Algumas considerações fundamentais sobre a motivação de utilização de ondas 
quadradas em máquinas síncronas devem ser dadas antes de citarmos os 
equipamentos que geram esse tipo de onda. Elas são: 
 Como dito anteriormente a entrada de onda no ramo de campo deve ser 
sempre contínua. Ondas quadradas/retangulares/pulso de ondas possuem 
uma característica única de ser interpretada como valores diferentes de ondas 
contínuas. Esse fato é interessante pois assim dependendo da amplitude 
dessas ondas, a corrente de campo pode assumir valores diferentes. 
 Analógico Vs. Digital: Essas formas de onda podem ser geradas de duas 
formas: analogicamente ou digitalmente. As duas maneiras possuem 
vantagens e desvantagens. Na próxima página pode ser verificado as 
vantagens e desvantagens dos dois meios. 
 Esse controle da frequência de tensão é interessante para determinar qual a 
velocidade que o motor vai atuar. Assim interferindo no tamanho do torque 
do motor. 
 
Caso o leitor queira se aprofundar um pouco mais na natureza das ondas e suas 
principais caracterização a sugestão é que você tenha um inglês afiado e leia o artigo 
disponibilizado pelo link nas referências. 
 
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Geração Analógica 
 
[+] Geralmente, gerar tensão quadrada 
com componentes analógicas é mais 
barato que com componentes digitais. 
[+] Possui maior facilidade para ser 
implementada em sistemas onde é 
requisitada uma maior quantidade de 
máquinas funcionando ao mesmo 
tempo, os circuitos geralmente são 
resumidos em atuações paralelas de 
circuitos de geração. 
[+] Equipamentos analógicos são, 
geralmente, mais robustos e conseguem 
suportar uma quantidade de potência 
bem mais elevada que equipamentos
digitais. 
[-] A implementação geralmente requer 
uma quantidade bem maior de 
componente e requer uma análise 
elétrica mais robusta. 
[-] São mais propícios a ruídos e menos 
eficientes, geralmente processos de 
filtragem são necessários para os sinais 
serem corrigidos. 
[-] As perdas por calor são maiores e 
esse tipo de equipamento requer, 
geralmente, algum tipo de mecanismo 
que o ajude o equipamento a não 
exceder sua temperatura. 
 
Geração Digital 
 
[+] Possui métodos mais precisos e 
mais eficientes de geração de onda. 
[+] As perdas por calor são bem 
menores que em sistemas analógicos. 
[+] A implementação em sistemas 
digitais requer uma quantidade menor 
de componentes e uma análise elétrica 
menos robusta. 
[+] São menos propícios a ruídos e são 
sistemas que geralmente não precisam 
de filtragem ou já realizam uma 
filtragem no seu próprio processamento. 
[-] Dificuldade de implementação em 
massa, devido ao custo relativamente 
altos. 
[-] São equipamentos mais sensíveis a 
potências e correntes elevadas, 
requerendo assim uma proteção a esses 
fatores. 
[-] Uma forma de onda gerada por uma 
componente digital geralmente possui 
um custo mais elevado que uma forma 
de onda gerada por um meio analógico. 
[-] Geralmente é necessária uma 
amplificação do sinal gerado através de 
circuitos específicos, devido à natureza 
do equipamento geralmente gerar 
tensões menos elevadas. 
 
Abaixo será citado brevemente cada forma de geração das ondas alvo e suas 
características principais. 
 
O caso das máquinas trifásicas 
 No começo final do século 19 e no começo do século 20 as indústrias tinham muito receio 
de utilizar motores trifásicos. Isso se dá pelo fato de que o controle da velocidade desses motores 
na época não era preciso, os motores comumente passavam da velocidade que eram para atuar e 
começavam a atuar em uma velocidade maior do que a prevista. 
 Apesar desse impasse motores trifásicos possuem resultados melhores de torque que um 
motor monofásico, por um preço menor. Esse fator levou a eletrônica a disponibilizar alguns 
métodos maiores de controle para esse equipamento elétrico em particular. 
 Atualmente, indústrias que utilizam máquinas rotativas, como por exemplo indústrias 
têxteis, optam por motores trifásicos devido ao seu maior rendimento. 
 
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Os métodos de geração podem ser divididos em dois: métodos analógicos e 
métodos digitais. Os componentes utilizados vão ser de natureza elétrica ou de 
natureza programável, dependendo da característica do sistema. Os equipamentos 
utilizados para geração desses sinais são: 
 
 CI: Existe uma gama de circuitos integrados que conseguem gerar pulsos de 
sinal. Alguns deles são o 4047 (ondas quadradas), o temporizador 555 (para 
ondas quadradas/retangulares) e o TL594 (pulsos PWM). As especificações 
necessárias para o projeto vão depender do datasheet de cada componente. 
 Oscilador de cristal com CMOS Outra maneira de gerar ondas quadradas, 
geralmente são utilizados como geradores de pulso de clock para circuitos 
digitais. A vantagem de utilização desse circuito é que dependendo dos 
valores de impedância, a frequência do sinal de saída é diferente. 
 Inversores: inversores atualmente são a forma mais precisa de utilização 
analógica para circuitos dessas características. Circuitos dessa característica 
são geralmente feitos com dispositivos de chaveamento, como tiristores. 
 Circuitos de onda quadrada com AMP-OP: os amplificadores operacionais 
também podem gerar ondas quadradas. O caso do circuito com o 741 é um 
exemplo disso. 
 
Métodos digitais de geração de sinal: 
 
 Arduino: O Arduino possui um módulo para geração de sinal PWM. Com 
ele o usuário pode controlar a frequência de saída. O problema mais 
comum com essa entrada é que a saída é no máximo de 5 volts. O Arduino 
também é um dispositivo bem sensível a correntes elevadas. Esse rapaz 
ainda possui uma biblioteca enorme de projetos e de códigos, o que torna 
ele bem popular para qualquer aplicação. 
 Raspberry: outra plataforma programável que possui um pino de PWM. 
Possui as mesmas características que o Arduino. 
 DSP: os processadores digitais de sinais atualmente são os dispositivos 
programáveis mais potentes para a geração de sinais. São dispositivos 
sensíveis e que geralmente possuem um custo muito elevado. 
 PIC: os circuitos integrados programáveis também são capazes de gerar 
ondas quadradas, porém devido a sua dificuldade de programação 
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geralmente não são muito recomendados. Apesar disso, a contrapartida é 
que o preço desses circuitos geralmente são mais baixos que os dos seus 
conterrâneos. 
 
Entender essas metodologias para geração é necessário para entender como 
trabalhar com motores e sinais quadrados. Agora vamos ver algumas aplicações de 
motores com um sinal de onda quadrado. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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Algumas aplicações que podem ser utilizadas para a redução de velocidade de 
motores podem ser: 
 A redução ou aumento de produção de uma devida indústria 
(principalmente têxtil ou que produza materiais gráficos) com o 
aumento ou a redução da frequência utilizada. 
 Aumento ou redução da ventilação de um ambiente. 
 Utilização para uma esteira de uma fábrica. 
 Levantar ou abaixar uma ponte. 
As aplicações variam e dependem muito da criatividade do projetista para 
verificar onde é que elas podem ser utilizadas. Mas a questão de como o motor roda 
e sua velocidade ser controlada. Alguns projetos podem ser encontrados abaixo para 
o controle da velocidade: 
 Projeto de inversores para motores síncronos: o autor desenvolveu um 
circuito inversor com alta precisão para aplicações domésticas, 
aplicações para o controle de equipamentos HVAC (equipamentos de 
climatização, que são capazes de resfriar, ventilar e aquecer) e outras 
aplicações de ventilação e tubulação. O projeto foi simulado e 
desenvolvido pelo autor e pode ser encontrado no apêndice. 
 Controle de velocidade em motores AC utilizando Arduino: no trabalho 
é exibido como se utiliza as portas PWM e SPWM para o controle de 
velocidade de motores. O projeto anterior utilizou o temporizador 555 
para a geração da PWM, porém o Arduino também pode ser utilizado 
para o mesmo proposito com uma vantagem ainda maior, ser utilizado 
como um dispositivo de controle para outros mecanismos. Geralmente 
para controle de motores com Arduino é utilizado um dispositivo 
chamado ponte H. Essa mesma ponte pode ser criada por um circuito 
equivalente. 
 Controle de motores AC utilizando DSP: o sistema possui uma variação 
de frequência entre 1.5 kHz e 25 kHz com 12 bits. Os conversores são 
baseados em três dispositivos ADSP-2105, ADMC201 e o AD2S90. O 
autor ainda sugere que os DSP ADSP-2105 pelo DSP-2101 ou pelo 
DSP-2181 para maior poder de processamento. 
 
Os links para esses projetos estarão disponíveis nas referências. 
 
 
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[I] Chapman, Máquinas Elétricas. 5ª Edição 
[II] Syncronous Generator I; 
Link: http://www.egr.unlv.edu/~eebag/Synchronous%20Generator%20I.pdf 
[III] Waveforms; 
Link: https://www.electronics-tutorials.ws/waveforms/waveforms.html 
[IV] Design of Inverter for Syncronous Motors; 
Link: 
http://eie.uonbi.ac.ke/sites/default/files/cae/engineering/eie/DESIGN%20OF%20IN
VERTER%20DRIVE%20FOR%20SYNCHRONOUS%20MOTORS.pdf
[VI] Módulos para PIC: Motores AC: 
Link: http://www.twovolt.com/category/motor-driver-ac/ 
[VII] DSP based AC motor control hardware; 
Link:http://www.analog.com/en/analog-dialogue/articles/dsp-based-ac-motor-
control-hardware.html 
[VIII] O oscilador de cristal; 
Link: https://www.electronics-tutorials.ws/oscillator/crystal.html 
Caso existam mais dúvidas, consultar o funcionamento dos diversos 
componentes citados no trabalho.