Acionamentos Eletrônicos de Motores - 2014 - Controle do motor de Indução

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Acionamentos Elétricos – 2014 – Acionamentos CA Prof. Marcio Kimpara 
CONTROLE DO MOTOR DE 
INDUÇÃO 
1 Pág 
 
 Acionamentos Eletrônicos de Motores 
 
Controle do motor de indução 
 
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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INDUÇÃO 
2 Pág 
Controle de velocidade 
Do ponto de vista do acionamento, a velocidade de um 
motor de indução pode ser variada das seguintes 
maneiras: 
 
• Controle da resistência do rotor 
• Controle da tensão do estator 
• Controle da frequência do estator 
• Controle da tensão e da frequência do estator 
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INDUÇÃO 
3 Pág 
Controle dos Parâmetros da Máquina – Resistência Rotórica 
Controle de Velocidade de um Motor de Indução com 
Rotor Bobinado (anéis) 
Métodos de variar a velocidade 
do motor: 
 
– Usar Resistências Externas 
– Método simples: Não utiliza 
conversores 
 
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4 Pág 
• Motor de rotor bobinado 
– Ajuste do circuito do rotor 
– Varia Rr 
Controle dos Parâmetros da Máquina – Resistência Rotórica 
 2
2
2
sin
3
rs
r
s
r
c
em
XX
s
R
R
V
s
R
T









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• Em uma maquina de rotor bobinado, uma conexão trifásica de 
resistores externos pode ser feita aos anéis, como mostrado na 
figura anterior. 
 
• O torque desenvolvido pode ser variado através da variação da 
resistência Rx. Esse método aumenta o torque de partida, além 
de limitar a corrente de partida. 
 
• Entretanto, é um método ineficiente e haverá desequilíbrio nas 
tensões e correntes se as resistências no circuito do rotor não 
forem exatamente iguais. 
 
• Depende dos valores de resistência disponíveis (Variação 
discreta de velocidade) 
Controle dos Parâmetros da Máquina – Resistência Rotórica 
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6 Pág 
• Uma maquina de indução de rotor bobinado e projetada para ter 
baixa resistência de rotor de tal forma que a eficiência de operação 
seja elevada e o escorregamento a plena carga seja baixo. 
 
• O controle de velocidade por variação da resistência só pode ser 
efetuado em maquinas com rotores bobinados. 
 
• Devido à disponibilidade dos enrolamentos do rotor para a 
variação da resistência deste, a maquina de rotor bobinado 
oferece maior flexibilidade para o controle, mas ha um aumento do 
custo e necessidade de manutenção devido aos anéis e escovas 
 
Controle dos Parâmetros da Máquina – Resistência Rotórica 
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7 Pág 
Controle dos Parâmetros da Máquina – Resistência Rotórica 
O aumento na resistência do rotor não afeta o valor do torque Maximo, mas 
aumenta o escorregamento no torque maximo. As maquinas de rotor bobinado são 
amplamente utilizadas em aplicações que requerem frequentes partidas e 
frenagens com torques elevados (por exemplo, guindastes). 
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• MIT – V=230v, f=60 hz (379,9911 rad/s), Rs= 0.1 ohm, 
Rr=0.1 ohm, Ls=0.002 Henry, Lr=0.02 Henry. 
 Faça Rext variar de 0.1 a 0.5 ohm e plote a curva 
 torque x velocidade 
Controle dos Parâmetros da Máquina – Resistência Rotórica 
EXERCÍCIO DE SIMULAÇÃO 
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• Problemas com o controle pela variação da resistência 
rotórica: 
 
– Sacrifício da eficiência 
 
– Necessita de acesso ao circuito do rotor 
– Faixa estreita 

in
out
r
P
P
R a leva 
Controle dos Parâmetros da Máquina – Resistência Rotórica 
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Controle dos Parâmetros da Máquina – Amplitude da tensão 
A magnitude da tensão da fonte poderia ser reduzida mantendo-se a 
frequência constante, mas esse método é muito inconveniente porque 
reduziria tanto o fluxo magnético no entreferro quanto a corrente do rotor , 
resultando em um decréscimo no torque proporcional ao quadrado da redução 
da tensão, além de elevados valores de escorregamento. 
Da equação do torque vê-se que ele é 
proporcional ao quadrado da tensão 
aplicada ao estator. Assim para um 
dado torque, uma redução na tensão 
produz uma diminuição na velocidade 
(um aumento no escorregamento) 
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Controle dos Parâmetros da Máquina – Amplitude da tensão 
A tensão do estator pode ser variada 
através de: 
 
1. Controladores CA trifásicos; 
2. Inversores trifásicos do tipo fonte 
de tensão com interligação CC 
variável; 
3. Inversores trifásicos PWM. 
CONVERSORES ELETRÔNICOS 
Soft-starter 
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• Implicações deste ajuste: 
– Faixa estreita de variação de velocidade 
– Variação do torque com V2 
– Abaixo de uma determinada tensão o motor 
pode parar. 
Controle dos Parâmetros da Máquina – Amplitude da tensão 
Este tipo de acionamento não é aplicável a cargas que necessitem de 
torque constante, nem elevado conjugado de partida. A faixa de ajuste de 
velocidade é relativamente estreita e é feita ao custo de uma redução 
significativa do torque disponível 
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13 Pág 
• MIT – V=230v, f=60 hz (379,9911 rad/s), Rs= 0.1 ohm, Rr=0.1 ohm, 
Ls=0.002 Henry, Lr=0.02 Henry. 
 Faça V variar de 100 a 300 volts e plote a curva torque x velocidade 
Controle dos Parâmetros da Máquina – Amplitude da tensão 
EXEMPLO 
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• O torque e a velocidade das maquinas de indução podem 
ser controlados variando-se somente a frequência da 
fonte de alimentação. Se a tensão for mantida fixa em seu 
valor nominal enquanto a frequência é reduzida abaixo do 
seu valor nominal, o fluxo aumentará, o que pode levar a 
saturação do fluxo do entreferro. 
• Assim, os parâmetros da maquina podem perder sua 
validade. Em baixa frequência, as reatâncias diminuem e 
a corrente da maquina pode ser muito elevada. 
• Devido a estes problemas, o controle de velocidade por 
frequência normalmente não é muito utilizado 
Controle dos Parâmetros da Máquina – Frequência da tensão 
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• Motor para em velocidades muito altas 
• Problemas com saturação magnética 
• Se a freqüência for aumentada acima do seu valor 
nominal, o fluxo e o torque diminuem 
Controle dos Parâmetros da Máquina – Frequência da tensão 
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• MIT – V=230v, f=60 hz (379,9911 rad/s), Rs= 0.1 ohm, Rr=0.1 ohm, 
Ls=0.002 Henry, Lr=0.02 Henry. 
 Faça a frequência variar de 10 a 100 Hz e plote a curva torque x 
velocidade 
Controle dos Parâmetros da Máquina – Frequência da tensão 
EXEMPLO 
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 Se a relação entre a tensão e a 
frequência for mantida constante, o fluxo 
permanecerá constante. O torqueMáximo, 
que é independente da frequência, pode 
ser mantido aproximadamente constante. 
Entretanto, em baixa frequência o fluxo do 
entreferro é reduzido devido à queda na 
impedância do estator, tendo a tensão de 
ser aumentada para manter o nível de 
torque. 
 Controla apenas a variação de 
amplitude das variáveis de controle e 
despreza efeitos de acoplamento na 
máquina 
 
 
 
 
 fVfT
fVfψ
Te
,
,
entanto No
 Controlasou f
 Controla



 V
Controle escalar 
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[first row of matrix] 
Características Operacionais 
A tensão aplicada na bobina de um estator é dada por: 
 
 
 
 
 
Portanto, o fluxo no entreferro é diretamente proporcional à relação 
entre tensão e frequência. 
 
 
...44,4 NfE 
f
V

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[first row of matrix] 
Características Operacionais 
Para um desempenho adequado do motor de indução, 
especialmente com respeito ao conjugado desenvolvido, o fluxo 
no entreferro deve ser mantido o mais constante possível. 
Assim, ao variar a frequência, a tensão aplicada também deve 
variar para manter o fluxo magnético constante. 
 
Os inversores devem manter uma relação linear entre tensão e 
frequência até o ponto de tensão e frequência nominais. 
 
 
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Controle escalar 
Caso variemos a frequência e a magnitude da tensão simultaneamente, 
obteremos a seguinte família de curvas de torque pela velocidade 
mecânica: 
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Controle escalar 
Para velocidades síncronas inferiores à velocidade base 
(nominal), a frequência da fonte (idealmente senoidal) deve ser 
reduzida (abaixo de 60Hz no Brasil) e para evitar a elevação do 
fluxo no entreferro, que poderia resultar na saturação do material 
ferromagnético, e manter o torque ( ) constante, a 
magnitude da tensão também é reduzida de maneira 
proporcional: 
RiT .



f
V

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Controle escalar 
Para velocidades síncronas superiores à velocidade base 
(nominal), a frequência da fonte deve ser elevada (acima de 
60Hz). Entretanto, não é possível elevar o módulo da tensão 
aplicada e o fluxo magnético no entreferro necessariamente 
deverá ser reduzido: 
 
 
 
 
 
 
Em consequência, tem-se uma redução proporcional no torque 
gerado, pois . Nessa região (enfraquecimento do 
campo magnético), a potência mecânica é constante. 


f
V

RiT .
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A partir do advento da 
modulação PWM para 
controle de máquinas 
de indução, três 
esquemas possíveis 
para obtenção de 
tensão e frequência 
variáveis são 
apresentados ao lado: 
 
 
 
 
 
 
Controle escalar 
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Topologia para acionamento do MIT com inversor 
• Ajuste apenas na amplitude da tensão 
• Ajuste apenas da frequência 
• Ajuste da tensão e frequência 
simultaneamente (V/f = cte) 
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Inversor tipo ponte conectado a retificador 
 
Modos de acionamento: 
– Onda quadrada 
– Modulação de largura de pulso (PWM) 
Acionamento do motor de indução 
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26 Pág 
 Entre diversas técnicas PWM, pode-se enumerar: 
 
• PWM Senoidal (mais comum) 
• PWM para Elimincação Seletiva de Harmônicas (Selected 
Harmonic Elimination - SHE) 
• PWM por Vetores Espaciais (Space-Vector PWM) 
• Controle PWM de Corrente por Banda de Histerese 
• Modulação Sigma-Delta 
 
 
 
Controle escalar 
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27 Pág 
 Entre diversas técnicas PWM, pode-se enumerar: 
 
• PWM Senoidal (mais comum) 
• PWM para Elimincação Seletiva de Harmônicas (Selected 
Harmonic Elimination - SHE) 
• PWM por Vetores Espaciais (Space-Vector PWM) 
• Controle PWM de Corrente por Banda de Histerese 
• Modulação Sigma-Delta 
 
 
 
Modulação PWM 
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 PWM senoidal em uma perna do inversor 
10 
 Sinusoidal PWM 
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 O controle eletrônico da velocidade e torque desenvolvidos por 
motores de indução trifásicos possui inúmeras aplicações em 
sistemas industriais e comerciais; 
 
O controle escalar permite um bom controle não apenas da 
velocidade, mas também do torque. Para aplicações ainda mais 
complexas e precisas, utiliza-se o controle vetorial (discutido nas 
próximas aulas); 
 
Esse controle consiste na mera variação da magnitude e frequência 
da tensão alternada aplicada ao estator. Por isso, ele também é 
denominado controle VVVF (Variable Voltage, Variable Frequency). 
 
 
 
Controle escalar 
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 Performance inferior ao controle vetorial 
 Fácil de implementar 
 Amplamente usado na indústria 
 Vem perdendo a importância nos últimos tempos (novas técnicas) 
 
 
Controle escalar 
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Controle Via Inversor Alimentado com Fonte de Tensão (VFI) - Introdução 
 Controle Amplitude/Frequência (Volts/Hertz) em Malha 
Aberta 
 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 
 Tradicionalmente MIT são alimentados a frequência 
constante 
 Variação de frequência é a forma natural de controle de 
velocidade variável 
 desprezando a resistência do estator, para o fluxo 
permanecer constante a tensão precisa ser proporcional a 
frequência (=Vs/e) 
 
 
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32 Pág 
Controle Via VFI – Diagrama de Blocos 
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33 Pág 
 Circuito de Potência 
 Retificador a diodo alimentado com rede monofásica ou 
trifásica 
 Filtro LC 
 VFI PWM 
 Idealmente, não é necessário nenhum sinal de 
realimentação para o controle 
 e é a variável de controle primária e é aproximadamente 
igual a velocidade r, se desprezarmos a velocidade de 
escorregamento sl. 
 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 s fique 
constante 
Controle Via VFI – Diagrama de Blocos 
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34 Pág 
 Se a resistência do rotor e a indutância de dispersão da 
máquina são desprezadas, então o fluxo do estator s 
também corresponderá ao fluxo do entreferro m e ao do 
rotor r. 
 Para baixas frequências, a resistëncia do estator tende a 
absorver toda a tensão do estator, o que enfraquece o 
campo 
 Uma tensão de “boost” V0 é somada para que que o fluxo 
nominal seja estabelecido e seja possível desenvolvero 
torque total em velocidade zero. 
 Para altas velocidades o efeito de V0 torna-se desprezível 
 O sinal de velocidade e
* é integrado para gerar o sinal de 
ângulo e
*, e as tensões de fase correspondentes va
*, vb
* e 
vc
*. 
Controle Via VFI – Diagrama de Blocos 
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35 Pág 
 O controlador PWM é representado junto com o bloco do 
inversor 
 Com retificadores a diodo na entrada, o inversor 
necessitará um freio dinâmico, como indicado no diagrama 
de blocos 
 A figura a seguir mostra a performance do sistema em 
regime permanente no plano torque-velocidade para carga 
do tipo ventilador ou bomba (TL=Kr
2) 
 A medida que a frequência é aumentada gradualmente, a 
velocidade também aumenta proporcionalmente, como 
indica nos pontos 1, 2, 3, 4, ... 
 A operação pode suavemente entrar na região de campo 
enfraquecido, onde a tensão de alimentação satura. 
Controle Via VFI – Diagrama de Blocos 
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INDUÇÃO 
36 Pág 
 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=Kr
2 é mostrado na figura a seguir. 
 O efeito do acoplamento inerente da máquina faz a resposta 
do torque ser lenta. 
 Há um subamortecimento nas respostas de torque, o qual é 
maior para baixas frequências 
 Tais oscilações são filtradas pela inércia e portanto não 
aparecem na velocidade 
Controle Via VFI – Performance do sistema 
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37 Pág 
Controle Via VFI – Performance do sistema 
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INDUÇÃO 
38 Pág 
 Uma aplicação típica de MIT é carga tipo bomba para 
controle de fluxo de fluído. 
 Forma de controle tradicional: 
 Motor opera a velocidade constante e uma válvula controla o 
fluxo do fluído; 
 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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39 Pág 
Sistema de controle com velocidade variável 
 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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40 Pág 
 Forma de controle com velocidade variável: 
 A velocidade da bomba é controlada para controlar o fluxo, e 
a válvula opera completamente aberta sempre. 
 Consumo é reduzido drasticamente 
 Rápido retorno do investimento 
 Aumento do lucro 
 Diminui a demanda, o que implica em contribuir para a 
proteção ambiental 
 
 
Sistema de controle com velocidade variável 
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INDUÇÃO 
41 Pág 
Sistema de controle com velocidade variável 
Para 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 
deve fornecer ao sistema 
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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42 Pág 
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. 
 
 
Outro exemplo (aplicação): Ar condicionado tipo “inverter” 
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43 Pág 
Controle escalar 
Controle V/Hz permite variação no fluxo causada pela: 
– Variação da tensão de alimentação; 
– Variação de parâmetros da máquina; 
– etc. 
 
 
Isto reduz torque e o torna sensível ao escorregamento 
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44 Pág 
 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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45 Pág 
Controle Via VFI – Controle com Regulação de Escorregamento 
 Nesta técnica, o erro do laço de velocidade gera a 
referência de escorrregamento sl
* via o controlador 
Proposcional-Integral (PI) e um limitador. 
 O escorregamento é somado ao sinal de realimentação de 
velocidade para gerar o comando de frequência. 
 O comando de frequência e
* 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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INDUÇÃO 
46 Pág 
Simulação – Controle escalar malha aberta 
Implementação no Matlab/Simulink. 
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INDUÇÃO 
47 Pág 
Simulação – Controle escalar malha aberta 
Forma de onda da velocidade. Comparação entre velocidade de referência 
(amarelo) e a velocidade de saída (magenta) 
Note que o controle 
em malha aberta 
apresenta uma 
resposta razoável, 
principalmente para 
torque de carga 
baixo (neste caso 
proporcional à 
velocidade). Para 
torque de carga 
elevado, a 
velocidade começa a 
apresentar erro de 
regime mais visível. 
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INDUÇÃO 
48 Pág 
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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49 Pág 
Simulação – Controle escalar com regulação de escorregamento 
Implementação no Matlab/Simulink. 
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INDUÇÃO 
50 Pág 
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 perfil de 
velocidade, a malha 
fechada pela 
regulação do 
escorregamento 
corrigiu o erro de 
regime apresentado 
na simulação 
anterior., em 
situação de torque 
de carga elevado 
(velocidade alta). 
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INDUÇÃO 
51 Pág 
 Inerentemente acoplado: tanto torque quanto o fluxo 
dependem da tensão e da frequência 
 Resposta lenta 
 Comportamento não-linear 
 Facilmente instabilizável 
 
 
Alternativa: Controle vetorial 
Problemas do Controle Escalar de Motores de Indução