Impacto dos variadores eletrónicos de velocidade nos motores e na rede elétrica

Investigação e Desenvolvimento

Impacto dos Variadores Eletrónicos de Velocidade nos Motores e na Rede Elétrica Fernando J. T. E. Ferreira Departamento de Engenharia Eletrotécnica, Instituto Superior de Engenharia de Coimbra (ISEC), Coimbra, Portugal Instituto de Sistemas e Robótica, Universidade de Coimbra (ISR-UC), Coimbra, Portugal , fernandoferreira@ieee.org

Resumo – Os Variadores Eletrónicos de Velocidade, devido às suas

Motors) são tecnologias mais eficientes, estando comercialmente

vantagens técnico-económicas, são cada vez mais utilizados para

disponíveis para a classe IE43, mas ainda assim com uma quota de

controlar a velocidade e o binário dos motores de indução trifá-

mercado muito inferior à dos MIs. Os motores AC síncronos não po-

sicos. Porém, têm também associados alguns aspetos negativos.

dem ser alimentados diretamente da rede, necessitando por isso de

Neste artigo, de uma forma breve, discute-se o seu impacto nos

um controlador eletrónico, exceto se incorporarem uma gaiola de

motores de indução trifásicos e na rede elétrica.

esquilo auxiliar, como é o caso do motor de ímanes permanentes de arranque direto 4 (Line-Start Permanent Magnet Synchronous Motor).

Com uma quota de mercado cada vez mais reduzida, os motores de

I. INTRODUÇÃO

Corrente Contínua (Direct Current, DC) com escovas (commutated

Os motores de indução trifásicos com rotor em gaiola de esquilo1

DC motors) são ainda utilizados em algumas aplicações industriais.

(MIs, Figura 1) são o tipo de motor elétrico de Corrente Alternada

Na última década, a utilização de Variadores Eletrónicos de Velo-

(Alternate Current, AC) mais utilizado em acionamentos eletromecâ-

cidade5 (VEVs, Figura 2) tem vindo a aumentar significativamente

nicos industriais com potência nominal superior a 0,75 kW, integran-

para o controlo da velocidade e do binário em motores AC síncro-

do mais de 85% dos mesmos.

nos e assíncronos. Atualmente, na União Europeia, vendem-se mais de 2 milhões de VEVs por ano, dos quais cerca de 95% com potência inferior ou igual a 37 kW. Na sua grande maioria, estes VEVs são constituídos por um retificador de díodos e um inversor de fonte de tensão (Voltage-Source Inverter – VSI) com modulação por largura de impulso (Pulse-Width Modulation – PWM), e vendem-se separadamente dos motores. Todavia, o mercado das unidades integradas (VEV integrado na estrutura do motor) está a crescer na gama de potência de 0,75 a 22 kW.

Figura 1. Motores de indução trifásicos com rotor em gaiola de esquilo.

O controlo eletrónico dos MIs através de VEVs permitiu que estes substituíssem os motores DC com escovas em muitas aplicações

Até setembro de 2012, os MIs só estavam comercialmente dispo-

com necessidade de controlo de velocidade e binário, razão pela

níveis para as classes de rendimento IE1, IE2 e IE3, definidas na 1.ª

qual estes últimos estão a desaparecer do mercado, uma vez que

edição da Norma IEC 60034-30 (2008). Porém, foram recentemen-

os primeiros apresentam vantagens ao nível do rendimento e da

te lançados no mercado europeu MIs de classe IE42. Os motores AC

fiabilidade.

síncronos de ímanes permanentes (Permanent Magnet Synchronous Motors) e de relutância variável (Synchronous/Variable Reluctance 3 1

fásicos com rotor em curto-circuito”. Em inglês, são denominados de

4

“three-phase squirrel-cage induction motors”.

2

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O lançamento foi feito pela empresa WEG que, até à data, é o único fa-

A classe IE4 está definida no documento de especificações técnicas IEC/ TS 60034-31 e será incluída na 2.ª edição da Norma IEC 60034-30.

Em português, são também denominados de “motores assíncronos tri-

Atualmente, a WEG é o único grande fabricante a comercializar este tipo de motores (modelo WQuattro, disponível de 0,37 a 7,5 kW).

5

No meio industrial, são muitas vezes denominados de “inversores” ou

bricante a comercializar MIs de classe IE4 na gama de 3 a 355 kW (2, 4 e

“conversores de frequência”. Em inglês, são tipicamente denominados

6 pólos). Refira-se que a WEG é um dos maiores fabricantes de motores

de “Variable Speed Drives – VSDs”, “Adjustable Speed Drives – ASDs” ou “Va-

eléctricos a nível mundial.

riable Frequency Drives – VFDs”.

elevare

Investigação e Desenvolvimento reduzindo as necessidades de manutenção e/ou reparação; c) possibilidade de se poupar energia durante o processo de arranque dos motores, particularmente se forem utilizados VEVs; d) possibilidade de se aumentar a frequência de paragens/arranques do motor nalgumas aplicações, permitindo poupar energia.

A. Motores de uma velocidade Os MIs de uma velocidade (Single-Speed Motors) podem arrancar diretamente da rede (arranque direto; D.O.L. starting), sendo a corrente de arranque e os esforços eletrodinâmicos e mecânicos no motor muito elevados, razões pelas quais este tipo de arranque só

Figura 11. Topologia típica dos arrancadores suaves com dois tirístores em an-

se utiliza tipicamente para motores de potência nominal inferior a

tiparalelo (ou um TRIAC) por fase e respetivas formas de onda da tensão e da

4 kW. No instante inicial do processo de arranque direto, o desliza-

corrente à saída, para um determinado ângulo de disparo dos tirístores.

mento é de 100%, decrescendo até ao valor final em regime permanente, que depende do nível de carga e do modelo do motor (nor-

O arranque dos MIs com VEV é o mais suave e eficiente, permitindo

malmente inferior a 10%). Durante este tipo de arranque, apesar de

manter o deslizamento num valor muito próximo do nominal ao

ser relativamente rápido, as perdas por efeito de Joule no rotor e no

longo de todo o processo, garantindo simultaneamente um biná-

estator são muito significativas.

rio elevado e uma corrente relativamente baixa (Figura 9). Assim, as perdas no motor durante o processo de arranque com VEV são

O arranque estrela-triângulo (com um sistema de 3 contactores)

muito menores do que as que nele ocorrem com outros métodos.

permite reduzir a corrente e o binário em cerca de 3 vezes, sendo

No entanto, os VEVs são demasiado dispendiosos para serem uti-

esta técnica largamente utilizada. O deslizamento varia da mesma

lizados apenas para efetuar o arranque/paragem do motor, reco-

forma que no arranque direto, mas em duas etapas distintas. Na

mendando-se a sua utilização só em aplicações que, ao longo do

primeira e segunda etapas, o deslizamento estabiliza nos pontos de

seu ciclo de funcionamento, possam beneficiar técnica e/ou econo-

funcionamento em estrela e triângulo, respetivamente (Figura 7).

micamente com a variação de velocidade.

Os arrancadores suaves (Soft Starters, Figura 10) são reguladores

Refira-se ainda que o binário produzido pelos arrancadores sua-

eletrónicos (conversores AC/AC) que permitem variar a amplitude

ves é muito inferior ao do produzido pelos VEVs no início do ar-

da componente fundamental da tensão (mantendo a sua frequência

ranque, podendo os mesmos não ser adequados para alguns tipos

igual à da rede elétrica) e, dessa forma, controlar o binário do mo-

de cargas (compare-se as Figs. 6 e 9). Com efeito, nos VEVs, sem

tor durante o arranque (Figura 6). Na Figura 11 apresenta-se a topo-

aumentar demasiado a corrente de arranque é possível aumentar

logia típica de um arrancador suave. O arranque com este tipo de

significativamente o binário, uma vez que se consegue controlar o

dispositivo é bastante mais suave e prolongado, do que o feito atra-

deslizamento.

vés dos arranques direto e estrela-triângulo. Ao longo do arranque, o deslizamento varia da mesma forma que o do arranque direto.

B. Motores de duas velocidades O arranque também pode ser feito de forma relativamente suave se o MI tiver dois modos de funcionamento distintos com diferentes velocidades de sincronismo. As soluções comercialmente disponíveis (mais comuns) são os MIs de duas velocidades (two-speed motors) com dois enrolamentos independentes/separados ou com enrolamentos Dahlander. Os enrolamentos separados permitem

Figura 10. Arrancadores suaves comerciais.

qualquer combinação de pares de pólos (por exemplo, 2/4, 4/8, 2/6 e 4/6) enquanto os enrolamentos Dahlander só permitem relações

Todavia, devido à elevada distorção harmónica da tensão e da

de dobro (por exemplo, 2/4 e 4/8). Os motores de enrolamentos

corrente produzida pela grande maioria dos arrancadores suaves

separados ainda são muito utilizados em elevadores residenciais,

comerciais, tanto para o motor como para a rede, não devem ser

embora sejam mais volumosos e pesados do que os de uma veloci-

utilizados para variar a tensão aplicada ao motor em regime per-

dade ou mesmo que os com enrolamentos Dahlander. Nos motores

manente, exceto se os benefícios energéticos e/ou técnicos decor-

de duas velocidades, o binário pode ser aproximadamente cons-

rentes da redução da amplitude da componente fundamental da

tante ou variável para os dois modos de funcionamento, devendo

tensão excederem largamente os aspetos negativos associados às

escolher-se a relação de binário em função da característica mecâ-

perdas do próprio dispositivo e às perdas harmónicas adicionais no

nica da carga a acionar. Nos arranques com este tipo de solução, as

motor, bem como à elevada distorção harmónica da corrente ab-

perdas no motor até se atingir a velocidade final resultam menores

sorvida. Estes dois últimos aspetos constituem a razão pela qual o

que as associadas ao arranque direto, mas maiores que as associa-

arrancador suave é “shuntado” (bypass) após o arranque. No arran-

das ao arranque com VEV.

que dos MIs podem-se também utilizar reguladores de tensão de tecnologia sinusoidal (por exemplo, os dispositivos SinuMEC).

(Continua na próxima edição)

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