Conversores de Freqüência - Filosofia de Controle Escalar, Notas de estudo de Tecnologia Industrial

Baixe Conversores de Freqüência - Filosofia de Controle Escalar e outras Notas de estudo em PDF para Tecnologia Industrial, somente na Docsity! SENAI Rua Jaguaré Mirim, 71 - Vila Leopoldina” Serviço Nacional ESCOLA SENAI “MARIANO FERRAZ" CEP: 05311-020 - São Paulo - SP de Aprendizagem Fone/Fax: (011)3641-0024 Industrial NAI E-Mail: nai106@sp.senai.br 214 Teoria 17 Filosofia de Controle Escalar 17.1 Introdução: Os conversores de freqüência, também conhecidos como inversores de freqüência, são dispositivos eletrônicos que convertem a tensão da rede alternada senoidal, que pode ser monofásica ou trifásica, em tensão contínua de amplitude e freqüência constantes e por fim convertem esta última, em uma tensão C.A. trifásica de amplitude e freqüência variáveis. A denominação “Inversor” ou “Conversor” é bastante controversa, sendo que alguns fabricantes utilizam em suas literaturas técnicas, o termo Inversor enquanto que outros fabricantes usam o termo Conversor. Os conversores de Freqüência têm uma vasta aplicação na indústria, em máquinas e processos em geral. Com a capacidade inerente de variar a velocidade de motores de indução C.A. trifásicos, permitem aos projetistas, desenvolver máquinas que sem os mesmos, seriam praticamente impossíveis de serem fabricadas. Os conversores de Freqüência de última geração, não somente variam como regulam a velocidade do eixo de motores de indução C.A. trifásicos, e também, realizam o controle de outros parâmetros inerentes a esse motor, sendo que um deles é o controle de torque. Através da funcionalidade que os microcontroladores trouxeram, os conversores de freqüência hoje, são dotados de poderosas CPUs ou placas de controle microcontroladas, que possibilitam uma infindável variedade de métodos de controle, expandindo e flexibilizando o uso dos mesmos. Cada fabricante consegue implementar sua própria estratégia de controle, de modo a obter domínio total sobre o comportamento do eixo do motor, permitindo que em muitas aplicações motores de indução C.A. trifásicos substituam inclusive Servo Motores. Os benefícios são diversos, como redução no custo de desenvolvimento, custo dos sistemas de acionamento, custo de manutenção. Muitos conversores são dotados de opcionais que permitem implementar técnicas de controle de movimento, manipulação de vários eixos de acionamento, Posicionamento e Sincronismo de Velocidade ou Sincronismo de Posição. 17.2 O Controle Escalar: Baseada na performance dos acionamentos de corrente contínua, a tecnologia de conversores de corrente alternada evoluiu proporcionando características de controle de velocidade e de torque aos motores assíncronos trifásicos, usufruindo os benefícios de baixo custo de aquisição e de manutenção desses motores. Além disso, os motores assíncronos (motores de indução C.A. trifásicos) possuem vantagens de tamanho em relação aos motores de corrente contínua (tanto no seu diâmetro quanto no seu comprimento) que, por conseqüência, proporciona uma vantagem em relação a diminuição de seu peso total, além de ter um grau de proteção maior (que garante uma maior proteção ao motor) e menor custo de manutenção. O primeiro passo dessa evolução foram os Conversores de Freqüência com Controle Escalar (ou V/f) e chaveamento do tipo PWM (Pulse Width Modulation Modulação por Largura de Pulso) (ver Teoria 15.4). Diagrama de blocos do Conversor de Freqüência Escalar com chaveamento PWM. Durante algum tempo coexistiram no mercado os dois tipos de conversores de freqüência disponíveis: o escalar e o vetorial. Atualmente existe no mercado apenas o tipo de conversor de freqüência vetorial. No entanto tais conversores vetoriais têm a capacidade de funcionar também no modo escalar. A diferença entre conversores de freqüência escalar e vetorial está basicamente na curva que relaciona Torque e Rotação, o que implica em mudanças de software e do ponto de vista do hardware o diagrama dos dois tipos de conversor é o mesmo. A tecnologia do modo de controle de velocidade do conversor de freqüência escalar, por ser um controle em função das variáveis Tensão [V] e Freqüência [f] da alimentação do estator, a qual busca manter a relação f V em valor constante, tem a inconveniência de não oferecer altos torques em baixas rotações, pois o torque é função direta da corrente de alimentação. Operando em freqüências bem baixas o motor se torna muito resistivo (a baixa freqüência degrada a parcela indutiva pois LfX L ⋅⋅⋅= π2 ) e, a performance do modo de controle de velocidade do conversor de freqüência escalar não mais consegue recuperar o torque. Assim a freqüência mínima costuma ser limitada a 3 Hz, abaixo da qual um conversor escalar não conseguiria desenvolver torque no motor. No conversor de freqüência escalar, a curva que estabelece a relação entre a Tensão de Saída [V] e Freqüência de Saída [f], pode ser parametrizada. O inversor escalar é indicado para partidas suaves, operação acima da velocidade nominal do motor e operação com constantes reversões. Por sua vez o conversor de freqüência vetorial não possui uma curva parametrizável, na verdade o controle atua fazendo com que essa curva varie de acordo com a demanda de torque, portanto este controle possui uma atuação que faz variar a tensão e a freqüência do motor, através das variáveis de controle corrente de magnetização (IM) e corrente do rotor (IR). SENAI Rua Jaguaré Mirim, 71 - Vila Leopoldina” Serviço Nacional ESCOLA SENAI “MARIANO FERRAZ" CEP: 05311-020 - São Paulo - SP de Aprendizagem Fone/Fax: (011)3641-0024 Industrial NAI E-Mail: nai106@sp.senai.br 215 provocando a elevação da tensão presente no barramento CC. A intensidade da energia regenerativa depende diretamente da amplitude do degrau de desaceleração executado, bem como da inércia da carga, tendo ainda uma relação inversa ao tempo total estipulado para executar tal degrau de desaceleração. Como não deve haver sobre-tensão no Link CC, o Circuito de Controle comanda então o IGBT do circuito atuador da frenagem, colocando-o em condução, o que faz descarregar parcialmente o banco de capacitores, fazendo dissipar, por efeito joule, em cima do resistor de frenagem, a energia excessiva. Grandes degraus de desaceleração, realizados em tempos curtos, associados ainda a cargas de alta inércia, podem fazer regenerar tanta energia, que a atuação do circuito de frenagem não consegue removê-la em tempo hábil, fazendo com que a tensão no barramento CC, elevada pela regeneração, atinja valores de risco. Se isso ocorrer inevitavelmente o circuito de controle atuará colocando o conversor de freqüência em bloqueio (isso equivale a acionar um botão de emergência). O barramento CC do circuito intermediário alimenta o 3º bloco da unidade de potência do conversor de freqüência, o bloco do Circuito Inversor. Este é o bloco responsável pela conversão da tensão do barramento CC em sinal alternado para a saída do conversor de freqüência. Assim, o bloco do Circuito Inversor é alimentado pelo barramento de CC. O circuito intermediário agrega ainda o circuito de pré-carga, que é útil no momento em que se energiza o conversor de freqüência e o banco de capacitores do barramento CC encontra-se totalmente descarregado. A carga inicial do banco de capacitores é feita via um resistor limitando a corrente de surto. Posteriormente, tendo atingido um nível de carga suficiente, o resistor é eliminado por um relé de by-pass. O circuito inversor é composto por um arranjo de no mínimo seis transistores IGBT’s, seis diodos retificadores. Este circuito é o responsável direto pela conversão da tensão do barramento CC em CA na saída do Conversor de Freqüência. A CA na saída do circuito inversor é obtida por uma adequada seqüência de chaveamento dos IGBTs. A seqüência de chaveamento é fornecida pelo PWM (Modulador de Largura de Pulso). SENAI Rua Jaguaré Mirim, 71 - Vila Leopoldina” Serviço Nacional ESCOLA SENAI “MARIANO FERRAZ" CEP: 05311-020 - São Paulo - SP de Aprendizagem Fone/Fax: (011)3641-0024 Industrial NAI E-Mail: nai106@sp.senai.br 218 A forma de onda PWM é gerada através do chaveamento sincronizado dos transistores IGBTs do circuito inversor, o qual constitui-se em três pares de transistores (uma par para cada linha de saída) montados no mesmo sentido de condução que, através de um sinal de disparo nos seus terminais de porta, entram em condução. Esta condução sincronizada é comandada através do Circuito de Controle do conversor de freqüência, de modo que a tensão instantânea da CA de saída seja proporcional a largura dos pulsos do PWM: • Quando os valores da tensão instantânea da CA de saída estiverem em torno do valor de pico do semiciclo positivo os pulsos de PWM são os mais largos possíveis; • Quando os valores da tensão instantânea da CA de saída estiverem em torno do valor de pico do semiciclo negativo os pulsos de PWM são os mais estreitos possíveis; • Quando os valores de tensão instantânea da CA de saída em estiverem em torno de zero volt os pulsos de PWM têm largura média (ciclo de trabalho de 50%). Descrição do processo PWM Senoidal. O sinal que chega a porta dos IGBTs chega através de acoplamento ótico, que garante a isolação entre a Unidade de Potencia e a Unidade de Controle. Já a freqüência de chaveamento do PWM (que pode assumir diferentes valores segundo a necessidade), determina a qualidade da forma de onda de saída fornecida ao motor. Quanto maior a freqüência de chaveamento mais a forma de onda da saída do conversor se aproxima de uma senóide verdadeira. A Unidade (ou Módulo de Controle), é o responsável pelo controle de velocidade propriamente dito e pelo monitoramento das entradas e saídas (analógicas e digitais) do equipamento, bem como da comunicação, que normalmente se da por uma interface serial RS-485 (ou Rs-232). A CPU (unidade central de processamento) é o principal bloco do módulo de controle. A CPU é constituída normalmente por um bloco microcontrolador (ou por um DSP), mais blocos de memória. Nestes blocos todos os parâmetros e dados do sistema são armazenados. SENAI Rua Jaguaré Mirim, 71 - Vila Leopoldina” Serviço Nacional ESCOLA SENAI “MARIANO FERRAZ" CEP: 05311-020 - São Paulo - SP de Aprendizagem Fone/Fax: (011)3641-0024 Industrial NAI E-Mail: nai106@sp.senai.br 219 A CPU Executa ainda funções vitais como: geração de pulsos de PWM para disparos dos IGBT’s, que nada mais são que transistores que fazem a conexão do circuito, alterando o sentido da corrente que circula no motor; No modo de controle Escalar (também conhecido como V/f), manipula-se a variável Tensão de Saída e a variável Freqüência de Saída, as quais são aplicadas diretamente aos enrolamentos do estator do motor trifásico assíncrono fornecendo ao motor uma certa relação V/f correspondente. Esta relação de V/f é fornecida de forma proporcional, até o limite da freqüência de inflexão (freqüência nominal da rede, no caso do Brasil, igual a 60 Hz) e da tensão nominal de alimentação do motor. Os conversores de freqüência têm a capacidade de elevar a freqüência de saída acima da freqüência de inflexão, em aplicações que o usuário deseje velocidades maiores, porém os motores comuns podem operar somente até 100Hz, acima disso, motores especiais devem ser encomendados. Também a tensão do motor não deve exceder, de modo algum, a tensão nominal do motor, por isso para freqüências acima da freqüência de inflexão (acima de 60Hz), a relação V/f deixa de ser constante, pois a tensão já tendo atingido o seu valor nominal, não pode mais ser aumentada. Assim, desde a freqüência mínima até a freqüência de inflexão, o torque disponível no motor é mantido de certa forma constante devido à relação V/f constante (exceção se faz para velocidades baixas, freqüências abaixo de 18Hz o motor nas quais o motor perde torque por se tornar muito resistivo), mas para freqüências acima da de inflexão (acima de 60Hz), tendo alcançado o valor nominal (valor máximo), a tensão não pode mais ser elevada e o torque passa a ser reduzido. Em outras palavras, com um conversor de freqüência de modo escalar, é possível sim se obter sobre-velocidades, mas não sem prejuízo do torque. Curva V/f , onde: TN = Torque Nominal VN = Tensão Nominal fN = Freqüência A queda do torque do motor trifásico assíncrono ocorre devido às características físicas do próprio motor e não devido às características do conversor (a tensão nominal do motor não deve ser excedida), mas como através do modo de controle Escalar não é possível efetuar o controle de torque, não há a possibilidade de corrigir esse efeito no motor. Por seu lado a potência do motor cresce linearmente com o aumento da freqüência até a freqüência fN (Freqüência Nominal = 60 Hz) chegando, nesse ponto, ao valor da potência nominal do motor e a partir daí, continuando a aumentar a freqüência (desde que não se aumente a tensão de rede - alimentação do conversor) a potência do motor permanece a mesma. SENAI Rua Jaguaré Mirim, 71 - Vila Leopoldina” Serviço Nacional ESCOLA SENAI “MARIANO FERRAZ" CEP: 05311-020 - São Paulo - SP de Aprendizagem Fone/Fax: (011)3641-0024 Industrial NAI E-Mail: nai106@sp.senai.br 220 Para alimentação trifásica deve-se cuidar para que o desbalanceamento entre fases não seja maior do que 2%, uma vez que um desbalanceamento maior pode provocar um grande desbalanceamento de corrente na entrada, danificando os diodos de entrada. Conclusão: Potência do conversor deve ser compatível com a selecionada para o motor 3,4[kW], tensão de alimentação de acordo com a rede de alimentação 380[V]. A curva V/f pode ser constante (com freqüência de inflexão em 50 Hz ou 60 Hz) ou pode ser ajustável (com freqüência de inflexão diferente do padrão nominal). Esta escolha deve levar sempre em consideração o tipo de carga Com cargas da 1ª e 2ª categorias, deverá haver sempre uma compensação IxR bem acentuada, e alguma compensação de boost deve também ser requerida. 4) Escolher a curva de funcionamento do conversor de freqüência. Ver conclusão anterior. 5) Determinar a faixa de freqüência de trabalho do motor: 60 Hz 1720 rpm 60 Hz 1720 rpm fMIN 400 rpm fMAX 2000 rpm Para 400 rpm: 1720 40060f ⋅=MIN = 13,95 Hz Para 2000 rpm: 1720 40060f ⋅=MAX = 69,8 Hz Logo, a faixa de trabalho do motor será de 13,9 Hz a 69,8 Hz. 6) Determinar o conjugado fornecido pelo motor na faixa de 13,9 Hz a 69,8 Hz: Nm n PC non NOM MONOM 9,18 2 60 1720 3409 =⋅== π Como o inversor é escalar ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ⇒ constante f V o fluxo e por conseqüência o torque se mantém constante para freqüências abaixo de 60 Hz. No entanto alguma compensação IxR será necessária para não degradar o torque nas freqüências mais baixas. Com isso feito podemos garantir o torque ≥ 14Nm em toda faixa de operação. 17.4 Recursos e Funções Padrão: • Senha de habilitação para programação; • Seleção do idioma da HMI (LCD) – Português, Inglês e Espanhol; • Seleção do tipo de controle (via parâmetro): Escalar U/F, Sensorless ou Com Encoder; • Auto-diagnóstico de defeitos e Auto-reset de falhas; • Reset para programação padrão de fábrica ou para padrão do usuário; SENAI Rua Jaguaré Mirim, 71 - Vila Leopoldina” Serviço Nacional ESCOLA SENAI “MARIANO FERRAZ" CEP: 05311-020 - São Paulo - SP de Aprendizagem Fone/Fax: (011)3641-0024 Industrial NAI E-Mail: nai106@sp.senai.br 223 SENAI Rua Jaguaré Mirim, 71 - Vila Leopoldina” Serviço Nacional ESCOLA SENAI “MARIANO FERRAZ" CEP: 05311-020 - São Paulo - SP de Aprendizagem Fone/Fax: (011)3641-0024 Industrial NAI E-Mail: nai106@sp.senai.br 224 • Auto-ajuste do inversor às condições da carga (Self tuning); • Indicação de grandeza específica (programável) - (Ex.: m/min; rpm; l/h; %, etc); • Compensação de escorregamento - Modo U / F; • I x R (Boost de Conjugado) manual ou automático - Modo U / F; • Curva U / F ajustável (programável) - Modo U / F; • Limites de velocidade mínima e máxima; • Limite da corrente máxima; • Ajuste da corrente de sobrecarga; • Ajuste digital do ganho e do Offset das entradas analógicas; • Ajuste digital do ganho das saídas analógicas; • Função JOG (impulso momentâneo de velocidade); • Função JOG + e JOG - (incremento / decremento momentâneo de velocidade); • Função “COPY” ( Inversor ® HMI ou HMI ® Inversor ); • Funções específicas programadas em saídas digitais (relé): • N* > Nx ; N > Nx ; N < Nx ; N = 0 ; N = N* ; I s > I x ; I s < I x ; T > Tx e T < Tx; • Onde: N = Velocidade ; N* = Referência ; I s = Corrente saída e T = Conjugado motor; • Rampas linear e tipo ‘‘S’’ e dupla rampa; • Rampas de aceleração e desaceleração independentes; • Frenagem CC (corrente contínua); • Frenagem Ótima (Optimal Braking )® - Modo Vetorial; • Frenagem Reostática incorporada – modelos até 45 A / 220-230 V e até 30 A / 380-480 V; • Função Multi-Speed (até 8 velocidades pré-programadas); • Função Ciclo Automático do Processo ; • Recursos especiais : Horímetro e Wattímetro (kW); • Regulador PID superposto (controle automático de nível, vazão, pressão, peso, etc); • Seleção do sentido de rotação (horário / anti-horário); • Seleção para operação Local / Remoto; • Partida com o motor girando (Flying Start); • Rejeição de velocidades críticas ou ressonantes (Skip Speed); • Operação durante falhas momentâneas da rede (Ride-Through); • Modbus RTU incorporado (necessita interface RS-232 ou RS-485). Outras opções vide opcionais; Opcionais Sem interface Homem-Máquina Local.