Tecnicas-de-controle_PARTE02.pdf

CONFEDERAÇÃO NACIONAL DA INDÚSTRIA � CNI Robson Braga de Andrade Presidente

DIRETORIA DE EDUC AÇÃO E TECNOLOGIA Rafael Esmeraldo Lucchesi Lucchesi Ramacciotti Diretor de Educação e Tecnologia

SENAI�DN � SERVIÇO NACIONAL DE APRENDIZAGEM INDUSTRIAL Conselho Nacional Robson Braga de Andrade Presidente

SENAI � DEPARTAMENTO NACIONAL Rafael Esmeraldo Lucchesi Lucchesi Ramacciotti Diretor-Geral Gustavo Leal Sales Filho Diretor de Operações

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Lista de ilustrações Figura 1 - Classificação dos motores por tipo........................................................................................................16 Figura 2 - Partes de um motor elétrico de indução trifásico ............................................................................17 Figura 3 - Motor: vista explodida................................................................................................................................18 Figura 4 - Rotor bobinado assíncrono ......................................................................................................................20 Figura 5 - Motor de corrente contínua .....................................................................................................................21 Figura 6 - Funcionamento de um motor DC ..........................................................................................................22 Figura 7 - Motor de passo .............................................................................................................................................23 Figura 8 - Motor unipolar).............................................................................................................................................25 Figura 9 - Motor bipolar.................................................................................................................................................25 Figura 10 - Funcionamento de um motor de passo ............................................................................................26 Figura 11 - Circuito driver para controle de motor de passo ...........................................................................27 Figura 12 - Driver para motor de passo....................................................................................................................27 Figura 13 - Driver industrial ..........................................................................................................................................28 Figura 14 - Controlador 3 eixos para motor de passo.........................................................................................28 Figura 15 - Controle de fases de um motor trifásico utilizando um soft-starter .......................................32 Figura 16 - Diagrama em blocos de um soft-starter............................................................................................32 Figura 17 - Comparativo da corrente entre partidas direta, estrela-triângulo e soft-starter ................33 Figura 18 - Ligação direta com o soft-starter .........................................................................................................34 Figura 19 - Ligação com contator by-pass ..............................................................................................................34 Figura 20 - Diagrama de comando do soft-starter ..............................................................................................35 Figura 21 - Inversor de frequência .............................................................................................................................36 Figura 22 - Estrutura básica de um inversor de frequência ..............................................................................37 Figura 23 - Modulação por PWM ................................................................................................................................38 Figura 24 - Diversos tipos de inversores conforme seu fabricante. ...............................................................40 Figura 25 - a) principais diferenças entre os Inversores Escalares e Vetoriais. - b) diferença entre torque e RPM - c) diferença entre resposta dinâmica ..........................................................................................44 Figura 26 - Módulo de potência .................................................................................................................................45 Figura 27 - Corrente elétrica de entrada ..................................................................................................................45 Figura 28 - Corrente no barramento DC ..................................................................................................................46 Figura 29 - Corrente no barramento DC após capacitor ....................................................................................46 Figura 30 - Onda senoidal .............................................................................................................................................46 Figura 31 - Modulação PWM ........................................................................................................................................47 Figura 32 - Chaveamento dos IGBTs..........................................................................................................................48 Figura 33 - Corrente elétrica no sentido A-B nos IGBTs de um inversor monofásico ..............................48 Figura 34 - Corrente elétrica no sentido B-A nos IGBTs de um inversor monofásico ..............................48 Figura 35 - Tensão de saída de um inversor monofásico...................................................................................49 Figura 36 - Corrente elétrica no sentido B-A nos IGBTs de um inversor monofásico ..............................49 Figura 37 - Modulo de controle de um inversor de frequência.......................................................................50 Figura 38 - Módulos do inversor.................................................................................................................................51 Figura 39 - Interface do inversor.................................................................................................................................52 Figura 40 - Mesa rotativa ...............................................................................................................................................53 Figura 41 - Arquitetura de automação para controle de uma mesa rotatória com inversor ................53 Figura 42 - Controlador..................................................................................................................................................54 Figura 43 - Set point........................................................................................................................................................55 Figura 44 - Arquitetura de automação para controle de uma mesa rotatória com servodriver .........55 Figura 45 - Comparativo entre inversor e servodriver ........................................................................................56

Figura 46 Figura 47 Figura 48 Figura 49 Figura 50 Figura 51 Figura 52 Figura 53 Figura 54 Figura 55 Figura 56 Figura 57 Figura 58 Figura 59 Figura 60 -

Gráfico do parâmetro 5 do inversor – tempo de partida ............................................................57 Gráfico do parâmetro 5 do inversor – tempo de parada .............................................................58 Função pulso de partida .........................................................................................................................59 Sobrecorrente imediata na saída .........................................................................................................59 Subcorrente imediata...............................................................................................................................60 Conjunto de Servoacionamento ..........................................................................................................63 Comunicação de dados ...........................................................................................................................67 Servomotor ..................................................................................................................................................68 Partes de um servomotor .......................................................................................................................69 Encoder .........................................................................................................................................................70 Máquina que utiliza um encoder incremental................................................................................70 Encoder .........................................................................................................................................................71 Resolver .........................................................................................................................................................72 Tacogerador .................................................................................................................................................73 Exemplos de aplicações de servoacionamentos............................................................................76

Quadro 1 - Métodos de partidas x motores .............................................................................................................32 Quadro 2 - WEG, 2012. .....................................................................................................................................................32

Sumário 1 Introdução ......................................................................................................................................................................13 2 Motores Elétricos ..........................................................................................................................................................15 2.1 Motores Assíncronos .................................................................................................................................16 2.1.1 Estrutura .......................................................................................................................................16 2.1.2 Funcionamento do motor .....................................................................................................18 2.1.3 Exemplos de aplicações ..........................................................................................................19 2.2 MOTORES SÍNCRONOS ..............................................................................................................................19 2.2.1 Estrutura .......................................................................................................................................19 2.2.2 Funcionamento do motor .....................................................................................................20 2.3 Motores de Corrente Contínua (DC) ....................................................................................................21 2.3.1 Estrutura .......................................................................................................................................21 2.3.2 Funcionamento do motor .....................................................................................................21 2.4 Motores de Passo ........................................................................................................................................23 2.4.1 Motores unipolares ..................................................................................................................24 2.4.2 Motores bipolares .....................................................................................................................25 2.4.3 Funcionamento .........................................................................................................................25 2.4.4 Drivers para motores de passo.............................................................................................26 3 Soft-Starters e Inversores...........................................................................................................................................31 3.1 Chave Eletrônica (Soft-Starter) ...............................................................................................................31 3.1.1 Princípio de funcionamento .................................................................................................32 3.1.2 Formas de ligação do soft-starter .......................................................................................33 3.2 Inversor de Frequência .............................................................................................................................35 3.2.1 Principio de funcionamento ................................................................................................37 3.2.2 Funções dos inversores ...........................................................................................................38 3.2.3 Escolha do inversor .................................................................................................................39 3.2.4 Controle do Inversor de Frequência...................................................................................40 3.2.5 Módulos do Inversor ................................................................................................................44 3.2.6 Controle de posicionamento dos inversores .................................................................52 3.3 Parametrização de Drivers ......................................................................................................................57 4 Servoacionamentos.....................................................................................................................................................63 4.1 Funcionamento do Servo ........................................................................................................................64 4.2 Servodrivers ..................................................................................................................................................65 4.3 Servomotores ...............................................................................................................................................68 4.3.1 Encoders .......................................................................................................................................70 4.3.2 Resolvers ......................................................................................................................................72

4.3.3 Tacogerador ................................................................................................................................73 4.4 Instalação dos Servos ................................................................................................................................74 Referências ...........................................................................................................................................................................79 Anexo .....................................................................................................................................................................................82

Introdução

1 O Curso de Capacitação dos Docentes para o Curso Técnico de Automação tem o objetivo de atualizar tecnologicamente os profissionais do SENAI nas capacidades mais relevantes e importantes do Desenho Curricular Nacional do Curso Técnico de Nível Médio em Automação Profissional. Este Curso é formado por três Unidades Curriculares: Instrumentação e Controle, Sistemas Lógicos Programáveis e Técnicas de Controle. O conteúdo deste livro refere-se à Unidade Curricular Técnicas de Controle e está dividido em três capítulos: Motores Elétricos, Soft-Starters e Inversores e Servoacinamento. No primeiro capítulo são abordados os diversos tipos de motores elétricos, passando rapidamente pela estrutura, características, funcionamento e aplicações industriais. Em relação ao motor de passo, veremos motores unipolares e bipolares e seus drivers. No segundo capítulo são apresentados os equipamentos do Soft-Starter e dos Inversores de Frequência, detalhando seu princípio de funcionamento, as características, funções, formas de ligação, parametrização de drivers e aplicações industriais. Também são estudados em Inversores de Frequência o controle por inversor escalar e vetorial, módulos de potência e controle e o controle de posicionamento. No capítulo final são estudados os Servoacionamentos, detalhando servo, servo drivers, servo motores e suas aplicações, além da instalação dos servos nos processos industriais.

Soft-Starters e Inversores

3

Neste capitulo abordaremos o funcionamento e as características das chaves eletrônicas (soft-starters) e dos inversores e veremos os principais parâmetros de configuração drivers. Também, a aplicação desses dispositivos em circuitos elétricos e as vantagens e desvantagens em comparação com as ligações de motores elétricos.

3.1 CHAVE ELETRÔNICA (SOFT-STARTER) O avanço da eletrônica permitiu a criação da chave de partida a estado sólido, que consiste em um conjunto de pares de tiristores (SCR) (ou combinações de tiristores/ díodos), um em cada borne de potência do motor. O ângulo de disparo de cada par de tiristores é controlado eletronicamente para aplicar u ma tensão variável aos terminais do motor durante a aceleração e a desaceleração. No final do período de partida ou parada, aj ustável tipicamente entre 2 e 30 segundos, a tensão atinge seu valor pleno após uma aceleração e desaceleraç ão suave ou uma rampa ascendente e descendente, em vez de ser submetida a incrementos ou saltos repentinos. Com isso, conseguimos manter a corrente de partida (na linha) próxima da nominal e com suave variação. Além da vantagem do controle da tensão (corrente) durante a partida, a chave eletrônica apresenta, também, a vantagem de não possuir partes móveis ou que gerem arco, como nas chaves mecânicas. Esse é um dos pontos fortes das chaves eletrônicas, pois sua vida útil é mais longa. De acordo com o funcionamento de um tiristor, para que haja aceleração, ocorre um crescimento da tensão de pico de uma tensão alternada, até chegar ao valor total da tensão de pico. Já na desaceleração, ocorre a diminuição do valor de pico da tensão alternada até chegar a zero. A figura 15 mostra os gráficos de variação de tensão em cada fase, controlando as fases de um motor trifásico.

32

AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL

R

S

T

Rotação nominal

R

t

S

M 3

t

T

t

Figura 15 - Controle de fases de um motor trifásico utilizando um soft-starter Fonte: DREHER, 2009.

O Quadro 1 mostra uma comparação entre os sistemas de partidas de forma indireta de acordo com o tipo de motor. EXECUÇÃO DOS ENROLA� MENTOS

TENSÃO PARTIDA COM PARTIDA COM PARTIDA DE CHAVE ESTRELA� CHAVE EM COM SOFT� SERVIÇO TRIÂNGULO SÉRIE�PARALELA STARTER

220V

SIM

SIM

NÃO

SIM

380V

NÃO

SIM

NÃO

SIM

220/440V

220V / 230V

NÃO

SIM

SIM

SIM

230/460V

440V / 460V

NÃO

SIM

NÃO

SIM

380/660V

380V

SIM

SIM

NÃO

SIM

220/ 380/

220V

SIM

SIM

SIM

SIM

440V

380V

NÃO

SIM

SIM

SIM

440V

SIM

SIM

NÃO

SIM

220/380V

Quadro 1 - Métodos de par tidas x motores Quadro 2 - WEG, 2012.

3.1.1 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO O funcionamento do soft-starter está baseado na utilização de uma ligação de tiristores em ponte, comandada por uma placa eletrônica, para o ajuste da tensão de saída. A figura 16 mostra o esquema de um soft-starter. R S

Rede 3~

TC

u

TC

v

T

M 3-

w

PF

Entrada analógica Entrada digitais

+

-

0 o 0 . c 1 i n S ô C r C t e e l l e o r o t ã n t o r c a C e d

+

-

Saída analógica Saída a relé RL1 RL2 RL3

Figura 16 - Diagrama em blocos de um soft-starter Fonte: FRANCHI, 2010.

3 SOFT-STARTERS E INVERSORES

O soft-starter controla a tensão da rede por meio do circuito de potência pelos tiristores, que varia o ângulo de disparo, variando a tensão eficaz do motor elétrico. O principal objetivo do funcionamento do soft-starter é reduzir a tensão de partida de um motor elétrico. Como o torque é proporcional a essa tensão, o motor parte com torque reduzido. A figura 17 mostra um gráfico comparativo da corrente de partida direta, estrela-triângulo e soft-starter em relação ao tempo. CORRENTE PARTIDA DIRETA

PARTIDA ESTRELA/TRIÂNGULO SOFT STARTER

TEMPO Figura 17 - Comparativo da corrente entre partidas direta, estrela-triângulo e soft-starter Fonte: DREHER, 2009.

As principais funções do soft-starter são: •

controle do tempo de aceleração e desaceleração do motor;

•

limitação de corrente;

•

conjugado de partida;

•

frenagem por corrente contínua;

•

proteção do acionamento por sobrecarga;

•

proteção do motor contra aquecimento; e

•

detecção de desequilíbrio ou falta de fase do motor.

3.1.2 FORMAS DE LIGAÇÃO DO SOFT-STARTER Existem duas formas de ligação do soft-starter: a) Ligação direta: o soft-starter é ligado diretamente. Dependendo do tipo, pode ser ligado diretamente ou com auxílio de contatores, fusíveis e relés de sobrecorrente. A figura 18 mostra esse tipo de ligação.

33

34


Contator da rede

R K

Relé de sobrecarga

F Chave estática

M

Figura 18 - Ligação direta com o soft-starter Fonte: FRANCHI, 2010.

b) Ligação com contator em paralelo (contator by-pass): é feita para reduzir as perdas no soft-starter quando o motor está em regime normal de trabalho. Esta ligação é vista na figura 19.

F1

Fusíveis NH Contator da rede

R

Relé de sobrecarga

K1

F2 Chave estática

M

Figura 19 - Ligação com contator by-pass Fonte: FRANCHI, 2010.

m e o r l e o t l u a r d a n p o C


Diagrama de ligação de um soft-starter O soft-starter possui um determinado número de entradas e saídas digitais e analógicas. As saídas podem ser parametrizadas para comando, controle e sinalização. As tensões de operação podem ser de 24Vcc, 110Vca e 220Vca, dependendo do fabricante. A figura 20 mostra o diagrama de comandos do soft-starter. A B C N PE

U< S1

S4

Interligação necessária

15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1

AC 380 - 415v AC 200 - 240v AC 100 - 120v N/L DCL + 24v DCL + 24v Ligar Desligar Resetar Falha Partida conduída Contato para freio

M Figura 20 - Diagrama de comando do soft-starter Fonte: FRANCHI, 2010.

3.2 INVERSOR DE FREQUÊNCIA Inversor de frequência é o equipamento eletroeletrônico capaz de converter a tensão alternada de entrada com frequências constantes em tensão contínua, modulando a tensão e depois gerando em sua saída uma tensão novamente alterada. Porém, a tensão possui sua frequência controlada e variável, que permite controlar a velocidade e o torque de motores de indução trifásicos. Estas duas características provem os sistemas em que estão inseridas de uma infinita gama de possibilidades, sendo aplicadas em máquinas, equipamento e processos industriais. Veja um inversor na Figura 21.

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P

P

P

Figura 21 - Inversor de frequência Fonte: WEG, 2012

Os inversores de frequência, também conhecidos como conversores de frequência ou inversores AC, são equipamentos utilizados na indústria para controlar a velocidade e o torque de motores elétricos de indução trifásicos. A nomenclatura mais popular utilizada é Inversora de frequência, porém o inversor é um dos componentes internos do conversor de frequência, que é composto basicamente por quatro blocos. São eles:

• Circuito de Entrada, composto por diodos retificadores, para converter a tensão alternada em contínua.

• Circuito Intermediário, que inclui um banco de capacitores eletrolíticos e circuito de filtragem de alta frequência, que suaviza as variações de tensão e gera em sua saída uma tensão DC fixa.

• Circuito Inversor, compreendido por transistores IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor ou, em português, Transistor Bipolar de Porta Isolada), que chaveiam a tensão DC proveniente do circuito intermediário e geram uma saída PWM para a carga, aproximando sua forma de onda à senoidal.

• Circuito de controle, onde são controlados os disparos dos pulsos que acionam os IGBTs e geram as formas de ondas necessárias para o controle de velocidade e torque dos motores, além de armazenar a parametrização do inversor de frequência. Os sistemas anteriores ao inversor não possibilitavam grande grau de precisão no ajuste da velocidade e do torque, impedindo que as indústrias empregassem processos produtivos eficazes e de qualidade. A evolução tecnológica em certos processos e máquinas só foi possível pela utilização de inversores de frequência.

VOCÊ SABIA?

Os inversores de frequência são utilizados na indústria para substituir equipamentos rústicos de variação de velocidade, tais como variadores mecânicos por polias ou engrenagens e os variadores hidráulicos, que tinham uma forma muito ineficiente de controlar a velocidade além, é claro, do grande espaço que era necessário nas máquinas e processos para sua instalação.


3.2.1 PRINCIPIO DE FUNCIONAMENTO O funcionamento de um Inversor de Frequência consiste em receber uma tensão alternada e retificar este sinal através de diodos, gerando uma tensão contínua. Filtrar a tensão contínua resultante da retificação, e utilizar esta tensão contínua filtrada como entrada do circuito de inversão, realizará a conversão em alternada através do chaveamento de transistores. O chaveamento gerará uma série de pulsos com largura controlada e variável (PWM). Ao aplicarmos esta saída de tensão pulsada em um motor, a forma de onda resultante através do enrolamento do motor será semelhante à forma senoidal de um circuito alternado. Retificador

Filtro

Inversor

T1

T3

T5

R S

M

T

T2

T4

T6

Figura 22 - Estrutura básica de um inversor de frequência Fonte: Streicher; Olive, 2009

Podemos notar que a rede AC é retificada logo na entrada. Através de um capacitor (filtro) forma-se um barramento de tensão contínua (barramento DC), ou circuito intermediário. A tensão DC pode chegar a 380 VCC para redes trifásicas de 220VCA e até 660 VCC para redes de 380VCA, e alimenta seis IGBTs (transistor bipolar de gate isolado). Os IGBTs são chaveados três a três, formando uma tensão alternada na saída U, V e W defasadas de 120º elétricos, exatamente como a rede. A única diferença é que, ao invés de uma senóide, temos uma forma de onda quadrada. Portanto, o motor elétrico AC alimentado por um inversor tem em seus terminais uma onda quadrada de tensão. Conforme veremos, isso não afeta muita seu desempenho. Mas, como uma tensão DC pode se tornar AC? O funcionamento é simples: a tensão da rede é retificada e filtrada formando um barramento DC. De um lado da ponte de transistores temos um polo positivo, e do outro, um negativo. Imagine que a lógica de controle, representada agora como apenas um bloco, envia pulsos de disparo aos transistores.

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38


O circuito que comanda os IGBTs é o elemento responsável pela geração dos pulsos de controle dos transistores de potência. Atuando sobre a taxa de variação do chaveamento dos transistores, controlamos a tensão e a frequência do sinal gerado. Isso permite ao conversor até ultrapassar a frequência da rede. O método de modulação PWM (Pulse With Modulation) fornece ao motor uma corrente senoidal a partir de chaveamentos na faixa de 2KHz.

Figura 23 - Modulação por PWM Fonte: Franchi, 2008

3.2.2 FUNÇÕES DOS INVERSORES Ao projetar, especificar e instalar o acionamento de motores trifásicos é importante analisar alguns pontos básicos para que o sistema atenda às expectativas de produção e também otimize os investimentos a serem realizados para sua instalação e operação. Dentre os pontos que devem ser observados, um que é importantíssimo de ser avaliado é o ciclo de acionamento do motor X sua potência, pois, quanto maior for a potência do motor, maior será o pico de corrente na partida. Se no estudo preliminar do funcionamento do sistema for verificado que o motor será acionando muitas vezes em um curto espaço de tempo, torna-se uma boa opção a utilização de um inversor. Porém, temos que levar em consideração o tempo de aceleração e desaceleração do conjunto: onde esses tempos forem extremamente curtos, é mais recomendada a utilização de servomotores. Eles conseguem acelerar e desacelerar rapidamente, independentemente da inércia do conjunto mecânico no qual o motor está inserido. Por outro lado, caso o ciclo de acionamento não seja elevado e apenas se queira reduzir o consumo de corrente na partida, sem necessidade de controle de velocidade, será mais indicada a utilização do acionamento através de soft-starter (partida suave), que fará o controle na partida para otimizar o consumo neste momento. Outro ponto importante é a utilização de acionamentos com inversores de frequência para aumentar a eficiência energética por meio da regulagem da velocidade do motor, possibilitando que o motor “trabalhe menos” nos momentos em que o processo demanda menos do conjunto. Desta maneira, conseguiremos atuar de maneira mais eficiente em termos de consumo de energia elétrica e mais eficaz em termos do processo.


VOCÊ SABIA?

Antes de os inversores de frequência serem amplamente difundidos, esta variação era feita através de polias ou engrenagens e o motor funcionava a pleno de sua carga. Também eram feitas restrições diretamente no processo, como, por exemplo, em sistemas de ventilação e de arcondicionado, onde eram ajustadas a abertura de dampers ou comportas e, assim como no caso anterior, os motores também continuavam funcionando a plena carga.

Também, podemos ter sistemas onde a precisão de posicionamento com tempos de inércia pequenos seja muito importante e, nesse caso, o uso de servomotores será o mais indicado. Por serem motores síncronos, eles conseguem acompanhar o campo eletromagnético e obter melhores tempos de resposta aos controles.

FIQUE ALERTA

Tenha cuidado ao fazer o posicionamento com um conjunto inversor de frequência em motor assíncrono, porque terá, desta forma, uma solução somente de posicionamento, e não uma solução de posicionamento com tempo de resposta baixo.

3.2.3 ESCOLHA DO INVERSOR Para a escolha do tipo de acionamento, é muito importante analisar o trabalho que será realizado pelo motor, buscando identificar informações sobre a necessidade de maior controle de velocidade e torque nas atividades que serão realizadas pelo sistema. A seguir, apresentamos algumas atividades que necessitam de maior controle de velocidade e torque, que são:

•

movimentação de esteiras;

•

controle de dosagem e alimentação de matéria-prima;

•

variação e controle de vazão ou de uxo de sólidos, líquidos e gases;

•

elevação e movimentação de objetos com pontes rolantes;

• controle de pressão em uma linha de processo ou, até mesmo, no controle de nível de tanques, reservatórios ou vasos. Nessas atividades, a utilização de inversores de frequência para acionar os motores é uma excelente escolha, pois permite atuar sobre os motores e fazer com que trabalhem em infinitas faixas de velocidade, possibilitando sua atuação no atendimento aos pontos de ajustes desejados em cada processo determinado por cada fabricante do equipamento, conforme a Figura 24.

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Figura 24 - Diversos tipos de inversores conforme seu fabricante. Fonte: WEG, 2012

Trazemos um exemplo simples da aplicação de inversores de frequência, onde a atuação em cima da velocidade alcança o objetivo de controle de pressão; com

isso, é possível fazer analogias com diversos outros controles e sofisticá-los. No transporte de materiais sobre uma esteira, existe a possibilidade de controlar a velocidade da esteira, mas também de controlar o torque para que, mesmo em baixas velocidades, ainda seja possível girar o motor e prover o sistema da força necessária para movimentá-lo. Em controles de dosagem é possível controlar a aceleração, a velocidade de trabalho e a desaceleração para dosar a quantidade exata de material desejado, seja a partir da medição do peso ou fluxo de matéria ou até mesmo conhecendo quanto cada rotação do motor empurra de material. Portanto, existem diversas aplicações e formas de utilizar um acionamento por inversores de frequência. Para isso, é sempre importante analisar para que tipo de trabalho o motor será utilizado, o ciclo de trabalho e os limites aceitáveis de precisão e controle do sistema.

SAIBA MAIS

Não confunda soft-starter com inversor. Enquanto o inversor é projetado para controlar a velocidade e o torque de um motor ao longo de seu funcionamento, o soft-star ter é capaz, apenas, de controlar sua partida e frenagem. É por isso que em motores menores que 3CV o custo de um inversor é semelhante ao de um soft-starter, tendo a vantagem de oferecer uma rampa de partida e frenagem. Para motores maiores que 3CV, o inversor tem um custo muito maior do que o soft-starter. A instalação de um soft-starter é semelhante à de um contator, papel que exerce após a rotação nominal do motor.

3.2.4 CONTROLE DO INVERSOR DE FREQUÊNCIA Existem dois tipos de controle dos inversores de frequência disponíveis no mercado, escalar e vetorial, e a diferença entre ambos está basicamente na curva torque x rotação.


O inversor escalar, por ser uma função de V/F (tensão/frequência), não oferece altos torques em baixas rotações, pois o torque é função direta da corrente de alimentação. A curva V/F pode ser parametrizada no inversor escalar. Já o inversor vetorial não possui uma curva parametrizada. Na verdade, essa curva varia de acordo com a solicitação de torque; portanto, ele possui circuitos que variam a

tensão e a frequência do motor através do controle das correntes de magnetização (IM) e do rotor (IR). O inversor vetorial é indicado para torque elevado com baixa rotação, controle preciso de velocidade e torque regulável, e o escalar é indicado para partidas suaves, operação acima da velocidade nominal do motor e operação com constantes reversões.

Inversor escalar Em um inversor escalar (mais comum) variamos a velocidade do motor utilizando a lei tensão/frequência (V/F) constante. Aproximadamente a velocidade do motor é proporcional à V/F e o inversor proporcionará ao motor conjugados (torque) pré-determinados, mas não compensará por necessidades de conjugados especiais, principalmente em velocidades baixas. Nessas velocidades, o boost do inversor pode ser configurado para compensar as perdas. Controles vetoriais são do tipo de tensão e de fluxo. Há alguns anos, o domínio da tecnologia escalar impedia, de certa forma, uma visão mais abrangente dos processos de controle de velocidade-torque em máquinas trifásicas de indução. Fazer um motor AC trifásico var iar sua velocidade, conforme a necessidade do processo, sem ter de se preocupar com os limites de velocidade de um coletor nem com o desgaste de escovas ou os cuidados com o campo de excitação já era um grande avanço. Quem já trabalhou com máquina de corrente contínua conhece os problemas, como o disparo por falta de campo: perdendo o campo em uma MCC, perdemos a referência de controle e acontece o fenômeno denominado disparo, com perda de torque e aumento impulsivo da velocidade do motor, levando-o, em alguns casos, à destruição. Daí a necessidade de constante monitoramento sobre a corrente do campo de excitação. Mesmo assim, em sistemas onde o controle de velocidade ocorre em uma faixa entre 10% a 150% da velocidade nominal, aplicar inversor em modo escalar é a solução mais viável quando consideramos desempenho e custo. O controle de velocidade, mantendo o fluxo estatórico (V sobre f ou Volts/Hertz) ou ainda por observaç ão de escorregamento, tem a vantagem de fácil implementação e de constar na maior parte dos produtos comercializados. Qualquer carga que possua patamar de controle de torque constante para variação de velocidade, ou mesmo de funções quadráticas, pode ser controlada via um inversor escalar.

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42


São exemplos escalares:

• ventiladores, • calandras, • bombas e • sequencial de motores. O afinamento deste controle pode ser feito adotando-se a realimentação como encoder, resolver e tacogerador (que serão abordados no capitulo 3), que atua na malha de controle de velocidade, resultando em melhor controle do processo. Na maior parte dos casos, a malha interna ou de controle de corrente (indiretamente do torque) não é aplicada ao produto, mas um sistema de limitação de corrente. Isso quer dizer que, na maioria das situações, os inversores escalares trabalham com torque absoluto, ou constante em valor quase máximo, permitindo, ainda, a possibilidade de boost de torque em momentos críticos, como na partida. Muitas vezes, os valores de boost de torque são programáveis no inversor, delimitando valores de tempo que podem chegar a alguns minutos de aplicação de sobretorque, com valores em torno de duas a três vezes o nominal. Outro exemplo de aplicação de controle escalar se dá quando um mesmo inversor atuará sobre vários motores. Resumindo: se sua aplicação não necessita de variação rápida de aceleração (resposta dinâmica em até 5 m/s), variação de velocidade em função da variação de carga, controle de torque com precisão de até 10%, e se nunca tiver necessidade de torque em velocidade zero, associado à vantagem de baixo custo e robustez do equipamento, então o problema se resolverá com um inversor escalar. A melhora do desempenho será sentida na utilização de malha de realimentação de velocidade. A possibilidade escalar sensorless, neste caso, deverá ser pouco explorada devido ao desempenho pobre da maior parte dos inversores na situação de carga e de variação dela.

Inversor vetorial Controles vetoriais são do tipo de tensão e de fluxo. Nos controles vetoriais de tensão, a tensão no motor é calculada pelo programa do inversor e compensa em parte os conjugados no rotor. Uma das técnicas de fazer o controle vetorial de tensão é manter o escorregamento constante. Este controle melhora a eficiência do motor, pois trabalha com tensões menores quando o conjugado é menor do que o nominal, comparado com inversores escalares. Os inversores com controle vetorial de fluxo mantêm o fluxo magnético no motor constante. Diferente do controle vetorial de tensão em que o conjugado é controlado pelo escorregamento, o campo é diretamente proporcional ao conjugado no rotor. O controle vetorial é utilizado quando precisamos de um controle maior e em malha fechada, com a utilização de encoders.


Com atuação sensorless é uma solução abrangente para o controle de velocidade e torque de máquinas na maioria das vezes, senão todos os envolvidos pela atuação de um inversor escalar. Resposta dinâmica rápida e precisão de velocidade de até 0,5% tornam os equipamentos dotados dessa tecnologia muito mais atraentes em suas aplicações. Na realidade, a única distinção entre um vetorial sensorless e um com encoder (ou outro tipo de realimentação posicional) está na malha fechada do sistema e na parametrização do inversor para sua utilização. Em muitos casos, principalmente em retrofitagem de máquina, não é muito fácil adequar um sensor de velocidade no eixo do motor ou outro por ele acionado;

em outros, o custo de cabos e sistemas gerais para realizar a realimentação pode inviabilizar o projeto. Os inversores vetoriais necessitam da programação de todos os parâmetros do motor. São exemplos vetoriais:

• resistências elétricas, • indutâncias e • correntes nominais do rotor e do estator. Para facilitar o set-up, alguns inversores dispõem de sistemas de ajustes automáticos também conhecidos como Auto-tunning, não sendo necessária a pesquisa de dados sobre o motor. A principal diferença entre os inversores escalares e os vetoriais deve-se à capacidade dos inversores vetoriais de impor o torque necessário ao motor, de forma precisa e rápida, permitindo uma elevada velocidade de resposta dinâmica a variações bruscas de carga. Os inversores escalares apresentam uma resposta dinâmica bem mais lenta, demorando mais para reagir a qualquer alteração de velocidade ocorrida ou solicitada. Na maior parte dos inversores hoje existentes no mercado, através da setagem de simples parâmetros, conseguimos um elemento escalar ou vetorial, com ou sem realimentação. Na Figura 25, a seguir, temos um comparativo entre esses dois tipos de controles. Comparação entre inversores Escalares e Vetoriais e demais acionamentos Item Faixa de velocidade Regulação de velocidade Resposta dinâmica Controle de Torque Torque em velocidade zero

Inversor Escalar

Inversor Vetorial sem GP com GP

Conversor CC com TG

Servo Sigma

40:1

100:1

1000:1

200 : 1

5000 : 1

Depende do escorregamento

0,2%

0,02%

0,5%

0,01 %

1 a 2 Hz

5 Hz

30 Hz

15 Hz

230 Hz

Não Disponível Não Disponível

Somente Disponível Disponível Disponível limite Não Disponível Disponível Disponível Disponível Restrito ao computador

43

44


Curso torque x Rpm Inversor Escalar

Inversor Vetorial de Fluxo

Torque

Torque Variação da carga

 T

 T

T

T

 N

N

N

Rpm

Rpm

∆N

∆N

É necessário a queda da velocidade para aumento do torque

~= O

Não existe redução de velocidade para aumento do torque

Resposta Dinâmica Inversor Escalar

Inversor Vetorial de Fluxo

Degrau de torque solicitado pela carga

Degrau de torque solicitado pela carga

Torque produzido Transiente de torque

t

O motor é que vai buscar o novo ponto de trabalho

Torque produzido Transiente desprezível

t

O inversor Vetorial controla diretamente o torque no motor

Figura 25 - a) principais diferenças entre os Inversores Escalares e Vetoriais. - b) diferença entre torque e RPM c) diferença entre resposta dinâmica Fonte: YASKAWA, 2012

3.2.5 MÓDULOS DO INVERSOR Os inversores de frequência apresentam construções similare, independente do fabricante ou do modelo. Basicamente, os inversores são constituídos por dois módulos: o módulo de potência e o módulo de controle.

Modulo de potência O módulo de potência é geralmente constituído por uma fonte retificadora, um barramento DC e uma secção inversora. A Figura 26 mostra uma visão geral do módulo de potência de um inversor de frequência.


Filtro

Retificador

Ponte inversora de IGBT

Reator do A C a d a r t n E

link CC Motor

Figura 26 - Módulo de potência Fonte: Streicher; Olive, 2009.

A seguir, apresentaremos uma descrição de cada uma das partes principais do módulo de potência: a) Fonte retificadora: nos bornes L1, L2 e L3 são conectados os cabos de alimentação externa. A alimentação é geralmente de 220Vac ou 380Vac (Volts corrente alternada). No desenho anterior aparece a representação elétrica de seis diodos. A figura seguinte representa a corrente elétrica de cada fase R S T, que circula entre a entrada do inversor (alimentação do inversor) e os diodos da parte retificadora do inversor.

Três fases 0

0

0

0

0 0

90

180

270

360

Figura 27 - Corrente elétrica de entrada Fonte: Autor

Os diodos funcionam deixando passar apenas a parte positiva da corrente elétrica das três fases, formando, assim, uma tensão de aproximadamente 500 Vdc (Volts corrente contínua) na entrada do barramento DC (link DC), conforme a figura que representa o módulo de potência. b) Barramento DC: A Figura 28 mostra a medição da corrente elétrica nas saídas dos diodos. Ela indica que não existe mais a parte negativa da corrente elétrica;

isto é, a corrente deixou de ser alternada e passou a ser contínua.

45

46


Corrente no barramento DC

0

90

180

270

360

Figura 28 - Corrente no barramento DC Fonte: Autor

Na Figura 26, que mostra a representação elétrica do módulo de potência, existe um capacitor conectado na saída do barramento DC. Esse capacitor tem a função de suavizar a variação de corrente elétrica no barramento DC, conforme é possível visualizar na figura a seguir. Corrente no barramento DC após o capacitor

0

90

180

270

360

Figura 29 - Corrente no barramento DC após capacitor Fonte: Autor

c) Secção inversora: Na seção inversora, a tensão DC é convertida novamente em tensão trifásica AC. Através do controle PWM (Controle por largura de pulso), os IGBTs são acionados, isto é, são excitados ou chaveados várias vezes por ciclo. O tempo em que o IGBT permanece acionado é sempre dado por uma função senoidal. A onda senoidal é composta por um ciclo de 360 graus, conforme a figura que segue. Após completar esse ciclo ela se repete, e assim por diante infinitamente. V

0

180

360

T

Figura 30 - Onda senoidal Fonte: Autor

Quando desejamos uma frequência de 5 Hz na saída do inversor de frequência, dividimos 1 seg por 360 graus, sendo o resultado igual a 0.0027 seg/grau. É importante considerar que cinco Hz significam cinco ciclos de 360 graus em um segundo. Assim, como desejamos obter cinco Hz na saída do inversor, será necessário dividir 0.0027 seg/grau por cinco. Logo, teremos 0,00055 seg/grau para ter, na saída do inversor, uma frequência de 5Hz.


Mas, o que quer dizer 0,00055 seg/grau? O número 0.00055 seg/grau corresponde ao tempo máximo em que o IGBT pode ficar acionado em cada grau. Consequentemente, esse valor será uma constante que será multiplicada pelo valor do módulo seno do ângulo que está sendo considerado no momento. A cada 0.00055s o valor do grau é incrementado em uma unidade até chegar em 360 graus. Quando o valor mudar de 360 para 361 ele é zerado novamente, e o ciclo recomeçará. A figura que segue mostra o funcionamento do PWM. A multiplicação da constante 0.00055 seg/grau vezes o seno do ângulo considerado indica o percentual de tempo em que o PWM ficará ativo em cada grau. Por exemplo, se o ângulo atual for 45º, o seno de 45º será igual a 0.7; isto é, o IGBT deverá car

70% do tempo acionado e 30% do tempo desligado, quando no grau 45. Logo, durante o grau 45 o IGBT ficará 0.000385 seg ligado (0.00055 seg/grau x 0.70 tempo ligado) e 0.000165 de seu tempo desligado. Conforme o tempo passa, os graus irão aumentando. Quando o grau atual for igual a 90º, teremos o tempo máximo; isto é, o IGBT cará acionado 100% de seu tempo durante o grau atual.

Então, conforme se modifica o grau (tempo decorrido), a onda senoidal vai se formando na saída do inversor de frequência. 45 graus

Tempo Ligado Tempo desligado Figura 31 - Modulação PWM Fonte: Autor

Nesse exato momento, o inversor terá apenas uma onda senoidal, mas serão necessárias três ondas senoidais para movimentar um motor trifásico assíncrono, e cada onda senoidal deverá ser defasada em 120 graus em relação à anterior. Então, quando a onda senoidal A estiver com 120º, a onda senoidal B deverá estar com 0º grau, e a onda senoidal C com 240º. O PWM apenas modula a largura do pulso de tensão a ser liberado na saída do inversor. Ele não inverte a corrente elétrica. Então, é necessário fazer o chaveamento dos IGBTs de forma que eles invertam o sentido da corrente elétrica conforme o ângulo de disparo. A seguir será apresentado um exemplo de chaveamento dos IGBTs de um circuito monofásico.

47

48


+ T

T A

~

M

B

1

Rede

T

T

-

Lógica de controle Figura 32 - Chaveamento dos IGBTs Fonte: FAATESP, 2012.

A Figura 32 mostra a estrutura de um inversor monofásico. Assim como o inversor trifásico, o inversor monofásico apresenta módulo de retificação e filtragem e barramento DC que, por sua vez, alimenta os transistores IGBTs. Para conseguir uma tensão cuja forma se pareça com uma onda senoidal, é necessário o acionamento dos IGBTs de maneira coordenada 2 a 2. Quando o ângulo atual estiver entre 0º e 180º, os transistores IGBTs T1 e T4 deverão ser acionados, conforme o sinal PWM, e os transistores T3 e T2 deverão permanecer desenergizados. Dessa maneira, a corrente elétrica circulará do polo A para o polo B do motor, conforme a Figura 33. + T

T

1

A

M

B T

T -

Figura 33 - Corrente elétrica no sentido A-B nos IGBTs de um inversor monofásico Fonte: FAATESP, 2012

Quando o ângulo de disparo estiver entre 180º e 360º, os transistores T3 e T2 deverão ser energizados, conforme o sinal PWM, e os transistores T1 e T4 deverão permanecer desenergizados. Assim, a corrente passará pelo motor no sentido de B para A, conforme a Figura 34. + T

A T

T

2 M

B T

Figura 34 - Corrente elétrica no sentido B-A nos IGBTs de um inversor monofásico Fonte: FAATESP, 2012


Como resultado de chaveamento dos IQBTs e da modulação PWM de maneira sincronizada, a tensão de saída do inversor de frequência apresentará uma forma senoidal conforme a Figura 35. 45 graus

Tempo Ligado Tempo desligado Figura 35 - Tensão de saída de um inversor monofásico Fonte: Autor

O inversor trifásico é constituído por seis IGBTs. Para disponibilizar a tensão de forma senoidal e trifásica na saída do inversor, os IGBTs devem ser acionados de forma sincronizada com a modulação PWM. O acionamento de cada fase deve ser defasado 120° uma das outras. O acionamento dos IGBTs no inversor trifásico deve ser realizado três a três. Como temos seis transistores e devemos ligá-los três a três, teremos oito combinações possíveis, porém apenas seis combinações serão válidas. A figura a seguir mostra o acionamento dos IGBTs T1, T3 e T2. Nesse momento, o IGBT T1 atua conforme a modulação PWM da fase A, o T3 da fase B e o T2 fica 100% de seu tempo ligado. +

V 2

0V

-

T

T

T

T

T

V 2

T

S R

M 34

T

Figura 36 - Corrente elétrica no sentido B-A nos IGBTs de um inversor monofásico Fonte: FAATESP, 2012

Os IGBTs que estão conectados a uma mesma fase do motor não podem ser acionados simultaneamente. Exemplo: T1 e T4, T3 e T6, T5 e T2.

49

50


Módulo de controle O módulo de controle é composto basicamente pela CPU, por blocos de interface digital e blocos de interface analógica, por uma interface de comunicação RS232/ RS485 e por um módulo de interface homem máquina. Veja a Figura 37.

UNIDADE DE CONTROLE

Interface Serial

RS - 485

0 - 10 Voc (10 -20 nA) Analógico

A’D CXA

E,S Digital

E,S Digital

Conv

IHM

R S T

(REDE)

UNIDADE DE POTÊNCIA

C P U P W M

IGBT

U V W

M 3 Figura 37 - Modulo de controle de um inversor de frequência Fonte: Lenz , S/D

O módulo de controle recebe sinais de entrada digitais, analógicas ou Bus, de onde são retiradas informações como: momento em que deve ocorrer a partida e a parada do inversor, sentido de giro do motor (horário, anti-horário), valor de referência (velocidade em que o motor deve girar em Hz), parâmetros, como rampas de aceleração, desaceleração, tensão máxima e outros dados. A partir dessas informações de entrada, a CPU executa os cálculos, como explicado anteriormente, para identificar o percentual de tempo que o PWM deverá permanecer ligado ou desligado em cada grau. É a CPU que controla quando cada IBGT deve ser acionado ou não. No módulo de controle dos inversores existem interfaces, e nelas ocorre a troca de informações entre o operador e a CPU. Essas interfaces são os blocos de entradas e saídas digitais, conhecidas com IO, os blocos de entradas e saídas analógicas, a porta de comunicação serial e a porta de comunicação com a IHM ou a HMI (Interface Homem máquina ou Human Machine Interface). Quando conectados ao inversor, os acessórios são automaticamente configurados, garantindo mais rapidez e simplicidade. Veja a figura.


1) Solt 5 - Módulo de memória FLASH incorporado (1MB) 2) Slot 1 - Expansão de I/Os (entradas e saídas)

1

3) Solt 2 -Interface de encoder

2 3

4) Solt 3 - Comunicação 1: DeviceNet, CANopen, RS232C e RS-485

4

5

5) Solt 4 - Comunicação:2 profibus, DeviceNet, RS232, RS-485 e EtherNet/IP

Figura 38 - Módulos do inversor Fonte: WEG, 2012

A seguir, apresentamos a descrição das principais interfaces do módulo de controle: a) Blocos de interface analógica: Os inversores mais simples são geralmente comandados por dois tipos de sinais, os sinais analógicos e os digitais. Normalmente, quando desejamos controlar a rotação de um motor AC, utilizamos uma tensão analógica para indicar a rotação de referência. Na maioria da s vezes, a tensão é de 0 a 10 Vcc. A velocidade de rotação na saída do inversor será proporcional ao valor de tensão referente à entrada analógica. Por exemplo: 10 Vcc na entrada analógica corresponderão a 60Hz na saída do inversor. Logo, quando o potenciômetro, isto é, o equipamento divisor de tensão estiver em 50%, a entrada analógica terá 5Vcc e o inversor terá uma frequência de 30Hz. b) Blocos de interface digital: Estes blocos possuem funções pré-definidas. As funções básicas para a maioria dos inversores de frequência são as funções de parada e partida, o sentido de giro e a emergência, conhecida como habilita inversor. Quando o inversor estiver devidamente alimentado e o motor estiver conectado corretamente em sua saída, nos bornes U,V,W, a entrada analógica estará com uma tensão de 5Vcc. Nestas condições, o motor deveria estar girando a uma frequência de 30Hz, mas ele estará parado. Provavelmente isso estará ocorrendo por falta energização dos bornes “habilita inversor” e “partir inversor” com uma tensão de 24Vcc (verificar manual do fabricante).

51

52


c) Porta de comunicação serial: Alguns inversores possuem portas de comunicação serial, que podem ser do tipo RS232 ou RS485. Através da utilização da IHM ou de algum software de parametrização do inversor de frequência, é possível configurar essa porta de comunicação e o protocolo que será utilizado por ela. O protocolo mais comum é o protocolo Modbus. Geralmente, os inversores de frequência são escravos modbus, isto é, eles esperam que o mestre modbus, geralmente um CLP, informe qual tarefa devem realizar. A vantagem de utilizar uma porta de comunicação RS232 ou RS485 é que a informação chega de maneira precisa. Um exemplo típico disso é o sinal de referência de velocidade do inversor. Muitas vezes é utilizado o sinal de referência via entrada analógica, porém, devido a ruídos e/ou ao casamento incompatível de impedâncias entre a saída analógica do CLP e a entrada analógica do inversor, ocorrem oscilações no sinal de referência. Isto é, quando a tensão de referência é de 5Vcc, devemos ter 30Hz na saída do inversor. Como existem ruídos, o inversor ficará oscilando sua frequência entre 28Hz e 32Hz. Quando a informação de referência é enviada via comunicação serial, esse valor não sofre interferência e, consequentemente, o inversor consegue manter sua frequência conforme o valor de referência. d) Interface Homem Máquina: A IHM é um display que possui alguns botões de navegação. Através da utilização dos botões, podemos acessar e modificar os parâmetros internos do inversor de frequência, como: potência máxima do motor, corrente máxima, tempos de rampas, configuração das entradas digitais, configurações da porta de comunicação etc. Veja a imagem a seguir.

Tecla soft key esquerda: função definida pelo display

Tecla soft key direita: função definida pelo display

Figura 39 - Interface do inversor Fonte: WEG, 2012

3.2.6 CONTROLE DE POSICIONAMENTO DOS INVERSORES Como citado anteriormente, hoje são muito utilizados nas indústrias os motores de corrente alternada assíncronos e síncronos (servomotores), desde aplicações simples que não exigem muito controle, como o acionamento de uma esteira, em compressores de ar e/ou água, em ventiladores, em furadeiras etc. No entanto, existem aplicações mais complexas, como o controle de posicionamento angular de uma mesa rotativa e o controle de movimentação de braços robóticos, que exigem precisão e dinâmica mais apuradas.


Para desenvolver o projeto e o controle de uma mesa rotativa, é necessário entender seu funcionamento. As mesas rotativas são geralmente utilizadas em máquinas ferramentas para a fixação de peças de metal que serão usinadas, furadas etc. Veja a figura a seguir.

Figura 40 - Mesa rotativa Fonte: SHERLINE, 2012

Observe que na Figura 40 é possível visualizar a existência de um conjunto de engrenagens que ligam a manivela até a superfície da mesa. Conforme o operador gira a manivela, a mesa executa um movimento giratório. Exemplo: para uma determinada mesa, cada dez giros na manivela correspondem ao giro de um grau na mesa. Quando desejamos fazer o controle de posicionamento (automação) da mesa, substituímos a manivela por um motor elétrico e acoplamos um encoder ao eixo central da mesa. Fazendo uma analogia com o corpo humano, para ficar mais simples, o encoder é um sensor que funciona como se fossem os olhos, indicando a posição angular em que está posicionada a mesa rotativa. O conjunto motor-inversor de frequência é o atuador; ele funciona como se fossem as mãos girando a manivela. Mas está faltando uma parte de corpo muito importante, o cérebro. Nele são tomadas as decisões de controle. Nesse exemplo, o CLP fará o papel do cérebro e é um exemplo básico da arquitetura de automação para o controle de posicionamento de uma mesa rotativa utilizando um motor assíncrono e um inversor de frequência. Veja a Figura 41. Alimentação trifásica IHM

CLP com - Entradas digitais - Entradas analógicas - Saídas digitais - Saídas analógicas - Modulo de leitura para enconder - Modulo de comunicação para IHM Cabo do encoder

Inversor escalar

Sinal analógico para de controle de velocidade do motor (0-10Vdc) Motor assincrono P

Mesa Rotativa

Cabo de alimentação do motor

Figura 41 - Arquitetura de automação para controle de uma mesa rotatória com inversor Fonte: Autor

53

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Para controlar o giro da mesa, o CLP deve controlar a velocidade de giro do motor, bem como o sentido de giro. Geralmente, para executar este tipo de controle é utilizado um controle do tipo PID. O PID é um bloco de controle que é inserido dentro da lógica de programação do CLP. Para fazer um controle PID funcionar corretamente, são necessários pelo menos oito sinais básicos, que são: o set point, a variável de processo (sensor, nesse caso o encoder), a variável de controle (saída do PID), os ganhos Kp, Ki e Kd e os limite máximo e mínimo de atuação do PID. Veja a Figura 42. PID PID EN Sensor (encoder) SET_POINT Kp K Kd

Var.controle SET_POINT KP TN TV

Var Processo

Saída analógica 0-10v para de frequência

LIMITS_ACTIVE OVERFLOW

Y_MANUAL Y_OFFSET Y_MIN MANUAL RESET

Figura 42 - Controlador Fonte: Autor

A Figura 42 mostra um bloco PID inserido em uma lógica do CLP. O bloco PID funciona da seguinte maneira: Considera-se que uma mesa rotativa possui como condições iniciais sua posição angular igual a 0º e o set point também em 0º. Logo, como a mesa está posicionada exatamente sobre o valor desejado, o set point, não ocorrerá movimentação alguma. Agora, se o operador quiser que a mesa se desloque para a posição 45º, deverá mudar o set point para 45º. O PID entende que 45º é diferente de 0º, e então são enviados dois sinais digitais e um analógico (0-10Vcc) do CLP para o inversor de frequência indicando a ele qu e deve começar a se movimentar, para qual sentido deve se movimentar e com qual velocidade o motor deverá girar. Quando a mesa estiver se aproximando da posição angular de 45º, o PID identificará e, consequentemente, o sinal analógico começará a diminuir de amplitude até parar o motor na posição angular correta, 45º. A seguir é apresentado um gráfico mostrando a variação angular da mesa rotativa da posição 0º para 45º em função do tempo.


Graus Set point (45)

45

Posição angular da mesa rotativa

0

Set point (0) 100

Tempo (s)

Figura 43 - Set point Fonte: Autor

O controle de posicionamento do giro da mesa pode ser feito de duas maneiras, utilizando inversores ou servodrivers (veja na Figura 44). Quando escolhida a utilização de motores assíncronos para realizar o giro da mesa, é obrigatório o uso de inversores de frequência. No caso de ser escolhido o servomotor, é necessário o uso de servodriver. Lembramos que os servomotores são utilizados para sistemas que necessitam de uma dinâmica rápida, ou seja, em sistemas que exigem altas acelerações e desacelerações. Alimentação trifásica

Cabo de potência

Servo Motor AC Servo Drive Mesa Rotativa Sinal do encoder do motor Sinal do encoder da mesa rotativa Figura 44 - Arquitetura de automação para controle de uma mesa rotatória com servodriver Fonte: Autor

A seguir, são apresentados dois gráficos: o primeiro mostra a variação angular da mesa em função do tempo utilizando um acionamento por inversor de frequência, enquanto o segundo mostra a variação angular da mesa rotativa utilizando o acionamento por um servodriver.

55

56


Resposta do sistema de controle utilizando um inversor de frequencia e um motor assincrono Graus

Resposta do sistema de controle utilizando um servo-drive e um servo-motor Graus

Set point (45)

45

Set point (45)

45


0

Set point (0)


0 1

2

Tempo (s)

Set point (0) 1

2

Tempo (s)

Figura 45 - Comparativo entre inversor e servodriver Fonte: Autor

Na Figura 45 é possível observar que o tempo de resposta do sistema com servodriver e servomotor atinge a posição num tempo muito mais curto. Trabalhos realizados por integradores e pelos próprios fornecedores de equipamentos recomendam a utilização de servomotores e servodrivers para controle de movimento de mesas rotativas, braços robotizados e qualquer máquina que exija movimentação rápida e precisa de cargas elevadas.

CASOS E RELATOS Uma empresa deseja fabricar uma peça cilíndrica de latão e nessa peça devem ser feitos oito furos. Cada furo deve ter diâmetro de 10 mm, e eles devem ser distribuídos proporcionalmente em 360º. A distância entre o centro da pastilha e o de cada furo deve ser de 100 mm. Para realizar um trabalho como este, uma furadeira de bancada deve ser posicionada a 100 mm do centro da mesas rotativa. Em seguida, a pastilha cilíndrica é fixada de forma que seu centro fique alinhado com o centro da mesa. Com a broca correta fixada na furadeira, ela deve ser ligada. A furadeira ligada começa a se deslocar no sentido vertical até que a broca fure a peça a ser usinada. Para executar o segundo furo, a furadeira retorna para sua posição inicial e, em seguida, a manivela da mesa rotativa é girada “X” voltas até que a peça realize um giro de 45º. A furadeira começa a se deslocar novamente no sentido vertical para executar o segundo furo. O ciclo avançar a furadeira, fazer furo, recuar furadeira e girar mesa 45º deve ser realizado oito vezes para cada peça. Se a empresa tiver que fazer apenas uma peça, servirá uma máquina convencional, mas se tiver que fazer 1.000.000 de peças, é interessante automatizar esse sistema.


3.3 PARAMETRIZAÇÃO DE DRIVERS Para que um driver (inversor, soft-starter etc.) funcione corretamente, não basta somente instalá-lo; é preciso informar a ele suas condições de

trabalho para a operação, ou seja, sua parametrização. Quanto maior for o número de recursos que o driver oferece, maior será o número de parâmetros disponíveis. A seguir, apresentamos os principais parâmetros utilizados: a) Frequência máxima de saída: este parâmetro determina a velocidade máxima do motor. b) Frequência mínima de saída: este parâmetro determina a velocidade mínima do motor. c) Frequência de JOG: a tecla JOG é um recurso que faz o motor girar em velocidade baixa, facilitando o posicionamento de peças antes de a máquina funcionar em seu regime normal. d) Tempo de partida (“rampa de subida”): este parâmetro indica em quanto tempo desejamos que o motor chegue à velocidade programada, estando ele parado. Caso o motor esteja conectado mecanicamente a cargas pesadas (como, por exemplo, placas de tornos com peças grandes, guindastes etc.), uma partida muito rápida poderá “desarmar ” disjuntores de proteção do sistema. Isso ocorre porque o pico de corrente, necessário para vencer a inércia do motor, será muito alto. Portanto, este parâmetro deve respeitar a massa da carga e o limite de corrente do inversor, como mostra a Figura 46. Rotação (velocidade)

n (desejada)

Tempo

t (p005)

Figura 46 - Gráfico do parâmetro 5 do inversor – tempo de partida Fonte: MATIAS, 2002

e) Tempo de parada (rampa de descida): o inversor pode produzir uma parada gradativa do motor. Esta facilidade pode ser parametrizada e, como a anterior, deve levar em consideração a massa (inércia) da carga acoplada, como mostra a Figura 47.

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58


Rotação (velocidade)

n (desejada)

Tempo

t (p005)

Figura 47 - Gráfico do parâmetro 5 do inversor – tempo de parada Fonte: MATIAS, 2002

f ) Tipo de frenagem: em um motor CA, quando submetemos seus enrolamentos a uma tensão CC, o rotor para imediatamente (“estanca”) como se uma trava mecânica atuasse em seu eixo. Portanto, devemos pensar muito bem se é assim mesmo que desejamos a parada da máquina. Normalmente, este recurso é utilizado para cargas mecânicas pequenas (leves) e que necessitam de resposta rápida, como, por exemplo, eixos das máquinas - ferramentas. g) Liberação de alteração de parâmetros: este parâmetro é uma proteção contra curiosos. Para impedir que alguém, inadvertidamente, altere algum parâmetro da máquina, utilizamos um parâmetro específico como proteção. h) Tipo de entrada: pode ser uma entrada analógica (0 - 10Vcc) ou digital. Indica como controlar a velocidade do motor. i) Frequência de PWM: este parâmetro determina a frequência de PWM do driver. Para evitar perdas no motor e EMI, quanto menor for esta frequência, melhor. O único inconveniente de parametrizar o PWM com frequências baixas é a geração de ruídos sonoros, isto é, a máquina fica mais barulhenta. Portanto, devemos fazer uma análise crítica das condições gerais do ambiente de trabalho antes de optar pelo melhor PWM. j) Pulso de tensão de partida: alguns drivers possuem uma função chamada pulso de tensão de partida (kick start) com um valor ajustável. É aplicado em cargas de elevada inércia que, no momento da partida, exigem um esforço extra no acionamento em função do alto conjugado. O valor desta tensão deverá ser o suficiente para obtermos um conjugado que possa vencer o conjugado resistente da carga. Neste caso, deve ser aplicada uma tensão maior do que a tensão da rampa (75 a 90% da tensão total do motor), em um curto intervalo de tempo (100 a 300ms), dependendo do tipo de carga a ser utilizado. Essa função deve ser utilizada somente quando necessário, pois, ao habilitá-la, não ocorre a atuação da limitação de corrente de partida. Assim, o motor poderá sofrer elevadas quedas de tensão durante o período ajustado para o pulso de tensão. A Figura 48 mostra esta função.


Tensão

UNom Uk Up

Ajuste

Tempo

Figura 48 - Função pulso de partida Fonte: Franchi, 2008

k) Limitação de corrente: esta função é utilizada quando a carga apresenta uma inércia elevada, porque faz o sistema rede/soft-starter fornecer ao motor somente a corrente necessária para que seja executada a aceleração da carga, garantindo um acionamento suave. A limitação da corrente também é utilizada na partida de motores cuja carga apresenta um valor mais elevado de momento de inércia. l) Proteções: a utilização do soft-starter não fica restrita à partida de motores assíncronos, pois as proteções também podem garantir ao motor toda a ajuda necessária. Assim, quando uma proteção atua, aparece uma mensagem de erro para visualização do usuário. m) Sobrecorrente imediata na saída: ajusta o máximo valor de corrente que o driver permite conduzir para o motor por período de tempo pré-ajustado, conforme a Figura 49. Corrente

I

Soc

I

Nom

Ajuste

Tempo

Figura 49 - Sobrecorrente imediata na saída Fonte: FRANCHI, 2010.

n) Subcorrente imediata: ajusta o mínimo valor de corrente que o driver permite conduzir para o motor por período de tempo pré-ajustado. Esta função é utilizada para a proteção de cargas que não possam operar em vazio, como sistemas de bombeamento. Veja na Figura 50.

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Corrente

I

Nom

I

Soc

Ajuste

Tempo

Figura 50 - Subcorrente imediata Fonte: FRANCHI, 2010.

Além dos parâmetros descritos acima, o driver possui diversas proteções, dependendo do fabricante do equipamento, como: a) Economia de energia elétrica – Quando o motor opera em carga reduzida, opera consequentemente com baixo fator de potência. O driver tem uma função para otimizar o ponto operacional do motor, minimizando as perdas de potência reativa e fornecendo apenas a potência ativa requerida pela carga, o que caracteriza um procedimento de economia de energia elétrica. Esta função é aplicada com vantagens em situações em que o motor funciona a vazio por um longo período. Isso é feito com a redução da tensão fornecida nos terminais do motor durante o tempo em que desenvolve sua operação em carga reduzida ou a vazio. Assim, obtemos uma economia de energia entre 5 e 40% da potência nominal, conforme a aplicação, porém, sob tensão nominal, para uma carga no eixo de apenas 10% da potência nominal.

FIQUE ALERTA

Na prática, só faz sentido ativar a função de economia de energia quando a carga for menor do que 50% da carga nominal e durante um período de operação superior a 50% do tempo de funcionamento do motor.

b) Parâmetros de leitura – São as variáveis que podem ser visualizadas no display, mas não podem ser alteradas pelo usuário, como tensão %, corrente %, potência ativa etc. c) Parâmetros de regulação – São os valores ajustáveis a serem utilizados pelas funções do soft-starter, como tensão inicial, tempo de rampa de aceleração e desaceleração etc. d) Parâmetros de configuração – Definem as características do soft-starter, as funções a serem executadas e as entradas e saídas, com parâmetros dos relés de saída, entradas do soft-starter. e) Parâmetros do motor – Definem as características nominais do motor, como ajuste da corrente do motor e fator de serviço.


Importante! Existe um parâmetro que carrega as configurações originais de fábrica. Os parâmetros são escolhidos de modo a atender o maior número de aplicações, reduzindo ao máximo a necessidade de reprogramação durante a colocação em funcionamento.

CASOS E RELATOS Tomamos o controle da pressão de um fluido líquido no interior de uma tubulação para exemplificar. Teremos, portanto, o seguinte processo: bombeamento de água tratada para abastecimento de residências, onde o sistema terá um conjunto motobomba recebendo água de um reservatório à montante da bomba e bombeando a água para a rede hidráulica. O sistema fará a medição da pressão de recalque à jusante da bomba; a bomba será acionada por um inversor de frequência e o sistema

comandará o inversor para que, de acordo com a velocidade da bomba, atinja o valor de set point de pressão de recalque desejado, conforme aumenta o consumo de água nas residências, seja para abastecer suas caixas d’água ou pela abertura de torneiras. A pressão da rede diminuirá e o sensor transmitirá constantemente esta referência para o sistema. Este, por sua vez, verificará se a pressão está abaixo do set point e, caso positivo, aumentará a velocidade do motor através do inversor de frequência até atingir a pressão desejada. Ocorrendo o contrário, o consumo na rede hidráulica diminui e a pressão da rede hidráulica sobe. Percebendo isto, o sistema novamente comparará com o set point e, caso a pressão esteja acima deste parâmetro, enviará um comando ao inversor de frequência para que a velocidade diminua, fazendo este controle constantemente.

RECAPITULANDO Neste capítulo aprendemos o funcionamento da chave eletrônica (soft starter) em conjunto com o motor elétrico, garantindo sua durabilidade. Vimos suas principais características de funcionamento e alguns de seus principais parâmetros de configuração. Estudamos também os inversores de frequência, que são componentes que variam a frequência elétrica, possibilitando o controle de velocidade do motor elétrico. Vimos os principais parâmetros de configuração. Finalizando, aprendemos a comparação desses sistemas com outras ligações e observamos que eles possuem vantagens e desvantagens, de acordo com sua utilização.

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Tecnicas-de-controle_PARTE02.pdf

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