CONTROLE CHOPPER PARA ACIONAMENTO DE UM MOTOR PMDC

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1 CONTROLE CHOPPER PARA ACIONAMENTO DE UM MOTOR PMDC João Vitor Busquim Braga (PIBIC-EM/CNPq), Marcelo Favoretto Castoldi (Orientador), Universidade Tecnológica Federal do Paraná/Departamento de Engenharia Elétrica/Campus Cornélio Procópio, PR. Engenharias Máquinas Elétricas e Dispositivos de Potência. Palavras-chave: Chopper, Corrente contínua, Motor. RESUMO: Este trabalho foi realizado com o intuito de verificar a aplicação de um conversor chopper de corrente contínua em corrente contínua (CC- CC) a um motor PMDC (permanent magnetic direct current) utilizando o programa MATLAB/Simulink para demonstrar como esse mecanismo atua sobre o motor. Introdução O chopper é um controle utilizado para substituir uma tensão CC fixa por uma tensão CC ajustável, sendo aplicado em reguladores de tensão contínua e em indutores para gerar uma fonte de corrente contínua [1], atendendo as exigências da eletrônica de potência [2]. Através do programa MATLAB/Simulink foram realizadas três simulações para a análise do funcionamento e da aplicabilidade do controle. Materiais e métodos Motor PMDC Os motores de corrente contínua são formados por um circuito de campo e um de armadura, dispostos em duas fontes separadas, em paralelo ou em série, para fornecer corrente elétrica a máquina [3]. O motor PMDC, por sua vez, possui ímãs permanentes no lugar do circuito de campo, proporcionando uma estrutura menor e eliminando as perdas resistivas do enrolamento de campo. Dessa forma, o motor PMDC é muito mais vantajoso [4][5]. Funcionamento do chopper Um chopper de um quadrante (classe A), mostrado na Figura 1, funciona através de uma chave acionada por determinado período. 1

2 se consegue uma tensão CC ajustável e a terceira mostra a variação da intensidade da rotação do motor após ser gerado um torque por uma carga externa. Figura 1 - Chopper da classe A. Inicialmente, por estar a chave aberta, a tensão entre os terminais da carga é igual a zero. Fechando a chave por um determinado período t 1, a carga fica sujeita a uma tensão V s. Agora, por um período t 2, deixando a chave aberta, a tensão entre os terminais da carga se anula [1]. O resultado desse processo de chaveamento é mostrado na Figura 2. Simulações Figura 2 Formas de onda do conversor. Utilizando um chopper de quatro quadrantes (classe E), esquematizado na Figura 3, mas que possui o mesmo princípio de funcionamento que o do anterior, foram realizadas três simulações: a primeira mostra como ocorre a inversão do sentido de rotação do motor, a segunda demonstra como Figura 3 Chopper da classe E. As duas chaves ligadas cada uma a um diodo e aos fios entre a fonte e o motor têm a função de evitar a tensão de pico. Cada chave que compõe o mecanismo está conectada a um diodo e a outra chave, formando dois pares. As chaves são conectadas em pares (chave 1 com a 4 e chave 2 com a 3) para que não ocorra curto-circuito. Consequentemente o sentido da corrente altera-se de acordo com o par acionado, sendo positivo para as chaves 1 e 4 e negativo para as chaves 2 e 3. O acionamento de cada par é feito através do controle mostrado na Figura 4. 2

3 Resultados e Discussão Primeira simulação Figura 4 Mecanismo de acionamento do conversor. O pulso com valor de 100% da tensão V CC é direcionado para determinado par de acordo com a constante estabelecida pelo seletor, sendo que o valor 0 é atribuído às chaves 1 e 4 e o valor 1, às 2 e 3. O seletor também determina por quanto tempo qual constante será utilizada. Na primeira simulação, a rotação do motor é inicialmente negativa e, após dois segundos, torna-se positiva. Na segunda simulação, o sentido do motor não se altera, permanecendo positivo. Após dois segundos de acionamento, o pulso sofre uma variação de 40%, passando a emitir uma tensão com 60% de V CC. Por fim, na terceira e última simulação, novamente, o sentido de rotação permanece positivo, e a tensão com valor fixo. Um segundo depois do acionamento do motor, sobre este é gerado por uma carga um torque de intensidade de 4 Nm, causando uma variação na rotação do motor. Através das Figuras 5, 6 e 7, que mostram os gráficos da velocidade, da corrente e do torque, respectivamente, em função do tempo; nota-se a inversão do sentido de rotação do motor após dois segundos do acionamento, concluindo-se como o controle chopper opera. Figura 5 Gráfico da velocidade com inversão do sentido. Figura 6 Gráfico da corrente com inversão do sentido. Figura 7 Gráfico do torque com inversão do sentido. 3

4 Segunda simução Com as Figuras 8, 9 e 10 (os gráficos da velocidade, da corrente e do torque, respectivamente, em função do tempo), verifica-se que, inicialmente, o motor atua com 100% do valor de V CC e, após dois segundos, com 60%, convertendo uma tensão CC fixa em ajustável. Terceira simulação Adotando a mesma sequência de gráficos anteriores, as Figuras 11, 12 e 13 mostram uma pequena variação sofrida pelo motor após um segundo do acionamento deste em função da entrada de uma carga externa com torque de intensidade de 4 Nm. Figura 8 Gráfico da velocidade com tensão ajustável. Figura 11 Gráfico da velocidade com entrada de carga. Figura 9 Gráfico da corrente com tensão ajustável. Figura 12 Gráfico da corrente com entrada de carga. Figura 10 Gráfico do torque com tensão ajustável. Figura 13 Gráfico do torque com entrada de carga. 4

5 Considerações Finais Analisando os resultados obtidos através da simulação de um controle chopper de quatro quadrantes conectado a um motor PMDC, pode-se concluir como o primeiro opera, invertendo o sentido de rotação do motor e convertendo uma tensão CC fixa em uma ajustável, mostrando como o conversor pode ser aplicado de diferentes formas em máquinas de corrente contínua, a fim de se conseguir manipular esta última, como no controle de sua velocidade. [4] KRISHNAN, R. Electric motor drives: modeling, analysis, and control. Prentice Hall, N.J., [5] MILLER, T. J. E. Brushless permanent-magnet and reluctance motor drives. Oxford University Press, Clarendon, Agradecimentos Agradeço ao CNPq pela concessão da bolsa. Referências [1] RASHID, Muhammad H. Eletrônica de Potência: circuitos, dispositivos e aplicações. São Paulo: Makron Books, p. [2] VAS, P. Electrical machines and drives: a space-vector theory approach. Oxford University Press, Clarendon, [3] PEARMAN, Richard A. Power electronics: solid state motor control. Reston Pub. Co.,