Acionamentos Eletrônicos de Motores - 2014 - Acionamento CA

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Acionamentos Elétricos – 2014 – Acionamentos CA Prof. Marcio Kimpara 
ACIONAMENTOS CA 
1 Pág 
 
 Acionamentos Eletrônicos de Motores 
 
Acionamento de Motores CA 
 
Universidade Federal de Mato Grosso do Sul 
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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ACIONAMENTOS CA 
2 Pág 
Introdução ao acionamento CA 
Acionamento e controle das maquinas CC: 
• Requer o fornecimento de uma tensão CC variável (pode ser obtida a partir de 
choppers ou retificadores controlados) 
• Conversores controladores de tensão simples e baratos 
• Máquinas CC são relativamente caras e requerem mais manutenção devido as 
escovas e comutadores que se desgastam rapidamente 
• Ainda são utilizados em diversas aplicações industriais e de transporte 
 
Acionamento e controle das maquinas CA: 
• As maquinas CA (indução) exibem estruturas altamente acopladas e multivariáveis 
• Os conversores de potência (inversores, controladores de tensão CA) podem 
controlar a frequência, a tensão e/ou a corrente para fornecer os requisitos do 
acionamento. 
• Conversores de potencia relativamente complexos e mais caros, requerem técnicas 
avançadas de controle com realimentação 
• As maquinas CA possuem inúmeras vantagens: são mais leves (20% a 40% mais 
leves que as maquinas CC equivalentes), mais baratas e tem menos manutenção 
• as vantagens dos acionamentos CA compensam as desvantagens de controles tão 
complexos 
 
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Introdução 
 Controle de máquinas CA é muito mais complexo do 
que controle de máquinas CC 
 
 Razões do aumento da complexidade 
 Frequência variável 
 Demanda conversor com baixo conteúdo harmônico na saída 
 A dinâmica de máquinas CA é muito mais complexa 
 Variação dos parâmetros das máquinas 
 Processamento dos sinais de realimentação na presença de 
harmônicas 
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Introdução 
 Para aplicação de acionamento de maquinas CA é 
preciso responder questões referentes as seguintes 
características: 
 O acionamento será em 1, 2 ou 4 quadrantes? 
 Controle de torque, velocidade ou posição no laço externo ou primário? 
 Acionamento de um ou múltiplos motores? 
 Faixa de controle de velocidade: 
 Velocidade zero? 
 Região de campo enfraquecido (alta velocidade)? 
 Precisão e tempo de resposta? 
 Robustes a variação de torque de carga e variação de parâmetros? 
 Controle com sensores ou sem sensores (sensorless)? 
 Tipo de conversor? 
 Considerações de manutenção, confiabilidade, custo e eficiência? 
 Harmônicas e fator de potência? 
 
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• Como pode um motor de indução ser usado em uma 
aplicação que exige velocidade variável? 
• Nesta aplicações, precisamos fazer ajustes que nos 
levem a 
– Controle da curva Torque x Velocidade 
Como controlar o MIT? 
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MOTOR C.A. 
TRIFÁSICO 
UNIVERSAL 
MONOFÁSICO 
ASSÍNCRONO 
SÍNCRONO 
GAIOLA DE 
ESQUILO 
ROTOR 
BOBINADO 
RELUTÂNCIA 
IMÃ PERMANENTE 
PÓLOS SALIENTES PÓLOS LISOS 
MOTOR C.C. 
EXCITAÇÃO SÉRIE 
EXCITAÇÃO INDEPENDENTE 
EXCITAÇÃO COMPOUND 
IMÃ PERMANENTE 
Família das máquinas elétricas 
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Acionamento CA - características 
 Em acionamentos CA controlados, os conversores e sistemas de controle 
necessários se tornam bem mais sofisticados do que aqueles utilizados para as 
máquinas CC; 
 
 Os conversores de potência, que são relativamente complexos e mais caros, 
requerem técnicas avançadas de controle com realimentação, tais como modelo 
de referência, controle adaptativo, controle do escorregamento e controle de 
campo orientado. 
 
 As vantagens dos acionamentos CA compensam as desvantagens de controles 
tão complexos. Em termos de desempenho dinâmico, novas técnicas de controle, 
como o controle vetorial, têm possibilitado às máquinas CA apresentarem 
comportamento similar ao das máquinas CC, eliminando, também neste aspecto, 
as vantagens anteriores das máquinas de corrente contínua. 
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Motor de Indução 
Duas categorias: 
– Rotor bobinado 
– Rotor tipo gaiola 
Vantagens dos motores tipo gaiola: 
– Construção simples e de baixo custo 
– Sem escovas 
– Demandam menos manutenção 
– Rotor com menor inércia 
– Mais adequados a atmosferas explosivas ou sujas 
 
 Desvantagens: 
– Modelo dinâmico mais complexo 
– Controle e acionamento mais difícil 
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 Na máquina de indução tanto o rotor quanto o estator 
conduzem corrente alternada, porém apenas o estator está 
ligado diretamente a uma fonte de alimentação (acoplamento) 
 
 A corrente que circula pelo rotor é uma corrente induzida 
devido a um campo variável dado pela diferença de velocidade 
de rotação do rotor e do campo girante. Por isso a nomenclatura 
máquina de indução; 
 
 Apresentam características excelentes para a operação a 
velocidades constantes, porque a velocidade é determinada pela 
frequência da rede de alimentação e o número de polos do 
motor; 
 
Características funcionais 
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 Máquinas de indução são as máquinas elétricas 
mais usadas no presente. Elas oferecem as 
seguintes atrativas características: 
 
– Geralmente mais fácil de fabricar e mais baratas que as 
correspondentes máquinas CC ou síncornas; 
– Robusta e requer pouca manutenção; 
– Uma “administrável”curva torque-velocidade 
– Estável operação sem carga 
– Geralmente satisfatória eficiência; 
– Faixa de poucos Watts até alguns MWatts 
Introdução 
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 Algumas desvantagens dos motores de indução 
são: 
 
– A velocidade não é facilmente controlável como a de um 
motor CC; 
– Alta corrente de partida, tipicamente 6 a 8 vezes a 
corrente nominal; 
– Em condição de baixa carga, opera com fator de 
potência reativo indutivo (atrasado). 
Introdução – cont. 
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Enrolamento: - Meio Imbricado 
 - Imbricado 
 - Concêntrico 
 
Passo polar: - Define a região dos 
 pólos 
 
Passo de bobina: - Inteiro 
 - Fracionário 
 
Aspectos construtivos - Estator 
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ROTOR GAIOLA DE ESQUILO: 
Consiste de barras de cobre, de grande 
seção, unidas em cadaextremidade por 
um anel de cobre ou de bronze. 
ROTOR BOBINADO: Possui enrolamento 
isolado semelhante ao enrolamento do 
estator. Estes enrolamentos do rotor 
(trifásico) são trazidos para o exterior 
através de três anéis 
coletores montados sobre o eixo do motor. 
Aspectos construtivos - Rotor 
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Estator: 
(1) Carcaça; 
(2) Núcleo magnético; 
(8) Enrolamento trifásico. 
 
Rotor: 
(7) Eixo; 
(3) Núcleo magnético; 
(12) Barras e anéis de 
curtocircuito. 
 
Outras partes do motor: 
(4) Tampa dianteira; 
(5) Ventilador; 
(6) Tampa defletora; 
(9) Caixa de ligação; 
(10) Terminais de ligação; 
(11) Rolamentos (mancais). 
Aspectosconstrutivos – outras partes... 
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1) Uma máquina de indução trifásica possui enrolamentos no estator aos 
quais é aplicada a tensão alternada de alimentação. 
 
2) Dada a característica trifásica da alimentação do estator e à 
distribuição espacial dos enrolamentos, o campo produzido pelo estator 
é girante, ou seja, sua resultante possui um movimento rotacional 
 
3) Por efeito transformador, o campo magnético produzido pelos 
enrolamentos do estator induz correntes no rotor, de modo que, da 
interação de ambos campos magnéticos será produzido o torque que 
levará a máquina à rotação. O campo produzido pelas correntes 
induzidas no rotor terá a mesma característica, procurando sempre 
acompanhar o campo girante do estator. 
Princípio de funcionamento 
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Os enrolamentos trifásicos localizados no estator e representados pelos 
enrolamentos A-A1, B-B1 e C-C1 estão deslocados de 120 graus entre si. 
Campo Magnético Girante 
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Campo 
Magnético 
Girante 
Campo Magnético Girante 
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A velocidade do campo magnético girante é chamada de 
velocidade síncrona do motor. 
 
 
 
 
onde: 
ns = velocidade síncrona ou velocidade do campo magnético 
girante (rpm); 
f = freqüência da corrente do estator ou frequência da rede 
(alimentação), Hz; 
P = número total de pólos. 
P
f
ns


120
Velocidade Síncrona 
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Escorregamento: 
 
 
 
 
onde: 
S(%) = escorregamento percentual, %; 
ns = velocidade síncrona (ou velocidade do campo girante), rpm; 
n = velocidade de funcionamento do motor (ou velocidade do rotor), 
rpm. 
%100
)(
(%) 


s
s
n
nn
s
A velocidade do rotor não pode ser igual à velocidade síncrona, pois 
assim, nenhuma corrente seria induzida no enrolamento do rotor e 
consequentemente nenhum torque seria produzido. 
Escorregamento 
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 Dada em radianos mecânicos/segundo a velocidade 
síncrona mecânica é relacionada a velocidade síncrona 
elétrica por: 
 
 
 Se o rotor está girando a uma velocidade angular rm a 
velocidade de escorregamento é simplesmente igual a 
sm - rm. O “escorregamento” , s, é a velocidade de 
escorregamento normalizada e é dado por: 
2
sm e
P
 
sm rm e r
sm e
s
   
 
 
 
Campo Magnético Girante e Escorregamento 
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O motor de indução também é conhecido por motor assíncrono, 
exatamente por não poder funcionar na velocidade síncrona. A 
diferença percentual entre as velocidades do campo girante e do 
rotor é chamada de deslizamento (S de “slip”). O deslizamento 
também é comumente chamado de escorregamento. 
Princípio de funcionamento 
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Para compreendermos os princípios do controle de velocidade e torque do motor 
de indução trifásico, é necessário o conhecimento de algumas relações que 
regem o funcionamento dessa máquina. A seguinte análise proporciona apena o 
entendimento básico do motor de indução trifásico: na prática, essas relações 
exigem uma modelagem matemática muito mais complexa. 
 
 Fluxo magnético 
O fluxo no entreferro do motor de indução trifásico é proporcional à tensão no 
estator e inversamente proporcional à frequência. 
 
 
Características operacionais 
f
V

 Portanto, o fluxo magnético pode ser alterado das seguintes maneiras: 
 
 reduzido pelo decréscimo da magnitude da tensão ou elevação da frequência, 
 mantido constante por uma variação proporcional da tensão e frequência, 
 ou elevado com a redução da frequência da tensão alternada aplicada ao 
estator. Lembre-se que a magnitude da tensão aplicada ao estator do MIT não 
pode ser superior à tensão nominal da máquina 
 
 
 
Acionamentos Elétricos 2012 - Tema 7 - Controle de Maq. de Indução - Controle Escalar.pptx
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Torque 
Para o torque desenvolvido pelo motor, temos a seguinte relação: 
 
 
 
Sendo , a corrente induzida no rotor. 
 
 
 
Características operacionais 
RiT .
Ri
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Característica Torque-Velocidade 
Para se estudar o problema do acionamento feito por 
motores de indução é desejável o conhecimento da sua 
curva característica conjugado x escorregamento (velocidade) 
 
Esta característica é a relação entre o conjugado 
eletromagnético interno desenvolvido pelo motor e o 
escorregamento correspondente 
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Característica Torque-Velocidade 
• A característica torque-velocidade de um motor é importante 
do ponto de vista de suas aplicações a específicas 
situações. Para calcular o torque produzido pela máquina, 
primeiro, computa-se a potência do motor. A potência do 
motor, ou a potência mecânica fornecida para a carga é: 
 
 
 
A potência elétrica entregue ao motor pode ser calculada do 
utilizando o modelo por fase através do circuito equivalente a 
seguir: 
perdasinem PPP 
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 O circuito equivalente por fase do motor de indução é mostrado abaixo: 
 
 
 
 
Modelo da MI - Circuito Equivalente por Fase 
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Pode-se simplificar o circuito anterior desprezando a resistência Rm 
devido ao seu valor muito alto comparado com Xm. 
 
 
 
 
 
A partir do circuito acima, pode-se determinar o circuito equivalente de 
Thevenim entre os pontos a e b. Os pontos a e b na figura dividem o 
circuito equivalente em duas partes: à esquerda, o circuito do estator e à 
direita o do rotor. Para se obter a tensão de Thévenin, os pontos a e b 
são abertos. 
 
 
 
Modelo da MI - Circuito Equivalente por Fase 
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De acordo com o modelo de Thévenin, a tensão Vth será dada pela 
equação 
 
 
 
 
 
 
 
A impedância do estator equivalente de Thévenin, Zth = Rth + jXth, é 
a impedância entre os terminais a e b, vistos em direção à fonte, com 
a fonte de tensão curto-circuitada e, portanto, igual a r1 + jx1 em 
paralelo com jxm. 
 
 
Modelo da MI - Circuito Equivalente por Fase 
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Assim, do circuito equivalente temos que a potência que é 
transferida do estator para o rotor, através do campo magnético do 
entreferro, chamada potência eletromagnética Pem, divide-se em 
duas parcelas: 
 
• uma é transformada em calor na resistência r2 do rotor, e 
• a outra em potência mecânica na resistência (fictícia) r2.(1-s)/s 
 
 
 
 
 
 
 
Modelo da MI - Circuito Equivalente por Fase 
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Potência de Entrada: onde cos é o FP da entrada 
Perdas no cobre do estator: 
 
Perdas no cobre do rotor: 
 
Perdas no núcleo: 
 
Potência cruzando o entreferro:Potência de saída: 
 
Potência no eixo: 
 
onde PFw são perdas por atrito e por ventilação 
3 cosin s sP V I 
23ls s sP I R
23lr r rP I R
23 /lc m mP V R
23 /g r rP I R s
23 (1 / )o g lr r rP P P I R s s   
sh o FwP P P 
Circuito Equivalente por Fase – Expressões de Potência 
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Circuito equivalente por fase simplificado 
Sendo, normalmente, muito grande e , , o ramo 
relativo à magnetização pode ser representado apenas pela reatância e 
colocado na entrada do circuito, como mostrado na figura abaixo. 
mR  222 SSm XRX 
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Circuito equivalente por fase simplificado 
A corrente do rotor fica então dada por: 
 
 
 
Substituindo Ir na expressão da potência no entreferro e, 
esta, na expressão do torque desenvolvido ( ), 
tem-se: 
 
2/1
2
2
















rS
r
S
S
r
XX
s
R
R
V
I
 
















2
2
2
..
..3
rs
r
ss
Sr
m
XX
s
R
Rs
VR
T


PT 
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Curva torque x velocidade 
 
 
Torque em função da velocidade 
(escorregamento) 
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Curva torque x velocidade 
 
 
Conjugado de partida ou conjugado com rotor bloqueado (Cp): é o conjugado que o 
motor desenvolve no momento em que ele é ligado a uma rede de tensão e frequência 
nominais, com o rotor parado. O seu valor pode ser obtido fazendo-se na equação do 
torque o escorregamento igual a 1. 
 
Conjugado mínimo (Cmin): é o menor valor que o conjugado assume durante o 
período de aceleração, representado pelo ponto mais baixo da característica, entre a 
velocidade zero e a velocidade correspondente ao conjugado máximo, sob tensão e 
frequência nominais. 
 
Conjugado máximo ou conjugado crítico (Cm): é o máximo valor de conjugado que o 
motor pode desenvolver durante a sua operação. Recebe também o nome de 
conjugado crítico e seu valor determina a capacidade momentânea de sobrecarga 
mecânica do motor. 
 
Conjugado nominal ou de plena carga (Cn): é o conjugado que o motor desenvolve na 
sua condição nominal de operação, isto é, com tensão e frequência nominais aplicadas 
aos terminais do motor, ele gira à velocidade nominal, fornecendo a potência 
nominal no seu eixo. 
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Cálculo de smax e Tmax 
• Para encontrar smax, igualamos a derivada em relação a s da 
equação do torque a zero. 
 
 
• O que resulta 
 
 
• substituindo smax na equação do torque, resulta em Tmax 
0
ds
dTm
 22
max
rss
r
XXR
R
s


 






22
2
max
2
3
rsss
s XXRR
V
T

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Característica Torque-Velocidade 
• Equação do escorregamento máximo mostra que o 
escorregamento no qual ocorre o máximo torque é 
proporcional a resitência do rotor. A equação do torque 
máximo é independente da resistência do rotor