UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ELETROTÉCNICA CURSO DE ENGENHARIA INDUSTRIAL ELÉTRICA ÊNFASE ELETROTÉCNICA

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1 UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ELETROTÉCNICA CURSO DE ENGENHARIA INDUSTRIAL ELÉTRICA ÊNFASE ELETROTÉCNICA RAFAEL IVAN HARTMANN MARCOS CESAR MUNIZ PROJETO E IMPLEMENTAÇÃO DE UM CONVERSOR CC-CA TRIFÁSICO PARA ACIONAMENTO E CONTROLE ESCALAR DE UM MOTOR DE INDUÇÃO TRIFÁSICO UTILIZANDO DSP CURITIBA 2007

2 RAFAEL IVAN HARTMANN MARCOS CESAR MUNIZ PROJETO E IMPLEMENTAÇÃO DE UM CONVERSOR CC-CA TRIFÁSICO PARA ACIONAMENTO E CONTROLE ESCALAR DE UM MOTOR DE INDUÇÃO TRIFÁSICO UTILIZANDO DSP Trabalho apreentado na diciplina de Projeto Final de Curo II como requiito parcial para a concluão do Curo de Engenharia Indutrial Elétrica Ênfae em Eletrotécnica do Departamento Acadêmico de Eletrotécnica, Univeridade Tecnológica Federal do Paraná. Orientador: Prof. Eduardo Félix Ribeiro Romaneli, Dr. Coorientador: Prof. Joaquim Eloir Rocha, Dr. CURITIBA

3 RAFAEL IVAN HARTMANN MARCOS CESAR MUNIZ PROJETO E IMPLEMENTAÇÃO DE UM CONVERSOR CC-CA TRIFÁSICO PARA ACIONAMENTO E CONTROLE ESCALAR DE VELOCIDADE DE UM MOTOR DE INDUÇÃO TRIFÁSICO UTILIZANDO DSP Ete Projeto Final de Graduação foi julgado e aprovado como requiito parcial para a obtenção do título de Engenheiro Eletricita pela Univeridade Tecnológica Federal do Paraná. Curitiba, 13 de novembro de Prof. Paulo Sérgio Walênia, Ep. Coordenador de Curo Engenharia Indutrial Elétrica ênfae Eletrotécnica Prof. Ivan Eidt Colling, Dr. Reponável pelo Projeto Finai Engenharia Indutrial Elétrica ênfae Eletrotécnica BANCA EXAMINADORA: Prof. Eduardo Félix Ribeiro Romaneli, Dr. Orientador Prof. Joaquim Eloir Rocha, Dr. Co-orientador Prof. Antônio Carlo Pinho, Dr Prof. Alexandre Ferreira Lobo, M.Eng. 3

4 Ao noo pai: Ivan Levino Hartmann e Maria Helena Hartmann Guiomar Muniz Sobrinho e Aparecida Perandré Muniz 4

5 AGRADECIMENTOS À epoa, namorada e familiare pela força e tempo concedido à realização dete trabalho. Ao profeore Eduardo Romaneli e Joaquim Rocha pela pretatividade, empenho e confiança. Ao profeore Walter Sanche, Roger Gule e Ivan Colling pela valioa dica e ugetõe. Ao Engenheiro Danilo e Giely Adur, que forneceram a placa de uporte do DSP 56F8013. Ao colega Rafael Chritiano, Diego, Helton, Rodrigo e Lucy pela oportuna contribuiçõe. A emprea NHS Sitema Eletrônico LTDA pelo emprétimo do laboratório, equipamento e componente. A todo aquele que contribuíram de alguma forma para o noo deenvolvimento poibilitando que alcançáemo a formação de Engenheiro Eletricita. 5

6 Feliz o homem que acha abedoria, e o homem que adquire conhecimento, porque melhor é o lucro que ela dá do que o da prata e melhor a ua renda do que o ouro mai fino. (Provérbio 3.13,14) 6

7 RESUMO A utilização de inverore de freqüência na indútria tem e tornado muito comum devido à vantagen obtida na relação cuto benefício quando aplicado em conjunto com motore de indução trifáico, e comparado com o cuto de manutenção do motore de corrente contínua. Ete trabalho apreenta o converor CC/CA uado para acionamento e controle ecalar de velocidade de um motor de indução trifáico como uma alternativa de baixo cuto, fácil implementação e com plataforma de alta tecnologia. Utilizou-e o converor CC/CA trifáico com topologia Half-Bridge tipo 180º por apreentar um excelente aproveitamento da chave emicondutora, além de garantir uma forma de onda de aída etável e independente do tipo de carga e cuja freqüência pode er controlada. A implementação do converor de tenão foi feita atravé do uo do controlador digital de inai do fabricante Freecale 56F8013, que realiza o acionamento e o controle de velocidade do motor, o monitoramento e o controle do dipoitivo de chaveamento e a interface do circuito lógico e de potência do itema. Para io foi deenvolvido um protótipo completo do converor, incluindo a concepção e a contrução de uma placa de circuito impreo e o deenvolvimento de um código de programa para controle da tenão e freqüência aplicada ao motor. Para melhor compreenão do conceito e reultado obtido ete trabalho também faz uma revião bibliográfica obre o converore CC/CA trifáico, o método de acionamento e controle de velocidade, a modelagem do motore de indução trifáico e obre a técnica de modulação por largura de pulo. Ao final dete trabalho é poível verificar o reultado experimentai obtido na imulação e tete em um motor de indução trifáico de 0,33CV, demontrando a validade e a vantagen de ua aplicação. 7

8 ABSTRACT The ue of frequency inverter in indutrie ha became very commom becaue of hi cot and benefit advantage when they are ued with three-phae induction motor, comparing with the maintenance cot of continuou current motor. Thi work preent the DC/AC ued for tart up and calar peed control of the threephae motor a a low cot alternative, eay implementation and in a high technology platform. It wa ued the three-phae DC/AC converter Half-Bridge 180º topology for the excellent performance of emiconductor witche, the guarantee of table output waveform independently from the load type and that it frequency can be controlled. The implementation of thi converter wa made by the Freecale Digital Signal Proceor 56F8013 reponible for the tart up and peed control of the motor, the monitoring and the witche device control and the logic and power circuit interface. It wa developed a complete prototype of thi converter, including the conception and the printed circuit board contruction and the code program development for the voltage and frequency control applied for the motor. For better concept and obtained reult comprehenion thi work how a bibliographic reviion about three-phae DC/AC converter, the tart up and peed control method, the modeling of three-phae induction motor and about the pule width modulation technique. At the end of thi work i poible to check the experimental reult obtained in the imulation and tet of a 1/3 HP three-phae motor induction, howing the validity and it application advantage. 8

9 Sigla LISTA DE SIGLAS E ABREVIATURAS Decrição ADC AGU CA CC CLP CNC CPU DCM DMA DSC DSP ICC IHM LQFP MAC MIPS MIT PWM RAM ULA Analog Digital Converter - Converor analógico para digital Addre Generation Unit - Unidade de geração de endereço Corrente Alternada Corrente Contínua Controlador Lógico Programável Comando Numérico Computadorizado Central Proceing Unit - Unidade central de proceamento Dicontinuou Conduction Mode Modo de condução decontínuo Direct Memory Acce Aceo direto à memória Digital Signal Controler Controlador digital de inai Digital Signal Proceor - Proceador digital de inai Corrente de Curto Circuito Iterface Homen Máquina Low-profile Quad Flat Pack Multiplicação-acumulação Milhõe de intruçõe por Segundo. Motor de Indução Trifáico Pule Width Modulation, Modulação por largura de pulo Random Acce Memory Unidade Lógico-Aritmética 9

10 Símbolo LISTA DE SÍMBOLOS Decrição D Er er Ir p Pc Pg Po Pi Pr P Q Rm Rr R R m S S T Td T Tmm t Xm Xr X Zi δ φ θ Diodo Valor eficaz da tenão induzida no rotor por fae Tenão induzida por fae do rotor Corrente do rotor Número de pólo Perda no material ferromagnético Potência preente no entreferro da máquina Potência de aída Potência de entrada Perda no cobre Potência ativa Potência reativa Reitência relativa a perda no ferro da máquina Reitência do enrolamento Reitência de perda no etator Reitência Ecorregamento Ecorregamento ao máximo torque Potência aparente Chave emicondutora Período de chaveamento Torque deenvolvido Torque de partida Torque de carga Tempo em egundo Reatância de magnetização Reatância de diperão o rotor Reatância de diperão no etator Impedância de entrada do motor Poição relativa do rotor Fluxo magnetizante Ângulo entre tenão e corrente 10

11 θm ω ωb ωm ω η Defaagem entre tenão e corrente na entrada Freqüência angular em rad/ Velocidade bae Velocidade angular do rotor Velocidade Síncrona Rendimento LISTA DE FIGURAS Figura 1.1: Circuito de potência do inveror de tenão trifáico em ponte tipo 120º (BARBI & MARTINS, 2005)...18 Figura 1.2: Diagrama de eqüência de chaveamento do inveror de tenão trifáico em ponte tipo 120º (BARBI & MARTINS, 2005)...19 Figura 1.3: Curva torque x velocidade (POMILIO, 2006)...20 Figura 1.4: Curva torque x velocidade (POMILIO, 2006)...21 Figura 2.1: Formação de campo girante (POMÍLIO, 2006)...31 Figura 2.2: Campo girante em máquina de 4 pólo (POMÍLIO, 2006)...31 Figura 2.3: Modelo circuitai para motor de indução (POMÍLIO, 2006)...32 Figura 2.4: Modelo implificado, por fae, de motor de indução (POMÍLIO, 2006)...34 Figura 2.5: Caracterítica torque x velocidade de máquina de indução (POMÍLIO, 2006)...36 Figura 2.6: Caracterítica torque- ecorregamento deprezando R (POMÍLIO, 2006)...39 Figura 2.7: Fator de potência do motor (POMÍLIO, 2006)...39 Figura 2.8: Caracterítica torque x velocidade em função da reitência de rotor (POMÍLIO, 2006)...43 Figura 2.9: Controle de velocidade em função da reitência da armadura (POMÍLIO, 2006)...43 Figura 2.10: Caracterítica torque x velocidade (POMÍLIO, 2006)...44 Figura 2.11: Controle da tenão do etator (POMÍLIO, 2006)...44 Figura 2.12: Curva caracterítica torque x velocidade para tenão do etator variável (SIMÃO & ALMEIDA NETO, 2002)...45 Figura 2.13: Caracterítica torque x velocidade com controle da freqüência (POMÍLIO, 2006)...47 Figura 2.14: Caracterítica torque x velocidade com controle de tenão x freqüência (POMÍLIO, 2006)...48 Figura 2.15: Acionamento de máquina de indução com fonte de tenão (SIMÃO & ALMEIDA NETO, 2002)...49 Figura 2.16: Caracterítica torque x velocidade com acionamento por controle de corrente (POMÍLIO, 2006)...51 Figura 2.17: Curva caracterítica torque-velocidade para controle da corrente (SIMÃO & ALMEIDA NETO, 2002)...52 Figura 2.18: Acionamento da máquina de indução do tipo fonte de corrente (SIMÃO & ALMEIDA NETO, 2002)...53 Figura 2.19: Variável controlada em função da freqüência (SIMÃO & ALMEIDA NETO, 2002)

12 Figura 2.20: Etrutura báica de itema para acionamento em corrente de máquina CA (POMÍLIO, 2006)...55 Figura 2.21: Etrutura báica do inveror trifáico de tenão (BARBI & MARTINS, 2005)...56 Figura 2.22: Inveror trifáico de tenão com diodo de roda livre (BARBI & MARTINS, 2005)...56 Figura 2.23: Circuito de potência do inveror de tenão trifáico em ponte tipo 120º(BARBI & MARTINS, 2005)...58 Figura 2.24: Diagrama de eqüência de chaveamento do inveror de tenão trifáico em ponte tipo 120º(BARBI & MARTINS, 2005)...58 Figura 2.25: Diagrama de comando do inveror trifáico de tenão tipo 180º(BARBI & MARTINS, 2005)...60 Figura 2.26: Inveror trifáico de tenão tipo 180º(BARBI & MARTINS, 2005)...60 Figura 2.27: Principai forma de onda (BARBI & MARTINS, 2005)...61 Figura 2.28: Controle da corrente na carga com abertura e fechamento do interruptor...62 Figura 2.29: Tenão média obtida a partir do controle de abertura e fechamento da chave...63 Figura 2.30: Ciclo ativo...63 Figura 2.31: Controle da potência pelo ciclo ativo...64 Figura 2.32: Locked Anti-phae PWM...65 Figura 2.33: Geração de pulo de comando do inveror (SIMÃO & ALMEIDA NETO, 2002)...66 Figura 2.34: Sobre modulação do PWM Senoidal (SIMÃO & ALMEIDA NETO, 2002)...67 Figura 2.35: No intervalo tr e tf o dipoitivo gera calor em boa quantidade...68 Figura 2.36: Limite de Operação...70 Figura 2.37: Intrução MAC aplicada ao cálculo de um filtro digital (FREESCALE, 2006a)...73 Figura 2.38: Encapulamento e pinagem do DSP56F8013 (FREESCALE, 2006b)...76 Figura 2.39: Aplicação do driver...77 Figura 2.40: Diagrama do driver IR Figura 2.41: Circuito imulado no oftware...80 Figura 2.42: Corrente e tenão de linha obtida na imulação...82 Figura 2.43: Forma do inal de PWM complementare...82 Figura 3.1: Diagrama em bloco do converor CC-CA trifáico...84 Figura 3.2: Equema da pinagem do DSP...85 Figura 3.3 Equema da pinagem do IR Figura 3.4: Etágio de potência...88 Figura 3.5: Acionamento reotato...89 Figura 3.6: Alimentação da etapa lógica...90 Figura 3.7: Circuito de inicialização do DSP...91 Figura 3.8: Pull Up do driver...91 Figura 3.9: Circuito de ganho...92 Figura 3.10: Circuito de Boot_Strap...92 Figura 3.11: Circuito de acoplamento...93 Figura 3.12: Filtro e grampeador

13 Figura 3.13: Acionamento do relé...94 Figura 3.14: Circuito converor CA-CC...95 Figura 3.15: Circuito para recepção de amotra...95 Figura 3.16: Fonte auxiliar...96 Figura 3.17: Encoder...96 Figura 3.18: Acionamento do ventilador...97 Figura 3.19: Reitore de gate e diodo Figura 3.20: Diagrama em bloco da fonte auxiliar Figura 3.21: Etrutura de entrada e aída do programa Figura 3.22: Fluxograma do oftware Figura 3.23: Fluxograma do oftware Figura 3.24: Equema do tete da etapa lógica utilizando o KIT MC56F8013DEMO Figura 3.25: Forma de onda obtida no KIT MC56F Figura 3.26: Placa de adaptação do DSP 56F Figura 3.27: Tranformador da fonte auxiliar 16V +16V Figura 3.28: Layout da placa principal Toplayer Figura 3.29: Layout da placa principal BottomLayer Figura 3.30: Placa montada Figura 3.31: Placa motor Figura 3.32: Enaio prático do protótipo Figura 3.33: Enaio prático do protótipo Figura 3.34: Tenõe de linha a 65 Hz Figura 3.35: Tenõe de linha em relação à repectiva freqüência ajutada Figura 3.36: Gráfico que relaciona a tenão e a freqüência LISTA DE TABELAS Tabela 2.1: Chave eletrônica pequiada...71 Tabela 2.2: Driver pequiado...78 Tabela 3.1: Sinai de aída do DSP...86 Tabela 3.2: Sinai de entrada no DSP...86 Tabela 3.3: Entrada do driver IR Tabela 3.4: Saída do driver IR Tabela 3.5: Determinação da bitola do fio Tabela 3.6: Parâmetro da fonte auxiliar Tabela 3.7: Reumo do evento do oftware Tabela 3.8: Relação V/f

14 SUMÁRIO CAPÍTULO 1 INTRODUÇÃO GERAL INTRODUÇÃO PROBLEMA JUSTIFICATIVA OBJETIVO GERAL OBJETIVOS ESPECÍFICOS MÉTODO DE PESQUISA ESTRUTURA DO TRABALHO...25 CAPÍTULO 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA MOTOR DE INDUÇÃO APLICAÇÕES DO MOTOR DE INDUÇÃO VANTAGENS DO MOTOR DE INDUÇÃO TRIFÁSICO MODELAGEM DA MÁQUINA DE INDUÇÃO TRIFÁSICA ACIONAMENTO DO MOTOR DE INDUÇÃO MÉTODOS DE CONTROLE DE VELOCIDADE DE UM MOTOR DE INDUÇÃO CONTROLE PELA RESISTÊNCIA CONTROLE PELA TENSÃO DE ALIMENTAÇÃO DO ESTATOR CONTROLE PELA VARIAÇÃO DA FREQUÊNCIA CONTROLE DA TENSÃO E DA FREQUÊNCIA CONTROLE DA CORRENTE CONTROLE DE TENSÃO, FREQUÊNCIA E CORRENTE INVERSORES INVERSORES DE CORRENTE INVERSORES DE TENSÃO INVERSOR DE TENSÃO TRIFÁSICO TIPO 120º SEQUÊNCIA DE FUNCIONAMENTO INVERSOR DE TENSÃO TRIFÁSICO TIPO 180º SEQUÊNCIA DE FUNCIONAMENTO INVERSOR PWM

15 2.8 MODULAÇÃO PWM SENOIDAL VANTAGENS DO INVERSOR PWM DESVANTAGENS DO INVERSOR PWM DISPOSITIVOS PARA CHAVEAMENTO PROCESSADOR DIGITAL DE SINAIS DSP DSP PRINCIPAIS CARACTERÍSTICAS E VANTAGENS APRESENTAÇÃO DO FREESCALE DSP56F VISÃO GERAL DO NÚCLEO 56800/E PERIFÉRICOS MEMÓRIA ENCAPSULAMENTO E PINAGEM PROGRAMAÇÃO DO MC56F DRIVER SIMULAÇÃO CONCLUSÕES...83 CAPÍTULO 3 DESENVOLVIMENTO EXPERIMENTAL INTRODUÇÃO DIAGRAMA DE BLOCOS DO CIRCUITO CIRCUITOS DSP BLOCO DE CONTROLE DIGITAL E LÓGICA DE COMANDO DRIVER IR ESTÁGIO DE POTÊNCIA ACIONAMENTO DO REOSTATO ALIMENTAÇÃO DA ETAPA LÓGICA CIRCUITO DE INICIALIZAÇÃO DO DSP CIRCUITO PULL-UP DO DRIVER CIRCUITO DE GANHO CIRCUITO DE BOOT_STRAP CIRCUITO DE ACOPLAMENTO DO SINAL DE FAULT ENTRE O DRIVER E O DSP FILTRO E GRAMPEADOR DAS AMOSTRAS DE CORRENTE E TENSÃO CIRCUITO PARA ACIONAMENTO DO RELÉ CIRCUITO CONVERSOR CA-CC CIRCUITO PARA RECEPÇÃO DAS AMOSTRAS FONTE AUXILIAR CC CIRCUITO PARA ENCODER CIRCUITO PARA ACIONAMENTO DO VENTILADOR

16 3.4 MEMÓRIA DE CÁLCULO CONVERSOR CA-CC DETERMINAÇÃO DO FILTRO CAPACITIVO DETERMINAÇÃO DOS DIODOS DE RETIFICAÇÃO CONVERSOR CC-CA TRIFÁSICO DIMENSIONAMENTO DAS CHAVES DIMENSIONAMENTO DOS RESISTORES DE GATE CIRCUITO DE BOOT_STRAP FONTE AUXILIAR DETERMINAÇÃO DO TRANSFORMADOR DA FONTE CONVERSOR CA-CC DA FONTE AUXILIAR REGULADOR 15V REGULADOR 3,3V PROGRAMA IMPLEMENTADO NO DSP 56F MONTAGEM DO PROTÓTIPO PLACA DE SUPORTE PARA O DSP TRANSFORMADOR DA FONTE AUXILIAR LAYOUT DA PLACA PRINCIPAL PLACA MONTADA DADOS DE PLACA DO MOTOR ENSAIO PRÁTICO DO PROTÓTIPO EM BANCADA RESULTADOS EXPERIMENTAIS FORMAS DE ONDA RELACIONANDO A TENSÃO E A FREQUÊNCIA VALORES OBTIDOS NA PRÁTICA RELACIONANDO A TENSÃO E A FREQUÊNCIA GRÁFICO DA CURVA V/F CONCLUSÃO CAPÍTULO 4 CONSIDERAÇÕES FINAIS REFERÊNCIAS APÊNDICES APÊNDICE 1 ESQUEMÁTICO COMPLETO DO CIRCUITO ANEXOS ANEXO 1 FOLHA DE DADOS DO DRIVER UTILIZADO ANEXO 2 FOLHA DE DADOS DO MOSFET UTILIZADO

17 CAPÍTULO 1 INTRODUÇÃO GERAL 1.1 INTRODUÇÃO O motore de indução, devido a ua grande implicidade, robutez e baixo cuto, ão o motore mai utilizado, endo adequado para quae todo o tipo de máquina acionada encontrada na prática. Seu princípio báico de funcionamento e baeia no campo girante, que urge quando um itema de corrente alternada é aplicado no etator. Operam normalmente com velocidade contante, que varia em função da carga mecânica aplicada ao eixo devido ao ecorregamento, ao número de pólo e da freqüência fundamental da tenão de alimentação. O grande inconveniente é que, em grande parte da aplicaçõe, neceita-e do ajute da velocidade e eta é de complexa implementação e comparado com o motor de corrente contínua, cujo método de controle é a variação da tenão média aplicada à armadura. A etratégia de controle mai utilizada no converore ão: Controle ecalar: baeia-e no conceito original do converor de freqüência: impõe no motor uma determinada tenão/freqüência, viando manter a relação V/f contante. O controle é realizado em malha aberta e a precião da velocidade é função do ecorregamento do motor, que varia em função da carga, já que a freqüência no etator é impota. O controle ecalar é o mai utilizado devido à ua implicidade e de que na maioria da aplicaçõe não requer alta precião e/ou rapidez no controle de velocidade (WEG, 2006). Controle vetorial: poibilita atingir um elevado grau de precião e rapidez no controle do torque e da velocidade do motor. O controle decompõe a corrente do motor em doi vetore: um que produz o fluxo magnetizante e outro que produzem torque, regulando eparadamente o torque e o fluxo (WEG, 2006). A principai diferença entre o doi tipo de controle ão que o controle ecalar ó conidera a amplitude da grandeza elétrica intantânea (fluxo, corrente e tenõe), referindo-a ao etator, e eu equacionamento baeia-e no circuito equivalente do motor, ou eja, ão equaçõe de regime permanente. Já o controle vetorial admite a repreentação da grandeza elétrica intantânea por vetore, baeando-e na equaçõe epaciai dinâmica da 17

18 máquina, com a grandeza referida ao fluxo enlaçado pelo rotor, ou eja, o motor de indução é vito pelo controle vetorial como um motor de corrente contínua, havendo regulação independente para torque e fluxo (WEG, 2006). Com o advento da eletrônica de potência, foi poível contruir converore que poam manipular o parâmetro elétrico aplicado ao motor de indução e, coneqüentemente, variar ua velocidade em comprometer o torque. O converor CC-CA trifáico tipo 120º embora não eja o modo de operação tão empregado quanto o tipo 180º é uma opção capaz de deempenhar de forma eficaz o controle ecalar de um motor de indução trifáico. A etrutura de potência é a mema do inveror trifáico tipo 180º, com a única diferença que cada chave controlada conduz por apena 1/3 do período de operação do converor, ou eja, 120º. Por ea razão o nome de inveror trifáico tipo 120º. Dee modo, há um intervalo de 60º entre o comando de dua chave controlada pertencente a um memo braço do inveror. Por coneguinte, em qualquer intante de tempo omente dua chave controlada etarão conduzindo, uma do grupo poitivo (S1, S2, S3) e outra do grupo negativo (S4, S5, S6). O comando da chave controlada de um dado braço ão defaado de 120º em relação ao comando do braço vizinho (BARBI & MARTINS, 2005). Há ei eqüência de operação em um período da forma de onda de tenão alternada de aída. Em cada eqüência dua chave controlada permanecem em condução, conectando doi do terminai de carga ao terminai da fonte de alimentação CC, enquanto o terceiro terminal permanece flutuando. Figura 1.1- Circuito de potência do inveror de tenão trifáico em ponte tipo 120º (BARBI & MARTINS, 2005). A cada intervalo de 60º uma chave controlada é colocada em condução, obedecendo a uma eqüência apropriada a fim de gerar um itema de tenõe trifáica balanceada defaada de 120º. A freqüência de chaveamento define a freqüência de tenão de aída. A 18

19 Figura 1.2 apreenta, na forma de diagrama, a eqüência de chaveamento do inveror trifáico de tenão em ponte tipo 120º repreentado na Figura 1.1. Verifica-e pelo diagrama de eqüência de chaveamento da Figura 1.2 que a poibilidade de curto-circuito nete modo de operação é muito remota, dado o fato que há um intervalo relativamente grande de T/6, ou eja, 60º. Entre a ordem de bloqueio de uma chave e a ordem de entrada em condução de outra chave, amba pertencente ao memo braço do inveror. Ea caracterítica repreenta uma grande vantagem dete tipo de controle. Como cada chave controlada conduz por apena 120º ela ão, portanto, meno utilizada quando comparada com a do inveror tipo 180º. Ea técnica repreenta um meio imple de redução da tenão na carga em alterar a tenão de entrada (BARBI & MARTINS, 2005). Figura Diagrama de eqüência de chaveamento do inveror de tenão trifáico em ponte tipo 120º (BARBI & MARTINS, 2005). 1.2 PROBLEMA Devido ao proceo que envolvam controle de velocidade, aliado a viabilidade econômica e confiabilidade, tem urgido à neceidade de implementação de dipoitivo ativo que venham a controlar a velocidade do motore de indução. A grande devantagem do motor de indução trifáico reide na dependência entre torque e fluxo magnético. 19

20 A relação entre torque e fluxo é obtida pela expreão (1.1): T = K Φ 1 m I 2 (1.1) Sendo: T Torque ou conjugado diponível na ponta do eixo [N.m]; K 1 Contante (depende do material e do projeto da máquina); m Fluxo de magnetização [Wb]; I 2 Corrente rotórica [A] (depende da carga). Variando-e apena a tenão, varia-e a velocidade, entretanto, o fluxo varia e, coneqüentemente, o torque. A velocidade de rotação mecânica e o fluxo magnetizante ão expreo atravé da expreõe (1.2) e (1.3) repectivamente. A Figura 1.3 relaciona o torque e velocidade para diferente tenõe aplicada ao etator do motor de indução. Figura 1.3 Curva Torque x Velocidade (POMILIO, 2006). Sendo: Td Torque deenvolvido [N.m]; V Tenão aplicada no etator [V]; wm Velocidade de rotação mecânica [rpm]; w Velocidade do campo girante [rpm]. 20

21 120 f1 n = 1 p ( ) (1.2) Sendo: n Velocidade de rotação mecânica [rpm]; f 1 Freqüência fundamental da tenão de alimentação [Hz]; Ecorregamento; p Número de pólo. Sendo: V 1 Φ m = K 2 f (1.3) 1 m Fluxo de magnetização [Wb]; K 2 Contante (depende do material e do projeto da máquina); V 1 Tenão etatórica [V]; f 1 Freqüência fundamental da tenão etatórica [Hz]. Analiando a expreão (1.3), é poível obter um fluxo magnetizante contante mantendo-e a relação V1/f1 contante. Como coneqüência, conegue-e o controle da velocidade com torque contante (1.1). A velocidade é alterada em função da freqüência f 1 (1.2) impota pelo converor. A tenão V1 é, também, alterada de tal forma a obter V1/f1 contante. A figura 1.4 relaciona o torque e velocidade para diferente valore de V1 e f1: Sendo: Figura 1.4 Curva Torque x Velocidade (POMILIO, 2006). Td Torque deenvolvido [N.m]; wm Velocidade de rotação mecânica [rpm]; w Velocidade do campo girante [rpm]. 21

22 Entre o principai benefício obtido com o converor, pode-e detacar: Controle a ditância - no itema eletrônico de variação de velocidade, o equipamento de controle pode ituar-e em uma área conveniente, ficando apena o motor acionado na área de proceamento - ao contrário do itema hidráulico e mecânico de variação de velocidade (WEG, 2006). Redução de cuto - partida direta ocaionam pico de corrente, que cauam dano não apena ao motor, ma também a outro equipamento ligado ao itema elétrico. Converore etático proporcionam partida mai uave, reduzindo cuto com manutenção (WEG, 2006). Aumento de produtividade - itema de proceamento indutrial, geralmente, ão obre dimenionado na perpectiva de um aumento futuro de produtividade. Converore etático poibilitam o ajute da velocidade operacional mai adequada ao proceo, de acordo com o equipamento diponívei e a neceidade de produção a cada momento (WEG, 2006). Eficiência energética - o rendimento global do itema de potência depende não apena do motor, ma também do controle. O converore etático de freqüência apreentam rendimento elevado, da ordem de 97% ou mai. Motore elétrico também apreentam alto rendimento, tipicamente de 70% em máquina pequena até 95% ou mai em máquina maiore operando ob condiçõe nominai. Na variação de velocidade, a potência fornecida pelo motor é variada de maneira otimizada, influenciando diretamente a potência conumida e conduzindo a elevado índice de rendimento do itema (motor + converor) (WEG, 2006). Veratilidade - converore etático de freqüência ão adequado para aplicaçõe com qualquer tipo de carga. Com carga de torque variável (pequena demanda de torque em baixa rotaçõe), o controle reduz a tenão do motor compenando a queda de rendimento que normalmente reultaria da diminuição de carga. Com carga de torque (ou potência) contante a melhoria de rendimento do itema provém da capacidade de variar continuamente a velocidade, em neceidade de utilizar múltiplo motore ou itema mecânico de variação de velocidade (como polia e engrenagen), que introduzem perda adicionai (WEG, 2006). 22

23 Maior Qualidade - o controle precio de velocidade obtido com converore reulta na otimização do proceo. O controle otimizado do proceo proporciona um produto final de melhor qualidade (WEG, 2006). 1.3 JUSTIFICATIVA Projetar e implementar um converor CC-CA trifáico controlado por um DSP aplicado ao acionamento e controle ecalar de velocidade de um motor de indução trifáico no poibilitará agregar conhecimento de programação de proceadore digitai de inai. Atualmente, a indútria vem empregando em larga ecala microproceadore no mai divero equipamento acentuando a neceidade de conhecimento de programação daquele. O deejo de projetar e implementar ee converor erá a oportunidade prática de aplicar conceito que irá além de proporcionar a aquiição de conhecimento teórico obre proceadore, reultar em um protótipo funcional que poderá er utilizado em trabalho futuro na área de controle de motore com a poibilidade de implementação de um controle em malha fechada. Ee projeto além de agregar um diferencial a noa formação acadêmica na área de microproceadore, ainda reunirá conceito de controle digital, converão eletromecânica, eletrônica de potência, acionamento e controle de máquina elétrica caracterizando deta forma um projeto com nível de complexidade compatível com um projeto de graduação. 1.4 OBJETIVO GERAL Deenvolver um converor CC-CA aplicado ao acionamento e controle ecalar da velocidade do motor de indução trifáico, controlado por um proceador digital de inai (DSP). Ete converor terá potência de aída de ½ CV e tenão de entrada 220V. 23

24 1.5 OBJETIVOS ESPECÍFICOS Etudar o modelamento de uma máquina de indução trifáica; Fazer uma revião bibliográfica obre converore CC-CA, em epecial o converor trifáico tipo de operação 180º, controle digital e proceador digital de inai (DSP); Conhecer o hardware do DSP que erá utilizado na implementação do circuito; Etudar a linguagem para programação do DSP; Etudar o melhor método de implementação do converor, que inclui a decião do modo de condução, etratégia de diparo da chave, etratégia de controle do converor, entre outro. Simular o converor propoto no projeto; Identificar e dimenionar o componente que erão utilizado na montagem do circuito; Montar o protótipo; Realizar enaio de deempenho e analiar o reultado obtido. 1.6 MÉTODO DE PESQUISA O método de pequia erá de caráter exploratório, experimental e teórico, viando reunir conhecimento aplicávei em projeto de converore detinado ao acionamento e controle ecalar de velocidade de motore de indução trifáico. Utilizando livro de Eletrônica de Potência pretende-e aborver o conceito neceário com relação à topologia do converore CC-CA endo de interee epecial o Tipo de operação 180º ; com auxílio da internet pretende-e analiar ite do DSCE FEEC UNICAMP em epecial àquele diponibilizado pelo Prof. J.A.Pomílio que veram obre modelagem de máquina de indução trifáica, converore CC-CA para acionamento de máquina de indução trifáica. Na biblioteca da UTFPR pretende-e encontrar monografia relacionada a converore, modulaçõe PWM com o intuito de reforçar o conceito que e epera obter no livro de eletrônica de potência. Conultando artigo diponibilizado por outra univeridade, em ite de fabricante, como por exemplo, o ite da WEG Equipamento Elétrico S.A, no qual pretende- 24

25 e obter informaçõe e conceito relacionado a motore de indução alimentado por converore de freqüência, caracterítica do converore de freqüência PWM, entre outro. Atravé de catálogo de fabricante, data heet aceado via internet pretende-e obter toda a informaçõe neceária obre a epecificaçõe de limite de corrente, tenão, potência, tipo de encapulamento. Dea forma pretende-e epecificar corretamente o componente e aplicá-lo convenientemente em noo projeto. Utilizando imulador deeja-e modelar e prever ituaçõe do comportamento do converor em funcionamento para que e coniga realizar comparaçõe com o protótipo a er montado. Além dio, propõem-e a contrução de um protótipo e realização de enaio em laboratório para melhor análie do deempenho do converor, ajute, refinamento do projeto, e obtenção de reultado. Coniderar-e-á concluído noo trabalho de pequia quando efetivamente coneguir-e acionar e controlar de forma ecalar um motor de indução trifáico de até ½ CV. 1.7 ESTRUTURA DO TRABALHO O trabalho erá contituído de quatro capítulo. O primeiro capítulo apreentará a propota do projeto como introdução geral, e decreverão o problema que e pretende reolver, a jutificativa, o objetivo almejado com o deenvolvimento do trabalho bem como o método de pequia. O egundo capítulo erá detinado à revião bibliográfica obre motore de indução trifáico, converore CC-CA trifáico tipo de operação 180º, além de analiar o controle ecalar de velocidade em malha aberta propriamente dito. Ete capítulo também e detina ao levantamento de informaçõe que fornecerá todo o embaamento teórico neceário ao deenvolvimento do projeto do converor propoto. Serão abordado o eguinte aunto: topologia de converore CC-CA trifáico, controle digital e proceadore digitai de inai. O terceiro capítulo apreentará a decrição da parte experimental, memória de cálculo e o reultado obtido. No último capítulo erão apreentada a concluõe finai, baeada em toda a pequia realizada e experiência adquirida ao longo do deenvolvimento do projeto. 25

26 CAPÍTULO 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 2.1 MOTOR DE INDUÇÃO Um do motore de contrução robuta, imple e mai comum é o motor de indução trifáico. A corrente no rotor é induzida a partir do campo girante que urge em função da corrente do etator e também do movimento relativo exitente no condutore do rotor. O motor de indução conite de dua parte principai: O etator é a parte fixa que é contituído por um núcleo de ferro laminado no qual exitem ulco na uperfície em que ficam alojado o enrolamento. O enrolamento do etator produzem um campo magnético que gira com velocidade íncrona, quando alimentado com tenão trifáica. O rotor é contruído em doi tipo: o rotor curto circuito ou mai comumente conhecido como endo de gaiola, e o rotor bobinado. O núcleo magnético de ambo o tipo ão compoto de ferro laminado. O rotor bobinado conta de um núcleo em tambor, provido de ranhura no quai enrolamento emelhante ao do etator e encontram alojado, configurando o memo número de pólo. No rotor trifáico o enrolamento do rotor bobinado geralmente e encontram ligado em etrela, endo trê anéi coletore acoplado ao eixo ligado à trê extremidade livre do enrolamento do rotor, facilitando a inerção de reitore variávei érie em cada fae (GARCIA, 1998). O rotor tipo gaiola conta de um núcleo em tambor, no quai fio ou barra de cobre ão alojado em ranhura.a barra ou fio de cobre ão curto-circuitado no extremo por anéi. O princípio báico de funcionamento do motor de indução é o eguinte: o campo girante criado pela corrente do etator induz f.e.m no condutore do rotor que dão origem a corrente de valor igual ao quociente da f.e.m. pela repectiva impedância. Um conjugado é produzido em função da reação criada pela corrente obre o campo girante forçando o rotor girar no memo entido do campo girante. Se a velocidade íncrona for atingida, a linha de força do campo girante não cortarão o condutore do rotor de forma que a corrente induzida deaparecerão e coneqüentemente 26

27 o conjugado do motor torna-e nulo, portanto a velocidade do rotor em relação ao do campo girante terão que er obrigatoriamente diferente (GARCIA, 1998). O campo pulante é gerado quando o enrolamento do etator ão percorrido por uma corrente que induzirá um campo magnético que acompanhará a variação enoidal da corrente. Deta forma urge empre um par de pólo N-S, cuja poição dependerá do entido da corrente, e coneqüentemente o campo ficará mudando de polaridade endo portanto pulante, embora mantendo fixo o eixo de imetria (GARCIA, 1998). O campo girante, embora o eixo de imetria ejam fixo no epaço, nada mai é do que a reultante do campo pulante gerado por cada fae que apreenta defaagem de ângulo igual a exitente entre a tenõe aplicada, que gira num determinado entido. Coniderando-e o etator de um motor de indução trifáico, a trê fae ituada na ranhura do etator ão ligada na configuração etrela ou triângulo a uma fonte de alimentação trifáica. A tenõe aplicada e acham defaada de 120º grau elétrico, e na trê fae originam corrente iguai defaada entre i de 120º elétrico. Eta corrente determinam um campo de valor contante a partir da combinação do campo magnético pulante repectivamente por ela gerado. O campo determinado gira com uma velocidade contante que depende do número de pólo para o quai o etator foi enrolado e também da freqüência da fonte (GARCIA, 1998). A velocidade do rotor é obtida atravé da expreão: Sendo: 120 f 1 n = 1 p ( ) n Velocidade de rotação mecânica [rpm]; f 1 Freqüência fundamental da tenão de alimentação [Hz]; Ecorregamento; p Número de pólo. (2.1) A relação entre a eqüência de tenõe com a repectiva ligaçõe da trê fae é reponável pelo entido de rotação do campo determinando o entido de rotação do motor. Na prática, invertendo-e a ligaçõe de dua fae aleatoriamente do etator com a linha de alimentação obtém-e a inverão do entido de rotação do motor. Quando o motor funciona em carga, o rotor gira com velocidade quae igual à velocidade íncrona, porém com carga corrente maiore ão induzida para deenvolver o conjugado neceário, uma vez que o rotor e atraa em relação ao campo girante. 27

28 Chama-e ecorregamento, a eguinte relação: n nr = (2.2) n Sendo - ecorregamento - velocidade íncrona - velocidade do rotor O ecorregamento, conforme o tipo e tamanho do motor, geralmente ão expreo em porcentagem endo epecificado em torno de 1 a 5%. A freqüência da corrente no rotor é o produto do ecorregamento pela freqüência da corrente no etator, ito é: f r = f (2.3) Para o motore trifáico de corrente alternada a corrente podem er determinada pela eguinte expreõe: PN PE I N = = (2.4) 3 V coϕ η 3 V coϕ N N Sendo V N a tenão nominal (de linha) e coϕ o fator de potência nominal. A corrente conumida por um motor varia batante dependendo da aplicação. Na maioria do motore, a corrente é muito alta na partida, caindo paulatinamente com o aumento da velocidade. Atingida a velocidade nominal fornecendo uma potência nominal e não exitindo a ocorrência de uma obrecarga a corrente atinge eu valor nominal. 28

29 2.2 APLICAÇÕES DO MOTOR DE INDUÇÃO Motore de indução com rotor bobinado ão aplicávei para atender carga de alto torque de partida e onde a corrente de partida deve er baixa e aquela que neceitam algum tipo de controle. Aplicaçõe típica ão eteira, britadore, guindate, elevadore, compreore entre outra. Motore de indução ão melhore aplicado para olicitaçõe de alta velocidade e ito é em grande parte por caua da reatância de magnetização X m que é inveramente proporcional ao quadrado do numero de pólo, tamanho da armadura e número de epira. Em contra partida o motore de menore velocidade têm corrente de magnetização proporcionalmente maior e coneqüentemente menor fator de potência. Motore Síncrono ão geralmente uado para aplicaçõe exigente de velocidade abaixo de 500 rpm aproximadamente (SIMÃO & ALMEIDA NETO, 2002). 2.3 VANTAGENS DO MOTOR DE INDUÇÃO TRIFÁSICO O MIT apreenta como ponto poitivo a eu favor a eguinte caracterítica: São contrutivamente mai imple e robuto do que o motore de corrente contínua. Apreenta menor maa (20 a 40% a meno), para uma mema potência, o que leva a um cuto menor de aquiição do que a máquina CC equivalente. A manutenção também é mai imple e meno oneroa e comparada à máquina CC, apreentam um conumo de energia menor no proceo de aceleração e frenagem, poibilidade de obtenção de velocidade maiore o que implica em potência maiore. A grande devantagem do MIT quando controlado por variação de tenão reide na dependência entre fluxo e tenão no etator. A máquina CC por contarem com excitação independente ão controlada facilmente por variação de tenão, porém com a evolução do inverore que permitem variação imultânea da tenão e freqüência no etator, O MIT conegue equipararem-e a máquina CC de forma que a devantagem deaparece (SIMÃO & ALMEIDA NETO, 2002). Entretanto, quando e deeja realizar um acionamento controlado, o converore e itema de controle tendem a er mai ofiticado que aquele utilizado para a máquina 29

30 CC, endo neceário avaliar o cuto global da implementação e não apena o relativo à máquina. Coniderando que o cuto do converore e circuito eletrônico tem diminuído com o paar o tempo, enquanto o cuto de produção da máquina tem tido uma variação muito meno ignificativa, o cuto total do itema máquina mai acionamento cada vez mai tende a er vantajoo para a máquina CA. Em termo de deempenho dinâmico, nova técnica de controle, como o controle vetorial, têm poibilitado à máquina CA apreentarem comportamento imilar ao da máquina CC, impondo-e definitivamente obre a vantagen anteriore da máquina de corrente contínua. 2.4 MODELAGEM DA MÁQUINA DE INDUÇÃO TRIFÁSICA Uma máquina de indução trifáica poui enrolamento de etator no quai é aplicada a tenão alternada de alimentação. O rotor pode er compoto por uma gaiola curtocircuitada ou por enrolamento que permitam circulação de corrente. De qualquer forma, por efeito tranformador, o campo magnético produzido pelo enrolamento do etator induz corrente no rotor, de modo que, da interação de ambo o campo magnético erá produzido o torque que levará a máquina à rotação (POMÍLIO, 2006). Dada à caracterítica trifáica da alimentação do etator e à ditribuição epacial do enrolamento, o campo produzido pelo etator é girante, ou eja, ua reultante poui um movimento rotacional. O campo produzido pela corrente induzida no rotor terá empre como caracterítica acompanhar o campo girante do etator. A produção de torque no eixo da máquina deriva do fato da velocidade do rotor er neceariamente diferente da velocidade do campo girante. Se o rotor girar na mema velocidade do campo girante não haverá variação de fluxo pelo enrolamento do rotor e não haverá corrente induzida. A Figura 2.1 ilutra a formação do campo girante. A corrente induzida no rotor poui uma freqüência que é a diferença da freqüência angulare exitente entre o rotor e o campo girante. Portanto, na partida com a máquina parada a corrente erão de 60Hz. À medida que a máquina ganha velocidade, a freqüência vai caindo até atingir a velocidade de regime tipicamente a pouco Hz (POMÍLIO, 2006). A velocidade angular do campo girante depende do número de pólo da máquina, além da freqüência de alimentação. O número de pólo é função do número de enrolamento imetricamente delocado no etator alimentado pela mema tenão de fae. 30

31 Portanto e trê enrolamento etiverem dipoto num arco de 180º endo cada um para cada fae e o outro trê ocuparem o outro emi-perímetro do etator etá máquina é dita de 4 pólo. Figura Formação de campo girante (POMÍLIO, 2006). O campo girante conta com pólo magnético intercalado e imetricamente ditribuído. A figura 2.2 ilutra tal ituação. O campo reultante obervado no entreferro da máquina apreenta o pólo reultante delocado epacialmente de 90º um do outro devido ao fato da imetria circular da máquina. A reultante no centro do arranjo é nula, porém o que importa é o fluxo preente no entreferro. Uma rotação de 180º no eixo correponde a um ciclo completo da tenõe de alimentação, ou eja 360 grau elétrico.(pomílio, 2006). Figura Campo girante em máquina de 4 pólo (POMÍLIO, 2006). Sendo p o número de pólo e a freqüência angular (em rad / ) da tenõe de alimentação a velocidade íncrona é dada por: 31

32 120 f 1 n = (2.5) p O modelo de um motor de indução por fae é ilutrado na figura (2.3a). Figura Modelo circuitai para motor de indução (POMÍLIO, 2006). a) circuito do rotor; b) com rotor e etator eparado; c) com rotor refletido ao lado do etator. Utilizando o modelo do rotor, onde X r repreenta a indutância de diperão (na freqüência ) e Rr é a reitência do enrolamento, obtém-e a corrente do rotor: E ' r r = ' ' (2.6) Rr + j X r I I ' r = R ' r E r + j X ' r (2.7) 32

33 O modelo do rotor pode, então, er modificado, a fim de que o ecorregamento afete apena a reitência do rotor, como e vê na figura (2.3b), onde e inclui também um circuito equivalente para o etator (POMÍLIO, 2006). Refletindo o lado do rotor para o do etator, obtém-e o circuito equivalente demontrado na figura (2.3c). Indica-e neta figura a reatância de magnetização, X m e a reitência relativa à perda no ferro da máquina, R m. A reitência do enrolamento do etator é R e a reatância de diperão, X. A perda no cobre podem er etimada por: 2 P = 3 I R (2.8) 2 Pr = 3 Ir Rr (2.9) A perda no material ferromagnético ão etimada por: Vm 3 V Pc = (2.10) Rm Rm rotor, A potência preente no entreferro da máquina, que é aquela que e tranfere para o P g 2 Rr = 3 I r (2.11) A potência deenvolvida efetivamente reponável pela produção do torque eletromagnético é: P d = Pg Pr = Pg ( 1 ) (2.12) O torque deenvolvido é: T d = P Pg ω (2.13) d ω = m 33

34 A potência de entrada é: P i = Pc + P + Pg = 3 V I coθ (2.14) A potência deenvolvida ubtraída da perda mecânica P x (atrito e ventilação) contitui-e na potência de aída: P o = Pd Px (2.15) A eficiência erá: P P P o d x η = = Pi Pc + P + P (2.16) g Sendo P g ( Pc + P ) >> e P d >> Px, a eficiência é, aproximadamente: η 1 (2.17) Sendo, normalmente R m muito grande e X m2 ( R2 + X 2 ) >>, o ramo relativo à magnetização pode er reumido apena pela reatância endo repreentada na entrada do circuito, como motrado na Figura 2.4. Figura Modelo implificado, por fae, de motor de indução (POMÍLIO, 2006). 34

35 35 Coniderando o modelo implificado obtemo a impedância de entrada do motor, demontrada a eguir: ( ) ( ) r m r r m r m i X X X j R R R R X j X X X Z = (2.18) A defaagem entre tenão e corrente na entrada erá: = R R X X X X X R R r r m r r m 1 1 tan tan π θ (2.19) Da Figura 2.4, a corrente de rotor é: ( ) 2 1/ = r r X X R R V I (2.20) Subtituindo Ir na expreão da potência no entreferro e, eta na expreão do torque deenvolvido, tem-e: ( ) = r r r d X X R R V R T ω (2.21) A Figura 2.5 motra uma curva torque x velocidade do motor alimentado com uma fonte de tenão enoidal.a forma de onda típica é obtida coniderando-e amplitude e freqüência fixa da fonte de alimentação. Na ilutração a eguir identificam-e trê regiõe de operação:

36 - Tração (0< S <1) - Regeneração (S<0) - Reverão (1< S < 2) Figura Caracterítica torque-velocidade de máquina de indução (POMÍLIO, 2006). Em tração, o rotor roda no memo entido do campo girante e, à medida que o ecorregamento aumenta (partindo do zero), o torque também aumenta, de maneira praticamente linear, enquanto o fluxo de entreferro e mantém contante. No rotor a variação da tenão induzida diferente da impedância é linear com o ecorregamento, endo que a tenão induzida e a impedância ão reponávei pela corrente do rotor. Para valore pequeno de (até cerca de 10%, tipicamente), a reatância do rotor pode er deconiderada (.X r, na equação (2.10)). Sendo o rotor praticamente reitivo, de modo linear com o ecorregamento a corrente do rotor crece o memo acontecendo com a potência. O torque varia de forma praticamente linear com o aumento de, coniderando que a velocidade praticamente contante (próxima a ). Quando a hipótee acima deixam de erem válida, ou eja, quando a reatância do rotor e torna ignificativa e a reitência equivalente paa a diminuir de modo mai marcante, tem-e uma redução da potência (eja pela diminuição da corrente, eja pela menor fração de tenão aplicada à parte reitiva), levando a menor potência e torque. 36

37 Na região linear é que e dá a operação normal do motor, uma vez que, e o torque de carga exceder T mm, o motor, perdendo o eu torque, parará, levando a elevada perda no rotor, devido à alta corrente induzida (POMÍLIO, 2006). Na região de regeneração, o rotor e o campo girante movem-e no memo entido, ma a velocidade mecânica m, é maior do que a velocidade íncrona, levando a um ecorregamento negativo. A máquina e encontrará operando como um gerador e, portanto entregando potência ao itema que etiver conectado o etator, quando a reitência equivalente do rotor for negativa. A caracterítica torque x velocidade aemelha-e àquela da operação em tração, porém com um valor de pico maior. Na região de reverão o rotor comporta-e em opoição ao campo girante provocando um ecorregamento maior que 1. Ito pode ocorrer quando e faz a inverão na conexão de dua fae do etator, provocando a mudança no entido de rotação do campo. O torque produzido opõe-e ao movimento do rotor, levando a uma frenagem da máquina. Neta ituação a corrente ão elevada enquanto o torque preente é pequeno. Internamente na máquina pode urgir um exceivo aquecimento devido à diipação de energia retirada da maa girante. Não e recomenda tal modo de operação (POMÍLIO, 2006). dtd Fazendo-e = 0 obtém-e o ecorregamento reponável pelo torque máximo. O d torque de partida é obtido quando = 1. m = ± r 2 2 [ R + ( X + X ) ] 1/ 2 R r (2.22) torque: Obtêm-e o máximo torque poívei ubtituindo o valore na expreão do T mm = 3 V 2 2 2ω R R 2 ( X X r ) (2.23) T mr = 2ω R + R 3 V R ( X + X r ) (2.24) 37

38 38 Para motore de potência uperior a 1 kw, é razoável upor que R é deprezível em relação à outra impedância, permitindo implificar a expreõe conforme demontrado a eguir: ( ) + + = r r r d X X R V R T ω (2.25) ( ) ( ) [ ] r r r X X R V R T + + = ω (2.26) r r m X X R + ± = (2.27) ( ) r mr mm X X V T T + = = 2ω 3 2 (2.28) Normalizando (2.29) e (2.30) em relação ao torque máximo: T T m m mm d + = (2.29) = m m mm T T (2.30)

39 Para <1 e 2 <<m 2, o torque normalizado pode, ainda, er aproximado por: T T d mm 2 ω ωm = = 2 ω m m (2.31) m Td ω = m ω 1 (2.32) 2 Tmm A Figura 2.6 motra a curva aproximada (deprezando R) e linearizada, na região de baixo ecorregamento. Na figura 2.7 tem-e o comportamento do fator de potência. Na região de operação em que o ecorregamento é menor do que m, o motor opera de modo etável. Quanto menor a reitência do rotor, menor erá o valor de m e mai próxima etará à velocidade íncrona da velocidade mecânica. Neta região, o motor opera praticamente a velocidade contante (POMÍLIO, 2006). Figura Caracterítica torque-ecorregamento deprezando R (POMÍLIO, 2006). Figura Fator de potência do motor (POMÍLIO, 2006). 39

40 2.5 ACIONAMENTO DO MOTOR DE INDUÇÃO Sempre que poível, a partida de um motor trifáico tipo gaiola deve er direta por meio de um dipoitivo de controle, geralmente um contator, entretanto a corrente elevada na partida torna-e o inconveniente dete método. Cao a partida direta torne-e inviável quer eja pela exigência da conceionária ou por retriçõe da própria intalação elétrica recorre-e a utilização de itema de partida indireta (GARCIA, 1998). Partida com chave etrela-triângulo: A utilização dete método exige que o motor diponha em ua configuração da poibilidade de ligação em dupla tenão. O motore devem ter no mínimo ei borne de ligação 127/220V, 220/380V, 380/660V ou 440/760V (GARCIA, 1998). Partida com chave compenadora: Nete método um autotranformador que poui tape de 50,65 e 80% da tenão nominal mantém reduzida a tenão no intante da partida (GARCIA, 1998). Partida com Soft Starter: Soft-Starter é um dipoitivo eletrônico compoto de ponte com SCR acionado por uma placa eletrônica com a finalidade de controlar a corrente de partida do motore de indução trifáico. O oft-tater, atravé do circuito de potência, variando o ângulo de diparo do ei SCR que compõe o circuito, controla a tenão eficaz aplicada ao motor. Deta forma controla-e a corrente de partida do motor atravé de uma partida uave e conequentemente em queda bruca na rede elétrica, ao contrário do que ocorre na partida direta. Geralmente funciona com a tecnologia chamada by-pa que atravé de um contator acionado logo apó o motor ter recebido a tenão da rede, proporciona a aída do módulo tiritore evitando obre aquecimento ao memo. Partida com inveror: Converore CC em CA ão conhecido como inverore. A função de um inveror conite em converter uma tenão de entrada CC em uma tenão de aída CA imétrica de amplitude e freqüência deejada. Tanto a tenão de aída quanto à freqüência pode er fixa ou variável. Mantendo-e o ganho do inveror contante e apena variando-e a amplitude da tenão de entrada CC, obtém-e uma tenão de aída variável. A relação entre a tenão de aída CA e a tenão de entrada CC define o ganho do inveror. 40

41 Por outro lado, atravé do controle por modulação de largura de pulo obtém-e a variação do ganho do inveror e coneqüentemente uma tenão de aída variável memo quando a tenão de entrada CC for fixa e não controlada. A forma de onda da tenão de aída de inverore ideai deveriam er puramente enoidai. Entretanto, a forma de onda de inverore prático ão não enoidai e contêm certo harmônico. Para aplicaçõe de potência elevada fazem-e neceária forma de onda enoidai de baixa ditorção, porém para baixa e média potência, tenõe de onda quadrada ou quae quadrada podem er aceitávei. O conteúdo harmônico pode er minimizado ou reduzido ignificativamente atravé do emprego de técnica de chaveamento, ito e dá ao fato principalmente pela diponibilidade atual de dipoitivo emicondutore de alta potência e velocidade. O inverore ão amplamente empregado no acionamento de motore de indução com velocidade variável. A entrada pode er uma bateria, célula combutível, célula olar ou outra fonte CC. A aída monofáica típica ão: (1) 120 V a 60 Hz, (2) 220 V a 50 Hz e (3) 115 V a 400 Hz. Para itema trifáico de alta potência, a aída típica ão: (1) 220 / 380 V a 50 Hz (2) 120 / 208 V a 60 Hz e (3) 115 / 200V a 400 Hz. O inverore podem, geralmente, er claificado em doi tipo: inverore monofáico e inverore trifáico. Dependendo da aplicaçõe ambo o tipo de inverore requiitarão dipoitivo de diparo ou de bloqueio controlado tai como TBP, MOSFET, IGBT, MCT, GTO ou tiritore em comutação forçada. Ee inverore para gerar uma tenão de aída CA, utilizam inai de controle baeado na modulação por largura de pulo. Um inveror é chamado inveror alimentado por tenão e a tenão de entrada for contante e alimentado por corrente e a corrente de entrada for contante. O inverore utilizam-e da converão CA-CC e novamente CC-CA, enquanto que o ciclo converor que o antecederam, convertia 60Hz da rede em uma freqüência mai baixa. 41

42 2.6 MÉTODOS DE CONTROLE DE VELOCIDADE DE UM MOTOR DE INDUÇÃO A velocidade de um motor de indução, do ponto de vita do acionamento, pode er controlada da eguinte maneira: a) Controle da reitência do rotor b) Controle da tenão do etator c) Controle da freqüência do etator d) Controle da tenão e da freqüência do etator e) Controle da corrente f) Controle da tenão, corrente e freqüência CONTROLE PELA RESISTÊNCIA Para uma máquina de rotor bobinado colocam-e externamente reitência que e omem à impedância própria do rotor, como motrado na Figura 2.9a. A variação de R x permite mover a curva torque x velocidade da máquina, como motrado na Figura 2.8. Ete método permite elevar o torque de partida e limitar a corrente de partida. Devido à diipação de potência obre a reitência, ete método é coniderado de baixa eficiência. Torna-e fundamental para o bom funcionamento da máquina a garantia de balanceamento entre a trê fae. Ete tipo de acionamento é utilizado quando e neceita de um elevado torque e número de partida. O reitore podem er ubtituído por um retificador trifáico que enxerga uma reitência variável, determinada pelo ciclo de operação do tranitor de aída conforme ilutrado na figura 2.9b. Atravé de outro arranjo, utilizando-e retificadore controlado, conegue-e que ao invé de diipar energia obre a reitência externa, a mema poa er devolvida para a rede. A relação exitente entre a tenão CC determinada pelo retificador e a corrente Id reflete para o enrolamento do rotor a reitência equivalente. Ete arranjo é ilutrado na Figura 2.9c. 42

43 Figura 2.8 Caracterítica torque x velocidade em função da reitência de rotor (POMÍLIO, 2006). Figura Controle de velocidade em função da reitência da armadura (POMÍLIO, 2006) CONTROLE PELA TENSÃO DE ALIMENTAÇÃO DO ESTATOR Da equação do torque verifica-e que ele é ao quadrado da tenão aplicada ao etator. Deta forma uma redução na tenão produz para um dado torque um aumento no ecorregamento e a diminuição da velocidade, como ilutrado na Figura Ete tipo de acionamento não é aplicável a carga que neceitem de torque contante, nem elevado conjugado de partida. 43

44 A faixa de ajute de velocidade é relativamente etreita e é feita ao cuto de uma redução ignificativa do torque diponível. Quando a curva do torque da carga cruza a curva da máquina além do ponto de torque máximo, não é poível o acionamento. O motore denominado pela clae D ão concebido para ete tipo de acionamento poi pouem elevada reitência de rotor. Em função da elevada reitência do rotor conegue-e que a variação de velocidade torne-e maior e não eja muito evera a perda de torque em baixa velocidade (POMÍLIO, 2006). Figura Caracterítica torque x velocidade (POMÍLIO, 2006). Por meio de um controlador de tenão CA contituído por tiritore operando com controle de fae, pode-e variar a tenão do etator. Em itema de baixa performance tai como bomba centrífuga, ventiladore que neceitam de baixo torque de partida, a implicidade jutifica eu uo. Coniderando-e o uo de um inveror trifáico, outra poibilidade é operar com tenão ajutável a partir de modulação por largura de pulo mantendo-e a freqüência fixa. Reduzindo-e a tenão no intante da partida conegue-e limitar conideravelmente a corrente de partida. A Figura 2.11 ilutra, equematicamente, o acionamento. Figura 2.11 Controle da tenão do etator (POMÍLIO, 2006). 44

45 Em qualquer circuito magnético, a tenão induzida é proporcional ao fluxo no entreferro e a freqüência. À medida que a tenão é reduzida no etator o memo ocorrerá com o fluxo no entreferro e o torque.a um ecorregamento de aproximadamente 1/3, a corrente terá um máximo a uma tenão mai baixa. Na ituaçõe em que a máquina apreentam ecorregamento baixo o intervalo de velocidade torna-e muito etreito, tornando-e inadequado para carga que operam a torque contante. Normalmente é aplicado em ituaçõe que neceitem de baixo torque de partida e faixa etreita de velocidade a um ecorregamento relativamente baixo (SIMÃO & ALMEIDA NETO, 2002). Figura Curva caracterítica torque-velocidade para tenão do etator variável (SIMÃO & ALMEIDA NETO, 2002). Atravé de controladore de tenão CA, inverore trifáico PWM pode-e obter a variação de tenão no etator. O controladore de tenão CA, devido à caracterítica de faixa de velocidade limitada, normalmente ão utilizado em aplicaçõe de baixa potência e também em máquina de indução de alta potência limitando grande pico de corrente, porém apreentam baixo fator de potência na entrada além de levado conteúdo harmônico. 45

46 2.6.3 CONTROLE PELA VARIAÇÃO DA FREQUÊNCIA Controlando-e apena a freqüência da fonte de alimentação de um motor de indução é poível obter-e a variação da velocidade e torque. A máquina etará em eu valor nominal dede que o valore do fluxo no entreferro, de tenão e freqüência e encontrem em eu valore nominai. Se a freqüência for diminuída e a tenão mantida contante o fluxo aumentará, levando coneqüentemente à aturação da máquina, alterando o parâmetro da máquina e a caracterítica torque x velocidade. Em baixa freqüência, com a queda no valor da reatância, a corrente tendem a e elevar demaiadamente. Ete tipo de controle não é normalmente utilizado (POMÍLIO, 2006). O fluxo e o torque diminuem e a freqüência for aumentada acima do valor nominal. Se a velocidade íncrona à freqüência nominal for determinada como endo b (velocidade bae), a velocidade íncrona e o ecorregamento em outra freqüência de excitação erão: ω = b ω b (2.33) b ω ω ω b m m = = 1 b ωb b ω (2.34) b A expreão para o torque erá: T d = b ωb R 3 R V R + r r ( b X + b X ) r 2 (2.35) A curva típica de torque x velocidade para diferente valore de b ão ilutrada na Figura O torque, abaixo da velocidade bae, deve ficar limitado ao eu valor nominal. Coniderando a ocorrência de perda de torque, pode-e atravé da elevação da freqüência aumentar a velocidade, eta caracterítica é emelhante à do motore de corrente contínua quando pelo método do enfraquecimento de campo e obtém a elevação da velocidade.uma alimentação dete tipo pode er obtida atravé da utilização de um inveror que forneça uma tenão contante (valor eficaz), variando apena a freqüência. 46

47 Figura Caracterítica torque - velocidade com controle da freqüência (POMÍLIO, 2006). Pode-e notar, que à tenão e freqüência nominal o fluxo terá eu valor nominal. O fluxo aumentará e a freqüência for reduzida abaixo do eu valor nominal e a tenão for mantida fixa no eu valor nominal, provocando a aturação no entreferro e portanto tornando o parâmetro da máquina não confiávei na determinação da curva da caracterítica torque x velocidade. Em baixa freqüência, a reatância diminuem e a corrente na máquina pode alcançar valore elevado, de forma que ee tipo de controle baeado na imple redução de freqüência não é muito utilizado (SIMÃO & ALMEIDA NETO, 2002). O fluxo e o torque diminuem e a freqüência for elevada acima do eu valor nominal. Se a velocidade íncrona correpondente à freqüência nominal for chamada velocidade bae b, a velocidade íncrona em qualquer outra freqüência torna-e ωm = b ωb. Aim, pode-e concluir que o torque máximo é inveramente proporcional ao quadrado da freqüência e 2 Tm b permanece contante, imilar ao comportamento da máquina CC em érie. A máquina nete tipo de controle opera no modo de enfraquecimento de campo. Para b>1 a capacidade de torque é limitada poi a máquina endo operada a tenão terminal contante tem eu fluxo reduzido. Para b<1 a máquina é normalmente operada a fluxo contante, reduzindo-e a tenão terminal Va (Tenão do etator) juntamente com freqüência, de tal forma que o fluxo permaneça contante. 47

48 2.6.4 CONTROLE DA TENSÃO E DA FREQUÊNCIA Mantendo-e contante a relação entre a tenão e a freqüência da alimentação do motor, o fluxo de entreferro não e altera, de modo que o torque máximo não e altera. A Figura 2.14 motra a caracterítica torque x velocidade para uma excitação exemplificando ete tipo de controle (POMÍLIO, 2006). Figura Caracterítica torque - velocidade com controle de tenão x freqüência (POMÍLIO, 2006). Para velocidade abaixo da bae ete tipo de acionamento é aplicado, poi a tenão nominal da máquina não deve er ultrapaada. O inveror controlado por modulação de largura de pulo é o acionador empregado para ajutar imultaneamente a freqüência e a tenão mantendo a relação contante. A queda de tenão na impedância érie do etator em função da redução da freqüência diminui o fluxo no entreferro provocando à redução na tenão aplicada obre a reatância de magnetização e, portanto à neceidade de e elevar a tenão em tai ituaçõe para e manter o torque (POMÍLIO, 2006). A curva caracterítica típica torque x velocidade ão motrada na Figura À medida que a freqüência é reduzida, b diminui e o ecorregamento para o torque máximo aumenta. A velocidade pode er controlada variando-e a freqüência para uma dada demanda de torque. Portanto, a velocidade e o torque podem er controlado variando-e tanto a freqüência quanto à tenão. O torque normalmente é mantido contante, enquanto a velocidade é variada. A tenão à freqüência variável pode er obtida a partir de inverore trifáico ou ciclo converore. Trê configuraçõe poívei de circuito para variação de freqüência e tenão ão ilutrada na figura Na Figura 2.15a, a tenão CC permanece contante e a técnica PWM é aplicada para variar tanto a tenão quanto a freqüência do inveror. Devido ao retificador 48

49 com diodo, não é poível a regeneração e o inveror geraria harmônico na alimentação CA. Na figura 2.15b, o chopper varia a tenão CC para o inveror e ete controla a freqüência ao memo tempo em que reduz a injeção de harmônico na alimentação CA. Na Figura 2.15c, a tenão CC é variada pelo converor dual e a freqüência é controlada pelo inveror. A regeneração é permitida neta configuração porém em epecial quando o ângulo de diparo é alto, o fator de potência de entrada do converor é baixo. Figura Acionamento de máquina de indução com fonte de tenão (SIMÃO & NETO ALMEIDA, 2002). 49

50 CONTROLE DA CORRENTE Variando-e a corrente do rotor pode-e controlar o torque do motor. No entanto, o controle direto pode er obtido atravé do aceo a corrente do etator. A corrente e o torque produzido podem er recrito como: ( ) r m r m i r X X X j R R X ji I = (2.36) ( ) ( ) = r m r i m r d X X X R R I X R T ω (2.37) O torque de partida (=1) é dado por: ( ) ( ) ( ) [ ] ( 3 r m r i m r X X X R R I X R T = ω (2.38) O ecorregamento para o torque máximo é: ( ) 2 2 r m r m X X X R R = (2.39) Deprezando o efeito da impedância do etator, o torque máximo é expreo por: ( ) i r m m m I L L L T + = (2.40) A Figura 2.16 motra a caracterítica torque x velocidade para diferente valore de corrente de entrada.

51 Figura Caracterítica torque - velocidade com acionamento por controle de corrente (POMÍLIO, 2006). O torque máximo é praticamente independente da freqüência. No entanto na partida com o ecorregamento unitário o valor Rr é reduzido, de forma que a corrente que egue pela indutância de magnetização é baixa endo reponável pela produção de um pequeno fluxo e, coneqüentemente, um pequeno torque. O fluxo e o torque caminhando no entido da aturação do material ferromagnético à medida que a máquina e acelera o ecorregamento diminui e aumentam a corrente de magnetização. Com o intuito de e evitar a aturação, o motor geralmente é acionado na região intável da curva torque x velocidade, o que e torna poível apena com controle de obre tenão terminal da máquina e em malha fechada. Uma corrente com valor eficaz contante pode er uprida por inverore de corrente, garantindo-e em um barramento CC uma fonte de corrente contínua, realizada por um indutor tendo como função o controle da corrente. Dede que o inveror eja preparado para tal ituação técnica tipo PWM também ão poívei. Para tanto a chave devem er capaze de bloquear tenõe com amba a polaridade e permitir a condução de corrente em um único entido. Variando-e a corrente de entrada, que é prontamente aceível, em vez da corrente do rotor. A corrente do rotor depende do valore relativo da impedância de magnetização e do circuito do rotor, quando e tratar de uma corrente de entrada fixa (SIMÃO & ALMEIDA NETO, 2002). Sabe-e que o torque máximo depende do quadrado da corrente e é aproximadamente independente da freqüência. A curva caracterítica torque-velocidade típica ão motrada 51

52 na Figura Como a reatância de magnetização (X m ) é grande em relação ao valore da reatância de etator (X ) e rotor (X r ), o torque de partida é baixo. A tenão no etator crece e o torque aumenta à medida que a velocidade aumenta ou o torque diminui. A corrente de partida é pequena devido ao fato do baixo valore de fluxo, poi a corrente de magnetização I m é baixa e o valor de X m é grande. O torque aumenta com a velocidade devido ao aumento do fluxo. Um aumento ainda maior na velocidade, na direção da inclinação poitiva da curva caracterítica, aumenta a tenão terminal além do valor nominal. O fluxo e a corrente de magnetização também ão aumentado, levando dea forma à aturação. Pela corrente do etator e o ecorregamento o torque pode er controlado. Para evitar à aturação devido à tenão elevada e manter o fluxo no entreferro contante a máquina normalmente é operada na inclinação negativa da curva caracterítica torque x velocidade, no controle de tenão. A máquina tem de er operada com controle de malha fechada poi a inclinação negativa encontra-e na região intável. A um baixo ecorregamento, a tenão terminal poderia er exceiva e o fluxo aturaria. Devido à aturação, o torque máximo eria melhor que o motrado na Figura Figura Curva caracterítica torque-velocidade para controle da corrente (SIMÃO & ALMEIDA NETO, 2002). Atravé de inverore trifáico tipo fonte de corrente, pode-e fornecer corrente contante. A vantagen de controle de corrente de falta e da corrente er meno enível à variaçõe do parâmetro da máquina pode er obtido com um inveror alimentado por corrente, embora exita a quetão da geração de harmônico e pulação de torque. Na Figura 2.18 ão motrado dua configuraçõe de acionamento com inverore alimentado por corrente. Na Figura 2.18a o indutor age como fonte de corrente controlada pelo retificador controlado, endo que nee tipo de arranjo o fator de potência de entrada é coniderado muito baixo. Na figura 2.18b, o fator de potência de entrada é maior e o chopper controla a fonte de corrente. 52

53 Figura Acionamento da máquina de indução do tipo fonte de corrente (SIMÃO & ALMEIDA NETO, 2002) CONTROLE DE TENSÃO, FREQUÊNCIA E CORRENTE. O controle de velocidade por meio de variação da tenão, corrente e freqüência, faze neceário no cao em que e deeja obter certo requiito de torque x velocidade. Exitem trê regiõe de operação da máquina de indução ilutrada na figura Na primeira a velocidade pode er variada atravé do controle da tenão (ou da corrente), a um torque contante. Na egunda a máquina é operada a uma à corrente contante e o ecorregamento é variado. Na terceira a velocidade é controlada pela freqüência a uma corrente reduzida no etator. Figura Variável controlada em função da freqüência (SIMÃO & ALMEIDA NETO, 2002).. 53

54 Para > 1, a máquina opera em tenão contante, portanto o fluxo diminui quando a freqüência aumenta e a máquina opera no modo de enfraquecimento de campo. Quando da operação como motor, uma diminuição da referência de velocidade diminui a freqüência da alimentação, io muda a operação para modo de frenagem regenerativa. Sob a preença do torque frenante e da carga o acionamento deacelera. Para velocidade abaixo do valor nominal a tenão e a freqüência ão reduzida para manter o fluxo contante ou a deejada relação V f mantendo a operação na curva de torque velocidade com uma inclinação negativa, limitando a velocidade de ecorregamento. Acima da nominal, para manutenção da velocidade de operação, apena a freqüência é reduzida, na parte da curva de torque x velocidade com uma inclinação negativa. Quando etiver próximo da velocidade deejada, a operação vai para o modo motor e o acionamento acomoda-e na velocidade deejada. Quando da operação como motor, um aumento na referência de velocidade aumenta a freqüência de alimentação. O torque da máquina excede o torque de carga e eta deacelera. A operação é mantida na parte da curva com inclinação negativa em função do ecorregamento, endo que o acionamento etabiliza-e na velocidade deejada (SIMÃO & ALMEIDA NETO, 2002). 2.7 INVERSORES INVERSORES DE CORRENTE O uo de inverore de corrente ocorre principalmente em aplicaçõe de grande potência, na quai não é neceária uma rápida repota dinâmica, tai como: ventiladore e bomba, guindate, eteira rolante, acionamento de veículo peado. Dada a alta potência envolvida, oluçõe topológica que utilizam SCR e GTO (Gate Turn-Off Thyritor) ão intereante. No primeiro cao (SCR ) como a alimentação é em corrente contínua, faz-e neceário o uo de algum tipo de comutação forçada para permitir o deligamento do tiritore. Com GTO é poível utilizar técnica do tipo PWM. A tenão obervada na entrada da máquina é praticamente enoidal. Ete fato indica o uo dete converore para o acionamento de máquina elétrica (epecialmente a de 54

55 contrução mai antiga) cuja iolação da fiação, em função do iolante utilizado, não admite dv taxa de variação da tenão ( ) muito elevada (POMÍLIO, 2006). dt Uma etrutura báica de um itema de acionamento em corrente é ilutrada na figura O retificador de entrada ajuta o nível de corrente contínua obre a indutância L. O circuito de comando do inveror determina na aída do inveror a freqüência dada a corrente alternada. Ete inveror pode pouir diferente topologia, como e verá a eguir. Eta etrutura permite, pelo ajute adequado do ângulo de diparo da ponte retificadora, a regeneração de energia, a energia retirada do motor acionado pode refluir para a rede, dede que a tenão média na aída do retificador eja negativa. Figura Etrutura báica de itema para acionamento em corrente de máquina CA (POMÍLIO, 2006) INVERSORES DE TENSÃO A topologia do inverore de tenão utilizada no acionamento de máquina elétrica não pouem diferença ignificativa em relação àquela já decrita para a realização de inverore de freqüência fixa. O circuito de controle quando produz um inal de referência de freqüência variável é que na realidade o diferencia (POMÍLIO, 2006). O inveror trifáico de tenão, com forma de onda retangular na aída, é uma da etrutura mai empregada na indútria, é normalmente aplicado em alta potência. Sua popularidade deve-e em princípio pelo fato de er um eficiente meio de e obter tenõe trifáica com freqüência controlável. 55

56 A etrutura báica do inveror trifáico de tenão é apreentada na Figura Para carga indutiva faz-e neceário à adição de ei diodo colocado em antiparalelo com cada chave comandada, gera-e um interruptor bidirecional em corrente, que permite a circulação de corrente durante a abertura da chave. Ee diodo deempenham o papel de roda-livre para a circulação da corrente de carga. A nova etrutura, aim concebida, adquire a forma apreentada na Figura Ela é contituída por trê braço inverore em meia ponte, onde cada braço repreenta uma fae do itema etático trifáico, que é conectado à carga trifáica. A carga trifáica alimentada por ee itema é em geral balanceada. Figura Etrutura báica do inveror trifáico de tenão (BARBI & MARTINS, 2005). Figura Inveror trifáico de tenão com diodo de roda-livre (BARBI & MARTINS, 2005). O funcionamento báico do inveror trifáico é eencialmente o memo do inveror monofáico em ponte. Para e coneguir o efeito de ponte trifáica, cada terminal de aída de cada braço inveror é conectado alternadamente, a cada meio período, no terminal poitivo e negativo da fonte de alimentação CC. 56

57 A tenão de aída trifáica é obtida preervando um ângulo de defaagem de 120º entre a eqüência de chaveamento de cada braço inveror. Dee modo, tem-e pra cada braço inveror, uma tenão de aída que e encontra 120º atraada em relação ao braço inveror chaveado anteriormente, e 120º adiantada em relação ao braço inveror chaveado poteriormente, de forma a e produzir o memo comportamento do itema trifáico convencionai. O inveror trifáico de tenão em ponte apreenta doi tipo de operação. O tipo 180º, onde cada chave comandada conduz por 180º, e o tipo 120º, onde cada chave conduz por apena 120º de cada emiperíodo. O tipo 180º é em geral o mai empregado por doi motivo: 1º) a chave emicondutora ão mai bem aproveitada quando operam conduzindo por 180º; 2º) no tipo 180º a forma de onda de tenão de aída não é afetada pela natureza da carga INVERSOR DE TENSÃO TRIFÁSICO TIPO 120º Ete modo de operação não é tão empregado como o tipo 180º. A etrutura de potência é a mema do inveror trifáico tipo 180º, com a única diferença que cada chave controlada conduz por apena 1/3 do período de operação do converor, ou eja, 120º. Por ea razão o nome do inveror trifáico tipo 120º. Dee modo, há um intervalo de 60º entre o comando de dua chave controlada pertencente a um memo braço do inveror. Por coneguinte, em qualquer intante de tempo omente dua chave controlada etão conduzindo, um grupo poitivo (S1, S2, S3) e outra do grupo negativo (S4, S5, S6). O comando da chave controlada de um dado braço ão defaado de 120º em relação ao comando do braço vizinho SEQUÊNCIA DE FUNCIONAMENTO Há ei eqüência de operação em um período da forma de onda da tenão alternada de aída. Em cada eqüência dua chave controlada permanecem em condução, conectando doi do terminai da carga ao terminai da fonte de alimentação CC, enquanto o terceiro terminal permanece flutuando. 57

58 Figura Circuito de potência do inveror de tenão trifáico em ponte tipo 120º(BARBI & MARTINS, 2005). A cada intervalo de 60º uma chave controlada é colocada em condução, obedecendo a uma eqüência apropriada a fim de gerar um itema de tenõe trifáica balanceada defaada de 120º. A freqüência de chaveamento define a freqüência da tenão de aída. A Figura 2.24 apreenta, na forma de diagrama, a eqüência de chaveamento do inveror trifáico de tenão em ponte tipo 120º repreentado na Figura Verifica-e pelo diagrama de eqüência de chaveamento da Fig que a poibilidade de curto-circuito nete modo de operação é muito remota, dado o fato que há um intervalo relativamente grande de T/6, ou eja, 60º entre a ordem de bloqueio de uma chave e a ordem de entrada em condução da outra chave, amba pertencente ao memo braço do inveror. Ea caracterítica repreenta uma grande vantagem dete tipo de controle. Como a chave controlada conduz por apena 120º ela ão, portanto, meno utilizada quando comparada com a do inveror tipo 180º. Ea técnica repreenta um meio imple de redução da tenão na carga em alterar a tenão de entrada. Figura Diagrama de eqüência de chaveamento do inveror de tenão trifáico em ponte tipo 120º(BARBI & MARTINS, 2005). 58

59 INVERSOR DE TENSÃO TRIFÁSICO TIPO 180º Nete cao cada chave comandada é mantida em condução durante 180º. O comando da dua chave de um memo braço inveror ão complementare. O comando da chave de um braço ão defaado de 120º em relação ao comando da chave do braço vizinho. A partir dea etratégia de comando a tenão de aída é impota a todo intante, qualquer que eja a natureza da carga. A etrutura de potência do inveror trifáico tipo 180º é a mema apreentada na Figura 2.26, onde a chave comandada (S1-S6) podem er tiritore ou GTO (para alta potência na faixa de MW), ou tranitore (TBP, MOSFET ou IGBT para baixa e média potência). Em aplicaçõe na quai, pelo nível de potência, e exige o uo de tiritore, ete devem er acompanhado de eu repectivo circuito de comutação forçada. A carga pode er ligada em etrela (Y) ou em triângulo ( ). Para uma carga ligada em etrela, a tenõe fae-neutro devem er determinada de modo a encontrar a corrente de linha (ou fae). Para uma carga ligada em triângulo, a corrente de fae podem er obtida diretamente a partir da tenõe de linha SEQUÊNCIA DE FUNCIONAMENTO O inveror trifáico de tenão em ponte da Figura 2.26 é, de fato, a compoição de trê inverore monofáico de meia ponte. No braço R, para o primeiro meio período, a chave S1 permanece em condução, enquanto S4 fica bloqueada. Já no meio período eguinte há uma inverão no comando da chave, e aim S1 permanece aberta, enquanto S4 mantém-e conduzindo. A chave do braço S operam da mema maneira, exceto pelo fato que o comando da mema etá defaado de 120º, ou eja, 1/3 de período, em relação a R. Operação imilar ocorre com o braço T, endo que o comando da chave dee braço etá defaado de 120º em relação ao braço S. Dee modo, a chave emicondutora ão comanda egundo o diagrama repreentado na Figura Oberva-e que há ei eqüência ditinta de operação em cada período de funcionamento. Em cada eqüência exitem empre trê chave em condução, dua no grupo poitivo e uma no grupo negativo, ou vice-vera. 59

60 A duração de cada eqüência é de 60º. Portanto, o inai de comando da chave etática ão defaado de 60º un do outro a fim de e obter tenõe trifáica (fundamentai) balanceada. A chave do grupo poitivo têm um do eu terminai ligado ao pólo poitivo da fonte de alimentação CC. A chave do grupo negativo têm um do eu terminai ligado ao pólo negativo da fonte de alimentação CC. Para contrução do diagrama da Figura 2.25, a eguinte regra devem er obedecida: 1ª) Entre dua chave de um memo braço, cada uma conduz por 180º, do 360º correpondente a um período completo de forma de onda alternada; 2ª) Entre dua chave, de braço ditinto, há uma defaagem de 120º. Pelo diagrama aim contruído pode-e etabelecer a eqüência correta de fechamento e abertura da chave comandada. Figura Diagrama de comando do inveror trifáico de tenão tipo 180º(BARBI & MARTINS, 2005). Figura Inveror trifáico de tenão tipo 180º(BARBI & MARTINS, 2005). 60

61 Figura Principai forma de onda (BARBI & MARTINS, 2005). 61

62 INVERSOR PWM Um inveror de freqüência PWM realiza o controle da freqüência e da tenão na eção de aída do inveror. A tenão de aída tem uma amplitude contante enquanto que a tenão média é controlada pela modulação por largura de pulo. O inveror báico converte a tenão de entrada de 60 Hz para tenõe e freqüência variávei endo que a freqüência variável é que efetivamente controlará a velocidade do motor. A durabilidade e deempenho do motor podem er afetado por tenõe de aída não enoidai reultante do chaveamento do inveror. A obtenção de forma de onda alternada com baixo conteúdo harmônico é extremamente importante, já filtro não podem er empregado com uceo, dada a grande variação de freqüência de aída do inveror. Deta forma, a lógica de diparo da chave do inveror é de fundamental importância na eficiência e no deempenho do itema de acionamento. A técnica de chaveamento modernamente utilizada fazem uo da modulação por largura de pulo, que poibilitam a obtenção de forma de onda de tenão de aída de baixo conteúdo harmônico. Dentre ela, pode-e detacar o PWM enoidal, cuja filoofia erá demontrada na eqüência (SIMÃO & ALMEIDA NETO, 2002). 2.8 MODULAÇÃO Para que e entenda como funciona eta tecnologia no controle de potência, parte-e de um circuito muito imple formado por um interruptor capaz de chavear de forma rápida uma carga a er controlada, de acordo com a figura Figura 2.28 Controle da corrente na carga com abertura e fechamento do interruptor Quando o interruptor etá aberto, à potência impota a carga é nula poi não exite circulação de corrente. 62

63 No entanto a potência aplicada à carga é máxima no intante em que o interruptor é fechado, poi a tenão integral da fonte é recebida pela carga. Para obter uma potência intermediária, diga-e 50% aplicada à carga, faz-e com que a chave eja aberta e fechada rapidamente de modo a ficar 50% do tempo aberta e 50% fechada. Io ignifica que, em média erá obtida a metade do tempo com corrente e metade do tempo em corrente, ilutrada na Figura Figura 2.29 Tenão média obtida a partir do controle de abertura e fechamento da chave. A potência média é, portanto obtida em função da tenão média impota a carga que nete cao caracterizou-e como endo 50% da tenão de entrada. Nota-e que o interruptor fechado torna-e reponável pela definição da largura do pulo em relação ao tempo em que fica neta condição, e um intervalo entre pulo quando permanece aberto. A freqüência de corte é definida pelo período compoto pela omatória do doi tempo. A relação entre o tempo em que o pulo é mantido e a duração de um ciclo completo de operação do interruptor define o ciclo ativo, conforme é ilutrado na Figura Figura 2.30 Ciclo ativo Variando-e a largura do pulo e também o intervalo, de modo a terem-e ciclo ativo diferente, pode-e controlar a potência média aplicada a uma carga. Aim, quando a 63

64 largura do pulo varia de zero até o máximo, a potência também varia na mema proporção, conforme repreentado na Figura Figura 2.31 Controle da potência pelo ciclo ativo Ete princípio é uado jutamente no controle PWM: modula-e a largura do pulo de modo a controlar o ciclo ativo da tenão média impota à carga e coneqüentemente a potência aplicada a ela. Na prática, o interruptor é um componente de etado ólido capaz de chavear o circuito de forma rápida como, por exemplo, um IGBT, TBP ou FET. Com a implementação de um ocilador o componente ou dipoitivo pode ter eu ciclo ativo controlado numa grande faixa de valore. A obtenção de duração zero ou 100% do pulo é muito difícil poi ubmeteria a o ocilador a uma parada, embora e pode chegar bem próximo dio. Um exemplo de aplicação é o que e denomina de imple magnitude PWM, onde o inal aplicado à carga determina implemente a potência que ela deve receber, pela largura do pulo. No entanto, exite um egundo tipo de controle PWM denominado Locked antiphae PWM, que pode incluir na modulação do inal informaçõe obre a potência aplicada à carga e o entido da corrente que deve circular por ela. Ete tipo de controle, em epecial, é intereante quando e trata de motore elétrico onde o entido da corrente determina o entido da rotação ou do torque. 64

65 O eu princípio de funcionamento é imple de er entendido. Se o pulo impoto à carga não ocilarem entre a tenão de 0V e um valor máximo de tenão, ma im entre uma tenão negativa e uma tenão poitiva (-V a +V), o ciclo ativo determina também o entido de circulação da corrente pela carga. Se, por exemplo, o ciclo ativo for de 50% conforme repreentado na Figura 2.32, a tenão média na carga, e, portanto a potência, erá zero. Figura 2.32 Locked Anti-phae PWM Agora, variando o ciclo ativo para mai e para meno de 50%, ter-e-á uma predominância do pulo poitivo ou negativo de modo que a tendência da corrente média erá de circular em um determinado entido ou noutro, de acordo com a mema Figura Portanto, conforme o ciclo ativo do inal aplicado, nete tipo de circuito, a corrente na carga irá variar entre meno 100% e mai 100%, em função do ciclo ativo do inal aplicado PWM SENOIDAL Neta técnica, o pulo que controlam a chave do inveror ão gerado a partir da comparação de uma onda portadora triangular de alta freqüência V p, com a onda enoidal de referência (onda moduladora) V r, cuja freqüência é a deejada para a tenão de aída do converor. O ponto de interecção entre a onda portadora e moduladora definem a lógica de diparo do dipoitivo de potência do inveror, de acordo com a Figura Quando V r (onda enoidal de referência) é maior que V p (triangular), a aída do comparador determina que a chave emicondutora correpondente entre em condução; porém quando Vr é menor que Vp a chave em quetão é bloqueada (SIMÃO & ALMEIDA NETO, 2002). 65

66 Figura 2.33 Geração de pulo de comando do inveror (SIMÃO & ALMEIDA NETO, 2002). Obervando-e a Figura 2.33, nota-e que a reultante do intervalo entre o uceivo cruzamento da enóide e a onda de referência triangular definem a largura de cada pulo de comando da dua chave emicondutora. Pode-e afirmar que a largura do pulo é praticamente proporcional à ordenada média da enóide em cada intervalo. Quanto maior a freqüência da portadora, mai próxima da forma de onda ideal para ee PWM, uma vez que menor erá a variação da amplitude da enóide em cada intervalo e, portanto, a largura de cada pulo erá uma função enoidal da poição angular. Em torno da freqüência de chaveamento, coniderando um PWM enoidal, urgem na tenão de aída a menore orden harmônica. No inverore atuai devido ao fato da utilização de IGBT obtém-e variaçõe de freqüência em torno de 5 khz a 20kHz o que naturalmente elimina a componente harmônica de baixa ordem otimizando a operação do motor. A harmônica de ordem elevada da tenão gerada não repreentam grande problema, já que a própria indutância do motor impede a entrada de ua repectiva corrente. Um outro apecto importante relativo à caracterização da tenão de aída do inveror é a relação entre a amplitude da onda de referência e portadora, denominado índice de modulação. À medida que ete índice crece a partir do zero, a largura de cada pulo vão aumentando, aumenta-e o valor eficaz de cada onda de tenão gerada. Quando o índice ultrapaa a unidade a amplitude da onda enoidal torna-e maior que a onda triangular, e por não exitirem mai chaveamento neta região, recorte da onda vão deixando de acontecer (SIMÃO & ALMEIDA NETO, 2002). A obre modulação é a denominação atribuída a eta condição de operação em que é permitida a geração de tenõe de aída maiore que o valor eficaz e com maior conteúdo 66

67 harmônico de baixa ordem. Dada à limitada tenão diponível no link DC, o recuro da obre modulação torna-e neceário, por exemplo, na operação com velocidade maiore. V f contante, em Figura Sobre modulação do PWM Senoidal (SIMÃO & ALMEIDA NETO, 2002). Um inveror VSI-PWM, atravé de uma malha de realimentação de corrente, pode oferecer uma corrente de aída controlada. A corrente aplicada ao etator do motor de indução, dede que o inveror opere com elevada freqüência, podem er ajutada rapidamente em fae, amplitude e freqüência VANTAGENS DO INVERSOR PWM O inveror pode alcançar uma eficiência uperior a 90% à velocidade plena e plena carga. Poibilita a partida uave do motor, reverão de rotação além de eliminar a preença de engrenagen para obtenção de variação de velocidade. O inveror pode er tetado e operado em etar fiicamente conectado ao motor e ainda em alguma aplicaçõe evitar obrecarga cauada pela aceleração de carga de alta inércia. Mai de um motor podem er operado a partir do memo inveror e ainda não er enível à alteração da combinação do motore operado, dede que a corrente de carga total não exceda a corrente nominal do inveror (SIMÃO & ALMEIDA NETO, 2002). Durante a operação de um controle PWM na condição de aberto, corrente alguma circula pelo dipoitivo, e quando fechado em teoria apreenta reitência nula e coneqüentemente queda de tenão nula não diipando potência. Embora na prática io efetivamente não ocorra, em teoria o controle PWM não diipam potência alguma conitindo em oluçõe ideai para aplicaçõe de controle. 67

68 Na realidade, o dipoitivo uado no controle não ão capaze de comutar o circuito em um tempo intantâneo, poi requerem certo tempo para mudar de etado e, nete intervalo de tempo, ua reitência eleva-e de um valor muito pequeno até um valor extremamente alto e vice-vera, conforme ilutrado na curva de comutação demontrada na Figura Figura 2.35 No intervalo tr e tf o dipoitivo gera calor em boa quantidade No intervalo de tempo de ubida e decida tanto a queda de tenão quanto a de corrente podem gerar uma boa quantidade de calor conforme a carga controlada. O proceo de chaveamento em função do tempo de repota do dipoitivo, e principalmente o da freqüência de controle, pode diipar elevada quantidade de energia em forma de calor. Memo com eta retrição em relação a um controle linear equivalente, a potência diipada em um controle PWM é ignificativamente menor. Contudo atualmente a implementação de projeto de controle voltada a potência elevada realiza-e em neceidade de utilização de grande diipadore, poi já ão comun no mercado o tranitore de comutação rápido, FET de potência e outro componente de chaveamento conideravelmente rápido. Outro problema que pode urgir com relação ao tranitore de efeito de campo e bipolare, reide no fato de que quando aturado não e comportam como reitência nula, proporcionando queda de tenão que podem atingir algun volt. Portanto, em epecial no cao do FET de potência que ão, muita veze coniderado comutador perfeito, deve-e obervar a epecificaçõe da reitência de fração de ohm entre o dreno e a fonte (rd on) quando aturado, poi na prática podem ignificar a neceidade de diipadore bem dimenionado. 68

69 A baixíima reitência de um FET de potência quando aturado (reitência entre dreno e fonte no etado on), ó é válido para uma excitação realizada com uma tenão relativamente alta. Deta forma o tranitore bipolare de potência ou memo o IGBT, dependendo da aplicação, podem oferecer vantagen memo obre o FET de potência DESVANTAGENS DO INVERSOR PWM O cuto inicial do itema do inveror é alto. A potência total ditribuída para o motor deve er convertida pelo inveror, io requer componente de alta potência dentro do inveror. O inveror poui uma grande quantidade de circuito ofiticado que requerem técnico epecializado para a manutenção (SIMÃO & ALMEIDA NETO, 2002). 2.9 DISPOSITIVOS PARA CHAVEAMENTO Na Figura 2.36 percebe-e que o tiritore ão dipoitivo capaze de uportar elevado valore de tenão e corrente, ma não podem operar em freqüência de chaveamento elevada. O IGBT pouem uma capacidade de uportar maiore tenõe e atuar em freqüência maiore que o tranitore bipolare de potência e podem também uportar maiore corrente e tenõe que o MOSFET de potência. Nota-e que a operação egura do IGBT é maior que àquela compreendida pelo tranitor TBP e o MOSFET. Para erem aplicado em itema de alta potência, o dipoitivo emicondutore devem, durante o chaveamento, além de operar em alta freqüência, erem capaze de atuar diante de elevada tenõe revera e grande corrente. Dea forma, o dipoitivo emicondutore, durante o chaveamento, devem pouir baixa perda de potência. O tranitore bipolare de potência oferecem muita vantagen, tai como baixa perda em condução, aplicação de baixa corrente de bae no controle de alta corrente de coletor. Porém, quando exigido em relação a corrente alta de bae, alta freqüência de chaveamento devantagen urgem para certa aplicaçõe. O tranitore de efeito de campo, MOSFET de potência, também oferecem grande vantagen quando aplicado em ituaçõe que exigem chaveamento realizado em alta freqüência e também no controle de alta potência, poi exigem tenão de diparo. 69

70 O IGBT atualmente é um componente que e torna cada vez mai recomendado para chaveamento da carga que exigem alta corrente, poi reúne além da facilidade de acionamento e alta impedância do MOSFET a baixa perda em condução do TBP. Figura 2.36 Limite de Operação Com o objetivo de epecificar a chave do inveror, foram pequiado divero modelo que etão litado na tabela

71 Tabela 2.1: Chave eletrônica pequiada MODELO FABRICANTE DESCRIÇÃO IRF740 International Rectifier MOSFET com iolação para 400V e Rd(on) = 0,55 IRF830 International Rectifier MOSFET com iolação para 500V e Rd(on) = 1,5 IRF840 International Rectifier MOSFET com iolação para 500V e Rd(on) = 0,85 IRFP450 International Rectifier MOSFET com iolação para 500V e Rd(on) = 0,40 IRFP460 International Rectifier MOSFET com iolação para 500V e Rd(on) = 0,27 IRFPC50 International Rectifier MOSFET com iolação para 600V e Rd(on) = 0,60 STW13NB60 ST MOSFET com iolação para 600V e Rd(on) = 0,54 IRGP30B60KD International Rectifier IGBT com iolação para 600V e Vce(on) = 1,95V STGW20NC60BD ST IGBT com iolação para 600V e Vce(on) = 2,5V IRG4PC50UD International Rectifier IGBT com iolação para 600V e Vce(on) = 1,65V Para a epecificação do modelo de chave a er utilizada no protótipo, foram analiado o critério técnico e a diponibilidade no mercado nacional. O critério técnico leva em conideração a tenão e diipação térmica na chave. Como a tenão no barramento é de aproximadamente 310V, optou-e utilizar chave com iolação igual ou uperior a 500V em função de eventuai pike de tenão que poderão urgir em decorrência do chaveamento em alta freqüência obre o motor, que apreenta um comportamento indutivo em função do enrolamento do etator, podendo ocaionar a ruptura da iolação da chave. Sendo aim, a chave IRF740, a princípio, etá decartada. 71

72 Ela pode er utilizada omente no tete finai (capítulo 3) cao fique evidenciado, atravé de equipamento de medição, que não haja tenão maior que 400V obre a mema. O IGBT foram pequiado unicamente pela caracterítica de apreentarem iolação alta (acima de 600V). No MOSFET, a diipação térmica etá em função da reitência de condução, Rd(on), ou eja, é proporcional ao quadrado da corrente eficaz. No IGBT etá em função da freqüência de comutação e da tenão de junção, Vce(on), portanto, é proporcional a corrente média que circula pela chave. A epecificação quanto à diipação térmica erá analiada quantitativamente no capítulo 3. A quetão diponibilidade leva em conideração a facilidade em coneguir a chave no mercado nacional. Nete item, o modelo IRFP450, IRFPC50, STW13NB60 e STGW20NC60BD etão decartado. A ecolha entre o modelo IRF830, IRF840, IRFP460, IRGP30B60KD erá definida no capítulo PROCESSADOR DIGITAL DE SINAIS - DSP A evolução da tecnologia de eletrônica permitiu a popularização de ferramenta utilizada para itema de controle digitai. Uma dea ferramenta é o proceador digital de inai. O Proceadore Digitai de Sinai, ou DSP (do inglê Digital Signal Proceor), ão microproceadore epecificamente projetado para executar em tempo real algoritmo de proceamento digital de inai que exigem tarefa numérica inteniva e repetitiva. Caracterítica como arquitetura avançada, proceamento paralelo e em pipeline e intruçõe dedicada a proceamento digital permitem que ee dipoitivo executem milhõe de operaçõe por egundo (TEXAS INSTRUMENTS, 1987). Para implementar o controle digital no projeto, foi ecolhido o DSP MC56F8013, fabricado pela Freecale Semicontuctor. Ee chip reúne alguma caracterítica procurada para a aplicação do converor, que erão decrita neta eção. 72

73 DSP PRINCIPAIS CARACTERÍSTICAS E VANTAGENS A parte integrante de qualquer computador, e que também etão preente no DSP ão: Unidade Central de Proceamento (CPU); Sitema de clock para dar eqüência à atividade da CPU; Memória para armazenamento de intruçõe e para manipulação de dado; Entrada para interiorizar na CPU informaçõe do mundo externo; Saída para exteriorizar informaçõe proceada pela CPU para o mundo externo; Programa (oftware) para que o itema faça alguma coia útil. A arquitetura do DSP é projetada e otimizada para realizar operaçõe de multiplicação e acumulação imultânea em um único ciclo de clock (intrução MAC). Ea intrução é a operação fundamental do DSP, poi ela poibilita o proceamento de algoritmo matemático com alta velocidade. Aume-e, como requiito mínimo, que um controlador ou proceador ó pode er um DSP e a ua micro arquitetura implementar por hardware operaçõe MAC (RODRIGUES & SOUZA Jr., 2005). A Figura 2.37 motra a implementação de um filtro digital utilizando a intrução MAC: Figura 2.37 Intrução MAC aplicada ao cálculo de um filtro digital (FREESCALE, 2006a) 73

74 Etão entre outra caracterítica de arquitetura que conferem ao DSP alta performance a eguinte: Sua Unidade Lógico-Aritmética (ULA) dentro da CPU poui um circuito multiplicador-acumulador que poibilita a MAC. O barramento da memória de dado é eparado do barramento da memória de intruçõe do programa (Arquitetura Harvard), permitindo que a CPU acee a dua imultaneamente. Diponibilidade de circuito de aceo direto à memória (DMA, Direct Memory Acce), que permitem o itema periférico acearem a memória em utilizar a CPU. Modo de endereçamento epecífico para regitradore circulare e pilha, endereçamento paralelo e utilização de ponteiro pré ou pó-incrementávei. Loop de hardware que permitem repetição de intruçõe em neceidade de uma intrução de retorno. Poui um ofiticado controle do fluxo do programa, que inclui proceamento de interrupçõe, manejo de pilha e controle de loop de hardware (FREESCALE, 2006b) APRESENTAÇÃO DO FREESCALE DSP56F8013 O MC56F8013 é um chip que pertence à família de Controladore Digitai de Sinai (DSC ) de 16 bit com núcleo 56800/E. Ele combina, num único chip, o poder de proceamento de um DSP e a funcionalidade de um microcontrolador com um flexível conjunto de periférico e facilidade de programação. Devido ao eu baixo cuto, flexibilidade de configuração e código de programa compacto, o MC56F8013 é apropriado para vária aplicaçõe, incluindo controle indutrial, controle de motore, inverore, gerenciamento de energia e equipamento médico (FREESCALE, 2006b) VISÃO GERAL DO NÚCLEO 56800/E Entre a caracterítica que o núcleo 56800E preente no MC56F8013 oferece podee citar: Proceador de 16-bit com arquitetura Harvard; 74

75 Até 32 milhõe de intruçõe por egundo (MIPS) operando em freqüência de 32MHz (para o MC56F8013); Suporte para linguagen de alto nível: a maioria da aplicaçõe pode er ecrita em linguagem C. Um circuito multiplicador-acumulador (MAC) 16x16 bit em um único ciclo; Quatro acumuladore de 36 bit cada um; Oito etágio de pipeline, que aumentam o deempenho de proceamento; Buffer circular; Alto nível de paralelimo: memória, unidade de execução e periférico opera independentemente e em paralelo. Hardware looping, entre outro PERIFÉRICOS O principai periférico diponívei no MC56F8013 ão (FREESCALE, 2006c): Um módulo de PWM que opera a até 96MHz com 6 canai e 4 entrada para proteção de Fault; Um módulo com 6 entrada de ADC de 12-bit de reolução e clock máximo de 5,33MHz; Quatro módulo timere de uo geral com 16 bit cada; Uma Interface de comunicação erial aíncrona; Até 26 porta I/O que podem er programada como entrada ou aída; Ocilador interno e um Sitema Gerador de Clock. A arquitetura de itema engloba todo o elemento integrado no chip do controlador, incluindo o núcleo, memória, periférico e barramento neceário para conectá-lo MEMÓRIA Ee dipoitivo poui: Arquitetura Harvard que permite até 3 aceo imultâneo ao barramento de memória e de dado; 16KB de memória Flah de programa; 4KB de memória RAM de dado e programa. 75

76 ENCAPSULAMENTO E PINAGEM O encapulamento do MC56F8013 é do tipo LQFP (low-profile quad flat pack) com 32 pino. A pinagem do dipoitivo pode er vita na Figura Figura 2.38 Encapulamento e pinagem do DSP56F8013 (FREESCALE, 2006b) PROGRAMAÇÃO DO MC56F8013 A Freecale diponibiliza um ambiente de deenvolvimento para programação, imulação, depuração e gravação de projeto que utilizem o MC56F8013 denominado Codewarrior. Tal ambiente foi criado pela Metrowerk, emprea aociada à Freecale. Dentro dee ambiente de deenvolvimento, a programação pode er feita em linguagem aembly, contando com o et de intruçõe do MC56F8013, ou em linguagem C, já que Codewarrior poui um compilador dea linguagem (RODRIGUES & SOUZA Jr., 2005). A vantagem de e utilizar o DSP MC56F8013 para a implementação do protótipo reide no fato de que, ao contrário do microcontroladore convencionai, ete é otimizado a efetuar cálculo e proceamento de inai em alta precião e velocidade. 76

77 Ito e torna imprecindível em um itema de controle em malha fechada, que caberá ao trabalho futuro. Além do mai, ua arquitetura é detinada a comando de inverore trifáico em função de apreentar ei aída de PWM e um itema de proteção que deliga automaticamente a aída PWM quando é detectada uma ituação de falta. Há um et epecífico de intruçõe, intríneca no DSP, que é detinado a controle de motore. O uo de controlador digital, frente ao analógico, é vantajoo no que diz repeito à flexibilidade, poi a alteraçõe ão facilmente implementada atravé do oftware. Além do mai, o controlador digital é meno ucetível a temperatura, ruído e tolerância do componente, além do fato de demandar meno componente na placa DRIVER O driver é um circuito de interface, contituído principalmente de tranitore e opto acopladore (cao eja iolado), cuja principal função é adequar nível de tenão e corrente para proporcionar o chaveamento do MOSFET ou IGBT a partir de um nível lógico gerado por um DSP, micro controlador ou outro dipoitivo. Na Figura 2.39 etá repreentado, de maneira ilutrativa, a aplicação do driver. FIGURA 2.39 Aplicação do driver A acenão da eletrônica de potência trouxe conigo uma infinidade de componente para a mai divera aplicaçõe. Entre ete componente, divero fabricante deenvolveram driver no mai variado modelo e tecnologia. Portanto, pode-e encontrar driver epecífico para cada neceidade. Para a implementação do protótipo, foram pequiado divero driver que etão litado na tabela 2.2 com a repectiva caracterítica. 77

78 Tabela 2.2: Driver pequiado MODELO FABRICANTE DESCRIÇÃO L6388 ST Aplicação em braço do tipo Half-Bridge com diodo de boottrap incorporado, 600V de iolação, proteção contra ub-tenão, cruzamento de chave e dead-time ajutável. HCPL0302 Driver de um canal iolado atravé de optoacoplador interno que garante iolação de até Avago Technologie 566V. Driver de um canal iolado atravé de optoacoplador HCPL316J interno que garante iolação de até Avago Technologie 1200V. Poui proteção contra ub-tenão e proteção de falta. IR2112 Aplicação em braço do tipo Half-Bridge, 600V International de iolação, proteção contra ub-tenão e Rectifier cruzamento de chave. IR2130 Aplicação em inverore trifáico, 600V de International iolação, proteção contra ub-tenão, cruzamento Rectifier de chave e falta. IR2133 Aplicação em inverore trifáico, 1200V de International iolação, proteção contra ub-tenão, cruzamento Rectifier de chave e falta. O driver L6388 e IR2112 foram decartado em função da neceidade de e utilizar trê componente para acionar o trê braço do inveror, demandando mai epaço na placa de circuito impreo. O modelo HCPL316J e IR2133 ão economicamente inviávei para a implementação do protótipo. O HCPL0302 apreenta o inconveniente de er excitado atravé de corrente, neceitando de um amplificador de corrente externo. Sendo aim, o driver 2130 apreenta o melhor cuto x benefício entre todo o driver litado. 78

79 O IR2130, produzido pela International Rectifier, é um circuito integrado não iolado que agrupa ei driver (trê independente e trê referenciado ao GND), detinado a inveror trifáico. Contempla dipoitivo de proteção de falta, ub-tenão e cruzamento de chave. Devantagen: não é iolado, não tem tenão negativa nem proteção individual para cada chave. Em função da aída erem independente, dipena-e o uo de fonte iolada devido à poibilidade de e utilizar circuito de boot_trap. Na figura 2.40 é apreentado o diagrama de funcionamento do driver IR2130. Figura 2.40: Diagrama do driver IR

80 2.12 SIMULAÇÃO Com o objetivo de obter, previamente, o comportamento dinâmico do circuito do inveror, foi utilizado o oftware Ppice Deigner Manager verão 9.2 para a imulação. Figura 2.41: Circuito imulado no oftware 80

81 O proceo de modulação em PWM foi obtido atravé de amplificadore operacionai na configuração comparadora. Ete amplificadore recebem um inal dente-deerra em 24kHz na porta inverora e um inal enoidal na porta não-inverora que repreenta a tenão, freqüência e fae de referência. O inai complementare ão obtido atravé de um par de fonte de tenão dependente para cada amplificador operacional, endo que uma dela inverte a lógica. O tempo morto, para evitar o cruzamento da chave, foi obtido atravé de um circuito RC (1k e 470pF). O inveror trifáico foi implementado atravé de ei chave, com a deignação Sbreak, que repreentam um modelo ideal. Cada chave poui um diodo de roda livre para imular o diodo intríneco da chave reai. O motor foi repreentado por um circuito RL trifáico conectado em delta. Apear do circuito de comando utilizado na imulação er analógico, não impede que o modelo eja válido para o proceador digital de inai, poi ete fornece o inai de PWM atravé de uma tabela com divero valore para a razão cíclica que repreenta a função eno dicretizada. Portanto, há uma emelhança entre o inai obtido na aída do amplificador operacional e o inai produzido pelo DSP. Na figura 2.41 e 2.42, etão repreentado repectivamente o circuito imulado no oftware e a forma de onda de corrente e tenão de linha. Na figura 2.43 etão à forma de onda complementare de PWM, reponávei pelo comando de um do braço. 81

82 Figura 2.42: Corrente e tenão de linha obtida na imulação Figura 2.43: Forma do inal de PWM complementare 82

83 2.13 CONCLUSÕES Nete capítulo foi realizado um etudo obre acionamento e controle de velocidade de motore de indução trifáico, em que e motraram definiçõe, modelagem matemática, modulação PWM, dipoitivo para chaveamento e principalmente a forma de acionamento e controle de velocidade do motore de indução trifáica. A ênfae foi dipenada com relação ao inverore de tenão, referente ao quai e apreentam a principai vantagen além da caracterítica da principai topologia utilizada com forma de onda retangular na aída. Pelo fato de er uma da etrutura mai empregada na indútria, normalmente aplicado em alta potência, um eficiente meio de e obter tenõe trifáica com freqüência controlável e mai epecificamente pelo melhor aproveitamento da chave emicondutora além da forma de onda da tenão de aída não er afetada pela natureza da carga, é que e adotou a topologia do inveror de tenão tipo de operação 180º. Para acionamento do MOSFET, pelo fato de agrupar a funçõe de proteção de falta, ub-tenão e cruzamento de chave em um único encapulamento, além de diponibilidade no mercado, ótima relação cuto x benefício e baixo número de componente externo, o circuito integrado IR2130 foi ecolhido para a implementação do protótipo. O driver IR2130, produzido pela International Rectifier, é um circuito integrado não iolado que agrupa ei driver (trê independente e trê referenciado ao GND), detinado a inveror trifáico. Em função da aída erem independente, dipena-e o uo de fonte iolada devido à poibilidade de e utilizar circuito de boot_trap. Com relação ao proceador, foi ecolhido para a implementação do protótipo o DSP MC56F8013, produzido pela Freecale Semiconductor, por razõe comerciai tai como: baixo cuto e diponibilidade; omado a vantagen técnica: ei aída de PWM independente (uma para cada chave do inveror), fault mapeado para deabilitar o inai de PWM automaticamente cao algum problema eja detectado, poibilidade de utilizar compilador em linguagem C e et de intruçõe intríneca detinada a controle de motor de indução. Para realizar o chaveamento no etágio de potência foi ecolhido o MOSFET IRFP460 em função da ua grande capacidade de condução de corrente, tenão máxima de 500V e diponibilidade no mercado. Por fim foram feita imulaçõe do inveror de tenão aplicado ao acionamento e controle de velocidade ecalar do motor de indução trifáico com a ajuda de um programa de imulação de circuito. O reultado obtido foram julgado atifatório, de modo que o próximo pao a er tomado é a implementação real do inveror de tenão propoto. 83

84 CAPÍTULO 3 DESENVOLVIMENTO EXPERIMENTAL 3.1 INTRODUÇÃO Ete capítulo apreenta o etudo deenvolvido durante o projeto do converor CC-CA trifáico para acionamento e controle ecalar de um motor de indução trifáico utilizando um DSP. Ete etudo é egmentado em etapa, e a primeira dela é a concepção de um circuito que atenda a toda a epecificaçõe de funcionamento propota. A penúltima etapa envolve a montagem do protótipo, e por fim a última etapa compota do enaio de deempenho realizado no protótipo, eguida da avaliação do reultado obtido. 3.2 DIAGRAMA DE BLOCOS DO CIRCUITO A elaboração do circuito do protótipo far-e-á a partir do diagrama em bloco motrado na Figura 3.1: Figura 3.1: Diagrama em bloco do converor CC-CA trifáico. O protótipo erá alimentado com uma tenão alternada 220 V / 60 Hz monofáica ou bifáica endo poteriormente convertida em tenão CC atravé do converor CA-CC. Eta tenão erá monitorada atravé do DSP que, juntamente com a velocidade de referência, ajutará a freqüência e tenão alternada (controle ecalar) para que a velocidade do motor eja 84

85 a imagem da velocidade de referência. Em função de o controle er em malha aberta, eventuai erro em virtude do ecorregamento erão tolerado. O reotato erá acionado cao a tenão do barramento ultrapae certo valor limite previamente etabelecido que erá monitorado pelo DSP. Eta elevação de tenão ocorre quando o motor atuar como no modo de frenagem (gerador). 3.3 CIRCUITOS DSP BLOCO DE CONTROLE DIGITAL E LÓGICA DE COMANDO Figura 3.2: Equema da pinagem do DSP. Ete bloco, repreentado na figura 3.2, compreende o DSP 56F8013 que, atravé da lógica implantada, é reponável pelo proceamento e monitoração do itema. O proceamento e monitoraçõe efetuado pelo DSP ão: aplicação do controle ecalar e geração do inai de PWM para inveror trifáico tipo 180º; monitoração da tenão e corrente do barramento CC; lógica para ativação e deenvolvimento da rampa de ubida e decida, bem como a inverão no entido de giro do motor; lógica para efetuar a interface HM (homem-máquina). O inai de aída e entrada etão motrado na tabela 3.1 e 3.2 repectivamente. 85

86 NOME TIPO DE SINAL FUNÇÃO PWMH01 PWMH02 PWMH03 PWML01 PWML02 PWML03 IOB0 IOB1 IOB2 IOB3 IOB4 IOB5 RLR DIGITAL DIGITAL DIGITAL DIGITAL Tabela 3.1: Sinai de aída do DSP SINAL DE PWM PARA COMANDO DAS CHAVES SUPERIORES SINAL DE PWM PARA COMANDO DAS CHAVES INFERIORES SINAIS PARA INTERFACE VISUAL (INTERFACE HOMEM-MÁQUINA) COMANDO DO RELÉ PARA ACIONAMENTO DO REOSTATO EXTERNO PERÍODODE ATUALIZAÇÃO /FREQÜÊNCIA 5 khz 5 khz 16,66 m 16,66 m NOME TIPO DE SINAL FUNÇÃO SHLD SHED FAULT AMIBUS AMPOT AMVBUS DIGITAL DIGITAL DIGITAL ANALÓGICO ANALÓGICO ANALÓGICO A, B DIGITAL TCK TDO DIGITAL TMS TDI Tabela 3.2 Sinai de entrada no DSP CHAVE PARA LIGAR OU DESLIGAR O INVERSOR CHAVE PARA INVERTER O SENTIDO DE ROTAÇÃO DO MOTOR SINAL EXTERNO PROVENIENTE DO DRIVER QUE INDICA CURTO (FALTA) SINAL DE AMOSTRA DA CORRENTE DO BARRAMENTO CC SINAL DE AMOSTRA DA TENSÃO DO POTENCIÔMETRO QUE CARACTERIZA A VELOCIDADE DE REFERÊNCIA SINAL DE AMOSTRA DA TENSÃO DO BARRAMENTO CC SINAIS DE ENTRADA DO ENCODER ROTATIVO SINAIS DO JTAG, NECESSÁRIOS PARA GRAVAR O FIRMWARE NO DSP RESET DIGITAL SINAL PARA INICIAR O DSP PERÍODO DE ATUALIZAÇÃO/ AMOSTRAGEM 16,66m 16,66m GERA INTERRUPÇÃO 521u 521u 521u NÃO IMPLEMENTADO 9800 bp GERA INTERRUPÇÃO 86

87 3.3.2 DRIVER IR2130 Figura 3.3 Equema da pinagem do IR2130. O driver IR2130, repreentado no bloco da figura 3.3, tem por finalidade fazer a interface entre a etapa de potência e a etapa de comando (DSP), adaptando o nívei de tenão e corrente para o acionamento da chave. Por e tratar de inai complementare (converor meia ponte), o driver emprega um tempo morto (deadtime) de 1,5u, para evitar o cruzamento entre a chave uperiore e inferiore. Apreenta um amplificador operacional interno para amplificação do inal da corrente de barramento, adquirida atravé da queda de tenão no reitor hunt. Poui, também, um dipoitivo de proteção que deliga a chave cao a tenão obre o reitor hunt exceda 0,5V (corrente de curto-circuito ou obrecarga). O inai de entrada e aída etão relatado na tabela 3.3 e 3.4 repectivamente: Tabela 3.3: Entrada do driver IR2130 NOME FUNÇÃO +15V Tenão de alimentação. GND Nível de referência da tenão de alimentação. VS0 Nível de referência para a chave inferiore e entrada da porta não-inverora do amplificador operacional. PWMH01, PWMH02, PWMH03 Sinai de PWM para acionamento da chave uperiore proveniente do DSP. PWML01, PWML02, PWML03 Sinai de PWM para acionamento da chave inferiore proveniente do DSP. Sinal proveniente da queda de tenão obre o reitor ITRIP hunt, reponável pelo deligamento da chave cao exceda 0,5V. VD1, VD2 E VD3 Tenão para acionamento da chave uperiore, proveniente do circuito de boot_trap. 87

88 Tabela 3.4: Saída do driver IR2130 NOME FUNÇÃO H01, H02 e H03 Sinai de PWM aplicado à chave uperiore. VS1, VS2 E VS3 Nível de referência para a chave uperiore. L01, L02 E L03 Sinai de PWM aplicado à chave inferiore. CA- Permite a ligação de reitor para ajutar o ganho do amplificador operacional. CA0 Saída do amplificador operacional. PROT Nível lógico que indica ituação de curto-circuito ESTÁGIO DE POTÊNCIA Figura 3.4: Etágio de Potência. Na figura 3.4 etão repreentado o conjunto com o trê braço do converor na configuração meia ponte ( Half Bridge ) reponávei pelo fornecimento da tenão trifáica. O fuível F1 é reponável pela proteção de retaguarda, ou eja, cao a lógica do driver não detecte a falta (curto) ete fuível irá romper, protegendo a trilha do protótipo. Etão repreentado na trilha de comando: diodo zener : Limita a tenão de gate em 18V, evitando que a chave ejam danificada por obretenão 88

89 reitore de pull-down (10k): Evita que o gate eteja flutuando no momento em que o barramento CC é energizado. reitore de gate (47) Tem por objetivo limitar a corrente do driver e controlar o tempo de fechamento da chave; reitore de gate (10) Tem por objetivo controlar o tempo de deligamento da chave; diodo 1N4148: Promover a eletividade do reitore de gate. O capacitore de 22nF têm por função o deacoplamento da indutância paraita da trilha do barramento CC ACIONAMENTO DO REOSTATO Figura 3.5: Acionamento Reotato. Tem por objetivo, atravé do comando do circuito para acionamento do relé, tranferir a potência do motor para o reotato, evitando a obretenão no barramento quando o motor encontrar-e em etado de frenagem. 89

90 3.3.5 ALIMENTAÇÃO DA ETAPA LÓGICA Figura 3.6: Alimentação da etapa lógica. O capacitore C10 e C20 compõe o circuito de filtragem da tenão de alimentação do DSP. O C20 é reponável pela filtragem da ondulação em baixa freqüência, em contrapartida, o C10 é reponável pela atenuação e deacoplamento uma vez que ua repota em alta freqüência é maior que o capacitor eletrolítico. O circuito reponável pela alimentação do converor analógico digital intríneco ao DSP. O reitore R37 e R28 têm por finalidade promover a barreira de iolação. Eta barreira de iolação é importante para devincular a reitência da trilha, poi o reitor de 1Ω apreenta reitência maior que da trilha, ou eja, o fluxo de corrente erá mai inteno pela trilha (excluivo), evitando que haja ondulação na entrada de alimentação do circuito AD. O capacitor C3 é recomendado pelo fabricante do driver IR2130 atravé do repectivo dataheet. 90

91 3.3.6 CIRCUITO DE INICIALIZAÇÃO DO DSP Figura 3.7: Circuito de inicialização do DSP. O capacitor C7 e o reitor R17 ão reponávei pela contante de tempo neceária para inicialização do DSP atravé do Reet. O capacitor C18 é o capacitor neceário ao funcionamento do DSP, egundo o Dataheet MC56F8013 rev0 3/2005 da FREESCALE CIRCUITO PULL-UP DO DRIVER Figura 3.8: Pull Up do Driver. Ete circuito tem por objetivo evitar a flutuação na entrada do driver IR2130, uma vez que a lógica do memo é invertida. Dea forma, é garantido que a chave etejam deligada no intante de inicialização do DSP. Cao contrário poderá ocorrer à condução indeejada da chave durante a inicialização, vindo a danificar o converor. 91

92 3.3.8 CIRCUITO DE GANHO Figura 3.9: Circuito de Ganho. Circuito reponável pela determinação do ganho da amotra de corrente atravé do Ampop interno do driver IR2130. O reitore R3 e R2 ão reponávei pelo ganho enquanto que R4 e Z1 limitam a tenão máxima em 3,3 V. A queda de tenão em R4, em condiçõe normai torna-e deprezível, uma vez que a corrente drenada pelo converor AD é praticamente nula CIRCUITO DE BOOT_STRAP Figura 3.10: Circuito de Boot_Strap. Tem por finalidade adaptar a referência de tenão para a chave uperiore do braço de cada converor meia ponte, poi a referência dea chave etão flutuando. 92

93 O reitore R30, R29 e R27 limitam pico de corrente obre o diodo e capacitore quando em proceo de carga do capacitore que fornecem energia para o módulo do driver reponávei pela ativação da chave uperiore. O diodo D7, D8 e D9 bloqueiam a tenão revera que urge no intante em que a chave inferiore (referenciada ao GND) entram em corte. O capacitore eletrolítico armazenam a tenão neceária para o acionamento do módulo do driver uperiore, enquanto que o capacitore de multicamada (220nF) ão reponávei pelo deacoplamento CIRCUITO DE ACOPLAMENTO DO SINAL DE FAULT ENTRE O DRIVER E O DSP Figura 3.11: Circuito de Acoplamento. Tem por finalidade adaptar o nível de tenão e inverter a lógica do inal de proteção de falta proveniente do IR2130, poi o driver é alimentado com 15V enquanto que a tenão máxima no pino do DSP é de 3,3 V. O capacitor C17, além de eliminar ruído, promove uma contante de tempo junto com o reitor R38 que garante a real ativação, ao invé da fala ativação provocada por ruído. O reitor R5 por ua vez garante que o tranitor não fique enibilizado na preença de ruído. 93

94 FILTRO E GRAMPEADOR DAS AMOSTRAS DE CORRENTE E TENSÃO Figura 3.12: Filtro e Grampeador. O diodo ão reponávei pelo grampeamento da tenão de amotra entre 0V e 3,3 V, enquanto que o capacitore atenuam o ruído CIRCUITO PARA ACIONAMENTO DO RELÉ Figura 3.13: Acionamento do Relé Ete circuito atravé do inal proveniente do DSP fará a aturação do tranitor Q1 com o objetivo de excitar a bobina do relé. O reitor R25 tem por finalidade evitar a flutuação da bae do tranitor no intante inicial da energização do converor. O reitor R1 é reponável pela limitação da corrente de bae do tranitor Q1. 94

95 CIRCUITO CONVERSOR CA-CC Figura 3.14: Circuito Converor CA-CC O diodo D15, D16, D17, D18 e o capacitor C24 tem por objetivo converter a tenão alternada da rede para uma tenão CC que alimentará o inveror. O NTC1 tem por finalidade limitar a corrente de pico no intante de ligamento, evitando que o diodo retificadore D15, D16, D17 e D18 ejam danificado. O capacitor C24 erve como filtro atenuando a ondulação de tenão e mantendo o nível CC do barramento praticamente contante CIRCUITO PARA RECEPÇÃO DAS AMOSTRAS Figura 3.15: Circuito para Recepção de Amotra 95

96 O divior reitivo formado pelo reitore R44, R45 e R46 tem por finalidade a amotra de tenão do barramento para o DSP. O reitor R52 tem por objetivo promover, atravé da queda de tenão, a imagem da corrente do barramento para o amplificador operacional do driver que por ua vez amplifica o inal para o DSP. O divior reitivo formado pelo reitore R50 e R51 tem por finalidade a atuação do fault do driver FONTE AUXILIAR CC Figura 3.16: Fonte Auxiliar A fonte auxiliar, apreentada na figura 3.16, tem por objetivo uprir tenão para o adequado funcionamento do dipoitivo de lógica, comando e ventilador. É contituída de um tranformador abaixador de tenão (externo à placa), retificador de onda completa, filtro capacitivo e reguladore de tenão em cacata CIRCUITO PARA ENCODER Figura 3.17: Encoder O circuito motrado na figura 3.17 tem por objetivo promover a conexão e interface para encoder, neceário para a realimentação da malha de controle da velocidade. O diodo zenner limitam a tenão em 3,3V, poi o nível de tenão para o funcionamento do encoder é uperior ao tolerado pelo DSP. O reitore limitam a corrente obre o diodo zenner. Apear de previto na placa, o circuito não foi implementado. 96

97 CIRCUITO PARA ACIONAMENTO DO VENTILADOR Figura 3.18: Acionamento do Ventilador O circuito, motrado na figura 3.18 propicia o acionamento do ventilador a partir da condução do tranitor. O tranitor é aturado no momento em que uma corrente de bae, proveniente da chave liga/deliga (no painel do equipamento), é impota. O reitor R39 limita a corrente de bae enquanto que o reitor R40 promove uma queda de tenão para que a tenão de 15V eja atenuada em aproximadamente 12V obre o ventilador, aumentando a vida útil do memo. O diodo D13 é o diodo de roda livre. 97

98 3.4 MEMÓRIA DE CÁLCULO 3.4.1CONVERSOR CA-CC Ete converor tem por objetivo converter a tenão alternada da rede elétrica para uma tenão contínua atravé do diodo retificadore. O capacitor de filtragem tem por objetivo atenuar a ondulação da tenão do barramento CC que erá entregue ao inveror. Parâmetro de projeto: Fin = 60 Hz Vin = 220V Pout = 460W N = 90% Pin = 511W Ondulação = 10% DETERMINAÇÃO DO FILTRO CAPACITIVO A epecificação do capacitor de filtragem é obtida atravé da expreão 3.1: Cf Pin = [F] (3.1) 2 2 fin ( Vdc pk Vdc mín ) Sendo: C f : Grandeza do capacitor de filtragem (F) Pin : Potência de entrada (W) f in : Freqüência da rede de alimentação (Hz) Vdc pk : Tenão de pico no barramento CC (V) Vdc min : Tenão mínima no barramento CC (V) V pk 2 V V = 311V = in pk 100 V(%) ) Vdcmin = V pk 311 Vdc min 280V 98

99 Subtituindo na expreão 3.1: C 511 = C ( ) f f = 465uF Adotando-e um valor comercial: C f = 470uF O capacitor deve uportar uma tenão igual ou uperior a 311V. Por e tratar de um dipoitivo para controle de velocidade de motor de indução, poderá haver uma elevação na tenão do barramento durante a frenagem do motor. Por ete motivo, adotou-e um valor comercial de 450V. C f = 470uF/450V DETERMINAÇÃO DOS DIODOS DE RETIFICAÇÃO É utilizada a topologia em ponte completa para o proceo de retificação da tenão da rede elétrica. O primeiro pao para a epecificação do diodo é a determinação do tempo de condução. Ete tempo é obtido atravé da expreão 3.2: Vdcmin arcco( ) Vdc pk tc = (2 π fin) [] (3.2) Sendo: t c : Tempo de condução do diodo () Vdc min Vdc pk : Tenão mínima no barramento CC (V) : Tenão de pico no barramento CC (V) f in : Freqüência da rede de alimentação (Hz) Subtituindo o valore: 99

100 ( 280 ) arcco t 311 c t = c ( 2 π 60) = 1,12m O próximo pao é a determinação da corrente de pico que paará atravé do diodo. Eta corrente é obtida atravé da expreão 3.3: Id pk Cf ( Vdc pk Vdcmín ) = [A] (3.3) tc Sendo: Id pk : Corrente de pico no diodo (A) t c : Tempo de condução do diodo () Vdc min Vdc pk : Tenão mínima no barramento CC (V) : Tenão de pico no barramento CC (V) C f : Capacitor de Filtro (µf) Subtituindo o valore: Id 6 470x10 = 1,12 m ( ) Id pk pk = 13A A corrente média é obtida atravé da expreão 3.4: Pin Id med = 2 Vdc [A] (3.4) min 100

101 Sendo: Id med : Corrente média no diodo (A) Vdc min : Tenão mínima no barramento CC (V) P in : Potência de Entrada (W) Empregando o valore de projeto: Id med 511 Id = med = 0,91A A tenão revera do diodo deverá uportar a tenão de pico da rede e do barramento CC. Etipula-e um valor mínimo de 500V em função do aumento de tenão provocado pelo proceo de frenagem do motor. Adotando-e diodo 1N5408 por uportar a grandeza determinada. A determinação do reitor para limitar a corrente de ruh ( I ruh ) pode er obtido atravé da expreão 3.5: V pk R ruh [] (3.5) Iruh max Sendo: V pk : Tenão de pico da rede de alimentação(v) Iruh max : Máxima corrente de ruh uportado pelo diodo (A) R ruh : Reitor para limitar I ruh () O diodo 1N5408 uporta uma corrente de ruh máxima na ordem 200A. Epecifica-e max Iruh = 35A para garantir uma margem de folga. 101

102 Subtituindo o valore: 311 R ruh R ruh 8, 9Ω 35 permanente. Adotando-e valor comercial de 10 e tecnologia NTC para evitar perda em regime CONVERSOR CC-CA TRIFÁSICO DIMENSIONAMENTO DAS CHAVES O converor CC-CA trifáico ou inveror trifáico é contituído de trê inverore meia ponte, tendo ao total de ei chave. O eforço da chave etão em função da tenão de barramento e da corrente eficaz que circula por cada uma. A magnitude da corrente de linha em plena carga é: Pout 368 I = = = 1, 51A lef 3 V n coφ ,8 0,8 Atravé da expreão 3.6, egundo (BARBI & MARTINS, 2005), é determinada a corrente eficaz por chave: Sendo: I lef I Sef : Corrente eficaz de linha ou fae (A) : Corrente eficaz por chave (A) I lef I Sef = (3.6) 2 I I 1,51 lef Sef = = = 1, A A máxima tenão permitida no barramento é de 400V. Chave utilizada: IRFP

103 DIMENSIONAMENTO DOS RESISTORES DE GATE O reitore de gate tem por finalidade limitar a corrente de carga da capacitância paraita do MOSFET e promover o tempo de corte e condução da chave, evitando dv/dt elevado. O tempo de corte e condução ão expreo atravé da expreão 3.7; t = t = 2 f r 2, Rg Ci (3.7) Sendo: t f = Tempo da rampa de condução () t r = Tempo da rampa de corte () R g = Reitor de gate () C i = Capacitância intríneca da chave (F) Atravé do dataheet do IRFP460, obtemo C i = 4200pF O tempo de corte deejado é de 430n, poi é um tempo uficiente para que a capacitância da chave complementar decarregue = 2,2 R g R g = 46,54Ω Reitor de gate (condução): 47 Entretanto, deeja-e que o tempo de deligamento da chave corte, eja o mai rápido poível. Para tanto, etima-e em torno de 100n para evitar dv/dt elevado = 2,2 R g R g = 10,82Ω Reitor de gate (corte):

104 Para promover o tempo ditinto, fez-e neceário a introdução de um diodo conforme a figura Figura 3.19: Reitore de gate e diodo CIRCUITO DE BOOT_STRAP Dimenionar o circuito de boot_trap conite em determinar o capacitore e diodo do circuito. O método foi eguido conforme deign tip, DT04-4 ver A, de autoria do próprio fabricante do driver. Ete método conite da eguinte expreão 3.8: I I I Q + qb dg rpd b = 2 Qg + + f f f (3.8) Sendo: Q b : Carga elétrica olicitada do circuito de boot_trap (C); Q g : Carga elétrica neceária ao gate da chave (C) dataheet da chave; I qb : Corrente quiecente olicitada pelo driver (A) dataheet do driver; I eb I rpd : Corrente de diperão entre gate e ource (A) dataheet da chave; : Corrente do reitor de pull-down (A); f : Freqüência de chaveamento do PWM. 104

105 A corrente drenada atravé do reitor de pull-down é: I Vcc = R 15 = = 1, 10k 5 rpd pd ma Subtituindo valore na expreão: Q Q b b ,5.10 = = 566nC 3 O capacitor de boot_trap é determinado a partir da expreão 3.9: C b Q = b Vcc V f Vceon V (3.9) ge min Sendo: C b : Capacitor de boot_trap (F); Q b : Carga elétrica olicitada (C); V cc : Tenão de alimentação do driver (V); V f : Queda de tenão direta obre o diodo de boot_trap (V); V ceon :Tenão entre dreno e ource da chave inferior em condução (V); V gemin : Mínima tenão de gate (V). C b = 15 0, C b = 435nF Conforme orientação do fabricante, coloca-e um capacitor eletrolítico e um capacitor de multicamada em paralelo para deacoplamento. Capacitore utilizado: 1µF eletrolítico e 220nF multicamada. 105

106 3.4.3 FONTE AUXILIAR A fonte auxiliar tem por objetivo uprir tenão contínua e regulada para o circuito de comando e lógica. É contituído de um tranformador para reduzir o nível de tenão da rede elétrica de 220V para 16V+16V. Um converor CA-CC retifica e filtra a tenão ao memo tempo em que reguladore de tenão mantêm nível contante. Na figura 3.20 é apreentado um diagrama de bloco da fonte auxiliar. Figura 3.20: Diagrama em bloco da fonte auxiliar DETERMINAÇÃO DO TRANSFORMADOR DA FONTE Epecificaçõe: Potência aparente = 15VA; Tenão primário = 127V / 220V; Tenão ecundário = 16V + 16V / 8V Carretel 26x26 Área da perna central = A = 6,76 cm 2 ; Lâmina Aço Silício = EI-254; Indução Magnética = B = 1x10 4 gau; Freqüência = 60 Hz. Cálculo do número de epira do enrolamento primário: V = 127V V 127 N = = = 650epira ,82 F A B 1x10 4, ,76 1x10 1x10 106

107 V = 220 V 127V = 93V V 93 N = = = 475epira ,82 F A B 1x10 4, ,76 1x10 1x10 Cálculo do número de epira do enrolamento ecundário: V = 16V V 16 N = = = 82epira ,82 F A B 1x10 4, ,76 1x10 1x10 V = 8V V 8 N = = = 41epira ,82 F A B 1x10 4, ,76 1x10 1x10 Cálculo da corrente no enrolamento ecundário: P = 10VA V = 16V I P 10 = = = 0, A V P = 5VA V = 8V I P 5 = = = 0, A V

108 Cálculo da corrente no enrolamento primário: V = 127V I P 15 = = = 0, A V P = 15VA V = 220V I P 15 = = = 0, A V Determinação da bitola do fio para cada enrolamento: 300A Utilizando como referência a denidade de corrente prática de 2 cm : Tabela 3.5: Determinação da Bitola do Fio Tenão (V) Corrente (A) 2 Área do fio ( cm ) φ (cm) Bitola AWG 127V 0,118A 3 0,393x 10 0, V 0,068A 3 0,226x 10 0, V 0,625A 3 2,08x 10 0, V 0,625A 3 2,08x 10 0, V 0,625A 3 2,08x 10 0, Na prática utilizaram-e a bitola 25 e 30 AWG CONVERSOR CA-CC DA FONTE AUXILIAR Ete converor CA-CC de onda completa, atravé do diodo retificadore e do capacitor de filtragem converte, a tenão alternada proveniente do tranformador, para uma tenão contínua que alimenta o reguladore. O dimenionamento dete converor foi realizado atravé do eguinte parâmetro definido na tabela 3.6: 108

109 Tabela 3.6: Parâmetro da fonte auxiliar Decrição Símbolo Grandeza Ondulação máxima V(%) 30% Tenão nominal de entrada V in 16V+16V Freqüência nominal da tenão de entrada f in 60Hz Máxima tenão CC Vdc pk 22V Mínima tenão CC Vdc min 15V O valor do capacitor de filtragem pode er obtido atravé da relação Cf Pin = (3.10) 2 2 fin ( Vdc pk Vdc mín ) Subtituindo o valore: Cf = ( ) Cf = 965µF Adotando-e um valor comercial de 1000uF/35V tipo eletrolítico. Um capacitor de 100nF/50V, de tecnologia multicamada, é colocado em paralelo para atenuar eventuai ruído. O diodo de retificação ão epecificado atravé da corrente média, corrente de pico e tenão revera. O tempo de recuperação é deprezado por e tratar de uma retificação de tenão alternada de baixa freqüência. O tempo de condução é obtido atravé da expreão 3.11: Vdcmín arcco( ) Vdc pk tc = [] (3.11) (2 π fin) 109

110 Sendo: t c : Tempo de condução do diodo () Vdc min Vdc pk : Tenão mínima no barramento CC (V) : Tenão de pico no barramento CC (V) f in : Freqüência da rede de alimentação (Hz) Subtituindo o valore: 15 arcco( ) tc = 22 (2 π 60) tc = 2, 18m A corrente de pico é obtida atravé da expreão 3.12: Id pk Cf ( Vdc pk Vdcmín ) = [A] (3.12) tc Sendo: Id pk : Corrente de pico no diodo (A) t c : Tempo de condução do diodo () Vdc min Vdc pk : Tenão mínima no barramento CC (V) : Tenão de pico no barramento CC (V) C f : Capacitor de Filtro (µf) Subtituindo o valore: ( 22 15) Id pk = Id pk = 3,21A 3 2,

111 A corrente média é obtida atravé da expreão 3.13: Sendo: Id med Id med : Corrente média no diodo (A) Vdc min Pin = 2 Vdc [A] (3.13) mín : Tenão mínima no barramento CC (V) P in : Potência de Entrada (W) Empregando o valore de projeto: Id med 15 Id 2 15 = med = 0,5A eja: A tenão máxima revera é a tenão de pico entre a aída do tranformador, ou Vrev = Vin Vrev 45, 25V max 2 max = Adotando-e diodo 1N REGULADOR 15V Ete regulador tem por objetivo manter um nível de tenão contante de 15V. Foi epecificado o regulador LM7815 devido ao fato dete CI fornecer até 1A de corrente em regime permanente. Para manter um nível de tenão etável e confiável, foi introduzido um capacitor eletrolítico de 100uf/50V e um capacitor de multicamada de 100nF/50V na aída do regulador para atenuar eventuai ondulaçõe e ruído REGULADOR 3,3V Ete regulador tem por objetivo manter um nível de tenão contante de 3,3V. Foi epecificado o regulador LDV1086V33 devido ao fato dete CI fornecer até 2A de corrente em regime permanente. Para manter um nível de tenão etável e confiável, foi introduzido um capacitor eletrolítico de 100uf/50V e um capacitor de multicamada de 100nF/50V na aída do regulador para atenuar eventuai ondulaçõe e ruído. 111

112 3.5 PROGRAMA IMPLEMENTADO NO DSP 56F8013 O programa foi deenvolvido em linguagem C, no ambiente de programação e depuração CodeWarrior, diponibilizado pela emprea Metrowerk. A Figura 3.21 motra a entrada e aída do programa. Figura 3.21: Etrutura de entrada e aída do programa Têm-e como entrada a amotra do circuito, potenciômetro e chave da interface homem-máquina, e a principal aída é para o driver que irá comandar a chave do circuito do inveror. Primeiramente configuram-e todo o regitradore neceário e inicializa-e todo o periférico que erão utilizado. Ito inclui o converor A/D, o PWM, o temporizador watchdog e a interrupçõe utilizada. A principal interrupção utilizada é a interrupção de Timer_0, que acontece a cada 521u. Nea interrupção é realizado o tratamento de todo a amotra do AD e gerada a máquina de etado com 32 poiçõe. Nete etado, etão a rotina de monitoração da tenão e corrente de barramento, controle ecalar, interface homem-máquina e comando do relé para ativação do reotato. 112

113 Exite uma outra interrupção que é a interrupção de Timer_1, neceária à atualização do regitradore de PWM. O período deta interrupção é variável conforme a freqüência da tenão de aída determinada na rotina de controle. A interrupção de fault do PWM é chamada toda vez que o nível no pino correpondente eteja alto (pino 18). Tabela 3.7 Reumo do evento do oftware Freqüência de trabalho do DSP Período de intrução Freqüência de chaveamento do PWM Freqüência de amotragem Tempo de converão analógico-digital Nome da interrupção Freqüência da interrupção 32MHz 31,25n 5kHz 1920kHz 3u Tarefa da interrupção Timer_0 1920kHz Iniciar a converão AD Tratamento da amotra Máquina de Etado PWM Fault Evento externo Deliga o PWM Timer_1 Variável Atualiza o valor PWM 113

114 Figura 3.22: Fluxograma do Software 114

115 Figura 3.23: Fluxograma do Software 115

116 Para verificação da lógica implantada no DSP, primeiramente, foi utilizado o Kit MC56F8013DEMO deenvolvido pela própria Freecale. Ete kit é contituído de um DSP 56F8013 e divero componente de inalização. O reultado obtido atravé do kit têm por objetivo a verificação do inai de PWM, que atravé de um filtro RC (paa-baixa), é poível viualizar a enóide trifáica. O equema utilizado para ete tete etá motrado na figura Na figura 3.25, etá motrado a forma de onda de tenão de aída obtida no tete para o divero valore de freqüência e tenão. O kit foi utilizado, excluivamente, no auxílio ao deenvolvimento do oftware. Figura 3.24: Equema do tete da etapa lógica utilizando o KIT MC56F8013DEMO. Figura 3.25: Forma de onda obtida no KIT MC56F

117 3.6 MONTAGEM DO PROTÓTIPO Para a montagem do protótipo, foi deenvolvida uma placa de circuito impreo principal, na qual ão montada além do componente de potência e demai componente, a placa de uporte para DSP PLACA DE SUPORTE PARA O DSP O DSP 56F8013 é um componente que tem caracterítica de SMD (urface mount device). Ea tecnologia traz como principal vantagem à miniaturização do componente. Porém, para fin de protótipo dee trabalho, foi neceária uma adaptação para troughhole, que facilita o trabalho do layout da placa maior e pode er mai facilmente manueada. A adaptação foi feita utilizando-e uma placa de uporte que imita um componente DIP com 40 pino, como motra a Figura Figura 3.26: Placa de adaptação do DSP 56F

118 3.6.2 TRANSFORMADOR DA FONTE AUXILIAR Figura 3.27: Tranformador da fonte auxiliar 16V +16V. Para alimentar o DSP e o circuito driver foi neceária a utilização de uma fonte auxiliar, como já decrito anteriormente LAYOUT DA PLACA PRINCIPAL O equema elétrico e o deenho da placa de circuito impreo foram deenvolvido com o auxílio do programa Protel Deign Explorer 99 SE. Foi deenvolvida uma placa de face dupla de 150x200 mm, vita na figura 3.28 e

119 Figura 3.28: Layout da placa principal Toplayer. Figura 3.29: Layout da placa principal BottomLayer 119

120 3.6.4 PLACA MONTADA A imagen da placa montada com o componente ão apreentada na figura Figura 3.30: Placa Montada DADOS DE PLACA DO MOTOR Figura 3.31: Placa Motor. 120

121 3.6.6 ENSAIO PRÁTICO DO PROTÓTIPO EM BANCADA Figura 3.32: Enaio Prático do Protótipo Figura 3.33: Enaio Prático do Protótipo 121

122 3.7 RESULTADOS EXPERIMENTAIS O reultado experimentai obtido do protótipo do converor controlado ecalarmente ão motrado neta eção. A verificação da operação do protótipo foi focada na comprovação da manutenção da relação V/f. Ao analiar o reultado, percebe-e que a forma de onda de tenão trifáica de fato obedecem uma relação contante entre a amplitude de tenão e a freqüência FORMAS DE ONDA RELACIONANDO A TENSÃO E A FREQUÊNCIA Figura 3.34: Tenõe de linha a 65 Hz Na Figura 3.34 o traço 1, 2 e 3 repectivamente definem a tenõe de linha VAB, VBC e VCA, enquanto que o traço 4 define a corrente na fae A. A Figura 3.35 ilutra a forma de onda da tenão e corrente de aída do converor em relação à freqüência, endo repectivamente: (a) tenõe de linha a 10 Hz, (b) tenõe de linha a 20 Hz, (c) tenõe de linha a 30 Hz, (d) tenõe de linha a 40 Hz, (e) tenõe de linha a 50 Hz, (f) tenõe de linha a 60 Hz. 122

123 Figura 3.35: Tenõe de linha em relação à repectiva freqüência ajutada. 123