UM CONVERSOR DE FASES ESTÁTICO DE BAIXO CUSTO PARA SER UTILIZADO EM REDE MONOFÁSICA

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1 UM CONVERSOR DE FASES ESTÁTICO DE BAIXO CUSTO PARA SER UTILIZADO EM REDE MONOFÁSICA Angelo José Junqueira Rezek José Manuel Esteves Vicente José Antonio Cortez Marcílio André Merone Nelson Barbosa Renó Júnior Carlos Alberto Mohallem Guimarães Celso Luiz da Silva Departamentos: Eletrotécnica e Eletrônica EFEI: Escola Federal de Engenharia de Itajubá Caixa Postal 50, , Itajubá, MG, Brasil rezek@iee.efei.br RESUMO Sabe-se que na maioria dos casos, o meio rural dispõe apenas de sistema monofásico para suprimento de energia elétrica. Pretende-se neste trabalho, propor um sistema estático de conversão de fases, simples, eficiente e de baixo custo. O sistema proposto consiste basicamente de um retificador semicontrolado e de um inversor transistorizado que realiza a conversão DC-AC para trifásico. Pode-se, desta maneira, utilizar o sistema para alimentação de motores de indução trifásicos em substituição aos monofásicos, o que é desejável. Também a operação em velocidade variável é conseguida, pois o conversor de fases possibilita a manutenção de fluxo constante mantendo a relação tensão-freqüência, para partida do motor e variação da rotação. PALAVRAS CHAVES Inversor de Frequência, Conversor Estático de Fases, Acionamento Controlado ABSTRACT It is known that in most of the cases, the country area just has a single-phase system to supply the electric energy. It is intended in this work, to purpose a simple, efficient and low cost static system conversion phases. The proposed system consists basically of a semicontrolled rectifier and a transistorized inverter that make the conversion DC- AC (direct current - alternating current). The system can be used in this way to supply threephase induction in substitution of single phase ones, which is desirable. Also the operation in variable speed is achieved, therefore the converter of phases aim the constant motor flux operation, with the maintaining of the relationship voltagefrequency, for the motor startup and variable speed operation. INTRODUÇÃO Este trabalho apresenta os resultados da implementação modular de um inversor VSI para o acionamento do motor de indução do tipo gaiola, um dos mais empregados universalmente pelo seu baixo custo, mas que apresenta dificuldade no controle de sua velocidade. MÓDULOS IMPLEMENTADOS A figura 1 ilustra o diagrama de blocos do sistema. OSCILADOR CONTROLADO POR TENSÃO (VCO) Para que fosse gerada uma onda quadrada com freqüência proporcional a tensão de entrada, foi utilizado um oscilador 555, que se apresenta como um circuito bastante simples e também eficiente. Através da análise do circuito interno do oscilador verificou-se a viabilidade de

2 seu uso como oscilador controlado por tensão, proporcionando uma relação linear entre frequência de saída e tensão de entrada, necessária para obtenção de torque constante. O circuito VCO está ilustrado na figura 2. Figura 1. Módulos implementados CONTADOR EM ANEL A finalidade desse circuito é a geração de seis pulsos seqüenciais com defasagem de 60 o entre um e outro, através do sinal de clock (saída do VCO). Partindo dessa necessidade e utilizando-se de lógica binária, projetou-se um circuito com Figura 2. Oscilador controlado por tensão

3 três flip-flops JK mestre-escravo. Este circuito possui ainda uma opção de reset, para garantir a correta inicialização dos flip-flops quando necessário. Utilizando-se então os dados obtidos na tabela de funcionamento dos flip-flops chegou-se ao circuito mostrado na figura 3. A seguir, na figura 4, tem-se as formas de esperada para as seis saídas deste circuito. CIRCUITO DEFASADOR DE EDGE POSITIVO Este circuito é necessário para se ter a garantia de que dois transistores numa mesma coluna Figura 3. Contador em anel da ponte inversora não conduzam si multaneamente, ou seja, o desligamento de um precisa ser mais rápido que a ligação do outro pois isso poderia causar um curto-circuito na rede DC, levando a um pico de corrente e podendo queimar os próprios transistores. Figura 4. Formas de onda na saída do contador O defasador causa então um atraso de aproximadamente 500µs no acionamento de transistores em relação ao desligamento aos seus complementares, garantindo a não existência de curtos momentâneos. Neste circuito foram utilizados um resistor de 1kΩ, um capacitor de 470 kpf e algumas portas lógicas. O atraso é dado

4 basicamente pelo valor do circuito R x C. A figura 5 ilustra as formas de onda de entrada e saída no defasador. É necessário um circuito desse para cada transistor. O circuito defasador é apresentado na figura 6. Figura 5. Formas de onda no defasador Figura 6. Defasador de edge positivo CIRCUITO DE ACOPLAMENTO Este circuito é necessário para se isolar o sinal eletrônico (baixa potência) do sinal de controle dos transistores, que exigem um maior nível de corrente em seu acionamento. A função deste circuito é a mesma dos amplificadores, isto é, apli car potência em um pequeno sinal para que se possa ativar uma carga maior, no caso o sinal de base dos transistores. O acoplamento é realizado por um acoplador óptico, sendo a injeção de potência realizada por fontes individuais de 15V. O diagrama esquemático é apresentado na figura 7. Figura 7. Circuito de acoplamento CIRCUITO DE REFERÊNCIA Este circuito foi montado para ser utilizado como um sinal de referência a ser colocado na entrada do VCO. Ele na verdade é um divisor resistivo em conjunto com dois amplificadores operacionais usados na configuração de ganho unitário. Uma saída, de 0-5[V] é responsável pelo controle de tensão da ponte retificadora semicontrolada tiristorizada. A outra saída, de 0-10[V] é responsável pelo controle de freqüência da saída da ponte inversora transistorizada. Assim consegue-se variar a tensão do retificador e a freqüência do

5 inversor, mantendo linear a relação V/f. Este circuito está mostrado na figura 8. Figura 8. Circuito de referência SISTEMA DC Consiste na retificação da tensão monfásica AC utilizando um retificador semicontrolado. PONTE TRANSISTORIZADA Utilizou-se uma ponte transistorizada a IGBT s com diodo antiparalelo incorporado. RESULTADOS O conjunto apresentou um perfeito acionamento dos motores durante todosos testes realizados. Observando-se com o osciloscópio as grandezas envolvidas, pôde-se verificar a relação entre a tensão e freqüência: em um primeiro momento, colocou-se um pequeno sinal de tensão no VCO, verificando-se que então a freqüência na saída do

6 contador era diminuída; depois, aumentou-se o valor da tensão e então a freqüência aumentou. A figura 9 ilustra a tensão fase-fase e corrente de fase do motor para a velocidade nominal. A figura 10 ilustra a mesma forma de onda para metade da velocidade nominal. Percebe-se a manutenção da relação tensão x freqüência para operação do motor com fluxo constante. Figura 9. Tensão fase-fase e corrente de fase do motor para velocidade nominal de operação Figura 10. Tensão fase-fase e corrente de fase do motor para metade da velocidade de operação CONCLUSÃO O sistema proposto mostrou-se eficiente para alimentação de cargas passivas (banco resistivo) e ativas (motor de indução trifásico). O controle de tensão do sistema é feito no retificador e o ajuste de freqüência no inversor transistorizado. Consegue-se desta forma manter constante a relação tensão-freqüência e variar convenientemente a velocidade do motor de indução acoplado. Também a partida do mesmo pôde ser feita de maneira satisfatória, aumentando-se gradativamente a tensão e freqüência durante o processo. Os maiores custos associados ao sistema proposto constituem-se na implementação do autotransformador de alimentação mais ponte inversora transistorizada a IGBTs. Esta última, formadapor seis IGBTs de 50 ampéres e 600 volts, está cotada em aproximadamente oitenta dólares (US$ 80). AGRADECIMENTOS Os autores agradecem à FAPEMIG, Processo 657/92 pelo suporte financeiro que permitiu o desenvolvimento deste trabalho de pesquisa. REFERÊNCIAS [1] N. B. Renó Jr.. Sistema Inversor para Controle de Velocidade de MIT s, Trabalho de Diploma, EFEI, [2] M. A. Merone. Implementação de um Inversor VSI para o Acionamento do Motor de Indução, Relatório Final de Projeto de Iniciação Científica, EFEI/FAPEMIG, [3] M.H. Rashid. Power Electronics, Circuits, Devices, and Applications, Prentice Hall International, Inc., [4] Guimarães, C. A. M., Implementação de um Sistema de Chaveamento Point on Wave

7 Baseado em Microcomputador, Dissertação de Mestrado, UFSC, Florianópolis, SC, Brasil, 1986.