Pág 1
Fundação Universidade
Federal
CONTROLE
DO MOTOR DE
de Mato Grosso do Sul
INDUÇÃO
Acionamentos Eletrônicos de Motores
Controle do motor de indução
Prof. Márcio Kimpara
Prof. João Onofre. P. Pinto
FAENG – Faculdade de Engenharias, Arquitetura e
Urbanismo e Geografia
Campo Grande – MS
Prof. Marcio Kimpara
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INDUÇÃO
Pág 2
Controle de velocidade
Do ponto de vista do acionamento, a velocidade de um
motor de indução pode ser variada das seguintes
maneiras:
• Controle da resistência do rotor
• Controle da tensão do estator
• Controle da frequência do estator
• Controle da tensão e da frequência do estator
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Pág 3
Controle dos Parâmetros da Máquina – Resistência Rotórica
Controle de Velocidade de um Motor de Indução com
Rotor Bobinado (anéis)
Métodos de variar a velocidade do motor:
– Usar Resistências Externas
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Controle dos Parâmetros da Máquina – Resistência Rotórica
• Motor de rotor bobinado
– Ajuste do circuito do rotor
– Varia Rr
3 Rr
Tem 
sin c s 
Rr
 Rs 
s

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V
2
2


  Xs  Xr


2
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Controle dos Parâmetros da Máquina – Resistência Rotórica
• Em uma maquina de rotor bobinado, uma conexão trifásica de
resistores externos pode ser feita aos anéis, como mostrado na
figura anterior.
• O torque desenvolvido pode ser variado através da variação da
resistência Rx. Esse método aumenta o torque de partida, além
de limitar a corrente de partida.
• Entretanto, é um método ineficiente e haverá desequilíbrio nas
tensões e correntes se as resistências no circuito do rotor não
forem exatamente iguais.
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Controle dos Parâmetros da Máquina – Resistência Rotórica
• Uma maquina de indução de rotor bobinado e projetada para ter
baixa resistência de rotor de tal forma que a eficiência de operação
seja elevada e o escorregamento a plena carga seja baixo.
• O controle de velocidade por variação da resistência só pode ser
efetuado em maquinas com rotores bobinados.
• Devido à disponibilidade dos enrolamentos do rotor para a
variação da resistência deste, a maquina de rotor bobinado
oferece maior flexibilidade para o controle, mas ha um aumento do
custo e necessidade de manutenção devido aos anéis e escovas
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Controle dos Parâmetros da Máquina – Resistência Rotórica
O aumento na resistência do rotor não afeta o valor do torque Maximo, mas
aumenta o escorregamento no torque Maximo. As maquinas de rotor bobinado são
amplamente utilizadas em aplicações que requerem frequentes partidas e
frenagens com torques elevados (por exemplo, guindastes).
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Controle dos Parâmetros da Máquina – Resistência Rotórica
EXERCÍCIO
• MIT – V=230v, f=60 hz (379,9911 rad/s), Rs= 0.1 ohm,
Rr=0.1 ohm, Ls=0.002 Henry, Lr=0.02 Henry.
Faça Rext variar de 0.1 a 0.5 ohm e plote a curva
torque x velocidade
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Controle dos Parâmetros da Máquina – Resistência Rotórica
• Problemas com variação da resistência rotórica:
– Sacrifício da eficiência
Pout
Rr  leva a

Pin
– Necessita de acesso ao circuito do rotor
– Faixa estreita
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Controle dos Parâmetros da Máquina – Amplitude da tensão
A magnitude da tensão da fonte poderia ser reduzida mantendo-se a
frequência constante, mas esse método é muito inconveniente porque
reduziria tanto o fluxo magnético no entreferro quanto a corrente do rotor ,
resultando em um decréscimo no torque proporcional ao quadrado da redução
da tensão, além de elevados valores de escorregamento.
Da equação do torque vê-se que ele é
proporcional ao quadrado da tensão
aplicada ao estator. Assim para um
dado torque, uma redução na tensão
produz uma diminuição na velocidade
(um aumento no escorregamento)
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Controle dos Parâmetros da Máquina – Amplitude da tensão
A tensão do estator pode ser variada
através de:
1. Controladores CA trifásicos;
2. Inversores trifásicos do tipo fonte
de tensão com interligação CC
variável;
3. Inversores trifásicos PWM.
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Controle dos Parâmetros da Máquina – Amplitude da tensão
• Implicações deste ajuste:
– Faixa estreita de variação de velocidade
– A produção do torque varia com V2
– Abaixo de uma determinada tensão o motor
pode parar.
Este tipo de acionamento não é aplicável a cargas que necessitem de
torque constante, nem elevado conjugado de partida. A faixa de ajuste de
velocidade é relativamente estreita e é feita ao custo de uma redução
significativa do torque disponível
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Controle dos Parâmetros da Máquina – Amplitude da tensão
EXEMPLO
• MIT – V=230v, f=60 hz (379,9911 rad/s), Rs= 0.1 ohm, Rr=0.1 ohm,
Ls=0.002 Henry, Lr=0.02 Henry.
Faça V variar de 100 a 300 volts e plote a curva torque x velocidade
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Controle dos Parâmetros da Máquina – Frequência da tensão
• O torque e a velocidade das maquinas de indução podem
ser controlados variando-se somente a frequência da
fonte de alimentação. Se a tensão for mantida fixa em seu
valor nominal enquanto a frequência é reduzida abaixo do
seu valor nominal, o fluxo aumentará, o que pode levar a
saturação do fluxo do entreferro.
• Assim, os parâmetros da maquina podem perder sua
validade. Em baixa frequência, as reatâncias diminuem e
a corrente da maquina pode ser muito elevada.
• Devido a estes problemas, o controle de velocidade por
frequência normalmente não é muito utilizado
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Controle dos Parâmetros da Máquina – Frequência da tensão
• Motor para em velocidades muito altas
• Problemas com saturação magnética
• Se a freqüência for aumentada acima do seu valor
nominal, o fluxo e o torque diminuem
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Controle dos Parâmetros da Máquina – Frequência da tensão
EXEMPLO
• MIT – V=230v, f=60 hz (379,9911 rad/s), Rs= 0.1 ohm, Rr=0.1 ohm,
Ls=0.002 Henry, Lr=0.02 Henry.
Faça a frequência variar de 10 a 100 Hz e plote a curva torque x
velocidade
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Controle escalar
 Se a relação entre a tensão e a
frequência for mantida constante, o fluxo
permanecerá constante. O torque Máximo,
que é independente da frequência, pode
ser mantido aproximadamente constante.
Entretanto, em baixa frequência o fluxo do
entreferro e reduzido devido à queda na
impedância do estator, tendo a tensão de
ser aumentada para manter o nível de
torque.
 Controla apenas a variação de
amplitude das variáveis de controle e
despreza efeitos de acoplamento na
máquina
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V  Controla 
f ou s  Controla Te
No entanto
ψ  f V , f 
T  f V , f 
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Características Operacionais
A tensão aplicada na bobina de um estator é dada por:
E  4,44. f .N .
[first row of matrix]
Portanto, o fluxo no entreferro é diretamente proporcional à relação
entre tensão e frequência.
V

f
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Características Operacionais
Para um desempenho adequado do motor de indução,
especialmente com respeito ao conjugado desenvolvido, o fluxo
no entreferro deve ser mantido o mais constante possível.
Assim, ao variar a frequência, a tensão aplicada também deve
[first
row of matrix]
variar para manter o fluxo magnético
constante.
Os inversores devem manter uma relação linear entre tensão e
frequência até o ponto de tensão e frequência nominais.
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Controle escalar
Caso variemos a frequência e a magnitude da tensão simultaneamente,
obteremos a seguinte família de curvas de torque pela velocidade
mecânica:
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Controle escalar
Para velocidades síncronas inferiores à velocidade base
(nominal), a frequência da fonte (idealmente senoidal) deve ser
reduzida (abaixo de 60Hz no Brasil) e para evitar a elevação do
fluxo no entreferro, que poderia resultar na saturação do material
ferromagnético, e manter o torque ( T  .iR ) constante, a
magnitude da tensão também é reduzida de maneira
proporcional:
V

f 
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Controle escalar
Para velocidades síncronas superiores à velocidade base
(nominal), a frequência da fonte deve ser elevada (acima de
60Hz). Entretanto, não é possível elevar o módulo da tensão
aplicada e o fluxo magnético no entreferro necessariamente
deverá ser reduzido:
V
 
f 
Em consequência, tem-se uma redução proporcional no torque
gerado, pois T  .iR .
Nessa região (enfraquecimento do
campo magnético), a potência mecânica é constante.
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Controle escalar
A partir do advento da
modulação PWM para
controle de máquinas
de
indução,
três
esquemas possíveis
para obtenção de
tensão e frequência
variáveis
são
apresentados ao lado:
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Acionamento do motor de indução
Inversor tipo ponte conectado a retificador
Modos de acionamento:
– Onda quadrada
– Modulação de largura de pulso (PWM)
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Controle escalar
O controle eletrônico da velocidade e torque desenvolvidos por
motores de indução trifásicos possui inúmeras aplicações em
sistemas industriais e comerciais;
O controle escalar permite um bom controle não apenas da
velocidade, mas também do torque. Para aplicações ainda mais
complexas e precisas, utiliza-se o controle vetorial (discutido nas
próximas aulas);
Esse controle consiste na mera variação da magnitude e frequência
da tensão alternada aplicada ao estator. Por isso, ele também é
denominado controle VVVF (Variable Voltage, Variable Frequency).
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Controle escalar




Performance inferior ao controle vetorial
Fácil de implementar
Amplamente usado na indústria
Vem perdendo a importância nos últimos tempos
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Controle Via Inversor Alimentado com Fonte de Tensão (VFI) - Introdução





Controle Amplitude/Frequência (Volts/Hertz) em Malha
Aberta
É o método mais popular de controle de velocidade por
causa da sua simplicidade e ao fato de máquinas de
indução serem muito usadas na indústria
Tradicionalmente MIT são alimentados a frequência
constante
Variação de frequência é a forma natural de controle de
velocidade variável
desprezando a resistência do estator, para o fluxo
permanecer constante a tensão precisa ser proporcional a
frequência (=Vs/e)
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Controle Via Inversor Alimentado com Fonte de Tensão (VFI) - Introdução
Controle volts/Hz em malha aberta:




– Método mais popular de controle de velocidade
– Frequência comanda velocidade, assumindo-se
escorregamento pequeno
– Ganho G mantém relação tensão/frequência e fluxo
constantes
– Tensão boost V0 mantém fluxo e torque até com
velocidade nula
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Controle Via VFI – Diagrama de Blocos
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Pág 30
Controle Via VFI – Diagrama de Blocos

Circuito de Potência






Retificador a diodo alimentado com rede monofásica ou
trifásica
Filtro LC
VFI PWM
Idealmente, não é necessário nenhum sinal de
realimentação para o controle
e é a variável de controle primária e é aproximadamente
igual a velocidade r, se desprezarmos a velocidade de
escorregamento sl.
A referência de tensão de fase Vs* é gerada diretamente da
referência de frequência através da multiplicação por um
fator de ganho G, de maneira que o fluxo s fique
constante
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Controle Via VFI – Diagrama de Blocos





Se a resistência do rotor e a indutância de dispersão da
máquina são desprezadas, então o fluxo do estator s
também corresponderá ao fluxo do entreferro m e ao do
rotor r.
Para baixas frequências, a resistëncia do estator tende a
absorver toda a tensão do estator, o que enfraquece o
campo
Uma tensão de “boost” V0 é somada para que que o fluxo
nominal seja estabelecido e seja possível desenvolver o
torque total em velocidade zero.
Para altas velocidades o efeito de V0 torna-se desprezível
O sinal de velocidade e* é integrado para gerar o sinal de
ângulo e*, e as tensões de fase correspondentes va*, vb* e
vc*.
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Controle Via VFI – Diagrama de Blocos





O controlador PWM é representado junto com o bloco do
inversor
Com retificadores a diodo na entrada, o inversor
necessitará um freio dinâmico, como indicado no diagrama
de blocos
A figura a seguir mostra a performance do sistema em
regime permanente no plano torque-velocidade para carga
do tipo ventilador ou bomba (TL=Kr2)
A medida que a frequência é aumentada gradualmente, a
velocidade também aumenta proporcionalmente, como
indica nos pontos 1, 2, 3, 4, ...
A operação pode suavemente entrar na região de campo
enfraquecido, onde a tensão de alimentação satura.
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Controle Via VFI – Diagrama de Blocos
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Pág 34
Controle Via VFI – Diagrama de Blocos

Efeito das variações de torque de carga e tensão da rede
 Se o sistema estiver inicialmente operando no ponto 3 e o
torque é aumentado para TL’ para a mesma frequência de
comando, a velocidade irá cair de r para r’. Esta queda é
pequena, principalmente para máquinas de alta eficiência
(baixo escorregamento) e é tolerada para aplicações do
tipo ventiladores, e bombas, onde a precisão no controle
de velocidade não é necessária.
 Assuma agora que o a operação esteja no ponto a da
curva torque-velocidade. Se a tensão da rede cair, então a
tensão nos terminais da máquina também cairão. A
velocidade então cairá para o ponto b.
 Melhoria do controle em malha aberta pode ser feita
utilizado um estimador de escorregamento, e somando o
valor estimado ao comando de frequência.
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Controle Via VFI – Diagrama de Blocos

Se a frequência de comando muda abruptamente por um
quantidade pequena, o escorregamento mudará também para
mudar o torque desenvolvido, mas a velocidade tenderá a
permanecer constante devido a inércia da máquina
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Pág 36
Controle Via VFI – Performance do sistema




Uma performance típica de um sistema de controle
Volts/Hertz em malha aberta de um motor de indução, em
condições de aceleração e desaceleração com torque de
carga TL=Kr2 é mostrado na figura a seguir.
O efeito do acoplamento inerente da máquina faz a resposta
do torque ser lenta.
Há um subamortecimento nas respostas de torque, o qual é
maior para baixas frequências
Tais oscilações são filtradas pela inércia e portanto não
aparecem na velocidade
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Controle Via VFI – Performance do sistema
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Pág 38
Sistema de controle com velocidade variável


Uma aplicação típica de MIT é carga tipo bomba para
controle de fluxo de fluído.
Forma de controle tradicional:


Motor opera a velocidade constante e uma válvula controla o
fluxo do fluído;
A vazão é controlada pela abertura e fechamento parcial da
válvula instalada em série com a bomba;
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Pág 39
Sistema de controle com velocidade variável

A figura abaixo mostra uma sucessão de pontos de operação de
uma bomba para uma família de curvas do sistema gerada pelo
fechamento progressivo de uma válvula de estrangulamento. Notase que a medida que a válvula é fechada, a vazão do sistema vai
sendo reduzida (Q1 para Q4)
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Sistema de controle com velocidade variável

Forma de controle com velocidade variável:





A velocidade do ventilador ou bomba é controlada para
controlar o fluxo, e a válvula opera completamente aberta
sempre.
Consumo é reduzido drasticamente
Rápido retorno do investimento
Aumento do lucro
Diminui a demanda, o que implica em contribuir para a
proteção ambiental
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Sistema de controle com velocidade variável
Para uma determinada vazão menor
que a vazão nominal de projeto, a
linha vertical indica dois valores de
pressão distintos. O primeiro ponto
(A) se refere à pressão que a bomba
deve
fornecer
ao
sistema
estrangulado para estabilizar na
vazão desejada. O segundo ponto
(B) indica qual seria a pressão
necessária para estabelecer a
mesma vazão sem estrangular a
curva do sistema. A diferença de
pressão entre estes dois pontos
indica o excesso de pressão que a
bomba deve fornecer. Esse excesso
é dissipado na válvula, tornando-se
uma parcela adicional de perdas.
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Sistema de controle com velocidade variável
O uso da válvula de estrangulamento possibilita um
controle preciso da vazão do sistema, porém com um
grande desperdício de energia. O uso do acionamento
eletrônico permite uma precisão ainda maior do controle
de vazão, aliada a uma significativa economia de energia.
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Controle via VFI – Controle de velocidade em Malha Fechada

Uma melhoria do controle Volts/Hertz em malha aberta, é o
controle Volts/Hertz em malha fechada
Regulação de
escorregamento
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Controle Via VFI – Controle com Regulação de Escorregamento



Nesta técnica, o erro do laço de velocidade gera a
referência de escorrregamento sl* via o controlador
Proposcional-Integral (PI) e um limitador.
O escorregamento é somado ao sinal de realimentação de
velocidade para gerar o comando de frequência.
O comando de frequência e* também gera o comando de
tensão através de um gerador de função Volts/Hertz, o qual
incorpora a compensação à queda de tensão estatórica em
baixa velocidade
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Simulação – Controle escalar malha aberta
Implementação no Matlab/Simulink.
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Pág 46
Simulação – Controle escalar malha aberta
Note que o controle
em malha aberta
apresenta
uma
resposta
razoável,
principalmente para
torque de carga
baixo (neste caso
proporcional
à
velocidade).
Para
torque de carga
elevado,
a
velocidade começa a
apresentar erro de
regime mais visível.
Forma de onda da velocidade. Comparação entre velocidade de referência
(amarelo) e a velocidade de saída (magenta)
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Simulação – Controle escalar malha aberta
Forma de onda na saída do inversor, evidenciando que a frequência e
amplitude da tensão são ajustadas de acordo com a velocidade requerida
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Simulação – Controle escalar com regulação de escorregamento
Implementação no Matlab/Simulink.
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Simulação – Controle escalar com regulação de escorregamento
Note que, para o
mesmo perfil de
velocidade, a malha
fechada
pela
regulação
do
escorregamento
corrigiu o erro de
regime apresentado
na
simulação
anterior.,
em
situação de torque
de carga elevado
(velocidade alta).
Forma de onda da velocidade. Comparação entre velocidade de referência
(amarelo) e a velocidade de saída (magenta)
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Problemas do Controle Escalar de Motores de Indução
 Inerentemente acoplado: tanto torque quanto o fluxo
dependem da tensão e da frequência
 Resposta lenta
 Comportamento não-linear
 Facilmente instabilizável
Alternativa: Controle vetorial
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