Compreendendo 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 simples, e ainda obter um controle de velocidade linearmente variável razoavelmente bom do motor.

Relatórios de muitas análises de mercado revelam que 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 desgaste e eficiência funcional comparativamente alta.

Dito isso, 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 da temperatura do enrolamento.

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

Compreendendo a implementação do controle escalar

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

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

Neste método escalar, a variável escalar pode ser ajustada uma vez que seu valor correto seja alcançado, seja experimentando de forma prática 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 feedback fechada.

Mesmo que o método escalar de controle prometa resultados de estado estacionário razoavelmente bons no motor, sua resposta transiente pode não ser adequada.

Como funcionam os motores de indução

A palavra 'indução' em motores de indução se refere à maneira única de sua operação na qual magnetizar o rotor pelo enrolamento do estator se torna um aspecto crucial da operação.

Quando AC é aplicado 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 em gaiola de esquilo

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

Essas barras, de formato inclinado e girando em torno do eixo do rotor, são presas com anéis de metal grossos e resistentes nas extremidades das barras. Esses anéis de metal não apenas ajudam a proteger as barras com firmeza no lugar, mas também reforçam um curto-circuito elétrico essencial nas barras.

Quando o enrolamento do estator é aplicado com uma corrente alternada sinusoidal trifásica de sequenciamento, 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 de rotor em 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 de gaiola.

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

No processo, a velocidade do rotor tenta atingir a velocidade da frequência do estator, e conforme se aproxima da velocidade do campo magnético síncrono do estator, a diferença de velocidade relativa e entre a velocidade da frequência do estator e a velocidade rotacional do rotor começa a diminuir, o que causa uma diminuição no valor magnético interação do campo magnético do rotor sobre o campo magnético do estator, eventualmente diminuindo o torque no rotor e a potência de saída equivalente 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 combinando com o 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 diferença fina entre a velocidade do rotor (eixo) e a velocidade da frequência do estator interno, 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 supormos que o estator é aplicado com alimentação trifásica de 50 Hz, então a velocidade angular desta frequência de 50 Hz através do enrolamento do estator será sempre ligeiramente maior do que a resposta na velocidade de rotação do rotor, isto é inerentemente mantido para garantir um ótimo energia no rotor.

O que é motor de indução deslizante

A diferença relativa entre a velocidade de frequência angular do estator e a velocidade de rotação responsiva do rotor é denominada como 'escorregamento'. O escorregamento precisa estar presente mesmo em situações em que o motor é operado com uma estratégia orientada para o campo.

Como o eixo do rotor nos motores de indução não depende de nenhuma excitação externa para sua rotação, pode trabalhar sem anéis coletores convencionais ou escovas garantindo desgaste virtualmente zero, alta eficiência e baixo custo de manutenção.

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

Olhando para o diagrama abaixo, podemos ver que a velocidade do rotor é atribuída como Ω, e as frequências através do estator e do rotor são determinadas pelo parâmetro “s” ou escorregamento, apresentado com a fórmula:

s = ( ω s - ω r ) / ω s

Na expressão acima, s é o 'escorregamento' que exibe a diferença entre a velocidade de frequência síncrona do estator e a velocidade real do motor desenvolvida no eixo do rotor.

Compreendendo a Teoria de Controle de Velocidade Escalar

Em conceitos de controle de motor de indução onde V / Hz técnico é empregado, 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 se desviar além da faixa esperada do estado estacionário, em outras palavras, é mantido dentro deste estado estacionário estimado valor e, portanto, também é chamado de controle escalar método uma vez que a técnica depende fortemente da dinâmica de estado estacionário para controlar a velocidade do motor.

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

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:

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

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

A última expressão acima explica claramente que, enquanto a relação V / f é mantida constante, independentemente de qualquer mudança na frequência de entrada (f), então 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 é aumentada, a tensão através do enrolamento do estator também precisará ser aumentada proporcionalmente, de modo que um Vs / f constante possa ser mantido.

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

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

É por isso que uma configuração básica 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 é 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 descreve claramente um sensor de velocidade dentro de um sistema V / Hz de malha fechada.

Em implementações práticas, normalmente a razão de tensão e frequência do estator pode ser dependente da classificação desses parâmetros em si.

Analisando o controle de velocidade V / Hz

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

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

• Referindo-se a figura 4 quando a frequência de corte está na região 0-fc, uma entrada de tensão torna-se essencial, o que desenvolve uma queda de potencial através do 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 tensões do estator adequadas com a ajuda do circuito equivalente em regime permanente com Rs ≠ 0.
• Na região fc-r (nominal) Hz, ele é capaz de executar uma relação Vs / Hz constante, neste caso a inclinação da relação significa o quantidade de 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 no valor 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 ser comprometido e reduzido, levando a uma diminuição correspondente do torque do rotor. Esta fase operacional em motores de indução é denominada como “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, independentemente da mudança de frequência no enrolamento staor, o toque no rotor agora só tem que contar com a velocidade de escorregamento, este efeito pode ser visto no figura 5 acima

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

Portanto, se é um modo de controle de velocidade de malha aberta ou 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 aparelhos como ventiladores e sopradores. Em tais casos, a frequência para a carga é encontrada referindo-se ao nível de velocidade necessário do motor, e a velocidade do rotor deve seguir 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