Acionamentos Eletrônicos de Motores - 2014 - Introdução ao Controle Vetorial

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Acionamentos Elétricos – 2014 – Acionamentos CA Prof. Marcio Kimpara 
INTRODUÇÃO AO 
CONTROLE VETORIAL 
1 Pág 
 
 Acionamentos Eletrônicos de Motores 
 
Introdução ao Controle Vetorial 
 
FAENG – Faculdade de Engenharias, Arquitetura e Urbanismo e Geografia 
Campo Grande – MS 
Prof. Márcio Kimpara 
 
Fundação Universidade Federal 
de Mato Grosso do Sul 
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Introdução 
 Controle escalar é relativamente simples de implementar, 
mas o acoplamento inerente (i. e., o torque e o fluxo são 
funções da tensão/corrente e da frequência) origina resposta 
lenta e o sistema pode facilmente tornar-se instável devido 
aos efeitos do sistema de alta ordem (quinta ordem) 
 o controle escalar é uma técnica de controle de velocidade 
utilizada por inversores de frequência convencionais 
aplicados em processo que necessitam apenas de variação 
de velocidade. 
 Outra característica é que não requerem elevadas dinâmicas 
bem como respostas precisas 
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Introdução 
 Os problemas mencionados anteriormente podem ser 
resolvidos com o chamado Controle Vetorial (Vector Control) ou 
Controle de Campo Orientado (Field-Oriented Control) 
 O Controle Vetorial foi inventado no início dos anos 70 
 A demonstração de que o motor de indução poderia ser 
controlado como um motor CC de excitação separada, trouxe o 
verdadeiro nascimento do controle de alta performance de 
acionamentos CA 
 Devido a performance semelhante a de uma máquina CC de 
excitação separada, ele é também conhecido como controle 
desacoplado (decoupling control), controle ortogonal 
(orthogonal control), ou controle transvetorial (transvector 
control) 
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Ao contrário do controle escalar do tipo V/f 
(tensão/frequência), as técnicas vetoriais de controle 
para máquinas de indução apresentam alto 
desempenho tanto em regime permanente quanto 
durante os transitórios. Este rendimento é conseguido 
através do controle independente do torque e do fluxo. 
Introdução 
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Introdução 
 Sem dúvida nenhuma, controle vetorial e o 
correspondente processamento de sinais de 
realimentação, particularmente para controle vetorial 
sem sensores (sensorless vector control) modernos, o 
uso de computadores poderosos ou DSP é mandatório 
 
 A expectativa é que o controle vetorial vai “desbancar” o 
controle escalar e passará a ser aceito como padrão da 
industria de controle em acionamentos CA. 
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o fluxo do campo é f produzido pela corrente If é perpendicular ao 
fluxo de armadura a , o qual é produzido pela corrente de armadura Ia. 
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Analogia ao Controle do Motor CC 
 Idealmente, o controle vetorial do motor de indução opera 
como o controle do motor de corrente contínua. A figura a 
seguir explica esta analogia 
 Na máquina de corrente contínua, desprezando-se o efeito de 
reação de armadura e a saturação do campo, o torque 
desenvolvido é dado por: 
 
 
 Onde Ia – corrente de armadura 
 If – Corrente de campo 
 A construção da máquina CC é tal que o fluxo do campo é f 
produzido pela corrente If é perpendicular ao fluxo de armadura 
a , o qual é produzido pela corrente de armadura Ia. 
 
fate IIKT
'

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Analogia ao Controle do Motor CC 
 
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Controle vetorial 
 
Consiste em controlar as correntes do estator da máquina, 
representadas por um vetor. 
 
Se baseia em projeções que transformam um sistema 
trifásico em um sistema de duas coordenadas (d e q), 
implicando numa transformação do modelo da máquina de 
indução em um modelo similar ao de uma máquina de 
corrente contínua, de onde decorre o desacoplamento entre 
controlador de torque e o de fluxo 
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Analogia ao Controle do Motor CC 
 Com controle vetorial, a seguinte analogia é valida 
 
 
 
 
 Portanto, o torque pode ser dado por: 
 
 
 
 
 
 
aqs
fds
ii
ii
 armadura de corrente
 campo de corrente


qsdste
qsrte
iiKT
iKT
'
ou
ˆ

 
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Analogia ao Controle de Motor 
 Esta performance semelhante à máquina CC somente é 
possível se ids é orientada (ou alinhada) na direção do fluxo 
r e iqs é colocada perpendicular a ele, como mostrado nos 
digrama de vetores espaciais. 
 Isto significa que quando iqs
* é controlado, ela afeta apenas 
a corrente real iqs, mas não afeta o fluxo r. 
 Similarmente, quando ids
* é controlado, ele controla apenas 
o fluxo, e não afeta a componente iqs. 
 Esta orientação da corrente pelo vetor ou campo é 
essencial sob todas as condições de operação em um 
sistema de acionamento com controle vetorial 
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 Este vetores espaciais, os quais são estacionários no espaço, 
são ortogonais ou desacoplados in natura. Isto significa que 
quando o torque é controlado através do controle da corrente 
Ia, o fluxo f não é afetado e podemos obter rápida resposta 
transitória 
 Devido ao desacoplamento, quando a corrente If é controlada, 
ela afeta apenas o fluxo de campo f, e não o fluxo de 
armadura a. 
 Devido ao seu inerente problema de acoplamento, o motor de 
indução em geral não pode ter tal rapidez de resposta. 
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 A performance parecida como a de um motor CC pode ser 
estendido a um motor de indução se o controle da máquina 
for considerado na referência girante síncrona (de-qe), onde, 
em regime permanente, as variáveis senoidais aparecem 
como quantidades CC. 
 Na figura, podemos ver o motor de indução com o inversor. 
O controle vetorial na frente é mostrado com duas entradas 
de controle de corrente, ids* e iqs*. 
 Estas correntes são a componente de eixo direto e a 
componente de eixo em quadratura da corrente do estator 
na referência girante síncrona. 
Analogia ao Controle do Motor CC 
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Circuito Equivalente e Diagrama Fasorial 
 A figura abaixo mostra os diagramas fasoriais na referência 
de-qe com os valores de pico das senoides, e a tensão de 
entreferro alinhada com o eixo qe. 
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Circuito Equivalente e Diagrama Fasorial 
 A componente de torque da corrente iqs contribui para o 
cruzamento de potência ativa pelo entreferro 
 A componente de fluxo ids contribui somente para a potência 
reativa. 
 A figura mostra como variáções em uma das componentes 
da corrente de armadura pode ocorrer sem contudo variar a 
outra 
 Embora a análise seja para regime permanente, ela 
também é válida para regime transitório 
 Dada que a orientação é possível, a pergunta queresta é: 
“Como controlar as correntes independentemente?” 
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Modelo Trifásico do MI 
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Equações de tensão do Estator: 
 
 
as
as as s
d
v i r
dt

 
bs
bs bs s
d
v i r
dt

 
cs
cs cs s
d
v i r
dt

 
Equações de Tensão 
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Equações de Tensão do Rotor: 
 
 
ar
ar ar r
d
v i r
dt

 
br
br br r
d
v i r
dt

 
cr
cr cr r
d
v i r
dt

 
Equações de Tensão 
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Equações do Fluxo Concatenado 
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 Para construir uma equação para a tensão, 
poderiamos diferenciar cada expressão de , 
como: 
 
 
Mas, como Lsr depende da posição, a qual geralmente é 
função do tempo, os termos trigonométricos levam a uma 
complicação extratosférica! 
 
A transformada de Park vem para nos salvar! 
 
as
as
d d
v
dt dt

  [first row of matrix] 
Modelo do MI 
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Princípios do Controle Vetorial 
 
 Os fundamentos da implementação do controle vetorial 
podem ser explicados com a ajuda da figura abaixo 
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Princípios do Controle Vetorial 
 
 O modelo da máquina é representado na referência girante 
síncrona 
 O inversor é omitido, e assume-se que ela tenha ganho unitário, 
i.e., ele consegue gerar as correntes ia, ib, e ic, correspondentes 
as suas respectivas referências ia
*, ib
* e ic
* determinadas pelo 
controlador. 
 Do lado direito é mostrado o modelo da máquina 
 O controlador tem dois estágios da transformação inversa 
 Assim, as correntes de controle ids
* e iqs
* correspondem as 
correntes da máquina ids
 e iqs 
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 O vetor unitário garante o correto alinhamento de ids com o 
fluxo r, e iqs perpendicular a ele 
 Note que não nenhuma dinâmica na transformação, e na 
sua transformação inversa, bem como não há nenhuma 
dinâmica no inversor. Portanto a resposta de ids e iqs é 
instantânea 
 Há essencialmente dois métodos de controle vetorial: 
 Controle Vetorial Direto ou Realimentado 
 Inventado por Blaschke, 1972 
 Controle Vetorial Indireto, ou de Alimentação Direta 
 Inventado por Hasse, 1969 
Princípios do Controle Vetorial 
 
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Controle Vetorial Direto 
 
A principal exigência dos controladores vetoriais é o 
conhecimento do valor exato da magnitude e da posição do 
campo girante. Este fator gera a necessidade do uso de 
sensores de fluxo colocados no interior da máquina, o que 
pode ser inviável em determinados sistemas pela dificuldade 
de acesso e/ou pelo alto custo destes sensores. 
 
Uma forma de contornar essas limitações é utilizar 
estimadores de fluxo baseados no modelo vetorial da 
máquina. 
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Controle Vetorial Direto 
 
Utilização das transformadas de Park e Clark para 
transformar um sistema de 3 eixos para 2 eixos 
 
Cada componente Id e Iq são controladas 
independentemente através de controladores lineares PI 
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Controle Vetorial Direto 
 
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 Os controles vetorias direto e indireto basicamente 
diferenciam-se na maneira de gerar o vetor unitário (cose e 
sin e) 
 O controle vetorial também pode se classificar segundo a 
orientação de ids, assim existe ainda as classificações 
 Controle vetorial com orientação de ids pelo fluxo do rotor r 
 Controle vetorial com orientação de ids pelo fluxo do entreferro 
m 
 Controle vetorial com orientação de ids pelo fluxo do estator s 
Princípios do Controle Vetorial 
 
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Conclusões 
 
Acionamentos básicos: 
– Controle escalar realizado por inversores com 
frequência variável 
– Acionamento mais popular: V/Hz 
– Mérito: simplicidade 
– Problema: baixo desempenho dinâmico 
 
Controle vetorial: 
– Melhor desempenho dinâmico 
– Possibilidade de implementação sem sensores 
– Problema: mais complexo