ACIONAMENTO DE UM MOTOR LINEAR A RELUTÂNCIA CHAVEADO

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1 ACIONAMENTO DE UM MOTOR LINEAR A RELUTÂNCIA CHAVEADO Amanda Medeiros de Freitas, Daniel Teodoro Gonçalves Mariano, Felipe Adriano da Silva Gonçalves, Igor Borges Tavares, Juliana Calixto Pulheiz, Carlos Augusto Bissochi Junior Laboratório de Automação, Servomecanismos e Controle (LASEC) Núcleo de Controle e Automação (NCA) Faculdade de Engenharia Elétrica (FEELT) Universidade Federal de Uberlândia (UFU) amandamedeiros@ebio.ufu.br Resumo - Esse trabalho desenvolve uma estratégia de acionamento para o Motor Linear a Relutância Chaveado. Para tal, foi utilizado um conversor eletrônico half-bridge, sensores óticos de posicionamento e um microcontrolador para promover o acionamento dos mesmos. A discussão desse tipo de sistema torna-se importante pela escassa quantidade de materiais que englobam motores lineares chaveados. Seu estudo pode melhorar a compreensão dos fenômenos físicos envolvidos no controle de conversores eletromecânicos lineares, tornando-os uma opção plausível e confiável quando há necessidade de movimentos translacionais. Palavras-Chave - Acionamento do motor linear, conversor eletrônico de potência, conversor half-bridge, motor linear a relutância chaveado, operação nos quatro quadrantes. ACTIVATION OF A LINEAR SWITCHED RELUCTANCE MACHINE Abstract - This paper develops a strategy to drive the Linear Switched Reluctance Machine. For this, was used a half-bridge converter electronic, optical sensors positioning and a microcontroller to promote the activation of them. The discussion of such a system becomes important by the limited amount of materials that include linear motors keyed. Their study can improve understanding of physical phenomena involved in the control of electromechanical linear converters, making them a credible and reliable option when there is need for translational motion. 1 Keywords - Linear motor drive, power electronic converter, half-bridge converter, linear switched reluctance machine, four-quadrant operation. I. INTRODUÇÃO O conceito de máquinas elétricas lineares surgiu em meados do século XIX [1], sendo que uma das mais populares invenções foi o Motor Linear a Relutância Chaveado (MLRC) [2]. Os conversores eletromecânicos podem ser divididos em dois grupos: os atuadores lineares a relutância chaveados (ALRC) e os motores lineares a relutância chaveados. O primeiro é caracterizado por realizar movimentos curtos associados a grandes forças, e o segundo é destinado a aplicações como transporte de massa e movimentos lineares de maiores comprimentos [3]. A máquina elétrica linear a relutância chaveada é um conversor eletromecânico que manifesta a produção de força por meio da tendência de sua parte móvel se deslocar para a posição na qual a indutância do enrolamento energizado é máxima, ou seja, onde a relutância magnética é mínima. O MLRC possui pólos salientes nas partes que constituem o núcleo magnético e a corrente da fase é ligada e desligada em posições precisas, sendo que esse chaveamento da corrente vem sugerir o nome do motor. Como a corrente depende da posição para ser ligada e desligada, é necessário um mecanismo para identificar a posição da parte móvel em relação à parte fixa da máquina. O MLRC proposto possui equivalência ao motor rotativo a relutância chaveado (MRRC). O estator do motor linear representa a aparte móvel responsável por realizar o deslocamento, ele é composto de um núcleo com material ferromagnético com seis pólos salientes (três fases), os quais são envoltos por bobinas concêntricas. A parte equivalente ao rotor é a parte fixa longa do núcleo magnético, que define o percurso de deslocamento da máquina. Essas definições estão ilustradas na Figura 1 para melhor entendimento das mesmas. Rotor Estator Fig. 1. Definição de rotor e estator para o MLRC. Conhecendo o funcionamento básico e as características físicas do motor em questão, é possível propor a estratégia de acionamento e o conversor eletrônico de potência para o MLRC. Com a estratégia implementada, o motor linear é

2 capaz de deslocar-se ao longo do eixo horizontal, acelerando e desacelerando, de acordo com a programação gravada na memória do microcontrolador. II. ESTRATÉGIA DE ACIONAMENTO No MLRC é possível realizar a inversão do sentido de deslocamento do motor, sendo assim, o acionamento do mesmo deve contemplar a operação nos quatro quadrantes, como pode ser observado na Figura 2. II força I Dentre as topologias citadas o conversor clássico halfbridge é o mais utilizado, mesmo possuindo o maior número de dispositivos semicondutores de potência [3]. Nesta topologia a tensão reversa nas chaves é praticamente o valor de tensão nominal do barramento C.C., o que propicia uma redução no custo final do conversor de potência. Devido a essas características, e por ser o que melhor atende as características de operação do MLRC, esse conversor foi escolhido para ser utilizado no projeto. O circuito do conversor clássico para três fases (A, B e C) é mostrado na Figura 3. Ele possui três modos de operação distintos, sendo um modo de magnetização, outro de roda livre, e um terceiro modo de desmagnetização. velocidade III força IV velocidade V C D 2 S 1 A D 1 D 4 S 3 B D 3 D 6 S 5 C D 5 Fig. 2. Operação nos quatro quadrantes para força e velocidade do MLRC. S 2 S 4 Fig. 3. Conversor half-bridge. S 6 O primeiro quadrante representa a aceleração do motor no sentido de uma referência, por exemplo, o deslocamento à direita; o segundo quadrante representa a frenagem no mesmo sentido da referência; o terceiro quadrante representa a aceleração em sentido contrário ao da referência; e o quarto quadrante representa a frenagem em sentido contrário à referência. Quando o estator já está na eminência de movimento, existem duas formas possíveis de inverter seu sentido de deslocamento: retirar a alimentação dos enrolamentos e deixar a velocidade chegar a zero devido à força de atrito do equipamento, e posteriormente acelerar a máquina no sentido contrário; ou produzir uma frenagem através de uma tensão negativa aplicada à bobina, e posteriormente acelerar o motor no sentido contrário. Como o MLRC disponível possui comprimento limitado de sua parte fixa, a primeira opção torna-se inviável, pois o comprimento pode ser insuficiente para proporcionar parada completa do motor. Para aplicar o acionamento nos quatro quadrantes, é necessário um circuito eletrônico capaz atender todas as características físicas, construtivas e de operação do MLRC, tais características foram retiradas do capítulo 4 da referência [3]. III. CONVERSOR ELETRÔNICO DE POTÊNCIA A conveniência de um conversor muda de acordo com a geometria do motor e com a estratégia de chaveamento adotada, por isso existem várias topologias de conversores eletrônicos de potência, mas nenhum conversor é definido como padrão. As topologias que apresentam maior enfoque na literatura podem ser divididas em sete categorias básicas: conversor half-bridge, conversor full-bridge, conversor com recuperação de energia capacitiva, conversor bifilar com recuperação de energia magnética, conversor com circuitos externos C.C-C.C para recuperação de energia, conversor dissipativo, e conversor auto-comutado. Vamos considerar apenas a fase A para melhor entendimento do circuito. O modo de magnetização ocorre quando as chaves S 1 e S 2 estão fechadas, permitindo a passagem de corrente pela bobina A. No modo de roda livre apenas uma das chaves (S 1 ou S 2 ) permanece fechada, dessa forma a energia não é devolvida ao barramento C.C. e percorre a bobina através do diodo correspondente à chave fechada, portanto a taxa de desmagnetização é baixa. O terceiro e último modo ocorre quando as duas chaves S 1 e S 2 estão abertas e a corrente elétrica circula pelos diodos de roda livre D 1 e D 2, fazendo com que a energia armazenada no campo magnético retorne ao barramento C.C., isso provoca uma tensão negativa no enrolamento conhecida como desmagnetização forçada da fase, e por isso a corrente que circula na bobina decresce rapidamente. No projeto em questão a desmagnetização da bobina precisa ser rápida porque, como dito anteriormente, a distância de deslocamento é limitada, então o modo de roda livre não é utilizado no acionamento. IV. IMPLEMENTAÇÃO DA TEORIA Conhecendo as características e o funcionamento do MLRC, foi possível colocar em prática todo teoria estudada. Primeiramente foi confeccionada a placa de circuito impresso, e depois, quando todo circuito já estava devidamente montado, a programação do microcontrolador para acionamento das fases foi realizada. A. Circuito Impresso Foi utilizada a plataforma Eagle para realizar a placa de circuito impresso do conversor eletrônico de potência. Essa plataforma trabalha com a criação do layout em cima de um projeto esquemático, portanto a primeira coisa a ser realizada é montar o circuito esquemático. O esquemático realizado está representado na figura 4, onde cada bloco representa o conversor eletrônico de cada

3 fase (nomeadas como A2, A1 e A). Para melhor visualização temos a figura 5, que é bloco 1 ampliado. Bloco 1 causada pela elevação da freqüência com que as chaves são acionadas. O ataque de gatilho tem por objetivo acionar os elementos chaveados do driver de potência, ou seja, oferece a tensão necessária para que os mosfets entrem em condução, acionando assim, o motor. A partir do esquemático já detalhado, foi realizado o layout da placa de circuito impresso. Algumas regras foram seguidas na confecção da placa, como o dimensionamento do tamanho mínimo da trilha. Sabendo que a corrente nominal de cada fase é aproximadamente 10A, que a placa utilizada é de ½ OZ, e que o circuito pode chegar até 45ºC, chegamos a um dimensionamento mínimo de 240mils (6,1mm). Essa relação existente entre corrente, temperatura, espessura da placa e largura da trilha, está mostrada na Figura 6. Bloco 2 Bloco 3 Fig. 4. Esquemático do Circuito Impresso. Bloco 1 Fig. 5. Esquemático ampliado com indicações específicas do circuito. É notável que o circuito mostrado na Figura 5 não possui apenas o conversor eletrônico de potência (indicado pelos círculos na cor vermelha). O circuito de acionamento também é constituído pelo circuito Snubber (retângulos na cor azul) e o pelo circuito de ataque de gatilho (retângulos na cor laranja). O circuito Snubber é responsável por amortecer oscilações de tensão e grampear sobretensões, por isso ele é colocado paralelamente ao mosfet com a finalidade de proteger o dispositivo. O mosfet suporta variações de corrente em um determinado limiar (de acordo com cada fabricante e modelo), mas quando é submetido à sobretensões periódicas, o dispositivo é danificado. Portanto o Snubber é de fundamental importância para garantir a segurança e a durabilidade do circuito, diminuindo também a interferência Fig. 6. Dimensionamento de trilhas. Outra característica importante da placa é que, como os mosfets emanam muito calor com a passagem de corrente, é necessário que eles estejam dispostos na placa de tal forma que possibilite a colocação de um único dissipador de calor. A solução encontrada foi colocar os mosfets e os diodos de roda livre em um lado da placa e os demais componentes no lado oposto, formando então, uma placa de dupla face. O layout pode ser visualizado na Figura 7, e o resultado final da placa pode ser visualizado nas Figuras 8 e 9. Para proporcionar melhor visualização dos componentes, o dissipador de calor não foi colocado. Na Figura 9 são notáveis seis fios vermelhos conectados à placa, eles são ligados diretamente aos terminais das bobinas do motor para proporcionar o acionamento das mesmas.

4 comunicação via USB, pois o pic 18F452 dispõe apenas da comunicação serial. A lógica da programação foi de simples implementação. Primeiramente foi preciso ler o nível de tensão dos sensores óticos (Figura 10), sendo que cada sensor corresponde ao acionamento de uma fase do motor. Fig. 7. Layout do circuito impresso. Fig. 8. Lado inferior da placa de circuito impresso. Fig. 9. Lado superior da placa de circuito impresso. B. Programação do microcontrolador O microcontrolador utilizado foi o Pic 18F452. Ele foi escolhido pois apresenta um número considerável de portas analógicas e já possui o conversor analógico/digital. Mas ele pode ser substituído por outros microcontroladores da mesma família, principalmente se for necessário realizar uma Fig. 10. Sensores óticos. Os sinais provenientes dos sensores foram convertidos de analógico para digital e seus valores foram comparados entre si. A comparação é realizada para determinar qual sensor apresenta nível lógico alto e, consequentemente, conhecer a posição relativa do estator. Conhecendo essa posição é possível determinar qual bobina deve ser energizada na sequência. O método utilizado é o de pré-programação, ou seja, a trajetória a ser realizada é programada através do PICC e gravada na memória do microcontrolador. Ela pode ser modificada de acordo com a conveniência e desejo do operador, e para sua modificação, basta gravar o pic com a nova programação. A mudança da trajetória também pode ser realizada através de interrupção de hardware, mas o resultado obtido não é satisfatório, pois, como a velocidade da parte móvel do motor é muito rápida, o controle manual torna-se inviável. V. RESULTADOS PRÁTICOS A seguir são apresentados os resultados obtidos experimentalmente, sendo que todos os resultados encontraram-se satisfatórios segundo a teoria estudada. Através de um osciloscópio de três canais, foram capturados os sinais dos sensores óticos (Figura 11) e os sinais de acionamento do circuito de ataque de gatilho (Figura 12). Foi escolhida uma escala de 10 V/divisão para os três canais nas duas amostragens, mas como o osciloscópio é de apenas três canais e são seis sinais a serem analisados, as imagens não representam sinais simultâneos. Como os sensores óticos representam o posicionamento do estator em relação ao rotor, era de se esperar que eles conduzissem em tempos diferentes, representando o alinhamento das bobinas com os pólos do rotor. Consequentemente, os sinais de ataque de gatilho também, necessariamente, precisavam acontecer em tempos distintos, respeitando os sinais de posicionamento. Os resultados obtidos para o acionamento do motor estão mostrados nas Figuras 11 e 12.

5 Fig. 11. Sinais dos sensores óticos. Fig. 13. Ondas de corrente e de tensão no enrolamento VI. CONCLUSÕES Fig. 12. Sinais de acionamento das bobinas. Para avaliar as ondas de corrente e de tensão das fases do motor, foi utilizado um osciloscópio de dois canais portátil, digital e isolado. Na Figura 13, o canal 1 representa a corrente de fase em uma escala de 5 A/divisão, e o canal 2 representa a tensão de fase da bobina em uma escala de 10 V/divisão. Primeiramente uma tensão positiva (canal 2 do osciloscópio) é aplicada no enrolamento de fase de modo que a corrente (canal 1) cresça até um valor próximo à corrente nominal. Posteriormente, ao final do período de condução da fase, as chaves do conversor eletrônico de potência são abertas, aplicando tensão negativa no enrolamento de fase. Nesse momento a corrente existente na fase do motor é acentuada gradativamente até cessar a tensão negativa no enrolamento, e isso ocorre porque o half-bridge encontra-se no modo de desmagnetização, onde a corrente percorre os diodos de roda livre. Com esse trabalho foi possível ativar um motor linear a relutância chaveado que encontrava-se no Laboratório de Automação, Servomecanismo e Controle da Faculdade de Engenharia Elétrica. O projeto realizado e a ativação do motor realizada em laboratório podem auxiliar estudantes no conhecimento e entendimento prático sobre assuntos tratados em sala de aula, englobando máquinas elétricas, conversores de potência, acionamento de motor, entre outros. Os resultados alcançados foram bastante satisfatórios, proporcionando mais uma referência aos estudos de máquinas elétricas lineares. VII. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao Laboratório de Automação, Servomecanismo e Controle pelo espaço físico utilizado para testes e implementação do projeto, pela disponibilidade de equipamentos e componentes eletrônicos usufruídos, e pelo conhecimento transmitido pelos coordenadores e professores do laboratório. Agradecemos também o financiamento proporcionado pela CNPq. VIII. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] E. R. LAITHWAITE, Induction Machines for Special Purposes. G. Newnes Ldt., London, [2] E. R. LAITHWAITE, A History of Linear Electric Motors. Macmillan, London, [3] J. L. DOMINGOS, Projeto, Construção e Proposta de Acionamento de um Motor Linear a Relutância Chaveado. Tese de Doutorado, Universidade Federal de Uberlândia. [4] H. K. BAE, B. S. LEE, P. VIJAYRAGHAVAN, R. KRISHNAN, A Linear Switched Reluctance Motor: Converter and Control. IEEE Transactions on Industry Applications, 2000