Memoire Online - Acionamento de motores de induàƒÂ§àƒÂ£o através de inversores de frequàƒÂªncia

Trabalho de conclusão de curso, no formato de Monografia, apresentado perante Banca Avaliadora do Centro Universitário de Lins - UNILINS, como requisito parcial para obtenção do grau de bacharel em Engenharia Elétrica.

Dedicamos este trabalho a todos que contribuíram direta ou indiretamente em nossa formação acadêmica.

AGRADECIMENTOS

Agradeço em primeiro lugar a Deus, por tudo quanto tem feito pela minha vida, pela minha família, por todas as bênçãos e livramentos que ele tem proporcionado para todos nôs, por nos renovar a cada dia e nos oferecendo a oportunidade de crescer em todos aspectos, principalmente espiritualmente.

Agradeço aos meus Pais (Astrid Mbulu Nene e Edgard Nsiangani celane) que muito
fizeram e têm feito por mim, para nunca me falte nada, por todas as lutas que eles já
enfrentaram e enfrentam diariamente para proporcionar o bem-estar para mim e
para a nossa família de modo geral.

Agradeço o nosso orientador Prof. Msc. Milton Léo pela oportunidade,
ensinamentos, incentivos e apoio ao longo desses anos.

AGRADECIMENTOS

Quando as coisas fluem da maneira que planejamos nos sentimos bem, mas, é
quando elas apertam que sentimos quem nos tem algum carinho.

Este período de minha trajetória cá no Brasil, tem sido de muito aprendizado e
crescimento, e tudo isso só me é possível pois Deus e minha família sempre
estiveram comigo, ajudando a enfrentar tudo e continuar a seguir.

Agradeço a Deus pela vida, direção e despertar, obrigado a minha família, em
especial aos meus pais Rita Mauricio Cavunji e Salvador Manuel De Barros, pelos
ensinamentos e amor.

Obrigado ao meu colega e amigo Donatien Ngamuba, com quem muito aprendo ao
longo desses anos de convívio, e pela oportunidade de cooperar neste trabalho.

Obrigado a minha filha Serena Ekumbi por iluminar meus dias e dar mais significado
a eles, a minha namorada Emelyn Fernanda, pelo amor, companheirismo e por me
dar uma filha incrível, e pela sua família por ser minha também.

RESUMO

Neste trabalho pretente-se apresentar as possíveis informações necessárias dos inversores de frequência no controle de um motor de indução.

Os motores elétricos são responsáveis por uma grande parcela do consumo mundial de energia, por isso existe uma preocupação muito grande sobre sua eficiência. Até algumas décadas atrás, os sistemas de controle para motores de indução trifásicos, eram mais custosos e, por isso, em várias aplicações não se fazia o uso de técnicas de controle desses motores.

Com o desenvolvimento de teorias de controle e do desenvolvimento tecnológico dos semicondutores esse contexto se alterou, e assim viabilizou a aplicação de controle nos motores de indução trifásica.

O presente trabalho de conclusão de curso tem por finalidade apresentar o embasamento teórico básico para o projeto de um inversor de frequência e, para isso, são apresentados os principais conceitos relacionados aos inversores de frequência.

ABSTRACT

In this work, we intend to present the possible necessary information of the frequency inverters in the control of an induction motor.

Electric motors are responsible for a great share of the world's energy consumption, so the efficiency of electric motors receives great attention. Up until a few decades ago, control systems for tree-phase induction motors were very expensive, and in several applications no control techniques were used.

With the development of control theories and the technological advancements in semiconductors, this situation has changed, therefore making it affordable to apply control to three-phase induction motors.

This course completion project has the objective to present the basic theoretical foundation for the design of a frequency inverter, and for this the main concepts of frequency inverters will also be presented.

LISTA DE FIGURAS

Figura 8 - (b) Comparação entre tensão de entrada e saída de um retificador

Figura 16 - (b) Pulsos oriundos da comparação do sinal de referência e da

LISTA DE TABELAS

SUMÁRIO

1. 2. 3. 3.1. 3.2. 4.	INTRODUÇO JUSTIFICATIVA OBJETIVOS Objetivo Geral Objetivo específico METODOLOGIA DA PESQUISA	11 13 14 14 14 15
5.	MOTOR DE INDUÇO	16
5.1.	Parâmetros do motor de indução trifásico	19
5.2.	Acionamento elétrico para motores de indução	20
5.2.1.	Partida direta	21
5.2.2.	Partida estrela - triângulo	21
5.2.3.	Partida com autotansformador	21
5.2.4.	Partida Soft Starter	22
5.2.5.	Inversores de frequência	22
6.	INVERSOR DE FREQUÊNCIA	23
6.1.	Retificador	25
6.1.1.	Retificador monofásico não controlado	25
6.1.2.	Retificador trifásico não controlado	27
6.2.	Barramento CC	28
6.3.	Inversor de tensão	29
6.3.1.	Conversor CC-CA monofásico	29
6.3.2.	Conversores CC-CA trifásicos	31
6.4.	Técnicas de modulação	33
6.4.1.	Modulação Senoidal	34
6.4.2.	Modulação Vetorial (SVPWM)	35
6.5.	Tipos de controles	44
6.5.1.	Controle escaler	45
6.5.2.	Controle vetorial	49
7.	PARAMETRIZAÇO	51
8.	INVERSORES NA PRÁTICA	54
9.	CONCLUSO	55

1. INTRODUÇO

Os motores estão presentes nos mais diversos setores da vida humana, quer nas simples residências domiciliares, até as indústrias e meios de transportes, fornecendo e tornando a vida mais simples e simplificando processos ligados a vida cotidiana, com isso se tem uma maior economia de tempo e outros recursos. («Controle e Automação», Prof. Michel Robert Veiga, USP; 2018).

Atualmente, quase 100% da carga elétrica industrial instalada no mundo é de acionamento de cargas motrizes. Na maioria dos casos, esses acionamentos exigem um controle de velocidade, que vai desde a partida até a velocidade nominal.Nas zonas industriais principalmente, faz-se o usos de inversores de frequência para o acionamento e controle de motores (principalmente de corrente alternada CA).Normalmente, o motor utilizado é o de indução trifásico - MIT, que tem como característica uma velocidade praticamente constante, em regime permanente. («Controle e Automação», Prof. Michel Robert Veiga, USP; 2018).

Um dos métodos utilizados para obter uma operação com velocidade variável nos MIT é através da variação da frequência de alimentação. O equipamento capaz de promover uma variação desse parâmetro é o inversor de frequência.

Os inversores de freque^ncia, saÞo usados normalmente, em motores eleìtricos de inducaÞo trifaìsicos para substituir alguns dos sistemas de variacaÞo de velocidades meca^nicos, tais como polias e variadores hidraìulicos e de velocidades, e que exigem manutencaÞo (seja preventiva ou preditiva todas com elevado grau de controle), assim como os custosos motores de corrente contiìnua pelo conjunto motor assiìncrono e inversor, mais barato, de manutencaÞo mais simples e reposicaÞo simplificada pela grande variedade de componentes existentes no mercado.

Portanto, devido a sua importância na atividade produtiva, esse equipamento é sempre muito estudado com o objetivo de aumentar a sua eficiência.

Os conhecimentos adquiridos nas disciplinas Circuitos Elétricos, Eletrônica Digital, Eletrônica de Potência e Máquinas elétricas foi essencial para a realização deste trabalho.

2. JUSTIFICATIVA

Com aumento da demanda por parte das induìstrias tanto de processo quanto de manufaturas, tais como linha de montagem automobiliìstica, bebidas, alimentiìcias, papel, celulose e petroquiìmicas, que necessitam cada vez mais de processos produtivos e eficientes, a forma para controlar a velocidade de motores de inducaÞo trifaìsicos tem sido mudada para atender melhor o mercado, visando um custo baixo de manutencaÞo e um lucro alto na producaÞo (AHMED, 2000).

Devido a essas e inúmeras razões para o uso de dispositivos de controle nas diversas aréas, principalmente na indústria do papel e celulose que não podem operar sem o controle de velocidade, já outras áreas como bombas centrifugas e outras que podem ser beneficiadas com a redução de energia, o uso de dispositivos para controle de velocidade em motores tem uma extensa aplicação na indústria.

Os inversores de frequência cada vez mais se destacam em diferentes áreas principalmente no meio industrial, no controle de velocidade, torque, economia de energia e etc, o que gera um interesse de nossa pare acerca do funcionamento e uso desta ferramenta que muito tem a contribuir.

3. OBJETIVOS

3.1. Objetivo Geral

Dada a evolução da humanidade e sua demanda por produtos e trabalhos com mais rendimento e menos esforço, surgiram os motores para alavancar o desenvolvimento e melhora de seus processos de trabalhos e vida, e com o tempo surgiram os inversores de frequência para facilitar o controle e o uso desses motores a fim de entregar mais eficiência e rendimento, e com esse trabalho desejamos estudar os inversores e suas aplicações em motores de indução.

3.2. Objetivo específico

? Estudar o inversor, suas características e melhorias nos processos de aplicação;

4. METODOLOGIA DA PESQUISA

Para a realização desse trabalho teve-se a necessidade de uma base teórica acerca do tema, por meio da elaboração de uma revisão bibliográfica, com base em pesquisas feitas em portais de informação, artigos acadêmicos (revistas, teses, livros), dados coletados em entrevistas orais com professores da Unilins, pesquisas de campo. Em harmonia com essa fundamentação, será feita a análise dos dados e elaborado o projeto: «ACIONAMENTO DE MOTORES DE INDUÇO ATRAVÉS DE INVERSORES DE FREQUÊNCIA» aqui proposto como solução para o problema apresentado.

5. MOTOR DE INDUÇO

O motor de indução foi, de forma apropriada, patenteado primeiramente por Nikola Tesla em 1888. Esses motores têm sido usados em larga escala nas indústrias devido a sua confiabilidade, simplicidade e eficiência.

Os motores de indução são assim chamados porque apenas o estator é alimentado com energia elétrica e o rotor recebe energia através da indução eletromagnética. Os motores de indução são motores de corrente alternada que podem ser divididos tanto quando número de fases quanto ao modo de enrolamento do rotor.

As máquinas rotativas de corrente alternada dividem-se em dois grandes grupos: Máquinas Síncronas e Máquinas Assíncronas.

Uma máquina diz-se síncrona quando roda à velocidade de síncronismo, isto é, à velocidade que resulta da aplicação da expressão:

Onde f, frequência da tensão de alimentação e p, número de pares de pólos da máquina.

Uma máquina diz-se assíncrona quando roda a uma velocidade diferente da velocidade de síncronismo.

Para este trabalho foi escolhido o tipo de motor assíncrono trifásico também chamado de motor de indução trifásico com rotor de gaiola. Este rotor se torna mais viável se considerar as aplicações de baixa potência, que é o foco deste trabalho. A

Figura 1 - Mostra como os motores elétricos podem ser divididos. (Fonte: VAZ, 2010)

Na Figura 2 é possível identificar os principais elementos que constituem um motor de indução, e como eles são conectados em sua montagem.

5.1. Parâmetros do motor de indução trifásico

Para o entendimento do funcionamento e para o projeto de sistemas controladores dessas máquinas, alguns parâmetros são de extrema importância. Os parâmetros listados abaixo proporcionam um entendimento básico sobre os motores de indução trifásicos.

. Velocidade Síncrona (????): É a velocidade do campo magnético girante.
Não é a velocidade mecânica do motor, mas sim a velocidade do fluxo magnético gerado pelo enrolamento do estator.

ns --* velocidade síncrona ou velocidade do campo magnético girante, (rpm); f --* freqüência da corrente do estator ou freqüência da rede (alimentação), Hz; p --* número total de pólos.

. Velocidade Mecânica (????) : É a velocidade no eixo do motor ou
velocidade de funcionamento do motor e é dada pela Equação 2

motor de indução. Este fluxo é proporcional à tensão aplicada no estator e inversamente proporcional à frequência aplicada, como mostrado na equação 4. ??

? Torque (T): é um esforço de torção, ou torcional, produzido pelo motor.
O Torque do motor é proporcional ao produto da corrente no rotor e do fluxo

? Potência (P): a potência de saída é proporcional ao produto do torque e da velocidade ????.

5.2. Acionamento elétrico para motores de indução

Um dos grandes problemas nos motores é a corrente de partida, cerca de seis vezes a corrente nominal. Devido ao fato dos motores exigirem correntes altas na partida, pode ocorrer queda de tensão na rede, e assim afetar os demais equipamentos ligados a mesma rede.

Para evitar estas altas correntes na partida, existem métodos de acionamentos de motores elétricos que proporcionam uma redução no valor da corrente de partida dessas máquinas, tais como:

5.2.1. Partida direta

A partida direta para motores trifásicos é relativamente a ligação mais simples dentre todas as partidas usadas para acionar os motores trifásicos, pois o motor recebe a alimentação diretamente da fonte de energia trifásica, e dependem apenas de dispositivos de seccionamento para interferirem diretamente no seu funcionamento, como por exemplo os disjuntores, relés térmicos ou contatores.

Esta técnica pode ser considerada a mais simples, pois necessita apenas de contatores, disjuntores e chaves para manobras. A partida direta é utilizada para motores abaixo de 5CV desde que a corrente de partida seja menor que a corrente suportada pela rede. (CAMARGO, 2011, p.26)

5.2.2. Partida estrela - triângulo

A partida estrela-triângulo é utilizada em motores de elevada potência com o intuito de diminuir a corrente na partida. Trata-se de uma técnica bastante utilizada, pois a sua implementação é de baixo custo. (CAMARGO, 2011, p.26)

Nesta técnica, o motor parte na configuração estrela e, após uma determinada velocidade, passa para triângulo, e assim operando em suas condições nominais.

Neste tipo de partida, a corrente e o torque são reduzidos a 1/3, ou aproximadamente entre 25% e 33% da corrente de partida nominal. (CAMARGO, 2011, p.27)

5.2.3. Partida com autotansformador

É utilizada na partida de motores maiores, de até 15CV. A função do autotransformador é diminuir a tensão na partida, podendo assim, diminuir a corrente de pico.

Essa técnica de partida tem um custo mais elevado quando comparado com a técnica de partida estrela-triângulo, o que faz com que sua aplicação seja mais limitada a casos especiais.

5.2.4. Partida Soft Starter

O funcionamento de um soft starter, se dá através de uma ponte tiristorizada, que fazem o chaveamento da tensão para que ela possa ser disponibilizada para o motor de forma crescente, ou seja, irá aumentar gradativamente, garantindo uma partida suave e sem a presença da corrente de pico. Este chaveamento feito pela ponte é controlado através do sistema de controle e disparo, que é um modulo onde é possível realizar as programações desejadas por meio de parâmetros, que são identificados um a um pelo fabricante e disponibilizadas em um manual.

5.2.5. Inversores de frequência

Além do controle de partida de motores de indução, a indústria necessita do controle de velocidade variável ao longo do processo. Esses controles que antes eram feitos por motores de corrente contínua, agora passam a ser realizados por motores de indução, cujo processo é possível graças aos conversores de frequência.

Devido ao baixo custo, economia de energia, fácil instalação e parametrização, os inversores de frequência, como também são chamados, são utilizados amplamente no meio industrial. (WEG, 2010, p.45).

6. INVERSOR DE FREQUÊNCIA

Antes de ser inventado, o grande problema era como cessar a passagem da energia dentro do mesmo. Com esse advento muitas coisas foram possíveis, como por exemplo o não superaquecimento do motor (consequentemente não queimando) com uma corrente contínua, é quase que impossível realizar o controle de giro dos motores elétricos, porém hoje já é possível realizar esta alternância na energia recebida pelo motor, utilizando um inversor de frequência. Assim auxiliando no processo de transformar a corrente contínua em uma corrente alternada. Esse processo é muito semelhante ao sistema dos interruptores de energia simples que temos em nossas casas. E além disso, ainda tem a possibilidade de ser utilizado na idealização de novos e mais potentes motores elétricos, tanto para indústria de ventilação, como para indústrias metalúrgicas. Atualmente existem várias empresas especializadas na fabricação de inversores, como a Siemens, a Weg, a Yaskawa, a Allen Bradley e a ABB, entre outras.

A ideia básica de um inversor de frequência é transformar a tensão de entrada, geralmente corrente alternada fornecida pela rede elétrica, em corrente contínua, e depois transformar novamente em corrente alternada, mas agora com um sinal modulado, onde é possível alterar tanto a amplitude como a frequência deste sinal de saída.

Um inversor de frequência é formado basicamente por um retificador, acoplado a um inversor trifásico através de um elo de corrente contínua, como mostrado na Figura 3.

O elo de corrente contínua tem a função de fornecer corrente contínua, que geralmente é fornecida por um retificador, ao inversor trifásico.

Este elo é constituído por componentes capazes de armazenar energia elétrica, capacitores ou indutores, fator este que depende da configuração do inversor. A configuração que utiliza o capacitor é chamada de Inversor de Tensão Imposta e, para a configuração com um indutor, é chamada de Inversor de Corrente Imposta. (BORBA, 2009, p. 242)

O Inversor de Tensão Imposta, a tensão de entrada do inversor é mantida constante pelo capacitor do elo CC como mostrado na Figura 4.

Figura 4 - Diagrama de blocos de um Inversor de Tensão Imposta (Fonte: BORBA, 2009)

O bloco do retificador de tensão é responsável por tratar o sinal CA da rede e fornecer um sinal contínuo para o elo CC ou também chamado de barramento CC. O elo tem por objetivo melhorar o sinal de tensão CC fornecido pelo retificador, ou seja, torna o sinal mais regular para o inversor. Na Figura 5 é mostrado o circuito básico de um Inversor de Tensão Imposta Trifásico alimentando uma carga trifásica. O inversor transforma a tensão contínua fornecida pelo barramento CC em uma tensão alternada com frequência modulada. Isso é muito importante, pois algumas técnicas de controle de velocidade de motores elétricos são baseadas na modulação da frequência da tensão fornecida para o motor. A modulação do sinal de saída é feita através de técnicas da comutação dos interruptores S1, S2, S3, S4, S5 e S6.

Figura 5 - Circuito básico de um Inversor de Tensão Imposta Trifásico em Ponte. (Fonte:

6.1. Retificador

Como fornecimento de energia elétrica é feito, essencialmente, a partir de uma rede de distribuição em corrente alternada e muitas aplicações exigem uma tensão contínua, a solução para essa adaptação de alternado para contínuo é feita por conversores CA-CC, ou também chamados de retificadores.

Os retificadores podem ser classificados de duas maneiras, controlados e não controlados, de acordo com o número de fases da tensão alternada de entrada (monofásico, trifásico, hexafásico, etc.); em função do tipo de conexão dos elementos retificadores (meia ponte x ponte completa). (EMERICH, 2005, p.65).

6.1.1. Retificador monofásico não controlado

Os retificadores não controlados são aqueles que utilizam diodos como elementos de retificação, portanto, não há a possibilidade de atuar no chaveamento desses semicondutores. Um retificador monofásico de ponte completa com carga puramente resistiva tem o esquema representado pela Figura 6.

A Figura 7 compara as formas de onda da tensão na entrada do retificador com a forma de onda que será aplicada a essa carga resistiva.

Figura 7 - Comparação entre tensão de entrada e saída do retificador monofásico com carga

Percebe-se que a tensão de saída passa a ser contínua, ou seja, em nenhum momento ela tem a sua polaridade alterada.

Um retificador com carga capacitiva, Figura 8 (a), faz com que a tensão de saída seja alisada e assim eleva seu valor médio quando comparado com a carga resistiva do caso anterior, efeito que pode ser observado na Figura 8 (b).

Figura 8 - (a) Retificador com carga capacitiva, (b) Comparação entre tensão de entrada e saída deum retificador com carga capacitiva. (Fonte: EMERICH, 2005)

6.1.2. Retificador trifásico não controlado

O retificador trifásico de onda completa não controlado é assim chamado por usar um sistema trifásico, e onda completa, pois aproveita todo o ciclo da onda, tanto positivo quanto negativo. Na Figura 9 é ilustrado o esquema de retificador trifásico de onda completa não controlado.

Figura 9 - Retificador trifásico de onda completa não controlado. (Fonte: EMERICH, 2005)

Esta topologia conduzirá o diodo que estiver no momento com a tensão mais positiva e o que estiver com a tensão mais negativa. Cada par de diodos conduzirá por 60° e cada diodo conduzirá por 120°. A frequência da tensão retificada é igual a 6 vezes a frequência das tensões de alimentação. Pode-se observar na Figura 10 que, a partir de 30°, os diodos D1 e D5 estão, respectivamente, nas tensões mais positiva e mais negativa. Eles conduzirão até o próximo cruzamento em que o diodo D6 fica na tensão mais negativa e assim conduzirá no lugar de D5 e assim será até o próximo cruzamento. (EMERICH, 2005, p.65)

Figura 10 - Formas de onda de um retificador trifásico de onda completa na controlado. (Fonte: EMERICH, 2005)

Esse retificador é mais eficiente do que o retificador trifásico de meia onda, pois fornece seis pulsos enquanto o de meia onda fornece apenas três, e assim fornece uma saída com menos ondulação. Como a frequência de saída é mais alta, a filtragem é simplificada. (EMERICH, 2005, p.65)

6.2. Barramento CC

Após a tensão de entrada ser retificada, é necessário que essa tensão passe por um filtro, pois a tensão fornecida pelo retificador contém certas ondulações não desejadas.

O filtro pode ser formado basicamente por um capacitor ou banco de capacitores. O capacitor é carregado com a tensão de pico da entrada e, a partir do momento em que a tensão de entrada se torna menor que a tensão no capacitor, os diodos são bloqueados e a tensão passa a ser fornecida pelo capacitor. Assim, se o

projeto do filtro for realizado corretamente, a tensão de saída do filtro é uma tensão sem ondulações. A Figura 11 ilustra a ação de um filtro ideal.

6.3. Inversor de tensão

O inversor é um conversor CC-CA, ou seja, este conversor transforma a tensão contínua em tensão alternada. Estes conversores CC-CA podem ser ligados a qualquer tipo de fonte contínua, como por exemplo:

No entanto, na indústria é mais comum os conversores CC-CA serem conectados em circuitos com retificador e filtro. (RANIEL, 2011, p.128)

A conversão de CC-CA é feita através da comutação dos transistores. Para um melhor entendimento de como é feito essa conversão, será apresentado primeiramente o funcionamento de um circuito inversor monofásico.

6.3.1. Conversor CC-CA monofásico

Um modelo de inversor monofásico está representado pela Figura 12. Para que a conversão seja feita de maneira correta, os sinais S1, S2, S3 e S4 que

acionam os transistores devem ser comutados de forma específica. Cada transistor irá receber no gate um sinal que pode ser representado pelos níveis lógicos 1 ou 0 e, de forma a evitar que os dois transistores de um mesmo braço conduzam em simultâneo, os interruptores debaixo recebem os sinais complementares dos transistores de cima, correspondentes.

Uma vez que o inversor é controlado por dois sinais binários, onde esses sinais são referentes aos estados dos transistores S1 e S3, o sinal binário 0 significa que o transistor está bloqueado e o 1 significa que o transistor está conduzindo. Na Tabela 1 são apresentados os estados de comutação correspondentes a este modelo.

Nota-se que dois dos estados, (1,1) e (0,0), geram uma tensão de 0V. Esta característica é chamada de nível de tensão de redundância e pode ser utilizada para outros propósitos de controle, desde que não afete o nível de tensão da carga.

Em aplicações com cargas indutivas, podem aparecer tensões inversas elevadas. Os transistores devem ser protegidos dessas tensões e, para isso, um

diodo pode ser conectado entre o coletor e o emissor do transistor, como mostrado na Figura 13. (BARBI, 2007)

6.3.2. Conversores CC-CA trifásicos

O conversor CC-CA trifásico de tensão, é uma das estruturas mais empregadas na indústria, normalmente aplicado em altas potências. Sua popularidade deve-se à sua eficiência em obter tensões trifásicas com frequência controlável (BARBI, 2005, p.394).

Como cada tensão de entrada dos motores de indução é defasado em 120°, é necessário que a lógica aplicada para a comutação dos transistores também resulte em uma defasagem de 120° em cada fase na saída do conversor CC-CA trifásico. Um conversor CC-CA trifásico pode ser representado pela Figura 14.

Uma sequência possível de comutação dos sinais de entrada do gate dos transistores é a que está representada na Tabela 2.

Intervalo	S1	S2	S3	S4	S5	S6
0 - 60°	1	0	0	0	0	1
60° - 120°	1	1	0	0	0	0
120° - 180°	0	1	1	0	0	0
180° - 240°	0	0	1	1	0	0
240° - 300°	0	0	0	1	1	0
300° - 360°	0	0	0	0	1	1

Tabela 2 - Sequência de acionamento dos transistores. (Fonte: CONSTANTINO, 2013)

Esta lôgica de acionamento faz com que um sinal alternado e com 120? seja aplicado ao motor. Para que não ocorra curto circuito nas fases, os transistores devem ser ativados dois de cada vez, um do grupo S1, S3 e S5 e outro do grupo S4, S5 e S6. As formas de onda das fases A, B e C para este tipo de lôgica são mostradas na Figura 15.

Figura 15 - Forma de onda das fases na saída do conversor trifásico. (Fonte: CLUBE DA ELETRÔNICA, 2009)

Tanto para o caso em que é usado um inversor monofásico ou trifásico a forma de onda na saída do inversor é retangular. Para que o sinal na saída se comporte como um sinal senoidal é necessário que o os transistores sejam acionados obedecendo algumas das técnicas de acionamento dos transistores mais avançadas. No próximo item serão estudadas duas das técnicas de modulação.

6.4. Técnicas de modulação

O acionamento dos transistores pode ser feito através de técnicas de modulação por largura de pulso (MLP), seja do tipo senoidal, histerese, modulação vetorial, modulação ótima, modulação aleatória, entre outras.

Dentre as principais técnicas de modulação, a modulação vetorial tem-se tornado bastante popular devido às seguintes características (NICOLAU, 2007, p.17):

A seguir serão apresentadas duas técnicas de modulação, a modulação senoidal e a modulação vetorial.

6.4.1. Modulação Senoidal

A modulação senoidal é a mais popular, difundida e discutida na literatura, e comumente utilizada em aplicações industriais.

Na MLP senoidal, um sinal senoidal de referência chamado de moduladora é comparado com uma portadora triangular, e assim gera os pulsos que acionam os transistores. A Figura 16 (a) mostra a comparação entre o sinal da moduladora e a portadora, e a Figura 16 (b) apresenta o resultado da comparação, ou seja, o sinal PWM que irá ativar um determinado transistor.

Figura 16 - (a) Princípio de Operação da MLP senoidal. (b) Pulsos oriundos da comparação do sinal de referência e da portadora.

6.4.2. Modulação Vetorial (SVPWM)

Com o intuito de diminuir o conteúdo harmônico e melhorar o aproveitamento do barramento CC, em 1986, Van der Broek propôs uma técnica baseada na teoria de vetores espaciais para máquinas de corrente alternada, chamada de Modulação Vetorial ou SVPWM - Space Vector Pulse Width Modulation (CORTÉS, 2005, p. 97). Nesta técnica, a comutação dos interruptores é feita através do cálculo de seus tempos de aplicação e não mais através da comparação dos sinais de uma moduladora com uma onda triangular. Com isso, foi possível um aumento de 15 % do aproveitamento do barramento CC. Além de aumentar o aproveitamento do barramento CC, a modulação vetorial também diminui o conteúdo harmônico, minimiza as comutações dos interruptores e também é adequada para implementação digital. (FLORES, 2009, p.24)

O conceito de vetores espaciais é derivado do campo girante da máquina CA a qual é acionada por um inversor de saída modulada. Neste tipo de modulação, as grandezas trifásicas podem ser transformadas para equivalentes bifásicas em componentes síncronas com referencial girante ou estacionário. (GIFFONI, 2008, p.142)

Considerando-se um sistema de tensões balanceadas trifásicas representadas pelo conjunto das equações abaixo:

Para análise do controle vetorial é preferível expressar o sistema trifásico em função do cosseno, como mostrado pelas equações a seguir:

Quando as tensões descritas pelas Equações 8 são aplicadas a uma máquina CA é gerado um fluxo girante no entreferro que pode ser representado como um vetor que gira com velocidade síncrona. A amplitude e o ângulo deste vetor podem ser encontrados pela transformada de Clarke, conforme mostrado pela Equação 9.

		??????? ?? = ???? + ???? = 23 (???? + ?????? + ??²??_??)				(9)	Sendo que:

	??2??
	??= ?? 3				(10)
	??4??
	??² = ?? 3				(11)
	\|????????? \| = v??_??² + ????²				(12)
	?? = ??????-1 (???? ????)				(13)	? 2 3 ???????? =
[(????	+ ?????? 32?? ???? + ?????? 32?? ????) + ??	(??????₃^2?????? - ??????	32??	????)]	(14)

2 ???? = 3 (???? + ?????? 32?? ???? + ?????? 2 2?? ????-?????? (??????	32?? ????) ????) ???? .[???? ] ????	(15) (16) (17)
32?? ???? = 3 3 Passando-se agora para a forma matricial. 2?? 2?? 1
??????3 ?????? [???? 3 2?? 2?? 0 ????] = 2 3 [ ]
?????? 3 -?????? 3

A Equação 18 representa a equação de Clarke que torna possível representar um sistema de tensões trifásico em seu equivalente bifásico.

Reescrevendo-se as funções trigonométricas na forma exponencial através da seguinte identidade trigonométrica de Euler:

Percebe-se que o vetor de referência ?? ??????gira em plano complexo com módulo e velocidade síncrona constante, ou seja, a transformada de Clarke não alterou as características fundamentais do sistema trifásico, como amplitude e frequência.

Considerando, agora, o inversor trifásico alimentando uma carga conforme ilustrado na Figura 17, é possível identificar que para um inversor de três braços existem apenas oito possibilidades de combinação de comutação, a saber que os interruptores de um mesmo braço são complementares.

Para identificar um estado específico de comutação é necessário observar os estados dos interruptores superiores do inversor da Figura 18, onde 1 significa que o interruptor está conduzindo e 0 indica que o interruptor está bloqueado. O estado da Figura 18 será chamado de ??1 = 100.

Figura 18 - Inversor de frequência representando o estado (Fonte: FLORES, 2009.)

Escrevendo-se as equações das tensões aplicadas à carga, tomando-se como refere^ncia o ponto «o» para o estado contram-se as equações abaixo.

Substituindo-se as equaçôes 23 na Equação 9, resulta no vetor espacial no plano complexo para o estado ??1 = 100, conforme pode ser observado pela Equação 24.

Analisando-se os estados dos interruptores nas oito combinaçôes possíveis da Figura 19 e realizando-se o mesmo procedimento anterior, obtêm-se as equaçôes para os demais estados.

Figura 19 - Todas as oito possíveis combinaçôes dos interruptores de um inversor de frequência trifásico (Fonte: FLORES, 2009.)

Pelas equaçôes de 25 a 32 é possível perceber que seis combinaçôes resultam em transferência de energia da fonte para a carga. Essas combinaçôes recebem o nome de vetores ativos. As duas outras combinaçôes nâo resultam em transferência de energia, entâo sâo chamadas de vetores nulos (??0 = 000 ?? ??7 = 111).

Os oitos vetores resultantes das combinaçôes dos interruptores sâo os únicos vetores possíveis de gerar com um inversor trifásico. Esses sâo vetores fixos em um plano complexo, conforme representado pela Figura 20. Os vetores nulos sâo representados no centro do plano, pois nâo possuem magnitude. Os seis vetores ativos têm a mesma magnitude e estâo defasados em 60 formando um hexágono. Cada parte do hexágono é chamada de setores, e assim entâo formando-se entâo seis setores. O vetor de referência tem seu valor máximo na interseçâo do hexágono com o círculo inscrito no mesmo. Tomando-se o primeiro setor como referência, o vetor de referência é máximo para um ângulo de 30, como mostrado na Figura 20.

Figura 20 - Vetores espaciais de tensão do inverso trifásico (Fonte: FLORES, 2009.)

Para que a modulação vetorial seja corretamente aplicada, é preciso que o vetor de refere^ncia circule pelos seis setores do plano complexo á-â. Para que isso seja realizado, o inversor deverá aplicar à carga os vetores ativos V_ae Vb e os vetores nulos V₀e V₇em um período de amostragem _T??.A aplicação desses vetores deve ser tal que corresponda exatamente ao vetor de referência. A Equação 33 apresenta uma forma de determinar o vetor de referência através dos vetores ativos e nulos em um período de amostragem.

A soma dos tempos deve ser igual ao período de amostragem conforme mostrado na Equação 34.

Sabendo-se que V₀= V₇= 0 e então reescrevendo-se a Equação 33, obtém se a Equação 35.

Agora separando-se o vetor de referência em parte real e parte imaginária no plano complexo obtêm-se as equações 36 e 37, respectivamente.

????: ??????? ??. ??????(??). ???? = (₃??????).???? + ₂ . (₃ ??????) . ???? (36)

Assim entâo é possível solucionar as equações e determinar os tempos. As equações abaixo foram solucionadas para 0 < ?? < 60°.

v3. ????????? .????. ?????? (??

v3.?????????

Agora que já é possível calcular os tempos e, identificar em qual setor o vetor de referência se encontra, deve-se determinar a ordem em que será aplicada aos interruptores. Embora a sequência de aplicaçâo dos vetores nâo altere o valor médio, ela tem grande influência nas perdas por potência por comutaçâo e no conteúdo harmônico. (NICOLAU, 2007, p.27)

A Figura 21 mostra uma possível sequência de comutaçâo dos interruptores e como deve ser feito a comutaçâo em cada setor.

Figura 21 - Sequência de chaveamento para os seis setores do plano complexo (Fonte: FLORES,

O padrão de comutação dos interruptores da Figura 22 propicia uma melhor distribuição das componentes harmônicas, pelo fato de existir uma simetria na forma de onda e, também, reduz o número de comutações dos interruptores o que aumenta a vida útil dos mesmos. (CHILET, 2003, p. 17)

Enquanto o vetor de referência estiver em um setor, o inversor deverá repetir a sequência de comutação dos interruptores deste setor até que o vetor mude para o próximo setor.

A técnica de modulação vetorial irá aplicar uma tensão muito semelhante à tensão obtida com a modulação senoidal. No entanto, ao se analisar o seu espectro (tensão de fase), nota-se a presença de uma componente de terceira harmônica, o que não ocorre na modulação senoidal. (FLORES, 2009, p.33)

A Figura 22 mostra a representação do algoritmo básico para a implementação da modulação vetorial.

Figura 22 - Algoritmo básico para implementação da modulação vetorial (Fonte: FLORES, 2009.)

Seguindo-se a Figura 22, a modulação vetorial pode ser realizada da seguinte forma para cada período de amostragem:

6.5. Tipos de controles

Na maioria das aplicações com inversores de frequência, o controle de partida e a variação de velocidade são suficientes. Para estas características, os chamados inversores de frequência com controle escalar satisfazem estas condições. Porém, algumas limitações são impostas neste tipo de controle, como o limite de torque quando operando com baixas frequências. Este tipo de controle opera em malha aberta.

A fim de se conseguir um ajuste de torque com baixíssimas frequências, através do equacionamento da máquina elétrica e de modelos matemáticos, o inversor de frequência com controle vetorial foi desenvolvido. Com isso, máquinas que antes tinham que ser controladas por motores C.C, agora passam a ser operadas por motores de indução, devido a este tipo de controle.

6.5.1. Controle escaler

Um método de controle de velocidade de motores de indução com relativa simplicidade, que leva em conta apenas a relação tensão/frequência, é chamado de controle escalar. Com o controle escalar não é possível alcançar uma elevada precisão em determinadas aplicações, mas o custo para a implementação é baixo e sua simplicidade fazem com que essa técnica de controle de velocidade seja muito utilizada.

No controle escalar, é possível obter uma precisão de velocidade de até 0,5 % da rotação nominal do motor sem que haja variação na carga e de 3 a 5%, quando houver variação mecânica, de 0 a 100% do conjugado nominal (PAIXO, 2009, p. 41).

A relação tensão/frequência representa o fluxo magnético, como pode ser visto na Equação 41, onde é a tensão no estator e é a frequência.

Em aplicações onde se deseja que o torque do motor seja mantido constante, é necessário manter o fluxo magnético também constante. Quando a tensão for variada a frequência também deve ser variada na mesma proporção (BENEDITO, 2011, p.121), como mostrado na Figura 23.

Em condições ideais, a variação da frequência neste tipo de controle é feita linearmente até que seja obtida a tensão nominal do motor, mas, para frequências baixas, a curva é ajustada a fim de compensar a queda de tensão na impedância da estator, como mostrado na Figura 23.

Percebe-se também pela Figura 23, que o é possível aumentar a frequência acima da frequência da rede, mas, no entanto, a tensão não é aumentada acima da nominal; essa limitação de tensão pode ser tanto pelas características do motor ou pela capacidade de fornecimento da rede. Considerando também que não é interessante o motor trabalhar acima das condições nominais.

Como existem várias configurações em que a razão V/f é mantida constante, é possível trabalhar com várias curvas para o torque, o que torna possível mantê-lo constante em várias velocidades, como mostrado na Figura 24.

O inversor de frequência com controle escalar tem por finalidade controlar a velocidade dos motores de indução. A relação tensão/frequência possui curvas predeterminadas e, com isso, é possível utilizar este modelo na maioria dos controles de velocidade. É importante salientar que neste tipo de controle, quando um grau de precisão e torque é exigido, o modo escalar não consegue manter uma

relação precisa, ficando limitado a aplicações em que não necessita da rotação próxima de zero (BENEDITO, 2011, p.117).

Com o objetivo de estudar o controle escalar foi feito uma montagem prática. Para isso utilizou-se um motor de indução de 5 CV Figura 25 e um inversor de frequência WEG CFW 09 Figura 26.

Após a montagem foi configurado o inversor para o controle escalar e obtidos os pontos representados na Tabela 3

Logo, pode-se verificar que a relação V/f com a frequência muito baixa vai aumentando. Assim caracterizando o enfraquecimento de fluxo mostrado na Figura 23 na curva ajustada.

Para explicar melhor a questão do enfraquecimento de fluxo para baixas frequência recorre-se ao circuito equivalente do motor de indução apresentado na Figura 27.

Na Equação 41 a relação que o fluxo tem entre a tensão e a frequência é constante, como já elucidado anteriormente. Porém, essa informação pode ser expressada de forma mais detalhada através da Equação 42.

Conforme ???? vai diminuindo a subtração com ???1 começa a fazer diferença na divisão. Formalizando em palavras, a queda de tensão em baixas frequências é alta, afetando assim, significativamente a magnitude da corrente de produção de fluxo magnetizante.

6.5.2. Controle vetorial

Os inversores de frequência com controle vetorial são destinados a aplicações em que são necessários além do controle preciso de velocidade, o controle de torque elevado para mínimas rotações. Bobinadeiras, guinchos, máquinas operatrizes são alguns exemplos de cargas que utilizam este tipo de controle.

A lógica empregada no controle vetorial baseia-se nas equações dinâmicas da máquina de indução. Com isso, os parâmetros são mais complexos do que o do controle escalar e o resultado obtido é muito superior.

Para QUEIROZ (2008), os motores assíncronos apresentam alto desempenho tanto em regime permanente como no período transitório quando a técnica de controle vetorial é aplicada.

Este tipo de controle utiliza a estratégia de matrizes de transformação do sistema de 3 eixos para um sistema de 2 eixos, consistindo em decompor a corrente do motor em 2 vetores:

A ideia do controle vetorial foi imposta por Blaschke em 1972 e, também, é conhecida como «controle por orientacaÞo de fluxo». (QUEIROZ, 2008, p. 4)

Ao contrário do controle escalar, em que é necessária a queda de velocidade para aumentar o torque, neste tipo de controle, uma tensão e uma frequência serão impostas de modo a compensar a queda de velocidade e impor o torque necessário, então, na saída de um inversor vetorial tem-se uma tensão trifásica e frequência que são controladas de forma independente, não se comportando como uma curva V/f linear.

7. PARAMETRIZAÇO

Para que o inversor funcione a contento, não basta instalá-lo corretamente. É preciso «informar» a ele em que condicaÞo de trabalho iraì operar. Essa tarefa é justamente a parametrização do inversor.

Quanto maior o número de recursos que o inversor oferece, tanto maior será o número de parâmetros disponíveis.

A parametrização acontece no IHM (interface Homem máquina). É através desse dispositivo que podemos visualizar o que está ocorrendo no inversor (display), e configurá-lo de acordo com a aplicação (teclas), Figura 28.

Em um inversor há mais de 500 paramentos, a seguir serão apresentados os de leitura, que são aqueles apenas a título de acompanhamento.

Esse parâmetro existe na maioria dos inversores comerciais, lembrando que não necessariamente como P 001, serve para informarmos ao inversor qual é a tensão nominal em que o motor irá operar.

Suponha que o motor tenha tensão nominal 380 VCA. Como vamos introduzir essa informação (parâmetro) no inversor?

Tomando uma base a Figura 25 (IHM) vamos observar a sequência de «teclas». O display deveraì estar 0.0 (pois só podemos parametrizar o inversor com o motor parado).

Acionamos a tecla P e as setas ?? para acharmos o para^metro. Ex: P e ? ateì achar o parâmetro respectivo. No nosso caso, é logo o 1° 0 0 0 1

Agora se aciona P novamente e o valor mostrado no display será o valor do parâmetro e não mais a ordem em que ele está. Ex: 0 2 2 0

Como no exemplo a tensão desse parâmetro está em 220 VCA e nosso motor funciona com 380 VCA, acionamos P e ? ateì chegar nos 380. Ex: 0 3 8 0

Basta acionar P novamente e o parâmetro estará programado. Cerca de 90% dos inversores comerciais funcionam com essa lógica. Todos os demais parâmetros são programados de forma análoga.

Esse parâmetro indica em quanto tempo deseja-se que o motor chegue á velocidade programada, estando ele parado.

O inversor pode produzir uma parada gradativa do motor. Essa facilidade pode ser parametrizada.

No inversor, o para^metro 006 pode assumir dois estados: «1» ou «0». Caso esteja em 1, a parada do motor obedecerá a rampa programada no P 005. Caso esteja em 0 o motor teraì sua parada através da «injecaÞo» de corrente contiìnua em seus enrolamentos.

Em um motor CA, quando submetemos seus enrolamentos a uma tensão CC, o rotor para imediatamente, como se uma trava mecânica atuasse em seu eixo. Portanto, o projetista de máquinas deve pensar muito bem se é assim mesmo que ele deseja que a parada ocorra. Normalmente esse recurso é utilizado para cargas mecânicas pequenas (leves), e que necessitam de resposta rápida (ex: eixos das máquinas -ferramentas).

8. INVERSORES NA PRÁTICA

Para calcularmos a potência do inversor, temos de saber qual motor (e qual carga) ele acionará. Normalmente, a potência dos motores é dada em CV ou HP. Basta fazer a conversão para watts. A seguir um exemplo prático:

Portanto, como a rede elétrica é de 380 V, e os inversores (normalmente) possuem um fator de pote^ncia= 0,8 (cos t= 0,80), teremos:

5.736

9. CONCLUSO

Este trabalho foi desenvolvido com a finalidade de oferecer informações necessárias para o conhecimento básico do funcionamento de um inversor de frequência. Para isso, foi apresentada uma descrição sobre cada um dos estágios que constitui um inversor de frequência.

A topologia de um inversor de frequência mostra que é possível transformar uma tensão contínua em uma tensão alternada. Esta conversão baseada no controle, ajuste da frequência e nível da tensão de saída do inversor, levam a excelentes resultados, desde que sejam utilizadas técnicas especificas de modulação, levando o inversor de frequência a um status importante dentro da família dos conversores.

Por fim, conclui-se, que o controle vetorial se mostra mais eficiente que o controle escalar em acionamentos, em que é necessária uma maior precisão na velocidade e no torque. E isso pode ser conseguido realizando somente a alteração de no próprio do inversor.

10. PROPOSTAS PARA TRABALHOS FUTUROS

Em relação a trabalhos futuros, recomenda-se a implementação da modulação vetorial na região de sobremodulação, pois assim é possível aproveitar melhor a tensão do barramento CC e, por conseguinte, diminuir a região de enfraquecimento de campo.

11. REFERÊNCIAS

Prof. Michel Robert Veiga, Disciplina «Controle e Automação», Acionamentos Elétricas, USP, 2018.

NICOLAU, P.F. Técnica de Modulação por Largura de Pulso Vetorial para Inversores Fonte de Tensão. Itajubá: Universidade Federal de Itajubá, Pós-Graduação em Engenharia Elétrica; 2007.

BORBA, J. L. Sistema de Transmissão Elétrica. 2009. 242 p. Programa de especialização profissional (Curso de Pós-Graduação em Engenharia Ferroviária) - Pontifícia Universidade Católica, Minas Gerais, 2009.

Zaparoli, I. O. Monitoramento de motor de indução acionados com inversor de frequência. 2018. Universidade Federal de Uberlândia, Minas Gerais, 2018.

BROCKVELD, S. L. Embasamento teórico para o projeto de um inversor de frequência. 2015. 118 p. Trabalho de Conclusão de Curso (Curso de engenharia mecatrônica) - Universidade federal de santa catarina, Santa Catarina, 2015.

WEG EQUIPAMENTOS ELÉTRICOS S.A.. Motores de indução alimentados por inversores de frequência PWM. Jaraguá do Sul, SC. 2010.

CAMARGO, C.B. Acionamentos De Motores De Indução Através das Técnicas de Controle Escalar e Vetorial. Sorocaba: Faculdade de Engenharia de Sorocaba, Trabalho de Conclusão de Curso em Engenharia Elétrica; 2011.

FRANCISCO, A. M. S. Motores de Indução Trifásico. Viseu: [s.n.], 2006. 250 p. ELETROTÉCNICA SANTO AMARO. Inversor de Frequência. Disponivel em:

FLORES, D. C.; Estudo e implementação de um inversor de frequência baseado em processador de sinais. Pelotas: Centro politécnico da Universidade Católica de Pelotas, Trabalho de Conclusão de curso em Engenharia Elétrica; 2009.