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Entendendo o controle escalar (V/f) para motores de indução

Neste artigo, tentaremos entender como o algoritmo de controle escalar é implementado para controlar a velocidade do motor de indução com cálculos relativamente diretos e, ainda, obter um controle de velocidade linearmente variável razoavelmente bom do motor.

seção transversal do motor de indução, mostrando a bobina do estator, eixo do rotor

Relatórios de muitas das principais análises de mercado revelam que os motores de indução são os mais populares quando se trata de lidar com aplicações e trabalhos relacionados a motores industriais pesados. As principais razões por trás da popularidade dos motores de indução são basicamente devido ao seu alto grau de robustez, maior confiabilidade em termos de problemas de desgaste e eficiência funcional comparativamente alta.

Dito isto, os motores de indução têm uma desvantagem típica, pois não são fáceis de controlar com métodos convencionais comuns. O controle de motores de indução é relativamente exigente devido à sua configuração matemática bastante complexa, que inclui principalmente:

  • Resposta não linear na saturação do núcleo
  • Instabilidade nas oscilações de forma devido à variação de temperatura do enrolamento.

Devido a esses aspectos críticos, a implementação ideal do controle do motor de indução exige um algoritmo cuidadosamente calculado com alta confiabilidade, por exemplo, usando um método de “controle vetorial” e, adicionalmente, usando um sistema de processamento baseado em microcontrolador.

Entendendo a implementação do controle escalar

No entanto existe outro método que pode ser aplicado para implementar o controle de motores de indução usando uma configuração muito mais fácil, é o controle escalar incorporando técnicas de acionamento não vetorial.

Na verdade, é possível habilitar um motor de indução CA em um estado estacionário operando-o com um feedback de tensão direto e sistemas controlados por corrente.

Neste método escalar, a variável escalar pode ser ajustada uma vez que seu valor correto seja alcançado por meio de experimentos práticos ou por meio de fórmulas e cálculos adequados.

Em seguida, esta medição pode ser usada para implementar o controle do motor por meio de um circuito de malha aberta ou por meio de uma topologia de malha de realimentação fechada.

Mesmo que o método escalar de controle prometa resultados de estado estacionário razoavelmente bons no motor, sua resposta transitória pode não estar à altura.

Como funcionam os motores de indução

A palavra “indução” em motores de indução refere-se à forma única de seu funcionamento em que a magnetização do rotor pelo enrolamento do estator torna-se um aspecto crucial da operação.

Quando a CA é aplicada através do enrolamento do estator, o campo magnético oscilante do enrolamento do estator interage com a armadura do rotor criando um novo campo magnético no rotor, que por sua vez reage com o campo magnético do estator induzindo uma grande quantidade de torque rotacional no rotor . Este torque rotacional fornece a saída mecânica efetiva necessária para a máquina.

O que é motor de indução trifásico gaiola de esquilo

É a variante mais popular de motores de indução e é amplamente utilizada em aplicações industriais. Em um motor de indução de gaiola de esquilo, o rotor carrega uma série de barras semelhantes a condutores ao redor do eixo do rotor, apresentando uma estrutura única em forma de gaiola e, portanto, o nome “gaiola de esquilo”.

Estas barras que são de forma distorcida e que correm ao redor do eixo do rotor são fixadas com anéis de metal grossos e resistentes nas extremidades das barras. Esses anéis de metal não apenas ajudam a prender as barras firmemente no lugar, mas também impõem um curto-circuito elétrico essencial entre as barras.

Quando o enrolamento do estator é aplicado com uma corrente alternada senoidal trifásica sequencial, o campo magnético resultante também começa a se mover com a mesma velocidade que a frequência senoidal do estator trifásico (ωs).

Uma vez que o conjunto do rotor da gaiola de esquilo é mantido dentro do enrolamento do estator, o campo magnético trifásico alternado acima do enrolamento do estator reage com o conjunto do rotor induzindo um campo magnético equivalente nos condutores de barra do conjunto da gaiola.

Isso força um campo magnético secundário a se formar ao redor das barras do rotor e, consequentemente, esse novo campo magnético é forçado a interagir com o campo do estator, impondo um torque rotacional no rotor que tenta seguir a direção do campo magnético do estator.

rotor de indução

No processo a velocidade do rotor tenta atingir a velocidade de frequência do estator, e à medida que se aproxima da velocidade do campo magnético síncrono do estator, a diferença de velocidade relativa e entre a velocidade de frequência do estator e a velocidade de rotação do rotor começa a diminuir, o que causa uma diminuição na interação do campo magnético do rotor sobre o campo magnético do estator, eventualmente diminuindo o torque no rotor e a potência equivalente de saída do rotor.

Isso leva a uma potência mínima no rotor e, nessa velocidade, diz-se que o rotor adquiriu um estado estacionário, onde a carga no rotor é equivalente e corresponde ao torque no rotor.

O funcionamento de um motor de indução em resposta a uma carga pode ser resumido conforme explicado abaixo:

Uma vez que se torna obrigatório manter uma pequena diferença entre a velocidade do rotor (eixo) e a velocidade da frequência interna do estator, a velocidade do rotor que realmente lida com a carga gira a uma velocidade ligeiramente menor do que a velocidade da frequência do estator. Por outro lado, se supusermos que o estator é aplicado com alimentação trifásica de 50Hz, então a velocidade angular desta frequência de 50Hz através do enrolamento do estator será sempre ligeiramente superior à resposta na velocidade de rotação do rotor, isso é inerentemente mantido para garantir uma ótima potência no rotor.

O que é deslizamento no motor de indução

A diferença relativa entre a velocidade angular de freqüência do estator e a velocidade de rotação responsiva do rotor é chamada de “deslizamento”. O escorregamento precisa estar presente mesmo em situações em que o motor é operado com uma estratégia orientada ao campo.

Como o eixo do rotor em motores de indução não depende de nenhuma excitação externa para sua rotação, ele pode funcionar sem anéis coletores convencionais ou escovas garantindo praticamente zero desgaste, alta eficiência e ainda com baixo custo de manutenção.

O fator de torque nesses motores é determinado pelo ângulo estabelecido entre os fluxos magnéticos do estator e do rotor.

Observando o diagrama abaixo, podemos ver que a velocidade do rotor é atribuída como Ω, e as frequências no estator e no rotor são determinadas pelo parâmetro “s” ou escorregamento, apresentado com a fórmula:

s = (ωs ωr) / ωs

Na expressão acima, s é o “deslizamento” que apresenta a diferença entre a velocidade de freqüência síncrona do estator e a velocidade real do motor desenvolvida no eixo do rotor.

rotor gaiola de esquilo

Entendendo a Teoria do Controle de Velocidade Escalar

Nos conceitos de controle de motores de indução onde a técnica V/Hz é empregada, o controle de velocidade é implementado ajustando a tensão do estator em relação à frequência de modo que o fluxo do entreferro nunca seja capaz de desviar além da faixa esperada do estado estacionário, em outros palavras, ele é mantido dentro desse valor de estado estacionário estimado e, portanto, também é chamado de controle escalar método, uma vez que a técnica depende muito da dinâmica de regime permanente para controlar a velocidade do motor.

Podemos entender o funcionamento desse conceito consultando a figura a seguir, que mostra o esquema simplificado de uma técnica de controle escalar. Na configuração assume-se que a resistência do estator (Rs) é zero, enquanto a indutância de fuga do estator (LIs) impressa na fuga do rotor e na indutância de magnetização (LIr). O (LIr) que realmente representa a magnitude do fluxo de entreferro pode ser visto como tendo sido empurrado antes da indutância de fuga total (Ll = Lls + Llr).

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Devido a isso, o fluxo de entreferro criado pela corrente de magnetização obtém um valor aproximado próximo à razão de frequência do estator. Assim, a expressão fasorial para uma avaliação de estado estacionário pode ser escrita da seguinte forma:

equação fasorial para motor de indução

Para motores de indução que podem estar funcionando em suas regiões magnéticas lineares, o Lm não mudará e permanecerá constante, nesses casos a equação acima pode ser expressa como:

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Onde V e Λ são os valores de tensão do estator e fluxo do estator, respectivamente, enquanto Ṽ representa o parâmetro fasor no projeto.

A última expressão acima explica claramente que, desde que a relação V/f seja mantida constante, independentemente de qualquer alteração na frequência de entrada (f), o fluxo também permanece constante, o que permite que o toque opere sem depender da frequência da tensão de alimentação . Isso implica que se ΛM for mantido em um nível constante, a razão Vs / ƒ também seria renderizada em uma velocidade relevante constante. Portanto, sempre que a velocidade do motor for aumentada, a tensão no enrolamento do estator também precisará ser aumentada proporcionalmente, para que uma Vs/f constante possa ser mantida.

No entanto, aqui o escorregamento é função da carga ligada ao motor, a velocidade de frequência síncrona não representa a velocidade real do motor.

Na ausência de um torque de carga no rotor, o escorregamento resultante pode ser insignificantemente pequeno, permitindo que o motor atinja velocidades próximas às síncronas.

É por isso que uma configuração básica de Vs/f ou V/Hz geralmente pode não ter a capacidade de implementar o controle de velocidade preciso de um motor de indução quando o motor está conectado com um torque de carga. No entanto, uma compensação de escorregamento pode ser facilmente introduzida no sistema junto com a medição de velocidade.

A representação gráfica indicada abaixo mostra claramente um sensor de velocidade dentro de um sistema V/Hz de malha fechada.

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Em implementações práticas, normalmente a razão entre a tensão e a frequência do estator pode depender da classificação desses próprios parâmetros.

Analisando o controle de velocidade V/Hz

Uma análise padrão de V/Hz pode ser observada na figura a seguir.

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Fundamentalmente, você encontrará 3 faixas de seleção de velocidade dentro de um perfil V/Hz, que podem ser entendidas a partir dos seguintes pontos:

  • Referindo-se a figura 4 quando a frequência de corte está na região 0-fc, torna-se essencial uma entrada de tensão, que desenvolve uma queda de potencial no enrolamento do estator, e essa queda de tensão não pode ser ignorada e precisa ser compensada aumentando a tensão de alimentação Vs. Isso indica que nesta região o perfil da razão V/Hz não é uma função linear. Podemos avaliar analiticamente a frequência de corte fc para as tensões apropriadas do estator com a ajuda do circuito equivalente de estado estacionário com Rs ≠ 0.
  • Na região fc-r(nominal) Hz, é capaz de executar uma relação Vs/Hz constante, neste caso a inclinação da relação significa o quantidade do fluxo de entreferro.
  • Na região além de f(nominal), operando em frequências mais altas, torna-se impossível realizar a relação Vs/f a taxa constante, pois nesta posição a tensão do estator tende a ficar restrita ao valor de f(nominal). Isso acontece para garantir que o enrolamento do estator não seja submetido a uma quebra de isolamento. Devido a esta situação, o fluxo de entreferro resultante tende a ficar comprometido e reduzido, levando a um torque do rotor correspondentemente decrescente. Esta fase operacional em motores de indução é denominada “região de enfraquecimento de campo”. Para evitar esse tipo de situação, geralmente uma regra V/Hz constante não é obedecida nessas faixas de frequência.

Devido à presença de um fluxo magnético do estator constante independente da mudança de frequência no enrolamento do estaor, o torque no rotor agora só depende da velocidade de escorregamento, este efeito pode ser visto no figura 5 acima de

Com a regulação apropriada da velocidade de escorregamento, a velocidade de um motor de indução pode ser efetivamente controlada juntamente com o torque na carga do rotor, empregando um princípio V/Hz constante.

Portanto, seja um modo de controle de velocidade aberto ou de malha fechada, ambos podem ser implementados usando a regra V/Hz constante.

Um modo de controle de malha aberta pode ser empregado em aplicações onde a precisão do controle de velocidade pode não ser um fator importante, como em unidades de HVAC, ou ventiladores e aparelhos como ventiladores. Nesses casos, a frequência para a carga é encontrada referindo-se ao nível de velocidade necessário do motor, e espera-se que a velocidade do rotor siga aproximadamente a velocidade síncrona instantânea. Qualquer forma de discrepância na velocidade decorrente do escorregamento do motor é geralmente ignorada e aceita em tais aplicações.

Referência: http://www.ti.com/lit/an/sprabq8/sprabq8.pdf

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FONTE


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