Dominando Corrente, Potência e Torque em Acionamentos de Velocidade Variável

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 acionamento mudam à medida que a velocidade do eixo do motor e a carga mudam. Neste blog, olhamos para o comportamento básico de acionamentos de velocidade variável para esclarecer como esses valores se relacionam. Isso ajuda a entender o comportamento do sistema e a fazer allowances para os efeitos de ciclos de trabalho variados no consumo de energia e na classificação de potência dos componentes principais. Olhamos brevemente para acionamentos CC (retificador controlado) assim como acionamentos inversores CA, já que existem algumas diferenças interessantes.

Corrente do motor

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

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

• Em uma máquina CC, o fluxo é definido pela corrente de excitação (campo) do enrolamento, e o torque é o produto do fluxo e da corrente de 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 de 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 em torque reduzido. Para um pequeno motor de indução, a corrente de magnetização pode ser uma proporção considerável (ex: 70%) da corrente nominal. É um benefício de um motor de ímã permanente que nenhuma corrente de magnetização é necessária, então 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 velocidade é insignificante.

Potência do motor

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

Se ignorarmos perdas, então a potência elétrica de entrada é dada, para uma máquina CC, pelo produto da tensão e corrente CC, e para uma máquina CA, pelo produto da tensão r.m.s. e o componente de corrente em fase com a tensão, já que a corrente geralmente defasa a tensão em fase.

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

Correntes e potência do acionamento

Como acionamentos usam dispositivos de comutação com perda de potência mínima, cerca de 2%, a potência de entrada tem que ser muito próxima da potência de saída. O comportamento da corrente de entrada do acionamento 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 velocidade do motor. Note que há continuidade entre as fases de entrada e a saída, sem caminhos de corrente alternativos, como capacitores ou conexões compartilhadas. Exceto durante o breve intervalo de sobreposição, apenas dois tiristores conduzem a qualquer momento, então a corrente de carga sempre tem que fluir nas fases de entrada, a menos que um diodo de roda livre seja instalado.

Acionamento CC – saída

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

Acionamento CC – entrada

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

Como então a potência de entrada pode variar para corresponder à saída, se a corrente e tensão de entrada são independentes da velocidade? A resposta é que o fator de potência de entrada muda, já que quando o retificador é recuado (ângulo de disparo maior que 0°), a corrente de entrada defasa a 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 defasamento de fase que seria 90° não fosse pelas perdas. Isso pode ser uma desvantagem bastante séria de acionamentos CC, e é a razão pela qual grandes acionamentos CC são frequentemente usados com capacitores de correção de fator de potência.

Acionamento CA – saída

A corrente de saída do acionamento CA é a corrente do motor, que, como vimos, compreende um componente produtor de torque e um componente de magnetização, este último sendo suprido pelo acionamento independentemente do torque requerido. A corrente no estágio inversor, que responde por uma grande parte do custo de material do acionamento, é, portanto, uma função do torque de saída junto com um componente fixo. É dificilmente afetada pela velocidade.

Acionamento CA – entrada

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

As três pernas de fase do inversor estão conectadas ao mesmo circuito de barramento CC, que é suprido 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 tem que suprir a potência real requerida 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, então a corrente CC varia em proporção 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 que a potência do barramento CC, já que a perda do retificador é insignificante. O valor r.m.s. da corrente é um pouco 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 se tornam proporcionalmente menores devido ao efeito suavizador dos chokes de suavização ou redução de harmônicos. Na potência de carga nominal, a corrente de entrada r.m.s. é frequentemente bem próxima da corrente de saída r.m.s., e isso pode levar usuários a assumir que são as mesmas. No entanto, isso é realmente apenas uma coincidência, com motores típicos tendo fator de potência de cerca de 0,85, e acionamentos típicos tendo fator de distorção cerca de 0,85. Em velocidade reduzida, as duas correntes se tornam completamente diferentes.

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

Há apenas uma única linha para a corrente de saída, pois ela varia pouco com a velocidade. A corrente de entrada aumenta como função do produto de torque e velocidade, mas com inclinação decrescente à medida que o efeito dos chokes se torna mais pronunciado à medida que a corrente nominal é abordada, melhorando o fator de potência reduzindo os harmônicos de corrente. Há uma pequena perda fixa e alguma perda variando com torque, como visto na linha para velocidade zero, causada principalmente por perda resistiva nos enrolamentos do motor.

Direção do torque e velocidade – regeneração

Para simplicidade, a discussão acima se aplicou a situações de quadrante único. Se o torque e/ou a velocidade podem reverter, então alguns fatores adicionais devem ser levados em conta.

Para acionamentos CC, uma aplicação de quatro quadrantes requer duas pontes de tiristores para permitir a corrente CC bidirecional. O comportamento da corrente de entrada conforme a direção de rotação reverte é uma continuação do caso de quadrante único, o fator de potência passando por zero na velocidade zero e então subindo de volta em direção ao máximo de cerca de 0,82, mas com a fase da parte real revertida, dando fluxo de potência revertido.

Para acionamentos CA, o retificador não controlado não pode retornar potência para a rede de alimentação. O inversor é naturalmente regenerativo, então com uma carga de sobrevelocidade, o barramento CC recebe a potência retornada, e um circuito de frenagem resistivo é necessário para evitar uma viagem de sobretensão. A corrente de entrada é então zero.

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

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

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

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