Aula 9 Controle Escalar do MIT

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Acionamentos Eletrônicos de Motores – 2018.1 Prof. João Onofre P. Pinto 
CONTROLE ESCALAR DO 
MOTOR DE INDUÇÃO 
1 Pág 
 
 Acionamento Eletrônico de Motores 
 
Aula 9 – Controle escalar do motor de indução 
FAENG – Faculdade de Engenharias, Arquitetura e 
Urbanismo e Geografia 
Campo Grande – MS 
Prof. João Onofre Pereira Pinto 
 
Fundação Universidade Federal 
de Mato Grosso do Sul 
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2 Pág 
Regiões de Operação 
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3 Pág 
Tensão variável e frequência constante 
(Variable voltage constant frequency) 
Frequência variável e tensão constante 
(Variable frequency constant voltage) 
Relembrando... 
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4 Pág 
Fundação Universidade Federal 
de Mato Grosso do Sul 
Tensão variável e frequência variável → V/f cte 
 
(Variable voltage variable frequency – VVVF) 
Relembrando... 
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Controle Via Inversor Alimentado com Fonte de Tensão (VFI) 
Manipulação da tensão de 
alimentação do motor em 
amplitude e frequência 
O controle escalar está na 
metodologia para obtenção dos 
pulsos (bloco PWM) 
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Modulação PWM senoidal 
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7 Pág 
Controle escalar via VFI – Diagrama de Blocos 
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Controle Via Inversor Alimentado com Fonte de Tensão (VFI) - Introdução 
n  Controle Amplitude/Frequência (Volts/Hertz) em Malha 
Aberta 
n  É o método mais popular de controle de velocidade por 
causa da sua simplicidade e ao fato de máquinas de 
indução serem muito usadas na indústria 
n  Tradicionalmente MIT são alimentados a frequência 
constante 
n  Variação de frequência é a forma natural de controle de 
velocidade 
n  desprezando a resistência do estator, para o fluxo 
permanecer constante a tensão precisa ser proporcional a 
frequência (ψ=Vs/ωe) 
 
 
 
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n  Circuito de Potência 
n  Retificador a diodo alimentado com rede monofásica ou trifásica 
n  Filtro LC 
n  VFI PWM 
n  Idealmente, não é necessário nenhum sinal de realimentação 
para o controle 
n  ωe é a variável de controle primária e é aproximadamente igual 
a velocidade ωr, se desprezarmos a velocidade de 
escorregamento ωsl. 
n  A referência de tensão de fase Vs* é gerada diretamente da 
referência de frequência através da multiplicação por um fator 
de ganho G, de maneira que o fluxo ψs fique constante 
Controle escalar via VFI – Diagrama de Blocos 
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n  Para baixas frequências, a resistência do estator tende a 
absorver toda a tensão do estator, o que enfraquece o campo 
n  Uma tensão de “boost” V0 é somada para que que o fluxo 
nominal seja estabelecido e seja possível desenvolver o 
torque total em velocidade zero. 
n  Para altas velocidades o efeito de V0 torna-se desprezível 
n  O sinal de velocidade ωe* é integrado para gerar o sinal de 
ângulo θe*, e as tensões de fase correspondentes va*, vb* e vc*. 
Controle escalar via VFI – Diagrama de Blocos 
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n  O controlador PWM é representado junto com o bloco do 
inversor 
n  Com retificadores a diodo na entrada, o inversor necessitará 
um freio dinâmico, como indicado no diagrama de blocos 
n  A figura a seguir mostra a performance do sistema em regime 
permanente no plano torque-velocidade para carga do tipo 
ventilador ou bomba (TL=Kωr2) 
n  A medida que a frequência é aumentada gradualmente, a 
velocidade também aumenta proporcionalmente, como indica 
nos pontos 1, 2, 3, 4, ... 
n  A operação pode suavemente entrar na região de campo 
enfraquecido, onde a tensão de alimentação satura. 
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Controle escalar via VFI – Diagrama de Blocos 
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Ø  Efeito das variações de torque de carga e tensão da rede 
n  Se o sistema estiver inicialmente operando no ponto 3 (figura slide 
anterior) e o torque é aumentado para TL’ para a mesma frequência 
de comando, a velocidade irá cair de ωr para ωr’. Esta queda é 
pequena, principalmente para máquinas de alta eficiência (baixo 
escorregamento) e é tolerada para aplicações do tipo ventiladores, e 
bombas, onde a precisão no controle de velocidade não é 
necessária. 
n  Assuma agora que o a operação esteja no ponto a da curva torque-
velocidade. Se a tensão da rede cair, então a tensão nos terminais 
da máquina também cairão. A velocidade então cairá para o ponto b. 
n  Uma melhoria do controle em malha aberta pode ser feita utilizado 
um estimador de escorregamento, e somando o valor estimado ao 
comando de frequência. 
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n  Uma aplicação típica de MIT é carga tipo bomba para controle de 
fluxo de fluído. 
n  Forma de controle tradicional: 
n  Motor opera a velocidade constante e uma válvula controla o fluxo 
do fluído; 
n  A vazão é controlada pela abertura e fechamento parcial da válvula 
instalada em série com a bomba; 
Sistema de controle com velocidade variável 
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Sistema de controle com velocidade variável 
n  A figura abaixo mostra uma sucessão de pontos de operação de 
uma bomba para uma família de curvas do sistema gerada pelo 
fechamento progressivo de uma válvula de estrangulamento. Nota-
se que a medida que a válvula é fechada, a vazão do sistema vai 
sendo reduzida (Q1 para Q4) 
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n  Forma de controle com velocidade variável: 
n  A velocidade da bomba é controlada para controlar o fluxo, e a 
válvula opera completamente aberta sempre. 
n  Consumo é reduzido drasticamente 
n  Rápido retorno do investimento 
n  Aumento do lucro 
n  Diminui a demanda, o que implica em contribuir para a proteção 
ambiental 
Sistema de controle com velocidade variável 
Como analisado no slide n°13, o controle escalar em malha aberta (pela 
simplicidade) pode ser utilizado neste tipo de aplicação, porém o 
escorregamento (influência do torque de carga) pode interferir na precisão do 
controle de vazão 
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Sistema de controle com velocidade variávelPara uma determinada vazão menor 
que a vazão nominal de projeto, a 
linha vertical indica dois valores de 
pressão distintos. O primeiro ponto 
(A) se refere à pressão que a bomba 
d e v e f o r n e c e r a o s i s t e m a 
estrangulado para estabilizar na 
vazão desejada. O segundo ponto 
(B) indica qual seria a pressão 
necessária para estabelecer a 
mesma vazão sem estrangular a 
curva do sistema. A diferença de 
pressão entre estes dois pontos 
indica o excesso de pressão que a 
bomba deve fornecer. Esse excesso 
é dissipado na válvula, tornando-se 
uma parcela adicional de perdas. 
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Sistema de controle com velocidade variável 
O uso da válvula de estrangulamento possibilita um 
controle preciso da vazão do sistema, porém com um 
grande desperdício de energia. O uso do acionamento 
eletrônico permite uma precisão ainda maior do controle 
de vazão, aliada a uma significativa economia de energia. 
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n  Uma performance típica de um sistema de controle Volts/Hertz 
em malha aberta de um motor de indução, em condições de 
aceleração e desaceleração com torque de carga TL=Kωr2 é 
mostrado na figura a seguir. 
n  O efeito do acoplamento inerente da máquina faz a resposta do 
torque ser lenta. 
n  Há um subamortecimento nas respostas de torque, o qual é 
maior para baixas frequências 
n  Tais oscilações são filtradas pela inércia e portanto não 
aparecem na velocidade 
Controle escalar – Performance do sistema 
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Controle escalar – Performance do sistema 
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n  Uma melhoria do controle Volts/Hertz em malha aberta, é o 
controle Volts/Hertz em malha fechada 
Controle via VFI – Controle de velocidade em Malha Fechada 
Regulação de 
escorregamento 
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Controle Via VFI – Controle com Regulação de Escorregamento 
n  Nesta técnica, o erro do laço de velocidade gera a 
referência de escorrregamento ωsl* via o controlador 
Proposcional-Integral (PI) e um limitador. 
n  O escorregamento é somado ao sinal de realimentação de 
velocidade para gerar o comando de frequência. 
n  O comando de frequência ωe* também gera o comando de 
tensão através de um gerador de função Volts/Hertz, o qual 
incorpora a compensação à queda de tensão estatórica em 
baixa velocidade 
 
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Controle Via VFI – Controle com Regulação de Escorregamento 
Ø  Efeito das variações de torque de carga e tensão da rede 
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Simulação – Controle escalar malha aberta 
Implementação no Matlab/Simulink. 
ACIONAMENTOS ELETRÓNICOS DE MOTORES 
V/f Open Loop Control
Prof. Marcio Kimpara - UFMS/FAENG
w
(120*(w/(2pi))) / P
rad/s to rpm
tensão fase
30/pi
Discrete,
Ts = 1e-005 s.
powergui
n (velocidade)
frequencia
v+-
Torque
Perfi de Frequencia
10
Load
CONTROL
+
-
A
B
C
INVERTER
Load w_r
Te
Ia_r
iA
Vq
Vd
Theta_r
fluxo
A
B
C
INDUCTION MOTOR
2*pi25
Freq (Hz)
Fluxo
w* CONTROLE
Controle escalar
+
-
BARRAMENTO CC
-K-
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Simulação – Controle escalar malha aberta - Inversor 
5
-
4
+
3
C
2
B
1
A
g 1
2
S6
g 1
2
S5
g 1
2
S4
g 1
2
S3
g 1
2
S2
g 1
2
S1
1
CONTROL
<signal3>
<PWM A>
<signal4>
<signal2><signal2>
<PWM C>
<signal6><signal6>
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Simulação – Controle escalar malha aberta 
PWM A_
PWM B_
PWM C_
PWMB
1
CONTROLE
f(u)
Vc*
f(u)
Vb*
f(u)
Va*
10
V_boost
-K- V/f
Scope2
Scope1
Scope
<=
<=
Portadora Triangular
<=
1
s
Integrator
NOT
NOT
NOT
1
w*
PWM A
PWM C
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Resultado Simulação – Velocidade para torque carga constante 
Freq. Referência = 25Hz 
rpmns 7504
25120
=
×
=
A frequência de entrada 
corresponde à velocidade 
de 750rpm ( l inha em 
a m a r e l o ) , p o r é m a 
velocidade no eixo (nr) 
(linha em magenta) difere 
deste valor devido ao 
escorregamento. 
A diferença é maior quanto 
maior o torque de carga. 
Neste caso foi utilizado 
TL = 10N.m 
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Resultado Simulação – Velocidade variável e torque TL=k.w² 
C o m p a r a ç ã o e n t r e 
velocidade de referência 
(amarelo) e a velocidade 
de saída (magenta) 
Note que o controle em 
malha aberta apresenta 
uma resposta razoável, 
p r i n c i p a l m e n t e p a r a 
torque de carga baixo 
(neste caso proporcional 
à velocidade TL=K.w²). 
Para torque de carga 
elevado, a velocidade 
começa a apresentar erro 
de regime mais visível. 
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Simulação – Controle escalar malha aberta 
Forma de onda na saída do inversor, evidenciando que a frequência e 
amplitude da tensão são ajustadas de acordo com a velocidade requerida 
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Simulação – Controle escalar com regulação de escorregamento 
Implementação no Matlab/Simulink. 
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Simulação – Controle escalar com regulação de escorregamento 
Forma de onda da velocidade. Comparação entre velocidade de referência 
(amarelo) e a velocidade de saída (magenta) 
Note que, para o 
mesmo perfi l de 
velocidade, a malha 
f e c h a d a p e l a 
r e g u l a ç ã o d o 
e s c o r r e g a m e n t o 
corrigiu o erro de 
regime apresentado 
n a s i m u l a ç ã o 
a n t e r i o r . , e m 
situação de torque 
de carga elevado 
(velocidade alta). 
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Ø  Inerentemente acoplado: tanto torque quanto o fluxo 
dependem da tensão e da frequência 
Ø  Resposta lenta 
Ø  Comportamento não-linear 
Ø  Facilmente instabilizável 
 
 
Alternativa: Controle vetorial 
Problemas do Controle Escalar de Motores de Indução 
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O controle escalar impõe no motor uma determinada tensão/frequência, visando 
manter a relação V/f constante, ou seja, o motor trabalha com fluxo 
aproximadamente constante. É aplicado quando não há necessidade de 
respostas rápidas a comandos de torque e velocidade. O controle é realizado 
em malhaaberta e a precisão da velocidade é função do escorregamento do 
motor, que varia em função da carga, já que a frequência no estator é imposta. 
 
Para melhorar o desempenho do motor nas baixas velocidades, alguns 
inversores possuem funções especiais como a compensação de 
escorregamento (que atenua a variação da velocidade em função da carga) e o 
boost de tensão (aumento da relação V/f para compensar o efeito da queda de 
tensão na resistência estatórica), de maneira que a capacidade de torque do 
motor seja mantida. O controle escalar é o mais utilizado devido à sua 
simplicidade e devido ao fato de que a grande maioria das aplicações não 
requer alta precisão e/ou rapidez no controle da velocidade. 
Controle Escalar - Resumo