Universidade Federal de Santa Maria

Ci. e nat., Santa Maria, V. 42, Special Edition, e18, 2020

DOI: http://dx.doi.org/10.5902/2179460X40520

Received: 10/10/2019 Accepted: 10/10/2019

Special Edition

Revisão sobre as principais técnicas de controle para motores de indução

Control techniques for induction motors review

Leonardo Stefanello Uliana^I

Cristiane Cauduro Gastaldini^II

Celso Becker Tischer^III

^I  Universidade Federal de Santa Maria, Cachoeira do Sul, Brasil – leonardouliana92@hotmail.com

^II Universidade Federal de Santa Maria, Cachoeira do Sul, Brasil - cristiane.gastaldini@ufsm.br

^IIIUniversidade Federal de Santa Maria, Cachoeira do Sul, Brasil - cbtischer@gmail.com

Resumo

Este trabalho apresenta o estado da arte das principais técnicas de controle para motores de indução. Primeiramente, apresenta-se um breve histórico sobre o desenvolvimento das técnicas de controle, destacando suas dificuldades e avanços. Posteriormente, aprofunda-se sobre o funcionamento das técnicas de controle escalar e controle por campo orientado (direto e indireto) apontando as principais vantagens e desvantagens de cada uma, bem como os trabalhos desenvolvidos na área.

Palavras-chave: Motor de indução; Controle vetorial; DFOC; IFOC

Abstract

This work presents a study about the main techniques for induction motors drive. Firstly, it is presented a brief history about the development of control techniques, highlighting their difficulties and advances. After, it focuses on the operation of scalar control and field-oriented (direct and indirect) control techniques, pointing out the main advantages and disadvantages of each, as well as the work developed in each area.

Keywords: Induction motor; Vector control; DFOC; IFOC

1 Introdução

As teorias do físico inglês William Gilbert sobre força magnética, no final do século XVI, marcam o início da história dos motores elétricos. Posteriormente, os estudos de pesquisadores como Ampére, Faraday, Dal Negro e Jacobi ajudariam a postular o atual conceito de motor elétrico. A descoberta deste equipamento acelerou a industrialização mundial e transformou radicalmente o modo de vida das pessoas, MuseuWEG (2018).

Segundo McCoy e Douglass (2014), o consumo anual de energia elétrica pelos motores elétricos nos Estados Unidos nas áreas comercial, industrial, residencial e de transporte foi de aproximadamente 1,431 bilhões de kilowatt-horas (kWh) em 2006, o que equivale a 38,4% do total de energia consumido pelo país.

A maior parte dos motores elétricos utilizados na indústria são para aplicações normais, ou seja, sem qualquer tipo de controle de velocidade ou torque. Entretanto, dentre outros fatores, os processos de automatização industrial exigem cada vez mais a aplicação de técnicas de controle para o acionamento de motores elétricos, Reginatto (1993).

Os primeiros motores utilizados em servo acionamento eram os de corrente contínua (MCC), porém, o fato de possuírem escovas limita sua capacidade e aumenta a necessidade de manutenção. Deste modo, com o avanço da eletrônica de potência, principalmente por parte de dispositivos como os retificadores e inversores, abriu-se caminho para a utilização dos motores de corrente alternada (MCA) em servo acionamento, Chapman (2013).

Dentre os MCA, os motores de indução (MI) se sobressaíam em relação aos motores de imã pois, além dos MI possuírem maior robustez, baixo custo, baixa necessidade de manutenção, alta capacidade de sobrecarga, baixa relação peso/potência e simplicidade construtiva, a presença de imãs permanentes limita o peso e acresce o custo dos motores de imã, Reginatto (1993). No entanto, por possuírem torque e fluxo acoplados, características não lineares de operação e estruturas multivariáveis, por um grande período as aplicações de MI para acionamentos de alto desempenho foram limitadas. Porém, com estudos sobre orientação de campo utilizando as transformações de eixos de referência se obteve grande avanço nesta área.

Atualmente, técnicas para controlar o comportamento dos motores de indução estão amplamente difundidas. Uma das metas da comunidade científica é o desenvolvimento de técnicas sensorless para eliminar o uso de sensores mecânicos sem prejudicar o desempenho dinâmico do sistema, Gastaldini (2008).

2 Histórico das técnicas de controle

Devido a algumas importantes vantagens como uma estrutura simples e robusta, alta confiabilidade, baixo custo de aquisição atrelado a uma baixa necessidade de manutenção e alta capacidade de produzir torque, os motores de indução se apresentam como uma boa opção de máquinas para aplicações industriais e domésticas, Sabir e Ibrir (2018). Porém, inicialmente, em casos onde houvesse a necessidade de um alto controle de troque e velocidade, os motores de indução, devido as suas características não lineares de operação e estrutura multivariável para um controle dinâmico, eram preteridos em relação aos motores de corrente contínua onde é possível um controle maior através das correntes de armadura, Rafajlovski et al. (2018).

Em algumas operações, o controle do MI se limita a sistemas liga-desliga (on-off). A vantagem desta técnica é que praticamente não possui custos de implantação, porém, na maioria das vezes, existe um gasto excessivo de energia elétrica para operar o motor, ou seja, possui baixíssima eficiência, Trzynadlowski (2000). Outra técnica relativamente simples, porém bem mais eficiente em relação aos sistemas liga-desliga é o controle escalar. Tal técnica é muito difundida no meio industrial devido ao baixo custo de implantação e bom resultado em situações onde a máquina opera com torque constante como por exemplo em moinhos, escavadeiras e ventiladores industriais, Abdel-Khalik et al. (2018). Por outro lado, apresentam uma resposta dinâmica lenta e limitada.

Com a formulação da teoria geral sobre comportamento dinâmico da máquina de indução e o princípio da orientação de campo (FOC), proposta por Blascke (1972), abriu-se caminho para que os estudos na área de controle em alto desempenho para MI atingissem um novo patamar. Tal teoria utiliza os estudos realizados por Park sobre transformações lineares de referência que consistem em definir um novo conjunto de variáveis referidas a um sistema de coordenadas fixo. Com isso, elimina-se a dependência de temporal das indutâncias nas equações do comportamento dinâmico da máquina, Pinheiro (2016). Porém, tais técnicas necessitam do conhecimento das variáveis de velociade e fluxo do motor.

A implementação de sensores mecânicos para a medição direta dessas variáveis acarreta em um maior custo de operação, implementação do sistema de controle e, de certa forma, diminui a confiabilidade. Sendo assim, com o avanço das tecnologias de processamento dado principalmente pelos DSPs (Digital Signal Processors), e da evolução da eletrônica de potência através dos IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors), técnicas de estimação de velocidade e fluxo para substituir o uso de sensores estão em contínuo desenvolvimento Sun et al. (2016), Guzinski e Abu-Rub (2013), Stojic et al. (2015).

Outra técnica para o controle de MIs é o Controle Direto de Torque (DTC), proposta por Takahashi e Noguchi (1986). Tal técnica compara, individualmente, o torque e o fluxo estimados (ou medidos) com os valores de referência em comparadores de histerese. Os resultados dos comparadores garantem uma ótima comutação do inversor através da seleção de vetores da tensão do estator. Segundo Ouanjli et al. (2018), o DTC possui uma boa estabilidade, precisão, rápida resposta de torque, alta robustez e uma baixa complexidade em comparação ao controle vetorial.

3 Controle Escalar

O controle escalar é largamente utilizado na indústria devido o seu baixo custo de implantação e simplicidade de implementação, Krause et al. (2013). Tal controle tem como princípio manter a corrente de magnetização constante, logo, o fluxo magnético e o torque se manterão constantes. Uma das maneiras de aplicar este controle é a partir do princípio da relação de tensão e frequência dado pela Equação 1. É possível observar que, para parâmetros ideais, o torque depende apenas da tensão aplicada ao estator e a frequência de entrada. Deste modo,

                                                                         (1)

onde K depende dos parâmetros construtivos do motor, se a relação de tensão e frequência for mantida constante obtêm-se um torque constante.

A dinâmica do controle escalar pode ser melhor compreendida analisando o circuito da Figura 1. Observa-se que, com o aumento da tensão V_s, tem-se o aumento da corrente de magnetização I_m, de modo análogo, se diminuirmos a tensão de entrada diminui-se a corrente de magnetização. Por outro lado, aumentando a frequência, as reatâncias do estator e de magnetização (X_m

X_ls) também aumentarão, logo I_m diminui. Analogamente, diminuindo a frequência, diminui-se as reatâncias e aumenta-se I_m.

Figura 1 - Circuito do motor de indução referenciado ao estator

No entanto, deve se levar em consideração que para valores elevados de tensão o fluxo de magnetização pode saturar. Por outro lado, em valores muito baixos de frequência, a resistência do estator começa a ter relevância e grande parte da tensão de entrada é dissipada em R_S.

Sendo o controle escalar uma técnica de controle ainda viável em casos específicos, estudos para desenvolver e aprimorar esse método ainda são usualmente publicados. Santos (2013) propôs o desenvolvimento de um estimador de velocidade neural usando o controle escalar, já Shreiner et al. (2012) otimiza o sistema desenvolvendo duas leis de controle, uma para regime permanente e outra para o transitório.

4 Teoria do Controle por Orientação de Campo

As técnicas de Controle por Campo Orientado (Field Oriented Control/FOC) objetivam aproximar o controle do motor de indução ao de um motor CC, onde o torque e o fluxo podem ser controlados de maneira independente. Os estudos do FOC ainda se dividem de acordo com o fluxo a ser orientado, podendo ser através do fluxo estatórico, Mengoni et al. (2008) , Stojic et al. (2015), rotórico ou até mesmo do entreferro. O desenvolvimento dessa sessão se dará em cima do seguimento mais comum, ou seja, controle do fluxo rotórico podendo ele ser direto (DFOC) ou indireto (IFOC).

Inicialmente, tem-se a equação do torque em motores de indução dependente das componentes dq da corrente do estator e, neste caso, do fluxo do rotor. Porém, se todo o fluxo rotórico estiver sobre o eixo direto (λ_qr = 0), tem-se que a equação do torque em MI fica semelhante a equação do torque para motor CC. Para isso, faz-se a transformação de referencial da variáveis de interesse, corrente, tensão e fluxo, para um referencial rotativo, dado pela posição θ e velocidade ω, de modo que todo o fluxo esteja sobre o eixo d (). As variáveis marcadas com o sobrescrito ’a’ são referentes a um referencial rotativo com velocidade ω_a e posição θ_a. O torque para MI pode ser descrito como

                                                           (2)

Para

                                                                      (3)

                                                                       (4)

Figura 2 - Alinhamento de um eixo rotativo com o vetor fluxo rotórico

Em regime permanente, para o controle de fluxo do rotor orientado, os vetores de corrente e fluxo são sempre perpendiculares. Portanto, costuma-se adotar o referencial síncrono para as transformações, ou seja, tem-se que velocidade ω_a = ω_e, e a componente d da corrente do rotor pode ser reescrita como

                                                               (5)

Como a componente q do fluxo rotórico é nula () e a componente d é constante (), logo (.

Com isso, e, consequentemente,. Deste modo, satisfaz-se a condição de vetor fluxo e corrente perpendiculares, ou seja, tem-se um valor ótimo de torque, assim como em motores CC.

                                                                      (6)

onde

                                                                        (7)

Figura 3 - Diagrama FOC para orientação do fluxo rotórico

De maneira geral, considerando as variáveis de interesse mensuráveis e o fluxo λ_f (λ_r,λ_s, ou λ_m), o FOC utiliza as variáveis de torque T_M^∗ e fluxo λ^∗_f de referência para encontrar valores de referência das correntes estatóricas i^a_ds^∗ e i^a_ds^∗ em um referencial rotativo. Por final, para realizar a transformação dq^a → abc, encontra-se a posição do eixo de referência θ_a.

5 Controle por Campo Orientado Direto

Para aplicação do controle por campo orientado é necessário o conhecimento da posição θ_a do eixo de referência que se deseja alinhar a componente de fluxo. No controle direto, tal informação é obtida através das componentes do fluxo em questão, e que podem ser obtidas através da medição direta do fluxo ou por estimação dada por outras variáveis mensuráveis. No caso da orientação direta do fluxo do rotor, encontra-se, através das componentes de fluxo do rotor λ_dqr (medido ou estimado), um valor de θ que satisfaça as exigências do controle por fluxo orientado.

Dada as componentes dq de um fluxo λ_f (λ_s,λ_r ou λ_m) em um referencial estacionário, têm-se que a mudança de um referencial estacionário para um referencial rotativo de posição θ_a e velocidade ω_a é dada por

                                                         (8)

Para o controle por fluxo rotórico orientado, a componente q do fluxo para o referencial síncrono é zero, ou seja,, deste modo

                                                           (9)

Como somente o fluxo no entreferro pode ser medido diretamente, pode-se obter as componentes de fluxo do rotor a partir das componentes de fluxo do entreferro λ_m e das correntes estatóricas i_s.

                                                                (10)

Figura 4 - Diagrama DFOC para orientação do fluxo rotórico

A qualidade do desempenho de um DFOC é observada principalmente pelo alinhamento do vetor de fluxo λ_f com o referencial síncrono. Para isso, o conhecimento exato da orientação do fluxo é essencial e também uma das principais dificuldades deste método.

No artigo Zheng Zhang et al. (2006) propõe-se um controle por campo orientado direto sensorless (SDFO) baseado no método "sliding mode". Neste, um observador de fluxo e um controlador de velocidade sliding mode junto a um estimador de velocidade do rotor são utilizados no sistema SDFO com a finalidade de melhorar a regulação de velocidade e a robustez do sistema. Ainda em SDFO, Luo e Chen (2012), apresentou um estimador de fluxo estatórico baseado nas medições de correntes e tensões de fase. Posteriormente, encontra-se a posição do eixo do rotor através do fluxo estimado. Já Bennassar et al. (2014), apresentou um controlador de fluxo, velocidade e correntes do estator através da lógica Fuzzy junto a um observador de Luenberger para o fluxo com adaptação de velocidade.

6 Controle por Campo Orientado Indireto

Apesar do controle por campo orientado direto apresentar uma resposta rápida e, com o uso de sistemas de controle para ajuste do fluxo e do torque, apresentar uma resposta dinâmica às variações paramétricas, a utilização de sensores para medição do fluxo aumenta consideravelmente o custo de instalação e manutenção do sistema. Desta forma, mesmo sendo mais sensível as variações paramétricas, o controle por campo orientado indireto (IFOC) não depende das componentes do fluxo para encontrar a posição θ_e necessária para a orientação do fluxo sobre o eixo direto e se mostra como uma boa opção de controle. Nesta técnica, utiliza-se as equações das tensões para encontrar uma equação que relacione o escorregamento do motor com os parâmetros e correntes do estator no referencial síncrono. A tensão V_R do rotor é dada por

                                                      (11)

Como os enrolamentos do rotor, em motores de indução, são postos em curto circuito, tem-se que a tensão sobre os enrolamentos é zero, logo

                                                      (12)

Para o controle por fluxo rotórico orientado, a componente do fluxo referente ao eixo q é nula para o referencial síncrono, ou seja, λ^e_qr = 0, logo a equação pode ser reescrita como

                                                                 (13)

onde, através das componentes i_ds e i_ds das correntes do estator, encontra-se os valores de referência para o torque e o fluxo, sendo

                                                             (14)

a componente responsável pelo fluxo rotórico de referência e i^e_qs^∗

                                                                     (15)

a componente responsável pelo torque de referência.

Figura 5 - Diagrama IFOC para orientação do fluxo rotórico

Em geral, os controles IFOC apresentam menor ruído e tem, por natureza, uma desempenho mais robusto que o DFOC. Porém, tem como principal desvantagem a maior dependência em relação aos parâmetros do motor. Tais parâmetros variam de acordo com a variação de temperatura e afetam a constante de tempo que é necessária para cálculo do escorregamento Gastaldini (2008). Tentando amenizar tais problemas, Consoli et al. (2004) propôs um método de estimação direta da frequência angular de escorregamento através de injeção de um sinal de alta frequência na componente de sequência zero da tensão do estator. Tal técnica independe da variação da contante de tempo do rotor e apresenta boas respostas para qualquer velocidade ou carga.

Em Ferdiansyah et al. (2016) apresenta-se uma aplicação baseada em um FGS-PID (Fuzzy Gain Schedule - PID) para o controle de velocidade. A proposta se baseia em utilizar a técnica Fuzzy para determinar os parâmetros do controlador e, através de um controlador PID, gerar um sinal de controle para o IFOC. Outra técnica utilizando a lógica Fuzzy foi proposta por Zev et al. (2016). Neste, uma Lógica de Controle Adaptativa Fuzzy (Adaptive Fuzzy Logic Controller/AFLC) baseada no algoritmo de Levenberg-Marquardt (LM) é utilizado para atualizar os parâmetros do IFOC.

7 Conclusão

Conclui-se que, mesmo com o desenvolvimento de técnicas que entreguem um resultado mais robusto, muitas vezes as despesas com instalação e manutenção não justificam a utilização do sistema, deste modo, se faz necessária uma análise do ambiente de instalação dos sistema e dos dispositivos disponíveis para utilização. Por exemplo, em casos mais simples, onde um baixo tempo de resposta e um controle preciso da velocidade não são prioridades, com o uso de um inversor de frequência pode-se aplicar o método de controle escalar para controlar a tensão e frequência de alimentação do estator. Já para sistemas onde se requer um controle mais robusto, controles em malha fechada como o controle por campo orientado conseguem, através da realimentação do sistema, diminuir o erro de velocidade, posição e torque e entregar um resultado mais perto do desejado.

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