Acionamento eletrónico de velocidade variável com retificador ativo para motor de indução trifásico

Abstract

Grande parte da energia elétrica consumida em todo o mundo está relacionada com o uso de motores elétricos, concretamente com o uso de motores de indução trifásicos em aplicações industriais. O acionamento destes motores por variadores eletrónicos de velocidade (VEVs) é uma solução relativamente recente, no entanto, já bastante utilizada na indústria. Por norma, os VEVs para motores de indução empregam uma ponte retificadora a díodos com o intuito de fornecer potência ao barramento CC a partir da rede elétrica. Apesar de este tipo de retificadores ser uma solução económica, estes contribuem para a degradação da qualidade de energia elétrica, dado que consomem correntes com elevado conteúdo harmónico que, por sua vez, provocam distorções na forma de onda da tensão e baixo fator de potência a montante do VEV. Além disso, não permitem inverter o fluxo de energia, tornando, por isso, inviável o processo de travagem regenerativa. Os conversores CA-CC ativos, ou retificadores ativos, surgem desta forma como solução aos problemas de qualidade de energia elétrica dos conversores CA-CC tradicionais, permitindo o consumo de corrente sinusoidal, com fator de potência unitário, o controlo da tensão ou corrente do barramento CC e um fluxo bidirecional de potência. Deste modo, a presente dissertação visa o estudo teórico, implementação e respetiva comprovação experimental de um acionamento eletrónico de velocidade variável, com conversor CA-CC ativo trifásico e conversor CC-CA trifásico do tipo fonte de tensão, para motores de indução. A solução proposta é capaz de permitir, para além do controlo da velocidade de rotação do motor, o arranque e paragem suave, a troca rápida de velocidade (na qual se inclui também a inversão do sentido de rotação), consumo de correntes sinusoidais, equilibradas e em fase com as tensões da rede elétrica e ainda a operação no modo bidirecional, viabilizando a injeção de energia à rede elétrica em processos de travagem ou inversão de velocidade do motor.

A large amount of the electricity consumed worldwide is related to the use of electric motors, specifically with the use of three-phase induction motors in industrial applications. The use of variable speed drives (VSDs) in these motors is a relatively recent solution, however, already widely used in the industry. Normally, the VSDs for induction motors employ a diode bridge rectifier in order to supply power to the DC-link from the electrical power grid. Although this type of rectifiers is an economical solution, they contribute to the degradation of the electric power quality, since they consume currents with high harmonic content that, consequently, cause distortions in the voltage waveforms and low power factor upstream the VSD. In addition, they do not allow the energy flow to be reversed, making the regenerative braking process impracticable. The active AC-DC converters, or active rectifiers, appear as a solution to the electrical power quality problems of traditional AC-DC converters, allowing a sinusoidal current consumption, with unitary power factor, voltage or current control of the DC-link and a bidirectional power flow. Thus, the present dissertation aims at the theoretical study, implementation and respective experimental verification of an electronic variable speed drive (VSD) for induction motors using a three-phase active AC-DC converter and a three-phase DC-AC converter of the voltage source type. Besides controlling the rotational speed of the motor, the proposed solution is capable of allowing the start and soft stop, quick speed changes (which also includes the reversal of the rotation direction), sinusoidal current consumption in phase with the power grid voltage and also the operation in bidirectional mode, making possible the injection of energy into the power grid in breaking processes or motor rotation reversal.