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Universidade do Estado de Mato Grosso Campus Sinop Faculdade de Ciências Exatas e Tecnológicas ACIONAMENTO DE MÁQUINAS ROGÉRIO LÚCIO LIMA Sinop Novembro de 2016

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Universidade do Estado de Mato GrossoCampus Sinop

Faculdade de Ciências Exatas e Tecnológicas

ACIONAMENTO DE MÁQUINAS

ROGÉRIO LÚCIO LIMA

Sinop – Novembro de 2016

Prof. Msc. Rogério Lúcio Lima Acionamento de Máquinas 2

Acionamento de Máquinas

Chaves de Partidas Eletrônicas .

Inversor de FrequênciaEquipamento versátil e dinâmico que permitiu o uso de motores de indução para controle develocidade em substituição aos motores de corrente continua.• Método mais eficiente no controle de velocidade do MI: variação da frequência da fonte

alimentadora.

Prof. Msc. Rogério Lúcio Lima Acionamento de Máquinas 3

Acionamento de Máquinas

Inversor de Frequência

Equacionamento máquina assíncrona:𝐶 = 𝜑𝑚. 𝐼2

𝐸1 = 4,44. 𝐹1. 𝑁1. 𝜑𝑚(tensão aplicada ao estator)∅2 = 𝑈2/𝑓

Sendo:C – conjugado do motor (N.m)𝜑𝑚 - fluxo de magnetização (Wb)𝐼2 - corrente no rotor (A)𝐸1 - tensão no estator (V)𝐹1 - frequência da rede (Hz)𝑁1 - número de espiras

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Acionamento de Máquinas

Inversor de Frequência

Os cicloconversores antecederam, de certa forma, os atuais inversores. Eles eram utilizadospara converter 60 Hz da rede em uma frequência mais baixa, era uma conversão CA-CA.

Princípios BásicosOs inversores podem ser classificados por sua topologia (tipo de retificação, controle docircuito intermediário, saída).

Retificador

𝐶𝐴 60 𝐻𝑧 → 𝐶𝐶 𝑟𝑒𝑡𝑖𝑓𝑖𝑐𝑎𝑑𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑜𝑛𝑑𝑎 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑙𝑒𝑡𝑎𝑉𝑐𝑐 = 1,41 𝑥 𝑉𝑅𝐸𝐷𝐸

Prof. Msc. Rogério Lúcio Lima Acionamento de Máquinas 5

Acionamento de Máquinas

Inversor de FrequênciaControle de chaveamento

Prof. Msc. Rogério Lúcio Lima Acionamento de Máquinas 6

Acionamento de Máquinas

Inversor de Frequência

Controle de chaveamento

• A CC é conectada aos terminais de saída pelos tiristores T1 a T6, funcionam no corte desaturação como chave estática;

• Controle dos circuitos (circuito de comando) – obtém-se uma frequência defasadas em120°;

• Escolhe-se a tensão e a frequência que permitem 𝑈2 seja proporcional a 𝑓, para ∅2 e otorque sejam constantes.

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Acionamento de Máquinas

Inversor de Frequência

Controle de chaveamentoO circuito de controle dos transistores de potência é o elemento responsável pela geraçãodos pulsos de controle dos transistores de potência a partir do uso de microcontroladoresdigitais.

PWM (Pulse Width Modulation)

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Acionamento de Máquinas

Inversor de Frequência

Controle de chaveamentoVariabilidade da frequência: escalar ou vetorial

Escalar: Gráfico Tensão x Frequência.

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Acionamento de Máquinas

Inversor de Frequência

Controle de chaveamentoGráfico escalar – com a elevação da frequência do sinal imposto a armadura do motor emanutenção do valor de tensão, a corrente de magnetização da maquina caiproporcionalmente e, com ela, o fluxo magnético no entreferro – enfraquecimento decampo.

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Acionamento de Máquinas

Inversor de FrequênciaControle de chaveamentoAcionamento de motores de baixa rotação:

• Especificar motor com fator de serviçomaior;

• Aumentar a classe de isolamento;

• Motor com carcaça maior;

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Acionamento de Máquinas

Inversor de FrequênciaControle de chaveamentoMotores de indução trifásicos com ventilação independente

Prof. Msc. Rogério Lúcio Lima Acionamento de Máquinas 12

Acionamento de Máquinas

Inversor de FrequênciaClassificação dos conversores de frequência

Conversores com controle escalar

• Sistemas que se restringe ao controle de velocidade do motor, sem controle do torquedesenvolvido e sem conhecimento da dinâmica do processo sob controle;

• Imprimem um certo erro de velocidade, facilmente assimilado pelo sistema controlado;

• Controle em malha aberta, a faixa de frequência vai de 10 Hz aos 60 Hz.

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Acionamento de Máquinas

Inversor de FrequênciaClassificação dos conversores de frequência

Conversores com controle vetorialCom o avanço teórico das técnicas vetoriais de controle, onde a avaliação das variáveisinternas do motor é efetuada e passada ao sistema controlador, a regulação da MI tornou-semais precisa.

O sinal vindo do eixo do motor, coletado por um tacogerador de pulsos , fornece um controlede malha fechada, o que possibilita:• alto desempenho dinâmico;• Operação suave no intervalo de velocidades especificadas para o conversor;• Pequenas oscilações no conjugado motor, quando ocorrem variações na carga;• Grande precisão de velocidade;

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Acionamento de Máquinas

Inversor de FrequênciaBlocos componentes do inversor de frequência

Prof. Msc. Rogério Lúcio Lima Acionamento de Máquinas 15

Acionamento de Máquinas

Inversor de FrequênciaBlocos componentes do inversor de frequência

1º Bloco – CPU• Microprocessador ou microcontrolador;• Local onde as informações estão armazenadas (memória integrada neste conjunto);• Executa funções vitais: geração dos pulsos de disparo, por meio de uma lógica de controle

coerente, para os IGBTs;

2º Bloco – IHM (Interface HomemMáquina)• Verifica-se (display) e parametriza-se o inversor;• Grandezas verificadas: tensão, corrente, frequência, status de alarme. Ainda, visualizar

sentido do giro, verificar o modo de operação (local ou remoto), ligar ou desligar oinversor, variar velocidade, alterar parâmetros e outras funções.

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Acionamento de Máquinas

Inversor de FrequênciaBlocos componentes do inversor de frequência3º Bloco - Interfaces• Comando analógico ou digital – tensão analógica (controlar velocidade de rotação de

motor AC no inversor);• Tensão entre 0 a 10 Vcc: 1 Vcc = 1000 RPM, 2 VCC = 2000 RPM;

• Inversão da rotação – basta inverter a polaridade do sinal analógico (0 a 10 Vcc no sentidohorário e -10 a 0 Vcc no sentido anti-horário);• Sistema muito utilizado em ferramentas automáticas – CNC (controle numérico

computadorizado);

• Entrada analógica.

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Acionamento de Máquinas

Inversor de FrequênciaBlocos componentes do inversor de frequência4º Bloco – Etapa potência - Constituída por um retificador, que alimenta através de umcircuito intermediário denominado “barramento DC”, a saída do inversor (módulo IGBT) .

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Acionamento de Máquinas

Inversor de FrequênciaDimensionamento do inversor“Deve-se saber o modelo, tipo e sua potência em acordo com a necessidade.”

1º Potência do inversorRede elétrica = 380 VcaMotor = 1 HPAplicação = exaustor industrialCálculos: 1 HP = 746 WComo a rede elétrica é de 380 Vca e os inversores (normalmente) possuem fator depotência igual a 0,8 (𝑐𝑜𝑠𝜑 = 0,80), temos:

𝐶𝐼 = 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑜 𝑖𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑜𝑟

𝐶𝐼 =𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑒𝑚 𝑤𝑎𝑡𝑡𝑠

𝑇𝑒𝑛𝑠ã𝑜 𝑛𝑎 𝑟𝑒𝑑𝑒 𝑥 𝑐𝑜𝑠𝜑=

746

380𝑥0,8= 2,45𝐴

Prof. Msc. Rogério Lúcio Lima Acionamento de Máquinas 19

Acionamento de Máquinas

Inversor de FrequênciaDimensionamento do inversor“Deve-se saber o modelo, tipo e sua potência em acordo com a necessidade.”

2º Tipos de Inversor

A maioria dos inversores utilizados é do tipo escala. Utiliza-se o tipo vetorial em duasocasiões: extrema precisão de rotação, torque elevado para rotação baixa ou zero(guindastes, pontes rolantes, elevadores etc.).

3º Modelo e Fabricante

Deve atender as características mínimas (exemplo):Tensão de entrada = 380 Vca;Tipo = escalar;

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Acionamento de Máquinas

Inversor de FrequênciaSistemas de entrada e saída de dadosInterface Homem/Máquina (IHM)Dispositivo de entrada/saída de dados, em que o operador pode entrar com os valores dosparâmetros de operação do conversor, como: ajuste de velocidade, tempo deaceleração/desaceleração etc. Também pode ter acesso aos dados de operação doconversor, como: velocidade do motor, corrente, indicação de erro etc.

Entradas e saídas analógicasSão os meios de controlar/monitorar o conversor através de sinais eletrônicos analógicos:sinais em tensão ou em corrente e que permitem fazer o controle de velocidade.

Entradas e saídas digitaisEste tipo de controle permite basicamente ter acesso a funções simples, como seleção desentido de rotação, bloqueio, seleção de velocidades.

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Acionamento de Máquinas

Inversor de FrequênciaSistemas de entrada e saída de dadosInterface de comunicação serialPermite que o conversor seja controlado/monitorado a distância por um computadorcentral, comunicação executada por fios, o que permite a conexão de vários conversores umCP central ou operado por CLP, por rede field bus, RS 232 ou RS 485.

O IF permite o acionamento de MI com frequências entre 1 e 60 Hz com um torqueconstante, sem aquecimentos anormais nem vibrações fora de ordem. Também possuioutras vantagens que estão enumeradas a seguir:• Rendimento de 90% em toda faixa de velocidade;• Fator de potência de aproximadamente 96%;• Acionamento de cargas de torque constante ou variável;• Faixa de variação de velocidade, que pode chegar até 1:20;• Partida e desligamento suave (rampa) ;

Prof. Msc. Rogério Lúcio Lima Acionamento de Máquinas

Acionamento de Máquinas

Inversor de FrequênciaFormas de variação de velocidade

• Acionamento da IHM• Coloca-se em modo local e pelo teclado incrementa-se ou decrementa-se a

velocidade, além de inverter o sentido de giro do motor;

• Acionamento pelas entradas digitais• Em aplicações industriais é inviável acionamento local, por isso, a grande maioria das

aplicações usam aplicações remotas – coloca-se em modo remoto;

• Acionamento da função Multispeed• Qdo se deseja até oito velocidades fixas pré-programadas – modo remoto –

programar uma ou mais entradas digitais para Multispeed;

Prof. Msc. Rogério Lúcio Lima Acionamento de Máquinas

Acionamento de Máquinas

Inversor de FrequênciaFormas de variação de velocidade

• Acionamento da função Multispeed: CFW 08 plus da WEG.

Prof. Msc. Rogério Lúcio Lima Acionamento de Máquinas

Acionamento de Máquinas

Inversor de FrequênciaFormas de variação de velocidade

• Acionamento pelas entradas analógicas

“Quando se deseja um controle de velocidade de 0 a 100%.”

• Pelo potenciômetro – por meio de um potenciômetro configura-se um divisor detensão variável de 0 a 10 Vcc;

• Pela fonte de tensão ou corrente externas – mais utilizado para controle de velocidaderemotamente, feito por um controlador externo como um CLP ou controladorindustrial.

Prof. Msc. Rogério Lúcio Lima Acionamento de Máquinas

Acionamento de Máquinas

Inversor de FrequênciaConexões de entrada e saída do inversor de frequência“Conexões de sinais e controle são feitas no conector do cartão eletrônico de controle.”

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Acionamento de Máquinas

Inversor de FrequênciaTransferência de configuração pela IHM• Inversores de mesmo modelo e versões de software compatíveis;

Prof. Msc. Rogério Lúcio Lima Acionamento de Máquinas

Acionamento de Máquinas

Inversor de FrequênciaAplicação dos inversores de frequência em controle

Prof. Msc. Rogério Lúcio Lima Acionamento de Máquinas

Acionamento de Máquinas

Inversor de Frequência

Considerações Finais• Perda de potência

• Forma de onda perfeitamente senoidal – perda de potencia em torno de 15%;• Motores instalados – verificar a folga de potência;• Motores novos – considerar acréscimo de potência;

• Influencia sobre os capacitores• São afetados quando percorrido por correntes de alta frequência – evitar para que o

motor não seja submetido a sobretensões devido a essa influência;• Sobretensões no isolamento

• Comutação em alta frequência – elevados picos de tensão que afetam o isolamentodas espiras entre fase e entre fase-terra – dv/dt é muito elevada no processo decomutação – especificar o motor com classe de tensão de, no mínimo, 600 V comtensão suportável de pico de pelo menos 1000 V.

Prof. Msc. Rogério Lúcio Lima Acionamento de Máquinas

Acionamento de Máquinas

Inversor de Frequência

Considerações Finais• Limite de comprimento do circuito do motor

• Comprimento do cabo que pode surgir anomalias danosas a isolação do motor:L𝐶𝑅 = (𝑉𝑃𝑂𝑥𝑇𝐶𝑇)/2

𝑉𝑃𝑂 - velocidade propagação da onda de tensão aproximadamente 150 m/μs;𝑇𝐶𝑇 - tempo de crescimento do pulso de tensão.

Prof. Msc. Rogério Lúcio Lima Acionamento de Máquinas

Acionamento de Máquinas

Inversor de Frequência

Considerações Finais• Distorção Harmônica

Rendimento de um motor de indução acionado por inversor de frequência:

𝜂𝑟 =𝐹𝑟𝑡ℎ2

1𝜂+ 𝐹𝑟𝑡ℎ

2 − 1

𝜂𝑟 - rendimento do motor trabalhando com o inversor de frequência;𝜂 – rendimento do motor alimentado por uma onda senoidal;𝐹𝑟𝑡ℎ- fator de redução de torque por distorção harmônica.

Prof. Msc. Rogério Lúcio Lima Acionamento de Máquinas

Acionamento de Máquinas

Inversor de Frequência

Considerações Finais• Distorção Harmônica

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Acionamento de MáquinasSimbologia Elétrica

Bibliografia

COTRIM, A. A. M. B. Instalações Elétricas. São Paulo.

CREDER, H. Instalações Elétricas. 14 ed. Rio de Janeiro: LTC, 2004.

FRANCHI, C. M. Acionamentos Elétricos. 4 ed. São Paulo: Editora Érica, 2008.

KAWAPHARA, M. K. Apostila de Eletrotécnica Industrial. Cuiabá: UFMT, 2008.

Manual WEG - http://ecatalog.weg.net/files/wegnet/1-577.pdf