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Controle escalar do motor de indução trifásico

O controle eletrônico da velocidade e torque desenvolvidos por motores de indução trifásicos possui inúmeras aplicações em sistemas industriais e comerciais. Estudos promissores estão em desenvolvimento para a aplicação dessa tecnologia também em motores de indução monofásicos (aplicações residenciais) para a substituição de componentes mecânicos que reduzem a confiabilidade desses motores como a chave centrífuga e o capacitor de partida.

Fato desconhecido por muitos profissionais da área, o controle do torque desenvolvido pelo motor aumenta a eficiência energética; principalmente, em bombas centrífugas e ventiladores, em que o torque da carga é proporcional ao quadrado da velocidade e a potência elétrica utilizada, ao cubo da velocidade.

O controle escalar é muito utilizado em motores de indução trifásicos de rotor do tipo gaiola de esquilo devido sua facilidade de implementação, confiabilidade e custo do sistema.

Parâmetros do motor de indução trifásico (MIT)

Para compreendermos os princípios do controle de velocidade e torque do motor de indução trifásico, é necessário o conhecimento das equações essenciais dessa máquina. As seguintes equações proporcionam apenas o entendimento básico do motor de indução trifásico: na prática, essas relações exigem uma modelagem matemática muito mais complexa e nem sempre exata (fatores de correção, modelagem por elementos finitos, etc.).

Velocidade síncrona ()

A velocidade síncrona se refere à velocidade de rotação do fluxo magnético resultante gerado pelos enrolamentos do estator. Portanto, a velocidade síncrona não se refere a uma grandeza mecânica:

Dado que o número de pólos (P) da máquina é constante, pode-se variar a velocidade síncrona  pela variação da frequência da tensão alternada aplicada ao estator.

Velocidade mecânica ()

A velocidade mecânica do eixo (rotor) do motor de indução trifásico é dado por:

Sendo o escorregamento s definido por:

Fluxo magnético ()

O fluxo no entreferro do motor de indução trifásico é proporcional à tensão no estator e inversamente proporcional à frequência:

Portanto, o fluxo magnético pode ser alterado das seguintes maneiras:

  • reduzido pelo decréscimo da magnitude da tensão ou elevação da frequência,
  • mantido constante por uma variação proporcional da tensão e frequência,
  • ou elevado com a redução da frequência da tensão alternada aplicada ao estator.
Lembre-se que a magnitude da tensão aplicada ao estator do MIT não pode ser superior à tensão nominal da máquina!

Torque

Para o torque desenvolvido pelo motor, temos a seguinte relação:

,

Sendo , a corrente induzida no rotor.

Potência

Por fim, temos que a potência mecânica de saída é proporcional à velocidade e ao torque:

Controle escalar

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 de fluxo vetorial (discutido em outros artigos).

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).

Variação da frequência e tensão

Caso variemos a frequência e a magnitude da tensão simultaneamente, obteremos a seguinte família de curvas de torque (percentual) pela velocidade mecânica:

Todas as figuras deste artigo foram retiradas do livro Practical Variable Speed Drives and Power Electronics, do autor Malcolm Bates. Como todos os livros dessa coleção, há uma abordagem leviana sobre o tema. Caso aspire um bom livro de máquinas, consulte um dos seguintes livros: Electric Machinery Fundamentals, de Stephen Chapman; Electric Machinery and Transformers, Guru e Hiziroglu, ou Analysis of Electric Machinery and Drive Systems, Paul C. Krase.

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 () constante, a magnitude da tensão também é reduzida de maneira proporcional:

A grande inconveniência na redução da velocidade é a redução na refrigeração de motores com ventilador acoplado ao eixo, devendo a potência desenvolvida ser reduzida nesses casos para evitar um sobreaquecimento que poderia danificar permanentemente o isolamento elétrico dos condutores. Essa faixa de operação corresponde à área sobreada do gráfico abaixo.

Nessa região, podemos obter uma relevante economia de energia elétrica em muitas aplicações, pois a potência mecânica pode variar de 0 W até a potência nominal :

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:

Em consequência, tem-se uma redução proporcional no torque gerado, pois . Nessa região (enfraquecimento do campo magnético), a potência mecânica é constante.

Variação 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 (de para ):

Dado que , teríamos como consequência grandes variações de velocidade mecânica em função da carga acoplada ao eixo. Ou seja, sua aplicação se restringe ao acionamento suave do motor de indução trifásico (com baixo torque de partida)

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