Motores de Onda Trapezoidal

Transcrição

1 Máquinas Elétricas Especiais Motores de Onda Trapezoidal (Motores Brushless DC, BLDC ou Motores CC sem escovas) Prof. Sebastião Lauro Nau, Dr. Eng. Set 2017

2 Introdução Brushless sem escovas, sem comutador e sem anéis - evita resíduos devido ao desgaste das escovas - ruído reduzido - menos manutenção Tecnologias que permitiram o desenvolvimento dos motores brushless DC: - transistores de potência (IGBTs) - microeletrônica de controle - sensores (mais recentemente, técnicas sensorless)

3 Configurações típicas dos Motores Brushless DC

4 Características - é equivalente ao motor CC, porém com comutação eletrônica - a corrente é regulada por chaveamento dos transistores (PWM) - o motor deve ter uma FEM trapezoidal e enrolamentos concentrados - não pode utilizar rotor com polos salientes elevado ripple de torque! - utiliza número fracionário de ranhuras por polo para permitir uso de enrolamentos concentrados e reduzir o cogging torque.

5 Princípio de Funcionamento do Motor Brushless DC Arco polar dos ímãs = 180 E. Passo da bobina = 180 E. Enlace de fluxo forma de onda triangular. O enlace de fluxo da bobina 1 está no valor máximo negativo.

6 O enlace de fluxo de cada bobina varia de acordo com uma onda triangular à medida que o rotor gira. A bobina 2 está deslocada de um ângulo gama em relação à bobina 1. As FEMs das bobinas 1 e 2 se somam se elas estiverem em série. A FEM de fase é a soma das FEMs de cada bobina, e apresenta degraus, devido à defasagem entre cada bobina. platô A linha tracejada representa o formato da FEM de fase na prática, devido ao franjeameto do fluxo, que faz a forma de onda ficar mais trapezoidal. Ímãs com arco polar <180 E causam um estreitamento do platô da forma de onda da FEM.

7 Um motor brushless DC trifásico deve idealmente ter a forma de onda da FEM de fase com um platô de 120 E. Deste modo, se cada fase for alimentada com uma corrente constante durante 120 E, a conversão de potência é dada por: e 1 i 1 = T e ω m. Se a FEM e a corrente forem constantes neste intervalo, então o torque também será constante. Para o motor ligado em estrela, em cada intervalo de 60 E há duas fases conduzindo a mesma corrente em série, e as FEMs de cada fase se somam. Modo de condução em duas fases simultaneamente comportamento semelhante a um motor de ímãs com comutador mecânico: o número de fases do motor brushless DC é equivalente ao número de bobinas ligadas ao comutador de um motor DC. Cada fase produz torque durante dois intervalos de 120 E (semi-ciclos positivo e negativo da FEM e da corrente). O torque total é a soma dos torques produzidos por duas fases, que se somam a cada 60 E, existindo seis blocos de torque em cada ciclo elétrico. Há assim uma comutação de fase a cada 60 E, totalizando seis comutações por ciclo controle do tipo six-step (seis passos).

8 Circuito em ponte (drive) para o acionamento do motor BLDC. Motor ligado em estrela. Duas fases/duas linhas ligadas simultaneamente, conduzindo em série.

9 Quando duas fases estão conduzindo, a terceira está aberta, ou seja, não há circulação de corrente, porém há uma FEM de linha entre seus terminais e os terminais da outras fases. A comutação entre duas fases se dá quando a FEM de linha entre as fases que serão comutadas passa por zero. Por exemplo, quando as fases 1 e 3 estão conduzindo, a comutação da fase 1 para a fase 2 ocorre quando a FEM de linha entre as fases 1 e 2 passa por zero.

10 Circuito em ponte (drive) para o acionamento do motor BLDC. Motor ligado em triângulo. Três fases/duas linhas conduzindo simultaneamente.

11 Grandezas de fase, motor em Y, arco polar do ímã = 180, corrente idealmente trapezoidal

12 Grandezas de fase, motor em Y, arco polar do ímã = 180, corrente não-trapezoidal

13 Grandezas de fase, motor em Y, arco polar do ímã = 180, corrente mostrando efeito do chaveamento dos transistores

14 Tanto para a ligação estrela como para a ligação delta, a tabela de comutação dos transistores é a mesma, conforme abaixo: O drive necessita da informação da posição do rotor para a correta comutação das fases! O sinal para a comutação das fases vem de sensor de posição (sensor efeito Hall, sensor óptico). Atualmente, técnicas sensorless permitem a determinação da posição do rotor a partir da detecção da passagem da FEM por zero na fase que não está energizada.

15 Laços de condução dos transistores Fases 1 e 3 ligadas, transistores Q1 e Q2 conduzindo. Fases 1 e 3 ligadas, transistor Q1 aberto e transistor Q2 conduzindo. A corrente fecha-se pelo diodo D4 (funcionamento em roda-livre). Fases 2 e 3 ligadas, transistores Q3 e Q2 conduzindo.

16 Característica de Torque x Rotação A característica de torque x rotação semelhante à de um motor DC com comutador

17 Para operação com duas fases conduzindo, durante qualquer período de 60 E temos: Sendo: V s tensão aplicada ao motor E FEM de linha R resistência de duas fases em série Quando T = 0, I = 0 wm = wo : motor em vazio Rotação em vazio Quando wm = 0 ell = 0 : motor bloqueado Torque de rotor bloqueado Corrente de rotor bloqueado

18 Controle de Torque e Velocidade Controle de velocidade realimentação da velocidade (tacogerador) Controle de torque realimentação de corrente (sensor de corrente em duas fases ou no link DC) Mantendo V s cte: Torque, rotação Mantendo rotação cte: Vs, torque Mantendo torque cte: Vs, rotação

19 A tensão aplicada ao motor é variada pelo chaveamento dos transistores de potência com uma certa razão cíclica (duty-cycle) d. d = t on /(t on + t off ) t on intervalo de tempo no qual o transistor conduz. t off intervalo de tempo no qual o transistor não conduz. t on + t off período de comutação das fases. A tensão eficaz é proporcional ao duty-cycle: V s = V pk.d A modulação por largura de pulso (PWM) é utilizada para controlar o dutycycle, em uma frequência de chaveamento entre 5 e 10kHz.