Métodos de controle de velocidade de vários tipos de motores com controle de velocidade

Kazuya Shirahata

A Oriental Motor Co., Ltd. oferece uma ampla variedade de motores de controle de velocidade. Nossos pacotes de motores de controle de velocidade incluem o motor, o driver (controlador) e um potenciômetro que facilita o ajuste do controle de velocidade. Há três grupos de produtos para motores de controle de velocidade. A "unidade de Motor CA com controle de velocidade" que usa o motor de indução mais popular acionado por capacitor monofásico, a "unidade de motor sem escova CC " pequena e altamente eficiente e inversor, que combina um motor de indução trifásico com um pequeno inversor. Este artigo explica a estrutura, o princípio do controle de velocidade e os recursos de cada grupo de produtos, e os nossos produtos padronizados são apresentados.

Introdução

Um grande número de motores é usado para finalidades gerais de equipamentos domésticos a equipamentos industriais. O motor elétrico hoje em dia um recurso indispensável ponte força em muitas industrias. A função e o desempenho proprietário desses motores são muito abrangentes. Focando a atenção no segmento do mercado de motores com controle de velocidade, os servomotores e motores de passo controlam sua velocidade por trem de pulsos, enquanto o motor de indução e o motor sem escova CC controlam a velocidade com um resistor externo e/ou alimentaçõ CC. Este artigo explica a estrutura, o princípio de controle da velocidade e os recursos dos três seguintes grupos de produtos que podem controlar a velocidade de forma relativamente fácil usando uma entrada analógica.

  • Motor CA com controle de velocidade e redutor
  • Motor sem escova CC
  • Inversor

Métodos de controle de velocidade de vários motores com controle de velocidade

O método de controle de saída de um circuito com controle de velocidade pode ser dividido aproximadamente em dois grupos: controle de fase e controle inversor, que formam os grupos de produtos exibidos na Fig. 1.

Classificação dos motores com controle de velocidade

Estrutura do motor

Conforme exibido na Fig. 2, a estrutura de motores de indução monofásicos ou trifásicos inclui um estator no qual a bobina principal é enrolada, e um rotor de alumínio sólido fundido em forma de cesto. O rotor é de baixo custo porque a estrutura é simples e não usa um ímã.

Estrutura do motor de indução

Quando a velocidade desse motor precisa ser controlada, um tacogerador é usado para detectá-la e é conectado ao motor, conforme exibido na Fig. 3. O tacogerador é composto de um ímã conectado diretamente ao eixo do motor e a uma bobina do estator que detecta os polos magnéticos, e gera uma tensão CA a 12 ciclos por volta. Como esse aumento de tensão e frequência com um aumento da velocidade rotacional, a velocidade rotacional do motor é controlada com base nesse sinal.

Sistema de Motor CA com controle de velocidade

Princípio do controle de velocidade

A velocidade rotacional N de um motor de indução pode ser exibida pela expressão (1). Quando a tensão aplicada ao motor é aumentada e diminuída, o erro s é alterado, e a velocidade rotacional N muda.

N= 120·f ·(1-s)/P · · · · · · · · · · (1)

N: Velocidade rotacional [rpm]

F: Frequência 〔Hz〕

P: Número de polos de um motor

S: erro

No caso de um motor de indução, conforme exibido na Fig. 4, há uma faixa estável e uma faixa instável na Velocidade rotacional - Curva de torque. Como é impossível operar de forma confiável na faixa instável, o controle de tensão simples (controle de circuito aberto) se limita a controlar a velocidade em uma faixa estreita N1~N3 na Fig. 5. Para possibilitar a operação com segurança mesmo na faixa instável acima mencionada, é necessário detectar a velocidade rotacional do motor e usar um mecanismo de controle da tensão (controle em circuito fechado) que reduz o erro de velocidade quando comparado com um valor conjunto.

Controle de tensão simples

Os métodos de controle de tensão disponíveis incluem controle por um transformador ou por um controle de fase. A Fig. 6 exibe quando a tensão é controlada com o uso de um transformador. Esse método não é tão facilmente feito com um motor CA com controle de velocidade. Como alternativa, a tensão CA pode ser ajustada definindo o tempo de ON/OFF de cada meio ciclo da tensão CA (50 ou 60 Hz) aplicada ao motor usando um elemento de comutação (tiristor ou triac) que pode ligar e desligar diretamente a tensão CA, conforme exibido na Fig. 7 e Fig. 8. O controle de velocidade é obtido pelo método de controle de fase, controlando o valor r.m.s. da tensão CA.

Esse método de controle de velocidade CA pode fornecer controle de velocidade constante pelo controle de fase de circuito fechado mesmo na faixa instável. A Fig. 9 exibe a configuração do sistema de controle de velocidade de um motor CA com controle da velocidade no fluxograma.

A Fig. 10 exibe as formas de onda de cada bloco. O valor definido de velocidade d e a tensão detectada e da velocidade gerada por um tacogerador é comparado no bloco de comparação ampliada. Então, o nível do sinal da tensão de a é determinado. O sinal de tensão a é baixo quando o valor detectado da velocidade em relação ao valor definido de velocidade sobe, e é maior quando o valor do conjunto de velocidade diminui. Como o gatilho é enviado ao ponto em que a onda triangular b cruza com o sinal de tensão a, o tempo (ângulo de fase) quando o triac é ligado com um nível do sinal de tensão a determinado. Quando essa sincronização é lenta, a tensão aplicada ao motor se torna baixa e a velocidade rotacional do motor diminui. A velocidade rotacional reduzida é retroalimentada e o controle é repetido para que a diferença entre o valor detectado da velocidade e o valor definido da velocidade possa ser sempre constante. A Fig. 11 exibe a aparência do controle de velocidade acima mencionado. Na Fig. 11, o ponto de operação do motor desenha um loop Q-R-S-T-Q centralizado em O, e a velocidade rotacional é mantida entre N1 e N2. Esse loop é reduzido tanto quanto possível por meio do aumento da precisão da velocidade detectada.

O motor CA com controle de velocidade tem as seguintes características ao usar esse controle de fase de circuito fechado. 1) Como a tensão CA é controlada diretamente, o circuito do controle de velocidade pode ser configurado simplesmente porque um circuito de uniformização é desnecessário, permitindo um design compacto a um preço baixo. 2) Do mesmo modo, um design de longa duração é possível porque um grande capacitor eletrolítico de alumínio é desnecessário. 3) A comutação é operada apenas uma vez a cada meio ciclo da alimentação CA comercial, que mantém baixo o ruído gerado.

Características

Os motores de controle com velocidade do motor CA geralmente têm as características de velocidade-torque rotacional exibidos na Fig. 12.

Uma "linha de operação segura" está incluída na Fig. 12. A "linha de operação segura" representa a limitação onde o motor pode atuar em serviço contínuo sem exceder a temperatura máxima permitida.

Unidade de controle de velocidade CC sem escovas

Estrutura do motor

Para a estrutura de um motor sem escovas, uma bobina tem a configuração Y com três fases: U, V e W. Situado no estator, o rotor é feito de ímãs em uma configuração de polos múltiplos, conforme exibido na Fig. 14. No interior do estator, três sensores halls IC dispostos como elementos magnéticos para que a diferença de fase do sinal de saída de cada sensor hall IC seja de 120 graus de distância para cada rotação do rotor.

Princípio do controle de velocidade

Conforme exibido na Fig. 15, as características de velocidade-torque rotacional de um motor sem escova CC mostram uma característica de inclinação negativa quando sua velocidade não é controlada, o que é semelhante à de um motor com escovas CC.

Quando nenhuma carga for aplicada e a tensão de entrada for definida em V2 na Figura 15, o ponto de operação do motor torna-se P, e a velocidade rotacional é N1. Quando o torque de carga T1 for aplicado, o ponto de funcionamento se desloca para Q, e a velocidade rotacional diminui para N2, entretanto, a velocidade rotacional retorna a N1 se a tensão for aumentada para V3. Portanto, como a velocidade rotacional é alterada quando o torque de carga for alterado, o mecanismo de controle de velocidade terá apenas de alterar a tensão de entrada quando uma alteração na velocidade for vista para manter uma velocidade constante na linha PR. Esse controle de tensão é realizado por um inversor na parte de saída do circuito de controle (driver). Esse inversor gera uma tensão trifásica CA de corrente contínua ON e OFF como a sequência exibida na Fig. 16 (b) usando os seis elementos de comutação (FET ou IGBT) exibidos na Fig. 16 (a).

Parte de saída do circuito de controle

Sequência de comutação

Os elementos de comutação são conectados à bobina do motor, conforme exibido na Fig. 16 (a), e o estado ON/OFF do elemento de comutação determina qual bobina do estator é energizada e em que direção a corrente fluirá, isto é, se a bobina se torna um polo N ou polo S. De fato, a posição do polo magnético do rotor é detectada pelo hall CI, e um elemento de comutação apropriado é ON ou OFF conforme exibido na Fig. 16 (b). Por exemplo, no caso da etapa 1, os transistores Tr1 e Tr6 estão ON e a corrente flui da fase U para a fase W. Nesse momento, a fase U é excitada como um polo N e a fase W torna-se um polo S, e o rotor gira em 30 graus passando para a etapa 2. Uma rotação do rotor é feita repetindo essa operação 12 vezes (Etapa 1 ~ 12). A Fig. 17 exibe a configuração do controle de velocidade de uma unidade de motor sem escova CC no fluxograma.

Fluxograma de um sistema de motor sem escovas CC

A sequência de comutação do inversor é decidida pelo sinal do sensor hall IC na parte de detecção de posição do fluxograma, e o motor gira. Em seguida, o sinal do sensor hall IC é enviado para o detector de velocidade para gerar um sinal de velocidade, e é comparado com o sinal de ajuste de velocidade no amplificador de comparação, que gera então um sinal de desvio. O valor da corrente de entrada do motor é determinado pelo bloco de configuração PWM com base no sinal de desvio. As unidades de motor sem escovas CC têm estas características:

  1. Alta eficiência porque um rotor de ímã permanente é usado e a perda secundária é pequena.
  2. A inércia do rotor pode ser reduzida, e uma resposta de alta velocidade é obtida.
  3. É possível reduzir o tamanho do motor porque é altamente eficiente.
  4. As flutuações de velocidade com alteração das cargas são baixas.

A Fig. 16 exibe uma sequência típica de comutação (método de energização de 120 graus). Um sistema de motor sem escova CC ainda mais eficiente usa um método de acionamento de onda senoidal obtendo informações de alta resolução da posição do rotor no software a partir do sinal do sensor hall IC. Esse método resulta em um método de acionamento de baixo ruído, pois a corrente que flui para o motor não muda rapidamente. (2)

Características

As características de velocidade-torque rotacional de um sistema de motor sem escova CC têm uma região de trabalho limitada além da área de operação contínua. A área de operação de função limitada é muito eficaz ao iniciar uma carga de inércia. Entretanto, quando a operação na região de trabalho limitada é prorrogada por mais cinco segundos ou mais, a função de proteção de sobrecarga do driver é ativada e o motor desacelera até parar.

Unidade de controle da velocidade do inversor

Princípio do controle de velocidade

A unidade inversora controla a velocidade de um motor de indução trifásico alterando a frequência, f, da tensão aplicada ao motor. A unidade inversora altera a frequência, f, alterando o ciclo ON/OFF dos seis elementos de comutação, e a velocidade rotacional (N) do motor é alterada proporcionalmente à expressão na fórmula (1).

N = 120·f ·(1-s)/P·· · · · · · · · · (1)

N: Velocidade rotacional [r/min.]

F: Frequência [ Hz ]

P: Número de polos de um motor

S: Erro

Além disso, para gerar a tensão aplicada à bobina em uma forma de onda sinusoidal, o inversor controla o ciclo da função ON/OFF conforme exibido na

Fig. 21. O tempo ON/OFF é controlado para que a tensão média aplicada ao motor gere uma forma de onda sinusoidal comparando a onda triangular denominada sinal portador com o sinal em forma de onda sinusoidal. Esse método é denominado controle PWM.

O método de controle de velocidade das nossas unidades inversoras é dividido em dois tipos: controle de circuito aberto que simplesmente altera o controle de velocidade e de circuito fechado que reduz a variação da velocidade com alterações na carga do motor. 1) Controle de circuito aberto A Fig. 22 exibe uma configuração do controle de ciclo aberto em um diagrama de blocos.

Esse método é usado para alterar a tensão de entrada e a frequência do motor de acordo com a frequência definida. Esse método é adequado para alteração de velocidade e pode obter altas velocidades (a frequência pode ser configurada em 80Hz.) simplesmente quando a regulamentação da velocidade com cargas variáveis não for uma preocupação. O torque T gerado do motor é exibido pela fórmula (2). Dessa relação, pode-se dizer que o torque também será constante, tornando V/F, a proporção da tensão V à frequência f, constante.

T = K·I·V/f ··· (2)

T: Torque [N·m]

V: Tensão de alimentação [V]

I: Corrente do motor [A]

f: Frequência [Hz]

K: Constante

Entretanto, quanto menor for a velocidade, mais difícil é manter constante a impedância de entrada do motor de indução com a alteração em f. Portanto, para obter um torque que seja constante de baixa velocidade para alta velocidade, é necessário ajustar a relação V/F a uma velocidade baixa, de acordo com as características do motor como a linha sólida exibida na Fig. 23.

Controle de circuito fechado

A Fig. 24 exibe a configuração do Fluxograma do sistema de controle do circuito fechado usado na nossa Série BHF.

Esse método detecta a diferença de fase entre a tensão do bloco de saída do inversor e a corrente principal, que calcula a frequência do acionamento correspondente à carga usando a tabela de dados de características (Fig. 25) preparada com antecedência, e controla a frequência do inversor sem a necessidade de um sensor de velocidade no motor.

Com essa tabela de características e o tempo t de diferença detectado da fase, o inversor calcula uma frequência de saída do inversor, que corresponde ao comando de velocidade rotacional Nset definido pelo potenciômetro de velocidade, e o gera como a frequência de saída do inversor. Depois de receber a frequência de saída, o bloco de controle V/f calcula a tensão aplicada ao motor correspondente à frequência de saída f, e executa o controle de velocidade acionando o inversor PWM. Como resultado, quando uma carga é aplicada, a frequência de saída do inversor é ampliada para que a diminuição da velocidade rotacional possa ser compensada. (3) 2.3.2.

Características

As características de velocidade-torque rotacional da unidade inversora são exibidas nas Fig. 26 e Fig. 27. Conforme explicado na seção Motor CA com controle de velocidade, uma "linha de operação segura" é desenhada na característica do torque. Essa linha representa o limite para a operação contínua, e a área sob essa linha é denominada área de operação contínua.

Lançamento dos produtos da Oriental Motor

Fig. 28 Grupo de produtos inversores

Como a constante de todos os nossos motores é predefinida no circuito de controle de velocidade da unidade inversora, o melhor desempenho do motor pode ser obtido. Além disso, as Séries BHF e UV operadas em modo de controle de circuito fechado podem ser usadas em aplicações verticais por meio da combinação de motor com freio eletromagnético.

Resumo

A Oriental Motor oferece três grupos de produtos (motores CA com controle de velocidade, motores CC de controle de velocidade sem escovas e unidades inversoras) para uso em uma ampla gama de aplicações com controle de velocidade. O produto com controle de velocidade adequado pode ser selecionado de acordo com a função, o desempenho, o custo e a finalidade desejados para a sua aplicação.

A Tabela 1 exibe a ampla gama de desempenho dos motores com controle de velocidade (relação de transmissão e velocidade máxima) e a regulamentação de velocidade dos modelos padrão em três grupos de produtos.

Tabela 1 Gama de controle de velocidade e taxa de variação de cada grupo de produtos

A Oriental Motor continuará trabalhando no desenvolvimento de produtos, para que possamos melhor atender às diversas necessidades dos nossos clientes no futuro.

Referências

(1) AC Motor Technology Study Group: "Book to understand AC small motor", Kogyo Chosakai Publishing (1998) (2) Kazuo Abe: "Low-noise drive technology of Brushless motor", RENGA No.163, pp.19-25 (2003) (3) Koji Namihana, Masayoshi Sato: "New control method of three-phase induction motor", RENGA No.159, pp.23-28 (1999)

Kazuya Shirahata
Unidade de Tsuruoka, Operações ACIX
Divisão de tecnologia de circuitos
Seção de desenvolvimento de circuitos

 

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