CONTROLE DE POSIÇÃO DE UMA MÁQUINA SÍNCRONA A ÍMÃS PERMANENTES

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1 CONTROLE DE POSIÇÃO DE UMA MÁQUINA SÍNCRONA A ÍMÃS PERMANENTES Wilian Soars Lacra - Ms. Eng. Elétrica UFMG Profssor Assistnt a UFLA - lacra@ufla.br Paulo Frnano Sixas - Dr. Ing. INPT/França Profssor Ajunto a UFMG - paulos@cp.ufmg.br Nst trabalho é ralizao um stuo o control posição uma máuina síncrona a ímãs prmannts. O métoo control vtorial campo é scrito analisao. Os rsultaos xprimntais são mostraos vinciano a ficácia o métoo control para o acionamnto uma máuina létrica. 1 INTRODUÇÃO Máuinas síncronas, com rotor xcitao ltricamnt, tm um nrolamnto stator gralmnt trifásico, um nrolamnto campo no rotor xcitao com corrnt CC. O nrolamnto campo po sr substituío por ímãs prmannts. O uso ímãs prmannts aprsnta ivrsas vantagns, ntr las: A liminação scovas pras no nrolamnto campo. Como as pras no cobr frro são concntraas no stator, o rsfriamnto a máuina é mais fácil. A alta ficiência ruz a imnsão a máuina. Para um msmo tamanho a máuina, suas caractrísticas pom sr variaas normmnt acoro com o tipo ímãs scolhios com a forma ispô-los no rotor. Alta nsia fluxo ntrfrro. Alta razão potência/pso. Alta razão toru/inércia, prmitino obtr alta aclração. Para acionamntos alto smpnho, principalmnt m srvomcanismos posição, as sguints caractrísticas vm sr satisfitas: Toru contínuo (sm rippl), principalmnt m baixas rotaçõs. Control toru msmo m vlocia nula. Opração m altas vlocias. Alta aclração saclração m curto intrvalo tmpo. Alto cos(φ). Ests ruisitos pom sr atnios plo mprgo o métoo control vtorial no acionamnto a máuina síncrona a ímãs prmannts [10]. Nst artigo scrv-s o control posição uma máuina síncrona a ímãs prmannts mprgano-s o métoo control vtorial. 2 CONTROLE VETORIAL DA MÁQUINA SÍNCRONA A ÍMAS PERMANENTES Assum-s nst stuo u os ímãs prmannts são localizaos na suprfíci o rotor (máuina polos lisos) ou u os fitos saliência o rotor são

2 sprzívis. Os fitos a saturação magnética também são sprzaos. Os ímãs são posicionaos num ângulo θ, rlativo ao ixo magnético o nrolamnto a fas A o stator, prouzino um pico istribuição fluxo magnético (ΨF) conform FIG. 1. B magnético o nrolamnto stator a fas A. ΨF - é o fluxo rotor. P - é o númro pars polos. O fasor spacial a corrnt stator (Is) po sr composto m uas componnts (Is, Is) no sistma ois ixos ortogonais fixos no rotor (ixos ). No control vtorial, o ixo irto stá smpr colinar com o fasor o fluxo magnético rotor (ΨF). Vja FIG. 2. I s B α θ Ψ F I s I s A Is ΨF A C FIGURA 1 - Distribuição fluxo magnético na máuina síncrona As corrnts trifásicas os nrolamntos stator prouzm o fasor spacial as corrnts stator (Is), o u trmina a magnitu slocamnto o pico a força magntomotriz stator prouzia plos três nrolamntos stator. O toru ltromagnético po sr ntnio fisicamnt como sno prouzio pla tnência os ímãs a alinharm-s com o ixo a força magntomotriz o stator. O toru ltromagnético é ao por: T = 3 2.P. Ψ F. I s.sn( α- θ ) (1) on: Is - é o móulo o fasor spacial a corrnt stator. α - é o ângulo o fasor spacial a corrnt stator rlativo ao ixo C FIGURA 2 - Diagrama fasorial mostrano as componnts ixo irto uaratura Nst sistma ixos, o toru ltromagnético é ao por: T = 3 2.P. Ψ F.I (2) s on: Is - é a componnt ixo m uaratura o vtor spacial a corrnt stator xprssa no ixo rfrência fixo no rotor. Como o fluxo magnético prouzio plos ímãs prmannts é constant, o toru ltromagnético po sr ajustao pla corrnt ixo m uaratura stator no sistma ixos rfrência fixos no rotor (Is). O fluxo xcitação é fixo no ixo irto o rotor, ntão sua posição po sr obtia

3 irtamnt a posição angular o rotor mia, por xmplo, com um snsor o tipo "rsolvr" [1]. Para uma aa corrnt stator, o toru máximo é obtio uano o fasor spacial a corrnt stator contém apnas a componnt ixo m uaratura (Is = Is), ou sja, a componnt ixo irto é zro (Is = 0). Est moo opração, mostrao na FIG. 3, é possívl abaixo a vlocia nominal, on suficint tnsão é obtia o invrsor u alimnta o motor. I s Ψ F FIGURA 3 - Diagrama fasorial mostrano o moo I s =0 Em vlocias acima a nominal, o aumnto a força contraltromotriz (FCEM) inuzia no stator xig um aumnto a tnsão trminal, u é limitaa pla tnsão CC ntraa o invrsor. Nst caso, po-s ruzir a força contra-ltromotriz inuzia plo nfraucimnto o campo o rotor. O nfraucimnto campo po sr obtio plo control a corrnt stator tal moo u o fasor spacial a corrnt stator no sistma ixos rfrência fixos m rotor contnha uma componnt ixo irto ngativa como mostra a FIG. 4. A uação a tnsão stator no ixo rfrência stacionário uano os fitos a saturação magnética são ignoraos é: U = (R + j L )I + s s s s (3) (R + j L )ji + jk Ψ s s s r F on: r - é a vlocia o rotor. K - constant proporcionalia. jkrψf - é o fasor a força contraltromotriz inuzia no nrolamnto stator. Rs - é a rsistência o nrolamnto stator. Ls - é a inutância própria o nrolamnto stator. Is Is Is FIGURA 4 - Diagrama fasorial mostrano o nfraucimnto campo Ψ F Utilizano a uação (3), o sguint iagrama po sr traçao, on δ é o ângulo ntr a FCEM Us, φ é o ângulo slocamnto a corrnt stator (FIG. 5): RsIs Us -wlsis jwlsis δ I s φ Is RsjIs FCEM I s ΨF FIGURA 5 - Diagrama fasorial mostrano a tnsão U s

4 Consirano Is=0 (abaixo a vlocia nominal): U s = (R + j L )ji + jk Ψ (4) s s s r F Utilizano a uação (4), o iagrama po sr traçao (FIG. 6): -wlsis Us φ RsjIs FCEM Is = Is ΨF FIGURA 6 - Diagrama fasorial uano I s =0 Nst caso o ângulo carga (δ) coinci com o ângulo slocamnto a corrnt stator (φ). Como a ratância síncrona (Ls) é puna, φ é praticamnt zro. 3 SISTEMA DE CONTROLE A FIG. 7 mostra o iagrama o sistma acionamnto complto para ralização o control posição a máuina síncrona a ímãs prmannts [5]. A implmntação o sistma control vtorial é fita por softwar m computaor IBM PC compatívl, utilizano-s linguagm programação alto nívl. Através intrfacs [4] acoplaas ao barramnto o computaor, é possívl a mição as granzas ncssárias ao control, além o acionamnto as chavs o invrsor trifásico [7] u alimnta a máuina síncrona. O ângulo o rotor a máuina (θ), inicao na FIG. 1 para uma máuina 2 pólos, é mio através um snsor o tipo "rsolvr" [9]. O ângulo mio é comparao com o rfrência (θ*). O sinal rro é utilizao no controlaor proporcional posição cuja saía é a vlocia rfrência (*). Máuina CA Tacograor θ ia ib ic ABC/ Invrsor Rtificaor R S T MLP Rsolvr I I* + PI θ I θ - - I* - P PI PI FIGURA 7 - Diagrama m blocos o sistma control - + FCEM V* V* va vb vc /ABC θ

5 A vlocia o rotor a máuina () é mia com um tacômtro comparaa com a vlocia rfrência. O rro é utilizao no controlaor proporcional-intgral vlocia u fornc a amplitu a corrnt m uaratura rfrência (I*). Esta componnt a corrnt stator é a rsponsávl plo toru grao pla máuina. As corrnts trifásicas stator (ia, ib, ic) são mias por snsors fito Hall. Estas corrnts no sistma natural são transformaas para o sistma fixo no rotor, através a sguint rlação [8]: I s I s = cos( θ ) sn( θ ) i a i b i c 2. 3 cos( θ ) - sn( θ 120 ) cos( θ ). - sn( θ ) (5) on: θ é o ângulo o rotor m raianos létricos θ = P. θ A corrnt rfrência ixo irto (I*) é zro, uma vz u não srá utilizao o procsso nfraucimnto campo. A corrnt ixo irto mia é comparaa com a rfrência. O rro é utilizao no controlaor proporcionalintgral corrnt ixo irto, forncno a tnsão rfrência ixo irto. A corrnt rfrência ixo m uaratura (I*) é comparaa com a corrnt mia (I). O rro é utilizao no controlaor proporcionalintgral corrnt ixo m uaratura. A saía st controlaor é somaa à força contra-ltromotriz stator (FCEM), forncno a tnsão rfrência ixo m uaratura (V*). Isto corrspon a uma compnsação "f-forwar" sta FCEM. A força contra-ltromotriz é calculaa m função a vlocia rotor mia, no caso a màuina síncrona a ímãs prmannts. As tnsõs V* V* no ixo rfrência são transformaas para o sistma rfrência natural, fixo no stator, através a sguint rlação: v a v b v c V V = cos( θ ) cos( θ -120 ) cos( θ ) -sn( θ ) -sn( θ 120 ). -sn( θ ) (6) As larguras os pulsos comano o invrsor [2] são ntão calculaas m função as tnsõs va, vb, vc. O invrsor [3] sinttiza ntão a tnsão sjaa m sua saía. 4 RESULTADOS EXPERIMENTAIS O sistma acionamnto [6] foi utilizao para acionar uma máuina síncrona a ímãs prmannts, cujos aos placa são: Srvomotor trifásico a imã prmannt potência: 1,68KW tnsão: 180V corrnt: 6,6A fruência: 133Hz númro polos: 8 constant tnsão: 0,718Vs A sguir, são aprsntaas as formas ona corrnt, posição, vlocia conjugao auirias por um osciloscópio Tktronix TDS460. Consiramos,

6 primiramnt, o caso a malha vlocia sligaa, isto é, a rfrência corrnt m uaratura é finia plo usuário o sistma. A FIG. 8 mostra o móulo a corrnt m uaratura rfrência (I*) mia (I) no sistma ixos fixos no rotor. corrnt ixo m uaratura scrita na FIG. 8. FIGURA 10 - Corrnt ixo irto (sc: 1V = 2A) canal 1: corrnt mia canal 2: corrnt rfrência FIGURA 8 - Corrnt ixo m uaratura (sc: 1V = 2A) canal 1: corrnt rfrência (I*) canal 2: corrnt mia (I) A FIG. 11 mostra as corrnts ixo irto rfrência mia com maior talh. A FIG. 9 mostra a msma corrnt com maior talh. FIGURA 11 - Dtalh a corrnt ixo irto; corrnt rfrência mia (sc: 1V = 2A) As FIG mostram o conjugao mio nas coniçõs inicaas nas figuras antriors. FIGURA 9 - Dtalh a corrnt ixo m uaratura; corrnt rfrência mia (sc: 1V = 2A) A FIG. 10 mostra a corrnt ixo irto rfrência (I* = 0) mia (I) para as msmas coniçõs a

7 FIGURA 12 - Conjugao mio na máuina (sc: 1V = 2N.m) FIGURA 14 - Posição rfrência mia (sc: 1V = 60 ) FIGURA 13 - Dtalh o conjugao mio na máuina (sc: 1V = 2N.m) A sguir, são mostraos os rsultaos obtios no control posição a máuina síncrona a ímãs prmannts conform o iagrama a FIG. 7. Inicialmnt é mostrao na FIG. 14 a posição rfrência (θ*), finia plo programa, m conjunto com a posição mia (θ). As vlocias rfrência (*) mia () são mostraas na FIG. 15 para as coniçõs inicaas na FIG. 14. O conjugao rfrnt às FIG é mostrao na FIG. 16. Figura 15 Vlocias (sc: 1V = 2rps) Canal 1: vlocia mia Canal 2: vlocia rfrência FIGURA 16 - Conjugao Canal 1: conjugao mio (sc: 1V = 4N.m) Canal 2: conjugao rfrência

8 5 CONCLUSÃO Nst artigo foi scrito o control posição uma máuina síncrona a ímãs prmannts. O métoo control vtorial foi stuao implmntao para o control a máuina síncrona. Os rsultaos xprimntais obtios monstram o bom funcionamnto o métoo mprgao. 6 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] BEIGBEDER, G. A spcial transucr for th control of brushlss motors. Rvista PCIM, [s.l.], p , ago [2] BOWES, S. R. t al. Microprocssor control of PWM invrtrs. IEE Procings, [s.l.], v. 128, pt. B, n. 6, p , nov [3] DONCKER, R. W., LYONS, J. P. Th auxiliary rsonant commutat pol convrtr. IEEE - Inustry Applicatons Socity Confrnc Rcors, [s. l.], p , out [4] EGGEBRECHT, Lwis C. Intrfacing to th IBM prsonal computr. 2.. Estaos Unios: Howar W. Sams, p. Blo Horizont: UFMG, p. (Ts, Mstrao m Engnharia Elétrica). [6] LACERDA, Wilian Soars, SEIXAS, Paulo Frnano. Proposta um sistma snvolvimnto para acionamntos létricos. Rvista Eucação & Tcnologia, Blo Horizont, p. 7-9, n o 3, jul./z [7] LACERDA, Wilian Soars, CORTIZO, Porfírio Cabaliro. Estuo implmntação um invrosr polo rssonant auxiliar. Rvista Eucação & Tcnologia, Blo Horizont, p , v. 2, n o 2, jul./z [8] SEIXAS, Paulo F. Comman numériu 'un machin synchron autopiloté. Toulos: Institut National Polytchniu Toulos, p. (Ts, Doutorao m Engnharia Elétrica). [9] SYLVAN, John. Nw Options for Rsolvr to Digital Convrsion. Rvista Machin Dsign, outubro 1987, pág [10] VAS, Ptr. Vctor Control of AC Machins. Nw York: Oxfor Univrsity Prss, [5] LACERDA, Wilian Soars. Sistma snvolvimnto para acionamntos létricos, aplicação ao control posição uma máuina síncrona a ímas prmannts.