Corrente, potência e torque em variadores de velocidade

O comportamento da corrente e potência em um sistema de acionamento de velocidade variável nem sempre é bem compreendido pelos usuários, especialmente a questão de como as correntes de entrada e saída do inversor mudam conforme a velocidade do eixo do motor e a carga mudam. Neste blog, analisamos o comportamento básico dos variadores de velocidade para esclarecer como esses valores se relacionam. Isso ajuda a entender o comportamento do sistema e a levar em consideração os efeitos da variação do serviço no consumo de energia e na classificação de potência dos componentes principais. Analisamos brevemente os inversores DC (retificador controlado) e inversores CA, pois existem algumas diferenças interessantes.

Corrente do motor

O torque produzido por um motor elétrico sempre pode ser considerado como o produto do fluxo magnético que atua nos condutores de corrente. Para um dado nível de fluxo do motor, o torque é uma função direta da corrente que liga o fluxo.

Ignorando os efeitos de segunda ordem, podemos resumir isso para motores CC e CA:

• Em uma máquina CC, o fluxo é definido pela corrente do enrolamento de excitação (campo) e o torque é o produto do fluxo pela corrente da armadura.
• Em um motor CA sem ímã permanente, a amplitude do fluxo é definida pela razão entre a tensão aplicada e a frequência. O torque é o produto do fluxo e da corrente produtora de torque, ou seja, o componente da corrente que está em fase com a tensão.

Em motores CC e motores de indução CA, a corrente de magnetização é geralmente constante, independentemente do torque, a menos que um controle especial de economia de energia seja aplicado com torque reduzido. Para um motor de indução pequeno, a corrente de magnetização pode ser uma proporção considerável (por exemplo, 70%) da corrente nominal. É uma vantagem de um motor de ímã permanente que não é necessária nenhuma corrente de magnetização, de modo que as perdas associadas a esta corrente são evitadas.

A Figura 1 mostra uma variação típica da corrente do motor (normalizada) com torque, para um motor de indução com tensão de alimentação fixa. A variação com a velocidade é insignificante.

Potência do motor

A potência no eixo é dada pelo produto do torque pela velocidade.

Se ignorarmos as perdas, então a entrada de energia elétrica é dada, para uma máquina DC pelo produto da tensão DC e corrente, e para uma máquina AC pelo produto do r.m.s. tensão e a componente da corrente em fase com a tensão, uma vez que a corrente geralmente está atrasada em relação à tensão em fase.

Para uma primeira aproximação, a corrente depende do torque e da tensão na velocidade. A potência de entrada é semelhante à potência de saída, exceto pelas perdas, que na potência nominal geralmente estão na faixa de 5% a 20% da potência nominal.

Correntes e potência de acionamento

Como os inversores usam dispositivos de comutação com perda de potência mínima, em torno de 2%, a potência de entrada deve ser muito próxima da potência de saída. O comportamento da corrente de entrada do drive é um pouco menos óbvio.

A Figura 2 mostra os elementos essenciais de um retificador de armadura de acionamento CC.



Os tiristores permitem que a tensão de saída seja regulada para controlar o torque e a velocidade do motor. Observe que há continuidade entre as fases de entrada e saída, sem caminhos alternativos de corrente, como capacitores ou conexões compartilhadas. Exceto durante o breve intervalo de sobreposição, apenas dois tiristores conduzem a qualquer momento, de modo que a corrente de carga sempre deve fluir nas fases de entrada, a menos que um diodo de roda livre seja instalado.

Inversor CC – saída

A corrente na saída de um inversor CC é a corrente de armadura do motor, que é proporcional ao torque. Há um pequeno conversor adicional para abastecer o campo.

Inversor CC – entrada

Se observarmos agora como a corrente de entrada é afetada pela operação do motor, veremos que a magnitude da corrente de entrada é diretamente proporcional ao torque em uma relação muito simples. Se a ondulação atual puder ser ignorada, então . Isso é independente da velocidade ou tensão de saída[1].

Como então a potência de entrada pode variar para igualar a saída, se a corrente e a tensão de entrada são independentes da velocidade? A resposta é que o fator de potência de entrada muda, pois quando o retificador é defasado (ângulo de disparo maior que 0°) a corrente de entrada está atrasada em relação à tensão de alimentação em fase. No extremo, se o motor está parado mas entregando torque nominal, então a potência do eixo é zero, a corrente de entrada ainda está em seu valor nominal, mas com um atraso de fase que seria de 90° se não fossem as perdas. Isso pode ser uma séria desvantagem dos inversores CC e é a razão pela qual grandes inversores CC são frequentemente usados ​​com capacitores de correção do fator de potência.

Inversor CA – saída

A corrente de saída do conversor CA é a corrente do motor, que, como vimos, compreende um componente produtor de torque e um componente magnetizador, sendo este último fornecido pelo conversor independentemente do torque necessário. A corrente no estágio do inversor, que representa grande parte do custo de material do acionamento, é, portanto, uma função do torque de saída juntamente com um componente fixo. É pouco afetado pela velocidade.

Inversor CA – entrada

A Figura 3 mostra os elementos essenciais de um inversor CA.



As pernas trifásicas do inversor são conectadas ao mesmo circuito de barramento CC, que é fornecido pelo retificador. A presença desta conexão comum significa que quando a tensão de saída do inversor é menor que seu valor máximo, ou seja, em uma velocidade menor que a velocidade base, a corrente de saída circula parcialmente entre as pernas de fase do inversor. O mesmo se aplica à parte reativa da corrente de saída. O barramento CC só precisa fornecer a potência real exigida pelo motor, ou seja, o produto da tensão de saída e a parte real (ativa) da corrente. A tensão CC é fixada pela tensão de alimentação, de modo que a corrente CC varia proporcionalmente à potência ou à velocidade se o torque for constante.

A corrente de entrada do retificador reflete a corrente do barramento CC. A potência de entrada é praticamente a mesma do barramento CC, pois a perda do retificador é desprezível. O r.m.s. O valor da corrente é bem maior do que seria esperado para a potência, porque a forma de onda não é senoidal, ou seja, a corrente contém harmônicos. À medida que a corrente aumenta, os harmônicos tornam-se proporcionalmente menores devido ao efeito de suavização das bobinas de suavização ou redução de harmônicos. Na potência de carga nominal, o r.m.s. a corrente de entrada é muitas vezes muito próxima da r.m.s. corrente de saída, e isso pode levar os usuários a supor que eles são os mesmos. No entanto, isso é apenas uma coincidência, com motores típicos com fator de potência de cerca de 0,85 e inversores típicos com fator de distorção de cerca de 0,85. Em velocidade reduzida, as duas correntes tornam-se completamente diferentes.

Para resumir, a Figura 4 mostra como a corrente de entrada e saída de um inversor de frequência típico varia conforme a velocidade e o torque variam. Todas as quantidades são normalizadas para que o valor nominal ou base seja 1,0.



Existe apenas uma única linha para a corrente de saída, pois ela dificilmente varia com a velocidade. A corrente de entrada aumenta em função do produto de torque e velocidade, mas com inclinação decrescente à medida que o efeito das bobinas se torna mais pronunciado à medida que a corrente nominal se aproxima, melhorando o fator de potência pela redução dos harmônicos de corrente. Há uma pequena perda fixa e alguma perda variando com o torque, como visto na linha para velocidade zero, causada principalmente pela perda resistiva nos enrolamentos do motor.

Direção do torque e velocidade – regeneração

Para simplificar, a discussão acima foi aplicada a situações de quadrante único. Se o torque e/ou a velocidade puderem reverter, alguns fatores adicionais devem ser levados em consideração.

Para inversores CC, uma aplicação de quatro quadrantes requer duas pontes de tiristores para permitir a corrente CC bidirecional. O comportamento da corrente de entrada à medida que a direção de rotação se inverte é uma continuação do caso de quadrante único, o fator de potência passando por zero na velocidade zero e depois subindo de volta para o máximo de cerca de 0,82, mas com a fase da parte real invertida dando invertido fluxo de energia.

Para conversores de frequência, o retificador não controlado não pode retornar a alimentação à rede elétrica. O inversor é naturalmente regenerativo, portanto, com uma carga de revisão, o barramento CC recebe a energia devolvida e é necessário um circuito de frenagem resistiva para evitar um desarme por sobretensão. A corrente de entrada é então zero.

Podemos resumir todos os itens acima em um gráfico, conforme mostrado na Figura 5.  Isso se aplica a uma carga de torque constante (bastante teórica), ou seja, aquela em que o torque é constante em toda a faixa de velocidade de -100% a +100%. Na prática, isso ocorre com um elevador ou talha carregando uma carga fixa e onde a aceleração é baixa o suficiente para ignorarmos a força necessária para acelerar a carga. Em outras palavras, variamos a velocidade lentamente.



Na Figura 5, começamos na velocidade máxima. Para inversores CC e CA, a corrente de entrada é de cerca de 100%. Agora começamos a reduzir a velocidade. Para o drive DC a magnitude da corrente de entrada permanece inalterada, e só podemos dizer que a velocidade está caindo se observarmos seu componente ativo (em fase com a tensão). Para o inversor de CA, a corrente de entrada cai, não muito proporcionalmente à velocidade.

A uma velocidade de zero, a corrente de entrada do inversor CC ainda está ligeiramente acima de 100%. Seu ângulo de fase é de aproximadamente -90°, sendo a única parte ativa da corrente causada pelas perdas de potência, já que a potência do eixo é zero. A corrente de entrada do inversor de CA é muito baixa, fornecendo apenas as perdas de energia. O fator de potência é bastante baixo porque as bobinas de suavização têm pouco efeito em uma corrente tão baixa - mas isso não tem importância prática, pois a corrente é muito menor que o valor nominal.

Em velocidades negativas, a corrente de entrada do inversor CC ainda está em seu valor nominal, mas a parte real tornou-se negativa, então o inversor está retornando energia regenerada para a rede elétrica, com um fator de potência bastante baixo. O inversor de CA tem uma corrente de zero, porque o retificador de entrada foi bloqueado e a perda de potência do inversor está sendo fornecida pela energia regenerada da carga. Qualquer energia sobressalente deve ser dissipada no resistor de frenagem.